Широко используемые гербициды борются с некоторыми сорняками. Некоторые эксперты считают, что причиной проблемы может быть тепло.
Около 10 лет назад В суровую жару лета в Канзасе многие из ядовитых сорняков кохии, вторгшихся в исследовательские поля Филиппа Стальмана, просто не сдвинулись с места при опрыскивании смесью двух широко используемых гербицидов, глифосата и дикамбы. Всего несколькими месяцами ранее, в более прохладную весеннюю погоду, гербицидная смесь легко заставила маленькие тонкие листья сорняка скручиваться и становиться коричневыми, сигнализируя о гибели растения.
Теперь стойкий сорняк заставил Штальмана поставить в тупик. Штальман, в то время занимавшийся изучением сорняков в Университете штата Канзас, никогда раньше не сталкивался с этой проблемой с гербицидами. Сначала он предположил, что неправильно применил агрохимикаты. Но год за годом происходило то же самое. Штальман знал, что что-то не так. Он внимательно следил за сорняками на своих полях. Он также посоветовался с местными фермерами, которые сообщили о подобных проблемах. «Некоторое время свет не загорался, пока проблема не стала повторяться. Это было похоже на сборку пазла », - говорит Штальман.
В конце концов Штальман, который с тех пор вышел на пенсию, решил, что проблема, скорее всего, связана с температурой: что-то в опрыскивании при сильном нагревании снижало эффективность гербицидов.
Не только Штальман сделал это наблюдение. Сегодня все больше данных свидетельствует о том, что температура около 90 градусов по Фаренгейту или выше может сделать некоторые устойчивые к гербицидам сорняки еще более устойчивыми, а другие - менее чувствительными к определенным химическим веществам.
Некоторые фермеры говорят, что знают, что высокие температуры могут испортить действие некоторых гербицидов, поэтому стараются избегать опрыскивания в жару. «Хорошее практическое правило: если температура составляет 85–90 градусов по Фаренгейту, просто не распыляйте», - говорит Курт Готтшалк, менеджер фермы в Хейсе, штат Канзас.
Не все эксперты согласны с тем, что эта закономерность, в значительной степени продемонстрированная в лабораторных экспериментах, представляет проблему для фермеров. А некоторые гербициды работают даже лучше при высоких температурах. Но если жара повышает устойчивость многих сорняков к основным гербицидам, последствия могут быть значительными. Если не контролировать сорняки, они могут опустошить урожаи и доходы - если бы фермеры не приложили усилий для борьбы с сорняками, они могли бы уничтожить около половины всех урожаев кукурузы и сои в США и Канаде, по данным Американское общество по изучению сорняков, некоммерческое общество академических и промышленных ученых. Убыток может стоить фермерам около 43 миллиардов долларов ежегодно.
Фермеры уже борются с эпидемиями сорняков, у которых развилась генетическая устойчивость ко многим гербицидам, включая глифосат и дикамба. Штальман и другие исследователи сорняков утверждают, что температура может быть вторым фактором, который может упустить из виду, укрепляя защиту сорняков от гербицидов. Хотя большинство фермеров теперь понимают, что температура влияет на гербициды, для неподготовленного глаза это может выглядеть как устойчивость к гербицидам, говорит Штальман.
Эти исследователи также опасаются, что проблема может обостриться в будущем, поскольку изменение климата приводит к повышению температуры и участятся экстремальные погодные явления, включая волны тепла.
«Мы уже знаем, что устойчивость к гербицидам - самая проблемная проблема в химической борьбе с сорняками», - написал Маор Мацрафи, специалист по сорнякам из Национальной организации сельскохозяйственных исследований Израиля, в электронном письме Undark. «Возможно, на очереди снижение чувствительности из-за изменения климата».
ФЕРМЕРОВ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ меньше полагаться на гербициды, вместо этого для борьбы с сорняками используются трудоемкие методы, такие как обработка почвы и ручное удаление. Но, начиная с середины 1990-х годов, биотехнологические компании начали выводить на рынок генетически модифицированные культуры, устойчивые к обычным мощным гербицидам. Новые семена позволили фермерам обильно опрыскивать свои поля агрохимикатами, чтобы убить сорняки, пока их ГМ-урожай процветал. Эта технология сделала ненужным большую часть ручной прополки, и использование гербицидов резко возросло во всем мире. Но в ответ появились сорняки, и появились устойчивые к гербицидам сорта. Это вызвало новую битву между фермерами и сорняками, когда фермеры все чаще используют комбинации химикатов, а также дополнительные дозы, чтобы попытаться уничтожить сорняки.
Однако после опыта Штальмана с сорняками кохия он начал исследовать, может ли температура влиять на эффективность гербицидов больше, чем это было широко признано. (Штальман, как и многие ученые, занимающиеся изучением сорняков, в прошлом получал финансирование исследований от агрохимических компаний.)
Чтобы понять, как тепло помогает сорнякам бороться с гербицидами, Штальман объединился с коллегами из KSU Митхилой Джугулам, физиологом по борьбе с сорняками, и Джунджун Оу, научным сотрудником. Команда вырастила саженцы популяций кохия, которые произошли в Канзасе, в камерах, где температура держалась от 63.5 до 90.5 градусов по Фаренгейту, что соответствует дневной жаре штата весной и летом. Температура в камерах снижалась каждые 12 часов, чтобы имитировать более прохладные ночные часы. Когда ростки достигли примерно 4 дюймов в высоту, исследователи добавили в некоторые из них глифосат, а в другие - дикамбу. Каждую неделю команда исследовала сорняки на предмет повреждений. Через месяц они срубили сорняки, высушили и взвесили.
Команда обнаружила, что при высоких температурах им требовалось более чем в два раза больше глифосата и дикамбы для борьбы с сорняками. Oни опубликовано их результаты в 2016 году.
Чтобы понять, почему тепло снижает чувствительность, исследователи отслеживали пути гербицидов через сорняки, используя умеренно радиоактивные версии глифосата и дикамбы. Первые ранее производились Monsanto, а вторые производились BASF Corp. (BASF Corp. предоставила Ou помощником аспирантов для другого проекта).
Ученые обнаружили, что листья поглощают меньше глифосата при более высоких температурах. Они не уверены, почему, но Джугулам считает, что жара может побудить кохию развить более толстую кутикулу - защитный слой на поверхности листа, - который затем повысит защиту сорняков от гербицида. Когда сорняки столкнулись с дикамбой, команда обнаружила другой процесс. Температура не влияла на количество дикамбы, впитываемой сорняками, но она действительно препятствовала движению гербицида через растение, так что меньшее количество достигало своей цели - ткани, развивающейся на кончиках новых побегов и листьев.
В другом исследовании, опубликованном в прошлом годуДжугулам обратила свое внимание на гербицид 2,4-D, один из ингредиентов апельсинового агента, печально известного дефолианта, использовавшегося во Вьетнамской войне. Сегодня это один из наиболее широко используемых гербицидов. Джугулам проверил, как температура влияет на способность гербицида управлять водяной коноплей, широколистным сорняком, посягающим на кукурузные и соевые поля Среднего Запада.
В ходе испытаний Джугулам исследовал некоторые виды водяной конопли, у которых развилась генетическая устойчивость к 2,4-D, а некоторые - нет. Она обнаружила, что для уничтожения устойчивых сорняков в жарких и сухих условиях требуется более чем в три раза больше гербицида, чем при более низких температурах. Она обнаружила аналогичный, но меньший эффект у восприимчивых сорняков.
Устойчивый к гербицидам водяной конопля выдерживает воздействие 2,4-D за счет быстрого расщепления химического вещества на нетоксичные вещества, прежде чем он сможет достичь своих целей на кончиках корней, стеблей и листьев. Джугулам обнаружил, что при высокой температуре конопля быстрее расщепляет эти молекулы.
Джугулам также отметил, что при высоких температурах некоторые устойчивые к гербицидам сорняки становятся более устойчивыми, а некоторым чувствительным сорнякам может потребоваться больше гербицидов для борьбы с ними.
Не все сорняки и гербициды одинаково реагируют на температуру. Например, Джугулам также обнаружил, что 2,4-D и глифосат работают better при более высоких температурах против обыкновенной и гигантской амброзии, двух других сорняков, распространенных на полях американских фермеров. Джугулам также говорит, что даже в тех случаях, когда высокая температура действительно препятствует гербицидам, воздействие, по-видимому, в основном ограничивается засушливыми условиями. В районах с высокой влажностью и количеством осадков могут не наблюдаться такие эффекты.
Но некоторые эксперты говорят, что появляется все больше свидетельств того, что температура, а в некоторых случаях и высокий уровень углекислого газа влияет на борьбу с сорняками, по крайней мере, в лабораторных условиях, в отношении различных видов и агрохимикатов.
В тестах опубликовано В 2016 году Мацрафи обнаружил, что при высоких температурах четыре различных вида травяных сорняков противостояли диклофоп-метилу, ингредиенту гербицида, производимого Bayer, значительно лучше, чем при более низких температурах. Мацрафи также обнаружил, что высокие температуры сделали другой гербицид, пиноксаден, менее способным сдерживать рост инвазивной травы ложного костра. Более того, трава росла, даже когда она была переведена из более прохладных условий в более жаркую в течение двух дней после обработки гербицидом (исследование частично финансировалось ADAMA Agricultural Solutions, агрохимической компанией, базирующейся в Израиле).
«Наши результаты и многие другие исследования, проведенные с 90-х годов, показывают, что условия окружающей среды после внесения также могут влиять на чувствительность к гербицидам», - пояснил Мацрафи в электронном письме. Даже если фермеры опрыскивают при более низких температурах, этого может быть недостаточно, чтобы избежать воздействия тепла.
Несмотря на возрастающие дозы диклофоп-метила, этот чувствительный к гербицидам райграс хорошо растет в более теплом климате. На каждой фотографии гербицид наносится в больших количествах слева направо. На крайнем левом растении гербицид не применяется. На левой фотографии райграс выращивают при более низких температурах (50-61 градус по Фаренгейту), тогда как на правой фотографии райграс выращивают при более высоких температурах (82-93 градуса по Фаренгейту). Визуальный: Предоставлено Маором Мацрафи
Эксперты опасаются, что эти условия ухудшатся из-за изменения климата. Уже сейчас во многих штатах США, важных для сельского хозяйства, а также в других крупных регионах мира, производящих продукты питания, в течение вегетационного периода температура регулярно достигает 90 градусов по Фаренгейту. Некоторые исследователи говорят, что проблемы с жарой и эффективностью гербицидов сейчас выходят на первый план отчасти из-за более частых эпизодов сильной жары в течение последних нескольких десятилетий.
Тем не менее, трудно связать наблюдаемые сегодня эффекты с недавними климатическими изменениями, написал Льюис Зиска, физиолог растений из Колумбийского университета в Нью-Йорке, в электронном письме Undark. Но, отмечая, что сорняки являются «самым большим препятствием для производства продуктов питания», Зиска предупреждает, что «они станут серьезной проблемой для фермеров в более экстремальных условиях».
Например, на Среднем Западе к концу века температура может повыситься в среднем на 8.5 градусов по Фаренгейту, с более продолжительными и более частыми периодами сильной жары. прогнозы федерального правительства. А в Южной Азии, включая Индию - глобально важный регион по производству риса, бобовых, орехов и хлопка - Межправительственная группа экспертов по изменению климата проектов что к 6 году среднегодовая температура повысится почти на 2100 градусов по Фаренгейту.
В первом в своем роде эксперименте, результаты которого были сообщили в прошлом годуМацрафи изучил совместное действие тепла и повышенного уровня углекислого газа на два разных вида сорняков и обнаружил, что комбинация повышает гербицидную защиту сорняков за счет любого другого фактора.
Неясно, готовы ли производители гербицидов к предстоящим вызовам потепления на планете. Многие не рекомендуют оптимальные температуры опрыскивания для обеспечения эффективности руководств, которые они распространяют среди фермеров.
В письменном заявлении Кларк Узтс, представитель Sygenta, производителя пиноксадена, говорит, что компания не изучала потенциальное влияние изменения климата на активность гербицида, но что «полевые исследования и коммерческое применение не показали, что температура имеет существенное значение. влияние на деятельность Пиноксадена ».
Чарла Лорд, представитель Bayer, написала в своем заявлении, что гербициды компании «тщательно протестированы на соответствие всем требованиям регулирующих органов» и «помечены так, чтобы аппликаторы знали, как применять их для оптимального контроля и успеха». Компания не ответила на конкретные вопросы относительно эффективности их продуктов при высоких температурах, хотя компания размещены о проблемах высокотемпературного распыления на своем веб-сайте. Corteva, производящая гербициды, содержащие 2,4-D, не ответила на запросы о том, как высокие температуры влияют на эффективность гербицида.
НЕ ВСЕ убеждены, что эти экспериментальные данные создают проблемы для фермеров. Некоторые исследователи и эксперты по сорнякам говорят, что лабораторные условия радикально отличаются от полевых, что делает результаты менее актуальными. «Я не думаю, что мы можем с уверенностью сказать, что это оказывает влияние в реальном масштабе», - написал Брэд Хэнсон, эксперт по сорнякам из Калифорнийского университета в Дэвисе, в электронном письме Undark. Хансон работал с Мацрафи над исследованием, опубликованным в прошлом году.
Хэнсон, который работает с калифорнийскими фермерами в качестве исследователя и специалиста по распространению знаний, также написал, что фермеры обычно используют достаточно гербицида, чтобы преодолеть любые небольшие изменения чувствительности сорняков, вызванные жарой.
Кассим Аль-Хатиб, физиолог сельскохозяйственных культур из Калифорнийского университета в Дэвисе, который исследовал, как гербициды действуют в условиях жары и влажности, написал в электронном письме Undark, что исследования проводятся в тщательно контролируемых лабораторных условиях, которые фермеры никогда не найдут в своих поля. «То, что происходит в контролируемых условиях, обычно не подтверждает то, что происходит в полевых условиях», - написал он.
В своем собственном исследовании Аль-Хатиб изучил влияние температуры и влажности на небольшое количество типов гербицидов и видов сорняков. По его словам, в изученных им случаях эффективность гербицидов обычно улучшается при более высокой температуре и влажности, если только температура не превышает 100 градусов по Фаренгейту. Мацрафи и Джугулам соглашаются, что лаборатория не отражает более сложную среду фермы.
«Но я не думаю, что это снижает важность результатов», - написал Мацрафи. Он, Штальман и другие говорят, что они сами видели эффект в полевых условиях: «Я думаю, мы что-то наблюдаем. Думаю, в ближайшие 10 лет мы увидим больше. Это будет серьезной проблемой », - говорит Чак Отте, агент по исследованиям и распространению сельскохозяйственных знаний в округе Гири, штат Канзас, который в основном работает с фермерами.
Результаты исследования - это новость для фермеров, которые полагаются на гербициды для защиты от сорняков, которые становятся все более опасными. На данный момент некоторые фермеры пытаются предотвратить некоторые эффекты жары путем распыления гербицидов в более прохладные периоды дня. В разгар лета Кэри Мур говорит, что иногда она просыпается перед рассветом, чтобы опрыскать свою ферму площадью 650 акров в Северной Дакоте, пока не стало слишком жарко, иногда до 100 градусов по Фаренгейту. Но по мере того, как земной шар нагревается, фермеры будут сталкиваться с более узкими окнами, в течение которых температура будет достаточно низкой для распыления, говорит Зиска. И исследование Мацрафи предполагает, что опрыскивание в более прохладные периоды не гарантирует, что на эффективность гербицида не повлияют всплески тепла, которые возникают позже днем или даже на следующий день.
Иногда фермеры не могут избежать распыления гербицидов в жару, особенно на огромных фермах с несколькими тысячами акров.
Отте говорит, что скептики могут не осознавать, что их гербициды не работают, потому что жара протянула руку помощи сорнякам. Сначала они могут предположить, что виной всему ряд других общих факторов, таких как устойчивость к гербицидам, отсутствие осадков или слишком мало гербицидов. «Существует так много мешающих факторов, что трудно во всем разобраться», - говорит он.
По мнению многих экспертов, в долгосрочной перспективе фермерам придется уменьшить свою зависимость от гербицидов и вместо этого использовать другие методы, которые сегодня чаще используются в органическом земледелии, чтобы сдерживать рост сорняков. Например, посадка покровных культур, таких как яровой овес или малиновый клевер, помогает предотвратить укоренение сорняков в голой почве, а выращивание различных культур в чередовании может привести к появлению сорняков, которые помогают подавить популяции. Мур уже движется в этом направлении. Она чередует соевые бобы с пшеницей, ячменем и парой других культур и сажает множество дополнительных покровных культур, включая рожь и горох.
Она также иногда обрабатывает почву, чтобы подавить рост сорняков. «Чем меньше мы будем распылять химикаты, тем лучше», - говорит она. Тем не менее, чтобы сохранить урожайность, сельское хозяйство не может полностью отказаться от гербицидов, - говорит Зиска. Поскольку предлагается очень мало новых химикатов, фермерам необходимо быть более осторожными с гербицидами, которые у них есть сейчас, чтобы гарантировать, что они продолжат работать в будущем. Производители должны дать фермерам более точные советы о том, когда и как использовать гербициды, добавляет Мацрафи.
«Фермеры больше не могут просто опрыскивать и молиться», - говорит Отте.
