工業技術研究院

許多除草劑，現在已經對各種雜草不管用，我們能否及時調整做法，避免災難發生？

7月這天早晨，天氣濕熱，讓人懶洋洋的，我來到伊利諾大學（University of Illinois）南方農場（South Farm）研究中心的舊農藝種子倉庫（Agronomy Seed House）外頭，跟雜草科學家海格（Aaron Hager）會面。遠方矗立著1900年代初建造的圓形穀倉，會這麼設計旨在抵禦美國中西部的風暴。今天天空白茫茫一片。這裡昨天才剛有直徑數百英哩的風暴系統席捲而過，颳起時速80哩的強風，啟動數十次龍捲風警示與警報聲，彷彿冷戰時期的防空演習。

伊利諾州約有2,300萬英畝的土地都種植玉米和大豆，約占全州三分之二面積，間雜著小麥田。從小在伊利諾州農地長大的海格說，農家幾乎每一畝地都會噴灑化學除草劑，原本能讓單一作物不受雜草侵擾，在廣大無邊的土地生長，但如今卻無法抑制雜草叢生。

1980年代以來，愈來愈多植物出現抗藥性，得以抵抗除草劑用來殺死雜草的生化機制，不僅危及農作物產量──雜草一旦失控，產量可能銳減5成以上──嚴重時還會摧毀整片農田。

在最慘的情況下，農民更可能淪為破產下場。這個問題有如農業界的「抗生素抗藥性」，而且日益嚴峻。

大學校園位於我從小生長的厄巴納—香檳（Champaign-Urbana）雙子城，我們從這裡出發，驅車往東行駛，途中看到一片大豆田長滿帶刺的深綠色植物，高度及胸。

「這個就是問題。」海格說：「那些全都是水麻（Water Hemp；學名Amaranthus Tuberculatus）。我猜他們至少噴過一次除草劑，說不定還不止一次。」

水麻幾乎在各種農田都能長，每天可以長1英吋以上，雌株隨便就能產生數十萬顆種子。原生於中西部的水麻，過去幾年快速繁衍，對7種不同類別的除草劑已經出現抗藥性。根據普渡大學推廣中心（Purdue University Extension）的研究，耕季倘若受到水麻叢生的影響，大豆與玉米產量可能分別減少44%與15%。

大多數農家現階段還過得去。有2類除草劑仍舊對水麻有效，但抗藥性的案例也愈來愈常見。
「我們開始看到藥效失靈的案例。」在密蘇里大學（University of Missouri）研究雜草管理的植物科學家布萊德利（Kevin Bradley）說：「情況可能不妙。」
其他地區的情況更是嚴峻。

「我們真的有必要徹底調整控制雜草的方式，而且動作要快，因為雜草已經趕上我們了。」田納西大學（University of Tennessee）植物科學教授史戴克（Larry Steckel）說：「情況已經迫在眉睫。」

日益猖獗

根據主持國際抗除草劑雜草資料庫（Inter-national Herbicide-Resistant Weed Database）的雜草科學家希普（Ian Heap），目前已有超過500個抗藥性案例，涵蓋273種雜草，而且數量持續增加。雜草已對168種不同除草劑與31種已知「作用機制」（Mode of Action）中的21種產生抗性。所謂作用機制，是指一種化學物質旨在干擾的特定生化目標或途徑，許多除草劑都有同樣的作用機制。

美國南部有一種非常棘手的雜草，讓史戴克與他的同事傷透腦筋，那就是莖呈紅色、與水麻同屬的帕爾默莧菜（Palmer Amaranth；學名Amaranthus Palmeri）。科學家發現，這種雜草已經對9類不同的除草劑產生抗藥性。它每天能長逾2英吋，最高可達9英呎，占據整片田地。帕爾默莧菜來自於西南部沙漠地區，根系強韌，抗旱性高。如果因為下雨或參加女兒婚禮，讓人連幾天無法噴灑除草劑，可能就來不及化學除草。

海格說，帕爾默莧菜「會讓你的收成化為烏有。」

其他雜草如義大利黑麥草（Italian Rye-grass）與一種稱為地膚（Kochia）的風滾草，正對南部與西部的農家造成明顯衝擊，小麥田和甜菜田尤其如此。

化學除草劑的誕生

二戰前，農民通常以犁、耙等農具來除草翻土，甚至自己動手，家母以前就是這樣，她還記得小時候在印地安納州的農場長大，拿鋤頭在玉米田除草。

1950年代，合成殺蟲劑與除草劑問世，受到農家採用，除草方式開始改變。到了1970年代，首批抗藥性雜草出現。1980年代初，希普與同事波爾斯（Stephen Powles）發現，黑麥草（Ryegrass；學名Lolium Rigidum）在澳洲南部蔓延，對當時最常用的除草劑（亦即ACCase抑制劑）具有抗藥性。幾年後，黑麥草對ALS抑制型除草劑也出現抗藥性。

問題才剛爆發，不久又急轉直下。

1990年代中後期，現已隸屬於拜耳作物科學（Bayer Crop Science）的農業大廠孟山都（Monsanto）開始推廣基因改造作物，包括能夠抵抗商業除草劑年年春（Roundup）的玉米和大豆，年年春的活性成分是草甘膦（Glyphosate）。孟山都宣稱這些作物「不怕年年春」，整片農田都可以噴灑草甘膦，號稱是控制雜草的萬靈丹。

草甘膦迅速成為最廣泛使用的除草劑之一，至今依然如此。也因為草甘膦的熱銷，其他新型除草劑的研發工作逐漸停擺，短期似乎並沒有重量級除草劑準備上市，難以解決大規模的抗藥性問題。

孟山都當初聲稱，草甘膦抗性雜草演變成重大問題的可能性「極低」。當然，有人正確預測到這個現象不可避免，其中一位是在以色列雷荷弗特市（Rehovot）的魏茲曼科學研究院（Weizmann Institute of Science）擔任榮譽教授的格雷瑟（Jonathan Gressel），他自1960年代起就開始研究除草劑。

2004年，喬治亞大學（University of Georgia）的雜草科學家卡爾佩伯（Stanley Culpepper）確認首例帕爾默莧菜對年年春產生抗藥性。抗藥性迅速擴散。帕爾默莧菜與水麻會長出雄株與雌株，雄株產生的花粉隨風散播到遠處，讓雌株授粉，同時促進基因多樣性，加快兩者的進化速度，為除草劑抗藥性的形成與擴散創造有利條件。這兩種超級雜草在喬治亞州種下亂源。
「我們大受打擊。」卡爾佩伯說，2008年到2012年那段時間特別難熬：「整片農地都得剷平。」

求生意志高

川諾（Patrick Tranel）是伊利諾大學分子雜草科學領域的翹楚，他的實驗室離南方農場研究中心只有幾英哩。他解釋說，除草劑抗藥性是可預期的演化結果。

「有東西要被殺死了，會怎麼做？它會想辦法活下去。」川諾說。

雜草已經演化出躲避化學防治的方法，而且令人意想不到。根據2009年發表於《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）的一項研究，帕爾默莧菜的基因組出現一個突變，導致草甘膦鎖定的基因可以複製出150幾個。科羅拉多州立大學（Colorado State University）的雜草科學家戴恩（Franck Dayan）說，這種基因擴增現象以前從未在植物中出現。

帕爾默莧菜還會以另一種奇怪的方式產生抗藥性，就是透過稱為染色體外環狀DNA（extrachromosomal circular DNA）的結構，這些遺傳物質包含草甘膦鎖定的基因，存在於核染色體之外。植物如果具有這種適應能力，花粉隨風散播，能夠傳遞這個基因。

然而，科學家發現雜草的代謝抗藥性愈來愈普遍，亦即雜草演化出一種代謝機制，將近能夠分解任何外來物質，各種除草劑也不例外。

舉例而言，某種除草劑在某一年對水麻有效，但如果有些水麻「逃過一劫」而長出種子，下一代可能會對這款除草劑產生代謝抗藥性。

為了去除水麻，農家改採取代年年春或與年年春混用的兩類化學藥劑，一類稱為草胺膦（Glufosinate）的除草劑，另一類是名為2,4-D與汰克草（Dicamba）的物質，但有證據顯示，水麻已經出現抗藥性。這兩類除草劑通常也會殺死許多作物，但現在有數百萬英畝的玉米與大豆經過基因改造，不怕藥性。影響所及，農家為了解決抗藥性問題，藥劑愈用愈多。

「就算去年有效，一旦出現代謝抗藥性，就無法保證今年還是有效。」海格說。

唐利（Nathan Donley）在位於亞利桑那州土桑市（Tucson）的生物多樣性研究中心（Center for Biological Diversity）擔任環境健康科學主任，他說，許多除草劑中可能有害環境，也可能危害人類健康。唐利以巴拉刈（Paraquat）為例，這是一種具有神經毒性的化學物質，由於可能導致帕金森氏症等疾病，已有逾60個國家禁用，可是在美國的用量卻有增無減。作為落葉劑（Agent Orange）活性成分的2,4-D，是一種潛在的內分泌干擾物，長期暴露會提升罹患多種癌症的風險。草甘膦已被世界衛生組織（WHO）轄下機構列為可能的人類致癌物，相關訴訟高達數萬起，賠償金額可能高達數百億美元。草脫淨（Atrazine）在地下水可能殘留多年，導致某些魚類、兩棲類、爬蟲類與哺乳類動物的睪丸縮小、精子數量減少。

2,4-D與汰克草這類除草劑的毒性通常會更強，拿來取代草甘膦，「絕對是倒退的一步。」

尋找解方

問題不只是化學除草劑而已。無論是何種防治法，雜草都可能產生抗性。中國的稗草就是一個典型例子，這種雜草經過幾世紀演化，外觀類似稻米，因此能躲過手工除草。

有鑑於雜草的演化相對快速，研究人員建議採用多元化的防治方法。川諾說，混合作用機制不同的兩種除草劑有時有效，但對環境、對農民的荷包都不是最理想的做法。作物輪作、種植冬季覆蓋作物、尤其不要一種除草劑每年用途都一樣，這些都有幫助。

愛荷華州立大學（Iowa State University）雜草科學家與榮譽教授歐文（Micheal Owen）指出，根本的解決之道是「不要只依賴除草劑來防治雜草」，這樣對農家與美國農場現況都是「重大挑戰」。

過去幾十年，隨著鄉村人口外流、勞動力成本增加，再加上化學藥劑與基因改造作物的興起，農民得以迅速大面積施藥，農地規模大幅擴張。影響所及，作物多樣性與雜草控制等相關措施逐漸過度簡化，雜草也連帶適應。

一方面，農家經常採用最省錢的方式除草，先撐過這一年再說，這樣的做法無可厚非。但另一方面，同樣任職於愛荷華州立大學的鄉村社會學家丹茲蔓（Katie Dentzman）說，抗藥性是中長期的問題，跟目前以短期思維與誘因的耕作系統相抵觸。

她的研究顯示，農民大多清楚、也擔心除草劑抗藥性的問題，卻礙於種種因素，無法切實解決。有些農民說農場太大，若不一次就噴灑完成除草，沒有經濟效益；有些農民則是缺工、缺錢或缺時間。

歐文說，農業需要採用多元化的除草方式，但知易行難。

「我們的視野太過於狹隘了，只是把除草劑當成解方，」雜草科學家費尼莫爾（Steven Fennimore）說。他任職於位於加州沙利納斯市（Salinas）的加州大學戴維斯分校。

他專門研究蔬菜，這類作物的除草劑選擇已經不多，有機農家的選擇更少，因此非常有必要創新。

他開發出一個將蒸氣注入地面的原型機，能夠殺死注入點周圍幾英吋內的雜草，目前用於萵苣、胡蘿蔔與洋蔥等農地，證實效果可達9成左右。但這個裝置不夠快速，處理10英畝的農地要2、3天。

其他許多非化學除草法也逐漸應用在蔬菜與其他高價值作物。日後倘若經濟與物流條件合適，還可能在行栽作物（Row Crop）普及，亦即用於以機具耕種的行列式作物。

舉例來說，碳機器人（Carbon Robotics）公司生產一種名為雷射除草機（LaserWeeder）的人工智慧系統，顧名思義，能以雷射殺死雜草。這款機器能夠在作物之間自動導航移動，偵測不要的植物，啟動30個雷射中的一個把它汽化。該公司表示，目前至少已有17州使用雷射除草機。

也可以用電擊方式除草，歐美已有幾款商用設備，通常會有一根可調整高度的銅製吊桿，碰到雜草就會放電。電擊法最明顯的缺點是，雜草通常要比作物高才行。一旦雜草長到這個高度，可能已經造成產量下降。

雜草種子破壞機是另一個有發展潛力的選擇。這種裝置在收割小麥的同時，能夠碾碎並殺死雜草種子，常見於澳洲，現在也開始太平洋西北部國家流行起來。

以色列公司威奧（WeedOut）研發出一套系統，以輻射讓帕爾默莧菜的花粉失去活性，再將花粉釋放回農田。這麼一來，雌株被不孕花粉授粉後，無法產生有效種子。

「我很看好這個方法，因為可以長期減少種子庫，不必噴灑除草劑就能防治雜草。」歐文說。

威奧目前正在美國的玉米、大豆與甜菜田進行測試中，努力爭取取得環保署（EPA）核准。該公司近期獲得800萬美元融資，準備擴大營運規模。

整體而言，受惠於人工智慧設備與精準噴灑技術，除草劑用量最終極有可能降低，在密西西比大學（University of Mississippi）研究除草劑的杜克（Stephen Duke）這麼說：「發展到最後，我預計機器人除草與人工智慧噴灑設備會取代傳統方法。」 不過他認為，在大豆與玉米等農作物上，這樣的轉變需要一段時間，因為這類農作物屬於「低價值」，種植面積廣大，投入太多資金並不符合經濟效益。

目前有少數幾家新創公司正在研發新型除草劑，以存在於真菌中、或植物用以彼此競爭的天然物質為基礎，但這些產品離上市恐怕還遙遙無期。

多管齊下

想避免抗藥性，最有成效的工具未必是高科技。這點看奧羅拉農場展覽日（Aurora Farm Field Day）的簡報就知道。活動由康奈爾大學（Cornell University）所舉辦，地點位在紐約州伊薩卡市（Ithaca）校園以北。

研究雜草的康乃爾大學助理教授索諾絲基（Lynn Sosnoskie）舉例，農民如果要防止雜草種子擴散，務必記得在收割後清理聯合收割機（Combine），尤其是設備從其他州購買或使用過的時候。

她說，業界認為帕爾默莧菜已經透過聯合收割機傳入紐約州，目前已至少出現在5個地區。

另一個傳統方法是輪作，也就是輪流種植生命週期、管理方式、生長模式不同的作物，這向來是主要的農耕法，能避免雜草習慣單一的耕作系統。種植冬季覆蓋作物也是一個選項，可以防止雜草根深蒂固。

「單靠化學除草劑無法解決雜草問題。」索諾絲基說。也就是說，我們必須開始採取這些反璞歸真的做法。

像紐約州這樣的地區，更需要再三強調這一點。紐約州的雜草問題尚未成為重大隱憂，部分原因在於，這裡跟中西部不同，並非以單一作物為主，土地利用更加多樣。

儘管如此，這裡還是難逃衝擊。康乃爾大學另一位雜草專家庫馬爾（Vipan Kumar）說，抗藥性已經發生，而且可能「一發不可收拾」。

「我們要全力防範這個問題。」庫馬爾說：「我的責任就是教育民眾，讓大家知道問題即將來臨，我們必須做好準備。」