宁夏中宁枸杞园土壤中吡虫啉和啶虫脒降解影响因素研究

韩新宁

(宁夏师范学院 化学化工学院，宁夏 固原 756099)

农药作为农业生产中必不可少的生产资料，为全世界避免和挽回因农业病、虫、草害损失的粮食占总产量的1/3[1].自1991年第一个新烟碱杀虫剂——吡虫啉问世后，该杀虫剂就以独特新颖的作用方式、良好的根部内吸性、低哺乳动物毒性、高效、广谱和对环境相容性好等特点而广受欢迎，成为全球销售额最大的杀虫剂[2].啶虫脒是继吡虫啉和烯啶虫胺后第三个商品化的新烟碱类杀虫剂，具有良好的触杀胃毒和渗透作用[2].新烟碱类农药是一类高效植食性杀虫剂[3]，但会对非目标生物(蜜蜂、鸟类、蚯蚓等)和人类健康构成潜在风险[4-5].所以，2018年欧盟禁止吡虫啉、噻虫胺及噻虫嗪3种新烟碱类农药在室外环境下使用[6].尽管吡虫啉对蜜蜂的毒性和抗性问题在国际市场上存在使用争议，但目前却没有品种能够完全取代它，在我国仍在大量使用.要确定新烟碱类杀虫剂对人类和生态系统的相关风险，就必须深入了解影响该类化合物在土壤中的吸附和解吸因素，明确它们在不同环境中的降解途径和过程[7]，这样才能正确评价农药对环境的影响，也能探索潜在的处理农药残留污染问题的方法.

农药在土壤中的残留行为与土壤性质及环境因素有关，如土壤类型、有机质含量、pH值、微生物、时间、温度、湿度、覆盖度、灌溉甚至农药配方中的纳米颗粒等[8-10].Sarkar等[11]研究表明，土壤类型会影响吡虫啉在土壤中的稳定性，不同类型土壤吡虫啉半衰期有显著差异.宋超等[12]指出土壤微生物是影响农药残留降解的首要因素，灭菌处理土壤中农药降解速率明显低于非灭菌土壤，这是由于土壤中特定功能性微生物和酶是彻底消除土壤中农药残留量的主要途径[13-14].其中，嗜热球菌和厚壁菌门是农药降解的主要微生物[15]，如光合细菌(Rhodopseudomonascapsulata)就可以有效降解吡虫啉[16].此外，环境温度、土壤含水量和初始浓度等因素也会对农药残留降解产生不同影响：在5℃～35℃范围内，随着温度的升高，农药降解速度加快；土壤含水量为最大持水量的60%左右时降解最快；农药初始浓度越高，降解速度越慢.但也研究发现，当环境温度为25℃时，多菌灵在烟叶中的降解速率最快，温度为35℃时降解速率最慢[17].在众多影响因素中，影响农药残留的主要因素也是重要研究内容.Lammoglia等[18]利用Stics-Macro模型与拉丁超立方实验相结合研究发现对灭草松和丙草胺残留影响最大的是年际间的气候变化因素，其次为土壤类型.而Wahla等[19]对美屈津的残留影响程度研究指出：温度>接种体浓度> pH >农药浓度.微生物活性、有机质和pH值对吡虫啉降解有较大影响[20].Fernández-Bayo等[21]发现有机质含量较低的土壤中吡虫啉的吸附量与土壤有机碳之间并不相关.与酸性物质相比，碱性条件对吡虫啉降解更有利[7].所以，土壤中农药残留量的主要影响因素与所处环境和土壤自身属性有关.

枸杞(LyciumbarbarumL.)是名贵的中药材和良好的保健品，干果含糖量达40%～60%，极易发生病虫害.因其独特的地理气候条件，宁夏成为枸杞的原产地和生长的最佳生态区，种植面积已达100万亩，占全国的45%，加工转化率达25%[22]，其中中宁枸杞产量和品质都居首位.然而，由于部分干果中最大农药残留量过高，直接影响了枸杞的品质和价值.新烟碱类农药就是近年来使用最广泛的杀虫剂之一，其中吡虫啉和啶虫脒对枸杞蚜虫、瘿螨、负泥虫、蛀果蛾等都有良好的杀虫效果.樊桂红[23]、王莹等[24]通过对宁夏主产区枸杞干果农药残留检测发现吡虫啉和啶虫脒检出率居高不下.一般农药80%～90%最终将进入土壤环境[25]，但对不同环境条件宁夏中宁枸杞种植园土壤中这两种农药降解的影响因素还未见报道.因此，确定不同温度、湿度、盐碱化程度、初始浓度和微生物条件下宁夏中宁枸杞种植园土壤中吡虫啉及啶虫脒降解速率及半衰期变化规律，能够对该地区枸杞种植园新烟碱类农药污染土壤的防治和食品安全提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 药品和仪器

主要药品：甲醇(国药集团化学试剂有限公司)、石英砂(国药集团化学试剂有限公司)、NaHCO3(国药集团化学试剂有限公司)、Na2CO3(国药集团化学试剂有限公司)、NaCl(国药集团化学试剂有限公司)、Na2SO4(国药集团化学试剂有限公司)、乙腈(国药集团化学试剂有限公司)、甲酸(国药集团化学试剂有限公司)、石墨化炭黑(上海麦克林生化科技有限公司).

主要仪器：LCMS-8040液相色谱质谱联用仪(岛津企业管理(中国)有限公司)、 TGL-16M离心机(湖南湘仪实验室仪器开发有限公司)、LD-WSYP土壤检测仪(山东莱恩德智能科技有限公司)、VD-850 洁净工作台(上海力辰邦西仪器科技有限公司)、PHS-25PH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)、QHP-250BE生化培养箱(上海力辰邦西仪器科技有限公司)、YX280/20高压灭菌锅(上海三申医疗器械有限公司)、DHG-9036A干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)、BCD-230WETCL冰箱(合肥晶弘电器有限公司).

1.2 研究区概况

宁夏回族自治区中卫市中宁县(105°26′～ 106°7′E，37°09′～ 37°50′N)是宁夏枸杞品质最好、种植面积最大的主产区，目前枸杞种植约1.33万公顷，主要集中在舟塔乡、大战场镇、恩和镇、宁安镇和鸣沙镇，其中舟塔乡的面积最大，供试土壤就采自该乡.研究区土壤普遍为砂壤土，2.0 mm～0.02 mm颗粒含量约600 g/kg～670 g/kg，0.02 mm～0.002 mm颗粒含量在120 g/kg～200 g/kg，小于0.002 mm的颗粒含量少于200 g/kg，少数土壤属于壤土或黏壤土.

供试土壤中吡虫啉和啶虫脒均未检出.其基本理化性状如表1所示.

表1 供试土壤基本理化性状

1.3 土壤处理

按以下要求进行培养，测定6种情况下各土样中吡虫啉和啶虫脒的残留量.

(i)温度:取过2 mm筛的新鲜土壤1.0 kg于塑料盆中，分别吸取吡虫啉和啶虫脒母液(原液稀释10倍)均匀滴入石英砂中混匀，将混有药液的石英砂与土壤充分搅拌至均匀，使土壤中吡虫啉和啶虫脒浓度为1.0 mg/kg，含水量均调节到最大田间持水量的60%，铝箔纸封口，分别置于5℃、15℃、25℃和35℃的生化培养箱中培养.每5 d补充无菌水以维持含水量为最大持水量的60%.

(ii)水分:取过2 mm筛的风干土壤1.0 kg于塑料盆中，分别吸取吡虫啉和啶虫脒母液均匀滴入石英砂中混匀，再将混有药液的石英砂与土壤充分搅拌至均匀，使土壤中吡虫啉和啶虫脒浓度为1.0 mg/kg，施药后加入适量蒸馏水调节含水量分别为饱和持水量的20%、40%、60%和80%，铝箔纸封口，置于 25℃下培养.每5 d补充无菌水以维持含水量要求.

(iii)初始浓度:取过2 mm筛的新鲜土壤1.0 kg于塑料盆中，吸取吡虫啉和啶虫脒母液均匀滴入石英砂中混匀，再将含有药液的石英砂与土壤充分搅拌至均匀，使土壤中吡虫啉和啶虫脒浓度分别为0(对照，同体积甲醇)、1.0 mg/kg、5.0 mg/kg和 10.0 mg/kg，铝箔纸封口，置于25℃的生化培养箱中培养.每5 d补充无菌水以维持含水量为最大持水量的60%.

(iv)pH值：研究区碱性成分主要为NaHCO3和Na2CO3，根据其含量特点，将NaHCO3和Na2CO3按摩尔比2∶1混合配用，将土壤pH值分别调节为7.5、8.0、8.5、9.0、9.5.

(vi)含盐量:根据研究区盐分主要为NaCl和Na2SO4，根据其含量特点，将NaCl和Na2SO4按摩尔比1∶1混合配用，将土壤全盐含量分别调节为1.0 mg/kg、2.0 mg/kg、3.0 mg/kg、4.0 mg/kg.

(vii)微生物:灭菌与不灭菌.在加入两种农药前，先将部分供试土壤采用湿热法间歇灭菌3次，每次30 min，在无菌操作下调节土壤含水量为最大持水量的 60% 后，加入同样方法灭菌后的混有药液的石英砂，混合均匀.非灭菌土壤处理：无灭菌过程，其余操作完全同灭菌土壤处理.土壤中吡虫啉和啶虫脒浓度均为1.0 mg/kg，将处理好的非灭菌土、灭菌土铝箔纸封口后置于25℃的生化培养箱中培养，铝箔纸封口.每5 d补充无菌水以维持含水量为最大持水量的60%.

每个处理重复3次.所有处理均在施药后2 h、3 d、7 d、14 d、21 d、30 d和60 d取样，测定吡虫啉和啶虫脒残留量.

烘干法测定土壤水分，其他样品-20℃保存，用于土壤吡虫啉和啶虫脒残留量的测定.

1.4 吡虫啉和啶虫脒检测

称取5 g样品，加入20 mL乙腈提取，震荡15 min，然后5000转离心5 min，取2 mL上清液加入石墨化炭黑50 mg，过滤膜，等待进样.稀释4倍，流动相为乙腈和0.1%甲酸水，流速0.3 mL.检测限为0.01 mg/kg.

2 结果与讨论

2.1 温度对土壤中吡虫啉和啶虫脒降解的影响

不同温度条件下，宁夏中宁枸杞园土壤中吡虫啉和啶虫脒的降解动态都符合一级反应动力学方程式(表2).由实验结果可知，土壤温度从5℃上升到35℃时，吡虫啉的半衰期从37.23 d逐渐减少到6.92 d，啶虫脒的半衰期从33.84 d减少到4.74 d，差异均达到极显著水平.温度每升高10℃，吡虫啉半衰期缩短27.8%、53.0%和45.5%；啶虫脒的半衰期缩短幅度分别为39.24%、69.39%和34.56%，前期降幅较大，后期降幅减缓.两种农药均在土壤温度为35℃时降解最快、半衰期最短.

表2 土壤温度对吡虫啉和啶虫脒残留降解的影响

李义强[17]研究发现，当环境温度为25℃时，多菌灵在烟叶中的半衰期最短，在温度为35℃时降解速率最慢.这是由于25℃烟叶生长较好，酶的活性最强，对农药降解和代谢能力较强，而35℃条件下，烟叶在高温胁迫下，酶的活性有一定程度干扰，代谢能力较低，多菌灵的降解转化传导能力较低.Bhardwaj[26]指出温度升高，生物体代谢活动旺盛，在0℃～40℃土壤微生物代谢能力随温度升高而加强，莠去津在土壤中的降解速率与温度呈正相关[27].本研究结果说明吡虫啉、啶虫脒和莠去津在土壤中的降解对温度的响应一致.此外，盛夏时期土壤中吡虫啉和啶虫脒降解最快，该时期也是枸杞盛果期，农户喷洒农药也最频繁，高温促使农药更快降解，这有利于土壤和枸杞果实中残留的新烟碱类农药保持较低量.相同温度条件下吡虫啉和啶虫脒在青岛土壤中的降解半衰期普遍较短[12]，这可能是因为本研究供试土壤为灌淤土，属于砂质壤土，孔隙度相对较大，更有利于农药降解，而且该地区土壤普遍呈弱碱性，研究表明，pH值对农药降解有一定的促进作用[28].且宁夏枸杞园夏季土壤各菌群多样性和丰度均显著大于秋季和春季，所以土壤温度较高时能够显著促进农药降解[29].

2.2 湿度对土壤中吡虫啉降解的影响

土壤湿度对吡虫啉和啶虫脒的影响基本一致(表3)：从20%到60%，随着土壤湿度的增加，两种农药降解速度加快，半衰期显著缩短，但湿度增加到80%时，半衰期均显著增长，农药降解速率最慢.土壤湿度为60%时两种农药降解最快，半衰期分别为12.69 d和7.32 d.原因可能是土壤含水量增加致使氧气减少，而供试土壤是砂质壤土，土壤微生物以好氧微生物为主[29]，土壤中氧气减少抑制了某些好氧微生物的代谢进而影响啶虫脒和吡虫啉的降解[1].李义强[17]研究发现，在一定的湿度范围内，随着湿度的增加，多菌灵降解速率也逐渐加快；湿度为60%时半衰期最短，降解速率最快，湿度为100%时半衰期最长，降解速率最慢，与本研究结果一致.苗辉等[30]研究结果表明莠去津的降解速率随土壤湿度的升高而降低，湿度对莠去津的降解无明显促进作用.虽然两种农药随着土壤湿度的变化降解速率变化趋势相同，但不同湿度下两者降解速率差异显著：在4个土壤湿度梯度中，吡虫啉在80%时半衰期最长，20%时次之，但啶虫脒在20%时半衰期最长，湿度为80%时的半衰期比20%时缩短近一倍时间，说明和干旱条件相比，啶虫脒在土壤湿度更高的灌淤土中降解较快.

表3 土壤湿度对吡虫啉和啶虫脒残留降解的影响

2.3 pH值对土壤中吡虫啉和啶虫脒降解的影响

研究区土壤普遍属于弱碱性土壤，pH值在7.57～8.66(均值为8.29).随着pH值的增大，吡虫啉和啶虫脒的降解速率先加快后减慢(表4)，两种农药在pH值为8.5时半衰期都最短，但在pH值为9.0时半衰期分别比pH值为8.5增加了13.64%和20.32%，到pH值为9.5时比pH值为8.5分别增加了21.41%和38.89%；啶虫脒增幅大于吡虫啉，说明啶虫脒对土壤高pH值更敏感.陈莉等[28]研究指出，土壤酸碱度也能明显影响其降解，碱性越强，降解越快，与本研究结论不同.这是由于该研究供试土壤为浙江嘉兴的青紫泥、江苏常熟的乌栅土和黄泥土，土壤pH值为6.07～7.13，属于弱酸性至中性土壤，pH值还没有达到抑制农药降解的程度.高pH值抑制新烟碱类农药的降解会导致土壤微生物群落的多样性及丰度同时得到抑制.

表4 土壤pH值对吡虫啉和啶虫脒残留降解的影响

2.4 含盐量对土壤中吡虫啉和啶虫脒降解的影响

表层土壤全盐含量为0.76 g/kg～1.62 g/kg(均值为1.31 g/kg)，属于轻度盐渍化土壤.吡虫啉和啶虫脒在不同含盐量条件下降解趋势与不同pH值不同.土壤含盐量在1.0 g/kg～2.5 g/kg范围内，随着含盐量的增加，两种农药降解速率无特定变化趋势，但土壤含盐量达到3.0 g/kg时，二者的降解速率明显减缓，半衰期分别比含盐量1.0 g/kg时增加了3.36 d和3.72 d.说明在低含盐量对两种农药的降解速率并无明显影响，但当浓度达到3.0 g/kg时，可能是由于盐分抑制了土壤中某些微生物的生长与增殖，进而间接影响了吡虫啉和啶虫脒的降解.

表5 土壤含盐量对吡虫啉和啶虫脒残留降解的影响

2.5 初始浓度对土壤中吡虫啉和啶虫脒降解的影响

农药的降解速率和初始浓度也密切相关.初始浓度越高吡虫啉和啶虫脒的降解速率越慢(表6)，但也并非呈线性增加，如吡虫啉浓度分别为1 mg/kg、5 mg/kg和10 mg/kg时，半衰期分别为12.69 d、28.81 d和54.33 d.相同初始浓度下啶虫脒的半衰期分别为7.32 d、24.45 d和49.28 d，整体快于吡虫啉.大量研究表明，一般农药初始浓度越高，农药检出量越大[31-32].IMI的半衰期可达400天，这取决于不同的环境条件，如土壤组成和植被[1].高浓度吡虫啉在土壤中耗散半衰期 65 d，堆肥中为6.6 d[33].吡虫啉在枸杞叶片和果实中的降解半衰期为3.8 d和4.3 d[34].所以，相同农药所处环境不同，降解速率差异达到极显著.

表6 初始浓度对吡虫啉和啶虫脒残留降解的影响

2.6 微生物对土壤中吡虫啉和啶虫脒降解的影响

其他环境条件都相同时，土壤灭菌情况下吡虫啉和啶虫脒半衰期是不灭菌时的8.16倍和10.87倍，降解速率呈极显著差异.从取样的时间点来看，培养前期不灭菌的土样吡虫啉和啶虫脒的降解速度很快，到培养21 d～60 d期间，两种农药降解速度明显减缓，说明培养前期土壤微生物降解所占比例非常大.这可能决定于土壤中微生物的种群数量消长特点.当微生物在土壤中的种群数量以几何级数增长时，其生命力旺盛，代谢能力强，能够在短时间内充分利用和分解土壤中的农药；培养后期土壤微生物代谢能力下降，不利于吡虫啉和啶虫脒的微生物降解，此时非生物降解起主导作用[30].苗辉在研究莠去津的降解中也指出，酸性或碱性的土壤环境对其稳定性影响不大，降解代谢可能更大程度上是依赖土壤微生物的作用.

表7 初始浓度对吡虫啉和啶虫脒残留降解的影响

3 结论

宁夏中宁枸杞园土壤中吡虫啉和啶虫脒的降解动态符合一级反应动力学方程式.土壤温度升高，吡虫啉和啶虫脒半衰期缩短；两种农药均在35℃时降解最快、半衰期最短.随着土壤湿度的增加，两种农药半衰期显著缩短，但当湿度增加到80%时，半衰期均显著增长；土壤湿度为60%时两种农药降解最快.

随着土壤pH值的增大，吡虫啉和啶虫脒的降解速率先加快后变慢，两种农药在pH值为8.5时半衰期都最短.土壤含盐量在1.0 g/kg～2.5 g/kg时，两种农药降解速率与含盐量不相关，但含盐量达3.0 g/kg时，二者的降解速率明显减缓.

吡虫啉和啶虫脒初始浓度越高降解速率越慢.其他环境条件都相同时，土壤灭菌情况下吡虫啉和啶虫脒半衰期是不灭菌时的8.16倍和10.87倍，降解速率呈极显著差异.相同条件下啶虫脒降解速率比吡虫啉快.

整体而言，土壤微生物是新烟碱类农药在宁夏中宁枸杞园土壤中降解的首要影响因素，农药初始浓度、温度和湿度也都影响显著，土壤pH值和含盐量相对影响较小.