低于标签用量的第2组除草剂抑制鸟足豆-慢生根瘤菌共生

《Journal of Crop Health》：Group 2 Herbicides Applied Below Label Rates Constrain the Ornithopus Sativus—Bradyrhizobium Sp. Symbiosis

　　

牧草豆科植物对轮作系统的可持续性至关重要。它们为谷物提供病害休耕，为牲畜提供营养饲料，并为后续非豆科作物提供生物固氮（biological N）。然而，研究人员频繁观察到牧草阶段的生物固氮显著低于预期，导致固氮缺陷（N-fixation deficit）。先前的田间试验表明，第2组除草剂的施用导致了这一固氮缺陷。芽前和季节早期芽后除草剂用于避免早期杂草竞争。第2组除草剂，即乙酰乳酸合酶（acetolactate synthase，ALS）抑制剂，广泛用于西澳大利亚小麦带（Western Australia Wheatbelt）的农业系统以控制杂草。研究人员开展了温室实验，定量评估第2组除草剂对接种了商业菌株WSM471的法国鸡脚豆（Ornithopus sativus）栽培种Fran2o和Margurita的损伤。咪唑乙烟酸（imazethapyr）、甲氧咪草烟（imazamox）和氟唑磺隆（flumetsulam）以对数剂量施用，以确定剂量-响应曲线并阐明这些栽培种在三个不同作物阶段的耐受性。两个法国鸡脚豆栽培种的根瘤形成均比地上部生物量对除草剂损伤更敏感。咪唑乙烟酸以推荐标签用量（140 g ai/ha）的40%芽后施用于Fran2o时，根瘤形成减少了50%。相比之下，只有当咪唑乙烟酸施用量达到推荐标签用量的170%时，地上部生物量才减少50%。甲氧咪草烟和氟唑磺隆以标签用量施用时，分别使Margurita的根瘤形成减少42%和20%。这意味着，尽管豆科植物可能看起来未受这些除草剂影响，但固氮过程正受到严重影响。

## 论文解读：低于标签用量的第2组除草剂抑制鸟足豆-慢生根瘤菌共生

### 研究背景与问题

牧草豆科植物在旱地轮作农业系统中扮演着关键角色，它们能提供谷物病害休耕、高质量牲畜饲料以及生物固氮（biological N, N），为后续非豆科作物减少氮肥依赖。然而，生产中频繁观察到牧草阶段的生物固氮量显著低于预期，形成"固氮缺陷"（N-fixation deficit）。前期田间试验表明，第2组除草剂（Group 2 herbicides），即乙酰乳酸合酶（acetolactate synthase, ALS）抑制剂，可能贡献于这一缺陷。这类除草剂广泛用于西澳大利亚小麦带（Western Australia Wheatbelt）的杂草控制，但现行推荐剂量和施用时程主要基于对地上部生物量的影响，缺乏对根瘤形成与固氮过程的系统评估。鸟足豆（Ornithopus sativus）品种Fran2o和Margurita适应于酸性粗质土壤，是当地轮作系统的重要组分，但其共生固氮对第2组除草剂的敏感性尚不明确。因此，研究人员开展此项研究，旨在定量评估咪唑乙烟酸（imazethapyr）、甲氧咪草烟（imazamox）和氟唑磺隆（flumetsulam）在不同施用时期（芽前、子叶期、第三真叶期）对这两种栽培种地上部生物量和根瘤形成的影响，验证"根瘤比地上部更敏感"的假说，并为合理施用除草剂提供依据。该研究成果发表在《Journal of Crop Health》上。

### 主要关键技术方法

研究人员在西澳大利亚Northam的初级产业与区域发展部（DPIRD）温室设施中开展实验。所用土壤为灰棕砂壤土与细黏土1:1混合（总氮25.2 mg/kg，有机碳0.83%，pH 6.7）。种子经脱壳、划痕并筛选至1.18–1.40 mm，接种商业慢生根瘤菌（Bradyrhizobium sp.）菌株WSM471（来源：New Edge Microbials）。三种除草剂分别于芽前、子叶期（出苗后10天）和第三真叶期（出苗后1个月）施用，采用对数剂量梯度（log?3 scale），每个处理5个重复，随机完全区组设计。收获后测定地上部干重（top dry weight, TDW）并对根瘤进行0–8级评分（参考Yates et al. 2016方法）。数据通过R软件的drc包拟合剂量-响应模型，计算半数效应剂量（ED50）并进行比较。

### 研究结果

#### 咪唑乙烟酸（Imazethapyr）
通过拟合剂量-响应曲线发现，咪唑乙烟酸子叶期施用对Fran2o的地上部干重（TDW）ED50比芽前（p=0.08）和第三真叶期（p=0.05）施用降低50%。芽前施用下Fran2o的TDW ED50是Margurita的两倍（p=0.09）。根瘤方面，Fran2o芽前施用咪唑乙烟酸的根瘤ED50低于子叶期（p=0.03）和第三真叶期（p<0.01）。Margurita第三真叶期施用的根瘤ED50低于芽前（p=0.08）和子叶期（p=0.04）。且Fran2o在芽前和第三真叶期施用下的根瘤ED50均显著高于Margurita（p<0.01）。关键的是，第三真叶期施用时，Fran2o和Margurita的根瘤ED50分别比TDW ED50低约5倍和3倍（p<0.01）。此外，咪唑乙烟酸子叶期施用使Fran2o的TDW ED50低于推荐标签用量；而所有施用阶段下Margurita的TDW ED50均低于标签用量。除Fran2o芽前施用外，其余所有处理的根瘤ED50均低于标签用量。

#### 氟唑磺隆（Flumetsulam）
所有施用时程下，Fran2o和Margurita的TDW ED50无显著差异。Margurita在芽前和子叶期施用下的根瘤评分显著低于第三真叶期（p=0.02）。但Fran2o在芽前和第三真叶期施用下的TDW显著低于Margurita（p=0.02）。氟唑磺隆芽前和子叶期施用使Fran2o的TDW ED50低于17.5 g/ha（推荐用量）；Margurita子叶期施用亦低于推荐量。根瘤ED50方面，Fran2o芽前和子叶期施用低于标签用量，Margurita子叶期和第三真叶期施用低于标签用量。

#### 甲氧咪草烟（Imazamox）
未观察到TDW或根瘤ED50在不同施用时程间存在显著差异。但Margurita子叶期施用甲氧咪草烟的根瘤ED50显著低于其TDW ED50（p=0.04）。Fran2o的所有处理均未出现ED50低于推荐标签用量（31.5 g ai/ha）的情况；而Margurita子叶期施用使TDW ED50低于标签用量，子叶期和第三真叶期施用使根瘤ED50低于标签用量。

### 讨论与结论

研究证实，ALS抑制性除草剂可显著减少鸟足豆根瘤形成，且根瘤对除草剂的敏感性普遍高于地上部生物量。这与前期研究（Fajiri et al. 1996; Gonzalez et al. 1996）结论一致，并首次系统量化了亚标签剂量下的损伤。推荐标签用量下的咪唑乙烟酸（98 g/ha）使Margurita的TDW减少57%（芽前）和43%（第三真叶期），类似结果在Barrett-Lennard（2015）的田间实验中亦有报道。由于根瘤减少与固氮能力直接相关（Martins et al. 2022），这些除草剂很可能降低了轮作系统的生物氮供应。讨论指出，根瘤损伤可能源于对根瘤菌信号、侵染或结瘤过程的抑制，而非直接杀灭根瘤菌（Anderson et al. 2004）。研究人员建议采用根瘤评估法（Yates et al. 2016监测牧场豆科植物健康）。不同品种表现出差异：Fran2o的耐性普遍高于Margurita，可能与Fran2o开花更早、早期活力更强有关（Harrison et al. 2024; Xi et al. 2023）。对于施用建议，咪唑乙烟酸以芽前施用对Fran2o损伤最小，甲氧咪草烟以子叶期施用对Fran2o较安全，但第三真叶期施用会显著降低Margurita根瘤。氟唑磺隆和甲氧咪草烟不适合芽前施用。子叶期施用造成的损伤最大，但实际生产中因种子库发芽不整齐难以避免，因此亟需开发对幼苗更安全的除草方案。

### 结论部分翻译

本研究结果表明，ALS抑制性除草剂可显著影响鸟足豆栽培种Fran2o和Margurita的生产力与根瘤形成。因此，将这些除草剂战略性地纳入轮作系统至关重要，以避免加剧固氮缺陷并维持最大豆科植物氮效益。对于Fran2o，采用咪唑乙烟酸推荐用量进行芽前除草对根瘤影响最小，而甲氧咪草烟推荐用量可用于芽后（第三真叶期或更晚）。对于Margurita，甲氧咪草烟是最安全的芽前选项，氟唑磺隆是损伤最小的芽后处理。尽管如此，芽后施用氟唑磺隆仍导致根瘤减少20%，表明固氮与杂草控制之间存在权衡。本研究还证实，生物量生产与根瘤生产在除草剂响应上存在差异——生物量通常比根瘤对ALS抑制性除草剂更耐受。这一点很重要，因为种植者应检查豆科植物根瘤，而非仅依赖地上部评估来判断氮生产系统的健康。