除草剂2,4-D丁酯对皮燕麦安全性和产量的影响及其残留动态分析

赵桂琴，琚泽亮，柴继宽

(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州730070)

农田杂草是危害农业生产的重要因素之一，不仅影响作物的产量和品质、传播病虫害，也大大增加了管理用工和生产成本，不利于增产增收[1]。杂草与农作物竞争水肥、光照和生长空间，通过影响作物的叶面积、株高和干物质积累等，使作物平均减产10%～20%[2-4]。目前，化学除草剂的使用仍是控制杂草最有效的手段，一方面价格低廉、使用方便；另一方面能够快速高效控制草害[1]。据统计，我国每年使用的除草剂有效成分就达到8万t以上[5]。但是，除草剂的乱用或滥用会造成药害、环境污染等问题，农产品中残留过高甚至会对人类和家畜等造成危害。所以，科学合理使用除草剂显得极为重要。

除草剂一般可分为选择性和非选择性两种。非选择性除草剂用来除灭所有植物或破坏其生长，因对作物也有一定伤害，所以田间使用比较保守，在大面积、杂草丛生的区域可以使用；选择性除草剂则用于控制某一类型的杂草，其作用原理大多为造成植物某种内源激素的紊乱，进而达到控制植物生长并致死的目的，合成生长素即是一类选择性除草剂，是世界范围内最主要、使用最广泛的除草剂[6]。2,4-D丁酯(2,4-dichlorophenoxyacetic acid butyl ester)便是其中之一，属于苯氧基烷酸类物质，其作用机理是在进入植物体后酯解生成2,4-D(2,4-dichlorophenoxyacetic acid)，进而发挥作用[7-10]。作为除草剂，2,4-D丁酯拥有不易漂移、杀草谱广、活性高、生产成本低等优异特性；但同时，农药残留和对农作物的药害等问题也备受关注。20世纪70年代，Chkanikov等[11]就已经开展了2,4-D代谢途径及其残留分析方法的研究。Sinton等[12]对2,4-D的生物降解途径做了分析，并构建了环境因素对微生物降解2,4-D 的模型。Hamburg等[13]利用14C同位素标记法研究了叶面喷施和土壤喷施2,4-D丁酯后，在小麦(Triticumaestivum)、马铃薯(Solanumtuberosum)等作物中的残留及降解途径，发现不同作物中的2,4-D丁酯残留量及代谢途径不尽相同。国内尚未见有2,4-D丁酯在作物上的残留、降解规律及代谢途径的报道。

燕麦(Avenasativa)是禾本科早熟禾亚科燕麦属(Avena)一年生草本植物，一般可分为带稃型(Avenasativa)和裸粒型(Avenanuda)两大类，俗称皮燕麦和裸燕麦[14]。皮燕麦在我国主要用于畜牧业、养殖业的饲草供应，尤其是青藏高原及周边地区重要的饲草料来源，具有易于栽培、抗逆性强、产量高、品质优等特点，可晒制青干草或制作青贮[15]。随着我国养殖业、畜牧业的不断发展，燕麦青干草及青贮饲料的需求量也随之增加，种植面积逐渐扩大。燕麦的大面积种植离不开对田间杂草的控制，化学除草仍是燕麦田杂草最切实可行的防控手段[16]。而目前我国还没有燕麦田专用的除草剂，生产中主要沿用小麦田的除草方法[17]；但是燕麦对除草剂的敏感性与其他禾谷类作物不同，因此常发生药害。其中2,4-D丁酯对裸燕麦的药害最为明显，直接导致产量下降，同时造成裸燕麦带壳，给脱粒清选和后期的加工利用带来了困难[16]。而皮、裸燕麦差异较大，2,4-D丁酯对皮燕麦的药害情况尚不得知，在皮燕麦中的适宜用量及残留消解动态也有待研究。

鉴于此，本研究在不同施用剂量下测定皮燕麦中2,4-D丁酯及其分解产物的残留动态，探讨2,4-D丁酯施用剂量对皮燕麦安全性、产量及燕麦田杂草防效的影响，以期为合理安排2,4-D丁酯的田间使用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015年在甘肃省定西市通渭县华家岭进行，坐标为E 105°12′，N 34°55′，海拔2342 m，年均降水量500 mm，≥0 ℃的年积温为2530 ℃。试验地土壤全氮含量0.23%、速效氮含量141.39 mg·kg-1、速效磷含量38.52 mg·kg-1、速效钾含量136.92 mg·kg-1、土壤pH值7.92、有机质含量4.67%。前茬作物为胡麻(Linumusitatissimum)。试验材料为皮燕麦陇燕3号(Avenasativacv. Longyan No. 3)，由甘肃农业大学草业学院提供。

采用随机区组设计，小区面积20 m2(4 m×5 m)，小区之间设隔离带，带宽1 m。条播，播种深度4～5 cm，行距20 cm。燕麦于2015年4月5日播种，播种量为210 kg·hm-2。于3～4叶期喷施2,4-D丁酯乳油(山东华阳农药化工集团有限公司)，浓度分别为450(N1)、750(N2)和1050 mL·hm-2(N3)，清水做对照(CK)，每个处理3次重复。将除草剂的设计用量按450 kg·hm-2兑水，在晴朗无风的天气用YS-16C 型背负式手动喷雾器均匀喷雾。施药后对1、7、14、21、28、42(开花期)、63 d(灌浆期)植株及86 d(收获后)籽粒中2,4-D丁酯及其分解产物2,4-D含量的动态变化进行分析。

1.2 测定内容与方法

1.2.1杂草种类调查 于喷药前1 d，采用对角线法调查田间草相，每小区对角线3点取样，样方固定，大小为0.5 m×0.5 m，记录杂草种类及株数，并计算杂草的密度(density，D)和相对密度(relative density，RD)。后期杂草株数和鲜重的取样测定均在同一样方中进行。

D=样方中某种杂草株数/样方面积
RD=(某种杂草的密度/所有杂草的密度之和)×100%

1.2.2安全性调查 从施药开始每隔7 d观察燕麦生长状况，记录燕麦叶片斑点、茎叶扭曲、生长减慢、抽穗异常等现象，并按照黄春燕[18]的分级标准(表1)进行等级划分。

表1 药害分级标准Table 1 The phytotoxicity classification standard

1.2.32,4-D丁酯防效的测定 施药后15、30和45 d采用1.2.1的方法调查杂草株数，45 d时测定杂草鲜重(地上部分鲜重)，并计算株防效和鲜重防效。

株防效=(对照区株数-施药区株数)/对照区株数×100%
鲜重防效=(对照区鲜重-施药区鲜重)/对照区鲜重×100%

1.2.4燕麦株高、干草产量、千粒重及种子产量的测定 灌浆期每小区随机选取10个单株测定株高，取平均值。灌浆期各小区随机选取1 m样段，3次重复，齐地刈割并测量鲜重，样品在65 ℃烘箱中烘至恒重，计算各处理的干草产量。燕麦成熟后全区收获，脱粒晾晒后测定种子千粒重及产量。

1.2.52,4-D丁酯残留量的测定 随机多点采集燕麦植株，每个处理采集有代表性标准株10株。样品为全株采集，混匀剪碎后分样于-80 ℃冰箱保存。样品处理参照周艳明等[19]的方法，最低检出限0.002 mg·kg-1。采用安捷伦1260高效液相色谱仪和G1321B紫外荧光检测器(Agilent，美国)测定2,4-D丁酯残留量。色谱条件为：SB-AQ C18色谱柱(4.6 mm×250 mm)；流动相A(甲醇)∶流动相B(水，用磷酸调pH至3.0)=3∶1(体积比)，流速1 mL·min-1，进样量10 μL，检测波长282 nm，柱温35 ℃，采集时长13 min。

1.2.62,4-D残留量的测定 样品处理及其分析参照耿志明等[20]的方法，最低检出限0.002 mg·kg-1。采用安捷伦1260高效液相色谱仪和G1321B紫外荧光检测器测定2,4-D残留量。色谱条件为：SB-AQ C18色谱柱(4.6 mm×250 mm)；流动相A(甲醇)∶流动相B(水，用磷酸调pH至3.0)=8∶2(体积比)，流速1 mL·min-1，进样量20 μL，检测波长210 nm，柱温30 ℃，采集时长7.2 min。

1.3 数据处理

利用Excel 2003进行数据录入和作图分析，用SPSS 17.0对不同施药量的除草剂残留量及安全性和产量数据进行单因子方差分析，结合Duncan法进行多重比较(P<0.05)，SE表示标准误差(standard error)。

2,4-D丁酯的消解以半衰期来表示，以图示方法表征农药的消解残留动态。即以农药残留量作为纵坐标，以时间为横坐标绘制消解曲线图，拟合出农药的消解方程，计算消解曲线的相关系数r。半衰期用一级反应动力学方程式计算(CT=C0e-kT，CT为时间T时的农药残留量；C0为施药后的原始沉积量；K为消解系数；T为施药后时间；半衰期为T1/2=ln 2/K)。

2 结果与分析

2.1 燕麦田杂草种类组成

从表2可以看出，华家岭燕麦田共有杂草10科14属14种，其中菊科杂草4种，占28.6%；蓼科杂草2种，占14.3%；十字花科、藜科、紫草科、罂粟科、唇形科、茜草科、旋花科、木贼科杂草各1种，共占总数的57.1%。一年生杂草有5种，占杂草种类总数的35.7%；多年生杂草有5种，占杂草总数的35.7%；二年生杂草1种，占总数的7.1%；一年生或二年生杂草3种，占杂草总数的21.4%，这表明华家岭燕麦田杂草种类组成具有多样性的特点。

表2 燕麦田常见杂草种类Table 2 Species of common weeds in the oats fields

密度较大的杂草有刺儿菜、苦荬菜和田旋花。相对密度由高到低的前10位杂草依次是刺儿菜(53.4%)、苦荬菜(11.6%)、田旋花(7.5%)、细果角茴香(5.3%)、灰绿藜(4.0%)、问荆(3.5%)、毛连菜(3.0%)、猪殃殃(3.0%)、香薷(2.8%)和萹蓄(1.7%)。刺儿菜、苦荬菜、田旋花、细果角茴香和灰绿藜的种群密度值均较大，在田间分布较广，对燕麦的危害较大。虽然卷茎蓼和田旋花相对密度不超过10%，但这2种植物都是缠绕茎，且繁殖力强，对燕麦田的危害也较大，其不利影响甚至超过细果角茴香。

2.2 2,4-D丁酯对燕麦安全性的影响

表3 2,4-D丁酯对燕麦苗期安全性的影响Table 3 The influence of 2,4-D butyl ester on oat seedling security

2.3 2,4-D丁酯对燕麦田杂草的防除效果

从表4可以看出，2,4-D丁酯对燕麦田杂草的防除效果随其喷施浓度的升高呈上升趋势。药后15 d，株防效以1050 mL·hm-2处理(N3)为最高，达51.85%，N1处理下最低。药后30 d，3个浓度2,4-D丁酯处理下的株防效较药后15 d有不同程度的上升，仍以1050 mL·hm-2处理为最高，达86.30%。到药后45 d，株防效仍有小幅上升；鲜重防效与株防效类似，1050 mL·hm-2处理下燕麦田鲜重防效达91.21%， N1处理下为78.33%。

2.4 2,4-D丁酯对燕麦株高、干草产量及种子产量的影响

2,4-D丁酯对燕麦株高和籽粒产量的影响非常显著(P<0.05)。喷施不同浓度2,4-D丁酯后，皮燕麦的株高均有不同程度的降低(表5)，尤其是1050 mL·hm-2喷施剂量下，皮燕麦株高较对照降低了10.49%，450 mL·hm-2喷施剂量下，降低了5.01%，均显著(P<0.05)低于对照。

2,4-D丁酯对皮燕麦干草和籽粒产量的影响也较显著(表5)。陇燕3号在750 mL·hm-2(N2)浓度下干草产量较对照增加了5.6%，其他处理则下降，尤其是1050 mL·hm-2浓度下，较对照下降了8.85%，差异显著(P<0.05)；450和750 mL·hm-2喷施剂量下籽粒产量增加，且750 mL·hm-2喷施剂量较对照显著(P<0.05)增加，上升了40.57%。所以，从干草产量来看，高浓度的2,4-D丁酯虽然防除杂草的效果更好，但却并不利于饲草生产，低浓度2,4-D丁酯难以控制杂草的生长，也会对燕麦草的生长造成危害。

表4 不同除草剂对燕麦田杂草的防除效果Table 4 Effect of different herbicides onweed control on oat field (%)

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note: Values with different small letters in the same column show significant differences (P<0.05), the same below.

表5 不同除草剂对燕麦株高、干草产量和籽粒产量的影响Table 5 Effect of different herbicides on naked oats plantheight, hay yield and grain yield

2.5 2,4-D丁酯残留消解动态分析

2,4-D丁酯在皮燕麦植株上的消解残留动态结果见表6。对照中未检测出2,4-D丁酯，故未列出。从表6中可以看出，随着时间的推移，3个喷施剂量下2,4-D丁酯的残留量都不断降低，处理后63 d皮燕麦植株中的消解率均达到99%以上。

各浓度处理下消解动态均符合一级反应动力学模式(图1)。450 mL·hm-2剂量下动力学方程为：CT=0.5344e-0.081T，r=-0.96，T1/2=8.56 d；750 mL·hm-2的剂量下动力学方程为：CT=0.916e-0.078T，r=-0.98，T1/2=8.89 d；1050 mL·hm-2的剂量下动力学方程为：CT=1.5263e-0.089T，r=-0.99，T1/2=7.79 d。

由动力学方程可知，最大残留量均出现在施药后第1天，3个不同浓度2,4-D丁酯处理下最大残留量分别为0.856、1.206和1.660 mg·kg-1，N3的残留量显著(P<0.05)高于其他两个处理。

同时，在同一采样时间，不同剂量下的残留量和消解率又有所区别，1050 mL·hm-2喷施剂量下，2,4-D丁酯残留量始终高于其他各处理，部分时间点(1、7、21、28和63 d)达到显著(P<0.05)水平。450 mL·hm-2喷施剂量下，各时间点的消解率最高。86 d时，收获后的种子中均未检测出2,4-D丁酯。

观察组有效率为96.15%明显高于对照组的80.39%，差异有统计学意义（χ2=6.20，P<0.05），见表 1。

表6 2,4-D丁酯在燕麦植株上的残留消解动态Table 6 The residue dynamics of 2,4-D butyl ester in oat

注：不同小写字母表示同一采样时间不同处理差异显著(P<0.05)，ND表示残留量低于方法的检测限，下同。

Note: Values with different small letters show significant differences among treatments in the same sampling time (P<0.05), ND means pesticide residues was lower than the minimal detectable level, the same below.

2.6 2,4-D的残留消解动态分析

各浓度处理下2,4-D在皮燕麦中的消解动态均符合一级反应动力学模式，对照中无2,4-D检出峰，故未列出。拟合的消解方程CT=C0e-kT、半衰期、消解曲线的相关系数r总结在表7和图1中。消解方程分别为CT=0.0755e-0.093T(450 mL·hm-2)；CT=0.0926e-0.065T(750 mL·hm-2)；CT=0.0924e-0.059T(1050 mL·hm-2)。半衰期范围为7.45～3.02 d，平均为11.75 d，方程的决定系数为0.9435～0.9467。

从表7和图1中可以看出，作为2,4-D丁酯的分解产物，2,4-D的残留消解规律在一定程度上与2,4-D丁酯类似，即随着采样距施药天数的增加，3个喷施剂量下2,4-D的残留量都不断降低，原因是2,4-D丁酯残留量的减少，水解产物亦减少。处理后63 d，2,4-D在皮燕麦植株中的消解率均达到97%以上，450 mL·hm-2用量下未检测出2,4-D，消解率已达100%。86 d时，收获后种子中均未检测出2,4-D。综合2.5中该采样时间点下所有处理中2,4-D丁酯亦未检测出，说明本试验中3个剂量的2,4-D丁酯在皮燕麦田使用不会导致药物残留超标。

表7 2,4-D在燕麦植株上的残留消解动态Table 7 The residue dynamics of 2,4-D in oat

图1 2,4-D丁酯及2,4-D在燕麦植株上的消解残留动态Fig.1 The degradation dynamic curve of 2,4-D butyl ester and 2,4-D in oat

总体上，2,4-D的残留量与2,4-D丁酯的用量呈正相关关系，以1050 mL·hm-2喷施剂量下2,4-D残留量为最高，1 d后残留量为0.127 mg·kg-1；7 d后残留量为0.068 mg·kg-1，消解率为46.46%，而同一采样时间点，450 mL·hm-2喷施剂量下残留量为0.027 mg·kg-1，消解率为70.97%，750 mL·hm-2喷施剂量下残留量为0.052 mg·kg-1，消解率为54.78%。

3 讨论

3.1 不同浓度2,4-D丁酯对燕麦安全性、杂草防效、株高及产量的影响

安全性、防效和产量是除草剂生产和研究领域非常重要的课题。本研究对不同浓度2,4-D丁酯处理下杂草的田间防效及皮燕麦的安全性、株高和产量进行研究，发现安全性随着除草剂浓度的增加而降低，药害加重。1050 mL·hm-22,4-D丁酯处理下，燕麦短期内出现叶顶端下垂、萎蔫、叶尖发红和药斑等症状。王林等[22]报道，在燕麦田间施用2,4-D丁酯1125 mL·hm-2，除草效果良好，未出现明显药害现象；当2,4-D丁酯浓度达到1500 mL·hm-2时，有药害发生。杨忠等[23]在不同品种谷子田间施用450和750 mL·hm-2的2,4-D丁酯，发现其在不同时期对2,4-D丁酯的耐药性表现各不相同，一些品种在750 mL·hm-2受到药害而抑制生长。可见，2,4-D丁酯对不同作物不同时期的影响也不尽相同。除草剂使用剂量超过作物的耐受范围会产生一系列药害，尤其是激素类除草剂，典型症状是致使作物畸形，根、茎、叶、花及穗均产生明显的畸形现象，茎叶褪色、变黄、干枯，并长久不能恢复正常[24-25]。

株防效和鲜重防效是除草剂除草效果最直观的表现，也是药效试验的重要参考指标[26]。总体而言，防效随着除草剂用量的增加而升高，低剂量会导致杂草防效降低，但高浓度会增大生产成本，增加药害，污染环境[16]，所以合理的使用剂量对生产实践至关重要。本研究发现，药后15、30、45 d株防效及鲜重防效，均以1050 mL·hm-2浓度2,4-D丁酯施用量表现为最优，持效期较长，株防效在药后30 d，仍有小幅上升。随着2,4-D丁酯浓度的增加，杂草防效相应提高，但燕麦干草和籽粒产量并未随之相应提高，因为高浓度下药害严重反而导致减产，且农药残留量也显著高于低浓度处理。

激素类除草剂通过活化和干扰植物体内的代谢过程，致使乙烯积累，进而造成病害现象，包括茎秆弯曲、组织肿胀、叶片杯状和光合作用受到抑制等[25]。乙烯作为植物激素具有“三重反应”，即抑制茎的伸长生长；促进茎和根的增粗；促进茎的横向增长。这些可以从本研究中燕麦植株矮化、草产量增加方面得到体现。随着2,4-D丁酯施用浓度的增加，燕麦的株高显著(P<0.05)降低，1050 mL·hm-2剂量下，较对照降低了10.49%。中浓度处理下也有一定程度的降低，但燕麦干草和籽粒产量均增加，可能的原因，一是茎的增粗，横向生长得到促进；二是与对照相比，2,4-D丁酯的使用显著降低了杂草的危害，使燕麦获得了更多的光照、养分和生长空间，干物质积累更丰富。

3.2 2,4-D丁酯在燕麦中的残留消解动态

可持续发展是今后我国农业发展的基本国策，也是世界农业发展的主流，对农田杂草的可持续治理是杂草科学的重点研究对象[1]。化学除草剂在防治田间杂草、确保丰产丰收上起重要作用，但长期大量的使用会带来土壤、水体、大气污染及农药残留积累等一系列问题，威胁生态安全，导致农产品质量安全问题，现已引起社会广泛关注。2,4-D丁酯为激素型选择性除草剂，是苯氧基烷酸类化合物，内吸性和传导性较强，因其不易漂移、杀草谱广、活性高、生产成本低等优异特性而被广泛使用[16]。虽然苯氧基烷酸类化合物的毒性较小，但在土壤、粮食、饲草和环境水中的残留也会对动植物构成不同程度的危害[10]。国外对2,4-D丁酯残留的研究包括环境中2,4-D丁酯残留的迁移和降解，以及果蔬中2,4-D丁酯的残留检测，主要检测方法为气相色谱法和高效液相色谱法[11-13]。相对而言，国内相关的研究报道较少，主要集中在水果和水体中的2,4-D丁酯残留检测[10,18-19]。本研究利用高效液相色谱法对喷施不同剂量2,4-D丁酯后皮燕麦植株中2,4-D丁酯和2,4-D进行定量分析。结果显示各浓度处理下被测物消解动态均符合一级反应动力学模式，消解曲线线性良好，且同一品种中被测物质半衰期基本一致，这也说明周艳明等[19]和耿志明等[20]的方法在定量分析2,4-D丁酯和2,4-D残留上简便可行，结果准确。

粮食或饲草中2,4-D丁酯残留过多会对人畜产生一定的毒副作用，GB 2763-2012有规定，玉米(Zeamays)中2,4-D丁酯的最高残留限量(maximum residue limit，MRL)值为0.05 mg·kg-1，番茄(Lycopersiconesculentum)中2,4-D的MRL值为0.5 mg·kg-1。本研究中，皮燕麦植株上2,4-D丁酯残留在63 d(灌浆期)后，3个施药浓度均降至0.05 mg·kg-1以下，而42 d(开花期)则高于0.05 mg·kg-1，尤其是高浓度下达到0.113 mg·kg-1，高出2倍多。所以，参考玉米的2,4-D丁酯MRL值，本试验条件下陇燕3号收获的适宜时间在灌浆期前后。而灌浆期至乳熟期是燕麦调制青贮饲料的最佳时期[15]，所以，就农药残留而言，2,4-D丁酯是一种安全的皮燕麦田除草剂。

一般来说，除草剂的残留会随其施用浓度的升高而增大[5]，本试验结果与之相符，低、中和高3个施药浓度下2,4-D丁酯及其分解产物2,4-D均呈上升趋势。Singh等[27]用14C示踪法研究了2,4-D在水葫芦(Eichhorniacrassipes)体内的消解残留动态，结果显示，施药后6 d，水葫芦中仍有72.1%的2,4-D未代谢。本试验中，不同施药浓度下2,4-D丁酯在燕麦体内7 d后的消解率有所差异，但均已超过50%，最低为60.16%。可见，除草剂的残留量因施药剂量、植物种类的变化而不同，在农业生产中，对特定的作物需要给以适宜的除草剂种类及使用剂量，科学合理安排杂草防除工作，才能增产增收。

4 结论

杂草防效随2,4-D丁酯施用剂量的增加而提高，1050 mL·hm-2效果最好，但其药害明显，抑制了燕麦的生长；750 mL·hm-2剂量下增产效果明显。

施用浓度对2,4-D丁酯及其分解产物2,4-D的残留量影响显著，随施用浓度的上升农药残留量也不断增加，但不影响燕麦草的饲用安全。

综合考虑各项指标，在本试验条件下，750 mL·hm-2的2,4-D丁酯为皮燕麦田适宜使用浓度。

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