兩種除草劑在燕麥田土壤中的殘留與消解動態

閆車太，趙桂琴,2,3,4，柴繼寬，茍智強，許興澤

（1. 甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070；2. 草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅省草業工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；4. 中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070）

燕麥(Avena sativa)作為糧飼兼用的一年生禾本科作物，在世界各地廣泛種植，我國西北和華北地區燕麥種植面積大[1-2]。其富含維生素、蛋白質、脂肪、β-葡聚糖、不飽和脂肪酸、可溶性纖維素等[3-4]。是我國重要的小雜糧之一，也是主要的栽培飼草。

燕麥田如果雜草危害嚴重，對燕麥產量、干草和種子品質、機械化收獲等均有不良影響。人工除草成本高，一直是燕麥田投產比低的原因之一[5]，噴施除草劑進行化學防治是燕麥田草害控制的重要手段。但是隨著農藥的廣泛使用，其對生態環境、食品安全和人類健康帶來了直接或潛在的負面作用和威脅，其中最突出的就是農藥殘留問題。農藥施用后，會在作物、土壤、水體等環境中殘留富集，通過食物鏈傳遞或對直接接觸的生物產生危害。如有機氯農藥理化性質穩定，易在生物和人體內積累，造成各種急慢性毒性、內分泌干擾效應、三致效應(致癌、致畸、致突變)等危害[6-7]，雖然我國在1983年起就宣布停止生產滴滴涕、六六六等有機氯農藥，然而直到現在在稻米、土壤等各個環境介質中仍有一定的殘留物[8-9]。磺酰脲類除草劑甲磺隆、氯磺隆等在小麥(Triticum aestivum)田常規施用，可在土壤中殘留數月甚至幾年，對后茬作物玉米(Zea mays)、油菜(Brassica napus)、 棉 花 (Gossypium hirsutum)及 某 些 豆 科(Leguminosae)作物產生不同程度的藥害，甚至死亡[10]。蘇旺蒼等[11]研究表明芐嘧磺隆(Bensulfuronmethyl)殘留會使玉米幼苗的株高、地上鮮重、根長和干重顯著降低，并會抑制玉米幼苗的光合作用。陳澤鵬等[12]根據二氯喹啉酸 (Quinclorac) 在土壤中的消解動態，結合二氯喹啉酸對煙草(Nicotiana tabacum)葉寬和根長的影響，認為在推薦田間施用量 150 g a.i.·hm-2(表示每公頃以克為單位的有效成分含量)下，偏酸性的土壤需經過269 d后，土壤中殘留的二氯喹啉酸才可消解到對煙草葉寬沒有顯著影響的范圍，經過342 d后，才可消解到對煙草根長沒有顯著影響的范圍。

二氯喹啉酸化學名稱為3,7-二氯-8-喹啉羧酸，商品名稱有快殺稗、殺稗凈，屬激素型喹啉羧酸類選擇性除草劑。1983年由德國巴斯夫公司首先開發，具有用量少、殘效期長、對稗草(Echinochloa crusgalli)特效、施用期寬等優點。芐嘧磺隆，化學名稱為2-{((4,6-二甲氧基嘧啶-2-基)氨基碳基)氨基磺基甲基}苯甲酸甲酯，商品名為農得時。由美國杜邦公司于20世紀80年代中期開發，屬磺酰脲類除草劑，具有高效、廣譜、低毒及低用量等優點，主要用于防除田間闊葉雜草和某些莎草(Cyperaceae)。該類除草劑的問世標志著除草劑進入超高效時代[13]。

二氯喹啉酸和芐嘧磺隆單獨使用或與其他除草劑復配對燕麥田雜草的防治有良好的效果。谷雪菲[14]研究表明，50%二氯喹啉酸可溶性粉劑750 g·hm-2苗期莖葉噴施，對燕科1號燕麥田藥后20 d的總體株防效達86.21%，尤其對禾本科(Gramineae)雜草的株防效達到98.68%，藥后50 d總體株防效為60.88%；10%芐嘧磺隆可濕性粉劑 300 g·hm-2莖葉處理，對燕科1號燕麥田藥后20 d的總體株防效達77.19%，對禾本科雜草和闊葉雜草的株防效為82.12%、73.89%，藥后50 d總體株防效為55.98%。冷延瑞等[15]發現50%二氯喹啉酸可濕性粉劑5 g·100 m-2+48% 苯達松水劑 20 mL·100 m-2混配后莖葉噴施，對白燕1號、白燕2號、白燕8號燕麥田中闊葉雜草的鮮重防效分別達到了100%、92.21%和76.13%；32%芐嘧磺隆可濕性粉劑 0.02 g·m-2土壤處理，對3個品種田中闊葉雜草的鮮重防效分別達到了97.92%、92.21%和94.04%，白燕8號增產達158.5%。但這兩種除草劑施用后也有造成燕麥減產、發生田間藥害等的報道。宋旭東等[16]發現50%二氯喹啉酸825 g·hm-2莖葉噴施后白燕2號種子產量較噴清水對照減產62.3%。劉歡等[17]研究發現40%芐嘧磺隆粉劑450 g·hm-2莖葉處理后，燕麥田有藥害發生。

除草劑殘留對土壤環境以及后茬作物的生長有很大的影響，據報道，農藥使用后有80%～90%的量最終將進入土壤[18]。燕麥多種植于高寒冷涼地區，這些地區目前生態環境較好，但除草劑已經大范圍使用多年，而國內對這兩種除草劑在燕麥田土壤中的殘留降解情況尚無報道。因此，本研究擬以二氯喹啉酸和芐嘧磺隆這兩種燕麥田常用的除草劑為研究對象，探討其在燕麥田土壤中殘留降解情況，對燕麥及后茬作物的生長以及評估這兩種除草劑對土壤環境的影響都有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地自然概況

試驗地位于甘肅中部蘭州市榆中縣良種繁殖場 (104°9′ E，35°52′ N)，海拔 1 930 m，年平均氣溫6.7 ℃，年降水量350 mm左右，無霜期120 d左右。0-10 cm 土層土壤有機質含量 8.67 g·kg-1，土壤pH 7.72，土壤類型為黃綿土，前茬作物為胡麻(Linum usitatissimum)。試驗地兩年內未施用過二氯喹啉酸和芐嘧磺隆。

1.2 試驗設計及采樣

降解動態試驗于2016年進行，供試燕麥品種為白燕2號，3月29日播種，播種量為180 kg·hm-2，播種機條播，播種深度3～5 cm，行距20 cm。小區面積 20 m2(5 m × 4 m)，隨機區組排列，小區之間設隔離帶，帶寬1 m。除草劑選用50%二氯喹啉酸粉劑和10%芐嘧磺隆粉劑(除草劑性質及用量如表1所列)，于燕麥3～4葉期施藥，設計用量兌水450 kg·hm-2，用 YS-16C 型背負式手動噴霧器 (上下雙孔霧化噴霧，臺州市鵬盛農林機械有限公司生產)均勻噴霧。每個處理3次重復，同時設噴施清水空白對照。于施藥后0、1、3、5、7、15、22、30、45和60 d，采0-10 cm土層土樣，各小區采用棋盤式取樣法取9個點，原始土樣不少于1 kg。土樣除去植物殘渣、石塊等分裝后帶回實驗室過2 mm篩，四分法縮分保留250 g左右土樣，放至-20 ℃冰箱低溫保存。同時預留平行樣品，以備水分測定，用于校正為干土的殘留量。田間試驗設計參照《農藥殘留試驗準則》[19]進行。

表 1 除草劑種類及用量Table 1 Herbicide type and dosage

1.3 儀器與試劑

儀器設備：Agilent1260型高效液相色譜儀，配紫外檢測器(美國安捷倫科技公司)；SKY-211C型恒溫培養振蕩器(上海蘇坤實業有限公司)；旋轉真空離心濃縮儀(北京五洲東方科技發展有限公司)；氮吹儀；KQ-2000VDE型超聲波清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司)；PHS-3C型pH計(上海佑科儀器儀表有限公司)；SBC22十萬分之一電子天平(德國SCALTEC公司)；JA2003型千分之一電子天平(上海越平科學儀器有限公司)；AK-RO-UP-250型超純水儀(成都唐氏康寧科技發展有限公司)。

標樣及試劑：二氯喹啉酸標準品(北京麥瑞博生物科技有限公司)；芐嘧磺隆標準品(阿拉丁試劑(上海)有限公司)；流動相用甲醇(山東禹王實業有限公司化工分公司，色譜純)、冰乙酸(天津市光復科技發展有限公司，色譜純)；乙腈、甲醇、二氯甲烷、硼砂、氯化鈉、無水硫酸鈉(用前于130 ℃下烘烤5 h以上)、98%濃硫酸(以上均為分析純)；超純水；0.22 μm有機濾膜。

1.4 分析方法

1.4.1 樣品前處理

1)二氯喹啉酸：稱取20 g新鮮土壤樣品于恒重的鋁盒中，105 ℃下烘干恒重，測定水分含量(用于折算農藥在干土中的含量)。同時稱取含二氯喹啉酸土樣50.0 g，置于具塞三角瓶中，加入0.05 mol·L-1硼砂緩沖溶液 30 mL 和甲醇 60 mL，振蕩提取 60 min，后一并轉移至 50 mL 離心管中，4 000 r·min-1離心 5 min，過濾，將濾液轉移至 250 mL 分液漏斗中，加5%氯化鈉水溶液10 mL，用濃硫酸調節pH至1～2，分別用二氯甲烷50、40、30 mL

萃取3次，合并二氯甲烷至250 mL三角瓶中，溶液經無水硫酸鈉漏斗過濾至試管中，于旋轉真空離心濃縮儀濃縮至近干，氮氣吹干，色譜甲醇定容至5 mL，過0.22 μm有機濾膜，上機待測。

2)芐嘧磺隆：稱取20 g新鮮土壤樣品于恒重的鋁盒中，105 ℃下烘干恒重，測定水分含量(用于折算農藥在干土中的含量)。同時稱取含芐嘧磺隆土樣30 g，放入具塞三角瓶中，加入70 mL乙腈和15 mL去離子水，機械振蕩提取2 h，抽濾至裝有5 g氯化鈉的200 mL具塞量筒中，劇烈振蕩1 min。在室溫下靜置 10 min 分層，準確吸取 45 mL上清液，于旋轉真空濃縮儀上濃縮近干，然后氮氣吹干。色譜純甲醇定容至2.5 mL，過0.22 μm有機濾膜，上機待測。

1.4.2 色譜條件的建立

1)二氯喹啉酸：色譜柱，Agilent TC-C18(4.6 mm × 250 mm，5 μm)；柱溫度，30 ℃；流動相，甲醇∶1%乙酸水溶液(55∶45，V∶V)；流動相流速，1.0 mL·min-1；檢測波長，238 nm；進樣量，10 μL。

2)芐嘧磺隆：色譜柱，ZORRAX Eclipse XDBC18(4.6 mm × 150 mm，5 μm)；柱溫度，30 ℃；流動相，甲醇∶水∶冰乙酸(70∶29.5∶0.5，V∶V∶V)；流動相流速，0.8 mL·min-1；檢測波長，250 nm；進樣量，10 μL。

1.4.3 標準曲線的繪制

準確稱取二氯喹啉酸和芐嘧磺隆標準品各0.01 g(精確至 0.000 02 g)，用甲醇分別定容至 100 mL，配成100 mg·L-1的標準母液，采用系列稀釋法將二氯喹啉酸和芐嘧磺隆的標準液稀釋至各所需的質量分數為 0.05、0.5、1.0、5.0、10.0 mg·L-1的系列標準溶液，按1.4.2所述色譜條件分別測定，外標法定量，以各農藥標樣進樣質量濃度(mg·L-1)為橫坐標，對應的峰面積為縱坐標，繪制標準曲線，得回歸方程和相關系數。

1.4.4 添加回收率試驗

用空白對照土樣進行添加回收率試驗。稱取空白對照土樣50和30 g，分別添加不同濃度的二氯喹啉酸和芐嘧磺隆標準品溶液，使兩種除草劑在土壤中的質量濃度分別達到 0.05、0.5、1.0 mg·kg-1，每濃度進行5次重復，按上述方法進行前處理及分析測定，計算回收率和相對標準偏差(RSD)。

1.5 最小檢出量和最低檢測質量分數

以基線噪音的3倍水平(S/N= 3)作為所設定條件下儀器的最小檢出量。最低檢測質量分數的計算公式為[20]：

1.6 殘留量計算

殘留量計算公式[20]如下：

式中：R為樣品中對應除草劑的殘留量(mg·kg-1)；C為從標準曲線上查得的相應除草劑殘留濃度(mg·L-1)；V終為最終定容體積(mL)；W為土樣質量(g)。

1.7 數據分析

采用Excel 2007錄入數據與作圖，Spss19.0對同一采樣時間下兩劑量除草劑的殘留量進行獨立樣本t檢驗。

2 結果與分析

2.1 兩種除草劑的線性范圍

兩種除草劑標準曲線的線性關系和相關系數(R2)如表2所列，可以看出，兩種除草劑在0.05～10.0 mg·L-1范圍內線性關系良好，相關系數(R2)均在0.99以上，可以滿足定量分析要求。

表 2 兩種除草劑的線性標準曲線Table 2 Linearity of the two herbicides

2.2 兩種除草劑的最小檢出量和最低檢測質量分數

測得土壤中二氯喹啉酸的最小檢出量為4 × 10-10g，最低檢測質量分數為 0.004 mg·kg-1。土壤中芐嘧磺隆的最小檢出量為 1 × 10-10g，最低檢測質量分數為 0.001 mg·kg-1。

2.3 添加回收率與相對標準偏差

從兩種除草劑在3個添加水平有回收率及相對標準偏差(表3)可看出，二氯喹啉酸的添加回收率為85.63%～89.27%，相對標準偏差為2.17%～6.33%；芐嘧磺隆的添加回收率為80.26%～91.61%，相對標準偏差為3.28%～6.52%。兩種除草劑的添加回收率及相對標準偏差均能滿足農藥殘留分析的相關要求，所用方法的準確度和精密度良好。二氯喹啉酸和芐嘧磺隆標樣及土壤樣品色譜圖如圖1和圖2所示。二氯喹啉酸和芐嘧磺隆出峰時間分別為 6.5 min 和 4.1 min 左右。

表 3 除草劑在土壤中的添加回收率 (n = 5)Table 3 Recoveries of quincloracs and bensulfuron-methyl in soil (n = 5)

圖 1 二氯喹啉酸色譜圖Figure 1 Liquid chromatograms of quinclorac

圖 2 芐嘧磺隆色譜圖Figure 2 Liquid chromatograms of bensulfuron-methyl

2.4 兩種除草劑的消解動態

2.4.1 二氯喹啉酸在燕麥田土壤中的消解動態

50% 二氯喹啉酸粉劑按推薦劑量 225 g a.i.·hm-2與高劑量 (1.5 倍推薦劑量)337.5 g a.i.·hm-2，于燕麥3～4葉期一次施藥，不同時間采樣測定，其在土壤中的殘留量及消解動態如表4、圖3所示。

二氯喹啉酸推薦劑量和高劑量在土壤中0 d的原始沉積量分別為 0.173 7 和 0.251 4 mg·kg-1，其后殘留量隨著時間的延長而逐漸下降。3 d時推薦劑量的二氯喹啉酸在土壤中的殘留量為 0.084 7 mg·kg-1，消解率為 51.24%，60 d 時其殘留量為 0.028 6 mg·kg-1，消解率為83.53%；高劑量二氯喹啉酸5 d時殘留量 為 0.128 9 mg·kg-1，消解率為 48.73%，60 d 時殘留量為 0.037 9 mg·kg-1，消解率達到 84.92%。但兩種劑量的二氯喹啉酸在降解至15 d時殘留量有所上升。藥后 0、1、5、15、60 d兩劑量二氯喹啉酸殘留量間差異顯著(P＜0.05)。從其消解動態曲線(圖3)可以看出，二氯喹啉酸降解分為兩個階段，0～7 d時降解較快，7 d以后消解曲線相對比較平緩，其在土壤中的降解符合一級動力學特征，降解方程分別擬合為Ct= 0.108 6e-0.026 0t和Ct= 0.178 9e-0.029 4t，相關系數 (R2)分別為 0.738 2 和 0.811 5，半衰期分別為 26.7 和 23.6 d。

表 4 二氯喹啉酸在土壤中的消解動態Table 4 Degradation dynamic of quinclorac in soil

圖 3 二氯喹啉酸在土壤中的消解動態曲線Figure 3 Degradation curve of quinclorac in soil

2.4.2 芐嘧磺隆在燕麥田土壤中的消解動態

10% 芐嘧磺隆粉劑按推薦劑量 34 g a.i.·hm-2與高 劑 量 (1.5 倍 推 薦 劑 量 )51 g a.i.·hm-2， 于 燕 麥3-4葉期一次施藥，不同時間采樣測定，其在土壤中的殘留量及消解動態如表5、圖4所示。

芐嘧磺隆推薦劑量和高劑量在土壤中0 d的原始沉積量分別為 0.026 2 和 0.044 5 mg·kg-1，其后殘留量隨著時間的延長而逐漸下降。3 d時芐嘧磺隆推薦劑量在土壤中的殘留量為 0.015 4 mg·kg-1，消解率達到 41.22%，高劑量殘留量為 0.020 4 mg·kg-1，消解率達到54.16%；60 d時兩種劑量的殘留量分別為 0.001 3 和 0.003 5 mg·kg-1，消解率分別為 95.04%和92.13%。降解至22 d芐嘧磺隆兩種劑量在土壤中的殘留量上升。施藥后的0、1、5、7、15、30和60 d兩劑量芐嘧磺隆殘留量間差異顯著(P＜0.05)(表5)。從其降解動態曲線可以看出，芐嘧磺隆降解分為兩個階段，0～5 d時降解較快，5 d以后降解曲線相對比較平緩，其在土壤中的降解符合一級動力學特征，降解方程分別為Ct= 0.011 5e-0.038 8t和Ct= 0.022 1e-0.034 4t，相關系數 (R2)分別為 0.514 2和 0.654 7，半衰期分別為 17.9 和 20.1 d(圖 4)。

3 討論與結論

3.1 二氯喹啉酸在燕麥田土壤中的降解動態

曾飛等[21]認為土壤微生物通過礦化作用、共代謝作用、種間協同作用與活化作用等成為土壤中的二氯喹啉酸降解的主要途徑。李子木[22]通過GC-MS檢測到3種可能的二氯喹啉酸中間代謝產物，結合降解過程中的關鍵酶推測，細菌先通過脫羧作用將3，7-二氯喹琳酸轉化為3，7-二氯哇琳，然后經氧化裂解打開含氮的環，再經過基團轉移等作用轉化為2-甲酸-5-氯苯胺，在轉氨作用后形成氯化鄰苯二甲酸，然后經過鄰苯二甲酸雙加氧酶和氯鄰苯二酚1，2-雙加氧酶作用后最終進入三羧酸循環，完成降解過程。此外，二氯喹啉酸在土壤中的降解還受濕度、溫度、土壤pH、土壤類型等的影響[23-24]。宋穩成等[25]認為土壤濕度影響二氯喹啉酸在土壤中的可溶性及活性，進而影響其降解速度。土壤pH影響二氯喹啉酸在土壤中的存在狀態，二氯喹啉酸是一種弱酸(pH為4.35)，pH較高的情況下，在土壤中的解離度較大，易被降解[26]。張倩等[23]探討了土壤pH、土壤含水量、溫度對植煙土壤中二氯喹啉酸降解的影響，結果表明，土壤pH在5～9范圍內與土壤中二氯喹啉酸的半衰期呈明顯的負相關關系 ；土壤含水量與降解速率呈正相關關系，隨含水量的增加，半衰期明顯縮短；溫度與二氯喹啉酸的降解呈正相關關系。二氯喹啉酸在不同地區不同環境條件下降解速度不同。陳澤鵬等[12]室內模擬研究了二氯喹啉酸施用后在土壤中的降解，結果表明，在pH 5.84的廣東煙區土壤中添加濃度為1.6和0.8 mg·kg-1的二氯喹啉酸，其半衰期分別為22.04和23.30 d。李欣[27]對湖南長沙植煙田土壤中二氯喹啉酸的殘留降解分析結果表明，二氯喹啉酸在當季水稻(Oryza sativa)田施藥起，至第2年植煙田土壤里降解的半衰期為43.12 d。苑學霞等[28]對兩年(2008、2009年)三地(浙江杭州、山東濟南、黑龍江鐵力)稻田土壤中二氯喹啉酸降解動態研究結果表明，二氯喹啉酸在土壤中消解較快，半衰期較短，為16.6～21.9 d。本試驗條件下測得二氯喹啉酸的降解半衰期為23.6～26.7 d。環境條件、土壤性質、施用劑量等的差異是造成與他人結果不同的主要原因。另外本研究還發現，兩個濃度的二氯喹啉酸降解至第15天時，在土壤中的殘留反而較第3、5、7天高。這與簡秋等[29]研究發現的二甲四氯、莠滅凈、敵草隆在甘蔗(Saccharum officinarum)田土壤中的降解情況相似。這可能與二氯喹啉酸在土壤中遷移有關，但具體原因還有待進一步研究。

表 5 芐嘧磺隆在土壤中的消解動態Table 5 Degradation dynamic of bensulfuron-methyl in soil

圖 4 芐嘧磺隆在土壤中的降解動態曲線Figure 4 Degradation curve of bensulfuron-methyl in soil

3.2 芐嘧磺隆在燕麥田土壤中的降解動態

磺酰脲類除草劑的降解主要包括水溶性光解、化學水解和微生物降解3種途徑，其中光解作用較少，最多只對土壤表面的少量底物起作用；在酸性及中性土壤中的降解是化學水解和微生物降解共同作用；在堿性土壤中微生物對其降解起著非常重要的作用[30-31]。大量研究表明，磺酰脲類除草劑有3種不同的降解通路：磺酰脲橋的斷裂、氧化作用和脫脂作用[32-33]。磺酰脲類除草劑均呈弱酸性，pH 3.3～5.2。在酸性條件下，其分子的大部分是易水解的中性態，水解迅速；在堿性條件下，負電荷分布于磺酰脲橋，降低了羰基碳原子的親核反應活性，而不易水解。因此，pH是控制這類除草劑水解速度和水解產物的重要因素之一。程微和陳祖義[34]用核素示蹤技術研究了14C-芐嘧磺隆在室內暗培養漬水條件下土壤中的殘留動態，結果表明，芐嘧磺隆在堿性土壤中的消解速率比中性土壤緩慢，半衰期分別為129、62 d。磺酰脲類除草劑生物降解的主要途徑是通過土壤中微生物對其進行分解，凡能影響微生物活性的因素均影響芐嘧磺隆在土壤中的降解。Salardi等[35]研究發現，在通氧的條件下接種微生物，可迅速有效地去除土壤中的芐嘧磺隆。程玲等[36]探討了漢江平原漬澇地稻田土壤中單因子控制條件下芐嘧磺隆的殘留降解規律，結果表明，芐嘧磺隆的降解速率隨土壤溫度、土壤含水量、土壤有機質的增加而加快；隨土壤pH的升高而降低。本研究測得，芐嘧磺隆在燕麥田土壤(pH 7.72)中的半衰期為17.9～20.1 d，與程玲的研究結果相似。另外與二氯喹啉酸降解情況類似，芐嘧磺隆在降解至中段第22天時殘留量也有所升高。

按照《化學農藥環境安全評價試驗準則第1部分：土壤降解試驗》[37]對農藥在土壤中殘留性的劃分，其中農藥在土壤中降解半衰期小于1個月的為易降解農藥。因此，二氯喹啉酸和芐嘧磺隆均屬易降解型農藥。農藥殘留期越短，對環境影響越小，但考慮到農藥對病蟲草害的控制需要一定的持效期才能發揮作用，多數人認為，理想的農藥半衰期以15～30 d為宜。二氯喹啉酸和芐嘧磺隆按推薦劑量和推薦劑量的1.5倍使用，在甘肅榆中燕麥田的半衰期分別為23.6～26.7和17.9～20.1 d。半衰期短，對病蟲草害控制的持效期也較為適宜，因此適合在燕麥田土壤中使用。但兩種農藥對環境的具體影響及其生態效應，還有待進一步研究。