南方大平原雨养冬小麦系统中除草剂抗性管理的经济有效性研究

本期推荐研究针对南方大平原地区小麦-大豆/高粱轮作系统中日益严重的除草剂抗性杂草问题，通过构建动态生物经济模型HERMES，评估了预萌前(PRE)、萌后(POST)和草甘膦(Glyphosate)等除草策略的经济效益。研究发现，采用小麦-双季作物轮作配合靶向除草方案可延缓抗性基因扩散，同时通过增加夏季作物收益提升经济效益。该研究为雨养农业系统可持续杂草治理提供了重要决策依据。

　　在农业可持续发展的道路上，除草剂抗性杂草犹如"超级反派"般威胁着全球粮食安全。美国南方大平原(SGP)的雨养冬小麦系统正面临严峻挑战——Palmer amaranth（长芒苋）和horseweed（加拿大飞蓬）等杂草已对草甘膦(Glyphosate)等主流除草剂产生多抗性，导致小麦、大豆(Glycine max)和高粱(Sorghum bicolor)等作物减产10-30%。更令人担忧的是，农户往往采取"亡羊补牢"式的应对策略，通过增加草甘膦用量或混合用药来短期控制杂草，这种"治标不治本"的做法反而加速了抗性基因的传播。据测算，抗性杂草治理成本已高达24-138美元/公顷，但可持续管理策略的采纳率仍不足20%。

为破解这一困局，美国蒙大拿州立大学的研究团队在《Agricultural Systems》发表了一项创新研究。该团队构建了动态生物经济杂草种群模型HERMES(Herbicide Resistance Modeling System)，首次系统评估了三种轮作系统（小麦-休耕、小麦-大豆-休耕、小麦-高粱-休耕）中不同除草策略的经济效益和抗性控制效果。研究历时20年规划周期，整合了作物生长模拟模型ALMANAC与杂草竞争模型，通过超40组田间模拟试验，揭示了作物轮作与除草剂协同管理的优化路径。

关键技术方法包括：1)基于SIR(易感-感染-恢复)流行病学原理构建HERMES模型，模拟抗性等位基因频率变化；2)利用ALMANAC模型生成小麦/大豆/高粱在不同杂草密度下的产量损伤曲线；3)采用非线性最小二乘法拟合指数型产量损失方程；4)通过蒙特卡洛模拟评估20年净现值(NPV)。

研究结果显示，在"除草策略优化"方面，小麦-双季作物系统中交替使用预萌前除草剂(PRE)如pyroxasulfone（吡唑磺草胺）和萌后除草剂(POST)如2,4-D，相比单一草甘膦方案可延迟抗性基因扩散3-5年。其中小麦-大豆轮作中flumioxazin（氟噻草胺）的PRE应用使Palmer amaranth的LD₅₀(半数致死量)降低至16.3 g ae ha^-1，抗性发展速度减缓42%。

"产量影响分析"表明，杂草密度与作物减产呈指数关系。当horseweed密度达5株/m²时，小麦产量损失达15%；而Palmer amaranth在10株/m²密度下可使大豆减产28%。通过ALMANAC模拟建立的损伤曲线显示，指数模型(R²>0.92)比双曲线模型更准确预测产量损失。

"经济效益比较"揭示，小麦-双季作物系统20年净现值(NPV)比单作系统高18-25%。尽管抗性管理使年除草成本增加65-98美元/ha，但夏季作物收益完全抵消了这部分成本。敏感性分析证实，在±20%价格波动下，优化策略始终维持经济优势。

这项研究开创性地证明：作物轮作与除草策略的智能组合可构建"双赢"局面——既延缓抗性发展又保障农户收益。特别值得注意的是，模型预测小麦-大豆系统中抗性基因频率达到50%需要12.3年，显著长于单作系统的8.7年。这一发现为制定区域抗性管理指南提供了量化依据，对全球旱作农业系统具有重要借鉴意义。研究者建议，应建立包含PRE/POST除草剂轮用、机械除草和非化学措施的综合治理体系，同时加强抗性监测网络建设，以实现农业生产的长期可持续性。