可生物降解明胶胶囊平台实现移栽水稻除草剂高效精准递送的研究

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：A novel biodegradable gelatin capsule platform for input-efficient herbicide delivery in transplanted rice

　　

背景： 移栽水稻（transplanted rice）的杂草管理要求在保证有效除草剂递送的同时，提高投入利用效率并减少对常规施药方式的依赖。本研究开发并评估了一种基于可生物降解明胶胶囊（biodegradable gelatin capsule）的除草剂递送系统，该系统后续已通过外观设计专利保护，可作为除草剂施用的替代途径。 方法： 采用包含初步筛选与田间验证的两阶段研究设计，分别以吡嘧磺隆（Pyrazosulfuron Ethyl）、丁草胺（Butachlor）、苄嘧磺隆·丙草胺（Bensulfuron methyl + Pretilachlor）和三氟啶磺隆·乙氧磺隆（Triafamone + Ethoxysulfuron）在不同制剂用量下进行评价。将筛选出的胶囊处理与相应的常规施药方式在杂草抑制、作物生长、产量及经济效益方面进行直接比较。采用杂草防控效率曲线下面积（area under the weed control efficiency curve, AUWCEC）和杂草干重曲线下面积（area under the weed dry weight curve, AUWDWC）对时间维度的杂草防控表现进行量化，并结合经济阈值（economic-threshold）分析。同时评估了空胶囊置入对可培养土壤微生物种群的影响。 结果： 田间表现随除草剂制剂和胶囊用量而变化，其中苄嘧磺隆·丙草胺的响应最为突出。在推荐100%制剂用量下，胶囊递送较相应常规施药使AUWCEC提高16.9%，AUWDWC降低28.7%。100%胶囊处理在15、30和45天移栽后天数（days after transplanting, DAT）均维持了高于同除草剂组合常规喷施的杂草防控效率（86.9%、68.7%和68.3%对81.3%、57.6%和53.9%），籽粒产量提高14.9%（5,463 kg ha?1对4,755 kg ha?1）。尽管150%胶囊处理在数值上记录了更高的杂草防控效率（87.6%）和籽粒产量（5,710 kg ha?1），但其产量与100%处理在统计上相当，后者获得了最高的效益成本比（2.42）。总体而言，100%胶囊处理在杂草抑制、作物生产力与经济效益之间实现了最优平衡。空胶囊置入与可培养细菌、真菌和放线菌种群数量的增加相关。 结论： 优化后的明胶胶囊介导除草剂递送强化了杂草抑制与作物表现，其中100%苄嘧磺隆·丙草胺处理在相对常规施药方面提供了有效防控、可比籽粒产量和最高经济效益。研究结果证明了靶向可生物降解除草剂递送在提高投入利用效率和支撑可持续水稻生产方面的潜力。

一、研究背景与问题

杂草干扰是制约水稻生产力的主要因素之一，尤其在移栽水稻（transplanted rice）作物建植早期阶段，会显著降低作物生长、产量形成和资源利用效率。水稻作为南亚和东南亚地区的主要口粮作物，全球约60%的人口以水稻为主食。印度作为全球第二大水稻生产国，年种植面积约4,700万公顷，年产稻谷约1.32亿吨，约占全球产量的20%，同时印度也是全球最大的水稻出口国，2022年全球市场份额超过40%。移栽水稻系统中的杂草群落组成多样，涵盖禾本科、莎草科和阔叶杂草，其中稗草（Echinochloa crus-galli）、光头稗（E. colona）、异型莎草（Cyperus difformis）、碎米莎草（C. iria）和香附子（C. rotundus）等为常见优势种。不同杂草类群具有不同的出苗模式，使得及时有效的杂草管理在移栽水稻中至关重要。

除草剂因其在劳动力受限生产系统中的有效性和实用性，仍是水稻杂草综合治理（integrated weed management）的重要组成部分。然而，常规除草剂喷施存在药液飘移（herbicide drift）和施用过程中的药量浪费问题，可能降低施用效率并增加非靶标暴露风险。喷施后部分除草剂可能通过飘移或向土壤剖面下移而偏离预期靶标，影响非靶标生物并增加环境污染风险。此外，施药设备选择不当和操作不规范，包括不合适的喷头和喷液量，也可能导致亚optimal喷施递送和降低除草剂在水稻中的药效。这些局限性凸显了开发替代性除草剂递送途径的必要性，以改善有效成分的定点放置、减少不必要的损失，并在作物环境中实现更局部的递送。

针对上述施用限制，研究人员开发了一种可生物降解明胶胶囊介导的移栽水稻局部除草剂递送方法。胶囊在施用过程中物理性地包封粉状除草剂，使制剂能够直接置于作物土壤环境中，从而减少对喷雾分散的依赖。与湿润土壤接触后，明胶壳逐渐崩解并在放置位点释放除草剂制剂，提供局部递送路径。此前已有研究探索明胶基制剂用于农用化学品递送，例如Yan等（2012）证明氯化苦明胶胶囊制剂在温室草莓中提供了有效的土传病害抑制和部分杂草防控。然而，在稻田环境中，关于胶囊介导递送与常规除草剂施用在制剂用量、杂草抑制、作物产量和经济效益方面的比较证据仍然有限。已有研究也报道了明胶基处理对植物生长和氮素积累的积极影响，表明明胶基制剂可能具有超越其作为载体功能的农艺效应。因此，研究人员假设通过可生物降解明胶胶囊进行局部除草剂递送，相较于相同除草剂制剂的常规喷施，能够提供更持续的杂草抑制并改善水稻生长、籽粒产量和经济收益，同时在推荐用量下实现有效杂草防控。

二、研究设计与技术方法

该研究采用两阶段设计。第一阶段为初步盆栽筛选试验，采用完全随机设计（completely randomized design, CRD），设置16个处理，涵盖四种除草剂制剂——吡嘧磺隆10% WP、丁草胺5% GR、苄嘧磺隆0.6%+丙草胺6% GR和三氟啶磺隆20%+乙氧磺隆10% WG——分别在推荐制剂用量的50%、75%、100%和150%下评价，以筛选有前景的处理用于后续田间验证。第二阶段为田间验证试验，于2024年3月至6月在印度泰米尔纳德邦农业大学湿地农场A6区（11°00′11″N, 76°55′40″E，海拔441.48 m）进行，采用随机完全区组设计（randomized complete block design, RCBD），设14个处理和3次重复，供试水稻品种为CO 55（短生育期品种，110–115天）。田间处理包括9个从初步筛选中选出的明胶胶囊介导除草剂处理、3个相应推荐制剂用量的常规喷施处理、1个无草对照和1个自然生草对照。此外，研究人员还评估了空胶囊置入后7天内可培养土壤细菌、真菌和放线菌种群的变化，采用系列稀释平板计数法（serial dilution plate-count method）分别以营养琼脂、马丁氏孟加拉红琼脂培养基和Ken Knight琼脂培养基进行计数。关键的数据分析方法包括：杂草防控效率（weed control efficiency, WCE）计算、除草剂效率指数（herbicide efficiency index, HEI）计算、百分位排名分析、梯形数值积分法计算杂草防控效率曲线下面积（AUWCEC）和杂草干重曲线下面积（AUWDWC），以及基于Uygur和Mennan方法与Stone和Pedigo方法的经济阈值分析。所有统计分析使用R（v4.5）软件进行，处理间均值采用邓肯多重极差检验（Duncan's Multiple Range Test, DMRT）在p≤0.05水平分离。

三、主要研究结果

3.1 可培养土壤微生物种群对空明胶胶囊置入的响应

在置入空胶囊前，土壤中可培养微生物初始种群为细菌5.0×10⁶ CFU g^?1、真菌21.3×10³ CFU g^?1和放线菌12.7×10² CFU g^?1。胶囊置入后7天内，细菌种群逐渐增至11.0×10⁶ CFU g^?1，真菌和放线菌分别增至29.3×10³和15.0×10² CFU g^?1。响应幅度以细菌最大，其次为真菌和放线菌，表明空胶囊置入未导致所测可培养微生物类群出现明显下降。观察到的增加可能部分反映微生物对明胶分解过程中释放的有机底物的利用，但该机制在本研究中属于推断性结论。研究同时指出，系列稀释平板计数法仅能捕获土壤微生物中可培养的部分，不能解析微生物多样性、群落组成、功能潜力或养分循环过程的变化，因此结果仅作为载体生物相容性的初步评估。

3.2 初步筛选与处理选择

盆栽试验中自然萌发的杂草群落包括稗草、千金子（Leptochloa chinensis）和马齿苋（Portulaca oleracea）。杂草密度在10和20 DAT时处理间差异显著。苄嘧磺隆·丙草胺（T₉–T₁₂）和三氟啶磺隆·乙氧磺隆（T₁₃–T₁₆）处理在两个观测时点均记录较低杂草密度，多个处理在10和20 DAT均记录0.71（0.00）的平方根转换均值。丁草胺处理总体记录较高杂草密度，其中100%用量处理在20 DAT密度最高（1.80），表明杂草抑制效果相对较低。杂草防控效率方面，10 DAT时WCE范围为77.8%–100.0%，20 DAT时为72.2%–100.0%。吡嘧磺隆75%用量处理在两个时点均达100.0% WCE；苄嘧磺隆·丙草胺的50%、100%和150%用量处理以及三氟啶磺隆·乙氧磺隆的50%和100%用量处理均维持100.0% WCE。百分位排名分析筛选出9个表现最佳的处理进入田间评价，排名依次为：吡嘧磺隆75%（第1）、苄嘧磺隆·丙草胺50%（第2）、100%（第3）和150%（第4）、三氟啶磺隆·乙氧磺隆50%（第5）和100%（第6）、苄嘧磺隆·丙草胺75%（第7）、吡嘧磺隆100%（第8）和三氟啶磺隆·乙氧磺隆75%（第9）。

3.3 田间研究

3.3.1 杂草与除草剂响应评估

田间杂草群落涵盖禾本科、莎草科和阔叶杂草。杂草密度在15、30和45 DAT时处理间差异显著。苄嘧磺隆·丙草胺100%和150%胶囊处理记录最低杂草密度且各观测阶段统计上相当，150%处理在15、30和45 DAT分别记录8.33、43.00和94.66株m^?2。杂草干重方面，苄嘧磺隆·丙草胺100%和150%胶囊处理同样记录最低杂草生物量且各观测阶段统计上相当，150%处理在三个时点分别记录2.23、25.65和42.49 g m^?2，100%处理紧随其后（2.36、25.76和42.83 g m^?2）。杂草防控效率方面，苄嘧磺隆·丙草胺100%和150%胶囊处理在15 DAT分别达86.9%和87.6%，30 DAT维持68.7%和68.9%，45 DAT为68.3%和68.5%；常规喷施处理在15 DAT记录79.1%–81.7%，45 DAT降至53.9%–58.8%。除草剂效率指数以苄嘧磺隆·丙草胺150%胶囊处理最高，15、30和45 DAT分别为14.31、5.93和5.63，100%处理次之（12.61、5.44和5.21）。曲线下面积分析显示，苄嘧磺隆·丙草胺100%胶囊处理的AUWCEC较相应常规喷施提高16.9%，AUWDWC降低28.7%；但吡嘧磺隆胶囊处理未优于常规喷施（AUWCEC为1428.75% day对1884.75% day，AUWDWC为1398.67对1011.15 g m^?2 day），表明递送系统的响应具有除草剂特异性。

3.3.2 作物表现与产量

苄嘧磺隆·丙草胺100%胶囊处理在15、30和45 DAT的杂草防控效率分别为86.9%、68.7%和68.3%，高于常规喷施同除草剂组合的81.3%、57.6%和53.9%，籽粒产量提高14.9%（5,463 kg ha^?1对4,755 kg ha^?1）。150%胶囊处理在数值上记录更高杂草防控效率（87.6%）和籽粒产量（5,710 kg ha^?1），但其产量与100%处理在统计上相当。100%胶囊处理获得最高效益成本比（2.42），在杂草抑制、作物生产力与经济效益之间实现最优平衡。

3.3.3 经济分析

经济阈值分析采用Uygur和Mennan方法与Stone和Pedigo方法进行估算。基于除草剂有效性、除草成本、作物价值和杂草干重与作物产量关系，100%胶囊处理以最高效益成本比（2.42）提供了最佳经济回报。

四、讨论与结论

研究结果表明，明胶胶囊介导的除草剂递送效果因除草剂制剂和胶囊用量而异，其中苄嘧磺隆·丙草胺的响应最为突出。胶囊递送通过物理包封和定点释放机制，减少了常规喷施中可能发生的药液飘移和药量浪费，实现了更持续的杂草抑制。空胶囊置入未导致可培养微生物种群下降，反而与细菌、真菌和放线菌种群增加相关，为载体的生物相容性提供了初步证据，但需通过免培养群落分析和功能测定进一步确认其对根际微生物结构和土壤生物学功能的持续影响。

研究结论为：优化的明胶胶囊介导除草剂递送强化了杂草抑制与作物表现，100%苄嘧磺隆·丙草胺处理在相对常规施药方面提供了有效杂草防控、可比籽粒产量和最高经济效益。研究结果证明了靶向可生物降解除草剂递送在提高投入利用效率和支撑可持续水稻生产方面的潜力，为移栽水稻杂草管理提供了一种减少常规喷施依赖的替代途径。