蔗田杀虫剂吡虫啉的环境行为研究进展

付建涛，孙东磊，卢颖林，陈立君，龚恒亮，赵欢欢，戴思行，安玉兴*

(1广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州510316，广东广州，510316；2广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 广东省药肥工程技术研究中心，广东广州510316；3广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 中国轻工业甘蔗制糖工程技术研究中心，广东广州510316)

0 引言

农药是现代化农业的重要组成部分。农药的使用使农作物病虫草害等得到有效防治，世界粮食产量得到大大提高，解决了数十亿人口的温饱问题。化学农药耗能较低、防治迅速、效果较好，在以后的相当长的一段时间内，仍然将是现代农业防治有害生物最依赖的手段。施用农药的最终目标是有害生物体，但是在施用过程中，会有相当一部分农药不能达到有害生物靶标而进入环境或散落到其他非靶标物上[1-2]。大量的农药施于农田后，其“归宿”主要有2个方面：一是分解成无毒的化合物；二是残存于人类赖以生存的环境之中。农药和大多数有机化合物一样，当进入农田环境后，会发生一系列的物理、化学以及生物学的变化，如溶解、挥发、氧化、水解、光解、吸附、迁移以及富集到生物体内并参与生物的代谢等，从而引发一系列环境和生态效应[3-4]，可能导致对水、大气、土壤及其他生物产生污染和危害，对环境和生物的安全以及人体的健康产生诸多不利影响，因此，研究农药的环境行为就显得尤为重要。在当前我国要求大力建设可持续发展农业的形势下，研究农药的环境行为也有着重要的理论和实际应用价值，不仅可以进一步弄清农药的归趋、转化机制和生态效应，更深层次的开展农药安全性评价研究，而且可以最大限度地减缓、控制或修复农药残留物对生态系统的破坏，同时对农药的合理使用、环境友好农药的开发及高效污染物修复技术的创制与发展提供依据。

甘蔗是我国重要的糖料和经济作物，发展蔗糖产业是我国南方省区和边疆民族地区经济发展的重要支柱和农民增收的主要经济来源。在影响甘蔗生产的诸多因素中，害虫的危害成为阻碍甘蔗高质、高产、稳产的重要因素之一。吡虫啉是由德国拜耳和日本农药公司于 1984年共同开发推向市场的新烟碱类杀虫剂，是该类杀虫剂中杀虫效果比较高的品种之一[5]。主要用于飞虱、粉虱、蚜虫等刺吸式口器害虫的防治，具有高效、广谱、内吸性强、田间稳定性好等特点。为了防止蔗田螟虫、绵蚜、蓟马等害虫，广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所)开发了吡虫啉颗粒剂。随着吡虫啉的大量使用，势必对蔗田生态系统中的非靶标生物产生影响，其所产生的生态毒理效应也受到了越来越多的关注[6]。本文阐述了吡虫啉的理化性质和作用机制，重点从作物降解、土壤降解、随水迁移，大气挥发，对靶标昆虫及天敌昆虫的控制效应等方面综述了吡虫啉的环境行为，丰富了吡虫啉在中国应用的知识基础，为合理应用该药剂提供了理论依据。

1 理化性质和作用机制

吡虫啉又称咪蚜胺、蚜虱净、扑虱蚜、比丹，第一代新烟碱类杀虫剂，化学名为 1-(6-氯吡啶-3-吡啶基甲基)-N-硝基亚咪唑烷-2-基胺，分子式为C9H10ClN5O2，分子量为 255.7。纯品为白色或无色晶体，有微弱气味，熔点143.8℃(晶体形式1)、136.4℃(晶体形式2)。20℃时，相对密度1.543。溶解度：水中0.51 g/L，二氯甲烷中50～100 g/L，异丙醇中1～2 g/L，甲苯中0.5～1 g/L，正己烷中小于0.1 g/L，pH 5～11环境中稳定。原药有效成分含量≥80%，外观为浅橘黄色结晶，熔点为 128～132℃，pH值为6.5～7.5。

吡虫啉作为新烟碱类杀虫剂的代表，具有极强的内吸性，具有较高的触杀和胃毒作用。作用机制是作为竞争性抑制剂选择性地抑制昆虫神经系统烟碱型乙酰胆碱受体，其能够模拟乙酰胆碱(Acetylcholine，ACh)的作用方式，竞争结合 ACh的结合位点，导致 ACh结合能力下降，从而抑制ACh与乙酰胆碱受体的结合，并且吡虫啉能模拟乙酰胆碱不停地刺激乙酰胆碱受体，使神经冲动持续性传导，从而破坏神经系统信号的正常传导，起到杀虫作用。

2 降解行为

2.1 作物降解

农药经过喷雾、拌种等方式进入农田生态系统，其中初次的作用对象主要是作物(叶片和种子等)。因此，研究农药在植物体内的环境行为是农药安全性评价不可或缺的资料。吡虫啉在作物的行为主要包括吡虫啉在作物上的降解、分布以及对作物的生长代谢等方面。目前，吡虫啉对作物的生长代谢的研究较吡虫啉在作物上的降解等偏少，但是随着研究水平的逐步提高及近年来药肥行业的发展，已有更多的科研人员将注意力转移到这个研究领域中来。

Thielert于2006年研究发现棉花使用吡虫啉拌种后对苗期蚜虫防治效果明显，且植株长势表现出叶色浓绿，株高、根长与清水对照比都有增加[7]。段强等研究报道了吡虫啉拌种可以提高玉米幼苗叶片和根的可溶性蛋白含量，对玉米幼苗的生长也有明显的促进作用[8]。另外，仪美芹等也报道了吡虫啉对番茄幼苗根系活力及生理生化指标的影响，结果表明 2.5 mg/株浓度下处理能够促进番茄幼苗的生长，5.0 mg/株的剂量处理番茄，植株生长全面受到抑制[9]。由此可知，吡虫啉对作物的影响不仅仅是因为灭杀害虫从而促进作物的生长，而且吡虫啉本身对作物生长发育以及代谢等产生一定的作用。另外，不同作物对吡虫啉的代谢也产生不同的影响。Robin sur和Andreas stork报道了吡虫啉在玉米、茄子、水稻、棉花、土豆以及苹果和番茄果实上的 6种代谢产物，不同作物上吡虫啉的代谢产物也有不同[10]。

农药残留是农药应用后的必然现象。农药残留引起的安全问题已经引起全社会的高度关注。因此，吡虫啉在不同作物上的残留也是目前研究较多的热点。不同作物上吡虫啉的残留水平差异性也很大。Chahil等报道了吡虫啉在绿辣椒上的半衰期在1.41～1.65天[11]，李义强等报道的不同剂型吡虫啉在烟叶上的半衰期在5.0～6.6天[12]，明显高于在辣椒上的半衰期。另外吡虫啉在萝卜、番茄、甘蓝、茶叶及蔬菜上的半衰期都有报道[13-17]，吡虫啉在不同作物上的半衰期具有明显差异。另外，目前关于吡虫啉在作物上的分布也有少量研究报道。

Laurent等利用14C同位素示踪技术研究了吡虫啉种子处理后在太阳花上的分布，结果显示，吡虫啉主要集中在子叶中[18]；郭东梅研究了根菜类萝卜对吡虫啉的吸收特性，其研究结果表明，萝卜根部施药后，吡虫啉在萝卜植株内的含量分布为根＞茎＞叶，叶片施药后，吡虫啉的含量分布为叶＞茎＞根[19]。这说明吡虫啉在作物体内的分布与试药方式有关。郭冬梅等关于吡虫啉在油菜上的分布也得到了相似的结果[20]。

2.2 土壤降解

吡虫啉除叶面喷洒外，土壤处理和种子处理效果也尤为出色，因此，吡虫啉在土壤中的行为同样研究较多。土壤是最重要的环境要素之一，农药在土壤中的环境行为主要包括滞留(吸附、结合残留等)、迁移(挥发、脱附、淋溶等)和转化(生物、化学及光降解等)过程等。土壤对农药的吸附性与土壤的粘粒含量、 阳离子代换量、有机质及pH等理化性质有关，不同类型的农药其土壤吸附存在着一定的差异。当前对吡虫啉在环境中行为研究主要集中在残留方面。吡虫啉在土壤中的残留和降解与土壤性质、气候条件、微生物含量等有密切的联系。Rochand[21-22]等早在1994年就对吡虫啉的环境行为曾做了一些研究，认为吡虫啉在土壤中的渗透不明显，在试验地里的半衰期为 40天。1997年朱忠林等也报道了吡虫啉的光解水解和土壤降解，在我国东北黑土、太湖水稻土和江西红壤中的降解半衰期分别为10.7、11.1和4.1天[23]。农药在土壤中的残留分析，正常是指农药在耕作层的消解规律，但是，农药在土壤中随水向下移动也是农药的重要环境行为之一。农药在土壤中的移动能力，与土壤的吸附性有关。土壤对农药的吸附能力愈强，其移动性愈弱。同一种农药在土壤有机质低的砂性土壤比在土壤有机质高的粘性土中更容易移动。浙江大学化学系宣日成等在 2000年报道了吡虫啉在土壤中的吸附及作用机理研究，结果证实吡虫啉在土壤上的吸附与土壤理化特性有关，有机质的含量是关键，其它因素对吡虫啉吸附的影响较小[24]。

农田施用的化学农药大部分残留于土壤中，抑制土壤中真菌、细菌和放线菌的生长，改变土壤中真菌与细菌的比例，进而影响土壤微生物总活性，从而对土壤微生物产生影响[25-26]。因此，研究农药对土壤微生物的影响，已成为不少国家评价农药对生态环境安全性的一个重要指标。吡虫啉对土壤微生物的影响也有一些相关报道，例如谭丽超等[27]研究表明试验初期土壤微生物碳转化因农药的加入而产生了波动，施用浓度越高，波动效果越明显，随着时间的推移，碳转化影响逐渐减弱，与对照组趋于一致，对土壤碳转化无长期影响。郑巍等[28]发现低浓度吡虫啉对土壤过氧化氢酶有抑制作用，而高浓度有激活作用。张清明等[29]研究表明低浓度(0.4 μg/g)吡虫啉对细菌数量有刺激作用，中浓度(2.0 μg/g)和高浓度(10.0 μg/g)吡虫啉对细菌数量的影响表现为抑制作用。蚯蚓是一种非靶标陆生土壤生物，是土壤生态系统中非常重要的生物类群。目前，将蚯蚓模式生物，表征吡虫啉对土壤非靶标生物的影响，在国内外已有诸多报道。陈爱梅等[30]利用人工土壤法比较了4种不同剂型吡虫啉对蚯蚓的急性毒性效应，结果显示35%吡虫啉悬浮剂对蚯蚓的毒性为高毒，其它3种为中毒；谭曜等[31]也报道了吡虫啉对蚯蚓的急性毒性试验，结果显示吡虫啉对蚯蚓为中等毒性农药。

2.3 随水迁移

农药从开始生产到最后的使用，各个过程当中都有可能进入到水环境中。农田(特别是稻田)使用吡虫啉因其田水渗漏、人为主动排水和降雨后产生地表径流，水中吡虫啉随水土迁移进入水域；其次是因卫生工作需要，如防治血吸虫寄主钉螺、防治蚊子幼虫以及防治水草时直接将吡虫啉施于水域；此外，还有农药厂的废水排放而致水体受农药(或农药中间体化合物)污染均可导致水域污染。俞思绮[32]研究了吡虫啉在相同降雨条件不同施用量下和相同施用量不同降雨条件下在地表水、浅层地下水、土壤中的残留情况，结果表明中雨和大雨条件下，同一吡虫啉施用量下，同一水体中，吡虫啉浓度中雨条件下高于大雨条件下，且吡虫啉在地表水中的浓度明显高于浅层地下水中；标准用量下吡虫啉施用对水体和土壤的残留影响较小，而较高用量、高用量下，吡虫啉的残留影响明显增大，且高用量大于较高用量。另外，吡虫啉进入水体后，会对水生生物造成一定的影响，研究吡虫啉在水环境中的行为和归宿也是十分必要的。郑巍等[33]早在1999年就报道了吡虫啉的水解特性，吡虫啉在酸性和中性条件下水解速度很慢，在自然环境中吡虫啉水解不明显，碱性条件下较容易水解，水解是吡虫啉的主要降解行为之一。朱忠林等[23]也研究了不同 pH条件下吡虫啉的半衰期，pH 5、7与9缓冲液中吡虫啉降解半衰期分别为30.6、13.6与8.0天。由此可知，吡虫啉在水中的降解速率较快，属易降解农药品种，使用后一般不会导致对水体环境造成严重污染。

2.4 向大气挥发

农药挥发损失率与施用方式、降雨和作物表面特性等有关。挥发是农药施用后暴露于人体和向大气传输的重要途径。国外相关研究较多，主要集中在施用农药一段时间后测定其挥发损失和评估挥发的农药对人体的暴露风险2个方面，国内此方面研究较少。农药挥发性的大小，影响农药在土壤中的持留性及其在环境中的再分配，挥发性大的农药一般持留较短，但它对环境的影响范围较大，易对使用区周围的环境生物和作物造成影响。单正军等[34]比较了几种农药的挥发性，结果为嘧啶氧磷＞甲基异柳磷＞克草胺＞吡虫啉，吡虫啉的挥发性表现为最低，这与吡虫啉极低的蒸气压有关。

3 对昆虫的控制效应

3.1 对靶标害虫的控制效应

喷洒农药的最终目标是有害生物体，包括害虫、病原菌、线虫、杂草等。因此，农药对靶标害虫的控制效应应该是农药环境行为研究必不可少的一部分。以往的研究明确了吡虫啉应用范围涉及粮食作物、经济作物、果树、茶叶、蔬菜等60多种作物；防治对象涉及同翅目、半翅目、缨翅目、双翅目、鞘翅目、鳞翅目等7个目50多种害虫[35]。吡虫啉主要用于防治刺吸式口器害虫，防治如蚜虫、飞虱、粉虱、叶蝉、蓟马等。聂王焰等[36]研究了13%吡虫啉微胶囊剂对棉蚜的防治效果，防效达90%以上，持效期 30天以上。黄荣茂等[37]报道了 30%吡虫啉微乳剂对水稻褐飞虱进行田间小区试验，结果表明：吡虫啉对稻飞虱防效高达95%以上。尹可锁等[38]利用假茎注射法研究了吡虫啉对香蕉蓟马的防控效果，该方法对蓟马有较好的防效，并且防治费用比传统方法节省 30%。有研究者在木本植物的树干上钻洞后将吡虫啉注入防治蓟马、华北大黑鳃金龟成虫、槐尺蠖，并取得较好防效[39-40]。但是需要注意的是吡虫啉在田间推广使用已有10多年，稻飞虱、烟粉虱、西花蓟马及马铃薯甲虫等害虫均已对其产生了一定的抗性[41-43]，该药的需求量大幅度下降。如何开拓吡虫啉的应用领域，消化国内吡虫啉的库存和生产能力，是大家十分关注的问题。

吡虫啉具有触杀、胃毒作用，并有一定的拒食效果，作用方式多样，可以根据不同种类害虫的特点加以利用，因此近年来吡虫啉也用于地下害虫的防治。陈春利等[44]的试验研究表明 60%吡虫啉 FS对金针虫、蛴螬等花生地下害虫有明显的防治作用且对花生安全。杨育峰等[45]也报道了70%吡虫啉水分散粒剂对甘薯地下害虫的防治效果，平均防效达到了96.30%。另外，吡虫啉也可以用于玉米、芋头等地下害虫的防治[46-47]。

吡虫啉还可以在林业生产上用于防治白蚁。吡虫啉在美国已登记用于防治白蚁，并已推广使用。卢川川等[48]、韦昌华等[49]研究表明用0.05%～0.2%浓度的吡虫啉进行土壤处理可以有效防止白蚁的侵害，用量要比常规的有机磷杀蚁剂低10～20倍，且毒性低。

3.2 对天敌昆虫的影响

药剂在田间施用过程中，在对害虫产生作用的同时，也对非靶标生物产生影响。吡虫啉对害虫和天敌具有选择性，吡虫啉对不同的天敌的安全性不同，有的安全性很高，有的却具有较大的杀伤力。

瓢虫为鞘翅目瓢虫科(Coccinellidae)圆形突起的甲虫的通称，成虫可捕食麦蚜、棉蚜、槐蚜、桃蚜、介壳虫、壁虱等害虫，可大大减轻树木、瓜果及各种农作物遭受害虫的损害。刘云虹等[48]在室内研究了吡虫啉对瓢虫幼虫的影响，瓢虫对吡虫啉的响应主要与用药量有关。浓度为75～150 g/hm2的处理无幼虫死亡现象，浓度为225～375 g/hm2处理的杀伤率为10%～15%。而10%的吡虫啉可湿性粉剂对七星瓢虫成虫的杀伤率为11.8%～60.8%[50]，说明吡虫啉对瓢虫具有一定保护作用。王小艺等[51]室内的毒力测定结果显示吡虫啉对龟纹瓢虫具有一定的杀伤力，致死中浓度为12.42 mg/L。巫厚长等[52]利用群落参数分析了吡虫啉对烟田节肢动物群落及其各亚群落的影响。结果表明，施药后对烟田节肢动物群落、害虫亚群落的物种数有一定的影响，对天敌昆虫和蜘蛛亚群落物种数的影响不明显，药剂本身对天敌优势种群数量的杀伤力不大。曾兆华等[53]测定了印楝素、吡虫啉、赛丹、天王星和敌敌畏 5种杀虫剂对圆果大赤螨的毒力，及其对茶假眼小绿叶蝉捕食作用的影响。结果表明，吡虫啉对圆果大赤螨的触杀毒性均很低，以田间推荐用量处理死亡率为 0，对捕食功能的影响也较小[54]。由以上结果可知，农田使用吡虫啉对生物群落物种数量的恢复与保持群落的自我调节能力与自然控制力有重要作用。

4 吡虫啉对蔗田害虫的防治效果

4.1 吡虫啉对甘蔗害虫的防治效果

由于甘蔗高杆期施药困难、甘蔗种植区域形复杂多变等问题，吡虫啉多以颗粒剂的形式施用。由于其具有极强的内吸性、较高的触杀和胃毒作用，因此吡虫啉对地上害虫和地下害虫均有较好的防效。据报道，吡虫啉对甘蔗螟虫、绵蚜、蓟马、金龟子、蔗根土天牛等具有较好的防效[55-59]。唐静等报道了 2%吡虫啉颗粒剂对甘蔗螟虫和蓟马的防治效果，900 g a.i./hm2药后80天对蓟马和螟虫的防效均超过了 80%[60]；赵欢欢等报道了吡虫啉 2%颗粒剂对甘蔗螟虫、甘蔗金龟子、甘蔗绵蚜、蓟马均有防效，且效果优于毒死蜱5%颗粒剂和呋喃丹3%颗粒剂[56]。近年来，由于长期单一使用，部分地区的甘蔗螟虫对一些药剂已产生不同程度的抗药性。吡虫啉与杀虫单、杀虫双、毒死蜱的复配药剂相继出现，登记企业有河南好年景生物发展有限公司、0.5%吡虫啉·杀虫单缓释粒剂 900 kg/hm2防治甘蔗绵蚜药后60天防效达91.80%[61]，对蔗根天牛防效的防效25%～40%，对金龟子的防效大于70%[57]。

另外，吡虫啉与传统蔗田杀虫剂杀虫双、杀虫单、毒死蜱、呋喃丹等相比，具有低毒高效环保的特点。赵欢欢等研究了2%吡虫啉颗粒剂、低毒农药毒死蜱5%颗粒剂以及高毒农药呋喃丹3%颗粒剂对甘蔗螟虫、黑色蔗龟、绵蚜、蓟马等害虫的防治效果，结果显示吡虫啉2%G对甘蔗螟虫、甘蔗金龟子、甘蔗绵蚜、蓟马均有防效，且效果优于毒死蜱5%G和呋喃丹 3%G[56]。与丁硫克百威颗粒剂相比，2%吡虫啉 BRG具有施用方便、药效时间长等使用特性，同时有显著的促长增产作用[59]。吴玉东等人比较了联苯菊酯、克百威、联苯菊酯+克百威、吡虫啉、杀虫双、毒死蜱、甲拌磷处理对甘蔗螟虫的防治效果，结果表明吡虫啉处理的防治效果最好与各处理显著性差异[62]。孙东磊等人比较了吡虫啉、噻虫嗪和噻虫胺等3种新烟碱类杀虫剂颗粒剂对甘蔗螟虫的室内毒力活性，吡虫啉、噻虫嗪和噻虫胺对条螟的 LC50值分别为 0.3239、0.2003、0.1056 μg/mL，3种药剂在田间均有较好的防效。综上所述，从防治效果和成本上考虑，2%吡虫啉颗粒剂是目前防治甘蔗螟虫、蓟马、绵蚜等害虫较为理想药剂。

4.2 影响吡虫啉防治甘蔗害虫效果的因素

吡虫啉对甘蔗害虫的防治效果主要决定于施用浓度。吡虫啉对甘蔗螟虫、绵蚜、蔗龟等害虫的防治效果随使用量的增大而提高[59-60]。另外农药的施用受环境条件影响较大，如气候、温度、湿度、光照、土壤、水质、风速和田间植物群体分布等。

5 展望

研究农药的环境行为有助于准确评价生态系统和人体健康的风险性。吡虫啉作为烟碱类杀虫剂的典型代表，其长期使用可能产生的环境问题已引起人们的高度关注。目前对吡虫啉环境行为的研究主要涉及土壤残留、作物残留、对害虫的控制效应及对天敌的影响等方面另外，吡虫啉也可以通过过挥发、淋溶和径流等途径影响人类健康和周边环境，其生物代谢、降解和土壤吸附等行为与土壤特性及气候条件等因素的关系也都有研究报道。我国幅员辽阔，气候条件是影响吡虫啉农药环境行为的重要因素。特别在广东、福建、海南等地，台风及暴雨等灾害气象时有发生，田水外流而使其施用农药环境风险的机率大大增加，因此我国华南地区应该关注吡虫啉的随水迁移以及对水环境的影响。最后，吡虫啉在环境中会逐渐发生降解和代谢，某些降解或代谢产物的残留期和毒性可能与农药母体不同。因此，若想准确评价其环境和安全行为，不但要考虑农药母体、还应充分考虑农药代谢物的健康效应。