综述：减少除草剂使用能否提高耕地杂草多样性？

本文探讨减少耕地除草剂使用以提升杂草多样性的策略，分析三种策略的优劣及应用前景。

　　# 综述：减少除草剂使用能否提高耕地杂草多样性？

一、引言

在农业生产中，耕地杂草（定义为所有非作物植物）与农作物竞争光、水和养分，杂草侵扰可能导致全球潜在作物产量损失高达 34%，具体损失程度取决于土壤、种植地点和作物类型。因此，人们常采用机械、化学控制策略或农业控制措施（如多样化的作物轮作和调整播种日期）来管理杂草。

然而，杂草虽对收获的作物产量和质量有负面影响，但在农业生态系统中也具有重要作用。比如，它们能为传粉者提供花蜜和花粉，为草食动物和鸟类提供食物，促进养分循环，还能维持多样的微生物群落。

过去几十年，欧洲杂草的多样性及其在土壤种子库中的多样性迅速下降，这对授粉和生物害虫控制等重要农业生态过程产生了负面影响。研究表明，较高的杂草多样性通常与对作物的竞争力降低相关，并且在不影响作物产量的情况下可以维持；杂草群落中较高的均匀度还能减少杂草生物量，从而提高作物生产力。因此，容忍更多样化且密度平衡的杂草群落，可能不会对作物生产产生负面影响，为综合杂草管理提供了新的思路。

为支持农业景观中的生物多样性，迫切需要保护和提高耕地杂草的多样性。除了景观碎片化和田间规模等因素外，田间管理（如化学除草剂和化肥的使用）对杂草多样性和组成起着重要作用。减少除草剂的使用有助于支持耕地杂草多样性，这也是欧洲 “从农场到餐桌” 战略的一部分，旨在减少对环境的负面影响。但减少除草剂使用面临挑战，即在管理高竞争性杂草物种的同时，支持有益和稀有杂草，或有助于提高不同营养级农业生物多样性的杂草。

此外，耕地杂草植被的多样性和分布不仅在地理区域之间存在显著差异，在单一作物田间也有所不同。了解田间杂草分布的变化，有助于实现针对特定地点和物种的除草剂使用，为减少除草剂使用和增加杂草多样性提供可能。除了特定地点的杂草管理（SSWM），调整除草剂产品选择或剂量率也能增加耕地杂草的多样性。但不同策略在实施过程中面临不同程度的实际障碍，且对杂草多样性和作物生产力的短期和长期影响各异，这也影响了农民对这些策略的采用。

二、减少除草剂使用的策略探讨

2024 年 2 月 28 日，在德国不伦瑞克举行的第 31 届德国杂草科学会议上，约 30 位来自科学、工业和咨询服务领域的杂草专家，就减少耕地种植系统中除草剂使用的潜在后果、相关农艺挑战以及对耕地杂草多样性的预期益处展开讨论。会议重点探讨了三种减少除草剂使用以增加杂草多样性的策略：特定地点施用除草剂、特定物种选择除草剂剂量率、特定物种选择除草剂，并从实施措施的技术要求和实施后可能产生的短期和长期农艺风险两个方面进行分析。

（一）特定地点施用除草剂

特定地点的杂草管理允许精确施用除草剂，通过仅针对杂草侵扰严重的区域施药，减少除草剂的使用量。若将杂草物种丰富度的空间分布和特定杂草物种的出现情况纳入特定地点的除草剂施用地图，还能促进杂草多样性的增加。

目前，已有一些针对特定地点施用除草剂的技术解决方案，但在实际农业生产中尚未广泛应用。例如，结合作物行间机械除草的带状施药技术设备已存在，但在行间种植系统中不常使用；基于 GIS 的自动喷杆分段控制系统已广泛应用于不同的植物保护喷雾器，该系统可减少施药误差，若有考虑田间杂草分布的地理参考喷雾地图，还能实现对数米宽的田间条带进行特定地点的除草剂施用，从而保留杂草多样性高的区域不施药。然而，能实现单个喷嘴控制精确施药（点喷）的作物保护喷雾器在实践中很少使用，因为点喷技术依赖于精确的高分辨率杂草分布图，而生成此类地图与杂草自动检测和分类的技术创新密切相关，如无人机图像、多光谱或高光谱成像以及人工智能（AI）的应用。虽然利用 AI 和机器学习区分杂草和作物已较为成熟，但可靠区分单个杂草物种仍难以实现，尤其是在杂草生长早期阶段，而这是大多数苗后除草剂应用的前提条件。

除了大型植物保护喷雾器的点喷，使用配备 AI 杂草识别功能的自主机器人进行化学和物理除草，是特定地点杂草管理的另一种有前景的方法。机器人可实现特定地点和物种的杂草控制，目前市场上已出现配备激光、单个喷雾喷嘴和各种除草工具的机器人。但在杂草控制策略中，同时控制单个杂草物种或植株，又容忍对生物多样性具有重要意义的杂草，这一理念尚未广泛实施。此外，利用新型特定地点技术保护杂草多样性的长期概念仍不完善，例如，尚不清楚如何有效结合苗前和苗后除草剂的使用，以及苗前除草剂能否在特定地点方法中应用。将更高杂草多样性的功能益处整合到特定地点杂草控制方法中，也需要进一步发展。虽然已有将杂草物种特异性特征纳入特定地点管理计划的方法，但受限于杂草物种特异性特征数据的可用性。而且，这些新技术和机器需要农场具备较高的技术兴趣和专业知识，其实际实施需要咨询服务和制造公司的大力支持。同时，大多数技术创新对农民来说投资成本较高，目前对许多农场而言并不可行。不过，农民使用精准除草控制技术可显著降低杂草管理成本，随着更多农业科技公司将商业设备推向市场，预计未来该技术成本会降低，使更多农民能够负担得起。

（二）特定物种选择除草剂剂量率

由于不同杂草物种对除草剂活性成分的敏感性不同，降低除草剂的施用率可能通过仅控制部分目标杂草物种，从而提高杂草多样性。但该方法需要有足够的关于杂草物种对不同剂量相关除草活性物质敏感性的数据，以便根据物种和具体情况调整施用率，达到所需的目标效果。智能决策支持系统（如 “InnoHerb” 和 “CPO”）可帮助确定潜在的除草剂节省量，同时不影响对问题杂草物种的控制。然而，稀有杂草物种通常比高竞争性物种对除草剂更敏感，而且除草剂的目标效果和施用率主要由控制不良的高竞争性杂草物种（如猪殃殃）决定，因此通过降低施用率来支持更敏感的杂草物种可能较为困难。

在中欧，当前传统的耕地种植系统以短作物轮作、高比例的冬谷类作物为特点，由于禾本科杂草（如看麦娘和黑麦草属）发生率高，需要大量使用除草剂。这种管理系统减少除草剂剂量率的选择有限，因为从农艺角度出发，需要对这些杂草物种进行高度控制。此外，抗除草剂杂草种群的扩散限制了降低施用率的使用，因为这与非目标除草剂抗性病例的增加有关，特别是在异交禾本科杂草物种中。在某些情况下，降低除草剂剂量会增加抗性发展的风险，但前提是对相应杂草物种容忍较低的除草效果。只要杂草控制水平足够，预计不会增加除草剂抗性进化的风险。不过，在怀疑存在抗性的田地以及存在具有高内在抗性风险杂草物种的情况下，不应使用降低的除草剂剂量。总体而言，降低除草剂施用率以支持更高杂草多样性的潜力有限。

（三）特定物种选择除草剂

具有较少目标杂草物种的选择性除草剂，可用于选择性控制高竞争性、不良杂草物种，同时支持更高的杂草多样性。但目前市场上仅有极少数含有单一活性成分或目标杂草物种谱较窄的除草剂产品。近年来，为给农民提供全面且易于使用的化学除草选择，越来越多活性谱非常广泛的除草剂产品或组合推向市场，而窄谱活性的除草剂却未提交授权或重新注册申请，这严重限制了使用选择性除草剂支持杂草多样性的可行性。

若有足够数量的选择性除草剂，为实现对问题杂草的足够防效，需将不同的窄谱目标除草剂组合使用，这会增加杂草管理的复杂性和工作量。而且，多种不同除草剂或活性成分的组合可能产生协同和拮抗效应，影响除草剂的功效。除草剂混合物还可能对农业生态系统产生负面影响，如减少养分循环、降低土壤微生物多样性和影响作物生长。此外，并非所有相关单个杂草物种都有除草剂活性成分功效的信息，例如在产品开发过程中，很少对稀有杂草物种进行充分的除草剂功效测试，因此除草剂标签说明通常不会规定对不太常见杂草物种的功效水平。这些不太常见的杂草对杂草多样性尤为重要，且对作物的竞争力可能较低，缺乏物种特异性的除草剂功效信息限制了该方法的实用性。

另一方面，使用窄谱目标除草剂无需新的农场投资，结合简单、广泛可用的喷雾技术，可实现针对特定物种或类别的除草剂施用，从而保护或促进杂草的生物多样性。在杂草种群已经多样化的田地中，使用禾本科除草剂控制竞争性禾本科杂草，而不对双子叶植物物种施药相对容易，这样剩余的杂草群落中可能只有少数高竞争性杂草，但有更多生态上理想的杂草物种。不过，采用这种方法需要更多关于单个杂草物种对不同活性物质除草剂敏感性的信息，还需汇编单个杂草物种的有害（竞争、质量影响、作物损害）和积极生态效应（如对传粉者的重要性）的综合信息，以确定不同田间条件下的目标和非目标杂草物种。除物种特异性特征外，还必须考虑不同杂草物种和群落的密度依赖性影响，并且需要实施或进一步制定不同杂草物种相应的经济和生态损害阈值，以考虑经济可行性，将所有这些信息纳入杂草管理仍然极具挑战性。

三、展望

上述三种减少除草剂使用的策略，由于技术、经济障碍以及知识缺乏等原因，在德国耕地农业中尚未广泛实施。但法国的研究表明，如果同时减少施药次数和除草剂剂量率，减少高达 60% 的除草剂使用是可行的。

特定地点施用除草剂可减少除草剂使用并促进生物多样性，但需要昂贵的技术、专业知识以及先进的杂草自动识别技术；特定物种选择剂量率可通过针对竞争性物种增加杂草多样性，但需要大量剂量 - 反应数据，且在特定条件下可能增加除草剂抗性进化的风险；选择窄谱杂草的选择性除草剂可在不进行新农场投资的情况下促进杂草多样性，但受限于选择性除草剂可用性降低和物种特异性除草剂功效数据不足。

从长远来看，特定地点施用除草剂可能在减少耕地农业除草剂使用和保护生物多样性方面具有最大潜力，因为它对未来技术和数字进步的适应性不断增强。

越来越多的科学证据表明，多样化的管理计划下杂草多样性最高，而重度依赖合成除草剂的集约化管理会对杂草群落产生强烈筛选作用。因此，促进耕地杂草多样性需要对作物种植参数进行复杂调整，不能仅局限于调整除草剂施用。减少除草剂使用应与其他管理策略相结合，如采用多样化的作物轮作、使用竞争性作物品种、延迟播种日期、提高作物播种密度以及引入机械除草等，这样既能有效控制适应性强的杂草物种，又能减少除草剂的施用量。

实施这三种策略需要重新思考个体农场杂草控制的未来方向，改变许多农场中仍然存在的 “净地” 观念，使其适应政治和社会的生物多样性目标。在此过程中，与农民进行深入的咨询和讨论至关重要。只要农民仍然担心残留杂草会对农业生产构成风险，杂草管理就不会发生大规模改变。为了对杂草多样性产生足够的积极影响，减少除草剂投入与采用其他管理措施相结合是必要的。此外，还需提供关于单个物种生态益处的全面信息，以便根据特定物种调整相应措施，实现耕地的农业生态杂草管理。