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如何绿色防控中药材基地杂草?

  2021-05-23 阅读:7904

杂草是中药农业生态系统中的重要组成部分,对药用植物是一把双刃剑,利弊共存。该文分析了杂草对中药材生产的影响,并从种间相互关系、土壤微生态环境、光环境、有害生物自然控制等方面阐释了杂草对中药材产生有利影响的可能机理,提出了三个杂草防控的基本原则,即“药草平衡,总体最优”“预防为主,综合防治”“保益除害,增益控害”。最后梳理了中药材生产过程中几种常见的杂草生态防控技术,包括免耕控草、秸秆覆盖治草、轮作治草、以草治草、利用作物竞争性治草、化感作用治草等。该文旨在应用生态学理论指导杂草管理和防控,兴利除弊,变害为宝,促进中药材生产的持续健康发展以及杂草多样性的保护。


       

       在传统农业生产中,杂草一直被视为“有害之草”[1]。杂草通常不能生产出数量和质量符合人类需要的产品,却可能影响生产。因此,传统农业生产倾向于将杂草除之而后快。除草剂的发现极大地减轻了现代农业除草成本。近几十年来,传统农业生产往往通过施用大量化学除草剂以求快速省力地防除杂草,却造成环境污染[2]、农田生物群落改变[3]、土壤养分循环破坏[4]、作物药害频发[5, 6]、抗性杂草增多[7]等副作用日益凸显。这些问题给农业的可持续发展带来了极大的挑战。生态农业由此应运而生,明确要求在生产中禁止使用化学除草剂。

       近30年来飞速发展的现代中药农业模仿传统农业生产模式,盲目追求产量,在生产中大肥大水、大量使用农药、除草剂,使得中药材品质和安全无法保障[8]。因此,中药生态农业也逐渐替代传统中药农业,成为中药材可持续发展的必由之路[9]。中药生态农业在实施过程中禁止使用化肥、农药、植物生长调节剂、除草剂等各类化学合成的投入品[8],这就极大地提高了杂草的防控成本。那么,中药生态农业系统中,杂草对中药材的产量和品质是否有影响?如何科学开展杂草防控才能减少生产成本的同时提高中药材的产量与品质?这些成为中药生态农业发展的重点和难点问题。本文首先分析了药田杂草对中药材生产的双重影响及其影响产生的可能机理,然后梳理了当前我国药田常见的杂草生态防控技术,旨在为药农实施杂草管理与防控提供借鉴和参考。


01杂草对中药材生产的双重影响


       杂草是中药农业生态系统中的重要组成部分,对作物是一把双刃剑,利弊共存。当有害杂草种类过多、密度过大时,通常引起作物产量下降或品质降低[10-12]。据报道,在中药材生产中,每年因杂草引起减产的比例在5%-10%,严重的可达30%以上[11]。但不恰当的除草方式或者逢草必除的过度除草行为也是不可取的。如过度使用除草剂或者长期施用单一类型除草剂可能引发作物药害问题[5,6,13]、杂草抗性问题[7,14]或者田间杂草种群结构改变,恶性杂草加剧问题[15],加大杂草防除难度。如金晓华等[13]研究发现利用大于25%灭草松水剂进行黄芪苗期除草会对黄芪苗产生药害;Varah等[14]研究发现过度使用除草剂进行麦田杂草大穗看麦娘(黑草)的防除会引发杂草抗性,由于抗药性黑草,英国每年的小麦单产减少了82万吨(约占英国国内小麦消费量的5%),严重时估计每年小麦损失达340万吨,经济损失达10亿英镑。


反而适度保留杂草增加了农业系统的生物多样性,有利于提高生态系统的生产力和稳定性,减少病虫害发生频率,提高生态系统的经济效益和生态效益。如很多杂草本身就可以作为饲料、粮食、工业原料、药材、生物防治原料等来源,科学保留具有经济价值的杂草可以增加经济作物多样性,提高土地利用率,实现多丰收,提高中药农业系统整体的经济效益[1];在豆科植物中增加野生植物天芥菜不仅能减少杂草30%-70%,还能明显减少病、虫害对其的为害[16]。在中药材种植过程中,保留一定数量的杂草,尤其是那些药用植物野生群落中常见的伴生杂草,最大程度模拟药用植物生长的原生态环境,有利于促进中药材产量和品质的提升[17]。


02杂草影响中药材生产的可能机制


       从目前的认识来看,杂草主要是通过改变药用植物生长的生物和非生物环境直接或间接对中药材产量和品质产生有利或不利的影响。已有研究一般认为杂草对作物产生不利影响的主要原因是:(1)部分杂草竞争能力很强,会与作物争夺地上和地下空间的生长资源;(2)部分杂草会释放化感物质抑制或威胁作物的生长发育;(3)部分杂草可能成为病虫害的中间寄主,为作物的病和虫提供栖息场所,提高作物遭受病虫害侵染风险;(4)妨碍收获作业,增加农业生产成本[18-20]。相比于杂草对中药材产量和品质的不利影响,有关其有利影响的研究报道较少且机理尚不十分清楚,还需进一步从杂草、药用植物的分子生物学和化学生态等方面作进一步的研究探讨。本文通过借鉴杂草对作物不利影响的产生机制,尝试对其有利影响的可能机制进行了分析,总结了5条可能原因,具体如下:


2.1 调节种间相互关系


       生物环境的改变主要涉及杂草与作物种间相互关系的变化。杂草与作物的种间互作关系主要包括竞争、互利共生、寄生、化感作用等。当杂草与作物间是种间促进作用时,一般对作物产量和品质的提高有直接的促进作用。如麦田主要杂草麦仙翁能通过根系向土壤中分泌释放赤霉素、麦仙翁素和尿囊素来促进小麦的生长发育、增加产量和改善品质[16, 21, 22]。当杂草与作物间是种间竞争时,可能激发作物因竞争胁迫产生次生代谢产物的应激反应。这对于所增加次生代谢产物为其有效成分的药用植物来说,可以直接起到提高药材品质的作用;而对于所增加次生代谢产物能引发对杂草的化感作用的药用植物来说,可以起到抑制杂草生长、增强药用植物自身与各类杂草种间竞争的能力的作用,从而间接促进药用植物的生长发育[23, 24]。如刘淑超等[24]研究报道青蒿和龙须草对紫茎泽兰幼苗的化感抑制作用有利于二者在紫茎泽兰入侵群落中伴生生存。部分杂草还可以减轻某些作物的自毒作用,缓解作物的连作障碍[25]。如孙晓涵[25]研究报道种植绿肥能减缓马铃薯连作障碍,但有关杂草减缓药用植物连作障碍方面的研究还尚少,有待进一步加强。另外,增加杂草群落的多样性(物种数量和物种组成)相当于增加了一系列具有不同物候和资源需求的杂草,降低了与作物发生生态位重叠的可能性,一定程度上降低了杂草对作物的竞争作用,从而降低了作物产量损失[26, 27]。如Storker 和 Neve[27]研究发现将麦田杂草的物种丰富度从7种增加到20种可使得由杂草引起的小麦产量损失量从60%下降到了30%。


2.2 调节土壤微生态环境


       杂草通常具有发达的根系,可以在一定程度上缓和大风、暴雨等对地面的侵蚀和冲刷,减少水土流失,尤其对荒沙地和坡地用地起到防风固土的作用[28 29]。杂草对土壤的遮盖则可以防止土壤水分过度蒸发,有利于土壤持水,同时调节土壤温度[30]。杂草还能在土壤中形成孔隙,改良土壤结构;吸附和保存可能会从土壤流失的营养,改善土壤理化性质,如增加速效P和速效K储量[31]。通过杂草还田或者豆科类杂草固氮,还能增加土壤有机质含量,提高土壤肥力[29, 32]。此外,保留杂草多样性还可以提高土壤益生菌数量,降低病原菌数量[33]。如姜莉莉等[33]研究表明在苹果园行间种植长柔毛野豌豆,可促进土壤亚消化螺菌和绿僵菌等有益菌的增殖,在一定程度上提高土壤有机质及养分含量,改善土壤微生态环境,从而促进了苹果产量和品质的提升。


2.3 调节地上光环境


       杂草不仅能为地表遮阴,也能为作物遮阴。这样既可以避免作物因过度的叶面水分蒸腾和高温炙烤而失水死亡,更重要的是可以调节作物生长所需的光环境。杂草可以改变药用植物所接受的光照强度、光质和光照时间等,从而影响药用植物生长发育、生理生化特性(如光合特性、酶活性等)以及次生代谢产物的积累[34]。如遮阴处理可以使凉粉草、水田七以及牛耳枫的茎秆变细、株高变长[35];光照强度增强会使毛瓣金花茶叶中的叶绿素总含量、类胡萝卜素含量以及叶片抗氧化酶活性降低[36];红蓝混合光和蓝光照射条件下更有利于姜黄次生代谢产物的合成[37];采用4周16/8h 光周期处理时水飞蓟的总酚含量最高[38]。


2.4 调节有害生物自然控制作用


       杂草通过光合作用将太阳能和空气中的二氧化碳转化为植物所需的能量和营养,能为许多昆虫、动物和微生物提供食物,创造有利的栖息、繁衍场所,促进其种群的发展。保留一定数量的杂草,一方面可以帮助转移病、虫害的攻击目标,帮助分流药田中的有害生物,缓解对作物的伤害[28, 39]。另一方面可以吸引和为更多有益生物提供生存环境,增加有益生物的数量、多样性和控害效能,降低害虫的数量和危害程度,实现有害生物的自然控制,进而促进植物的生长发育、繁殖和品质提升[28, 40, 41]。Wan等[41]通过分析全球2900余组多种与单/纯种植物种植的比较试验数据发现,在农业生态系统中,只需要在主栽作物田块通过种植诱集植物、间套作、果园生草等措施添加1种植物,便可明显增加主栽作物上天敌的数量和多样性;在陆地生态系统,增加植物物种多样性有促成植食性昆虫、天敌和植物三营养级联动的倾向,尤其在多样化种植的农业系统,营养级功能群之间的联动效应更加明显。另外,部分杂草自身能分泌或分解产生化感物质(包括原生和次生代谢产物)可以有效防控病虫草害[16, 42, 43]。这种情况下,科学保留和配置杂草避免或减少了化学农药和除草剂的施用,有助于减少中药材的农残问题,提升中药材产量和品质。


2.5 其他


       部分杂草(如葎草、灰绿藜、艾蒿、苣荬菜等)对有害气体或者有害金属具有较强的吸附能力,可帮助净化空气、土壤及水体,消除环境污染[1, 44]。在综合考虑杂草的其他影响上,适当保留这部分杂草有助于净化药材生长环境,减少有害物质在中药材上的积累和残留。


03中药农业系统中的杂草防控


3.1     杂草防控的基本原则


       中药生态农业对待杂草的态度是不与其为敌,通过科学管理,变害为宝,实现中药材的种植既不破坏生态平衡,又能保障优良的品质和较高的产量。这就要求我们必须充分了解杂草和栽培药用植物的生物学和生态学特性,结合生产实际,因地制宜,遵循“药草平衡,总体最优” “预防为主,综合防治” “保益除害,增益控害”等原则的基础上开展除草决策与实践。


3.1.1 “药草平衡,总体最优”原则


       杂草是药田生态系统不可或缺的重要组成部分,除草决策时要以“药草平衡,总体最优”为原则,即不任草滋长,也不可见草就除,低密度的杂草是可以容忍的。如经过试验研究发现除草对作物产量无显著影响[45],便可以不开展除草实践。杂草对栽培植物的竞争一般是随着杂草幼苗的生长从无到有、从弱到强逐渐发展的。当杂草感染度达到竞争临界期即杂草发生密度足以抑制药用植物生长发育,影响收割或造成减产、低质时,才是进行杂草防除的必要和关键时期。过早除草可能会做无用功,甚至反过来影响栽培药用植物生长发育,而过迟除草则其对栽培药用植物产量的影响已无法挽回。如张利等[46]研究发现除草处理反而显著抑制了暗紫贝母第1个月的生长高度,但对第2-3个月的生长高度无显著影响。


3.1.2 “预防为主,综合防治”原则


       除草实践中应坚持“预防为主,综合防治”的原则。首先做好预防措施,如可以通过建立杂草检疫制度;清除田地边、路旁杂草;施用腐熟的有机肥,清选种子等措施防止生态系统以外的杂草种子进入药田。其次,当杂草构成田间危害时,需要充分认识到任何单一的方法都不可能完全有效地控制杂草,应在充分考虑杂草种类、栽培药用植物种类以及不同地区自然条件、经济和文化习俗等的差异对除草实践的重要影响的基础上,将多种杂草防治方法有机结合起来,开展可行性分析和综合效益评估,制定“适地适草适药”的综合控草体系,并在实践中检验,逐步优化和完善。


3.1.3 “保益除害,增益控害”原则


       除草实践中应尽量保护益草、杀除害草,充分利用中药生态系统与环境优势,最大限度发挥自然天敌的控害作用。同时,积极利用有益的农业技术措施(如轮作、复合种植等)改变杂草与药用植物间的干扰平衡,提高药用植物的相对干扰力,使干扰向有利于药用植物的方向移动。


3.2     几种常见的杂草生态防控技术


       生态防治是指在充分研究认识杂草的生物学特性、杂草群落的组成和动态以及“作物-杂草”生态系统特性与作用的基础上,利用生物的、耕作的、栽培的技术或措施等限制杂草的发生、生长和危害,维护和促进作物生长和高产,而对环境安全无害的杂草防除实践[20]。目前常用于药田杂草的生态防治方法主要包括免耕控草、秸秆覆盖治草、轮作治草、以草治草、利用作物竞争性治草、化感作用治草等。


3.2.1 免耕控草


       不同的土壤耕作方式会影响杂草种子在土壤中的垂直分布,使种子所处的条件如埋藏深度、水分、光照等发生改变,从而间接影响到杂草种子的休眠萌发状况,进而影响到农田杂草的发生[47, 48]。相比于犁耕和耙耕,免耕是对土壤干扰程度最轻的一种耕作方式。免耕使分布在土壤表层的杂草种子比例提高即杂草种子库密度最高[49]。对于那些种子在土壤表层更易于生存、萌发或出苗的杂草种类来说,免耕会大大增加其种群密度[50],但这类杂草往往发生早且萌发整齐[20],采用免耕结合秸秆覆盖等方式可有效控制其生长[51, 52]。如博文静等[52]发现有机玉米田里的杂草总密度、总生物量和生物多样性在免耕小麦秸秆覆盖处理后显著低于免耕秸秆不覆盖处理;Mirsky 等[51]采用黑麦覆盖有效控制了有机轮作免耕大豆田生产中杂草的发生与危害。而对于那些需要在土壤中深埋才能打破休眠的杂草种类来说,免耕会大大降低其种群密度,从而减轻了杂草问题[50]。


3.2.2 秸秆覆盖治草


       秸秆覆盖又称秸秆还田,可用于还田的秸秆主要包括麦秸秆、稻草、玉米秆和苇草等。秸秆覆盖能控制杂草的主要原因有两点:一是能遮光降温,形成物理屏障作用,控制杂草种子萌发需要的必要条件,二是能分泌对杂草种子发芽和幼苗生长起抑制效果的化感物质如葡萄糖苷、酚类、萜类、生物碱、异羟肟酸等次生代谢产物[42, 53]。另外,秸秆覆盖不仅能有效控草,还能衍生许多附加功能,如保持水土、调节土壤温度、增加土壤有机质含量, 改善土壤结构,增强土壤保墒抗旱能力、提高土壤肥力,保护天敌等, 营造优质高产的生态环境[19,53-56]。秸秆覆盖在中药材种植中应用较为广泛。如据厉中良等[55]报道浙江磐安县地区近1300多公顷的元胡和贝母基地种植过程都采用了秸秆覆盖技术,其杂草防除以及增产增收效果显著;徐敏[57]研究报道秸秆还田可改善附子生长发育及产量,但对其品质无明显作用;罗敏等[56]则发现覆盖玉米秆或者稻草有助于半夏生长后期琥珀酸的累积。


       除了常见的小麦、玉米、稻草等秸秆覆盖物,中药材种植中也可采用一些木本植物叶子作覆盖物控制杂草。如申建春等[58]发明了一种利用落叶松针覆盖抑制重楼、三七、黄精、黄芪等药材种植中杂草生长的方法,其做法如下:先按常规方法将滇重楼等中药材的种子均匀地撒播在预处理好的种植地块中并撒上一层细土,或按常规方法在预处理好的种植地块中种植中药材的种苗;然后将落叶松针均匀覆盖在中药材种植地块表面,使地块表面无明显的显露,再按常规育苗方法进行水肥管理;中药材种子出苗后,再按常规方法移栽和水肥管理,并地块表面均匀覆盖落叶松针,保证中药材正常生长的透气和透光;通过覆盖落叶松针,抑制中药材周围杂草的生长。


3.2.3 轮作治草


       轮作治草是利用不同作物间交替或轮番种植的种植方式防止或减少伴生性杂草,尤其是寄生性杂草的危害[20]。程传鹏等[18]研究指出轮作对杂草的影响主要体现在对杂草群落和杂草种子库的影响上,它可以通过多种因素的作用降低地上杂草群落杂草密度和土壤杂草种子库种子数量,并且可以借助由轮作引起的诸多条件的差异维持较高的杂草生物多样性。轮作对杂草群落的影响主要表现为:(1)进行多种具有不同生活周期的作物轮作可以有效减少大多数杂草的优势度,而使某种或者某些杂草不会成为杂草群落的主要优势种;(2)不同物候作物的长期轮作可以减少杂草种子的产生和种子库中一年生阔叶杂草物种的丰富度,进一步减少了杂草群落往单一杂草种群发展的可能性。程传鹏等[18]指出轮作治草的效果受到轮作作物多样性、轮作作物的选择和作物栽培的顺序、种植制度、轮作年限等多种因素的影响,并从作物属性、田间环境、耕作方式、植物间化感作用、土壤营养水平、土壤酶含量和活性、土壤微生物和动物种群与数量等条件的差异方面论述了轮作对杂草群落和种子库影响的机制。合理的作物轮作可以维持杂草群落和杂草种子库的生物多样性与稳定性,兼顾杂草控制和杂草生物多样性保护的平衡,实现农田经济效益和生态效益的有机统一。如陈铁柱等[59]研究发现泽泻与水稻或者莲轮作均能减少田间杂草的发生,并且泽泻与莲轮作模式获得的经济效益和生态效益要高于泽泻与水稻的轮作模式;泽泻与莲轮作比与水稻轮作增收近2倍,且种植泽泻能克服莲的化感作用,减少莲瘟和莲腐病的发生,既防止了莲群衰退,又提高了莲藕的产量。


3.2.4 以草治草


       以草治草主要有三种模式:一是在作物种植前或在作物田间混种、间(套)种可以利用的草本植物(替代植物);二是改裸地栽培为草地栽培或被地栽培(在有植被分布的农田种植某种作物的方式),确保在作物生长的前期到中期田间不出现大片空白裸地,或被杂草所侵占,大大提高单位面积上可利用植物的聚集度和太阳能的利用率,减轻杂草的危害;三是用价值较大的植物替代被有害杂草侵占的生境[20]。如在金银花行间套种紫花苜蓿可有效减少金银花行间杂草和病虫的危害,减少除草剂和农药的使用,既能提高金银花产量,又能因紫花苜蓿增收,同时减少了金银花行间的水土流失,具有良好的生态效益[60]。在茶园或果园行间种植绿肥作物的研究与应用报道更多,不仅能较好地控制杂草,还有培肥地力的效果[61-65]。在紫茎泽兰入侵早期,利用紫穗槐和黄花蒿作生物替代,可有效防控紫茎泽兰入侵蔓延[66, 67]。


3.2.5 利用作物竞争性治草


       利用作物竞争性治草主要是提高单一或多个作物的个体和群体的竞争能力,使作物能够充分利用光、水、肥、气和土壤空间,减少或削弱杂草对相关资源的竞争和利用,达到控制或抑制杂草生长的目的[20]。构建作物对资源的竞争优势主要有两种途径:一是通过选用优良品种,早播早管,培育壮苗,促进早发,早建作物群体;二是混种或间(套)作具有不同生长发育特性的作物,利用作物间的互补优势。我国北方的春大豆或江淮流域的夏大豆在种植过程中就很重视优良种子选择在杂草防控中的应用。利用多种作物资源互补的竞争优势控草则更为常见。如将三叉苦与千里香套作,二者可以分处高低两层,不仅可以充分利用空间资源;三叉苦还可以为千里香遮阴,其叶片和修剪后的侧枝腐烂后还田还能肥田并阻止杂草发育,为千里香创造了更适宜的生长环境,促进了其产量的提高[68];芫根为二年生植物,种植当年10月即可采收,其生长速度快,能快速占据唐古特大黄的中间空地,防治杂草蔓延,将唐古特大黄和芫根套种可有效降低唐古特大黄药材田间除草成本,还能实现双收[69]。值得注意的是,作物对杂草的控制受作物品种、种植密度、种植行距和行向、土壤耕作和水肥管理等因素的影响[70],因此,在利用作物竞争性治草实践时需要对其中的关键技术进行深入研究论证。


3.2.6 化感作用治草


       化感作用治草是指利用某些植物及其产生的有毒分泌物质有效抑制或防治杂草的方法[20]。化感物质对杂草的作用机理主要有三点:(1)抑制植物根尖生长点的细胞分裂;(2)破坏植物正常的能量代谢,阻碍三磷酸腺苷的形成,抑制呼吸作用;(3)阻碍蛋白质的合成,破坏酶反应[70, 71]。化感作用治草的主要途径有两种:一是利用化感植物间合理间(套)轮作或配置,趋利避害,直接利用作物或秸秆分泌、淋溶化感(克生)物质抑制杂草;二是利用化感物质人工模拟全天然除草剂治理杂草[20]。如通过向阳花和燕麦的轮作可以有效控制田间阔叶杂草的生长[72]。很多药用植物本身对杂草就有化感作用。如薰衣草、薄荷和罗勒属植物提取物可以抑制麦田杂草的种子萌发[70, 73];艾的挥发油可以显著抑制稗草、三爷鬼针草和青葙等3种杂草幼苗的生长[74];角茴香根和地上部分水浸液可以抑制反枝苋种子的萌发和幼苗根的生长[75]。这些药用植物的化感物质具有作为除草剂的先导化合物而进行开发利用的可能性[74, 75]。利用化感物质开发除草剂具有结构新、靶标新、对环境安全、选择性强的特点,在杂草治理中具有很重大的应用前景[20]。当然,杂草与作物之间的化感作用是双向的,在利用化感作用进行杂草科学管理时需注意采取一定措施控制杂草对作物的抑制作用,利用作物对杂草的抑制作用,如可通过栽培管理措施(合理轮作、合理的种植密度、适当覆盖、免耕等)提高作物对杂草的抑制作用,进行抗杂草基因的转移和物种选育,培育抗杂草作物品种,开发生物除草剂等[76]。


04结论与展望


       世上没有无用的东西。虽然鲜有研究报道杂草对作物的有利作用大于不利作用,但杂草的积极作用更多地体现在提高整个作物系统的生态服务功能上,如改良土壤质量、维持生物多样性等,促进作物系统的健康可持续发展[77-79],从而直接或间接作用于作物,促进作物产量和品质的长期稳定。中药生态农业应摈弃传统农业“根除杂草”的防治观念,而是应在作物产量品质与杂草生存之间寻找一个平衡点,不盲目清除杂草,应结合作物生长情况以及杂草生长特点,有针对性地对杂草进行管理,充分发挥杂草的有益作用,即建立“杂草管理”的可持续发展理念[19]。科学合理地开展杂草管理与防控将有利于促进中药材产业的持续健康发展以及杂草多样性的保护。目前国内有关中药材田间杂草管理与防控的理论与应用研究投入还不足,有待进一步加强。


       应用生态学方法在作物生态系统水平上开展杂草管理,相比于其他化学、机械等方法,具有协同其他作物生态系统功能而不是对立的优势,被认为是实现杂草管理可持续性的最佳途径。但杂草的生态学管理策略的设计和应用又极具复杂性,一方面因为种植系统中的生态学交互作用错综复杂难以全面理解,一方面理论付诸实践过程中还可能受限于系列不同外部环境和种植系统的特定需求[80]。因此,如何开发适合特定外部环境和种植系统的杂草生态学管理技术将是未来杂草管理和防控研究的重点和难点方向。


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