1996-2012年美国杂草治理变革与转基因耐除草剂作物

2015-02-04 | 作者: Graham Brookes | 标签: 杂草治理

作者为英国“PG 经济学”有限公司(PG Economics Ltd)农业经济学家格雷厄姆•布鲁克斯(Graham Brookes),通讯作者: graham.brookes@btinternet.com

摘要:经过基因改造(GM)的耐除草剂作物自1996年以来在美国广泛种植。该技术的快速和广泛采用反映出农民从该技术的使用中获得了重大的经济和环境效益(1996-2012年农场收入增加了217亿美元,除草剂活性成分的使用量减少了2.25亿千克)。在此期间,这些作物的杂草治理办法相对于“传统替代物”已取得进展,反映出使用该技术的经验、已出现的挑战,以及近年来日益注重发展可持续生产系统。本文探讨了与这些作物配合使用的除草剂其性质不断变化的证据,尤其探讨了农民们如何应对杂草抗性挑战。证据表明,与假设转基因耐除草剂作物种植面积恢复成传统生产方式可合理预计的情况相比,该技术的使用已导致除草剂使用量和相关环境影响(按EIQ指标衡量)均出现净减少。该技术还利于许多农民得以从犁耕向免耕或保护性耕作生产系统转变,从而获得经济和环境效益。在除草剂的使用方面,该技术还有助于改变除草剂的使用情况。广泛的(主要是选择性)除草剂已被一到两种广谱除草剂(主要是草甘膦)搭配使用一到两种其他(补充)除草剂的模式所取代。自本世纪头十年中期以来,转基因耐除草剂作物和传统作物的除草剂平均施用量及相关环境负荷(按EIQ指标衡量)均有所增加。导致这些变化的一个主要原因是杂草品种中抗除草剂种群的发生率日益增加,以及人们逐渐认识到依靠一种或少数几种除草剂进行杂草治理的后果。于是,转基因耐除草剂作物的种植者按照杂草科学家的建议在其杂草治理计划中变得更加积极主动和多元化,目前纳入其他除草剂(具有不同的、互补的作用模式)与草甘膦配合使用,即使在未发现杂草抗草甘膦的情况下亦是如此。渴望维持有效杂草治理从而可继续享受免耕或保护性耕作所带来的好处也影响了这一意愿。不过,尽管近年来除草剂的使用增加,但转基因耐除草剂技术的使用仍继续给美国农民带来显著的经济和环境收益。

引言

经过基因改造(GM)的耐除草剂作物(主要耐除草剂草甘膦,但也包括耐草铵膦)自1996年以来在全球和美国广泛种植。转基因耐除草剂(HT)大豆于1996年首先开始商业化种植,随后转基因耐除草剂玉米和棉花于1997年开始商业化种植,转基因耐除草剂油菜于1999年开始商业化种植,转基因耐除草剂甜菜于2007年开始商业化种植。该技术很快被推广采用,到2013年,在美国的种植面积达到6210万公顷(ha)(Brookes and Barfoot (2014a1 and James (20132))。

至于商业化使用转基因耐除草剂技术的五种适耕农作物的比重,2013年转基因耐除草剂性状作物占这五种作物在美国总种植面积的88%(还增加了约70万公顷转基因耐除草剂苜蓿的种植面积)。2013年,转基因耐除草剂玉米占最大比重(49%),其次是大豆(46%)和棉花(4%:图1)。

图1:2013年美国转基因耐除草剂作物种植面积(ha),按作物分类:大豆、玉米、棉花、甜菜、油菜。

关于上述每种作物占美国总种植面积的比重,2013年转基因耐除草剂性状大豆占大豆总种植面积的90%。对于其他作物,2013年转基因耐除草剂玉米为85%,棉花为82%,油菜为93%,甜菜为98%。

自20世纪90年代中期以来,由于农民们从使用转基因耐除草剂技术中获益,该技术在美国农业的采用和使用率不断加速,已被广泛采用。1996至2012年间,使用该技术带来的美国农场的总收益达217亿美元。这些增益大多源于生产成本的降低。此外,通过减少除草剂的使用量(1996-2012年活性成分使用量为2.25亿千克:Brookes and Barfoot (2014b3))、改变所用除草剂的类型(用更环保的除草剂取代)和促进众多农民从传统犁耕方式向免耕或保护性耕作生产系统转变,该技术带来了重大的环境效益。生产系统的这一转变额外为农民(和更广泛的经济)做出了积极的经济贡献并带来了重大的环境效益:显著减少了温室气体(GHG)的排放量(因减少了拖拉机燃料使用和增加了土壤碳封存)、减少了水土流失、提高了土壤蓄水能力(Brookes and Barfoot (2014b2))。

在此背景之下,本文探讨了自采用以来这些作物基于除草剂的杂草治理办法(主要的杂草治理形式)相对于“传统替代物”的本质,这些办法如何演变成能够反映出该技术的使用经验、已出现的挑战,以及近年来日益注重发展可持续生产系统。当对一些广泛使用的除草剂产生抗性的杂草品种的出现已经影响和限制农民对除草剂的选择时,转基因耐除草剂作物引入了。此外,农民们持续采用免耕和保护性耕作办法的范围因目前可用的除草剂难以取得良好的杂草治理效果而受到制约。随着农民们越来越多地采用转基因耐除草剂技术,他们还必须解决杂草品种对转基因作物耐受的除草剂产生抗性的问题,学会如何尽量减少此种情况的方式,并发展一个适用于美国所有农作物生产形式的、可持续的长期杂草管理系统。

资料来源:来源于美国农业部(USDA), 国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA), GfK Animal and Crop Health
注:五种作物的基本面积为6210万公顷

研究方法

数据的可用性与局限性


给出的分析基于对美国转基因耐除草剂和传统作物现有农场水平除草剂使用数据的广泛审查。该技术对除草剂使用影响的评估需要将转基因与“传统替代物”生产形式所采用的杂草治理措施进行对比。这就对数据的可用性和可用数据的代表性提出了若干挑战。

理想情况下,对比数据来源于收集不同生产形式使用数据的农场水平调查。搜索有关除草剂的使用随转基因耐除草剂作物而变化的文献显示,虽然有大量的研究探索这一问题,但极少提供除草剂(活性成分)水平的数据。其次,公开可获的国家级除草剂使用调查数据并不完整、价值有限。美国农业部国家农业统计局(USDA NASS)开展了田间作物除草剂使用农场调查。不过,虽然过去每年都会对主要的田间作物开展这些调查,但近几年来,这些调查只定期进行。例如,大豆除草剂的使用在2006年前每年都有报告,自那年起,仅2012年调查过一次;对于玉米,除草剂的年度使用情况记载到2003年,自那年起,仅收集2005和2010年数据。同样,仅2007和2010年收集过美国棉花作物的近期除草剂使用数据。此外,每种作物数据收集来源州的数量每年都在变化,这种缺乏一致性的情况导致了不规则的数据集,从而限制了可以从数据中得出的结论。再者,此USDA数据集用来评估转基因耐除草剂作物与传统作物除草剂使用差异的价值有限,因为这些数据并未按这两种不同的生产形式予以分解。根据农场调查数据每年在美国收集的唯一全面的除草剂使用(细化到活性成分水平)数据来源来自于私人市场研究公司Gfk Animal and Crop Health。这些数据在订阅数据集上公开可获,被农业投入部门的众多组织广泛采用,是本文采用的一个主要数据来源,给出的许多分析都从该数据来源得出。

尽管如此,我们仍要认识到,即使是这个数据集也有一定的局限性。要想估算与转基因耐除草剂作物技术配合使用的除草剂用量的变化,需要评估相关作物不使用转基因耐除草剂技术情况下(换言之,假如整个作物使用传统(非转基因)生产方式)可以合理预计的除草剂使用情况。Gfk数据集提供了传统作物种植面积的使用量,然而,随着转基因耐除草剂作物面积的增加,剩余的传统作物面积占作物总面积的比重变得相对较小。目前每种作物的传统(不使用转基因耐除草剂技术)比重很小,多年来一直如此。例如,自1999年起大豆、自2001年起棉花和油菜、自2007年起玉米、自2008年起甜菜,其传统作物(非转基因)占总种植面积达的比重降至50%以下。因此,传统种植数据集不具代表性,不能代表无转基因耐除草剂技术时整个作物可以合理预计的除草剂使用量水平,所以利用这些有限数据可能产生具有偏倚性的结果——换言之,存在自我选择偏倚。其原因有以下几点:

虽然杂草问题的严重程度因年份、地区和农场而异,但有些继续传统耕作的农民可能遇到的是相对较轻的杂草问题,从而极少(如有)看到使用转基因耐除草剂性状的好处。他们的除草剂使用通常低于有“普通”杂草问题的普通农场的合理预计水平;
有些继续使用传统种子的农场所采用的生产方式(包括有机)其特点是限制(低于平均水平)使用除草剂、提高对深耕的依赖并加大劳动力投入来治理杂草。此种植者子集的使用模式将低估所有种植者全都回归没有转基因耐除草剂技术农作方式假设条件下大多数农民的使用情况;
有些使用转基因耐除草剂技术的农民因使用这项技术,其杂草治理方法相较之前使用的传统治理方法有所改进。假如这些农民现在恢复到使用传统技术,很可能大多数都希望维持转基因耐除草剂技术所取得的同等杂草防治效果,因此可能会使用比转基因耐除草剂作物时代之前更多的除草剂。

克服数据的局限性:进行有代表性的比较

为了解决转基因耐除草剂技术不可用情况下传统作物系统除草剂使用数据的偏倚性和代表性不足等问题,根据杂草科学家的意见对除草剂使用数据进行了调整。首先,记载的传统作物除草剂使用平均值仅适用于传统作物占作物总面积50%以上的年份。其次,在其他年份——当传统作物面积降至作物总面积的50%以下(例如,在美国,大豆自1999年、棉花自2001年、玉米自2007年)——根据美国扩展和行业顾问的意见采用估值,即整个美国作物不再使用作物生物技术情况下可能的使用量。最后,通过此方法确定的使用量水平对照Gfk数据集提供的主要除草剂活性成分历史平均使用量水平进行反复核对(并在必要时进行调整),以尽量减少低估或高估传统替代物可能使用量水平的范围。

这种研究方法曾被其他人使用(如,Sankala and Blumenthal (2003)),优点是有代表性地比较转基因耐除草剂作物与传统替代物目前的杂草治理办法。重要的是,它考虑到杂草管理办法的动态变化(如:顺应免耕或保护性耕作办法、控制抗性杂草品种、实施更多元化可持续的杂草管理办法)和技术(如:新型除草剂),而非仅仅比较过去的做法。

评估除草剂使用的环境影响

与转基因耐除草剂作物除草剂使用变化有关的环境影响在文献中最常见的介绍方式是从施用的农药量方面着手。然而,这只是用来衡量农药使用对环境影响的方法之一,实际上并不是一个很好的环境影响衡量指标,因为每种农药的毒性和风险与其使用量(重量)并无直接关系。例如,对作物或土地施用一公斤二恶英对环境造成的毒性影响比施用一公斤盐大得多。其实有很多其他的(和更好的)衡量指标,一些同行评审论文的作者曾将其用于评估转基因作物农药使用变化所带来的环境影响,而非仅仅只看施用于作物的活性成分的量的变化。特别是,有一些同行评审论文运用了Kovach等人在康奈尔大学研发(19925)并每年更新的环境影响商数(EIQ)。这将各个农药的各种环境影响有效地整合成单项“田地值每公顷”。EIQ值乘以每公顷使用的农药活性成分(ai)量得到田地EIQ值。例如,草甘膦的EIQ评级为15.33。使用该评级乘以每公顷使用的草甘膦的量(例如,假设每公顷施用1.1千克),草甘膦的田地EIQ值将等于16.86/ha。相对而言,田地EIQ/ha值较高的产品表示环境问题可能增加,可能需要更多地关注其使用方式。

现在,环境指标越来越多地被研究人员用于评估农药使用变化所带来的影响,EIQ指标已被许多研究人员用于考察转基因作物农药使用变化所带来的环境影响(如,Brimner等人(20046) ,Kleiter等人(20057))。本次分析使用了EIQ指标,比较了传统与转基因耐除草剂生产系统的田地EIQ/ha,考虑到了各自的田地EIQ/ha值和每种生产类型(转基因与传统)的种植面积所导致的每种系统的总体环境影响或负荷。与单纯考察活性成分施用量的变化相比,EIQ指标能更好地评估转基因作物对环境的影响,因为它采纳了一些与单个产品有关的关键性毒性和环境暴露数据,可用于评估对农场工人、消费者和生态环境的影响。

在本文中,EIQ指标的使用还结合考察了除草剂活性成分施用量的变化。不过,读者们应注意,EIQ只是一个指标(主要是毒性指标),并未虑及所有的环境问题及影响。因此,它并非一项综合指标。

自转基因耐除草剂技术引入以来美国杂草治理办法的演变

转基因耐除草剂(草甘膦)大豆


在采用转基因耐除草剂大豆的初期,使用的主要杂草治理办法几乎完全依赖于草甘膦,通常在作物上喷施一至两次,往往结合采用少耕或免耕生产系统。例如,1998年,草甘膦占转基因耐除草剂大豆除草剂活性成分使用总量的80%以上。与之相比,传统大豆广泛使用选择性除草剂,其中氯嘧磺隆(chlorimuron)、甲氧咪(imazamox)、imazethopyr、pendamethalin和氟乐灵(trifluralin)最常用,通常多次喷施。因此,在采用初期,转基因耐除草剂大豆作物的除草剂平均施用量往往高于通常施用于传统作物的量(图2),尽管转基因耐除草剂作物的田地EIQ/ha值低于传统作物的田地EIQ/ha值(换言之,转基因耐除草剂作物相对于传统替代物带来了环境改善:图3)。
图2:1996-2012年美国转基因耐除草剂大豆和传统大豆的除草剂活性成分使用量(kg/ha)

图3:1996-2012年美国转基因耐除草剂大豆和传统大豆的除草剂使用环境影响(田地EIQ/ha)
 
查看1996-2012年期间转基因耐除草剂与传统作物的除草剂使用情况,转基因耐除草剂大豆的活性成分平均使用量(ai)一般类似于传统作物的平均使用量(图2),但转基因耐除草剂大豆的环境负荷(按EIQ指标测量)一直低于(因此环保性优于)传统替代物(图3)。

至于除草剂的平均使用量,近年来转基因耐除草剂和传统作物均有所提高。2012年,59%的转基因耐除草剂大豆作物面积额外喷施了一次以下除草剂活性成分(仅次于草甘膦的四种最常用的大豆除草剂活性成分)中的一种(资料来源:来源于GfK):2,4-D(作物种植前使用)、氯嘧磺隆(chlorimuron),丙炔氟草胺(flumioxazin)和氟磺胺草醚(fomesafen)(这几种主要在作物种植后使用)。与之相比,2006年仅14%的转基因耐除草剂大豆作物喷施这四种除草剂活性成分中的一种。因此,美国转基因耐除草剂大豆作物的除草剂活性成分平均施用量(每公顷)在此期间增加了约55%。非草甘膦除草剂使用的增加符合公共和私人部门杂草科学家关于多元化杂草管理方案、不依赖于单一除草剂作用模式实现总体杂草管理的建议。值得注意的是,2012年草甘膦占转基因耐除草剂作物活性成分使用总量的比重几乎与1998年相同(约80%),这突出表明,由于草甘膦具有广谱活性,农民们在使用其他除草剂之余继续实现草甘膦的使用价值。采纳科学家关于传统大豆作物除草剂使用的建议也导致除草剂使用量呈上升趋势。使用量的增加也反映出采用更具综合性的杂草治理办法以求尽量减少杂草品种对传统大豆作物中使用的(所有)除草剂产生抗性的机会。值得注意的还有,即便是很小的传统作物,2006-2012年期间除草剂活性成分的平均施用量也呈上升趋势(上升了78%)。

资料来源:来源于USDA NASS、GfK、Sankala and Blumenthal (20068), Johnson & Strom (20089),以及作者更新的2009-2012年代表性传统使用量

注:
1. 转基因耐除草剂 – 基于记载的使用量
2. 传统 – 记载到1999年,那年转基因耐除草剂作物占总作物的比重上升至50%以上,此后根据扩展服务机构/顾问对有代表性的使用量水平做出的评估,达到转基因耐除草剂作物所获得的同等杂草治理水平

转基因耐除草剂玉米

当转基因耐除草剂技术首次用于美国玉米作物时,主要的杂草治理办法以使用草甘膦为基础,在采用少耕/免耕生产系统的地方,将其作为一种主要控制工具,外加在作物出苗前或之后进行“作物上”喷施。此外,传统玉米常用除草剂,特别是莠去津(atrazine)和乙草胺(acetochlor),继续被使用,尽管与传统玉米的使用量相比剂量有所减少。因此,在转基因耐除草剂技术使用初期,记载的转基因耐除草剂玉米作物每公顷除草剂活性成分平均使用量比记载的传统作物平均使用量低约0.6至0.7千克/公顷(kg/ha)(图4)。环境负荷(按EIQ指标测量)也一直是转基因耐除草剂作物比传统作物低约30%(图5)。
图4:1997-2012年美国转基因耐除草剂玉米和传统玉米的除草剂活性成分使用量(kg/ha)

图5:1997-2012年美国转基因耐除草剂玉米和传统玉米的除草剂使用环境影响(田地EIQ/ha)

1996-2012年期间,传统玉米的除草剂活性成分平均使用量一直比转基因耐除草剂玉米高(图4)。相关环境负荷(按EIQ指标测量)也是传统玉米比转基因耐除草剂玉米高(图5)。

大概自2005年起,转基因耐除草剂作物和传统作物的除草剂活性成分平均施用量均有所上升。转基因耐除草剂玉米作物除草剂使用办法的这些变化反映了大豆作物的情况变化,农民们越来越多地采用杂草综合治理办法(农民们使用多种除草剂,而不是仅仅依赖于一到两种活性成分)以降低产生杂草抗性的风险。

自2006年以来,转基因耐除草剂玉米作物活性成分使用变化显示,越来越高比例的转基因耐除草剂作物按公共和私人部门杂草科学家的建议额外喷施其他除草剂,包括乙草胺、莠去津、2,4-D、mesotione和S metolachlor,同时使用tembutrione等新型化学物质。

资料来源:来源于USDA NASS, GfK Kynetec, Sankala and Blumenthal (20068)、Johnson & Strom (20089),以及作者更新的2009-2012年代表性传统使用量
注:
1. GM HT – 来源于Gfk Kynetec和USDA NASS
2. 传统 – 记载到2007年,那年转基因耐除草剂作物占总作物的比重上升至50%以上,此后根据扩展服务机构/顾问对有代表性的使用量水平做出的评估,达到转基因耐除草剂作物所获得的同等杂草治理水平

转基因耐除草剂棉花

在采用早期,所有使用者都将转基因耐除草剂棉花作物的杂草治理重点放在出苗后使用草甘膦(通常喷施两到三次),有些使用者会在出苗前额外喷施氟乐灵(trifluralin)或二甲戊乐灵(pendimethalin)等除草剂并进行一次垄侧喷施(lay-by treatment,如扑草净、敌草隆)。与之相比,传统棉花的杂草抑制基于机械治理与更广泛的选择性除草剂使用相结合,其中氟乐灵、二甲戊乐灵、flumeteron、扑草净(prometryn)、草净津(cyanazine)和MSMA最常用,通常多次喷施。在早年间,记载的转基因耐除草剂棉花作物每公顷除草剂活性成分平均使用量约为2.4至2.5千克/公顷(kg/ha),比传统作物平均使用量高(图6)。至于环境负荷(按EIQ指标衡量),转基因耐除草剂棉花的田地EIQ/ha值比传统作物高,部分原因是由于传统棉花普遍使用的机械杂草治理措施在转基因耐除草剂棉花中被其他除草剂杂草治理措施所取代(图7)。
图6:1997-2012年美国转基因耐除草剂棉花和传统棉花的除草剂活性成分使用量(kg/ha)
图7:1997-2012年美国转基因耐除草剂棉花和传统棉花的除草剂使用环境影响(田地EIQ/ha)

在过去十年里,转基因耐除草剂和传统作物的除草剂平均施用量均有所增加。通过增加使用草甘膦(每公顷使用量增加约30%)以及越来越多地使用其他除草剂,共同导致转基因耐除草剂棉花的除草剂活性成分平均使用量增加。2012年,播种耐草甘膦种子的所有转基因耐除草剂作物面积均喷施草甘膦且至少喷施以下五种最常用的除草剂中的一种:2,4-D(种植前),种植过程中喷flumoxazin,氟磺胺草醚、二甲戊乐灵和敌草隆。与之相比,2006年,仅四分之三的耐草甘膦作物至少喷施以下五种最常用的除草剂中的一种:2,4-D、氟乐灵、pyrithiobic、二甲戊乐灵和敌草隆。换言之,2006年,四分之一的耐草甘膦作物仅使用草甘膦来进行杂草治理,而2012年,没有作物会仅仅依赖于草甘膦。

与大豆和玉米作物的除草剂使用情况一样,使用量的这种增加很大程度上反映了杂草管理办法的变化,赞同用更具综合性的办法来减少和降低杂草品种对使用的除草剂产生抗性。此外,农民们已将草甘膦的使用量移至杂草科学家建议范围的较高水平,作为一种额外手段来减轻抗性风险并提供更好的杂草总体治理成效。

总体而言,自转基因耐除草剂棉花广泛采用以来,传统棉花的除草剂活性成分平均使用量和相关环境负荷(按EIQ指标测量)高于转基因耐除草剂棉花(图6和图7)。

资料来源:来源于USDA NASS、GfK、Sankala and Blumenthal (20068)、Johnson & Strom (20089),以及作者更新的2009-2012年代表性传统使用量
注:
1. 转基因耐除草剂棉花使用量记载/来源于Gfk和USDA NASS
2. 传统 – 记载到2001年,那年转基因耐除草剂作物占总作物的比重上升至50%以上,此后根据扩展服务机构/顾问对有代表性的使用量水平做出的评估,达到转基因耐除草剂作物所获得的同等杂草治理水平
 
转基因耐除草剂(耐草甘膦)甜菜

在杂草治理方面,转基因耐除草剂甜菜技术的使用导致从使用多种选择性除草剂向使用草甘膦转变。在转基因耐除草剂甜菜采用之前,农民们通常搭配使用4-6种除草剂,每一种的剂量都很低,在整个生长季施用多次。转基因耐除草剂作物的喷施方案通常为仅用草甘膦喷施两次,也可能是三次。

表1:转基因耐除草剂甜菜与传统甜菜典型除草剂方案:美国 2012年。资料来源:基于GFK、孟山都、Stachler J等人(201210)

自转基因耐除草剂甜菜技术采用以来,美国甜菜作物的除草剂活性成分(每公顷)平均施用量增加了约60%(2007-2012年)。在此期间,相关EIQ负荷系数(每公顷)增加了约20%。遗憾的是,美国目前并没有可用的除草剂使用监测数据是按生产类型分解使用量数据,因此无法直接比较每种转基因耐除草剂作物与传统作物的记载使用量。不过,基于行业专家和农场调查提供的数据(如Stachler J等人(201210)),表1将2012年典型的传统甜菜除草剂喷施方案与转基因耐除草剂系统进行了比较。这证实,转基因耐除草剂甜菜的采用已导致美国作物的除草剂平均施用量显著增加,主要是因为传统作物的杂草管理系统基于除草剂低量使用。至于相关环境负荷(按EIQ指标测量),也显示转基因耐除草剂系统稍差,尽管必须承认的是,此处提到的传统替代物涉及到采用的一种典型的传统除草剂方案,而这种方案通常提供较转基因耐除草剂作物差的杂草治理水平。

转基因耐除草剂油菜

表2:1999-2012年美国传统与转基因耐除草剂油菜的活性成分和田地EIQ差异。资料来源:来源于Sankala & Blumenthal (20034 & 20068 ), Johnson & Strom (20089), Gfk及更新。注:美国农业部(USDA)农药使用调查不含油菜信息
 
表3:转基因耐除草剂油菜与传统油菜的典型除草剂方案:美国 2012年。基于Johnson & Strom (20089) 及更新。
 
基于文献4,8,9中确定的对作物除草剂使用数据记载的传统、转基因耐草甘膦和转基因耐草铵膦油菜典型除草剂喷施方案的分析以及更新的本次研究的部分内容,自1999年在美国采用转基因耐除草剂油菜所引起的除草剂使用变化和随之带来的环境影响在表2和表3中进行了汇总。这些数据表明,相对于传统油菜,耐草甘膦和耐草铵膦油菜的除草剂活性成分施用量和EIQ值均一致减少。自2006年以来,转基因耐除草剂油菜作物的除草剂使用趋势与其他转基因耐除草剂作物的使用情况类似,这是因为农民们按照公共和私人部门杂草科学家的建议将更多的注意力集中于使用更具综合性的杂草治理办法以减少杂草抗性发展的机会。对于油菜,这更多地涉及到耐草甘膦与耐草铵膦作物之间的年度切换,以及使用草甘膦和草铵膦之外的其他除草剂。目前使用(罐内混合)的其他主要的除草剂,尤其是与草铵膦搭配使用的除草剂,主要有喹禾灵(quizalofop)和烯草酮(clethodim)。

分析

已使用多个信息来源来评价过去17年里逐渐广泛采用转基因耐除草剂技术的主要作物的除草剂施用变化情况。没有一个信息来源能提供施用影响问题的全部答案,这就提出了一个挑战。不过,通过使用不同但互补的信息来源所提供的数据,可以得出一些明确的结论。

首先,正如引言中所指出,与假设转基因耐除草剂作物种植面积恢复成传统生产方式可合理预计的情况相比,美国农业转基因耐除草剂技术的使用已导致除草剂使用量和相关环境影响(按EIQ指标测量)均出现净减少。该技术还利于许多农民能够获得从犁耕向免耕或保护性耕作生产系统转变而带来的经济和环境效益。

在除草剂的使用方面,该技术还有助于改变所用除草剂的类型。广泛的(主要是选择性)除草剂已被一到两种广谱除草剂(主要是草甘膦,有时候是草铵膦)搭配使用一到两种其他(互补)除草剂的模式所取代。

在采用早期,转基因耐除草剂技术导致除草剂使用量(活性成分重量)和相关环境负荷(按EIQ指标测量)均出现总量减少,突出表现在玉米和油菜等作物出现重大的环境净改善。对于转基因耐除草剂大豆,除草剂活性成分平均施用量基本保持不变,而转基因耐除草剂大豆所使用的除草剂的相关环境负荷相比传统替代物有所下降。最后,对于转基因耐除草剂棉花,其除草剂活性成分平均使用量往往高于传统替代物,而与其他作物一样,转基因耐除草剂棉花的除草剂使用相关环境负荷低于传统替代物所使用的除草剂的相关环境负荷。

自本世纪头十年中期以来,转基因耐除草剂和传统作物的除草剂平均施用量及相关环境负荷(按EIQ指标测量)均有所增加。导致这些变化的一个主要原因是杂草品种抗除草剂种群的发生率日益增加,以及人们逐渐认识到依靠一种或少数几种除草剂进行杂草治理的后果。

关于抗草甘膦杂草,全球目前有28个杂草品种被确认为对草甘膦表现出抗性的种群,其中有几个品种与耐草甘膦作物无关。在美国,目前有14个杂草品种对草甘膦表现出抗性,其中至少有两个品种与耐草甘膦作物无关(参见www.weedscience.org)。2000年,在广泛采用转基因耐除草剂技术的作物中发现了首个对草甘膦产生抗性的杂草种群,此后,在通常使用转基因耐除草剂技术的作物中陆续发现了表现出抗性的其他13个杂草品种种群。在美国,有几个抗草甘膦杂草品种,如:杉叶藻(小蓬草)、水萱麻(糙果苋)、豚草(长芒苋)目前十分普遍,受影响的面积可能在每年专门种植玉米、棉花和大豆的总面积的10%-30%范围内(一些估值更高,可能达40%)。
图8:2003-2012年非草甘膦/草铵膦除草剂占转基因耐除草剂作物总活性成分平均使用重量的百分比(%)

对草甘膦表现出抗性的杂草种群发生率日益增加引发了更强烈的建议,建议美国农民采用更多元化的杂草治理办法来积极主动地管理和减少杂草抗性(Norsworthy J等人(201211)、Vencil W等人(201212))。于是,转基因耐除草剂作物的种植者在其杂草治理计划中变得更加积极主动和多元化,目前纳入其他除草剂(具有不同的、互补的作用模式)与草甘膦配合使用,即使在未发现杂草抗草甘膦的情况下亦是如此。这在前文报告的和图8汇总的除草剂使用趋势中有明确显示(转基因耐除草剂系统中使用的典型除草剂方案的例子在附录2中也有显示)。主动多元化杂草管理系统的意愿还受到维持有效杂草治理从而继续享受免耕和保护性耕作所带来的好处这一愿望所影响。

资料来源:来源于USDA NASS, Gfk

不过,上文提到的与草甘膦有关的杂草抗性发展应放在大背景下讨论。几乎所有的杂草都有可能对所有除草剂产生抗性:“国际抗除草剂杂草调查”确认了数百个抗性杂草品种(www.weedscience.org)。抗除草剂杂草的报告早于转基因耐除草剂作物的使用数十年。例如,有135个杂草品种对ALS抑制剂类除草剂产生抗性,有72个杂草品种对光系统II抑制剂类除草剂产生抗性。因此,杂草对除草剂产生抗性是所有农民都面临的难题,不只是转基因耐除草剂技术的使用者才需要面对。事实上,转基因耐除草剂技术为治理20世纪90年代中期用于传统大豆的主流除草剂的某些抗性杂草提供了解决方案。它还为使用耐传统除草剂玉米作物(耐ALS抑制剂类除草剂)的一些农民提供了除草剂抗性问题解决方案。由于美国传统农作物的除草剂使用也同样受到除草剂(草甘膦除外)杂草抗性问题的影响,因此不足为奇的是,本篇分析中所报告的传统作物除草剂使用模式遵循了与转基因耐除草剂作物出现的相同的上升趋势。

总体而言,在全国范围内,过去6-8年里,转基因耐除草剂作物的除草剂活性成分平均施用量和除草剂使用数量均有所增加。另外,在此期间,相关环境负荷(按EIQ指标测量)也有所增加。然而,相对于传统替代物,转基因耐除草剂作物在除草剂使用相关环境负荷方面仍具有重大优势,在大多数情况下,相比传统替代物,改善了环境状况(按EIQ指标测量)。此外,由于转基因耐除草剂作物能够使用草甘膦等广谱除草剂,有利于采用和维持保护性耕作系统。生产技术的这种根本性变革外加转基因耐除草剂作物所用除草剂类型的变化,最终导致并继续给美国农民带来显著的经济和环境收益。

参考文献
1. Brookes G and Barfoot P: Economic impact of GM crops: the global income and production effects 1996-2012, 2014a, GM Crops, 5:1, 1-11 Available on open access at www.landesbioscience.com
2. James C (2013) Global status of commercialised niotech/GM crops, ISAAA Brief No 46, International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications (ISAAA), ISBN 978-1-892456-55-9. www.isaaa.org
3. Brookes G and Barfoot P. Key global environmental impacts of global GM crop use 1996-2012, GM Crops, forthcoming (2014b). Available on open access at www.landesbioscience.com
4. Sankula S.Blumenthal E. Impacts on US agriculture of biotechnology-derived crops planted in 2003: An update of eleven case studies. Washington, DC: NCFAP. 2003. Available on the World Wide Web: http://www.ncfap.org
5. Kovach J. Petzoldt C. Degni J. Tette J. A method to measure the environmental impact of pesticides. New York's Food and Life Sciences Bulletin. NYS Agriculture. Exp. Sta. Cornell University, Geneva, NY, 139. 8 pp. 1992 and annually updated. Available on the Worldwide Web: http://www.nysipm.cornell.edu/publications/EIQ.html
6. Brimner T. Gallivan G. Stephenson G. Influence of herbicide-resistant canola on the environmental impact of weed management. Pest Management Science. 2005. Vol 61, issue 1
7. Kleiter G. The effect of the cultivation of GM crops on the use of pesticides and the impact thereof on the environment, RIKILT, Institute of Food Safety, Wageningen, Netherlands. 2005
8. Sankula S.Blumenthal E. Impacts on US agriculture of biotechnology-derived crops planted in 2005: An update of eleven case studies. Washington, DC: NCFAP. 2006. Available on the World Wide Web: http://www.ncfap.org
9. Johnson S. Strom S. Quantification of the impacts on US agriculture of biotechnology-derived crops planted in 2006. Washington, DC: National Center for Food and Agricultural Policy (NCFAP). 2007. Available on the Worldwide Web: http://www.ncfap.org
10. Stachler J et al Survey of weed control and prodcution practices on sugar beet in Minnesota and Eastern North Dakota in 2011, 2012, North Dakota State University, www.sbreb.org/research/weed11/
11. Norsworthy J K et al Reducing the risk of herbicide resistance: best management practices and recommendations, Weed Science, 2012, Special Issue 31-62
12. Vencil WK et al Herbicide resistance: towards an understanding of resistance development and the impact of herbicide resistant crops, Weed Science 2012, Special Issue 2-30

附录1: 2011和2012年要达到与转基因耐除草剂系统类似的杂草治理水平所需的典型传统除草剂方案

大豆
传统免耕生产系统:中西部
 
活性成分
(kg/ha)
田地EIQ/ha
方案1
 
 
草甘膦
1.00
15.26
2 4 D
0.66
10.05
丙炔氟草胺
0.07
1.78
氯嘧磺隆
0.02
0.4
乳氟禾草灵
0.17
6.85
烯草酮
0.11
1.83
合计
2.02
36.17
方案2
 
 
草甘膦
1.00
15.26
2 4 D
0.66
10.05
丙炔氟草胺
0.07
1.78
氯嘧磺隆
0.02
0.4
噻吩磺隆
0.01
0.27
氟磺胺草醚
0.26
6.39
烯草酮
0.11
1.83
合计
2.13
35.98
方案3
 
 
草甘膦
1.00
15.26
2 4 D
0.66
10.05
甲磺草胺
0.2
2.39
氯酯磺草胺
0.06
0.8
烯草酮
0.11
1.83
合计
2.03
30.33

传统免耕生产系统:南部
 
活性成分
(kg/ha)
田地EIQ/ha
方案1
 
 
草甘膦
1.00
15.26
2 4 D
0.66
10.05
丙炔氟草胺
0.07
1.78
Metalochlor
1.36
29.97
氟磺胺草醚
0.30
7.32
烯草酮
0.11
1.83
合计
3.5
66.21
方案2
 
 
草甘膦
1.00
15.26
2 4 D
0.66
10.05
丙炔氟草胺
0.07
1.78
氯嘧磺隆
0.02
0.4
氟磺胺草醚
0.37
9.03
烯草酮
0.11
1.83
合计
2.23
38.35
方案3
 
 
草甘膦
1.00
15.26
2 4 D
0.66
10.05
Metalochlor
1.36
29.97
氟磺胺草醚
0.3
7.32
Acifloren
0.26
6.21
精异丙甲草胺
1.45
31.88
烯草酮
0.11
1.83
合计
5.14
102.52

传统作物耕作生产系统:南部
 
活性成分
(kg/ha)
田地EIQ/ha
方案1
 
 
丙炔氟草胺
0.07
1.78
Metalochlor
1.19
26.14
氟磺胺草醚
0.26
6.38
烯草酮
0.11
1.83
合计
1.63
36.13
方案2
 
 
丙炔氟草胺
0.07
1.78
氯嘧磺隆
0.02
0.4
氟磺胺草醚
0.26
6.39
烯草酮
0.11
1.83
合计
0.46
10.4
方案3
 
 
Metalochlor
1.36
29.97
氟磺胺草醚
0.3
7.32
Acifloren
0.26
6.21
精异丙甲草胺
1.45
31.88
烯草酮
0.11
1.83
合计
3.48
77.21
加权平均值均按耕作类型统计:ai/ha 2.02 kg/ha、EIQ/ha 38.47

玉米

传统免耕生产系统
 
活性成分
(kg/ha)
田地EIQ/ha
方案 1
 
 
草甘膦
1.1
17.01
2 4 D
0.72
11.12
乙草胺
1.88
37.32
莠去津
1.45
33.21
甲基磺草酮
0.14
2.64
烟嘧磺隆
0.02
0.48
合计
5.31
101.78
方案2
 
 
草甘膦
1.1
17.01
2 4 D
0.72
11.12
乙草胺
0.94
18.66
二氯吡啶酸
0.1
1.83
唑嘧磺草胺
0.03
0.56
麦草畏
0.19
4.9
氟吡草腙
0.04
0.69
烟嘧磺隆
0.02
0.48
合计
3.14
55.54
方案3
 
 
草甘膦
1.1
17.01
2 4 D
0.72
11.12
精异丙甲草胺
1.51
33.13
莠去津
0.73
16.61
甲基磺草酮
0.14
2.64
环磺酮
0.08
3.64
烟嘧磺隆
0.02
0.48
合计
4.30
84.63

传统作物耕作生产系统
 
活性成分
(kg/ha)
田地EIQ/ha
方案1
 
 
乙草胺
1.88
37.32
莠去津
1.45
33.21
环磺酮
0.08
3.64
烟嘧磺隆
0.02
0.48
合计
3.43
74.65
方案2
 
 
乙草胺
0.94
18.66
二氯吡啶酸
0.1
1.83
唑嘧磺草胺
0.03
0.56
甲基磺草酮
0.14
2.64
烟嘧磺隆
0.02
0.48
合计
1.23
24.17
方案3
 
 
精异丙甲草胺
1.51
33.13
莠去津
0.73
16.61
Mesotione
0.14
2.64
麦草畏
0.19
4.9
氟吡草腙
0.04
0.69
烟嘧磺隆
0.02
0.48
合计
2.63
58.45

加权平均值均按耕作类型统计:ai/ha 3.43 kg/ha、EIQ/ha 84.1

棉花
 
活性成分
(kg/ha)
田地EIQ/ha
东南部
 
 
草甘膦
0.87
13.28
2 4 D
0.56
8.59
百草枯
0.59
14.58
氟磺胺草醚
0.29
7.07
敌草隆
0.86
22.84
嘧草硫醚
0.16
3.4
烯草酮
0.13
2.15
三氟啶磺隆
0.01
0.25
扑草净
0.86
13.15
三氟啶磺隆
0.01
0.24
合计
4.34
85.55
中南部
 
 
草甘膦
0.87
13.28
麦草畏
0.28
7.38
氟磺胺草醚
0.29
7.07
百草枯
0.59
14.58
敌草隆
0.86
22.84
Flumeturon
0.97
13.86
嘧草硫醚
0.16
1.4
烯草酮
0.13
2.15
三氟啶磺隆
0.01
0.25
扑草净
1.24
19.11
Trfloxysulfuron 
0.01
0.35
合计
5.41
102.27
西德州
 
 
氟乐灵
0.99
18.67
Flumeteron
0.97
13.86
嘧草硫醚
0.16
3.4
扑草净
1.24
19.11
三氟啶磺隆
0.01
0.35
敌草隆
0.86
22.84
合计
4.23
78.23

区域权重(基于种植面积):德州56%、东南部25%,、中南部19%
加权平均值均按耕作类型统计:ai/ha 4.48 kg/ha、EIQ/ha 85.0

附录2:杂草综合治理方案:转基因耐除草剂作物 2012年
大豆
转基因耐除草剂免耕生产系统:中西部
 
活性成分 (kg/ha)
方案1
 
草甘膦
1.00
2 4 D
0.66
丙炔氟草胺
0.07
氯嘧磺隆
0.02
草甘膦
0.87
乳氟禾草灵(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
                        d
0.22
合计
2.62 (2.84)
方案2
 
草甘膦
1.00
2 4 D
0.66
丙炔氟草胺
0.07
氯嘧磺隆
0.02
噻吩磺隆
0.01
草甘膦
0.87
氟磺胺草醚(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.33
合计
2.63 (2.96)
方案3
 
草甘膦
1.00
2 4 D
0.66
甲磺草胺
0.2
氯酯磺草胺
0.06
草甘膦
0.87
氯酯磺草胺(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草) 
0.22
合计
2.93 (3.01)


转基因耐除草剂免耕生产系统:南部
 
活性成分 (kg/ha)
方案1
 
草甘膦
1.00
2 4 D
0.66
丙炔氟草胺
0.07
草甘膦
0.87
Metalochlor(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
1.36
氟磺胺草醚(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.30            
合计
2.6 (4.26)
方案2
 
草甘膦
1.00
2 4 D
0.66
丙炔氟草胺
0.07
氯嘧磺隆
0.02
草甘膦
0.87
氟磺胺草醚(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.37
合计
2.62 (2.99)
方案3
 
草甘膦
1.00
2 4 D
0.66
Metalochlor
1.36
氟磺胺草醚
0.3
草甘膦
0.87
Acifloren(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.26
p
精异丙甲草胺(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
1.45
合计
4.19 (5.9)

转基因耐除草剂传统耕作生产系统:南部
 
活性成分 (kg/ha)
方案1
 
丙炔氟草胺
0.07
草甘膦
0.87
Metalochlor
1.33
草甘膦
0.87
氟磺胺草醚(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.15
合计
3.14 (3.29)
方案2
 
丙炔氟草胺
0.07
氯嘧磺隆
0.02
草甘膦
0.87
氟磺胺草醚(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.26    
合计
0.96 (1.22)
方案3
 
Metalochlor
1.36
氟磺胺草醚
0.15
草甘膦
0.87
Acifloren(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.26
精异丙甲草胺(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
1.45
合计
2.38 (4.09)

玉米 传统免耕生产系统
 
活性成分 (kg/ha)
方案1
 
草甘膦
1.1
2 4 D
0.72
乙草胺
1.88
莠去津
1.45
草甘膦
0.87
甲基磺草酮(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
 
0.14
合计
6.02 (6.16)
方案2
 
草甘膦
1.1
2 4 D
0.72
乙草胺
0.94
二氯吡啶酸
0.1
唑嘧磺草胺
0.03
草甘膦
0.87
麦草畏(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
 
0.19
氟吡草腙(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草) 
 
0.04
合计
3.76 (3.99)
方案3
 
草甘膦
1.1
2 4 D
0.72
精异丙甲草胺
1.51
莠去津
0.73
甲基磺草酮
0.14
草甘膦
0.84
环磺酮(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.08
合计
5.04 (5.12)

转基因耐除草剂传统耕作生产系统
 
活性成分 (kg/ha)
方案1
 
乙草胺
1.88
莠去津
1.45
草甘膦
0.87
环磺酮(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.08
 
合计
4.2 (4.28)
方案2
 
乙草胺
0.94
二氯吡啶酸
0.1
唑嘧磺草胺
0.03
草甘膦
0.87
甲基磺草酮(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.14
合计
1.94 (2.08)
方案3
 
精异丙甲草胺
1.51
莠去津
0.73
Mesotione
0.14
草甘膦
0.87
麦草畏(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.19
氟吡草腙(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草) 
0.04
合计
3.25 (3.48)

转基因耐除草剂棉花
 
活性成分 (kg/ha)
东南部
 
草甘膦
0.87
2 4 D
0.56
百草枯(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.59
氟磺胺草醚
0.29
敌草隆
0.86
草甘膦
0.87
乙草胺
1.26
草甘膦
0.87
乙草胺(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
1.26
草甘膦(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
 
0.87
敌草隆(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草) 
 
1.12
p
合计
6.17 (9.42)
中南部
 
草甘膦
0.87
麦草畏
0.28
百草枯(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草) 
 
0.59
Flumeturon
0.07
草甘膦
0.87
乙草胺
1.26
草甘膦
0.87
乙草胺(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
1.26
草甘膦(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.87
敌草隆(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
1.12
合计
4.81 (8.06)
西德州
 
氟乐灵
0.99
草甘膦
0.87
三氟啶磺隆
0.01
草甘膦
0.87
草甘膦(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.87
敌草隆(如果出现难以治理的抗草甘膦杂草)
0.86
合计
2.74 (4.47)
 

来源:基因农业网

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