农田丁草胺和苄嘧磺隆的残留特征及消解动态

王丹琴，王 雪，朱雪竹，赵海燕，林超霸

(南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095)

化学除草剂作为一种经济高效、可靠的田间除草手段，在粮食的丰产稳产中发挥了重要作用。以苄嘧磺隆为主的磺酰脲类和丁草胺等酰胺类除草剂是中国市场的主流品种[1]，苄嘧磺隆与丁草胺的复配剂广泛应用于我国南北稻区，用以防除田间的禾本科杂草和恶性阔叶杂草[2]，年使用量占市场份额的50%以上。同时，由于丁草胺挥发性和淋溶性差，而苄嘧磺隆具有不易挥发、不易光解、移动性小、稳定性强、半衰期长的特点，两者均易残留于土壤中[3]，长期连续使用极易造成农田除草剂残留污染[4]。有研究[5]表明丁草胺在稻田施用5个月后仍能被检出，其在土壤中的最高残留量为30.87 mg·kg-1，常年施用农药的农田表层土壤[6]中丁草胺检出量高达206.06 μg·kg-1，苄嘧磺隆检出量高达2.78 mg·kg-1。除草剂会粘附到作物上，QIU等[7]在从农田及市场中收集的小麦中检出0.015 mg·kg-1丁草胺，AL-NASIR等[8]在农田种植的蔬菜中检出0.486 mg·kg-1苄嘧磺隆，威胁农产品安全。南京市位于中国东部、长江下游中部地区，具有优越的地理位置与水利条件，农业产业发展迅速，2017年全市农药使用量(商品量)为945 t，而除草剂用量占比为40%，远超过杀虫剂和杀菌剂[9]。截至2020年3月2日，南京市化学除草面积达3.332万hm2，但鲜见对该地区农田除草剂残留特征与消解动态的相关报道。笔者以丁草胺和苄嘧磺隆为研究对象，选取南京市两个代表性农业种植区域——江宁区和六合区，探究农田土壤中这两种除草剂的残留特征与消解动态，以期为南京地区农田除草剂的合理施用及污染防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样点概况

六合区位于南京市北部，地势北高南低，南部地形以平原为主，平原区主要为典型的稻-麦茬口种植区，常年种植面积约为320 km2；江宁区位于南京市东南部，地势南北高、中间低，常年种植面积约为199.8 km2。南京市属亚热带季风气候区，年降水量约为1 200 mm，年平均温度为15.4 ℃。采样地于10月下旬至11月上旬开始播种冬小麦，次年6、7月为收获期，在小麦播种后20～40 d内进行第1次除草，2月下旬至3月上旬(返青期)会出现第2个出草高峰期(以阔叶杂草为主)，此期间常用苄嘧磺隆除草[10]。6月中下旬播种晚稻，水直播田一般在播种后2～4和25～30 d用丁草胺和苄嘧磺隆兑土或拌肥料撒施进行2次封闭处理;机插秧田在机器插秧前1～4 d和插秧后7～14 d用苄嘧磺隆的复配除草剂及丁草胺等进行2次土壤封闭处理；抛秧田一般在移栽后3～7 d(7月)施用苄·丁复配剂进行第1次除草[11-12]，保持3～5 d后还需根据情况再进行补治。该研究在六合区东南部水稻种植中心及周边2～6 km范围内选取5个采样点(S1～S5)，在江宁区南部农田区域2～6 km范围内选取6个采样点(S6～S11)，采样点距离公路500 m以上。

1.2 样品采集及处理

根据采样地区农田除草剂施用特点，采样时间设置为小麦和水稻收获期，在冬小麦第2次施用除草剂2～3个月后选取22块麦田，同样在晚稻第2次施用除草剂2～3个月后选取24块稻田。土壤采样深度为0～20 cm，采集方法参考HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》[13]，将采集回来的新鲜土样去除砂砾等杂物，于-20 ℃条件下冷冻干燥后，过250 μm孔径筛备用。每块农田同时采集22～25份农作物，采集方法参考DB51/T 1047—2010《粮油作物植物样品田间采集及制备技术规范》[14]，将水稻和小麦的茎叶和带壳籽粒分开处理，置于通风干燥处阴干，用垄谷机脱壳，粉碎得糙米、稻壳、麦壳样品，过250 μm孔径筛备用。

1.3 土壤理化性质的测定

土壤黏粒、粉粒和砂粒含量测定采用比重计速测法，含水率、pH值测定分别采用烘干法(105 ℃)、电位法，土壤有机质含量测定采用重铬酸钾容量法(外加热法)，土壤阳离子交换量测定采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法(HJ 889—2017)[15]，土壤碱解氮含量测定采用扩散法，土壤速效磷含量测定采用钼锑抗比色法[16]。

1.4 丁草胺和苄嘧磺隆的提取

1.4.1苄嘧磺隆

土壤：用二氯甲烷-丙酮(体积比为7∶3)混合液作为提取液[17]。称取2 g经预处理的土壤，加10 mL提取液，超声提取(90 W)40 min，按6 000 r·min-1离心5 min(离心半径为10 cm)，收集上清液，重复提取两次，合并提取液，转移至硅胶层析柱(从下至上分别为少量脱脂棉、2 g 48 μm孔径柱层析硅胶和2 g无水Na2SO4)中净化分离，用乙腈淋洗并洗脱2次，收集所有洗脱液，40 ℃条件下旋转蒸发至近干后，用2 mL乙腈(色谱纯)定容，过0.22 μm有机相滤头，待液相色谱仪分析用。

农作物：用丙酮-乙酸乙酯(体积比为4∶3)混合液作为提取液[18]。称取2 g经预处理的作物样，加14 mL提取液，以下同土壤提取操作。

1.4.2丁草胺

土壤：用石油醚-丙酮(体积比为1∶1)混合液作为提取液[2]。称取2 g经预处理的土壤，加10 mL提取液，超声提取(90 W)40 min后，按6 000 r·min-1离心5 min(离心半径为10 cm)，收集上清液，重复提取两次，合并提取液，转移至硅胶层析柱中净化分离，用石油醚-丙酮(体积比为94∶6)混合液淋洗并洗脱2次[19]，收集所有洗脱液，40 ℃条件下旋转蒸发至近干，用石油醚(色谱纯)定容至2 mL，过0.22 μm有机相滤头，待液相色谱仪分析用。

农作物：用丙酮-乙酸乙酯(体积比为4∶3)作为提取液[18]，称取2 g经预处理的作物样，加14 mL提取液，以下同土壤提取操作。

1.5 液相色谱测定条件

仪器：高效液相色谱仪(岛津LC-20AD)，配紫外检测器。色谱柱：Agilent ZORBAX Eclipse Plus C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)。待测物为苄嘧磺隆，流动相[20]为乙腈-水(体积比为55∶45)(含体积分数φ=0.2%的冰醋酸，pH=4～5)；待测物为丁草胺，流动相[21]为乙腈-水(体积比为70∶30)(含φ=0.2%的冰醋酸，pH=3～3.5)；流速为1.0 mL·min-1。柱温为40 ℃，检测波长为254 nm，以峰面积外标法定量。苄嘧磺隆和丁草胺的保留时间分别为5.36～5.40和2.78～2.81 min。苄嘧磺隆线性方程为y=13 569x+25.498(R2=0.999 9，x为检测物浓度，y为峰面积)，最低检出限为0.010 8 mg·kg-1，回收率为88.96%～95.18%(添加浓度分别为0.05、0.5和5 mg·kg-1)，相对标准偏差为1.56%～3.95%。丁草胺线性方程为y=52 427x+95.596(R2=0.999 9)，最低检出限为0.012 5 mg·kg-1，回收率为87.85%～93.62%(添加浓度分别为0.05、0.5和5 mg·kg-1)，相对标准偏差为1.61%～5.35%。

1.6 室内模拟试验设计

根据常用品种60%丁草胺乳油、10%苄嘧磺隆可湿性粉剂的使用标准，分别按推荐剂量的50%、100%和200%作为施用剂量，设置6个浓度处理组：处理组DT1、DT2和DT3土壤中丁草胺初始浓度为0.4、0.8和1.6 mg·kg-1，处理组BT1、BT2和BT3土壤中苄嘧磺隆初始浓度为0.2、0.4和0.8 mg·kg-1，按m(土)∶m(水)=6∶4的比例调整好土壤质量含水率(40%)，均匀搅拌后配制成不同浓度的药土，每个处理重复3次。同时设置对照试验，以未使用过除草剂的休耕田土壤为对照，土壤为黄棕壤。对照土壤理化性质：质量含水率为18.9%，黏粒质量含量为26.8%，粉粒质量含量为31.5%，砂粒质量含量为31.3%，阳离子交换量为18.47 cmol·kg-1，有机质含量为32.00 g·kg-1，pH=6.15，碱解氮含量为106 mg·kg-1，速效磷含量为33.8 mg·kg-1。将各处理组置于温度为(25±1) ℃、湿度为70%～80%的人工气候培养箱中进行室内模拟试验，培养时间设置为32 d，每隔8 d采集测定土壤中除草剂含量。

1.7 数据分析

试验数据采用Excel 2010软件进行分析并作图，采用SPSS 24.0软件对数据进行两个独立样本非参数检验(Mann-Whitney检验)，以及双变量Spearman和Pearson系数相关性分析(双尾检验)。

2 结果与讨论

2.1 苄嘧磺隆和丁草胺残留分布特征

各采样点糙米和谷壳样品中均未检出苄嘧磺隆和丁草胺残留，GB 2763—2019《中国食品中农药最大残留限量》[22]中人体对于苄嘧磺隆和丁草胺的可接受日摄入量(ADI)分别为0.2和0.1 mg·kg-1，这两种除草剂的残留量未超标,但采样点农田土壤中存在除草剂残留(表1)。土壤中丁草胺残留量为ND～1.578 mg·kg-1，检出率为54.55%，苄嘧磺隆残留量为ND～0.102 mg·kg-1，检出率为63.64%。其中，在采样点位S8，丁草胺和苄嘧磺隆残留量最大值分别为1.578和0.102 mg·kg-1，分别为残留量平均值的5.33倍和4.52倍，表明这些区域除草剂施用量较高。

表1 农田土壤中丁草胺和苄嘧磺隆的残留浓度Table 1 Residue of bensulfuron methyl and butachlor in agricutural soils

分区域来看，这两个区域农田土壤中苄嘧磺隆残留量无显著性差异，而丁草胺残留量存在显著性差异(P<0.01)。江宁区农田土壤中丁草胺和苄嘧磺隆平均含量分别为0.296 和0.035 mg·kg-1，六合区平均含量分别为0.070和0.029 mg·kg-1。分不同利用类型土壤来看，稻田和麦田土壤中丁草胺残留存在显著性差异(P<0.01)，苄嘧磺隆残留量则无显著性差异。稻田土壤中丁草胺和苄嘧磺隆残留量均值分别为0.410和0.033 mg·kg-1，麦田土壤中残留量均值分别为0.010和0.028 mg·kg-1。

稻田土壤中丁草胺残留量显著高于其在麦田中的残留量，主要是与稻田丁草胺施用量较高有关。南京市农田中常见的杂草主要为禾本科和莎草科杂草，丁草胺对大部分一年生禾本科杂草、莎草科杂草等有较好的防治效果[11-12]。根据江苏省不同地区农田禾本科杂草对除草剂抗性强度的调研报告，苏南六合、江宁是抗性较大的区域，易导致丁草胺用量增加[23]。江苏省植保植检站2019年公布的《稻田杂草绿色防控技术方案》显示，稻田丁草胺施用频率和剂量明显高于苄嘧磺隆。江宁区稻田[11]常施用30%丁·苄可湿性粉剂1 800～2 250 g·hm-2，10%苄嘧磺隆可湿性粉剂150～300 g·hm-2和36%丁草胺复配剂2 250 mL·hm-2。六合区稻田[12]常施用20%苄嘧磺隆复配剂600 g·hm-2，50%苄丁异丙隆可湿性粉剂1 200 g·hm-2和42%丁草胺复配剂1 500～1 800 mL·hm-2。在实践中，除草剂通常被反复施用以控制杂草。丁草胺在江宁区稻田土壤中的残留量偏高，尤其是江宁采样点位S8和S9显著高于其他点位，主要为该区域除草剂的实际施用量较高所致。

2.2 土壤理化性质对除草剂残留的影响

采样区农田土壤均为黄棕壤，但理化性质存在差异，其中，有机质含量为25.4～48.1 g·kg-1，土壤pH值为5.14～6.8，碱解氮含量为87～145 mg·kg-1，速效磷含量为13.0～33.8 mg·kg-1。土壤理化性质与除草剂残留浓度的相关分析见图1。

图1 土壤理化性质与除草剂残留浓度的Pearson相关分析

分析结果(图1)显示，苄嘧磺隆残留量与土壤有机质含量呈显著负相关(Spearman相关系数ρ=-0.761，显著性值sig<0.001)，在偏酸性条件下与pH值呈显著正相关(ρ=0.903，sig<0.001)；丁草胺残留量与土壤有机质含量呈显著负相关(ρ=-0.458，sig=0.032)，在偏酸性条件下与pH值无显著性相关。苄嘧磺隆残留量和丁草胺残留量分别与土壤碱解氮含量、土壤速效磷含量无显著性相关。

农药的水溶性、挥发性、剂型以及施药量均不同程度地影响农药在土壤中的淋溶和迁移[24]，土壤的吸附性能和微生物降解是大多数除草剂在土壤中消失的主要途径。石健等[3]发现土壤对丁草胺的吸附性能与有机质含量和pH值有着一定的密切关系，有机质含量与吸附量呈正相关，在碱性条件下(pH值为7.0～10.0)不利于土壤吸附。叶凤娇等[25]也发现农药在土壤中降解速率的主要影响因素为土壤pH值和有机质含量。程玲等[26]的实验结果表明稻田土壤中苄嘧磺隆的降解速率随土壤有机质含量的增加而加快，随土壤pH的升高而降低。土壤有机质含量是影响土壤微生物量的一个重要因素，随着有机碳含量的增高，土壤微生物量上升，同时微生物活性也得到提高，从而加快了除草剂在土壤中的降解[27]。

2.3 土壤中丁草胺和苄嘧磺隆的消解动态

图2显示，相同培养条件下对比发现，丁草胺施用剂量虽高于苄嘧磺隆，但其在试验土壤中的残留量要低于苄嘧磺隆，表明丁草胺降解速率更快。处理组BT3和DT3土壤中施用200%推荐用量的苄嘧磺隆和丁草胺32 d后，两种除草剂残留量都低于0.20 mg·kg-1。农药在土壤中的消解规律遵循一级反应动力学方程，苄嘧磺隆的降解反应动力学方程为Ct=C0e-0.053t(Ct为td 时土壤中除草剂残留浓度，C0为除草剂初始浓度)，丁草胺的降解反应动力学方程为Ct=C0e-0.087t，两种除草剂的消解速率不受施用量的影响，苄嘧磺隆降解速率常数为0.053 d-1，丁草胺降解速率常数为0.087 d-1。

处理组BT1、BT2、BT3土壤中苄嘧磺隆初始含量为0.2、0.4、0.8 mg·kg-1，DT1、DT2、DT3土壤中丁草胺初始含量为0.4、0.8、1.6 mg·kg-1。

在实际农田中，由于气候、土壤性质和土壤微生物等条件的变化，两种除草剂在土壤中的消解速率常数及半衰期[26]与笔者模拟试验中预估的数值存在差异。KAUR等[28]发现丁草胺在实际稻田和室内模拟实验条件下的半衰期分别为15.2～19.29和25.94～29.79 d。在室内培养条件下土壤中苄嘧磺隆半衰期分别为12.4(第1阶段)和35 d(第2阶段)，在实际稻田土壤中其半衰期分别为11.8(第1阶段)和15.6 d(第2阶段)[29]。笔者研究中的模拟试验条件可能有利于这两种除草剂的消解，苄嘧磺隆半衰期为13.08 d，丁草胺半衰期为7.94 d，此与前人研究结果存在差异。

3 结论

(1) 稻田土壤中苄嘧磺隆和丁草胺残留量显著高于麦田土壤中残留量；不同除草剂在不同区域残留特征存在差异，苄嘧磺隆在两个采样区域土壤中的残留量无显著性差异，而丁草胺在两个区域的残留量存在显著性差异。

(2) 研究发现，部分点位丁草胺施用量较高，导致其在土壤中残留量高，但稻米和麦粒中未超标。

(3) 农田土壤中苄嘧磺隆和丁草胺残留量与土壤有机质含量之间呈现显著负相关性，应关注有机质含量低的农田土壤中除草剂的残留问题。