哈爾濱地區(qū)養(yǎng)殖池塘中除草劑類農(nóng)藥殘留及分布特征

黃曉麗 ，高磊 ，黃麗 ，吳松 ，湯施展 ，王鵬 ，陳中祥 ，覃東立 ,2

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品質(zhì)量安全控制重點實驗室，北京 100141）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中農(nóng)藥的廣泛使用，在保障糧食高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的同時，導(dǎo)致了大量有毒物質(zhì)進入環(huán)境中，污染土壤、水體和農(nóng)產(chǎn)品。我國農(nóng)藥使用量逐年增加，已經(jīng)由2000年的128.0萬t增長到2014年的180.7萬t，而農(nóng)藥的平均施用量也由8.2kg/ha增長到10.9kg/ha（根據(jù)農(nóng)作物總播種面積計算）[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計，目前我國農(nóng)藥的有效利用率僅約為30%，農(nóng)藥的不合理使用導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)面源污染問題日益突出[2]。除草劑（herbicide）是目前使用較為廣泛的農(nóng)藥類型，約占國際農(nóng)藥市場比重的50%，可用于選擇性地消滅或抑制植物生長。大量研究表明，除草劑的有效物質(zhì)在生產(chǎn)和使用過程中可殘留在土壤中，或通過大氣傳輸、地表徑流等方式遷移至大氣、地表水等外界環(huán)境[3-7]?，F(xiàn)已證實，如利谷隆、除草醚、草甘膦等部分除草劑具有環(huán)境雌激素活性，具有致畸、致突變、致癌作用，極大地威脅生態(tài)環(huán)境和人類健康[8-10]。除草醚等高毒除草劑類已被多數(shù)國家禁止生產(chǎn)、使用，我國也在2001年停止生產(chǎn)、銷售、使用該農(nóng)藥[11]。目前，盡管農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的除草劑具有低毒性、半衰期短的特點[12]，但其使用量大而頻繁，也導(dǎo)致了在環(huán)境中的“持續(xù)性”存在，而其對生態(tài)環(huán)境的長期影響還不明確。因此，這類化合物在環(huán)境中殘留、分布、遷移和歸趨等問題亟待解決。

目前，除草劑殘留污染物已成為全球最普遍的有機污染物之一，已在不同區(qū)域的土壤、地表水、地下水中檢測到了除草劑的存在[13-15]。地表水體中的除草劑主要來自于農(nóng)田退水、地表徑流、降水、生產(chǎn)除草劑的工廠廢水排放等，除草劑殘留污染物在世界范圍內(nèi)地表水中分布廣泛。目前有關(guān)水體中除草劑的研究多集中于自然水體和地下水，而對人工構(gòu)筑的淡水養(yǎng)殖池塘研究較少。池塘養(yǎng)殖是我國主要的淡水養(yǎng)殖方式和人們獲得魚類等淡水水產(chǎn)品的主要途徑。淡水養(yǎng)殖池塘基本上屬于靜止水體，水源一般來自于臨近地表水體或地下水，水源中的污染物質(zhì)、降水及周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的干擾，可能會導(dǎo)致除草劑等農(nóng)藥污染物在淡水養(yǎng)殖池塘中累積、蓄存。養(yǎng)殖池塘的水質(zhì)與環(huán)境健康關(guān)系著水產(chǎn)品的質(zhì)量，威脅到人類的健康，有必要深入研究養(yǎng)殖池塘環(huán)境中的除草劑殘留。

東北地區(qū)農(nóng)藥使用總量和單位面積用藥量增長速度快，莠去津、丙草胺、丁草胺、乙草胺、2,4-D丁酯和惡草酮等是東北地區(qū)常用的除草劑，適用于防除水稻、玉米、高粱、大豆、馬鈴薯等多種一年生單子葉和雙子葉雜草，常單一或混合使用。丁草胺、惡草酮等對斑馬魚Brachydanio rerio、羅非魚Oreochromis spp、鯽 Carassius aumtus、麥穗魚 Pseudorasbora parva等魚類具有高毒或劇毒；惡草酮對斜生柵藻 Scenedesmus obliquus、大型溞 Daphnia magna、斑馬魚、鯉Cyprinus carpio等水生生物具有高毒或中毒[16]。養(yǎng)殖池塘多與農(nóng)田距離較近，其水體水質(zhì)易受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的影響。養(yǎng)殖池塘水面較小，水體中的除草劑等有機污染物問題易被忽略，但養(yǎng)殖水產(chǎn)品與人們的飲食健康息息相關(guān)，水體環(huán)境質(zhì)量會嚴重威脅人類和生態(tài)系統(tǒng)的健康。因此，本研究選擇位于黑龍江省哈爾濱市郊區(qū)的淡水養(yǎng)殖池塘為研究對象，通過檢測養(yǎng)殖池塘的水體、底泥和周邊土壤中除草劑的濃度和種類，分析其在不同環(huán)境介質(zhì)中的殘留水平和時間變化，為深入理解淡水養(yǎng)殖水體中除草劑的分布及污染水平提供科學(xué)依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

采樣的池塘位于黑龍江省哈爾濱市賓縣，坐標為東經(jīng) 127°05'08"，北緯 46°03'22"。三個土基養(yǎng)殖池塘的塘齡均超過20年，每個池塘面積為6.67×103～1×104m2，水深均為 0.8～1.5m，每個池塘投放魚種5 000～7 000尾，投放種類主要為鯉、鰱Hypophthalmichthys molitrix和鳙Aristichthys nobilis。三個池塘位于同一區(qū)域且相互緊鄰，周邊為旱田或水稻田，水源均為地下水，定時曝氣充氧與投餌。2016年5—10月，選擇晴朗天氣的上午9:00—11:00采樣，每月1～2次。每個池塘設(shè)置2～3個采樣點，利用采水器采集0～0.5m的池塘表層水，注入潔凈的聚乙烯瓶中，密封后運回實驗室,在24 h內(nèi)測定除草劑的濃度，共采集水樣品65個。利用柱狀沉積物采集器，采集池塘0～10cm表層底泥，每個池塘設(shè)置3～5個采樣點，共采集底泥樣品89個。在池塘與稻田或旱田中間位置采集土壤樣品各2kg，每個池塘設(shè)置3～5個采樣點，裝入聚四氟塑料袋中帶回實驗室盡快測定，共采集土壤樣品80個。

1.2 儀器與試劑

Agilent7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；N-EVAPTM 112氮吹儀（美國Organomation公司）；Allegra X-30R臺式高速離心機（美國Beckman公司）；PB 602-N電子天平（瑞士梅特樂-托利多公司）；KQ 700E超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；BUCHIsyncore多樣品定量濃縮/平行蒸發(fā)儀（瑞士BUCHI公司）。液相色譜-串聯(lián)三重四級桿質(zhì)譜儀Waters UPLC，Waters TQ-S（美國Waters公司），配有ESI離子源；液質(zhì)專用氮氣發(fā)生器PEAK（畢克科技儀器有限公司）；加速溶劑萃取儀ASE350（美國賽默飛世爾公司）；全自動凝膠滲透色譜儀Accu Prep MPS（美國J2 scientific公司）；渦旋混勻器MS1（德國IKA公司）；24位負壓SPE裝置（天津博納艾杰爾科技有限公司）；純水器（美國Millipore公司）。

2,4-D丁酯、乙氧氟草醚、嗪草酮、嗪草酮標準品溶液，濃度均為100μg/mL（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所）；標準品莠去津、丙草胺、丁草胺和乙草胺購自國家標準物質(zhì)研究中心。二氯甲烷、乙腈、丙酮和正己烷為色譜純試劑，環(huán)己烷、乙酸乙酯、乙腈、甲醇、二氯甲烷均為色譜純（上海安譜實驗科技股份有限公司）；氯化鈉和無水硫酸鈉（650℃烘烤2 h）為分析純（國藥化學(xué)試劑有限公司）。CleanertPEP固相萃取小柱：150mg/6mL（天津博納艾杰爾科技）；Cleanert Florisil固相萃取小柱：1g/6mL（天津博納艾杰爾科技）。試驗用水為Milli-Q高純水。HLB固相萃取柱（50mg，3mL）和0.22μm有機相微孔濾膜購自上海安譜公司；超純水（電阻率≥18.2MΩ·cm）；氬氣純度高于99.999%。

1.3 樣品處理

1.3.1 氣相色譜-質(zhì)譜測定樣品

底泥與土壤樣品在室內(nèi)風干，去除石塊、植物殘體后，研磨，過60目篩，裝進樣品袋中。稱取制備后的樣品5.0g，裝入快速溶劑萃取儀ASE萃取池，加入內(nèi)標溶液（環(huán)氧七氯：100ng/mL）0.1mL，用正己烷-二氯甲烷（1+1）混合溶劑50mL，提取ASE條件：溫度100℃；壓力10.34MPa；靜態(tài)萃取5min；循環(huán)3次。得到提取液用多樣品定量濃縮/平行蒸發(fā)儀BUCHIsyncore濃縮至近干，以環(huán)已烷-乙酸乙酯（體積比1∶1）復(fù)溶，經(jīng)0.22μm的有機相濾膜過濾后，定容至10mL，以Bio-Bead S-X3凝膠作為柱填料，環(huán)已烷-乙酸乙酯（體積比1∶1）作為流動相，柱流速4.7mL/min，樣品定量環(huán)5mL，收集8.0～18.5 min的流出液，在線濃縮后，用正已烷定容1.0mL，待測。量取500mL水樣于1000mL分液漏斗中，加入10μg/L的內(nèi)標溶液0.1mL，加入環(huán)已烷：乙酸乙酯（體積比為 1∶1）50mL，振搖 2min，靜止分層，棄水相，取上層有機相于100mL定量濃縮管中，用多樣品定量濃縮/平行蒸發(fā)儀BUCHIsyncore濃縮近干，加入1mL正已烷溶解殘渣，用0.22μm有機相微孔濾膜過濾于1mL進樣瓶中，待測[16]。

1.3.2 液相色譜-質(zhì)譜測定樣品

稱取制備后的底泥樣品5.0g裝入快速溶劑萃取儀ASE萃取池,加入內(nèi)標溶液（氘代莠去津：100ng/mL）0.1mL，用正己烷 - 二氯甲烷（1+1）混合溶劑50mL提取，ASE條件：溫度100℃；壓力10.34MPa；靜態(tài)萃取5min；循環(huán)3次。得到提取液用多樣品定量濃縮/平行蒸發(fā)儀BUCH Isyncore濃縮至近干，以環(huán)已烷-乙酸乙酯（體積比1∶1）復(fù)溶，經(jīng)0.22μm的有機相濾膜過濾后定容至10mL，待凈化。以Bio-BeadS-X3凝膠作為柱填料，環(huán)已烷-乙酸乙酯（體積比1∶1）作為流動相，柱流速4.7mL/min，樣品定量環(huán)5mL，收集8.0～18.5min的流出液，在線濃縮，用乙腈水溶液（V水∶V乙腈∶V甲酸 =95∶5∶0.1）定容1.0mL，待測。HLB固相萃取柱先用5mL甲醇、5mL水活化，然后量取200mL水樣過柱（不加壓，自然滴落），水樣完全過柱后，抽真空吹干，加入2mL乙腈洗脫，洗脫樣用0.22μm有機相微孔濾膜過濾于1mL進樣瓶中，待測[16]。

1.4 儀器分析條件

1.4.1 氣相色譜-質(zhì)譜分析條件

色譜柱:DB-5MS（30m×0.25mm×0.25μm）；進樣口溫度250℃；色譜柱升溫程序:60℃保持1min，以20℃/min的速度升至180℃，以5℃/min的速度升至220℃，保持3min，以30℃/min的速度升至280℃保持10min，共計30min。載氣：氦氣，純度99.999%，流速 1.0mL/min；進樣量：1μL；進樣方式：無分流進樣，1.5min后打開分流閥和隔墊,吹掃閥。質(zhì)譜的條件：EI電離方式，電離能70eV；傳輸線溫度280℃；離子源溫度:230℃；溶液延遲8.0min[16]。

1.4.2 液相色譜-質(zhì)譜分析條件

色譜柱:ACQUITY-UPLC BEH C18色譜柱（50mm×2.1mm×1.7μm）。流動相A為0.1%甲酸水溶液，B為0.1%甲酸乙腈溶液；梯度洗脫：0～2.0min，95%A；2.0～4.2min，95% ～5%A；4.2～6.4min，5%A；6.4～6.5min，5%～95%A；6.5～8.5min，95%A。流速0.3mL/min，柱溫30℃，進樣體積10μL。質(zhì)譜條件：ESI+電離方式，毛細管電壓3.0kV，去溶劑溫度450℃，脫溶劑流速800L/Hr[16]。

1.5 質(zhì)量控制

為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和真實性，本研究從玻璃儀器的清洗、采樣介質(zhì)前處理到樣品的采集、保存和萃取等全過程都嚴格按照USEPA的QA/QC要求進行操作和監(jiān)控。檢測過程中加入平行樣品、溶劑空白樣品和加標回收率檢測。經(jīng)檢驗，空白樣品目標化合物濃度絕大多數(shù)低于檢測限。方法對水體中農(nóng)藥的檢出限分別為：丙草胺2ng/L，丁草胺2ng/L，乙草胺2ng/L，莠去津1ng/L，2.4-D丁酯 0.2ng/L，嗪草酮2ng/L，乙氧氟草醚10ng/L。底泥和土壤中農(nóng)藥的檢出限分別為：嗪草酮0.5μg/kg，2,4-滴丁酯0.05μg/kg，乙氧氟草醚 0.5μg/kg，莠去津、丙草胺、丁草胺和乙草胺均為0.5μg/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境介質(zhì)中除草劑類農(nóng)藥的殘留水平

由圖1可知，池塘表層水體中除草劑分布變化在N.D.～1 671.30ng·L-1（N.D.表示未檢出）之間，池塘表層底泥和周邊土壤中除草劑分布在N.D.～270.43 μg·kg-1。7種除草劑中，嗪草酮和乙氧氟草醚在池塘水體中均未檢出，在表層底泥和周邊土壤中的檢出率較低，僅為2.25%～12.36%；莠去津、丙草胺、丁草胺和乙草胺在水體、底泥和周邊土壤中的檢出率為100%；在表層水體中，莠去津的殘留量最大，最高達1 671.30 ng·L-1；2,4-D丁酯在水體中的檢出率為46.67%，在底泥和周邊土壤中的檢出率為100%。

2.2 不同環(huán)境介質(zhì)中除草劑類濃度隨時間的變化

在所研究的淡水養(yǎng)殖池塘區(qū)域內(nèi)，時間變化對池塘不同環(huán)境介質(zhì)中除草劑殘留的影響較大。周邊農(nóng)田施用除草劑后，水體中除草劑的殘留量隨時間的延長而逐漸下降，施農(nóng)藥后1個月內(nèi)，池塘水體中2,4-D丁酯和莠去津的殘留濃度達最大值。表層底泥中各除草劑殘留量波動變化，無明顯規(guī)律，土壤中不同除草劑殘留量卻有明顯差異。乙草胺在水體中殘留量較小，在土壤中殘留含量最大，底泥居中，土壤中的高峰出現(xiàn)在施用除草劑后的3～12d，因為它是選擇性芽前處理除草劑，時間上符合東北地區(qū)水稻種植過程除草劑的使用規(guī)律。丁草胺在水體中殘留較少，在底泥和土壤中殘留峰值出現(xiàn)在施用后的119d，為8月份，正是東北地區(qū)降水較多的季節(jié)。莠去津在土壤、水體和底泥中的濃度起伏變化較大，在多個時間段出現(xiàn)峰值，規(guī)律不明顯。

2.3 與其他地區(qū)地表水環(huán)境中除草劑殘留水平的比較

除草劑類污染物在水環(huán)境中的時空分布和生態(tài)風險一直是環(huán)境研究領(lǐng)域普遍關(guān)注的問題。盡管對地表水環(huán)境中除草劑類物質(zhì)的污染水平已有調(diào)查，但仍有待進一步完善。從近十年文獻看出，農(nóng)業(yè)地區(qū)河流及其沉積物中檢出率和檢出濃度較高的除草劑為三嗪類除草劑（莠去津、西瑪津、環(huán)嗪酮、特丁津等）和取代脲類除草劑（莠谷隆、異丙隆、利谷隆等），我國的地表水環(huán)境中除草劑類污染物主要為三嗪類除草劑和酰胺類除草劑（乙草胺、丙草胺、異丙草胺、丁草胺等）。本研究涉及的淡水養(yǎng)殖池塘中除草劑的殘留濃度低于目前報道的多數(shù)國家或地區(qū)的地表水中的濃度，例如：東遼河流域旱田區(qū)地表水體中莠去津的濃度為9.71μg/L，非旱田區(qū)地表水體中莠去津的濃度為8.854μg/L[17]；官廳水庫水體中莠去津含量為0.67～3.9μg/L[18]；太子河流域水體中莠去津含量為0～734.0ng/L[19]；東北地區(qū)水源水中乙草胺的濃度為ND～1 054.9 ng/L[20]。

圖1 養(yǎng)殖池塘水體、底泥和周邊土壤中除草劑類農(nóng)藥的殘留水平Fig.1 Residual levels of herbicides in water,sediment and surrounding soil of aquaculture ponds

圖2 不同時間環(huán)境介質(zhì)中除草劑類農(nóng)藥濃度Fig.2 Residual levels of herbicides in ambient media in various days

3 討論

不同環(huán)境介質(zhì)中除草劑的殘留量具有一定的差異性，整體表現(xiàn)為池塘周邊土壤中最高，其次為池塘表層底泥，池塘表層水體最低（圖1）。實驗池塘周邊有旱田與水田，一部分噴灑的除草劑殘留在土壤中，導(dǎo)致土壤中除草劑含量較高。養(yǎng)殖池塘的水源主要依靠地下水和降水補充，土壤中殘留的除草劑可能通過降水隨地表徑流進入池塘中。大部分除草劑疏水性較高，在水體中傾向于在懸浮物和沉積物中富集，這可能是池塘底泥中除草劑濃度較高的主要原因。

不用除草劑在不同環(huán)境介質(zhì)中的殘留量差異較大。乙草胺性質(zhì)穩(wěn)定，不易揮發(fā)和光解，在土壤中的移動性小，主要保持在表層土壤中[21,22]，所以在底泥和周邊土壤中的殘留量較其他除草劑大；莠去津的蒸汽壓較低，水溶性較高，吸附系數(shù)較小，在環(huán)境中的遷移性較強[23-25]，易被雨水淋洗至土壤較深層或隨地表徑流進入地表水體[25]，因此，在各環(huán)境介質(zhì)中的檢出率較高（100%）。多個國家和地區(qū)的地表水和地下水中均發(fā)現(xiàn)了莠去津的殘留[26-28]，美國、歐共體和日本等國均把它列入內(nèi)分泌干擾劑化合物名單。美國EPA規(guī)定，飲用水中的阿特拉津不可超過 3μg·L-1[29]，歐共體規(guī)定為 0.1μg·L-1[30]，我國Ⅰ、Ⅱ類地表水中莠去津的標準為3μg·L-1[31]。

時間變化對池塘不同環(huán)境介質(zhì)中除草劑殘留的影響較大。大部分除草劑的半衰期較短，其殘留量下降主要為自然降解，其次是吸附在固體顆粒表面而逐漸沉降至底泥中或者富集于水生生物體內(nèi)。施農(nóng)藥后1個月內(nèi)，池塘水體中2,4-D丁酯和莠去津的殘留濃度達最大值，因此在1個月內(nèi)需要觀察池塘養(yǎng)殖生物的狀態(tài)，防止除草劑污染對水生生物的毒害。不同除草劑在土壤中的移動性不同，造成了土壤中不同除草劑殘留量的差異。乙草胺和丁草胺同屬于移動性很弱的酰胺類除草劑，因此在水體中殘留量較小，在土壤中殘留含量最大，底泥居中。施用的農(nóng)藥主要在稻田水面和附著在植物上，但是如果有降雨，則會被沖刷到稻田水體中，并逐漸沉積在底泥中。莠去津在不同時間段不同環(huán)境介質(zhì)分布規(guī)律不明顯，其原因是多次使用導(dǎo)致重復(fù)性污染，也可能是在稻田收割季節(jié)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動導(dǎo)致在種植前期用作土壤封閉的農(nóng)藥重新翻出，形成二次污染。

農(nóng)藥對地表水的污染，除了受自身移動性影響外，還與農(nóng)藥的施用量和降解速度、土壤性質(zhì)和氣候條件等因子有關(guān)。不同時間與不同地區(qū)水環(huán)境中除草劑的殘留種類和含量相差較大，這與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所種植的作物種類不同、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及高效低毒除草劑新品種開發(fā)推廣有關(guān)。中國地表水中除草劑類的污染較為嚴重，還需要進一步的調(diào)查研究，這與我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展密切相關(guān)。水源水中含量尚未超過我國現(xiàn)行的標準，但低劑量長期攝入也會影響人體健康。因此，地表水環(huán)境中除草劑殘留問題應(yīng)受到人們更多關(guān)注。

本次調(diào)查表明，黑龍江省哈爾濱市郊區(qū)淡水養(yǎng)殖池塘表層水體中除草劑分布在N.D.～1 671.30 ng·L-1，莠去津的殘留量最大；池塘表層底泥和周邊土壤中除草劑分布在 N.D.～270.43μg·kg-1。莠去津、丙草胺、丁草胺和乙草胺在三種環(huán)境介質(zhì)中的檢出率為100%；嗪草酮和乙氧氟草醚檢出率較低，2,4-D丁酯在水體中部分檢出，在底泥和土壤中的檢出率為100%。不同環(huán)境介質(zhì)中，除草劑殘留量在池塘周邊土壤中最高，池塘表層底泥次之，池塘表層水體最低，且養(yǎng)殖水體中的除草劑殘留隨時間而下降。