農(nóng)田丁草胺和芐嘧磺隆的殘留特征及消解動(dòng)態(tài)

王丹琴，王 雪，朱雪竹，趙海燕，林超霸

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

化學(xué)除草劑作為一種經(jīng)濟(jì)高效、可靠的田間除草手段，在糧食的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。以芐嘧磺隆為主的磺酰脲類和丁草胺等酰胺類除草劑是中國(guó)市場(chǎng)的主流品種[1]，芐嘧磺隆與丁草胺的復(fù)配劑廣泛應(yīng)用于我國(guó)南北稻區(qū)，用以防除田間的禾本科雜草和惡性闊葉雜草[2]，年使用量占市場(chǎng)份額的50%以上。同時(shí)，由于丁草胺揮發(fā)性和淋溶性差，而芐嘧磺隆具有不易揮發(fā)、不易光解、移動(dòng)性小、穩(wěn)定性強(qiáng)、半衰期長(zhǎng)的特點(diǎn)，兩者均易殘留于土壤中[3]，長(zhǎng)期連續(xù)使用極易造成農(nóng)田除草劑殘留污染[4]。有研究[5]表明丁草胺在稻田施用5個(gè)月后仍能被檢出，其在土壤中的最高殘留量為30.87 mg·kg-1，常年施用農(nóng)藥的農(nóng)田表層土壤[6]中丁草胺檢出量高達(dá)206.06 μg·kg-1，芐嘧磺隆檢出量高達(dá)2.78 mg·kg-1。除草劑會(huì)粘附到作物上，QIU等[7]在從農(nóng)田及市場(chǎng)中收集的小麥中檢出0.015 mg·kg-1丁草胺，AL-NASIR等[8]在農(nóng)田種植的蔬菜中檢出0.486 mg·kg-1芐嘧磺隆，威脅農(nóng)產(chǎn)品安全。南京市位于中國(guó)東部、長(zhǎng)江下游中部地區(qū)，具有優(yōu)越的地理位置與水利條件，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2017年全市農(nóng)藥使用量(商品量)為945 t，而除草劑用量占比為40%，遠(yuǎn)超過殺蟲劑和殺菌劑[9]。截至2020年3月2日，南京市化學(xué)除草面積達(dá)3.332萬hm2，但鮮見對(duì)該地區(qū)農(nóng)田除草劑殘留特征與消解動(dòng)態(tài)的相關(guān)報(bào)道。筆者以丁草胺和芐嘧磺隆為研究對(duì)象，選取南京市兩個(gè)代表性農(nóng)業(yè)種植區(qū)域——江寧區(qū)和六合區(qū)，探究農(nóng)田土壤中這兩種除草劑的殘留特征與消解動(dòng)態(tài)，以期為南京地區(qū)農(nóng)田除草劑的合理施用及污染防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

六合區(qū)位于南京市北部，地勢(shì)北高南低，南部地形以平原為主，平原區(qū)主要為典型的稻-麥茬口種植區(qū)，常年種植面積約為320 km2；江寧區(qū)位于南京市東南部，地勢(shì)南北高、中間低，常年種植面積約為199.8 km2。南京市屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量約為1 200 mm，年平均溫度為15.4 ℃。采樣地于10月下旬至11月上旬開始播種冬小麥，次年6、7月為收獲期，在小麥播種后20～40 d內(nèi)進(jìn)行第1次除草，2月下旬至3月上旬(返青期)會(huì)出現(xiàn)第2個(gè)出草高峰期(以闊葉雜草為主)，此期間常用芐嘧磺隆除草[10]。6月中下旬播種晚稻，水直播田一般在播種后2～4和25～30 d用丁草胺和芐嘧磺隆兌土或拌肥料撒施進(jìn)行2次封閉處理;機(jī)插秧田在機(jī)器插秧前1～4 d和插秧后7～14 d用芐嘧磺隆的復(fù)配除草劑及丁草胺等進(jìn)行2次土壤封閉處理；拋秧田一般在移栽后3～7 d(7月)施用芐·丁復(fù)配劑進(jìn)行第1次除草[11-12]，保持3～5 d后還需根據(jù)情況再進(jìn)行補(bǔ)治。該研究在六合區(qū)東南部水稻種植中心及周邊2～6 km范圍內(nèi)選取5個(gè)采樣點(diǎn)(S1～S5)，在江寧區(qū)南部農(nóng)田區(qū)域2～6 km范圍內(nèi)選取6個(gè)采樣點(diǎn)(S6～S11)，采樣點(diǎn)距離公路500 m以上。

1.2 樣品采集及處理

根據(jù)采樣地區(qū)農(nóng)田除草劑施用特點(diǎn)，采樣時(shí)間設(shè)置為小麥和水稻收獲期，在冬小麥第2次施用除草劑2～3個(gè)月后選取22塊麥田，同樣在晚稻第2次施用除草劑2～3個(gè)月后選取24塊稻田。土壤采樣深度為0～20 cm，采集方法參考HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[13]，將采集回來的新鮮土樣去除砂礫等雜物，于-20 ℃條件下冷凍干燥后，過250 μm孔徑篩備用。每塊農(nóng)田同時(shí)采集22～25份農(nóng)作物，采集方法參考DB51/T 1047—2010《糧油作物植物樣品田間采集及制備技術(shù)規(guī)范》[14]，將水稻和小麥的莖葉和帶殼籽粒分開處理，置于通風(fēng)干燥處陰干，用壟谷機(jī)脫殼，粉碎得糙米、稻殼、麥殼樣品，過250 μm孔徑篩備用。

1.3 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

土壤黏粒、粉粒和砂粒含量測(cè)定采用比重計(jì)速測(cè)法，含水率、pH值測(cè)定分別采用烘干法(105 ℃)、電位法，土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)，土壤陽(yáng)離子交換量測(cè)定采用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法(HJ 889—2017)[15]，土壤堿解氮含量測(cè)定采用擴(kuò)散法，土壤速效磷含量測(cè)定采用鉬銻抗比色法[16]。

1.4 丁草胺和芐嘧磺隆的提取

1.4.1芐嘧磺隆

土壤：用二氯甲烷-丙酮(體積比為7∶3)混合液作為提取液[17]。稱取2 g經(jīng)預(yù)處理的土壤，加10 mL提取液，超聲提取(90 W)40 min，按6 000 r·min-1離心5 min(離心半徑為10 cm)，收集上清液，重復(fù)提取兩次，合并提取液，轉(zhuǎn)移至硅膠層析柱(從下至上分別為少量脫脂棉、2 g 48 μm孔徑柱層析硅膠和2 g無水Na2SO4)中凈化分離，用乙腈淋洗并洗脫2次，收集所有洗脫液，40 ℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干后，用2 mL乙腈(色譜純)定容，過0.22 μm有機(jī)相濾頭，待液相色譜儀分析用。

農(nóng)作物：用丙酮-乙酸乙酯(體積比為4∶3)混合液作為提取液[18]。稱取2 g經(jīng)預(yù)處理的作物樣，加14 mL提取液，以下同土壤提取操作。

1.4.2丁草胺

土壤：用石油醚-丙酮(體積比為1∶1)混合液作為提取液[2]。稱取2 g經(jīng)預(yù)處理的土壤，加10 mL提取液，超聲提取(90 W)40 min后，按6 000 r·min-1離心5 min(離心半徑為10 cm)，收集上清液，重復(fù)提取兩次，合并提取液，轉(zhuǎn)移至硅膠層析柱中凈化分離，用石油醚-丙酮(體積比為94∶6)混合液淋洗并洗脫2次[19]，收集所有洗脫液，40 ℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，用石油醚(色譜純)定容至2 mL，過0.22 μm有機(jī)相濾頭，待液相色譜儀分析用。

農(nóng)作物：用丙酮-乙酸乙酯(體積比為4∶3)作為提取液[18]，稱取2 g經(jīng)預(yù)處理的作物樣，加14 mL提取液，以下同土壤提取操作。

1.5 液相色譜測(cè)定條件

儀器：高效液相色譜儀(島津LC-20AD)，配紫外檢測(cè)器。色譜柱：Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)。待測(cè)物為芐嘧磺隆，流動(dòng)相[20]為乙腈-水(體積比為55∶45)(含體積分?jǐn)?shù)φ=0.2%的冰醋酸，pH=4～5)；待測(cè)物為丁草胺，流動(dòng)相[21]為乙腈-水(體積比為70∶30)(含φ=0.2%的冰醋酸，pH=3～3.5)；流速為1.0 mL·min-1。柱溫為40 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)為254 nm，以峰面積外標(biāo)法定量。芐嘧磺隆和丁草胺的保留時(shí)間分別為5.36～5.40和2.78～2.81 min。芐嘧磺隆線性方程為y=13 569x+25.498(R2=0.999 9，x為檢測(cè)物濃度，y為峰面積)，最低檢出限為0.010 8 mg·kg-1，回收率為88.96%～95.18%(添加濃度分別為0.05、0.5和5 mg·kg-1)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.56%～3.95%。丁草胺線性方程為y=52 427x+95.596(R2=0.999 9)，最低檢出限為0.012 5 mg·kg-1，回收率為87.85%～93.62%(添加濃度分別為0.05、0.5和5 mg·kg-1)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.61%～5.35%。

1.6 室內(nèi)模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)常用品種60%丁草胺乳油、10%芐嘧磺隆可濕性粉劑的使用標(biāo)準(zhǔn)，分別按推薦劑量的50%、100%和200%作為施用劑量，設(shè)置6個(gè)濃度處理組：處理組DT1、DT2和DT3土壤中丁草胺初始濃度為0.4、0.8和1.6 mg·kg-1，處理組BT1、BT2和BT3土壤中芐嘧磺隆初始濃度為0.2、0.4和0.8 mg·kg-1，按m(土)∶m(水)=6∶4的比例調(diào)整好土壤質(zhì)量含水率(40%)，均勻攪拌后配制成不同濃度的藥土，每個(gè)處理重復(fù)3次。同時(shí)設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)，以未使用過除草劑的休耕田土壤為對(duì)照，土壤為黃棕壤。對(duì)照土壤理化性質(zhì)：質(zhì)量含水率為18.9%，黏粒質(zhì)量含量為26.8%，粉粒質(zhì)量含量為31.5%，砂粒質(zhì)量含量為31.3%，陽(yáng)離子交換量為18.47 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為32.00 g·kg-1，pH=6.15，堿解氮含量為106 mg·kg-1，速效磷含量為33.8 mg·kg-1。將各處理組置于溫度為(25±1) ℃、濕度為70%～80%的人工氣候培養(yǎng)箱中進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，培養(yǎng)時(shí)間設(shè)置為32 d，每隔8 d采集測(cè)定土壤中除草劑含量。

1.7 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進(jìn)行分析并作圖，采用SPSS 24.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩個(gè)獨(dú)立樣本非參數(shù)檢驗(yàn)(Mann-Whitney檢驗(yàn))，以及雙變量Spearman和Pearson系數(shù)相關(guān)性分析(雙尾檢驗(yàn))。

2 結(jié)果與討論

2.1 芐嘧磺隆和丁草胺殘留分布特征

各采樣點(diǎn)糙米和谷殼樣品中均未檢出芐嘧磺隆和丁草胺殘留，GB 2763—2019《中國(guó)食品中農(nóng)藥最大殘留限量》[22]中人體對(duì)于芐嘧磺隆和丁草胺的可接受日攝入量(ADI)分別為0.2和0.1 mg·kg-1，這兩種除草劑的殘留量未超標(biāo),但采樣點(diǎn)農(nóng)田土壤中存在除草劑殘留(表1)。土壤中丁草胺殘留量為ND～1.578 mg·kg-1，檢出率為54.55%，芐嘧磺隆殘留量為ND～0.102 mg·kg-1，檢出率為63.64%。其中，在采樣點(diǎn)位S8，丁草胺和芐嘧磺隆殘留量最大值分別為1.578和0.102 mg·kg-1，分別為殘留量平均值的5.33倍和4.52倍，表明這些區(qū)域除草劑施用量較高。

表1 農(nóng)田土壤中丁草胺和芐嘧磺隆的殘留濃度Table 1 Residue of bensulfuron methyl and butachlor in agricutural soils

分區(qū)域來看，這兩個(gè)區(qū)域農(nóng)田土壤中芐嘧磺隆殘留量無顯著性差異，而丁草胺殘留量存在顯著性差異(P<0.01)。江寧區(qū)農(nóng)田土壤中丁草胺和芐嘧磺隆平均含量分別為0.296 和0.035 mg·kg-1，六合區(qū)平均含量分別為0.070和0.029 mg·kg-1。分不同利用類型土壤來看，稻田和麥田土壤中丁草胺殘留存在顯著性差異(P<0.01)，芐嘧磺隆殘留量則無顯著性差異。稻田土壤中丁草胺和芐嘧磺隆殘留量均值分別為0.410和0.033 mg·kg-1，麥田土壤中殘留量均值分別為0.010和0.028 mg·kg-1。

稻田土壤中丁草胺殘留量顯著高于其在麥田中的殘留量，主要是與稻田丁草胺施用量較高有關(guān)。南京市農(nóng)田中常見的雜草主要為禾本科和莎草科雜草，丁草胺對(duì)大部分一年生禾本科雜草、莎草科雜草等有較好的防治效果[11-12]。根據(jù)江蘇省不同地區(qū)農(nóng)田禾本科雜草對(duì)除草劑抗性強(qiáng)度的調(diào)研報(bào)告，蘇南六合、江寧是抗性較大的區(qū)域，易導(dǎo)致丁草胺用量增加[23]。江蘇省植保植檢站2019年公布的《稻田雜草綠色防控技術(shù)方案》顯示，稻田丁草胺施用頻率和劑量明顯高于芐嘧磺隆。江寧區(qū)稻田[11]常施用30%丁·芐可濕性粉劑1 800～2 250 g·hm-2，10%芐嘧磺隆可濕性粉劑150～300 g·hm-2和36%丁草胺復(fù)配劑2 250 mL·hm-2。六合區(qū)稻田[12]常施用20%芐嘧磺隆復(fù)配劑600 g·hm-2，50%芐丁異丙隆可濕性粉劑1 200 g·hm-2和42%丁草胺復(fù)配劑1 500～1 800 mL·hm-2。在實(shí)踐中，除草劑通常被反復(fù)施用以控制雜草。丁草胺在江寧區(qū)稻田土壤中的殘留量偏高，尤其是江寧采樣點(diǎn)位S8和S9顯著高于其他點(diǎn)位，主要為該區(qū)域除草劑的實(shí)際施用量較高所致。

2.2 土壤理化性質(zhì)對(duì)除草劑殘留的影響

采樣區(qū)農(nóng)田土壤均為黃棕壤，但理化性質(zhì)存在差異，其中，有機(jī)質(zhì)含量為25.4～48.1 g·kg-1，土壤pH值為5.14～6.8，堿解氮含量為87～145 mg·kg-1，速效磷含量為13.0～33.8 mg·kg-1。土壤理化性質(zhì)與除草劑殘留濃度的相關(guān)分析見圖1。

圖1 土壤理化性質(zhì)與除草劑殘留濃度的Pearson相關(guān)分析

分析結(jié)果(圖1)顯示，芐嘧磺隆殘留量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)(Spearman相關(guān)系數(shù)ρ=-0.761，顯著性值sig<0.001)，在偏酸性條件下與pH值呈顯著正相關(guān)(ρ=0.903，sig<0.001)；丁草胺殘留量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)(ρ=-0.458，sig=0.032)，在偏酸性條件下與pH值無顯著性相關(guān)。芐嘧磺隆殘留量和丁草胺殘留量分別與土壤堿解氮含量、土壤速效磷含量無顯著性相關(guān)。

農(nóng)藥的水溶性、揮發(fā)性、劑型以及施藥量均不同程度地影響農(nóng)藥在土壤中的淋溶和遷移[24]，土壤的吸附性能和微生物降解是大多數(shù)除草劑在土壤中消失的主要途徑。石健等[3]發(fā)現(xiàn)土壤對(duì)丁草胺的吸附性能與有機(jī)質(zhì)含量和pH值有著一定的密切關(guān)系，有機(jī)質(zhì)含量與吸附量呈正相關(guān)，在堿性條件下(pH值為7.0～10.0)不利于土壤吸附。葉鳳嬌等[25]也發(fā)現(xiàn)農(nóng)藥在土壤中降解速率的主要影響因素為土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量。程玲等[26]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明稻田土壤中芐嘧磺隆的降解速率隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而加快，隨土壤pH的升高而降低。土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤微生物量的一個(gè)重要因素，隨著有機(jī)碳含量的增高，土壤微生物量上升，同時(shí)微生物活性也得到提高，從而加快了除草劑在土壤中的降解[27]。

2.3 土壤中丁草胺和芐嘧磺隆的消解動(dòng)態(tài)

圖2顯示，相同培養(yǎng)條件下對(duì)比發(fā)現(xiàn)，丁草胺施用劑量雖高于芐嘧磺隆，但其在試驗(yàn)土壤中的殘留量要低于芐嘧磺隆，表明丁草胺降解速率更快。處理組BT3和DT3土壤中施用200%推薦用量的芐嘧磺隆和丁草胺32 d后，兩種除草劑殘留量都低于0.20 mg·kg-1。農(nóng)藥在土壤中的消解規(guī)律遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，芐嘧磺隆的降解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為Ct=C0e-0.053t(Ct為td 時(shí)土壤中除草劑殘留濃度，C0為除草劑初始濃度)，丁草胺的降解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為Ct=C0e-0.087t，兩種除草劑的消解速率不受施用量的影響，芐嘧磺隆降解速率常數(shù)為0.053 d-1，丁草胺降解速率常數(shù)為0.087 d-1。

處理組BT1、BT2、BT3土壤中芐嘧磺隆初始含量為0.2、0.4、0.8 mg·kg-1，DT1、DT2、DT3土壤中丁草胺初始含量為0.4、0.8、1.6 mg·kg-1。

在實(shí)際農(nóng)田中，由于氣候、土壤性質(zhì)和土壤微生物等條件的變化，兩種除草劑在土壤中的消解速率常數(shù)及半衰期[26]與筆者模擬試驗(yàn)中預(yù)估的數(shù)值存在差異。KAUR等[28]發(fā)現(xiàn)丁草胺在實(shí)際稻田和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)條件下的半衰期分別為15.2～19.29和25.94～29.79 d。在室內(nèi)培養(yǎng)條件下土壤中芐嘧磺隆半衰期分別為12.4(第1階段)和35 d(第2階段)，在實(shí)際稻田土壤中其半衰期分別為11.8(第1階段)和15.6 d(第2階段)[29]。筆者研究中的模擬試驗(yàn)條件可能有利于這兩種除草劑的消解，芐嘧磺隆半衰期為13.08 d，丁草胺半衰期為7.94 d，此與前人研究結(jié)果存在差異。

3 結(jié)論

(1) 稻田土壤中芐嘧磺隆和丁草胺殘留量顯著高于麥田土壤中殘留量；不同除草劑在不同區(qū)域殘留特征存在差異，芐嘧磺隆在兩個(gè)采樣區(qū)域土壤中的殘留量無顯著性差異，而丁草胺在兩個(gè)區(qū)域的殘留量存在顯著性差異。

(2) 研究發(fā)現(xiàn)，部分點(diǎn)位丁草胺施用量較高，導(dǎo)致其在土壤中殘留量高，但稻米和麥粒中未超標(biāo)。

(3) 農(nóng)田土壤中芐嘧磺隆和丁草胺殘留量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性，應(yīng)關(guān)注有機(jī)質(zhì)含量低的農(nóng)田土壤中除草劑的殘留問題。