生物炭對(duì)土壤殘留農(nóng)藥生物毒性和有效性的影響

黃彩鳳，朱夢(mèng)銀

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350000)

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生物炭對(duì)土壤殘留農(nóng)藥生物毒性和有效性的影響

黃彩鳳，朱夢(mèng)銀

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350000)

本文從3個(gè)方面綜述了生物炭對(duì)殘留農(nóng)藥生物毒性的影響及對(duì)殘留農(nóng)藥的有效性的影響：(1)生物炭可吸附土壤中殘留農(nóng)藥，削弱農(nóng)藥毒性及有效性，減少殘留農(nóng)藥在作物體內(nèi)的積累量；(2)生物炭在一定程度上可以減弱農(nóng)藥對(duì)土壤動(dòng)物危害，提高土壤動(dòng)物的多樣性和數(shù)量；(3)生物炭能夠改良土壤理化性，改善土壤微生物的生存環(huán)境，但其吸附的殘留農(nóng)藥難以被土壤微生物降解，潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)仍舊存在。近年來，生物炭在土壤改良方面取得一定的進(jìn)展，但其是否存在其他的負(fù)面影響仍有待研究。

生物炭；殘留農(nóng)藥；生物毒性

近年來，隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)農(nóng)藥殘留問題日益關(guān)注。農(nóng)藥在人類生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，尤其在提高蔬菜產(chǎn)量方面貢獻(xiàn)頗大。但有些施藥意識(shí)和施藥水平欠缺的種植者，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下濫用高毒、高殘留的農(nóng)藥，導(dǎo)致農(nóng)藥在農(nóng)作物和土壤中殘留超標(biāo)，最終危害人體健康，影響農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展。如許梅燕等對(duì)泉州地區(qū)蔬菜樣品抽檢結(jié)果顯示，農(nóng)藥殘留超標(biāo)比較嚴(yán)重的蔬菜種類為葉菜類，農(nóng)藥殘留抽樣檢測(cè)超標(biāo)率為2.5%[1];濟(jì)寧市蔬菜中農(nóng)藥殘留抽樣檢測(cè)結(jié)果表明，農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的蔬菜監(jiān)測(cè)結(jié)果合格率僅為95.9%[2]。作物組織內(nèi)部的殘留農(nóng)藥主要源于根系吸收，故土壤中農(nóng)藥含量越多，作物中的殘留量也越多。農(nóng)藥在土壤中大量殘留不僅會(huì)抑制地表作物的生長(zhǎng)，還影響土壤動(dòng)物及微生物的正常生活。而生物炭作為新興的土壤改良劑，具有疏松多孔、比表面積大、吸附性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，且能高效吸附芳香族有機(jī)化合物[3]。此外，經(jīng)生物炭改良過的土壤對(duì)農(nóng)藥吸附性增強(qiáng)，進(jìn)而抑制農(nóng)藥的淋溶，降低殘留農(nóng)藥對(duì)土壤生物的毒性，在一定程度上也減弱農(nóng)藥的生物有效性。

1 生物炭對(duì)土壤殘留農(nóng)藥作物毒性和有效性的影響

雖然農(nóng)藥的施用顯著地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加了種植者的經(jīng)濟(jì)收益，但長(zhǎng)期殘留于土壤中的農(nóng)藥在一定程度上反而會(huì)抑制作物的生長(zhǎng)，并被農(nóng)作物富集，使農(nóng)作物農(nóng)藥殘留超標(biāo)。由于生物炭具有強(qiáng)大的比表面積，能夠大量吸附土壤中殘留的農(nóng)藥，減弱殘留農(nóng)藥產(chǎn)生的危害，從而減少農(nóng)作物對(duì)農(nóng)藥吸收富集。例如，莠去津是具有持久性有機(jī)污染物的除草劑，被廣泛應(yīng)用于旱田除草，其在土壤中的殘留對(duì)大豆生長(zhǎng)有一定的抑制及毒害作用。與未添加生物炭的處理相比，生物炭對(duì)莠去津的生物毒性有明顯的消減作用。李玉梅等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭不僅可降低莠去津的生物毒性進(jìn)而促進(jìn)大豆產(chǎn)量的提高，其本身對(duì)作物生長(zhǎng)還具有促進(jìn)作用[4]。此外，農(nóng)藥殘留量越多，生物炭對(duì)其生物毒性的消減作用越顯著。但由于生物炭是木材 、家禽糞便和秸稈等有機(jī)材料在部分或者完全缺氧環(huán)境下熱解產(chǎn)生的多孔炭化物質(zhì)，不同溫度下熱解炭化所得的生物炭對(duì)土壤殘留農(nóng)藥的影響程度亦不同。簡(jiǎn)敏菲等研究表明，生物炭比表面積和總孔容隨著溫度升高而增大，且在600℃達(dá)到最大值；而平均孔徑隨熱解溫度增加而減小[5]。葛超超研究水稻秸稈生物炭對(duì)異丙甲草胺的吸附和解吸作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，比面積越大的生物炭對(duì)除草劑的表面吸附作用越強(qiáng)，吸附滯后效應(yīng)更明顯，以生物炭為載體制備的顆粒制劑可延緩除草劑釋放[6]。因此，碳化程度高的高溫生物炭更適合用于改良土壤，降解農(nóng)藥毒性。

生物有效性代表著農(nóng)藥及污染物等化學(xué)有機(jī)質(zhì)被生物利用的能力。生物炭本身具有的強(qiáng)烈吸附性，在一定程度上影響著農(nóng)藥的生物有效性。余向陽(yáng)等通過對(duì)殺蟲劑毒死蜱和卡巴呋喃施用不同比例的生物炭，研究生物炭對(duì)農(nóng)藥生物有效性的影響，結(jié)果表明：農(nóng)藥的降解率隨生物炭的施加量增加而降低[7]。因此，在土壤中施加生物炭雖可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)，但也減弱了農(nóng)藥對(duì)靶標(biāo)植物和害蟲的殺滅效率，對(duì)施藥作物的生長(zhǎng)具有雙面影響。就單純地對(duì)殘留農(nóng)藥而言，施加生物炭可以有效改良土壤理化性，更好地促進(jìn)作物生長(zhǎng)。

2 生物炭對(duì)土壤殘留農(nóng)藥動(dòng)物毒性和有效性的影響

殘留農(nóng)藥不僅對(duì)地面作物生長(zhǎng)有抑制作用，還影響土壤動(dòng)物的群落多樣性及數(shù)量分布。土壤動(dòng)物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，土壤生物活動(dòng)范圍小，遷移能力弱，其生存活動(dòng)對(duì)土壤的有機(jī)質(zhì)含量、土壤的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。生活在土壤中的動(dòng)物是土壤污染的敏感指示生物，其在土壤中的種類數(shù)量變化及基本分布情況反映了生存環(huán)境的質(zhì)量。朱新玉等研究發(fā)現(xiàn)，土壤動(dòng)物類群數(shù)、個(gè)體數(shù)以及群落多樣性等，都隨著農(nóng)藥濃度的增加而降低，且土壤動(dòng)物種類的減少是由于常見類群和稀有類群的減少所導(dǎo)致，而土壤動(dòng)物的數(shù)量變化則主要是由于優(yōu)勢(shì)類群線蟲類、線蚓科、彈尾目和螨類的數(shù)量消長(zhǎng)所致[8]。蚯蚓作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)用化學(xué)品污染的理想指示生物，對(duì)某些污染物比許多其它土壤動(dòng)物更為敏感，被廣泛應(yīng)用于測(cè)定殘留農(nóng)藥的生物有效性。有研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加生物炭后，蚯蚓對(duì)氯苯的生物富集因子顯著降低，且老化時(shí)間越長(zhǎng)的生物炭降解效果越明顯。[9]此實(shí)驗(yàn)表明了生物炭能降低土壤中殘留農(nóng)藥的生物有效性，進(jìn)而減輕殘留農(nóng)藥對(duì)土壤動(dòng)物的毒害。此外，生物炭表面有大量的-COOH、-OH等含氧官能，呈現(xiàn)出了親水及疏水性，在一定程度上可保持土壤濕度，改善土壤理化性，為土壤生物提供較好的生存環(huán)境。因此，在土壤中施加生物炭短期內(nèi)可降低農(nóng)藥毒性，提高土壤生物的種類和數(shù)量，但其只是起吸附作用，降低了其短期風(fēng)險(xiǎn)，殘留農(nóng)藥潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)依舊存在，高濃度殘存農(nóng)藥最終仍需微生物降解。

3 生物炭對(duì)土壤殘留農(nóng)藥在微生物毒性方面的影響

土壤微生物是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，其對(duì)土壤中殘留農(nóng)藥的生物降解起著重要的作用。生物炭通過改變土壤肥力 、水分 、pH 、CEC 、 EC等改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)。胡俊鵬通過研究秸稈及生物炭添加對(duì)燥紅壤N2O排放的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈和生物炭都能提高硝化作用，抑制反硝化作用，促進(jìn)微生物對(duì)氮元素的同化固定，利于土壤對(duì)硝態(tài)氮的積累。本實(shí)驗(yàn)還表明添加秸稈和生物炭都能提高土壤pH和其他營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)[10]。此外，生物炭因表面積大且疏松多孔，為微生物提供了良好的庇護(hù)場(chǎng)所，使其免受捕食或因水力條件的改變而流失，從而有效地增加了土壤中微生物的數(shù)量。有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以明顯提高土壤中的全N和有機(jī)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤全N和有機(jī)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與生物炭的用量呈正相關(guān)[11]。由此可見，生物炭為微生物的生長(zhǎng)提供了碳源及多種營(yíng)養(yǎng)元素，保障其正常生命活動(dòng)，進(jìn)而促進(jìn)土壤中殘留農(nóng)藥被微生物降解。

然而，生物炭的吸附作用不僅作用于微生物，也會(huì)強(qiáng)烈地吸附土壤中的有機(jī)污染物。敵草隆在施加生物炭的土壤中隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而降低解吸效率[12]。生物炭通過對(duì)有機(jī)污染物的吸附，使殘留農(nóng)藥與土壤微生物“隔離”，富集于生物炭?jī)?nèi)部的豐富的孔隙結(jié)構(gòu)中。然而，生物炭在一定程度上降低了微生物對(duì)農(nóng)藥的可利用性，增強(qiáng)解吸滯后現(xiàn)象，延長(zhǎng)了殘留農(nóng)藥的半衰期。

4 小結(jié)

我國(guó)農(nóng)業(yè)用地面積廣闊，農(nóng)藥的使用量也居高不下，殘留農(nóng)藥的生物毒性不容小覷。而生物炭因其制備成本低，吸附性強(qiáng)，成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究熱點(diǎn)，其在改良土壤方面報(bào)道已有不少。短期內(nèi)生物炭可吸附土壤中的殘留農(nóng)藥，削弱其有效性，減弱對(duì)作物、土壤動(dòng)物、微生物的毒害。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，生物炭在一定程度上增加了土壤污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，其用法用量有待進(jìn)一步研究。

[1]許梅燕,蔡勝茂,高銘琪.泉州地區(qū)蔬菜農(nóng)藥殘留現(xiàn)狀分析[J].福建農(nóng)業(yè)科技,2015,37(4)：14-16.

[2]茍艷麗,劉少典,張肖紅,等.濟(jì)寧市蔬菜農(nóng)藥殘留現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)分析及應(yīng)對(duì)[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2014(9):272-275.

[3]李賽君,呂金紅,李建法.生物炭對(duì)農(nóng)藥的吸附及土壤中環(huán)境行為的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,54( 8)：1793-1797.

[4]李玉梅,王根林,劉征宇,等.生物炭對(duì)土壤中莠去津殘留消減的影響[J].作物雜志,2014(2):137-141.

[5]簡(jiǎn)敏菲,高凱芳,余厚平.不同裂解溫度對(duì)水稻秸稈制備生物炭及其特性的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(5)：1757-1765.

[6]葛超超,郭璇,李建法,等.水稻秸稈生物炭對(duì)異丙甲草胺的吸附和緩釋作用[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2016(32)：168-172.

[7]YU Xiangyang，YING Guoguang，KOOKANA R S．Reduced plant uptake of pesticides with biochar additions to soil[J]．Chemosphere，2009，76(5):665-671．

[8]朱新玉.農(nóng)藥污染對(duì)土壤動(dòng)物群落的影響研究[J].科技信息,2011,(15)：788.

[9]宋洋,王芳,楊興倫,等.生物質(zhì)炭對(duì)土壤中氯苯類物質(zhì)生物有效性的影響及評(píng)價(jià)方法[J].環(huán)境科學(xué),2012,33(1)169-174.

[10]胡俊鵬,潘鳳娥,王小淇,等.秸稈及生物炭添加對(duì)燥紅壤N2O排放的影響[J].熱帶作物學(xué)報(bào),2016，37(4)：784-789.

[11]張晗芝,黃云,劉鋼,等.生物炭對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收及土壤化學(xué)性狀的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2010,19(11):2713-2717.

[12]余向陽(yáng)，王冬蘭，母昌立，等．生物質(zhì)炭對(duì)敵草隆在土壤中的慢吸附及其對(duì)解吸行為的影響[J]．江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，27(5)：1011-1015．

2016-10-19

黃彩鳳(1995-)，女，學(xué)生，福建龍海人，E-mail:hcfok@163.com。