杂草的(为什么越用除草剂杂草就越多？)

（来源：MIT TR）

七月的一个早晨，我在伊利诺伊大学南部农场的旧农学种子屋外遇见了杂草防控专家 Aaron Hager。远处是 20 世纪初建造的圆形谷仓，旨在抵御中西部的风暴。当时一个数百英里宽的风暴席卷而来，伴随每小时 80 英里的阵风，并引发了数十场龙卷风警报，让人想起冷战时期的炸弹演习。

农民在约 2300 万英亩土地（约占该州面积的三分之二）上种植玉米和大豆，以及少量小麦。Aaron Hager 在伊利诺伊州的一个农场长大，他说，他们通常会在几乎每英亩土地上喷洒除草剂。但这些化学物质虽然可以让一种植物在广阔的空间里不受干扰地生长，但它们却不再能阻止所有杂草的生长。

自 20 世纪 80 年代以来，越来越多的植物已经进化出对除草剂杀死它们的生化机制免疫的能力。这种除草剂抗性可能会导致产量下降，野蛮生长的杂草会使作物产量减少 50% 甚至更多，极端情况下可能会毁掉整块田地。

在最坏的情况下，它甚至可能导致农民破产，这相当于农业领域的“抗生素耐药性”，而且情况还在不断加剧。

当我们从伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的校园向东行驶时，我们看到一片大豆田，上面长满了深绿色、尖刺的植物，长到齐胸高。

“所以问题就在这里。那儿全是糙果苋，我猜它至少被喷洒过一次，甚至不止一次。”Aaron Hager 说，“有了这些抗除草剂的杂草，情况只会变得更糟。”

糙果苋几乎可以侵袭任何一种农作物田地，每天生长一英寸或更多，并且该物种的雌性可以轻松产生数十万粒种子。它原产于中西部，在过去几年中大量繁殖，因为它对七种不同类别的除草剂产生了抗性。据普渡大学推广中心称，来自糙果苋的季节性竞争会使大豆产量减少 44%，玉米产量减少 15%。

大多数农民仍在勉强维持生计。两类不同的除草剂通常仍然对糙果苋有效，但对这两种方法有抗性的物种却越来越多。

“我们眼睁睁地看着失败的到来，当然，我们还会处于非常危险的境地。”密苏里大学研究杂草管理的植物科学家 Kevin Bradley 说。

而在其他地方，情况更加严峻。

“我们确实需要对杂草控制进行根本性的改变了，而且我们需要快速改变，因为杂草已经‘追上’了我们，现在已经到了一个非常关键的时刻。” 田纳西大学植物科学教授 Larry Steckel 说。

上升趋势

据国际抗除草剂杂草数据库负责人、杂草防控专家 Ian Heap 称，在 273 种杂草中，这种现象已经出现了 500 多个独特病例，并且这一现象还在不断增加。杂草已经进化出对 168 种不同除草剂和 31 种已知“作用模式”（化学物质旨在破坏的特定生化靶点或途径）中的 21 种的抗性，许多除草剂都有一些共同的作用模式。

南方最邪恶的杂草之一困扰着 Larry Steckel 和他的同事，是是一种大黄红茎的糙果苋表亲，称为长芒苋（Amaranthus palmeri），现在已发现杂草种群对九种不同类别的除草剂不起作用。这种植物每天可以生长超过两英寸，高度可达八英尺，并“主宰”整块田地。它原产于西南部的沙漠，拥有坚固的根系，能抵御干旱。如果阴雨天气，那么可能已经错过了用化学方法控制它们的机会。

“长芒苋将使你种植作物的产量归零。”Aaron Hager 说。

其他几种杂草，包括意大利黑麦草和一种称为“Kochia”的风滚草，正在给南部和西部的农民带来了真正的痛苦，特别是那些种植小麦和甜菜田的农民。

化学品诞生

二战前，农民普遍使用犁、耙等工具进行除草、松土，或者他们是手工完成的。就像我母亲一样，她记得小时候在印第安纳州的一个农场里锄草。

随着合成杀虫剂和除草剂的出现，这种情况发生了变化，农民在 20 世纪 50 年代开始使用这些杀虫剂和除草剂。到 20 世纪 70 年代，一些最初的抵抗例子出现了。到 20 世纪 80 年代初，Ian Heap 和他的同事 Stephen Powles 发现了黑麦草种群，它们对最常用的除草剂（称为 ACC 酶抑制剂）具有抗药性，并在澳大利亚南部蔓延。几年之内，这个物种就对另一类称为 ALS 抑制除草剂产生了抗药性。

问题才刚刚开始，情况只会变得更糟。

20 世纪 90 年代中后期，农业巨头孟山都（现为拜耳作物科学的一部分）开始销售转基因作物，包括玉米和大豆，这些作物对商业除草剂“农达”（其活性成分称为草甘膦）具有抗性。孟山都将这些“抗农达”作物以及向整个田地喷洒草甘膦描述为控制杂草的“灵丹妙药”。

草甘膦很快成为使用最广泛的农用化学品之一，并且至今仍然如此。事实上，它是如此成功，以至于导致其他新除草剂的研发枯竭：似乎没有一种主要的商业除草剂可能很快就会进入市场，从而有助于大规模解决除草剂抗性问题。

孟山都声称抗草甘膦杂草“极不可能”成为一个问题。当然，也有人正确地预测到这种情况是不可避免的，其中包括 Jonathan Gressel，他是以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的名誉教授，自 20 世纪 60 年代以来一直在研究除草剂。

佐治亚大学杂草防控专家 Stanley Culpepper 于 2004 年证实了长芒苋中第一例农达抗性病例，抗性迅速蔓延。长芒苋和糙果苋都能产生雄性和雌性植物，前者产生的花粉可以在风中长距离传播，为后者授粉。这也赋予了植物大量的遗传多样性，使其能够更快地进化，更有利于除草剂抗性的发展和传播。这些超级杂草在整个州播下了混乱的种子。

“这让我们彻底崩溃了。”Stanley Culpepper 说道，他回忆起 2008 年至 2012 年的那段时期尤其困难，“我们一直在忙于割草。”

“活下去”

伊利诺伊大学分子杂草科学领域的领导者 Patrick Tranel 解释说，除草剂抗性是进化的可预测结果，他的实验室距离南部农场只有几英里。

“当你试图杀死某种生物时，它会做什么？它试图不被杀死。”Patrick Tranel 说。

杂草已经发展出令人惊讶的方式来绕过化学控制。2009 年发表在 PNAS上的一项研究表明，长芒苋基因组中的突变使该植物能够复制 150 多个草甘膦针对的基因拷贝。科罗拉多州立大学的杂草防控专家 Franck Dayan 表示，“这种基因扩增以前从未在植物中报道过。”

该物种产生抗药性的另一种奇怪方式是通过称为染色体外环状 DNA 的结构，这是一种遗传物质链，包括存在于核染色体外部的草甘膦基因靶点。这种基因可以通过风吹花粉从具有这种适应能力的植物中转移。

但科学家们越来越多地发现杂草具有代谢抗性，植物已经进化出了分解几乎任何外来物质（包括一系列除草剂）的机制。

假设某种除草剂对糙果苋种群起到一年的作用，如果任何植物“逃脱”或存活下来并产生种子，它们的后代可能对所用的除草剂具有代谢抗性。

有证据表明，对取代农达或与农达混合来杀死这种杂草的两种化学物质产生了抗药性：一种称为草铵膦的除草剂以及两种称为 2,4-D 和麦草畏的物质。这两种物质通常也会杀死许多农作物，但现在有数百万英亩的玉米和大豆经过基因改造，因此，基本上应对措施是使用更多的化学物质来解决这个问题。

“一种除草剂去年有效，如果有代谢抗性，就不能保证它今年依然还有效。”Aaron Hager 指出。

位于亚利桑那州图森市的生物多样性中心环境健康科学主任 Nathan Donley 表示，许多除草剂会危害环境，并有可能危害人类健康。例如，百草枯是一种神经毒性化学物质，在 60 多个国家被禁止（它与帕金森氏症等疾病有关），但它在美国的使用越来越多。2,4-D 是橙剂中的活性成分之一，是一种潜在的内分泌干扰物，接触它会导致癌症风险增加。草甘膦被世界卫生组织的一个机构列为可能的人类致癌物，并已成为数万起价值数百亿美元的诉讼的主题。阿特拉津可以在地下水中停留数年，可以缩小某些鱼类、两栖动物、爬行动物和哺乳动物的睾丸并减少精子数量。

“用 2,4-D 和麦草畏等除草剂代替草甘膦，这些除草剂通常毒性更大，这绝对是朝着错误方向迈出的一步。”Nathan Donley 说。

寻找解决方案

不仅仅是化学品，杂草可能会对任何类型的控制方法产生抗性。在中国的一个典型例子中，一种叫做稗草的杂草经过几个世纪的进化，变得像水稻一样，从而避开了人工除草。

由于杂草的进化速度相对较快，研究人员推荐了多种控制策略。Patrick Tranel 说，“混合两种不同作用方式的除草剂有时会起作用，尽管这对环境或农民的钱包来说并不是最好的。轮作种植的作物会有所帮助，种植冬季覆盖作物也有帮助，最重要的是，不要每年以相同的方式使用相同的除草剂。”

“从根本上讲，解决方案是不要仅仅关注用于杂草管理的除草剂。这对农民来说是一个非常大的问题，也是美国农场的现状。”爱荷华州立大学杂草科学家兼名誉教授 Micheal Owen 说。

过去几十年来，由于农村人口外流、劳动力成本上升以及化学品和转基因作物的出现，农场规模不断扩大，使农民能够在大面积区域快速施用除草剂来控制杂草，这导致了作物多样性、杂草控制实践等方面的一种“险恶的简化”，而杂草也已经适应了。

一方面，农民经常采取最便宜的方式来控制杂草，这是可以理解的。但爱荷华州立大学的农村社会学家 Katie Dentzman 表示，“阻碍是一个中长期问题，与短期思维和激励体系相冲突。”

她的研究表明，农民通常对除草剂抗性知情并感到担忧，但受到各种因素的限制，这些因素阻碍了他们真正阻止除草剂抗性。一些农民表示，农场太大，如果不一次性喷洒就无法更加经济地控制杂草；而另一些农民则缺乏劳动力、资金或时间。

Micheal Owen 认为，农业需要采用多样化的杂草控制方法，但这说起来容易做起来难。

加州大学戴维斯分校的杂草防控专家 Steven Fennimore 表示，“我们的视野过于狭隘，只关注除草剂作为解决方案。”

Steven Fennimore 专注于蔬菜，除草剂的选择很少，而有机种植者的除草剂选择更少，所以创新是必要的。他开发了一种原型机，可以将蒸汽注入地下，杀死入口点几英寸范围内的杂草。这已被证明约有 90% 的有效性，他已将其用于种植生菜、胡萝卜和洋葱的田地。但这种方式太慢了：处理一块 10 英亩的土地差不多需要两到三天的时间。

许多其他非化学控制手段在蔬菜和其他高价值作物中越来越受欢迎。最终，如果经济和物流顺利的话，这些可能会在行间作物中流行起来，这些作物可以成行种植，可以用机械耕种。

例如，一家名为 Carbon Robotics 的公司生产了一种名为“LaserWeeder”的人工智能驱动系统，顾名思义，该系统使用激光来除杂草。它的设计目的是自动在作物行中上下移动，识别不需要的植物并用 30 个激光器之一将它们“蒸发”。据该公司称，LaserWeeders 目前在至少 17 个州开始使用。

你还可以使用电击杂草，并且在美国和欧洲可以买到这种电击装置。一个典型的设计涉及使用高度可调节的铜吊杆来消灭它接触到的杂草。这种方法最明显的缺点是杂草通常必须比农作物要高，但是当杂草长得那么高时，它们可能已经导致作物产量下降。

杂草种子破坏剂是另一个有前途的选择，这些设备在澳大利亚普遍使用，在太平洋西北地区等地也开始流行起来，在收割小麦时磨碎并杀死杂草种子。

一家名为 WeedOut 的以色列公司孵化了一种系统，可以对长芒苋植物的花粉进行辐照和消毒，然后将其释放到田间，这样，雌性植物就会接受到不育的花粉，无法产生可存活的种子。

“我对此感到兴奋，因为这是一种减少种子库并在无需喷洒除草剂的情况下管理这些杂草的长期方法。”Micheal Owen 说。

WeedOut 目前正在美国的玉米、大豆和甜菜田中测试其方法，并努力获得美国国家环境保护局的批准。它最近获得了 800 万美元的资金来扩大规模。

密西西比大学研究除草剂的 Stephen Duke 表示，人工智能驱动的设备和精准喷洒很可能最终减少除草剂的使用。“我预计最终我们会看到机器人除草和人工智能驱动的喷雾设备接管。”但他预计大豆和玉米等作物的实现还需要一段时间，因为从经济上来说，投入大量资金来照料如此大面积种植的此类“低价值”农作物是非常困难的。

还有少数初创公司正在研发新型除草剂，这些除草剂基于真菌中发现的天然产物或植物用来相互竞争的天然产物。但这些都不会很快投入市场。

农场日

一些最成功的预防抗药性的工具并不完全是高科技。康奈尔大学在纽约州伊萨卡校区北部组织的“奥罗拉农场日”（Aurora Farm Field Day）上的演讲清楚地表明了这一点。

例如，康奈尔大学助理教授兼杂草防控专家 Lynn Sosnoskie 表示，为防止杂草种子传播，农民可以做的最重要的事情之一是在收获后清理联合收割机，特别是如果他们从另一个州购买或使用设备。

她说，“联合收割机已经将长芒苋引入该州，现在纽约至少已经有了五个种群。”

另一种经典方法是作物轮作，即在不同生命周期、管理实践和生长模式的作物之间进行切换，这是有助于防止杂草习惯的一种种植方法；另一种选择是种植冬季覆盖作物，有助于防止杂草生长。

“我们不会仅用化学品来解决杂草问题，这意味着我们必须开始追求一些简单的做法。”Lynn Sosnoskie 说。

在纽约这样的地方，这一点尤其重要，因为那里的问题还没有成为人们关注的首要问题，部分原因是该州不像中西部那样以单一作物为主，而且土地利用更加多样化。

但这也不能幸免于这个问题。康奈尔大学杂草防控专家 Vipan Kumar 表示，抗性已经到来，并有可能“爆发”。

“我们必须尽一切努力防止这种情况发生，我的职责是教育人们，这即将到来，我们必须做好准备。”Vipan Kumar 说。

本文作者 Douglas Main 是一名记者，曾担任《国家地理》杂志的高级编辑和作家。

原文链接：

https://www.technologyreview.com/2024/10/10/1105034/weeds-climate-change-genetic-engineering-superweeds-food/

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