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Forestry
传统的农药喷洒会造成明显的漂移损失，农药的残留也会影响环境中的非目标生物。树木注射技术是一种精确和有针对性的农药输送方法，用于预防和治疗树木和果树害虫侵扰。它利用树木的木质部将注入的杀虫剂输送到整个植物中，减少在开放环境中的杀虫剂暴露。
- crop protection
- tree trunk injection
- pesticide application
1. 引言
树干注射技术是一种用于预防和治疗树木疾病的化学应用技术[1]，它允许在树内施用杀虫剂[2]。在传统的果园和森林中，杀虫剂和杀菌剂通常通过叶面喷洒或灌溉等方法施用[3]。尽管这些方法可有效杀死害虫，但它们通常会产生负面影响，例如环境污染、人类暴露以及被其他生物意外摄入的风险[4]。树干注射技术可以将农药直接注射到目标树木中，减少人类接触农药和意外扩散到预期目标之外的风险[5]。因此，对于其他农药施用技术不可行的人口稠密地区，它可能是一个合适的选择[6]。
叶面喷洒技术是最常见的害虫防治方法，但由于喷雾漂移造成的损失，其效率较低[7,8,9]。对于树冠大、叶子茂密的树木，喷洒是具有挑战性的[10]。此外，一些容易沉积在体内的农药被限制或禁止使用。土壤淋水是叶面喷洒的替代方法，叶面喷洒在树木周围的土壤上施用杀虫剂，使根部吸收杀虫剂以防治害虫[11]。虽然只有一小部分农药的有效成分被吸收到树木中，但残留部分会长时间留在土壤中，并会造成持续的环境影响[12]。
将杀虫剂注射到树干中的技术允许直接输送到其内部结构，而不会产生任何不利的环境影响[9]。这种方法允许使用多种可以注射和吸收的药物，以最小的植物毒性获得最佳治疗效果。由于通过树干注射施用的杀虫剂在内部循环，因此它们具有长期抵抗威胁树木健康的寄生生物侵扰的能力[13]。与替代处理方法相比，树干注射在较长时间内提供更好的保护，从而减少了农药的给药频率[9]。
2. 树干注入的机理
2.1. 工厂内的运输
植物从环境中吸收二氧化碳、水和无机养分，需要将其输送到所需的部位进行利用。陆生植物地下和地上部分在养分吸收方面存在明显的分工：根系从土壤溶液中获取水分和无机养分，其中大部分被输送到地上部分，以满足茎、叶、花和果实的需要。在高大的树木中，运输距离可以达到数百米。非光合器官，如根、茎、花、果实等，从光合器官（主要是叶片）获取有机物质[14]。此外，各种植物器官也通过激素的传递相互影响。在局部施用时，人工合成的农药（杀虫剂、除草剂等）和生长调节剂的内部吸收可以扩散到整个植物体内，也可以通过运输系统实现[15]。
植物体内的导电组织主要由木质部和韧皮部组成，如图1所示。木质部位于木材中，由许多死细胞组成，这些死细胞由木质部血管连接[16]。这些容器具有穿孔的端壁，形成空心管道，其功能是从根部吸收的水和无机盐输送到植物的各个部分[17]。此外，木质部器皿的排列也会影响木材的基本结构和功能特性。另一方面，韧皮部是负责在植物树皮内运输有机物质的组织[18]。它由一系列相互连接的管状活细胞组成。许多小孔，称为“筛孔”，存在于相邻细胞之间的横壁上，允许原生质的交换和同化物运输途径的形成。研究表明，通过木质部中薄壁细胞的主动运输和通过细胞壁的扩散，逐渐向心材的内部区域扩散，促进了矿物的横向移动。
图 1.木本植物解剖结构的横截面和纵向图。
2.2. 蒸腾-内聚-张力理论
蒸腾-内聚-张力理论是植物生理学领域的一个重要概念，阐明了植物内部水分运输的机制[19]。这一理论是由爱尔兰科学家 H.H. Dixon 在 19 世纪后期提出的。通过实验研究，迪克森发现植物内的水是通过蒸腾作用、内聚力和张力的相互作用来运输的。
蒸腾作用是指水蒸气从植物中蒸发并进入空气的过程。植物内部的水分子从叶片表面蒸发后，形成一条水分子链，向下延伸到植物的根部，从而形成水的运输途径[20,21]。这种途径的形成是凝聚力和张力相互作用的结果。
内聚力是指水分子之间的相互吸引，使它们能够形成连续的链状结构。另一方面，张力是指作用在水分子链末端的拉力。这种张力的产生是因为水分子链的末端暴露在空气中，而空气中的水分子相对较稀疏。结果，水分子链受到拉力。这种拉力使水分子链向上延伸，最终形成从根部到叶片的输水途径[19,22,23,24]。
了解水分子运动的复杂性有助于理解注射到树干中的药物的吸收和运输机制[25]。当杀虫剂穿过时，它们会分布在树的各个隔间中。根据具体目标，杀虫剂可以对树叶、树枝、树皮或根部等区域产生影响。例如，用于病虫害防治的杀虫剂可以在叶子上形成保护层，阻止昆虫入侵。同样，提供营养的药物可以通过树木的根系吸收，为植物提供必要的营养。
2.3. 应力流假设
压力-流动假说，也称为驱动膜理论，是一种描述植物脉管系统中有机物质易位的理论[26]。该理论最初由德国植物学家 E. Münch 提出，它解释了植物中有机物的流动是由植物本身产生的压力梯度驱动的，并且这种流动是通过脉管系统发生的[27]。
根据水力传导理论，植物从地下吸收水分和养分，并将其转化为有机物，然后通过细胞间隙进入维管束。这些物质的运动受植物内两种压力的调节：根部产生的根系压力和地上叶片蒸腾作用产生的蒸气压[28,29]。叶子中的蒸腾作用导致大量的水分流失，在叶子和空气之间形成负压区。这个负压区域驱动细胞内的水向叶片移动，导致维管束中的水向上运输，同时运输有机物。在植物的根部，水和溶解的无机盐进入植物，根部压力促进了它们的向上运输。
3. 树干注入的发展历程
通过切割或刺穿将杀虫剂引入植物的做法由来已久。自12世纪以来，阿拉伯园艺家一直在植物伤口上涂抹染料和香料，以影响花朵和水果的颜色和气味[30]。在15世纪，列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）将含有砷的有毒溶液注入树干中，使苹果有毒[30]。1853年，Hartig通过将含有硫酸亚铁和氯化铁的溶液注射到树木的树干中来治疗树木无机化合物缺乏的症状[30]。1894年，美国植物学家伊万·谢维雷斯（Ivan Shevyrez）开始尝试用树干注射剂来控制害虫[31]。自 20 世纪以来，植物学、植物生理学、农业和林业领域取得了重大进展。在1940年代，通过树干注射苯甲酸丙环唑溶液发现了荷兰榆树病（Ophiostoma Ulmi Biusman）的有效治疗方法[6,32,33,34,35,36,37,38,39,40]。2004年，Calzarano的实验证明，与未注射氰丙康唑的葡萄相比，接受树干注射氰康唑的葡萄树营养状况更好，产量更高，死亡率更低，证明了通过树干注射杀菌剂对根腐病的有益作用[41]。在树干中注射杀虫剂或抗生素已被证明是治疗各种树木病害和防止有害害虫入侵的有效方法[6,42,43,44,45]。2013年，Akinsanmi的实验表明，在秋季和春季洗根期间半年施用亚磷酸盐可有效控制澳大利亚澳洲坚果树的树木衰退[46]。2018年，Dalakuuras发现了RNA干扰在作物保护方面的潜力，利用树干注射发夹RNA（hpRNA）和小干扰RNA（siRNA）有效地吸收和运输RNA分子，使其在整个木质部和韧皮部组织中有效吸收和运输RNA分子，触发RNAi以消除咀嚼木材或以树液为食的害虫[47]。
4. 躯干注射的优点
4.1. 简单易用的操作
树干喷洒技术不仅克服了树高和受影响区域的限制，而且简化了使用传统方法（如叶面施用）难以管理的病虫害的控制。这包括病虫害，如上冠昆虫、根部害虫、受蜡覆盖物保护的吸汁昆虫、蛀虫和血管疾病。此外，树干注入不受环境条件的限制，在连续降雨或严重干旱的情况下仍可实施，而不会缺水，使其成为在这种情况下可行的化学防治方法[48,49]。
4.2. 农药利用率高，药效长
由于树木本身的高度，传统的液体喷洒方法不足以到达较高树木的最顶端。这导致了杀虫剂溶液的大量浪费。此外，这些废物会通过降雨渗入土壤和河流，造成环境污染。树木对除害剂的吸收不足也降低了其控制病虫害的有效性。相反，树干注射技术可以精确控制进入树木系统的农药量[9]。这大大提高了农药的使用效率，避免了降雨和阳光等环境因素的影响[50,51]，从而延长了疗效期。该技术具有高效的防治效果，从根本上提高了农药的使用效率，同时也防止了环境污染[52]。在梨木虱的防治中，将氮杂菌素和阿维菌素注射到树干中的治疗效果优于在叶片上喷洒杀虫剂[53]。从第一季开始用树干注射处理的树木在第二季仍表现出中等水平的控制效果[53]。
4.3. 范围广
由于液体在树木内部分布，树木注射法有效地消除了高度隐蔽的害虫[8]。相比之下，传统的外喷技术无法直接针对具有很强隐蔽性的害虫，导致树木病虫害的防治效果明显降低[54]。例如，数据显示，树木注射技术对柑橘长角甲虫的控制率超过95%，幼虫死亡率超过90%，显示出显著的疗效[55,56]。
4.4. 减少农药污染
This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/agriculture14010107
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