氯吡嘧磺隆对甘蔗及间套种作物的安全性评价和药害机理研究

摘要

氯吡嘧磺隆（halosulfuron-methyl，HSM）是一种超高效、高选择性、对哺乳动物低毒的磺酰脲类除草剂，对甘蔗（Saccharum officinarum L.）和玉米（Zea mays L.）等作物安全性好，被长期广泛应用于防除香附子（Cyperus rotundus L.）等恶性杂草。该类除草剂用量少，在土壤中残留期长，对敏感作物活性极高，即使少量的土壤残留量也会对敏感作物造成严重的药害，引起减产甚至绝产等。广西各地区甘蔗种植往往间套种大豆[Glycine max(L.)Merr.]、花生(Arachis hypogaea L.)、玉米等经济作物，因此开展HSM对甘蔗及其间套种作物的安全性评价和药害机理研究具有重要的理论和实践指导意义。本研究从植株、组织、亚细胞超微结构和生理生化不同水平比较分析广西7个甘蔗主栽品种、套种作物花生、C3敏感作物大豆和C4耐受作物玉米的药害差异及其剂量效应关系，深入解析HSM引起作物生长抑制、黄化和枯死的药害机理，主要研究结果如下:
　　1.建立了HSM的残留检测方法，并研究了HSM在土壤、甘蔗植株/茎秆中的残留消解动态、最终残留和土壤淋溶特性。土壤、甘蔗植株/茎秆中的残留消解动态和最终残留检测结果表明，HSM以推荐剂量进行土壤封闭/茎叶处理后，采收期甘蔗中的最终残留均低于最大残留限量(Maximum residue limit，MRL)值，即农药残留不超标。
　　2.完成了HSM对广西7个甘蔗主栽品种的安全性评价。在甘蔗3～5叶期以茎叶处理方式施药，HSM对7个甘蔗品种的生长没有影响;但以土壤封闭处理方式施药HSM均不同程度抑制了甘蔗的生长，不同甘蔗品种对HSM的敏感性表现出差异（敏感性:粤糖60＞桂糖29＞桂糖31＞桂糖42＞桂糖40＞台优＞新台糖22号）;新台糖22号甘蔗对HSM的耐受性最好;采收期测产，HSM对新台糖22号甘蔗的株高和产量均无显著抑制作用。
　　3.完成了HSM对甘蔗田套种作物大豆和花生的安全性评价。(1)HSM对大豆和花生的种子萌发没有影响，但显著抑制花生和大豆的生长和产量，安全性较差。(2)当土壤中HSM残留浓度达1mg/kg，HSM100％抑制花生的生长，在该浓度下，大豆的株高抑制率为30％，花生对HSM的敏感性高于大豆。
　　4.研究了HSM胁迫下引起作物生长抑制和黄化等药害现象的生理生化过程，建立了HSM药害的形态诊断和酶学诊断方法。(1)HSM抑制玉米叶片中支链氨基酸合成的第一个关键酶乙酰乳酸合成酶(Acetolactate synthase，ALS)的活性，引起支链氨基酸(branched chain amino acids，BCAAs)缺乏，降低游离氨基酸含量，最终引起玉米生长抑制;但HSM并不导致大豆叶片中BCAAs含量的缺乏，相反，大豆叶片中BCAAs和游离氨基酸含量均显著高于对照水平，与HSM的浓度呈正相关;(2)HSM引起玉米的脉间失绿现象可以在药后14天恢复至对照水平，而大豆一旦发生叶片黄化和叶脉变红的现象，药后14天将枯萎死亡;大豆的叶绿素含量与HSM浓度呈负相关，大豆叶脉变红的药害程度与HSM呈正相关;(3)玉米和大豆叶片都出现H2O2积累，引起了大豆叶片脂质过氧化损伤，而玉米叶片中MDA含量显著低于对照水平;(4)HSM都引起玉米和大豆叶片中淀粉粒积累，降低可溶性蛋白含量;(5)HSM不影响玉米叶片的SOD活性，促进POD活性增加;低浓度HSM促进玉米CAT和GST活性，高浓度则抑制其活性;HSM促进大豆叶片SOD、POD、GST活性增加，抑制CAT活性;研究结果表明HSM诱导H2O2积累引起敏感作物大豆乙烯释放增加、水杨酸积累和过氧化损伤，而玉米叶片中即使少量H2O2积累、但并未引起过氧化损伤，耐受作物玉米叶片中H2O2诱导了谷胱甘肽-S-转移酶等解毒酶和抗氧化酶的活性，提高了玉米的抗性。
　　5、阐明了HSM引起作物生长抑制和黄化的药害机理。研究发现在HSM胁迫下，BCAAs缺乏、过氧化损伤及乙烯释放增加，是HSM导致甘蔗生长抑制和黄化等药害症状的主要原因。HSM诱导的BCAAs缺乏引起玉米生长抑制，而过氧化损伤及乙烯释放增加是HSM引起大豆生长抑制和黄化的直接原因。
　　6、阐明了HSM引起大豆枯萎死亡的药害机理。在HSM胁迫下，大豆光呼吸作用提高，光呼吸来源的活性氧增多，引起H2O2和水杨酸积累，进一步诱导剂量SOD活性增加并抑制CAT活性，使大豆发生不可逆转的H2O2积累、过氧化损伤和乙烯释放增加，最终枯死。
　　由以上结果可知，HSM引起的C3敏感作物药害现象涉及了一系列复杂的生理生化反应过程。本研究为深入探讨HSM的药害机理奠定了基础。

目录

声明

摘要

英文缩略表

1 文献综述

1．1 广西甘蔗田杂草发生为害情况及化学防除

1．1．1 广西甘蔗种植情况

1．1．2 杂草的发生规律及其为害

1．1．3 化学除草剂的应用

1．1．4 恶性杂草香附子的防除

1．1．5 氯吡嘧磺隆的应用

1．1．6 存在的问题

1．2 氯吡嘧磺隆的环境行为研究进展

1．2．1 氯吡嘧磺隆的残留检测方法和残留消解动态

1．2．2 氯吡嘧磺隆在土壤中的吸附-解吸行为

1．2．3 氯吡嘧磺隆的光解和水解

1．2．4 氯吡嘧磺隆在土壤中的淋溶行为

1．2．5 植物对氯吡嘧磺隆的吸收、双向传导及代谢

1．2．6 氯吡嘧磺隆的微生物降解

1．3 氯吡嘧磺隆对生态系统的影响

1．3．1 抗性杂草的发生

1．3．2 敏感作物的药害问题

1．3．3 氯吡嘧磺隆对水生藻类等的影响

1．4 磺酰脲类除草剂的安全性评价和毒理相关研究

1．4．1 作用机理

1．4．2 耐受性及抗性机理

1．4．3 毒理相关研究

1．5 本研究的目的和意义及技术路线

1．5．1 研究的目的和意义

1．5．2 技术路线

2 氯吡嘧磺隆的残留及消解动态

2．1 材料与方法

2．1．2 气候条件及土壤类型

2．1．3 田间试验设计

2．1．4 数据处理

2．2 结果与分析

2．2．1 氯吡嘧磺隆残留检测方法的建立和验证

2．2．2 氯吡嘧磺隆在土壤、甘蔗植株和茎秆中的残留动态及最终残留

2．2．3 氯吡嘧磺隆在土壤中的淋溶

2．3 讨论

2．3．1 氯吡嘧磺隆在土壤中的残留消解特性

2．3．2 土壤残留氯吡嘧磺隆对次年甘蔗种植的影响

2．4 小结

3 氯吡嘧磺隆对甘蔗及套种作物等的安全性评价

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 气候条件及试验田土壤基本养分条件

3．1．3 材料处理及采样

3．1．4 测定项目及方法

3．1．5 数据处理

3．2 结果与分析

3．2．1 氯吡嘧磺隆对香附子等的防除效果

3．2．2 氯吡嘧磺隆对甘蔗的安全性

3．2．3 氯吡嘧磺隆对套作大豆生长及产量的影晌

3．2．4 氯吡嘧磺隆对套作花生生长及产量的影响

3．3 讨论

3．3．1 氯吡嘧磺隆的持效期与杂草防效

3．3．2 氯吡嘧磺隆对作物生长和产量的影响

3．4 小结

4 氯吡嘧磺隆对甘蔗等作物的生理效应研究

4．1 材料与方法

4．1．1 试验材料

4．1．2 材料处理及采样

4．1．3 测定项目及方法

4．1．4 数据处理

4．2 结果与分析

4．2．1 氯吡嘧磺隆对靶标酶ALS活性及BCAAs含量的影响

4．2．2 氯吡嘧磺隆的生长抑制作用

4．2．3 叶片损伤

4．2．4 过氧化损伤

4．2．5 氯吡嘧磺隆对玉米和大豆叶片可溶性蛋白含量的影响

4．2．6 氯吡嘧磺隆对水培玉米和大豆叶片游离氨基酸含量的影晌

4．2．7 玉米和大豆叶片抗氧化酶(SOD、CAT、POD和GST)活性

4．2．8 水培玉米和大豆叶片乙烯释放

4．2．9 氯吡嘧磺隆诱导水杨酸(SA)积累

4．3 讨论

4．3．1 氯吡嘧磺隆抑制靶标酶ALS的活性

4．3．2 C／N代谢紊乱和淀粉粒积累

4．3．3 内源／外源水杨酸的双重作用

4．4 小结

4．4．1 氯吡嘧磺隆引起作物生长抑制的药害机理

4．3．2 氧吡嘧磺隆的形态和酶学诊断方法

4．4．3 不同甘蔗品种和间套种作物对氯吡嘧磺隆的敏感性差异

4．4．4 氯吡嘧磺隆引起作物黄化的药害机理

4．4．5 氯吡嘧磺隆引起脂质过氧化损伤等药害

4．4．6 氯吡嘧磺隆引起大豆枯萎死亡的药害机理

5 氯吡嘧磺隆对作物的药害机理研究

5．1 材料与方法

5．1．1 试验材料

5．1．2 材料处理及采样

5．1．3 测定项目及方法

5．1．4 数据处理

5．2 结果与分析

5．2．1 BCAAs、活性氧清除剂和氰氟草酯的生长回复作用

5．2．2 脂质过氧化损伤

5．2．3 H2O2积累

5．2．4 不可逆氧化损伤

5．2．5 氯吡嘧磺隆诱导大豆光呼吸和增加游离氨基酸含量

5．2．6 过氧化氢产生的来源

5．3 讨论

5．3．1 氯吡嘧磺隆的复配

5．3．2 甘蔗间套种模式下氯吡嘧磺隆的安全使用技术

5．4 小结

6．1 主要结论

6．2 主要创新之处

6．3 问题与展望

参考文献

致谢

附录