殺蟲劑對土壤溫室氣體排放的影響

鄭祥洲，丁洪*，雷俊杰，張玉樹，范平，翁伯琦

1. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建 福州 350013，2. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，福建 福州 350003

在現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)大生產(chǎn)中，農(nóng)藥已經(jīng)成為了一種不可或缺的農(nóng)用化學(xué)品，它的大量使用保障了世界的糧食安全。然而化學(xué)農(nóng)藥的廣泛應(yīng)用使其直接或間接的進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，并在土壤中累積，破壞自然的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。就現(xiàn)有的研究結(jié)果而言，大多數(shù)農(nóng)藥都對土壤微生物種群變化和酶活性產(chǎn)生很大的影響（Cisar和Snyder，1996；Min等，2001）。微生物參與土壤中碳氮循環(huán)，農(nóng)藥影響微生物的活性從而間接影響到土壤碳氮轉(zhuǎn)化和N2O、CO2以及 CH4等溫室氣體的產(chǎn)生（Sandor等，2008；丁洪和王躍思，2004；丁洪等，2012；Kyaw和Toyota，2007）。然而農(nóng)藥的類型和品種很多，對微生物活性的作用效果各不一樣（閏穎等，2004；陳中云等，2003），因此其對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響也不盡相同。從我們前期的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，除草劑草甘膦和丁草胺的施用會顯著減少溫室氣體N2O和CO2的排放，且不同除草劑品種間對溫室氣體減排的作用有較大差異（丁洪等，2012）。因此，針對不同的農(nóng)藥種類（除草劑、殺蟲劑和殺菌劑）對農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響分別展開研究是十分必要的，可以為農(nóng)藥的施用效應(yīng)和安全施用評價提供科學(xué)依據(jù)。然而，目前針對殺蟲劑對土壤溫室氣體排放的影響的相關(guān)研究還比較少。因此，本研究選擇了我國廣泛使用的兩種殺蟲劑品種吡蟲啉和毒死蜱開展這方面研究，可為土壤碳氮循環(huán)研究、溫室氣體排放的估算和農(nóng)藥的安全使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用的兩種殺蟲劑品種吡蟲啉和毒死蜱為研究對象（吡蟲啉為易克斯特農(nóng)藥有限公司生產(chǎn)的10%可濕性粉劑、毒死蜱為江蘇快克農(nóng)化股份有限公司生產(chǎn)的48%乳液），氮肥為普通尿素w(N46%)。供試土壤取自福州市郊菜田土，土壤類型為灰泥土，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.30 g·kg-1、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.55 g·kg-1、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為147.70 mg·kg-1、土壤容重為1.22 g·cm-3、pH5.9。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)空白對照(CK)、尿素、吡蟲啉（5、10和50 mg·kg-1干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)）+尿素以及毒死蜱（5、10和50 mg·kg-1干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)）+尿素，尿素用量（以N計）為200 mg·kg-1干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每次取樣4次重復(fù)。

野外采回的新鮮土壤微風(fēng)干，過2 mm篩，測定其質(zhì)量含水量，稱取折150 g干土的微風(fēng)干土，裝入體積300 mL的廣口瓶中。肥料和殺蟲劑均先按比例混合溶于水后定量加入，使土壤水分含量達(dá)到體積含水量的60%。然后用封口膜封口，保持瓶內(nèi)外自由通氣，在28 ℃下恒溫培養(yǎng)。

在取樣前1 d，揭開封口膜，用帶有2根玻璃管的軟木塞塞住瓶口，密封，2根玻璃管分別接1段硅膠管，其中1根接上三通閥，然后密封2根通氣管。檢查密封情況，如有漏氣及時密封。培養(yǎng)24 h后抽取氣樣，取樣時將20 mL塑料針筒接上三通閥瓶，打開閥門，來回推拉混勻幾次，抽取瓶中20 mL氣體注入18 mL的真空玻璃瓶中供分析用。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、8、12、16、20、24、30、36天取樣。

1.3 實驗測定方法

氣體樣品分析應(yīng)用經(jīng)中國科學(xué)院大氣物理所改裝過的美國Agilent公司生產(chǎn)的GC7890A測定，N2O氣體樣品分析色譜柱為填充80/100 目porapak Q的填充柱，柱溫55 ℃，檢測器溫度330 ℃，ECD檢測，定量六通閥進(jìn)樣，進(jìn)樣量1 mL，載氣為N2，流速30 mL·min-1。

CO2和CH4氣體樣品分析為色譜柱為填充80/100 目porapak Q的填充柱，柱溫55 ℃，檢測器溫度200 ℃，F(xiàn)ID檢測，定量六通閥進(jìn)樣，進(jìn)樣量1 mL，載氣為N2，流速30 mL·min-1。

單位時間氣體排放通量的計算方法：F[μg·kg-1·h-1(以土計)]=C×M/22.4×V/1000×1000/W/T。F為溫室氣體N2O、CO2和CH4的排放量，C為氣體質(zhì)量濃度測定值(μg·mL-1)，M為1 mol的氣體質(zhì)量，22.4為大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下阿伏伽德羅常數(shù)，V為培養(yǎng)瓶內(nèi)總的自由體積(mL)，1000為mL換算成L，W為培養(yǎng)土壤質(zhì)量(kg)，1000為土質(zhì)量g化成kg，T為密閉培養(yǎng)的時間(h)。

總 的 排 放 量 計 算 方 法 ： F(μg·kg-1土)=∑(F1+F2)/2×t×24。F1為前1次測定值，F(xiàn)2為后1次測定值，t為相隔天數(shù)，24為每天小時數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表制作采用SPSS 13.0和Excel 2003。

2 結(jié)果與分析

2.1 殺蟲劑對土壤N2O排放的影響

土壤中的硝化和反硝化作用都會產(chǎn)生N2O溫室氣體，當(dāng)土壤中的生態(tài)環(huán)境因子發(fā)生改變時，會影響到硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，這些細(xì)菌被抑制時，就會減少土壤中N2O的排放。從圖1可以看出，培養(yǎng)期間，空白對照處理N2O排放量一直處于很低的水平，施用氮肥后明顯增加了土壤N2O的排放速率。所有施肥處理的 N2O排放速率均呈現(xiàn)出先逐漸升高，出現(xiàn)一個排放高峰，然后再降低的規(guī)律。有所不同的是，單施尿素處理的N2O排放高峰出現(xiàn)的最早，為培養(yǎng)后的第8天，并持續(xù)到了培養(yǎng)后的第12天，之后迅速降低；吡蟲啉處理的排放高峰則出現(xiàn)在培養(yǎng)后的第12天，排放高峰推后4 d，之后迅速降低；毒死蜱處理的N2O排放高峰出現(xiàn)的最遲，為培養(yǎng)后的第16天，即殺蟲劑的施用推遲了土壤N2O的排放高峰。從圖 1還可以看出，對于殺蟲劑吡蟲啉來說，隨著用量的增大，土壤N2O的排放量越低。

圖1 土壤中N2O排放動態(tài)變化Fig.1 Temporary changes of N2O flux from soil

2.2 殺蟲劑對土壤CO2排放的影響

施用氮肥明顯增加了土壤CO2的排放速率。從圖2可以看出，在培養(yǎng)的前期施肥處理的CO2排放速率一直高于空白對照，說明土壤中施氮肥在一定程度上增加了土壤溫室氣體CO2的排放量。在培養(yǎng)的第1天，各個施肥處理之間的CO2排放速率均出現(xiàn)了排放的最高峰值，且各個處理間無差異。到了培養(yǎng)的第3天時，毒死蜱處理明顯抑制了土壤CO2的排放速率，并隨著用量的增加，抑制作用愈發(fā)明顯，抑制作用一直持續(xù)到了培養(yǎng)的第12天。從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的第16天，毒死蜱處理的CO2的排放量達(dá)到第2個高峰，表明毒死蜱在培養(yǎng)的后期一定程度上增加了CO2的排放。到了培養(yǎng)的第30天，各處理間的CO2排放量無差異。

圖2 土壤中CO2排放動態(tài)變化Fig.2 Temporary changes of CO2 flux from soil

圖3 中CH4排放動態(tài)變化Fig.3 emporary changes of CH4 flux from soil

2.3 殺蟲劑對土壤CH4排放的影響

在淹水的水稻田和其他濕地水分飽和的環(huán)境下，土壤中會排放溫室氣體CH4，但是局部土壤或者是土壤團(tuán)粒在水分沒有飽和的情況下也能產(chǎn)生溫室氣體CH4。在本試驗中，供試土壤一直處于在60%的土壤體積含水量的條件下，在整個培養(yǎng)過程中，8個處理間的CH4排放通量均無差異（圖3）。因此，在本試驗條件下，施用氮肥和殺蟲劑對土壤CH4的排放量沒有明顯影響。

2.4 殺蟲劑對土壤溫室氣體排放量的作用

從表 1可以看出，和空白處理相比，尿素的施用明顯增加了土壤溫室氣體N2O和CO2的排放量，但對CH4的排放量影響不大。從36 d的排放總量看，當(dāng)吡蟲啉用量為5 mg·kg-1時，土壤N2O和CO2排放總量和尿素處理無明顯差異，但當(dāng)吡蟲啉用量上升至10和50 mg·kg-1時，則顯著降低了溫室氣體N2O和CO2的排放量（p<0.05），其N2O排放量（以N計）分別為652.87和418.78 mg·kg-1，和尿素處理相比降低了26.89%和53.10%；其CO2排放量（以CO2計）分別為1079.46和1096.73 mg·kg-1，分別比尿素處理降低了降低15.14%和13.79%。和尿素處理相比，毒死蜱在5、10和50 mg·kg-1用量時，對土壤的N2O排放量無明顯影響；然而毒死蜱質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5和10 mg·kg-1時，明顯抑制了土壤CO2的排放（p<0.05），分別比尿素處理降低了19.88%和19.02%，但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到50 mg·kg-1用量時，土壤的CO2排放量與尿素處理無差異。吡蟲啉和毒死蜱在 5、10和 50 mg·kg-1干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)下CH4排放總量和尿素處理均無差異。

3 討論

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上3大農(nóng)藥(殺蟲劑、殺菌劑和除草劑)中的一種，殺蟲劑的施用對土壤微生物活性會產(chǎn)生一定的影響，從而影響到土壤中溫室氣體的排放（Ekundayo，2003）。不少研究表明，不同殺蟲劑對土壤中微生物的活性和碳氮形態(tài)變化的作用效果可能有別（周世萍等，2008；趙志強(qiáng)等，2010），這既有殺蟲劑本身效應(yīng)的差異，也有環(huán)境條件不同(如土壤特性)引起的差異。Singh等（1999）的研究發(fā)現(xiàn)，不同的殺蟲劑品種對土壤溫室氣體排放過程的影響效果各不相同，當(dāng)土壤沒添加硫酸銨肥時，5~100 mg·kg-1土的卡巴呋喃在對土壤排放N2O沒有影響，2~10 mg·kg-1土的六氯化苯抑制了N2O的排放，但是當(dāng)土壤添加硫酸銨后，卡巴呋喃增加了土壤中N2O的排放。本試驗結(jié)果也表現(xiàn)出不同殺蟲劑品種以及不同用量效應(yīng)上差異的存在。另外，即使是相同的殺蟲劑品種也有可能得到截然不同的結(jié)果，Blanco等（2011）研究表明，甲基對硫磷（毒死蜱）明顯增加了土壤的反硝化進(jìn)程，非但不能抑制土壤中N2O和N2氣體的排放，反而增加了這兩種氣體的排放量，而本試驗條件下，毒死蜱對土壤的N2O排放量無明顯影響。從CO2的排放情況來看，劉慧君等（2001）認(rèn)為吡蟲啉可以強(qiáng)烈抑制土壤的呼吸作用，而且當(dāng)添加的吡蟲啉的劑量越大時，這種抑制強(qiáng)度就越大。然而從本試驗的結(jié)果看，吡蟲啉在5 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下對CO2排放總量的影響效果不明顯。吳珉等（2004）的研究則指出毒死蜱土壤的呼吸作用沒有抑制效應(yīng)，甚至促進(jìn)土壤呼吸，促進(jìn)強(qiáng)度與農(nóng)藥添加量呈現(xiàn)正相關(guān)，而本研究則發(fā)現(xiàn)毒死蜱在5、10 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下顯著降低了CO2排放量，反而當(dāng)毒死蜱用量上升至50 mg·kg-1后，土壤CO2排放量和尿素處理無差異。這可能是不同土壤條件和試驗條件的影響所致。可見，不同的殺蟲劑品種和用量對溫室氣體排放的影響會有所差異，而且即使是相同的殺蟲劑品種在不同的試驗條件下，對土壤溫室氣體排放的影響也存在較大差異。

4 結(jié)論

1）當(dāng)施加尿素在土壤中后，很明顯地使土壤溫室氣體N2O和CO2的排放量增加，然而對CH4的排放無明顯影響。

2）殺蟲劑吡蟲啉和毒死蜱的施用推遲了土壤N2O的排放高峰。當(dāng)吡蟲啉用量在 5 mg·kg-1時，土壤N2O排放總量和尿素處理無差異，在10和50 mg·kg-1時，則顯著減少了N2O排放（p<0.05），分別比尿素處理降低了26.89%和53.10%；毒死蜱不論在 5、10 mg·kg-1，還是 50 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下N2O排放總量與尿素處理均無差異。

3）吡蟲啉用量在5 mg·kg-1時，土壤CO2排放總量和尿素處理無差異，在10和50 mg·kg-1時，則顯著減少了CO2排放（p<0.05），分別比尿素處理降低了15.14%和13.79%；毒死蜱在5、10 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下顯著降低了CO2排放量，分別比尿素對照降低了19.88%和19.02%，當(dāng)用量上升至50 mg·kg-1時，土壤CO2排放量和尿素處理無差異。

4）殺蟲劑施用明顯影響到土壤溫室氣體的排放，但不同殺蟲劑品種及其用量的效應(yīng)也存在明顯差異。因此，針對殺蟲劑對土壤溫室氣體排放的影響機(jī)理，還需要進(jìn)一步的研究論證。

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