作物從土壤中吸收、傳遞和累積農藥的研究進展

婁權 董豐收 徐軍 劉新剛 吳小虎 鄭永權

關鍵詞農藥;吸收;傳遞;累積

農藥是保證農業(yè)生產和糧食安全不可或缺的重要農業(yè)化學品。根據2018年我國發(fā)布的數據顯示，農藥有效利用率僅為38.8%，這就意味著農藥施用后會大部分進入土壤，作物會通過根部吸收土壤中殘留的農藥，并在作物體內或可食農產品部位進行累積，從而帶來潛在的食品安全問題。在20世紀50年代有學者研究了蘿卜、馬鈴薯、豌豆、黃瓜、番茄、甘藍6種蔬菜對林丹、滴滴涕和艾氏劑的吸收累積，并發(fā)現胡蘿卜中的農藥殘留量會隨著土壤中的農藥濃度升高而增加，農藥污染問題開始引起研究者的關注。近年來，關于植物吸收多環(huán)芳烴、多氯聯苯和鹵代有機污染物等熱點環(huán)境持久污染物已經有較多報道，而農藥在農田土壤環(huán)境中的污染問題相對研究較少。因此研究作物對農藥的吸收，揭示其在植物土壤體系中的環(huán)境行為歸趨，有利于農藥的合理使用，保證農產品質量安全。本文從作物根部吸收農藥、農藥在作物內的累積、農藥在作物中的傳輸和植物吸收農藥模型4個方面進行了綜述，并展望了植物吸收農藥的未來研究方向，為農藥合理使用和農產品質量安全提供參考。

1作物根部吸收農藥行為的研究

多數研究人員認為作物根部吸收農藥的過程是農藥在各個介質之間經過長時間分配過程最終進入作物體內。研究表明，影響作物根部吸收農藥的主要因素包括土壤理化性質、農藥理化性質和作物種類等。

土壤中有機質含量是決定作物暴露于土壤中農藥量的關鍵因子，通常土壤有機質含量高會減弱作物對土壤中農藥的吸收，主要是因為土壤中農藥會被有機質吸附固定而降低其實際可利用濃度。Lichtenstein等發(fā)現根莖類蔬菜蘿卜和土豆在有機質含量低的土壤中吸收和累積的林丹更多。Harris等研究3種有機質含量對植物吸收農藥的影響，結果發(fā)現作物吸收農藥和土壤有機質含量成負相關。Wang等研究發(fā)現無土培養(yǎng)下黃瓜對殺蟲劑天名精酮的吸收量是土壤培養(yǎng)的7倍，說明土壤對農藥的吸附作用影響了作物對農藥的吸收。

農藥本身理化性質也決定了其被作物吸收的行為，尤其是農藥的水溶性和脂溶性是影響作物吸收的主要因素。土壤間隙水（土壤空隙中不受土粒吸附能移動的水分）中的農藥隨水進入作物體內后，在水和作物組織脂肪之間進行分配。多數研究表明，非離子型化合物在植株體內的傳遞累積與其自身的辛醇水分配系數密切相關，值小的農藥容易通過作物根系吸收累積，隨著蒸騰作用向作物地上部分遷移，而w值大的農藥被作物根系吸收后，分配吸附到根部的脂肪中，限制了其從根組織內部向作物地上部分遷移。Briggs等研究了殺線威等18種農藥在大麥中的累積，發(fā)現在化合物結構和分子量大小相似的情況下，農藥的辛醇水分配系數（w）與其在大麥根部累積量呈正相關。Gonzalez等研究了生菜和甜菜對7種有機氯農藥的累積量與農藥自身的辛醇水分配系數相關關系，結果表明親脂性的農藥在作物根和莖部有較多的累積。Gonzalez等通過研究番茄根系對滴滴涕和硫丹的吸收，發(fā)現logow=6.91的滴滴涕主要在根部積累，而log=4.75的硫丹則可以向作物上部遷移。w值較高的苯醚甲環(huán)唑在水稻根部累積不向上傳輸，而w值較低的吡蟲啉則更多地向水稻地上部分傳輸。

作物種類也是影響根部吸收農藥的重要因素，對非離子型農藥的吸收與作物本身的脂質含量密切相關。研究表明不同作物種類對農藥的吸收累積差異很大。Gonzalez等對比生菜和甜菜在相同栽培條件下對滴滴涕、艾氏劑、狄氏劑、二萘酚等有機氯農藥的吸收，發(fā)現脂質含量較高的生菜對有機氯農藥的吸收高于甜菜。魏峰等研究了3種油料作物對滴滴涕的吸收累積，發(fā)現含油量高的花生果仁（含油量46%～52%）和芝麻果仁（含油量52%～54%）中滴滴涕的濃度都明顯高于大豆果仁（含油量18%～20%）。Chiou等研究報道了蘿卜、馬鈴薯、甜菜對艾氏劑、狄氏劑、七氯的累積差異，結果表明高脂肪含量的蘿卜（脂肪含量0.24%）富集農藥的量要高于低脂肪含量的馬鈴薯（脂肪含量0.1%）和甜菜（脂肪含量0.17%）。

農藥通過分配作用被作物根部吸收后，首先吸附在根部的表皮組織上，之后通過作物根部水溶液和組織成分之間的分配作用，累積在作物根部的有機組分里。影響作物根部累積農藥的主要因素是根部組分及其含量。作物根部主要由脂質、水分和碳水化合物組成，脂質是存儲農藥的主要場所，也有報道指出作物的碳水化合物成分會影響作物對農藥的累積，只使用作物脂肪含量推測作物對農藥的累積量往往低于實際累積量。w較高的農藥更容易被作物根部富集較低的農藥進入作物根部后，多分配在水溶液中研究了番茄不同部位中滴滴涕的累積量，各部位的累積量和部位脂肪的含量呈正相關Zohair等研究了艾氏劑、七氯、狄氏劑、滴滴涕、甲氧氯等有機氯農藥在馬鈴薯和胡蘿卜果實中的累積量，其中脂質含量最高的果皮中累積農藥量占全部果實累積量的57.5%～100%。Florence等對芋頭、甘薯、馬鈴薯、山藥4種根莖類作物吸收農藥十氯酮進行研究，發(fā)現基于作物的脂質含量難以判斷其對十氯酮的吸收累積量，而作物纖維素含量和吸收累積十氯酮的量呈正相關。

2作物對農藥傳輸行為的研究

農藥穿過根表皮進入木質部后，隨蒸騰作用主導的上行傳輸過程沿木質部在作物體內遷移，分配累積于作物莖葉組織中。研究表明，農藥根部吸收和轉移農藥主要通過共質體和質外體途徑運輸，在作物蒸騰作用下通過共生細胞傳輸占主導地位（圖1），而農藥很難通過篩管系統(tǒng)向下輸送。

當農藥從根部進入維管束中時，會隨著蒸騰流向上移動，通常會累積到發(fā)生蒸騰作用強的成熟葉片。wang等研究表明，通過葉面噴霧方式在黃瓜上施用呋喃丹時，呋喃丹沒有向根部遷移的現象，而使用灌根處理時，呋喃丹會呈現向葉部傳遞的現象。alsayeda等將番茄移栽在使用14c標記的吡蟲啉污染的土壤中，85%的放射量轉移到了番茄莖葉部位，放射量從底部葉到頂部葉逐漸減少?？梢姡寥乐械霓r藥殘留可能通過作物根部吸收和蒸騰作用傳遞至作物各部位。

3植物吸收模型的發(fā)展

目前利用數學模型預測農藥在土壤作物體系的遷移、累積行為較多。模型包括平衡模型、動力學模型以及穩(wěn)態(tài)模型等。Briggs等在20世紀80年代建立了根系富集系數（RCF）、莖富集系數（SCF）、蒸騰流富集系數（TSCF）與非離子型有機污W的經驗關系式，表明了不同部位富集系數與W之間密切相關。這是較早建立的關于作物吸收非離子型有機污染物的預測模型。模型建立的基礎是假設分配過程中每個介質都是均質的。

多隔室模型等在20世紀90年代建立，將有機物在植物體內的傳輸設定為一級動力學過程，將土壤植物系統(tǒng)分為24個隔室，用不同隔室代表植物的相應部位和土壤;根據質量守恒定律建立了各隔室的數學公式體系。該模型考慮因素全面，能較好地模擬植物對土壤中污染物的吸收傳遞累積，但該模型中引入了大量數學參數，諸如化合物的空氣水分配系數、植物生長速率、植物蒸騰作用速率等，使得實際模擬計算時難度較大。等將植物分為根、莖、葉和果實四相，提出了植物吸收有機污染物的四隔室模型，后期將該模型簡化為一室模型，將過去繁瑣的計算過程用單一方程表示，但該模型僅限于呈指數級生長的植物，且方程中仍包含多參數的計算，參數測定的準確性直接影響模型預測的準確性。隔室模型都是基于質量守恒定律建立，模型能較好地預測植物體內污染物的濃度，但模型中使用的大量參數都需要實際測定后再通過運算才能使用，運算的復雜程度過高致使隔室模型的實用性受到限制。

該模型將土壤吸附有機物的分配理論應用于土壤有機污染的植物吸收過程。假設植物對有機污染物的吸收為被動吸收，且吸收過程可看作有機污染物在植物體水相有機相間一系列連續(xù)分配過程的組合，土壤及植物體中污染物的代謝不影響植物被動吸收，污染物在植物體（各部位）水相有機相間處于平衡狀態(tài)。分配限制模型能夠較好地預測農藥等污染物的累積行為，但模擬的準確性及適用范圍仍有待驗證和推廣。Li等通過小麥的根和莖對林丹、六氯苯的吸附研究發(fā)現，用分配限制模型所得的預測值小于實測值。

4展望

作物對農藥的吸收累積和傳遞行為，對優(yōu)化作物累積農藥預測模型和食品安全有重要意義。而作物對農藥的吸收、傳遞和累積一直是農業(yè)化學污染領域的研究熱點和難點工作?；趯Ξ斍爸饕獔蟮牢墨I的認識，提出今后的研究重點并預測未來研究趨勢如下：

1）關于作物根部吸收農藥的影響因素已經取得一些基礎性結論，但多數研究結果多基于實驗室栽培作物的數據，需到田間真實生產環(huán)境進行驗證，并進一步優(yōu)化參數。

2）農藥在作物體內的傳遞累積研究還局限于根、莖、葉、果各部位累積濃度對比，尚缺乏深入研究農藥分子在各組織細胞間傳遞的機理。

3）現有的數學模型預測結果多數準確度不高，仍需對模型進行升級和完善，提高預測的準確度。