農藥風險評價技術在農藥減量化中的應用

何 健,吳文鑄,孔德洋,周 艷,焦少俊,單正軍

(環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042)

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農藥風險評價技術在農藥減量化中的應用

何 健,吳文鑄,孔德洋,周 艷,焦少俊①,單正軍

(環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042)

為減少苕溪流域農藥施用量，降低該流域農藥對水生生物的環(huán)境風險，通過調查苕溪流域防治卷葉螟蟲(Cnaphalocrocismedinalis)、稻飛虱(Delphacidae)和水稻紋枯病的農藥品種及用量，以農藥暴露模擬外殼為工具，運用農藥風險評價技術分析其產生的環(huán)境風險，并根據風險選擇農藥品種及用量。結果表明：以吡蚜酮代替噻嗪酮可減少農藥用量765 g·hm-2，以阿維菌素代替驕子可減少農藥0.75 L·hm-2，以愛苗替代井岡霉素可減少農藥 4.27 L·hm-2，替代后常規(guī)農藥總用量降低5.79 L·hm-2。同時該替代技術對試驗區(qū)水稻產量和病蟲害的防治效果大多優(yōu)于當?shù)剞r戶單獨分散用藥。由于控制了用藥次數(shù)和用藥量，用藥成本下降，水稻種植的經濟效益則增加。該技術在減少農藥總施用量的同時也降低了農藥對水生生物環(huán)境毒性的影響，從源頭控制了農業(yè)面源污染中的化學污染物。

農藥;面源污染;控制；苕溪流域

農業(yè)面源污染是指由沉積物、農藥、廢料和致病菌等分散污染源引起的對水層、湖泊、河岸、濱岸和大氣等生態(tài)系統(tǒng)的污染。農業(yè)面源污染最直接和顯著的危害對象是水環(huán)境,而對水體環(huán)境的污染主要分為營養(yǎng)型和毒害型污染物2大類[1-3]。20 世紀50 年代開始的農業(yè)綠色革命,通過增加化肥、殺蟲劑和除草劑的投入有效地增加了糧食產量。但是,這種高投入的農業(yè)方式也對環(huán)境產生了一些負面影響。隨著化學品使用量的增加,其所攜帶的有機物污染物也呈明顯增長趨勢,正逐步成為影響水土環(huán)境的重要污染源[4]。通過近20 a的研究,我國已初步形成了“減源-控污-截留-修復”的農業(yè)面源污染源控制思路[5-7]。減源即從源頭減少污染物向河流的排放,是農業(yè)面源污染控制的重要手段; 控污方面,當前主要發(fā)展趨勢逐漸轉向非化學或低污染的化學防治技術。目前關于化學農藥的減量研究主要從以下幾個方面開展:及時準確減少預防性用藥和盲目用藥;改進農藥施用方法及選擇環(huán)保型農藥;開展有害生物的生物防治,選擇天敵昆蟲和生物農藥解決化學農藥殘留問題[8]。而農藥生態(tài)風險評價技術作為現(xiàn)階段研究的熱點,在化學農藥減量使用研究中是一項重要的技術支撐。農藥生態(tài)風險評價是近十幾年逐漸興起并得到發(fā)展的一個研究領域,該技術將農藥作為風險源,運用公式、模型等估算預測或者實際監(jiān)測農藥施用后在環(huán)境中的暴露濃度,并結合該農藥對環(huán)境生物的毒性進行生態(tài)風險評價,最后對風險進行表述。目前歐盟、美國和日本等發(fā)達國家已經形成了比較完整和成熟的評價技術。我國目前正在建立一系列相應的風險評價準則,同時也建立了一些地下水、地表水等方面的預測模型,建立了棉花、水稻和玉米等不同種植模型的暴露場景[9-10]。筆者以苕溪流域為研究對象,以農藥暴露模擬外殼為工具,通過運用農藥環(huán)境風險評價技術研究其在水稻種植農藥面源污染風險防控和化學農藥減量中的作用,以期為減少該地區(qū)農業(yè)面源污染提供理論依據。

1 研究方法

根據研究區(qū)域內農藥施用現(xiàn)狀調查結果,確定病蟲害防治策略,再依據農藥風險評價準則和農藥暴露模擬外殼(pesticide risk assessment exposure simulation shell,PRAESS)模型,分別選擇普通常規(guī)性用藥和替代性高效品種,以環(huán)境風險為指標,研究農藥替代品種及可消減的農藥施用量。具體流程如圖1所示:(1)農藥暴露模擬外殼中模型的選擇;(2)參數(shù)收集,收集暴露評價模型所需的輸入參數(shù)及水生效應數(shù)據;(3)暴露預測,將輸入參數(shù)輸入水生暴露評價模型進行暴露預測;(4)風險計算,將預測得到的暴露濃度值與毒性效應終點值相比,得到風險商值。

圖1 水稻種植農藥使用替代消減技術流程

農藥暴露模擬外殼由環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所開發(fā)構建,其中包含PRZM-EXAMS、RICEWQEXAMS和PRZM-ADAM 3套模擬模型(表1),分別模擬旱地作物-地表水、水稻-地表水和旱地作物-地下水3種不同場景類型,模擬可分別得到旱地、稻田附近水體以及地下水中農藥濃度,主要用于農藥在旱地作物、水稻上施用后對水生生物和地下水的風險評價[11-13]。在該實驗中選擇浙江杭州水稻-地表水暴露場景進行模擬。

表1 PRAESS中的暴露場景

Table 1 Scenarios of exposure in PRAESS

模型名稱保護目標作物位點水體類型PRZM-EXAMS地表水棉花江蘇南通池塘、河流地表水玉米河南駐馬店池塘、河流RICEWQEXAMS地表水水稻浙江杭州池塘、河流地表水水稻江蘇常州池塘、河流PRZM-ADAM地下水棉花江蘇南通地下蓄水層地下水玉米河南駐馬店地下蓄水層

2 研究結果

2.1 苕溪流域農藥使用狀況調查

主要調查了苕溪流域周邊的農田農藥施用情況,主要內容包括當?shù)胤乐嗡静∠x害稻飛虱(Delphacidae)、稻縱卷葉螟(Cnaphalocrocismedinalis)和水稻紋枯病采用的主要農藥品種。調查途徑主要包括資料調研和實地調查,調查結果見表2。

表2 苕溪流域常用農藥使用狀況調查

Table 2 Usage of conventional pesticides in paddy fields in the Tiaoxi Watershed

防治對象農藥品種及含量1)當?shù)赝扑]用量2)/(g·hm-2或mL·hm-2)有效用量/(g·hm-2)稻飛虱25%撲虱靈(噻嗪酮)112528525%飛電(吡蚜酮)36090稻縱卷葉螟32%驕子(氟鈴脲2%,丙溴磷30%)15004802%阿維菌素75015水稻紋枯病5%井岡霉素450022530%愛苗(苯甲15%,丙環(huán)唑15%)22567

1)農藥含量均以質量分數(shù)表示。2)飛電、驕子和愛苗單位為g·hm-2,撲風靈、阿維菌素和井岡霉素單位為mL·hm-2。

2.2 苕溪流域常用農藥對水生生物的風險預測

2.2.1 最高暴露濃度的預測

水稻種植農藥使用替代消減技術研究的關鍵是針對目前防治本地區(qū)主要病蟲害所用的農藥品種,采用農藥環(huán)境風險評價技術對農藥在環(huán)境中的風險商值進行評價。在該次評價中,選擇PRAESS中浙江杭州水稻-地表水暴露場景開展評價。評價的主要因素包括農藥的分子量、溶解度、吸附常數(shù)(Kd或Koc)、水中降解半衰期、土壤中降解半衰期、底泥中降解半衰期、光解半衰期、施用量以及各施用農藥品種對水生生物魚的急性半致死濃度(LC50值)和無毒性影響濃度因子Af等,表3列出了主要防治病蟲害農藥品種的風險評價的幾項參數(shù)[14]。

表3 苕溪流域常用農藥品種風險評價主要參數(shù)

Table 3 Main parameters in risk assessment of the pesticides commonly used in the Tiaoxi Watershed

農藥品種 及含量1) 有效用量/(g·hm2)相對分子質量溶解度/(mg·L-1)吸附常數(shù)Koc水中降解半衰期/d土壤、底泥降解半衰期/d自然光解半衰期/d最高預測濃度MPEC/(μg·L-1)噻嗪酮285305.40.46220020803395.6吡蚜酮9021727015106146.86.62%氟鈴脲304610.0271039112576.31.1230%丙溴磷450373.62820163072069.62%阿維菌素15866.61.2156382.411.50.0155%井岡霉素225497.561000100101510.715%苯醚甲環(huán)唑33.75406.3153760108552.4715%丙環(huán)唑33.75342.215010866214104.03

1)農藥含量均以質量分數(shù)表示。

2.2.2 風險商的計算

風險商計算公式：風險商=〔水體環(huán)境最高預測濃度(MPEC)×無觀測影響因子〕/水生生物魚類LC50值。根據急性影響濃度稀釋10倍為慢性影響濃度,再稀釋10倍為無觀測影響濃度,無觀測影響因子Af取值10×10=100。風險商值大于1,表明該種農藥存在環(huán)境風險;風險商值越高,表示該種農藥對水生環(huán)境的風險越大。據此計算得到防治當?shù)刂饕∠x害可用農藥品種的風險商值，結果見表4。

表4 防治水稻病蟲害所用農藥品種的風險商值

Table 4 Risk quotients of the pesticides used to control rice pests

農藥品種及含量1)推薦用量/g有效用量/g水生生物魚LC50值/(mg·L-1)風險商值2)25%撲虱靈(噻嗪酮)112528524.78032%驕子(氟鈴脲丙溴磷)1500151000.0012250.169.6005%井岡霉素450022510000.00125%飛電(吡蚜酮)36090>1000.0072%阿維菌素750300.110.01430%愛苗(苯醚甲環(huán)唑丙環(huán)唑)22533.7510.24733.7550.081

1)農藥含量均以質量分數(shù)表示；2)應用農藥環(huán)境風險評價技術推算所用農藥的環(huán)境風險商以100 mg·L-1計。

2.3 污染防治所取得效果

根據農藥品種的風險商值,結合當?shù)厮旧a情況,對農藥進行篩選替代,減少高環(huán)境風險農藥的施用,降低水環(huán)境毒性影響。目前當?shù)蒯槍追N常見病蟲害的常用農藥品種為噻嗪酮、驕子(氟鈴脲和丙溴磷)以及井岡霉素,該研究中采用的相同防治對象的替代農藥為飛電(吡蚜酮)、阿維菌素以及愛苗(苯醚甲環(huán)唑和丙環(huán)唑),計算得到的這幾種農藥的風險商值如表4所示。防治稻飛虱和卷葉螟蟲蟲害的農藥品種噻嗪酮和驕子對水生生物環(huán)境風險商值高于1,而吡呀酮和阿維菌素的水生生物環(huán)境風險商值低于1,而防治水稻紋枯病的農藥井岡霉素和愛苗的環(huán)境風險商值較低,均低于1。根據風險商值,開展農藥替代性使用時,對于同一防治對象,以低環(huán)境風險農藥代替高風險農藥;對于環(huán)境風險都較低的農藥,結合農田防治效果進行替代性使用。在此處農藥替代使用技術研究中,對于防治稻飛虱,以吡蚜酮代替噻嗪酮防治卷葉螟蟲,以阿維菌素代替驕子農藥。而對于水稻紋枯病,由于環(huán)境風險均較低,結合防治效果,以農藥愛苗替代井岡霉素。同時,以吡蚜酮代替噻嗪酮可減少農藥用量765 g·hm-2,以阿維菌素代替驕子可減少農藥用量0.75 L·hm-2,以愛苗替代井岡霉素可減少農藥用量4.27 L·hm-2。替代后常規(guī)使用農藥用量降低5.79 L·hm-2。

2.4 對病蟲害防控和水稻產量的影響

開展水稻種植農藥使用替代消減試驗后,在水稻生長后期試驗區(qū)進行水稻種植農藥使用替代消減技術示范后幾種病蟲害防治效果的調查,以了解農藥使用替代消減技術對主要病蟲害的防治效果。調查的病蟲害對象為稻飛虱、稻縱卷葉螟、水稻紋枯病和稻曲病。調查結果表明,對稻縱卷葉螟和稻飛虱的防治效果分別為79.3% 和86.6%,紋枯病和稻曲病的發(fā)病率則分別為4.01%和0。而農戶分散單獨用藥情況下,稻縱卷葉螟和稻飛虱的防治效果分別為81.9%和86.3%,紋枯病和稻曲病的發(fā)病率則分別為3.13%和2.0%。試驗的開展并未明顯影響水稻病蟲害的防治效果,與當?shù)剞r戶高用藥情況下的防治效果相當,某些病蟲害防治效果甚至更優(yōu)。這些結果都表明水稻種植農藥使用替代消減技術不僅在短期內有效控制了稻飛虱、稻縱卷葉螟、水稻紋枯病和稻曲病等主要水稻病蟲害的發(fā)生,而且在整個水稻生育期內,包括各后期生長等各病蟲害重點發(fā)生階段都起到了很好的控制作用。

隨機采集稻田水稻樣本,以了解水稻種植農藥使用替代消減技術對試驗區(qū)內水稻產量的影響。通過對農藥使用替代消減技術的開展與農戶分散單獨用藥情況下水稻的產量調查可知,調查田塊中水稻產量為7 658.6～9 525.6 kg·hm-2,而農戶分散單獨用藥情況下為7 832.9～8 054.3 kg·hm-2。水稻種植農藥使用替代消減技術對水稻產量沒有產生明顯的不利影響。水稻種植農藥使用替代消減技術的水稻產量大多高于當?shù)剞r戶單獨分散用藥的水稻產量,實施農藥使用替代消減技術有效促進了水稻產量,提升產出效益,減少用藥成本,大大增加了水稻種植的經濟效益。

3 結論

針對苕溪流域防治卷葉螟蟲、稻飛虱和水稻紋枯病的農藥品種及其用量,采用農藥風險評價技術分析其產生的環(huán)境不利風險,并根據風險來選擇農藥品種及施用量,對農藥進行篩選替代。該技術不僅大大減少了農藥的總施用量,同時也大大降低了農藥的環(huán)境風險商值。減少高環(huán)境風險農藥的施用,降低水環(huán)境毒性的影響,有效地從源頭控制了農業(yè)面源污染中的化學污染物。同時水稻種植農藥使用替代消減技術對水稻產量和病蟲害的防治也沒有產生明顯的不利影響。根據調查結果,水稻種植農藥使用替代消減技術的水稻產量和對對病蟲害的防治效果大多優(yōu)于當?shù)剞r戶單獨分散用藥,并且由于控制了用藥次數(shù)和用藥量,降低了用藥成本,增加了水稻種植的經濟效益。

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(責任編輯： 陳 昕)

Application of Pesticide Risk Assessment Techniques to Pesticide Pollution Control.

HE Jian, WU Wen-zhu, KONG De-yang, ZHOU Yan, JIAO Shao-jun, SHAN Zheng-jun

(Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)

In order to reduce pesticide use in the Tiaoxi Watershed and lower environmental risk of the pesticides on aquatic organisms, a field survey was carried out of types and rates of the pesticides used to control leaf borers, planthoppers and rice sheath blight in the watershed; environmental risks of the pesticides assessed using the technique for pesticide risk assessment, and simulated shells for exposure of pesticides; and optimal types and optimal application rates of pesticides determined according to their risks, separately. Results show that the use of pymetrozine to replace buprofezin reduced the application rate of pesticide by 765 g·hm-2; the use of avermectin to replace Jiaozi did by 0.75 L·hm-2; and the use of Armure to replace Jinggangmycin did by 4.27 L·hm-2. In total, the replacements of the conventional pesticides reduced the use of pesticides by 5.79 L·hm-2. Meanwhile, the replacements improved crop yield and pest control effect in the experiment field over their respective ones in paddy fields of local farmers using conventional pesticide. Thanks to its lowered frequency and rates, the use of the replacement pesticides lowered pest control cost and in turn raised economic profit of the crop. Therefore, it could be concluded that this technology can reduce not only the total amount of pesticides to be used, but also their toxic impacts on aquatic bio-environment, thus controlling the non-point source chemical pollution at the source.

pesticide; non-point source pollution; control; Tiaoxi Watershed

2016-01-11

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX07203-007)

X52；TQ450.2

A

1673-4831(2016)06-1008-04

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.06.022

何健(1988—),男,江蘇淮安人,助理研究員,碩士,主要從事污染物環(huán)境行為研究。E-mail: hejian@nies.org

① 通信作者E-mail: jsj@nies.org