除草劑對黃河三角洲入侵植物互花米草的影響

喬沛陽,王安東,謝寶華,王 麗,韓廣軒,梅寶玲,張希濤

1 中國科學院煙臺海岸帶研究所,中國科學院海岸帶環境過程與生態修復重點實驗室, 煙臺 264003 2 內蒙古大學生態與環境學院, 呼和浩特 010021 3 山東省黃河三角洲國家級自然保護區, 東營 257500 4 山東省林業監測規劃院, 濟南 250014

互花米草(Spartinaalterniflora)隸屬于禾本科米草屬,是多年生草本植物,原產地位于美洲大西洋沿岸,具有很強的生長繁殖能力、耐鹽和耐淹能力[1],1979年引入我國,已成為濱海灘涂地區的優勢物種,遍布于我國各沿海省份[2]。2003年,互花米草被列入國家環保總局和中國科學院聯合發布的中國第一批外來入侵物種名單中[3]。

在我國互花米草入侵后瘋狂繁殖擴張,嚴重威脅沿海濕地生物多樣性及生態系統健康等,防治互花米草,對恢復潮間帶生態環境及生物多樣性具有重大意義[2,4]。目前,控制互花米草繁殖擴張的方法主要有物理防治、生物防治、化學防治和綜合防治等[5- 10]。物理防治主要是通過人工或機械裝置,采用刈割、淹水、火燒、翻耕和碎根等物理手段控制互花米草的生長繁殖,但單一的物理防治手段很難有效控制互花米草的擴張[9,11]；生物防治和生物替代技術尚不成熟,而且生物防治可能需要引入新物種,有帶來新的生物入侵的風險[12- 13]；化學防治是使用除草劑滅除互花米草植株,存在污染環境、威脅底棲動物等風險,其優點是見效快,經濟成本低,適宜人力難以達到的泥濘灘涂,噴施除草劑在國外是常用的互花米草防治方法,但在國內這方面的研究還很少[14]。目前,美國環保署只允許在河口生境使用草甘膦和咪唑煙酸控制互花米草。國外學者研究發現在互花米草苗期施用草銨膦、草甘膦和咪唑煙酸均得到了90%以上的滅草效果,但對于成熟米草,除草劑的滅草效果差很多[15]。草甘膦的滅草效果并不穩定,不同的表面活性劑和不同的噴藥時期滅草效果差異很大,咪唑煙酸的滅草效果受冠層噴施條件及潮汐侵淹時長的影響較大[16- 17]。綜合防治是將幾種方法結合使用,以求達到更好的互花米草控制效果[18]。

互花米草于1990年被引入黃河三角洲在五號樁附近,至2015年整個黃河三角洲互花米草總面積達3278 hm2[19],對本土植物、鳥類和部分底棲動物等生存造成了嚴重威脅,如破壞鳥類覓食及棲息環境[20]、改變底棲動物群落組成、大型經濟貝類消失、優勢種群改變等[21]。本研究在黃河三角洲潮間帶對互花米草噴施不同除草劑,監測除草劑對互花米草的滅除效果,同時調查除草劑對大型底棲動物的影響,旨在篩選出可以有效滅除互花米草且對環境影響較小的除草劑,為我國互花米草防治提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域

黃河三角洲(37°16′—38°16′ N,118°20′—119°20′ E)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年均氣溫11.0—14.0°C,多年平均年降水量609.5 mm,降水量季節變化和年際變化較大[22]。本研究的試驗點位于黃河入海口北側潮間帶(37°50′26.74″ N,119°5′18.56″ E),該區域地勢平坦,潮汐為不規則半日潮,潮流是近似平行于海岸的往復流[23]。研究期間試驗區域平均高潮位42.7 cm,平均低潮位24.4 cm。平均漲潮歷時512 min,平均落潮歷時715 min,完全落潮后地表有1—3 cm積水。由海到陸依次分布著大葉藻(Zosteramarina)、互花米草(S.alterniflora)、鹽地堿蓬(Suaedasalsa)、蘆葦(PhragmitesaustraliasTrin)和檉柳(TamarixchinensisLour)等植物,互花米草在淺水區與大葉藻存在較窄的生態位重疊,在向陸方向上與鹽地堿蓬相鄰。試驗區域為互花米草單一群落,成體株高1.3—1.6 m,4—7月為營養生長期,8—10月為生殖生長期,11月開始枯萎死亡。

1.2 試驗設計

2017年7月,互花米草冠層高度約1.0—1.1 m,在互花米草分布區選取9個試驗小區和1個對照區(CK),10個小區在平行于附近潮溝的方向上依次排列,小區四周未設置PVC圍欄,相鄰小區之間留有1 m間隔,每個小區面積為50 m2。退潮后用噴霧器將除草劑均勻噴施于互花米草莖葉部分,每個小區各噴施一種除草劑。為保證噴施均勻,每個小區噴灑2遍剛好把藥劑溶液用完,9個小區全部完成噴藥只需45 min,因此每個小區除草劑的有效停留時間視為一致。噴完藥4 h后開始漲潮,一周內最高潮位不超過40 cm,低于互花米草冠層高度的一半。由于化學防治互花米草的研究很少,本研究選擇了較常用的8種除草劑,除草劑名稱和用量等信息詳見表1,選擇除草劑的原則遵循：①文獻已有的,②適用于水田的,③滅除禾本科植物的(如蘆葦)。

表1 供試除草劑種類及用量

*按有效成分計算；**文獻中為咪唑煙酸；CK為未經處理的對照小區；1區為五氟磺草胺小區；2區為高效氟吡甲禾靈(0.432 kg/hm2)小區；3區為高效氟吡甲禾靈(0.632 kg/hm2)小區；4區為甲咪唑煙酸小區；8區為草甘膦小區；9區為氰氟草酯小區

1.3 防治效果監測

2017年9月,在各小區隨機選取4個50 cm×50 cm的樣方,調查互花米草株高和密度,11月(生長季結束后),調查互花米草株高、穗密度、結穗率和生物量等指標。每個樣方隨機測量20株互花米草高度,取其平均值。密度由樣方內個體數除以樣方面積得到。結穗率為樣方內結穗株數除以總株數。齊地刈割樣方內互花米草地上部分,挑出枯黃死亡個體,將存活植物洗凈,帶回試驗室烘干測定地上生物量。地下生物量用收獲法測定,在互花米草調查樣方內挖根,深度為40 cm,將根系洗凈,根據互花米草的根表面和根斷面顏色來區分活根和死根,80℃烘干至恒重,稱取根系生物量。

根據9月的調查結果,初步篩選出滅除互花米草效果較好的小區(兩個高效氟吡甲禾靈小區、甲咪唑煙酸小區、草甘膦小區、氰氟草酯小區),11月對這些小區再次調查,進一步篩選出滅草效果更優秀的小區(剔除甲咪唑煙酸小區),并在這些小區內隨機挖取3個25 cm×25 cm×40 cm的沉積物樣方,調查大型底棲動物種類與密度。2018年4月、5月,調查CK、兩個高效氟吡甲禾靈小區、草甘膦小區和氰氟草酯小區中互花米草萌發情況。2018年6月,在施用除草劑11個月后,再次調查CK、兩個高效氟吡甲禾靈小區、草甘膦小區和氰氟草酯小區中大型底棲動物種類與密度。

1.4 數據分析與處理

為檢驗不同除草劑處理中互花米草各指標的差異,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對樣本數據進行分析,經過方差齊性(Levene′s test)檢驗后,采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較分析,對于不滿足方差齊性檢驗的數據,采用Games-Howell(A)進行多重比較分析。所有圖形運用Sigmaplot 12.5繪制。

2 結果與分析

2.1 除草劑對互花米草株高的影響

噴施除草劑2個月后,高效氟吡甲禾靈小區和氰氟草酯小區互花米草地上部分已經全部死亡。CK株高為(128.7±6.1) cm(平均值±標準誤差,圖1),五氟磺草胺、草銨膦和二氯喹啉酸處理的互花米草株高與CK無顯著差異(P>0.05),單嘧磺隆小區株高比CK低8.9%(P<0.05),低濃度高效氟吡甲禾靈、高濃度高效氟吡甲禾靈、甲咪唑煙酸、草甘膦和氰氟草酯處理的互花米草株高分別比CK低34.0%、36.5%、24.4%、22.8%和43.0%,且差異顯著(P<0.01)。后期對顯著抑制互花米草生長的小區繼續跟蹤調查。

噴施除草劑4個月后(11月下旬),CK株高(133.4±1.3) cm(圖 1),低濃度高效氟吡甲禾靈、高濃度高效氟吡甲禾靈、甲咪唑煙酸、草甘膦和氰氟草酯處理的互花米草株高分別比CK低39.9%、44.0%、42.8%、48.1%和47.7%,且差異極顯著(P<0.01)。這說明這些除草劑對互花米草植株地上部分有明顯的毒害作用。

圖1 2017年9月和11月互花米草株高Fig.1 Height of S. alterniflora in September and November 2017不同字母表示差異顯著(P<0.05)；CK為未經處理的對照小區；1區為五氟磺草胺小區；2區為高效氟吡甲禾靈(0.432 kg/hm2)小區；3區為高效氟吡甲禾靈(0.632 kg/hm2)小區；4區為甲咪唑煙酸小區；5區為單嘧磺隆小區；6區為草銨膦小區；7區為二氯喹啉酸小區；8區為草甘膦小區；9區為氰氟草酯小區

2.2 除草劑對互花米草抽穗的影響

11月21日調查CK、低濃度及高濃度高效氟吡甲禾靈、甲咪唑煙酸、草甘膦和氰氟草酯處理中互花米草穗長、穗密度以及結穗率(表2)。CK互花米草穗長為(20.0±0.2) cm,穗密度為(132.0±8.0) 穗/m2,結穗率為(56.7±10.8)%,甲咪唑煙酸小區穗長為(18.0±0.5) cm,穗密度為(84.0±28) 穗/m2,結穗率為(31.5±4.6)%,穗長、穗密度和結穗率雖然低于CK,但差異不顯著(P>0.05)。由于高效氟吡甲禾靈和氰氟草酯在互花米草結穗前完全殺死了其地上部分,因此穗密度為0,草甘膦小區的互花米草地上部分雖然存活,但其生長受到顯著抑制,未見抽穗。以上結果表明,高效氟吡甲禾靈、草甘膦和氰氟草酯均可完全限制互花米草的抽穗結實,從而完全抑制其有性繁殖能力。

表2 互花米草的穗長、穗密度與結穗率

**表示顯著性差異(P<0.05)

2.3 除草劑對互花米草生物量的影響

生物量可以有效地反應除草劑對互花米草植株及根系毒害作用的強弱程度。各除草劑小區的互花米草總生物量均顯著低于CK(P<0.01),僅為CK的54.5%—74.0%。施用除草劑后互花米草地上生物量也顯著低于對照處理(P<0.01,表3),低濃度高效氟吡甲禾靈、高濃度高效氟吡甲禾靈、草甘膦和氰氟草酯處理的互花米草地上生物量分別為CK的70.9%、49.7%、63.1%和60.3%。高濃度高效氟吡甲禾靈和氰氟草酯處理的須根量和總根量相比CK均明顯減少(P<0.05),其他處理與CK沒有顯著差異(P>0.05)。氰氟草酯小區互花米草莖葉在噴藥15 d后全部枯黃,植株光合作用能力喪失,根系生長受到很大影響,根系生物量僅為CK的52.2%(P<0.05),高濃度高效氟吡甲禾靈小區互花米草在施藥30 d后全部枯黃,其根系生物量為CK的63.7%(P<0.05),而其余小區互花米草地上部分死亡較晚或未全部死亡,根系生長受影響小,根系生物量與CK均無明顯差異(P>0.05)。各種處理間死根莖量差異不明顯(P>0.05),但除草劑小區的活根莖量顯著低于CK(P<0.05),低濃度與高濃度高效氟吡甲禾靈、草甘膦和氰氟草酯處理的互花米草活根莖量分別為CK的64.4%、53.7%、57.3%和40.0%。

表3 互花米草地上生物量、根系生物量和總生物量

2.4 除草劑對次年克隆苗的影響

克隆苗密度可以指示根狀莖分蘗能力的強弱,是判斷除草劑抑制互花米草無性繁殖能力的有力指標。莖葉噴灑0.632 kg/hm2的高效氟吡甲禾靈有效抑制了互花米草根狀莖分蘗,第二年沒有克隆苗萌發(圖2,P<0.01)。低濃度高效氟吡甲禾靈小區和氰氟草酯小區有零星克隆苗萌生,克隆苗密度僅為CK的1.2%和12.1%(P<0.01),株高與CK無明顯差異(圖2,P>0.05)。噴施草甘膦對次年克隆苗的密度和株高都沒有明顯影響(P>0.05)。

圖2 互花米草克隆苗密度與株高Fig.2 Density and height of S. alterniflora clone seedlings

2.5 除草劑對大型底棲動物的影響

2017年11月21日(噴施除草劑4個月后),調查大型底棲動物種類及密度(圖3)。大型底棲動物主要有日本刺沙蠶(NeanthesjaponicaIzuka)、天津厚蟹(Helicetridenstientsinensis)及薄殼綠螂(GlauconomeprimeanaCrosse & Debeaux),為方便描述,下文簡稱沙蠶、螃蟹及貝類。2018年6月(噴施除草劑11個月后)再次調查各處理小區內大型底棲動物情況(圖3)。結果表明,施藥4個月后,各小區內沙蠶和貝類的密度與CK相比沒有明顯差異(P>0.05),但螃蟹的密度顯著低于CK(P<0.05),僅在氰氟草酯小區內發現螃蟹,密度為CK的12.4%(P<0.05),其余小區內均未發現螃蟹。施藥11個月后,高濃度高效氟吡甲禾靈小區中沙蠶的密度為CK的2倍(P<0.05),其余小區內沙蠶密度與CK無顯著差異(P>0.05),各除草劑處理小區中貝類的密度與CK相比沒有明顯差異(P>0.05),并且螃蟹的密度得到了較好的恢復,各施藥小區內螃蟹的密度與CK沒有明顯差異(P>0.05)。

圖3 2017年11月和2018年6月的大型底棲動物種類及密度Fig.3 Species and density of macrobenthos in November 2017 and June 2018

3 討論與結論

3.1 不同除草劑治理互花米草效果的差異

作用機理的差異可能是不同除草劑具有不同滅草效果的重要原因。高效氟吡甲禾靈和氰氟草酯都是通過抑制植株體內乙酰輔酶A羧化酶的活性來抑制根、莖分生組織的生長,從而殺死植株[24- 25]。草甘膦是抑制植物體內5-烯醇丙酮莽草酸- 3-磷酸合酶,使其不能合成生存所必需的某些芳香氨基酸,導致互花米草植株死亡[12]。用藥環境會影響滅草效果,施藥后24 h內的降水會降低草甘膦和氰氟草酯的藥效[26- 27],但高效氟吡甲禾靈受低溫、降水等不利條件影響小[28],潮汐對除草劑的沖刷作用也可能影響滅草效果。有些除草劑如草甘膦可因被土壤中微生物吸附、金屬離子絡合而降低其對植物根系的毒性[29- 30],導致對互花米草無性繁殖能力的控制效果發生變化。藥劑用量不同也會影響滅草效果,本研究中,兩種用量的高效氟吡甲禾靈均可殺死互花米草地上部分,但較高用量的藥劑對互花米草無性繁殖能力有更好的抑制效果。然而,除草劑的用量可能并非越高越好,Knott等[17]研究發現,草甘膦和咪唑煙酸對互花米草的控制效果隨藥劑用量增加而增強,但是較高用量的草銨膦或咪唑乙煙酸的滅草效果反倒有所下降,這也許是噴藥不均勻所致。

噴施除草劑是簡單易行的治理互花米草的方法,其中施用草甘膦的報道最多[31- 33],但不同研究中草甘膦的滅草效果有較大差異。Knott等[17]研究表明,對株高約13 cm的互花米草幼苗和株高約60 cm的成熟株體噴施草甘膦,幼苗死亡率為95.4%,但成熟植株只有不到25.0%受損,且無死亡現象。Mateos-Naranjo等[31]于西班牙南部噴灑草甘膦,在施藥1年后互花米草分蘗密度減少了38%。Riddin等[32]噴施草甘膦和咪唑煙酸的混合液,施藥一年后互花米草死亡率超過95%。本研究在互花米草拔節期后期噴施草甘膦,顯著抑制了互花米草生長,地上植株雖未死亡,但無抽穗結實,地下根莖受到的影響則很小,次年萌發了大量克隆苗。這些研究結果不同的原因可能是：(1)草甘膦施用量不同；(2)噴藥時期不同,不同生育期互花米草對農藥的吸收能力和抗藥性不同；(3)草甘膦的表面活性劑不同[33]；(4)試驗區域的潮汐情況不同；(5)草甘膦和咪唑煙酸對互花米草致死存在協同作用,可以提高滅草效果。這些研究也說明,在使用除草劑治理互花米草時,需要提前進行因地制宜的技術探索。

3.2 施用除草劑治理互花米草的環境影響

化學防治方法主要是施用除草劑治理互花米草,可能對環境帶來一定的負面影響,如對其他動植物造成危害,進而破壞本地土壤和生態系統[34- 35]。然而,也有不少研究發現施用除草劑對灘涂和河口生物沒有危害[36- 38],這種無危害可能是因為低劑量的除草劑主要被植物葉片攝取,只有少量落至沉積物并迅速水解[36]。

底棲動物種群和數量的變化可作為評價除草劑環境影響的重要指標,目前雖有一些這方面的報道[38],但是除草劑對底棲動物毒害機制的研究還很匱乏。高效氟吡甲禾靈和氰氟草酯對螃蟹正常生命活動的影響尚不清楚,草甘膦小區中螃蟹消失可能是由于落入土壤中的草甘膦未能完全被互花米草根部吸收,部分殘留在土壤中從而進入螃蟹體內,對螃蟹的肝胰腺造成不可逆損傷進而造成其死亡[39]。本研究發現,施藥小區的螃蟹數量顯著低于未施藥小區,但在施藥11個月后螃蟹數量基本恢復。另外,施藥11個月后高濃度高效氟吡甲禾靈小區中沙蠶密度顯著高于對照處理,Shimeta等的研究發現了類似的結果,這可能是因為死亡的互花米草為沙蠶等環節動物帶來了豐富的食物[38]。由于潮間帶是開放的環境,施藥后短期內沉積物和水體中的藥劑殘留可能對某些底棲動物產生毒害,但當除草劑被潮水沖刷殆盡后,底棲動物種類和密度可很快恢復,某些底棲動物的數量還可能顯著增加。因此,從長期來看,噴施除草劑治理互花米草,其負面環境影響可能沒有預想的那么大,可以把化學防治作為互花米草防控的一種方法。

3.3 結論

本研究表明：(1)可有效滅除互花米草的除草劑有高效氟吡甲禾靈、氰氟草酯和草甘膦,且滅草效果依次減弱,就滅草效果而言推薦使用高效氟吡甲禾靈,但必須全面評估除草劑對環境的影響,這需長期跟蹤監測施用除草劑對鄰近海海域環境和生物的影響。化學方法防治互花米草適宜于小面積或難以抵達的泥濘區域,在治理大面積的互花米草時,應首先考慮對環境影響更小的物理方法。另外除草劑用量的不同會影響滅草效果；(2)噴施除草劑在短期內對某些大型底棲動物會產生不利影響,但更長時期后底棲動物種群和密度可以有效恢復。因此,在新入侵的或人力難以到達的小面積互花米草分布區,可以使用除草劑控制互花米草,但若使用除草劑進行大面積治理,還需要提前進行更全面的環境影響評估,如監測除草劑在水體和土壤中的降解周期以及除草劑對近海水體中動植物的影響。在未來研究中,針對滅草效果好的除草劑還需要進行深入的研究,探索最佳的用量、用藥時間和用藥頻率,從而在保證良好滅草效果的前提下進一步降低農藥用量,在最大程度上減小除草劑對生態環境的不利影響,使化學防治方法在互花米草防治中充分發揮其作用。

致謝：本研究得到中國科學院黃河三角洲濱海濕地生態試驗站的大力支持。