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蒋高明:谈谈美国农业的科技要素之四——除草剂

2017-04-12 17:09:03  来源: 红歌会网   作者:蒋高明
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  一、美国农田里的杂草

  在农业生态系统中,妨碍或干扰农业生产的各种草本植物种类,都被视为杂草,还包括部分半灌木、小灌木和蕨类植物等。全世界约有杂草8000种,但与农业生产有关的只有250多种。杂草之所以获此恶名,是由于其传播方式多样,繁殖与再生力很强;生活周期比作物短,成熟种子随时飘落;抗逆性强,光合效率高等,对农业生产造成较大危害。杂草危害主要表现在:与作物争夺养料、水分、光照和空间;影响田间通风透光,增加局部气候温度;有些则是病虫害中间寄主,促进病虫害发生;寄生性杂草直接从作物体内吸收养分,从而降低作物产量。此外,有的杂草种子或花粉含有毒素,可使人畜中毒。

  其实,在农田被开垦之前,杂草就是自然生态系统中的正常成员,只不过是在一个稳定的生态系统中,杂草很难形成危害。杂草有其危害的一面,但也有其有利的一面,如防治水土流失,为天敌昆虫提供庇护场所,为土壤增加碳氮营养等。也就是说,是人类侵占了杂草的地盘,或者长期采取对抗方式,才客观造成了杂草难于防控。如何防治或利用杂草其实是一门复杂的学问。

  美国农田杂草约200多种,其中危害最严重的杂草20~30种,甚至有些是恶性杂草或“超级杂草”。这些杂草因地区、气候和土壤条件、作物及栽培方法不同,在空间分布上存在明显差异。美国农田普遍杂草多是不争的事实。另外,与其他国家不同的是,美国杂草具有难以防治的生态特性。例如,假高梁在美国广泛分布,成为大豆、玉米田最难防治的杂草。杂草对美国农业危害很大,据估计,杂草每年约让美国农场主损失12%的收成,损失高达330 亿美元。全球范围内,每年花费在购买除草剂方面的费用超过300 亿美元,美国是除草剂用量最多的国家之一。

  美国农作物以玉米、小麦、大豆、油菜、棉花等为主,为害最多的杂草也多分布这几类作物种植区,还包括部分苜蓿地。由于美国长期采取单一的对抗方式,即采取除草剂灭杀,该国出现了比任何国家都严重的草害问题,突出表现在该国恶性杂草或超级杂草数量位居全球第一。

  中国动植物检疫总局公布的严禁入境的世界恶性杂草有34种,这些杂草分别为(标黑着为美国为主或美国有分布的杂草):具节山羊草、节节麦、豚草、三裂叶豚草、多年生豚草、阿米、细茎野燕麦、法国野燕麦、不实野燕麦、疣果匙荠、宽叶高加利、刺蒺藜草、疏花蒺藜草、匍匐矢车菊、刺苞草、田蓟、田旋花、美丽猪屎豆、南方三棘果、锯齿大戟、提琴叶牵牛花、小花假苍耳、假苍耳、欧洲山萝卜、野莴苣、毒莴苣、臭千里光、北美刺龙葵、银毛龙葵、刺萼龙葵、刺茄、独脚金、翅蒺藜、意大利苍耳。占全球的70.5%。我国检疫部门规定,由于这些杂草难于防治、传播迅速、危害特别严重,一旦发现应予以立即消灭。

  而在世界公认的十大恶性杂草中,即香附子、假高粱、节节麦、早熟禾、水花生、水葫芦、豚草、大米草、毒麦、加拿大一枝黄花,美国也占有其中的7种,占70%,与上面的数据高度吻合。这些杂草适宜能力强,繁殖能力极强,在世界上广为分布,难以防除,引起世界大多数国家关注。

  从以上的介绍来看,美国农业面临的杂草问题,可能是全球最严重的。那么,美国为什么出现那么严重的杂草问题呢?

  二、化学灭杀

  2014年国庆期间,我随中国科学院生态草业考察团,到美国考察,行程从芝加哥,到奥克拉荷马,最后到加利福尼亚,跨美国东西部。在加州一片广阔的苜蓿地现场,我和陪同的加州大学戴维斯分校的一位教授发生了争执——当然,那争执是友好的,只针对问题本身。

  争执从杂草控制开始。那个教授主张用生物技术+除草剂的方法控制杂草危害,事实上加州大学戴维斯分校在生物技术方面学科很强;而我则从环境与健康角度指出问题,认为这种方法是治标不治本,还会进一步恶化。

  两个人谁也不服谁,争议变成了沉默。停顿了一会,美国教授忽然问我:“你有孩子吗?女儿还是儿子?”这是美国人思考问题不同的地方,当时我还不知道他为什么转移了话题,还以为他被我的话说动了。

  见我回答了孩子的情况,他说:“好吧,你也有孩子,当你的孩子或者他们未来成立了家庭,面对如此辽阔的苜蓿地,他们怎么除杂草呢?”

  这个问题把我问倒了。是啊,美国已经没有农民了,他们不知道杂草还可以用锄头锄,还可以喂养牲口,还可以作为野菜食用,他们甚至根本就没有过真正的农村,也没有经历过农业文明,目前采取的都是工业化的办法从事农业的。可快速的农业化道路,将大量人口装进城市里,带来的社会问题也是非常严重的,这是后话了。中美国情完全不同啊,而中国也正步美国后尘,走工业化农业道路。这一切早就超出了农业本身,也超出了杂草问题本身。

  在没有人力,在兼作套种、轮作、人工或机器除草基本不可能实现的前提下,美国只有化学对抗这条路可走了——见草就杀,其武器正如战场上的毒气一样,他们在杀虫剂基础上,又发明了除草剂。于是,化学除草以其所谓的先进、快速、经济、高效而成为美国现代农业必备条件,除草剂参与到农业管理的日常生活中来,它所防治的杂草对象由农田,扩大到了森林、果园、湿地、乃至城市矿山。

  三、杂草vs除草剂:道高一尺、魔高一丈

  美国所使用的除草剂,大多用于防除一年生杂草,对多年生杂草、木质化杂草及草荒往往效果差或无明显效果。针对杂草的化学除草剂多为灭生性的,极少有选择性很强的除草剂。目前全球销售的除草剂,按化学结构可分为近30种结构类型,而产品则多达230个,以谷物、玉米、大豆、水果和蔬菜、水稻田等为主。

  在全球十大除草剂种,草甘膦(孟山都)、百草枯(先正达)、 2,4-滴(道化学)、异丙甲草胺(先正达)、甲基磺草酮(先正达)、乙草胺(孟山都)、草铵膦(拜耳)、莠去津(先正达)、二甲戊灵(巴斯夫)、唑啉草酯(先正达),美国占其4席,且稳居第一的除草剂品牌在美国。从品种数量上看,十大品种仅占除草剂品种数量的4.3%,但其销售额却接近除草剂市场份额的40%。在十大品种中,多数为20世纪90年代以前开发的老品种,2000年以后开发的只有2个品种。就是这20多年前的除草剂老面孔,为商业资本带来了滚滚利润。

  美国除草剂最初设计,是针对不同叶型的植物采取不同的灭杀原理。某化学公司的除草剂Defendor活性成分为双氟磺草胺,最初在美国纽约州和马萨诸塞州获得登记。该除草剂是芽后除草剂,可用于防除早季阔叶杂草,最后在美国45个州获得登记。Defendor可预防蒲公英开花飘散,同时还能防除苜蓿、繁缕及其他一年生和多年生阔叶杂草。然而,由于化学除草是激烈对抗的,该方法也选择性地促进了一些杂草进化,即抗性提高,而一些有重要应用价值(如作为饲料或野菜)的杂草则被率先出局,这就大大改变了杂草群落的结构。

  随着杂草对抗性的增强,除草剂用量提高也造成作物伤害。针对这种情况,美国一些除草剂公司开始研制抗除草剂的转基因作物。1998年,美国某公司继推出抗农达蓖麻后,又推出抗农达棉花,这些产品具有抗农达和其他草甘膦基除草剂的特性;以后又推出抗农达玉米,可以抗农达和其他草甘膦基除草剂;2001年,该公司推出抗农达玉米2代;2006年,又推出抗农达Flex棉花。这里的农达是该公司的专用除草剂,以草甘膦为主要成分。抗草甘膦作物的推广,客观加大了除草剂的使用量,这些美国公司一方面卖转基因种子,一方面卖其专用的除草剂。

  然而,对于上面提到的恶性杂草,化学灭杀往往是非常被动的。这是因为:①杂草适应能力突出,能适应各种不同的气候和土壤条件,能在世界大部分地区生长繁殖;②繁殖能力极强,便是一粒种子生长也能迅速发展成一个很大的群落。而且种子生命力非常顽强,能耐受各种极端条件;③这些杂草大多是拟态性或是宿根性的植物。拟态性杂草本身与农作物难以区分,生物特性又与农作物十分相近,化学除草剂的靶标还不足以精确到如此程度能区分开拟态性杂草和农作物。靠除草剂治草,只能治标不能治本,杂草每年卷土重来,且一年比一年危害严重。对于超级杂草形成的机理,试以草甘膦为例,分析可能的机理如下:

  ①杂草表面发育更密的蜡质,或者体内分泌乳汁,阻挡草甘膦药物向体内转移;②与豆科杂草植物共生的根瘤菌,能打断草甘膦的碳磷键生成代谢中间产物肌氨酸,并以其为磷源供生长所需,对草甘膦有很强的生物降解作用,杂草可将人类施入的草甘膦当磷肥利用;③百合科植物对草甘膦具有耐药性,草甘膦主要是竞争性抑制植物体内烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶(EPSP),从而抑制莽草素向苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的转化,使蛋白质的合成受到干扰,导致植物死亡。而具草甘膦耐性的杂草,可过量表达EPSP合成酶,过量靶酶解除了除草剂结合靶酶所产生的限制作用,并有足够的酶活性满足自身代谢需要,维持正常生理活动。也就是说,某些杂草通过产生大量的EPSP合成酶,抵销草甘膦的破坏作用。

  化学除草剂,成了美国现代农业的必备品。商业公司不断发明除草剂,机械公司研发配套的除草剂使用设备,乃至飞机;生物公司不断研发抗除草剂的转基因作物,让作物在大剂量的除草剂面前“毫发无损”,然而环境与健康的真相被掩盖了,杂草也在除草剂面前越战越勇,人类还要继续对抗下去吗?

  四、草甘膦除草剂:功过有待评说

  草甘膦是美国某公司于20世纪70年代开发的广谱灭生性除草剂,70年代中后期推出了草甘膦异丙胺盐与钠盐。草甘膦主要抑制物体内烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶,从而抑制莽草素向苯丙氨酸、酷氨酸及色氨酸的转化,使蛋白质的合成受到干扰导致植物死亡。草甘膦是通过茎叶吸收后传导到植物各部位的,可防除单子叶和双子叶、一年生和多年生、草本和灌木等40多科的植物。草甘膦入土后很快与铁、铝等金属离子结合而失去活性,对土壤中元素与作物的平衡造成影响。

  在美国,草甘膦除草剂应用范围包括:茶园、果园 (一年生杂草和多年生恶性杂草)、春玉米、夏玉米 (行间杂草、一年生杂草)、油菜田 (一年生杂草、多年生杂草、杂草)、防火隔离带、森林防火道 (多年生杂草、杂草、杂灌)、非耕地(多年生杂草、行间杂草、一年生杂草)、甘蔗田(一年生杂草和多年生恶性杂草、杂草)、柑橘(一年生和多年生杂草、杂草)、苹果园(多年生杂草、行间杂草、一年生杂草)、公路、铁路(行间杂草、一年生及多年生杂草)、剑麻(一年生杂草、多年生恶性杂草)、梨园(行间杂草、杂草、一年生杂草、多年生恶性杂草)、棉花田(一年生和多年生杂草)、橡胶园、桑园(行间杂草、杂草、一年生杂草、多年生恶性杂草)。除了以上几种类型,草甘膦还在桃园、葡萄园、梨园、茶园、桑园和农田休耕地中大量使用,对稗、狗尾草、看麦娘、牛筋草、马唐、苍耳、藜、繁缕、猪殃殃等一年生杂草有很好的防治作用。

  草甘膦制作方法包括:①亚磷酸二烷基酯法, 以甘氨酸、亚磷酸二烷基酯、多聚甲醛为原料经加成、缩合、水解制得,产品纯度为95%, 成本较低。②氯甲基膦酸法:a)氯甲基膦酸的制备: 用三氯化磷和多聚甲醛在200-250℃反应3-5小时,得到氯甲基膦酰二氯,水解之可得氯甲基膦酸; b)草甘膦合成:等摩尔的氯甲基膦酸和甘氨酸,在氢氧化钠水溶液中(pH值>10),回流反应10-20小时然后用盐酸酸化的草甘膦; ③亚氨基二乙酸法: a)、亚氨基二乙酸的制备将氯乙酸在氢氧化钙存在下,与氨水反应,经酸化,再用氢氧化钠中和制得。或以氢氰酸为原料,与甲醛和氨反应制得; b)双甘膦制备:将亚氨基二乙酸与甲醛、亚磷酸在硫酸存在下加热反应制得双甘膦; c)将双甘膦与水混合,与过量的过氧化氢在等摩尔硫酸存在下,加热反应得到草甘膦。

  那么,抗草甘膦转基因作物是怎么回事呢?原来,草甘膦除草剂几乎能杀死一切绿色植物,但也有例外,一种叫矮牵牛的植物就不会被杀死。生物技术公司就将矮牵牛基因植入大豆、玉米、棉花等作物中,获得了抗草甘膦作物。这样的转基因作物对草甘膦就变得不敏感了,得到了保护。然而,环境中和食物中的草甘膦残留增加了,另外,杂草也不会甘于被灭杀,“超级杂草”或许就是抗草甘膦转基因作物应用后的出现的生态后果。

  需要指出的是,草甘膦等除草剂生产过程会造成严重的环境污染,美国人为保护该国生态环境,将除草剂转移到他国生产,中国这类工厂最多。美国人大量使用的除草剂是在中国生产的,也是在美国大量应用的,带有除草剂尤其草甘膦残留的农产品又带回中国。这样,进入到环境中去的除草剂及其前身物质,以及食物残留的除草剂,客观上造成了除草剂对中国人的直接或间接危害。

  对于草甘膦的安全性问题,商业公司自己声称其比食盐还安全,一些被收买了的所谓科普作家也大肆宣扬这种观点。然而,2015年初世界卫生组织曾公布了一份研究报告,认为草甘膦可能致癌,这份研究报告来自WHO下属的国际癌症研究机构(IARC)官方网站。报告称,从2001年以来,该机构对美国、加拿大和瑞典的情况进行了调查,有足够的证据显示,草甘膦农药可能会引发淋巴腺癌和肺癌,这是WHO首次确认草甘膦与癌症有关联。

  自2011年后,美国农业部就没有对食品中的草甘膦残余进行过检测;2014年,政府审计办公室曾对没有进行定期检测提出过批评。在之前检测的300种豆类样品中,共有271个样品中含有草甘膦残余。2017年3月,洛杉矶的鲍姆、赫德伦和阿利斯特律所,分别代表全美136名原告提出诉讼,声称他们因使用草甘膦除草剂而患上了非霍奇金淋巴瘤。目前,在全美和各州起诉某生物公司的案子已达到700多起。

  五、结语

  美国农田面临非常严重的杂草问题,该国采用的控草技术是化学对抗与灭杀。各种除草剂的大量使用,也造成了恶性杂草或超级杂草的蔓延。廉价和暂时有效的化学灭杀,包括抗除草剂作物的推广,使得美国农业具有一定的市场竞争优势,但这没有考虑生态环境成本、健康成本、社会成本和国家安全成本。除草剂在他国生产,在美国使用,带有除草剂残留的农产品又输出他国,污染自己更污染他国。更关键的是,对除草剂产生抗性的超级杂草也因粮食贸易向全世界蔓延,客观形成了对他国的生态入侵。人类到了必须认真反思种化学除草方式模式的时候了,停止对抗转而采取生态除草方式或许为可持续农业的光明大道。

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