7月的一個早晨，我在美國伊利諾伊大學南部農(nóng)場的舊農(nóng)學種子屋外遇見了雜草防控專家阿隆·海格。遠處是20世紀初建造的圓形谷倉，旨在抵御中西部的風暴。當時一個數(shù)百公里寬的風暴席卷而來，伴隨每小時130公里的陣風，并引發(fā)了數(shù)十場龍卷風警報，讓人想起冷戰(zhàn)時期的炸彈演習。

農(nóng)民在約2300萬英畝土地（約931萬公頃，占該州面積的2/3）上種植玉米和大豆，以及少量小麥。阿隆·海格在伊利諾伊州的一個農(nóng)場長大，他說，他們通常會在幾乎每英畝土地上噴灑除草劑。但這些化學物質(zhì)雖然可以讓一種植物在廣闊的空間里不受干擾地生長，但它們卻不再能阻止所有雜草的生長。

自20世紀80年代以來，越來越多的植物已經(jīng)進化出對除草劑殺死它們的生化機制免疫的能力。這種除草劑抗性可能會導致產(chǎn)量下降，野蠻生長的雜草會使作物產(chǎn)量減少50%甚至更多，極端情況下可能會毀掉整塊田地。

在最壞的情況下，它甚至可能導致農(nóng)民破產(chǎn)，這相當于農(nóng)業(yè)領域的“抗生素耐藥性”，而且情況還在不斷加劇。

當我們從伊利諾伊大學厄巴納一香檳分校的校園向東行駛時，我們看到一片大豆田，上面長滿了深綠色、尖刺的植物，長到齊胸高。

“所以問題就在這里。那兒全是糙果莧，我猜它至少被噴酒過一次，甚至不止一次?！卑⒙　ず８裾f，“有了這些抗除草劑的雜草，情況只會變得更糟。”

糙果莧幾乎可以侵襲任何一種農(nóng)作物田地，每天生長兩三厘米或更多，并且該物種的雌性可以輕松產(chǎn)生數(shù)十萬粒種子。它原產(chǎn)于中西部，在過去幾年中大量繁殖，因為它對七種不同類別的除草劑產(chǎn)生了抗性。據(jù)普渡大學推廣中心稱，來自糙果莧的季節(jié)性競爭會使大豆產(chǎn)量減少44%，玉米產(chǎn)量減少15%。

大多數(shù)農(nóng)民仍在勉強維持生計。兩類不同的除草劑通常仍然對糙果莧有效，但對這兩種方法有抗性的物種卻越來越多。

“我們眼睜睜地看著失敗的到來，當然，我們還會處于非常危險的境地?！泵芴K里大學研究雜草管理的植物科學家凱文·布拉德利說。

而在其他地方，情況更加嚴峻。

“我們確實需要對雜草控制進行根本性改變了，并且我們需要快速改變，因為雜草已經(jīng)‘追上’了我們，現(xiàn)在已經(jīng)到了一個非常關(guān)鍵的時刻?！?/p>

田納西大學植物科學教授拉里·斯特克爾說。

上升趨勢

據(jù)國際抗除草劑雜草數(shù)據(jù)庫負責人、雜草防控專家伊恩·希普稱，在273種雜草中，這種現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)了500多個獨特病例，并且這一現(xiàn)象還在不斷增加。雜草已經(jīng)進化出對168種不同除草劑和31種已知“作用模式”（化學物質(zhì)旨在破壞的特定生化靶點或途徑）中的21種的抗性，許多除草劑都有一些共同的作用模式。

南方最邪惡的雜草之一困擾著拉里·斯特克爾和他的同事，這是一種大黃紅莖的糙果莧表親，稱為長芒莧，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)雜草種群對9種不同類別的除草劑不起作用。這種植物每天可以生長超過5厘米，高度可達2.5米，并“主宰”整塊田地。它原產(chǎn)于西南部的沙漠，擁有堅固的根系，能抵御干旱。如果陰雨天氣，那么可能已經(jīng)錯過了用化學方法控制它們的機會。

“長芒莧將使你種植作物的產(chǎn)量歸零?！卑⒙　ず８裾f。

其他幾種雜草，包括意大利黑麥草和一種稱為“Kochia”的風滾草，正在給南部和西部的農(nóng)民帶來真正的痛苦，特別是那些種植小麥和甜菜的農(nóng)民。

化學品誕生

20世紀40年代以前，農(nóng)民普遍使用犁、耙等工具進行除草、松土，或者他們是手工完成的。就像我母親一樣，她記得小時候在印第安納州的一個農(nóng)場里鋤草。

隨著合成殺蟲劑和除草劑的出現(xiàn)，這種情況發(fā)生了變化，農(nóng)民在20世紀50年代開始使用這些殺蟲劑和除草劑。到20世紀70年代，一些最初的抵抗例子出現(xiàn)了。到20世紀80年代初，伊恩·希普和他的同事斯蒂芬·波爾斯發(fā)現(xiàn)了黑麥草種群，它們對最常用的除草劑（稱為ACC酶抑制劑）具有抗藥性，并在澳大利亞南部蔓延。幾年之內(nèi)，這個物種就對另一類稱為ALS抑制除草劑產(chǎn)生了抗藥性。

問題才剛剛開始，情況只會變得更糟。

20世紀90年代中后期，農(nóng)業(yè)巨頭孟山都（現(xiàn)為拜耳作物科學的一部分）開始銷售轉(zhuǎn)基因作物，包括玉米和大豆，這些作物對商業(yè)除草劑“農(nóng)達”（其活性成分稱為草甘膦）具有抗性。孟山都將這些“抗農(nóng)達”作物以及向整個田地噴灑草甘膦描述為控制雜草的“靈丹妙藥”。

草甘膦很快成為使用最廣泛的農(nóng)用化學品之一，并且至今仍然如此。事實上，它是如此成功，以至于導致其他新除草劑的研發(fā)枯竭：似乎沒有一種主要的商業(yè)除草劑可能很快就會進入市場，從而有助于大規(guī)模解決除草劑抗性問題。

孟山都聲稱抗草甘膦雜草“極不可能”成為一個問題。當然，也有人正確地預測到這種情況是不可避免的，其中包括喬納森·格雷塞爾，他是以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的名譽教授，自20世紀60年代以來一直在研究除草劑。

佐治亞大學雜草防控專家斯坦利·卡爾佩珀于2004年證實了長芒莧中第一例農(nóng)達抗性病例，抗性迅速蔓延。長芒莧和糙果莧都能產(chǎn)生雄性和雌性植物，前者產(chǎn)生的花粉可以在風中長距離傳播，為后者授粉。這也賦予了植物大量的遺傳多樣性，使其能夠更快地進化，更有利于除草劑抗性的發(fā)展和傳播。這些超級雜草在整個州播下了混亂的種子。

“這讓我們徹底崩潰了?！彼固估た柵彗暾f道，他回憶起2008年至2012年的那段時期尤其困難，“我們一直在忙于割草?！?/p>

“活下去”

伊利諾伊大學分子雜草科學領域的領導者帕特里克·特拉內(nèi)爾解釋說，除草劑抗性是進化的可預測結(jié)果，他的實驗室距離南部農(nóng)場只有幾英里。

“當你試圖殺死某種生物時，它會做什么？它試圖不被殺死?！迸撂乩锟恕ぬ乩瓋?nèi)爾說。

雜草已經(jīng)發(fā)展出令人驚訝的方式來繞過化學控制。2009年發(fā)表在PNAS上的一項研究表明，長芒莧基因組中的突變使該植物能夠復制150多個草甘膦針對的基因拷貝?？屏_拉多州立大學的雜草防控專家弗蘭克·達揚表示，“這種基因擴增以前從未在植物中報道過?！?/p>

該物種產(chǎn)生抗藥性的另一種奇怪方式是通過稱為染色體外環(huán)狀DNA的結(jié)構(gòu)，這是一種遺傳物質(zhì)鏈，包括存在于核染色體外部的草甘膦基因靶點。這種基因可以通過風吹花粉從具有這種適應能力的植物中轉(zhuǎn)移。

但科學家們越來越多地發(fā)現(xiàn)雜草具有代謝抗性，植物已經(jīng)進化出了分解幾乎任何外來物質(zhì)（包括一系列除草劑）的機制。

假設某種除草劑對糙果莧種群起到一年的作用，如果任何植物“逃脫”或存活下來并產(chǎn)生種子，它們的后代可能對所用的除草劑具有代謝抗性。

有證據(jù)表明，對取代農(nóng)達或與農(nóng)達混合來殺死這種雜草的兩種化學物質(zhì)產(chǎn)生了抗藥性：一種稱為草銨膦的除草劑以及兩種稱為2，4-D和麥草畏的物質(zhì)。這兩種物質(zhì)通常也會殺死許多農(nóng)作物，但現(xiàn)在有數(shù)十萬乃至數(shù)百萬公頃的玉米和大豆經(jīng)過基因改造，因此，基本上應對措施是使用更多的化學物質(zhì)來解決這個問題。

“一種除草劑去年有效，如果有代謝抗性，就不能保證它今年依然還有效?！卑⒙　ず８裰赋?。

位于亞利桑那州圖森市的生物多樣性中心環(huán)境健康科學主任納森·唐利表示，許多除草劑會危害環(huán)境，并有可能危害人類健康。例如，百草枯是一種神經(jīng)毒性化學物質(zhì)，在60多個國家被禁止（它與帕金森氏癥等疾病有關(guān)），但它在美國的使用越來越多。2，4-D是橙劑中的活性成分之一，是一種潛在的內(nèi)分泌干擾物，接觸它會導致癌癥風險增加。草甘膦被世界衛(wèi)生組織的一個機構(gòu)列為可能的人類致癌物，并已成為數(shù)萬起價值數(shù)百億美元的訴訟的主題。阿特拉津可以在地下水中停留數(shù)年，會導致某些魚類、兩棲動物、爬行動物和哺乳動物的睪丸縮少并減少精子數(shù)量。

“用2，4-D和麥草畏等除草劑代替草甘膦，這些除草劑通常毒性更大，這絕對是朝著錯誤方向邁出的一步。”納森·唐利說。

尋找解決方案

不僅僅是化學品，雜草可能會對任何類型的控制方法產(chǎn)生抗性。在中國的一個典型例子中，一種叫做稗草的雜草經(jīng)過幾個世紀的進化，外形長得像水稻一樣，從而避開了人工除草。

由于雜草的進化速度相對較快，研究人員推薦了多種控制策略。帕特里克·特拉內(nèi)爾說：“混合兩種不同作用方式的除草劑有時會起作用，盡管這對環(huán)境或農(nóng)民的錢包來說并不是最好的。輪作種植的作物會有所幫助，種植冬季覆蓋作物也有幫助，最重要的是，不要每年以相同的方式使用相同的除草劑?！?/p>

“從根本上講，解決方案是不要僅僅關(guān)注用于雜草管理的除草劑。這對農(nóng)民來說是一個非常大的問題，也是美國農(nóng)場的現(xiàn)狀?！睈酆扇A州立大學雜草科學家兼名譽教授邁克爾·歐文說。

過去幾十年來，由于農(nóng)村人口外流、勞動力成本上升以及化學品和轉(zhuǎn)基因作物的出現(xiàn)，農(nóng)場規(guī)模不斷擴大，使農(nóng)民能夠在大面積區(qū)域快速施用除草劑來控制雜草，這導致了作物多樣性、雜草控制實踐等方面的一種“險惡的簡化”，而雜草也已經(jīng)適應了。

農(nóng)民經(jīng)常采取最便宜的方式來控制雜草，這是可以理解的。但愛荷華州立大學的農(nóng)村社會學家凱蒂·丹茲曼表示：“阻礙是一個中長期問題，與短期思維和激勵體系相沖突。

她的研究表明，農(nóng)民通常對除草劑抗性知情并感到擔憂，但受到各種因素的限制，阻礙了他們真正阻止除草劑抗性。一些農(nóng)民表示，農(nóng)場太大，如果不一次性噴灑就無法更加經(jīng)濟地控制雜草；而另一些農(nóng)民則缺乏勞動力、資金或時間。

邁克爾·歐文認為，農(nóng)業(yè)需要采用多樣化的雜草控制方法，但這說起來容易做起來難。

加州大學戴維斯分校的雜草防控專家史蒂文·芬尼莫爾表示：“我們的視野過于狹隘，只關(guān)注除草劑作為解決方案?！?/p>

史蒂文·芬尼莫爾專注于蔬菜，除草劑的選擇很少，而有機種植者的除草劑選擇更少，所以創(chuàng)新是必要的。他開發(fā)了一種原型機，可以將蒸汽注入地下，殺死入口點十幾厘米范圍內(nèi)的雜草。這已被證明約有90%的有效性，他已將其用于種植生菜、胡蘿卜和洋蔥的田地。但這種方式太慢了：處理一塊4000平方米的土地差不多需要兩到三天的時間。

許多其他非化學控制手段在蔬菜和其他高價值作物中越來越受歡迎。最終，如果經(jīng)濟和物流順利的話，這些可能會在行間作物中流行起來，這些作物可以成行種植，可以用機械耕種。

例如，一家名為Carbon Robotics的公司生產(chǎn)了一種名為“LaserWeeder”的人工智能驅(qū)動系統(tǒng)，顧名思義，該系統(tǒng)使用激光來除雜草。它的設計目的是自動在作物行中上下移動，識別不需要的植物并用30個激光器之一將它們“蒸發(fā)”。據(jù)該公司稱，LaserWeeders目前在美國至少17個州開始使用。

你還可以使用電擊雜草，并且在美國和歐洲可以買到這種電擊裝置。一個典型的設計涉及使用高度可調(diào)節(jié)的銅吊桿來消滅它接觸到的雜草。這種方法最明顯的缺點是雜草通常必須比農(nóng)作物要高，但是當雜草長得那么高時，它們可能已經(jīng)導致作物產(chǎn)量下降。

雜草種子破壞劑是另一個有前途的選擇，這些設備在澳大利亞普遍使用，在太平洋西北地區(qū)等地也開始流行起來，在收割小麥時磨碎并殺死雜草種子。

一家名為WeedOut的以色列公司孵化了一種系統(tǒng)，可以對長芒莧植物的花粉進行輻照和消毒，然后將其釋放到田間，這樣，雌性植物就會接受到不育的花粉，無法產(chǎn)生可存活的種子。

“我對此感到興奮，因為這是一種減少種子庫并在無需噴灑除草劑的情況下管理這些雜草的長期方法?！边~克爾·歐文說。

WeedOut目前正在美國的玉米、大豆和甜菜田中測試其方法，并努力獲得美國國家環(huán)境保護局的批準。它最近獲得了800萬美元的資金來擴大規(guī)模。

密西西比大學研究除草劑的斯蒂芬·杜克表示，人工智能驅(qū)動的設備和精準噴灑很可能最終減少除草劑的使用?！拔翌A計最終我們會看到機器人除草和人工智能驅(qū)動的噴霧設備接管?！钡A計大豆和玉米等作物的實現(xiàn)還需要一段時間，因為從經(jīng)濟上來說，投入大量資金來照料如此大面積種植的此類“低價值”農(nóng)作物是非常困難的。

還有少數(shù)初創(chuàng)公司正在研發(fā)新型除草劑，這些除草劑基于真菌中發(fā)現(xiàn)的天然產(chǎn)物或植物用來相互競爭的天然產(chǎn)物。但這些都不會很快投入市場。

農(nóng)場日

一些最成功的預防抗藥性的工具并不完全是高科技?？的螤柎髮W在紐約州伊薩卡校區(qū)北部組織的“奧羅拉農(nóng)場日”上的演講清楚地表明了這一點。

例如，康奈爾大學助理教授兼雜草防控專家林恩表示，為防止雜草種子傳播，農(nóng)民可以做的最重要的事情之一是在收獲后清理聯(lián)合收割機，特別是如果他們從另一個州購買或使用設備。

她說，“聯(lián)合收割機已經(jīng)將長芒莧引入該州，現(xiàn)在紐約至少已經(jīng)有了5個種群?！?/p>

另一種經(jīng)典方法是作物輪作，即在不同生命周期、管理實踐和生長模式的作物之間進行切換，這是有助于防止雜草習慣的一種種植方法；還有一種選擇是種植冬季覆蓋作物，有助于防止雜草生長。

“我們不會僅用化學品來解決雜草問題，這意味著我們必須開始追求一些簡單的做法?！绷侄髡f。

在紐約這樣的地方，這一點尤其重要，因為那里的問題還沒有成為人們關(guān)注的首要問題，部分原因是該州不像中西部那樣以單一作物為主，而且土地利用更加多樣化。

但這也不能幸免于這個問題?？的螤柎髮W雜草防控專家維潘·庫馬爾表示，抗性已經(jīng)到來，并有可能“爆發(fā)”

“我們必須盡一切努力防止這種情況發(fā)生，我的職責是教育人們，這即將到來，我們必須做好準備。”維潘·庫馬爾說。（綜合整理報道）