內容提供/ 豐年雜誌 文、攝影/ 農委會農業藥物毒物試驗所生物藥劑組研究員 袁秋英

近年全球對於「雜草防除」的理念,已逐漸轉變為「雜草管理」,經由調控雜草的生長環境,抑制雜草的萌芽與競爭力,將雜草的負面影響降至最低。因此低毒性、易降解、對人畜安全及環境友善的生物除草劑(Bioherbicides)日漸受到重視。如何減少化學農藥用量,有效抑制雜草,以維繫作物的經濟產值及農業生態系的永續經營,為未來臺灣農民用藥習慣及雜草防除觀念調適的新契機。

一年除草費25億元!收成與環境如何兼顧?

作物栽培過程中,如何有效避免雜草對作物的危害及干擾,始終是一大難題。美國、中國農地每年因雜草為害的經濟損失分別約為美金1,300億元及人民幣900億元。自從化學除草劑上市以來,由於售價便宜,噴施後短時間內即可殺死雜草,與機械割草相比,藥效持續的時間較長,也較節省工時,因此現今慣行農法最常使用的方式仍是以噴施化學除草劑為主。

臺灣年平均化學除草劑用量約15,000公噸,2016年攀升至2萬公噸,相當於農民的生產成本中,約有25億元用於防除雜草。然而長期大量使用化學農藥,造成日益嚴重的抗藥性及農藥殘留問題,以及對農業生產、生態環境的負面影響,因此各國對於化學除草劑的研製與使用大多有嚴格規範。

行政院農業委員會在2017年9月提出10年化學農藥使用量減半政策,同年10月公告:「為強化除草劑管理,以達友善環境維護生態之目的,非屬本會核准登記使用範圍,不得使用除草劑。」此外為推動劇毒農藥退場政策,將自2019年2月1日起禁止巴拉刈分裝、販售及使用。為因應以上各項政策推動,將導入生物防治、設施農業、疫病監測及非農藥防治等技術作為配套措施。同時2018年5月《有機農業促進法》的公布,也可預期將成為生物除草劑商品化的最佳助力。

目前全球生物農藥市場規模已超過美金30億元,主要以殺蟲劑、殺菌劑為主,除草劑僅占2%以下,但丹恩 ̇特里默國際生物諮詢機構(DunhamTrimmerInternationalBioIntelligence)預估2020年年複合成長率(CAGR)約有16%。生物除草劑是指利用微生物活體、微生物毒素或植物成分開發藥劑,微生物活體主要應用於防治單一特定雜草,然而當農地雜草種類超過5~10種以上,則須從微生物毒素或植物成分研發著手,可以篩選抑制特定雜草生長的化合物,例如開發防治闊葉型雜草的選擇性除草劑。

為了力拚10年內化學農藥減半,農委會也啟動各項配套措施,積極向農民們宣達。

一物剋一物:微生物除草劑

1960年代起,歐美各國即開始進行微生物除草劑相關研究,研發初期多以微生物活體為主,用於防治單一特定雜草。易引起雜草嚴重病害者,如炭疽病、枯萎病、葉斑病等病原菌較具應用潛力,然而某些真菌性病原雖可侵染,卻不一定會造成雜草發病,只有病原菌殺傷力強過雜草防禦機制時,此菌株才具有開發微生物除草劑的潛力,因此病原菌的侵染速度及致病強度為首要考量。

例如,針對寄生性雜草如菟絲子、獨腳金、過敏性雜草如豬草、銀膠菊、具麻醉性雜草如蓖麻、抗藥性雜草如黑麥草、難防治的外來種雜草如香附子、布袋蓮、小花蔓澤蘭等,通常選用對寄主專一性極高的微生物活體為資材,開發為真菌或細菌除草劑。近年行政院農業委員會農業藥物毒物試驗所篩選對布袋蓮具強致病力的菌株,已進入製劑配方及孢子量產階段,噴施孢子製劑3日即可呈現顯著傷害效果。

目前被認為具有除草潛力的真菌主要包含炭疽菌屬、疫病屬、鐮孢菌屬、鏈格菌屬、銹菌屬、尾孢菌屬、黑粉菌屬、殼單孢菌屬及菌核病菌屬。潛力細菌多為根圈細菌,包括假單孢菌屬、腸桿菌屬、黃桿菌屬、檸檬酸細菌屬、無色桿菌屬、產鹼桿菌屬、黃色單孢菌屬及伊文氏菌屬等。

以毒攻毒:微生物毒素衍生除草劑

利用微生物毒素發展的除草劑,亦有學者稱之為「農用抗生素除草劑」。一般微生物可產生多種代謝物,其中某些化合物除了具備除草活性,也可能同時具有化學除草劑沒有的特性,例如新結構化合物易發現新穎作用機制。

目前從鏈黴菌屬菌株(Streptomycesspp.)代謝產物中,開發具除草活性的生物農藥種類較多,其中最成功者為固殺草(Glufosinate)、畢拉草(Bialaphos)。畢拉草為1971年首次從2種鏈黴菌(S.viridochromogenes、S.hygroscopicus)分離而得,可強烈抑制麩醯胺酸合成酶(GS)活性。之後經結構修飾與活性分析,所研發商業化除草劑的最佳結構為DL-PPT。固殺草為萌後除草劑,現今全球已廣泛用於防除1年生、部分多年生禾本科及闊葉型雜草。

布袋蓮為繁殖能力極強的外來種水生植物,常堵塞溪流、溝渠導致淹水,圖為噴施真菌除草劑7日後植株與健康植株對照。

植物源除草劑不易開發,須配合適當佐劑與噴頭提升效果

1930年代發現胡桃樹分泌化學物質胡桃醌(Juglone),抑制鄰近雜草生長,因此解開胡桃樹下不長草的原因。目前具抑制雜草潛力的植物化合物超過100種,分布於植體各部位,根據結構特性和生物合成途徑,至少可分為13類別,包括酚酸類、生物鹼類、三酮類、萜類、香豆素類、黃酮類、脂肪酸等等。

然而,如果這些成分在植物體內含量低、有效施用量高、萃取精製成本高、在田間環境穩定性差,或是結構複雜無法合成或衍生利用,就不易開發為生物除草劑,因此植物源生物除草劑商品極少,目前主要利用植物油脂類或脂肪酸類成分,開發為不須稀釋即可立即施用的高安全性家庭用除草劑。

這類除草劑在國外已有產品上市,例如Matratec、MatranEC、Matran,是以丁香油為主要活性成分,而Avenger是以芸香科植物油脂為主要活性成分,通常活性成分濃度超過10%或20%以上,才會呈現抑制雜草的效果,同時須配合適當佐劑與噴頭,田間施用效果較理想。用於防治1年生闊葉型雜草為主,其防治效果隨著雜草成熟度的增加而降低,對於禾本科雜草、多年生雜草的致死效果較差,欲增強藥效可能須重複噴施。

另有Scythe以脂肪酸為主要成分,稀釋4倍後施用,可廣效性快速殺死1年生雜草幼苗,效果類似巴拉刈。農業藥物毒物試驗所近期研發的植物源除草劑,可大幅降低農藥用量,適於防除蔬菜田雜草、紅豆採收前乾燥之用,近期將與業者洽談技術移轉授權。

農業藥物毒物試驗所篩選出對布袋蓮具有強致病性的真菌分生孢子座及孢子。

不用除草劑還能怎麼做?植物源資材防治有妙方

近年政府大力推動有機及友善環境耕作,雖然現階段尚缺乏可全面除草的非選擇性生物除草劑,但仍有一些將植物源資材應用在雜草防治的研究成果。

例如將植物殘質覆蓋於土表,經微生物分解後釋出抑制物質,能減少雜草危害。像是美國、歐洲普遍使用綠肥毛苕子,被認為是最有潛力的抑草覆蓋植物,苜蓿、毛苕子酚酸類、皂苷化合物,可抑制白茅、莧科植物生長。禾本科作物殘質大都具有明顯抑草特性,水稻殘株與稻稈混合的水溶萃取液,對單子葉雜草抑制效果大於闊葉型雜草,其主要相剋物質為稻殼酮(AMomilactoneA)。

運用輪作機制也能抑制雜草,原理主要是利用前期植物釋放出抑草物質,阻礙雜草萌芽和生長,以減少草量,輪作亦可改善土壤結構、保持土壤肥力,利於後期作物正常發育。例如向日葵根部分泌倍半萜內酯,可抑制雙子葉植物萌芽,降低馬齒莧、藜和牽牛花等雜草族群數量。裸麥葉內的抑草化合物依品系間而含量各異,栽種約100日後耕犁覆於土表,後期栽種番茄可有效抑制稗草、狗牙根、狗尾草、馬唐、龍葵等雜草。

伴生植物是指不僅可與作物共存,同時亦可發揮抑草作用。例如早期將燕麥種植於作物旁,可減少雜草生長,並造成雜草葉片黃化及生長遲緩,有效降低雜草危害;萬壽菊根分泌物對雜草具毒害效果;黑芥菜種子可抑制雜草種子萌芽。

此外,將玉米麩質粉以324g/m2拌施於種植前的農田,可降低雜草存活率及高度約50%,同時也明顯抑制雜草根系發育。但由於玉米麩質粉在土壤中分解後才具抑草作用,無法立即呈現效果,且施用量不足時,雜草仍可萌芽及正常生長。

農業藥物毒物試驗所研發的植物源除草劑,對禾本科及闊葉雜草皆有防除效果,適用於防除蔬菜田雜草及紅豆採收前乾燥之用,施藥後1天即可見雜草明顯枯黃如右圖呈現。

生物除草劑面臨的挑戰:菌株變異、環境條件要求高、生產成本高

雖然目前全球具除草潛力的植物或微生物已超過數百種,然而已商品化的生物除草劑僅15種品項。其中微生物除草劑有14種,分別為11種真菌除草劑、2種細菌除草劑及1種病毒除草劑,其中只有1種植物源除草劑;然而三分之一已停止生產,主要原因為防治對象為單一雜草,適用範圍及銷售量受到限制。

生物除草劑商品化的瓶頸還包括微生物穩定性、環境因素、生產技術、商業考量等多方面問題。例如菌株變異退化、致病力減弱、活性物質不穩定等生物性問題;通常微生物除草劑對環境條件的要求比化學除草劑更嚴謹,包括溫度、濕度都會影響微生物孢子萌芽和侵染,露點是最主要因子。

在生產技術方面,常受限於無法穩定大規模量產菌株或孢子。另一方面,具有抑制雜草潛力的化合物,大都屬於次級代謝產物,植物體內含量極少,欲大量收集、萃取精製的成本相當高。且活性成分在不同環境的穩定性不足,或是因結構複雜而無法合成或衍生利用。

商業市場方面的考量,多因微生物除草劑對目標生物的專一性強,導致適用範圍及銷售量受限,多種已商品化的微生物除草劑已退出市場,例如美國用以防治菟絲子的Smolder,主因為生產成本過高、價格昂貴,導致農民接受度低;或市場容量太小,所賺利潤不敷成本。

存在商品化瓶頸,生物除草劑仍具發展潛力

針對微生物除草劑研發的種種問題,首先應強化潛力菌株的基礎研究,以克服生物性問題。利用適當助劑類型及製劑加工技術,可以促進、調節孢子萌發,增加致病性,減少對環境依賴性,提高防治效果和穩定性;亦可選擇使用2種或2種以上微生物,開發為可防治多種雜草的單一劑型除草劑,改良寄主專一性為廣效性以開拓市場。

未來另一個研發重點,應尋找具廣效性除草的微生物代謝物,利用發酵技術量產,降低生產成本。此外,生物除草劑、低劑量化學除草劑混合施用,提高防除雜草功效,降低化學農藥使用量,亦為延伸應用方式。雖然生物除草劑存在著商品化障礙,推廣及大規模生產受到限制,生物除草劑的安全性及環保特質,將持續被關注及開拓。

本文轉載自《豐年雜誌》2018年8月號封面故事。《豐年雜誌》電子書平台,請參考:udn讀書吧TAAZE 讀冊生活HyReadZinio華藝線上圖書館

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