高效液相色谱法测定砂土和壤土中敌草隆残留消解动态

张嘉宇，杨德松

(石河子大学农学院/新疆绿洲农业病虫害治理与植保资源利用自治区普通高校重点实验室,新疆 石河子 832003)

农药污染现已成为一个世界性问题,对土壤的危害最为严重。而土壤是一个复杂的多介质多界面系统,随着农业可持续发展理念的提出,土壤质量成为当前研究的热点,因此,农药在土壤中的消解行为研究具有较强的科学价值与指导意义[1]。而新疆作为棉花优势主产区,棉花种植面积2 540.5 khm2，产量占全国棉花的比重为74.4%,当前新疆种植棉花98%都是机采棉,棉花脱叶是植棉全程机械化的重要组成部分,直接影响的棉花的品质、采收的质量和效率。棉花脱叶剂效果的好坏决定着最终棉花的整体收成,因此敌草隆以复配的形式作为脱叶剂在新疆棉田发挥着重要的作用。近年来,除草剂的销售增长率远高于杀虫剂和杀菌剂,约占到农药产量比重的1/3[2-3]。除草剂作为一种重要的农业生产资料,在保护农业生产、提高农业综合生产能力、促进粮食稳定增产和农民持续增收上发挥着极其重要的作用。但在除草剂品种持续增加、效能不断提高的同时,也带来了一系列环境问题[4-5]。除草剂的大量使用超出了环境的自然清解能力,直接污染着大气、水体、土壤等自然环境,这些残留的除草剂对环境产生的不良影响已经引起人们的广泛关注[6-7]。敌草隆(diuron)属于取代脲类除草剂,取代脲类除草剂是一类广谱、内吸性除草剂,在农业生产中广泛应用。它们在自然界中的半衰期较长,对环境具有明显的不良影响[8]。研究[9-12]发现,敌草隆的吸附行为也与土壤中的有机质含量有关,其吸附系数有随土壤有机质含量增高而增大的趋势。因此，在有机质含量低的土壤里,敌草隆容易产生淋失渗漏而导致水环境污染。目前,国内外对于除草剂的测定方法较多,主要涉及土壤、植物等[13-16],但对于敌草隆在土壤中的残留消解动态研究较少,本研究利用高效液相色谱法(HPLC)对敌草隆在不同土质中的残留消解动态进行了研究。高效液相色谱法适于溶解后能制成溶液的样品(包括有机介质溶液),不受样品挥发性和热稳定性的限制,对分子量大、难气化、热稳定性差的生化样品及高分子和离子型样品均可检测。部分农药由于具有挥发性和热不稳定性,使用气相色谱法气化时容易发生分解,从而使立体结构发生改变,使得检测得到的数据可靠性变差,而采用高效液相色谱分析,可以有效克服这一缺点。同时，高效液相色谱法有着快速简便、灵敏度高等优点，广泛应用于农药残留的检测中[17-18]。本文为了评估敌草隆在不同土壤质地中的残留消解动态,在田间试验的基础上,利用高效液相色谱法,对敌草隆在砂土及壤土中的残留、消解动态进行了研究,为敌草隆在土壤中的合理利用提供了理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试药剂及仪器

供试药剂：540 g/L噻苯·敌草隆悬浮剂SC(360 g/L噻苯隆+180 g/L敌草隆)购于江苏辉丰生物农业股份有限公司；敌草隆标准品(质量分数98.8%)购于德国Dr.Ehrenstorfer公司；乙腈(色谱纯)；氯化钠。

供试仪器：高效液相色谱仪(Waters e2695 Separations Module)；涡旋振荡器；电子分析天平；高速台式离心机；超声波清洗器。

1.2 田间试验设计

田间试验设计参照《农药残留试验准则(NY/T 788—2004)》进行[19]和《农药登记残留田间试验标准操作规程》[20]。

1.2.1 试验方法

试验地点：新疆石河子市石河子大学试验站；

试验时间：2018年9—11月；

供试土壤：砂土和壤土地块进行土壤消解动态试验；

喷施剂量：参照产品说明推荐使用剂量,并根据实际情况做适当调整。540 g/L噻苯·敌草隆悬浮剂于砂土和壤土中喷施3种浓度,分别为：推荐用药量180 mL/hm2；0.5倍用药量90 mL/hm2；2倍用药量360 mL/hm2。

小区面积：如图1所示,91 m2(13 m×7 m),划分为8个区域,其中2个清水喷施作为对照,并设置隔离带。将配制好的3种不同浓度药剂分别均匀喷施于砂土及壤土中,采用五点采样法于施药后的1、5、7、14、21、30、45 d采集土壤,采集量不少于1 kg,存于密封袋中,贴好标签,置于-20 ℃冰箱内,待测。

图1 供试小区示意图

1.3 分析方法

1.3.1 标准品母液的配制

准确称取敌草隆标准品并用乙腈溶解配置成浓度为100 mg/L的标准品母液备用,于-20 ℃保存。

1.3.2 土壤样品的前处理

土壤采集后风干研磨过2 mm筛备用。用电子天平准确称取土壤样品10 g至50 mL离心管内,分别加入3%氨水2 mL和乙腈8 mL,涡旋震荡提取10 min。再加入NaCl4 g盐析促使水相和有机相分离,继续涡旋震荡2 min,将离心管置于4000 r/min的离心机内高速离心5 min。取上清液1 mL过0.22 μm有机滤膜后,将其注入进样小瓶,待测。

1.3.3 色谱条件

高效液相色谱仪HPLC(Waters e2695 Separations Module)。色谱柱：5 μm×4.6 mm×250 mm。流动相：甲醇与水的体积比为60:40；流速1 mL/min。柱温：35 ℃,测定波长：254 nm。进样量20 μL。

1.3.4 标准曲线的制作

将配制好的100 mg/L敌草隆标准品母液,用乙腈分别稀释成质量浓度为0.01、0.05、0.1、1、5 mg/L的系列标样工作溶液,于1.3.3条件下进行测定。

1.3.5 添加回收率

将配制好的100 mg/L敌草隆标准品母液,按照0.01、0.05、1 mg/kg的添加量分别添加到空白土壤样品中。每个添加量重复5次平行试验。按照1.3.2方法进行提取和净化,测定回收率及相对标准偏差。

2 结果与分析

2.1 标准曲线

试验采用外标定量法,以敌草隆标准品浓度为横坐标(X),以色谱峰的面积为纵坐标(Y)绘制标准曲线图,并进行线性回归分析,获得的标准曲线(见图2)为：y=5.47×104x+3.47×103(R2=0.99),相对保留时间为5.66 min。结果表明,在0.01～5 mg/L内,敌草隆的质量浓度与其峰面积有着良好的线性关系(见图3)。

图2 敌草隆的标准曲线图

图3 敌草隆的标样色谱图

2.2 方法的准确度和精密度

敌草隆在空白土样中的添加量分别为0.01、0.05、1 mg/kg,按照上述1.3.2方法处理并用高效液相色谱法进行检测,测定的土样中敌草隆的添加回收率为94.90%～95.72%,相对标准偏差在0.93%～1.64%之间(见表1),符合要求,可用于敌草隆农药残留的检测。

表1 敌草隆在土样中的添加回收率

2.3 砂土和壤土中敌草隆的消解动态

用360 g/L噻苯隆·180 g/L敌草隆均匀喷施于砂土和壤土中。由表2可知,在0.5倍用药量(90 mL/hm2)喷施时,敌草隆在砂土中的原始沉积量分别为0.41、0.38、0.27、0.23、0.16、0.12、0.05 mg/kg；标准用药量(180 mL/hm2)喷施时,敌草隆在砂土中的原始沉积量分别为0.79、0.68、0.54、0.48、0.38、0.18、0.12 mg/kg；2倍用药量(360 mL/hm2)喷施时,敌草隆在砂土中的原始沉积量分别为1.62、1.31、0.92、0.71、0.42、0.37、0.26 mg/kg。360 g/L噻苯隆·180 g/L敌草隆0.5倍用药量(90 mL/hm2)喷施时,敌草隆在壤土中的原始沉积量分别为0.48、0.39、0.33、0.29、0.18、0.14、0.11 mg/kg；标准用药量(180 mL/hm2)喷施时,敌草隆在壤土中的原始沉积量分别为0.82、0.63、0.42、0.36、0.32、0.2、0.19 mg/kg；2倍用药量(360 mL/hm2)喷施时,敌草隆在壤土中的原始沉积量分别为1.66、1.51、1.12、0.87、0.56、0.51、0.46 mg/kg。

表2 敌草隆在砂土和壤土中的残留量

注：S、R分别为砂土和壤土；1、2、3为3种喷施浓度：360 g/L噻苯隆180 g/L敌草隆0.5倍用药量90 mL/hm2；标准用药量180 mL/hm2；2倍用药量360 mL/hm2。

结果表明,相同浓度的药剂喷施于不同土壤,敌草隆在砂土中的残留低于壤土。随着时间的延长,敌草隆在土壤中的残留不断降低。且随着浓度的增高,敌草隆在土壤中的残留量也逐渐增多。

由图4可知,敌草隆在砂土和壤土中的消解动态均符合一级动力学方程Ct=C0ekt,其中C0为施药后敌草隆的原始沉积量,k为消解速率常数,Ct为残留量,t为取样时间；半衰期的计算公式为T1/2=ln2/k。

360 g/L噻苯隆·180 g/L敌草隆在0.5倍用药量(90 mL/hm2)喷施时,敌草隆在砂土中的消解动力学方程为Ct=0.433e-0.047t,半衰期为14.7 d；标准用药量(180 mL/hm2)喷施时,敌草隆在砂土中的消解动力学方程为Ct=0.824e-0.044t,半衰期为15.8 d；2倍用药量(360 mL/hm2)喷施时,敌草隆在砂土中的消解动力学方程为Ct=1.379e-0.042t,半衰期为16.5 d。在0.5倍用药量(90 mL/hm2)喷施时,敌草隆在壤土中的消解动力学方程为Ct=0.444e-0.034t,半衰期为20.4 d；标准用药量(180 mL/hm2)喷施时,敌草隆在壤土中的消解动力学方程为Ct=0.652e-0.032t,半衰期为21.7 d；2倍用药量(360 mL/hm2)喷施时,敌草隆在壤土中的消解动力学方程为Ct=1.470e-0.031t,半衰期为22.4 d。

图4 不同浓度敌草隆在砂土和壤土中的消解动态

由表3可知,不同浓度的敌草隆喷施于同样质地的土壤中,随着敌草隆药剂浓度增大,半衰期逐渐延长；在喷施相同浓度的敌草隆于不同的土质中时,敌草隆在砂土中的半衰期明显低于壤土。

表3 敌草隆在砂土和壤土中的消解动力学方程及相关参数

3 结果与讨论

3.1 结果

本试验采用高效液相色谱法建立快速准确的敌草隆在土壤中的残留分析方法,对比砂土和壤土在不同的时间的药品残留量。试验结果表明敌草隆在0.01～5 mg/kg内有良好的线性关系,灵敏度、准确度均符合要求,且目标峰分离效果较好；敌草隆在砂土和壤土中的消解动态均符合一级动力学方程,且与施药浓度有关,施用药品浓度越大,其在土壤中消解越慢；同样浓度的药剂喷施于2种土壤中,敌草隆在砂土中的消解速度明显快于壤土,在砂土中的半衰期为14.7～16.5 d,在壤土中的半衰期为20.4～22.4 d。本研究为敌草隆在田间的合理使用提供依据。

3.2 讨论

敌草隆是一种兼具内吸和触杀作用的取代脲类除草剂。它被植物的根和叶吸收入植物体后通过抑制植物的光合作用,致使叶面变黄,最终死亡。敌草隆普遍以复配的形式被广泛用于棉田,因此棉花脱叶剂的使用成为新疆机采棉中重要的组成部分。但连续多年普遍使用除草剂,会使其残留于土壤,不但易对后茬农作物产生药害,影响农作物的产量和品质,也会对土壤的理化性质和生物多样性产生不良影响。

(1)本研究采用高效液相色谱法检测敌草隆在不同土壤中的残留消解动态,敌草隆的相对保留时间为5.66 min,不同于其他相关文献[21-23]的报道,这可能与检测时所使用的仪器、检测条件和检测方法不同有关。敌草隆在土壤中的添加回收率为94.9%～95.72%,最低检测浓度为0.01 mg/kg,因此,本研究中的方法可以满足敌草隆残留分析的要求。

(2)已有研究[24-26]表明,农药施用于不同质地的土壤中,土壤的吸附能力也不同。本试验对施用于2种不同的土壤质地中的敌草隆残留消解动态进行了研究,结果表明,敌草隆在砂土和壤土中的消解动态有明显差异,相同浓度的药剂喷施于不同土壤中,敌草隆在砂土中的残留低于壤土。这可能是与2种土壤性质有着明显的差异,砂土通透性强,通气良好,好气性微生物活动占优势,可以促进有机质分解,有机质矿质化加快,且土壤疏松,易耕作；而壤土颗粒组成中黏粒、粉粒、砂粒含量适中,质地介于黏土和砂土之间,兼有黏土和砂土的优点,通气透水、保水保温性能都较好,因此,造成了敌草隆在不同土质中残留消解动态也有所不同。

(3)敌草隆在土壤中的半衰期与种植的作物、种植地点、土壤性质、温度等均有着密切的关系。本研究发现,敌草隆在土壤中的消解动态符合一级动力学方程,且与施用浓度有关,施用药品浓度越大,其在土壤中消解越慢；敌草隆在土壤中的半衰期为14.7～22.4 d。冯义志[8]等研究表明敌草隆在棉田土壤中的半衰期为11.4～18.9 d。谢梦醒[27]研究表明敌草隆在安徽宣城试验点甘蔗土壤中的消解半衰期为11.96～21.36 d；在广东湛江试验点敌草隆在土壤中消解半衰期为10.36～12.57 d。在不同研究中敌草隆的半衰期也各不相同,其影响因素很多,包括温度、土壤性质、种植作物、气候差异等。