殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤溫室氣體排放的影響

鄭祥洲，丁洪*，雷俊杰，張玉樹(shù)，范平，翁伯琦

1. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建 福州 350013，2. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，福建 福州 350003

在現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)大生產(chǎn)中，農(nóng)藥已經(jīng)成為了一種不可或缺的農(nóng)用化學(xué)品，它的大量使用保障了世界的糧食安全。然而化學(xué)農(nóng)藥的廣泛應(yīng)用使其直接或間接的進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，并在土壤中累積，破壞自然的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。就現(xiàn)有的研究結(jié)果而言，大多數(shù)農(nóng)藥都對(duì)土壤微生物種群變化和酶活性產(chǎn)生很大的影響（Cisar和Snyder，1996；Min等，2001）。微生物參與土壤中碳氮循環(huán)，農(nóng)藥影響微生物的活性從而間接影響到土壤碳氮轉(zhuǎn)化和N2O、CO2以及 CH4等溫室氣體的產(chǎn)生（Sandor等，2008；丁洪和王躍思，2004；丁洪等，2012；Kyaw和Toyota，2007）。然而農(nóng)藥的類型和品種很多，對(duì)微生物活性的作用效果各不一樣（閏穎等，2004；陳中云等，2003），因此其對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響也不盡相同。從我們前期的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，除草劑草甘膦和丁草胺的施用會(huì)顯著減少溫室氣體N2O和CO2的排放，且不同除草劑品種間對(duì)溫室氣體減排的作用有較大差異（丁洪等，2012）。因此，針對(duì)不同的農(nóng)藥種類（除草劑、殺蟲(chóng)劑和殺菌劑）對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響分別展開(kāi)研究是十分必要的，可以為農(nóng)藥的施用效應(yīng)和安全施用評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。然而，目前針對(duì)殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤溫室氣體排放的影響的相關(guān)研究還比較少。因此，本研究選擇了我國(guó)廣泛使用的兩種殺蟲(chóng)劑品種吡蟲(chóng)啉和毒死蜱開(kāi)展這方面研究，可為土壤碳氮循環(huán)研究、溫室氣體排放的估算和農(nóng)藥的安全使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用的兩種殺蟲(chóng)劑品種吡蟲(chóng)啉和毒死蜱為研究對(duì)象（吡蟲(chóng)啉為易克斯特農(nóng)藥有限公司生產(chǎn)的10%可濕性粉劑、毒死蜱為江蘇快克農(nóng)化股份有限公司生產(chǎn)的48%乳液），氮肥為普通尿素w(N46%)。供試土壤取自福州市郊菜田土，土壤類型為灰泥土，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.30 g·kg-1、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.55 g·kg-1、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為147.70 mg·kg-1、土壤容重為1.22 g·cm-3、pH5.9。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)空白對(duì)照(CK)、尿素、吡蟲(chóng)啉（5、10和50 mg·kg-1干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)）+尿素以及毒死蜱（5、10和50 mg·kg-1干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)）+尿素，尿素用量（以N計(jì)）為200 mg·kg-1干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每次取樣4次重復(fù)。

野外采回的新鮮土壤微風(fēng)干，過(guò)2 mm篩，測(cè)定其質(zhì)量含水量，稱取折150 g干土的微風(fēng)干土，裝入體積300 mL的廣口瓶中。肥料和殺蟲(chóng)劑均先按比例混合溶于水后定量加入，使土壤水分含量達(dá)到體積含水量的60%。然后用封口膜封口，保持瓶?jī)?nèi)外自由通氣，在28 ℃下恒溫培養(yǎng)。

在取樣前1 d，揭開(kāi)封口膜，用帶有2根玻璃管的軟木塞塞住瓶口，密封，2根玻璃管分別接1段硅膠管，其中1根接上三通閥，然后密封2根通氣管。檢查密封情況，如有漏氣及時(shí)密封。培養(yǎng)24 h后抽取氣樣，取樣時(shí)將20 mL塑料針筒接上三通閥瓶，打開(kāi)閥門，來(lái)回推拉混勻幾次，抽取瓶中20 mL氣體注入18 mL的真空玻璃瓶中供分析用。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、8、12、16、20、24、30、36天取樣。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法

氣體樣品分析應(yīng)用經(jīng)中國(guó)科學(xué)院大氣物理所改裝過(guò)的美國(guó)Agilent公司生產(chǎn)的GC7890A測(cè)定，N2O氣體樣品分析色譜柱為填充80/100 目porapak Q的填充柱，柱溫55 ℃，檢測(cè)器溫度330 ℃，ECD檢測(cè)，定量六通閥進(jìn)樣，進(jìn)樣量1 mL，載氣為N2，流速30 mL·min-1。

CO2和CH4氣體樣品分析為色譜柱為填充80/100 目porapak Q的填充柱，柱溫55 ℃，檢測(cè)器溫度200 ℃，F(xiàn)ID檢測(cè)，定量六通閥進(jìn)樣，進(jìn)樣量1 mL，載氣為N2，流速30 mL·min-1。

單位時(shí)間氣體排放通量的計(jì)算方法：F[μg·kg-1·h-1(以土計(jì))]=C×M/22.4×V/1000×1000/W/T。F為溫室氣體N2O、CO2和CH4的排放量，C為氣體質(zhì)量濃度測(cè)定值(μg·mL-1)，M為1 mol的氣體質(zhì)量，22.4為大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下阿伏伽德羅常數(shù)，V為培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)總的自由體積(mL)，1000為mL換算成L，W為培養(yǎng)土壤質(zhì)量(kg)，1000為土質(zhì)量g化成kg，T為密閉培養(yǎng)的時(shí)間(h)。

總 的 排 放 量 計(jì) 算 方 法 ： F(μg·kg-1土)=∑(F1+F2)/2×t×24。F1為前1次測(cè)定值，F(xiàn)2為后1次測(cè)定值，t為相隔天數(shù)，24為每天小時(shí)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作采用SPSS 13.0和Excel 2003。

2 結(jié)果與分析

2.1 殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤N2O排放的影響

土壤中的硝化和反硝化作用都會(huì)產(chǎn)生N2O溫室氣體，當(dāng)土壤中的生態(tài)環(huán)境因子發(fā)生改變時(shí)，會(huì)影響到硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，這些細(xì)菌被抑制時(shí)，就會(huì)減少土壤中N2O的排放。從圖1可以看出，培養(yǎng)期間，空白對(duì)照處理N2O排放量一直處于很低的水平，施用氮肥后明顯增加了土壤N2O的排放速率。所有施肥處理的 N2O排放速率均呈現(xiàn)出先逐漸升高，出現(xiàn)一個(gè)排放高峰，然后再降低的規(guī)律。有所不同的是，單施尿素處理的N2O排放高峰出現(xiàn)的最早，為培養(yǎng)后的第8天，并持續(xù)到了培養(yǎng)后的第12天，之后迅速降低；吡蟲(chóng)啉處理的排放高峰則出現(xiàn)在培養(yǎng)后的第12天，排放高峰推后4 d，之后迅速降低；毒死蜱處理的N2O排放高峰出現(xiàn)的最遲，為培養(yǎng)后的第16天，即殺蟲(chóng)劑的施用推遲了土壤N2O的排放高峰。從圖 1還可以看出，對(duì)于殺蟲(chóng)劑吡蟲(chóng)啉來(lái)說(shuō)，隨著用量的增大，土壤N2O的排放量越低。

圖1 土壤中N2O排放動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Temporary changes of N2O flux from soil

2.2 殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤CO2排放的影響

施用氮肥明顯增加了土壤CO2的排放速率。從圖2可以看出，在培養(yǎng)的前期施肥處理的CO2排放速率一直高于空白對(duì)照，說(shuō)明土壤中施氮肥在一定程度上增加了土壤溫室氣體CO2的排放量。在培養(yǎng)的第1天，各個(gè)施肥處理之間的CO2排放速率均出現(xiàn)了排放的最高峰值，且各個(gè)處理間無(wú)差異。到了培養(yǎng)的第3天時(shí)，毒死蜱處理明顯抑制了土壤CO2的排放速率，并隨著用量的增加，抑制作用愈發(fā)明顯，抑制作用一直持續(xù)到了培養(yǎng)的第12天。從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的第16天，毒死蜱處理的CO2的排放量達(dá)到第2個(gè)高峰，表明毒死蜱在培養(yǎng)的后期一定程度上增加了CO2的排放。到了培養(yǎng)的第30天，各處理間的CO2排放量無(wú)差異。

圖2 土壤中CO2排放動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Temporary changes of CO2 flux from soil

圖3 中CH4排放動(dòng)態(tài)變化Fig.3 emporary changes of CH4 flux from soil

2.3 殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤CH4排放的影響

在淹水的水稻田和其他濕地水分飽和的環(huán)境下，土壤中會(huì)排放溫室氣體CH4，但是局部土壤或者是土壤團(tuán)粒在水分沒(méi)有飽和的情況下也能產(chǎn)生溫室氣體CH4。在本試驗(yàn)中，供試土壤一直處于在60%的土壤體積含水量的條件下，在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，8個(gè)處理間的CH4排放通量均無(wú)差異（圖3）。因此，在本試驗(yàn)條件下，施用氮肥和殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤CH4的排放量沒(méi)有明顯影響。

2.4 殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤溫室氣體排放量的作用

從表 1可以看出，和空白處理相比，尿素的施用明顯增加了土壤溫室氣體N2O和CO2的排放量，但對(duì)CH4的排放量影響不大。從36 d的排放總量看，當(dāng)吡蟲(chóng)啉用量為5 mg·kg-1時(shí)，土壤N2O和CO2排放總量和尿素處理無(wú)明顯差異，但當(dāng)吡蟲(chóng)啉用量上升至10和50 mg·kg-1時(shí)，則顯著降低了溫室氣體N2O和CO2的排放量（p<0.05），其N2O排放量（以N計(jì)）分別為652.87和418.78 mg·kg-1，和尿素處理相比降低了26.89%和53.10%；其CO2排放量（以CO2計(jì)）分別為1079.46和1096.73 mg·kg-1，分別比尿素處理降低了降低15.14%和13.79%。和尿素處理相比，毒死蜱在5、10和50 mg·kg-1用量時(shí)，對(duì)土壤的N2O排放量無(wú)明顯影響；然而毒死蜱質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5和10 mg·kg-1時(shí)，明顯抑制了土壤CO2的排放（p<0.05），分別比尿素處理降低了19.88%和19.02%，但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到50 mg·kg-1用量時(shí)，土壤的CO2排放量與尿素處理無(wú)差異。吡蟲(chóng)啉和毒死蜱在 5、10和 50 mg·kg-1干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)下CH4排放總量和尿素處理均無(wú)差異。

3 討論

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上3大農(nóng)藥(殺蟲(chóng)劑、殺菌劑和除草劑)中的一種，殺蟲(chóng)劑的施用對(duì)土壤微生物活性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，從而影響到土壤中溫室氣體的排放（Ekundayo，2003）。不少研究表明，不同殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤中微生物的活性和碳氮形態(tài)變化的作用效果可能有別（周世萍等，2008；趙志強(qiáng)等，2010），這既有殺蟲(chóng)劑本身效應(yīng)的差異，也有環(huán)境條件不同(如土壤特性)引起的差異。Singh等（1999）的研究發(fā)現(xiàn)，不同的殺蟲(chóng)劑品種對(duì)土壤溫室氣體排放過(guò)程的影響效果各不相同，當(dāng)土壤沒(méi)添加硫酸銨肥時(shí)，5~100 mg·kg-1土的卡巴呋喃在對(duì)土壤排放N2O沒(méi)有影響，2~10 mg·kg-1土的六氯化苯抑制了N2O的排放，但是當(dāng)土壤添加硫酸銨后，卡巴呋喃增加了土壤中N2O的排放。本試驗(yàn)結(jié)果也表現(xiàn)出不同殺蟲(chóng)劑品種以及不同用量效應(yīng)上差異的存在。另外，即使是相同的殺蟲(chóng)劑品種也有可能得到截然不同的結(jié)果，Blanco等（2011）研究表明，甲基對(duì)硫磷（毒死蜱）明顯增加了土壤的反硝化進(jìn)程，非但不能抑制土壤中N2O和N2氣體的排放，反而增加了這兩種氣體的排放量，而本試驗(yàn)條件下，毒死蜱對(duì)土壤的N2O排放量無(wú)明顯影響。從CO2的排放情況來(lái)看，劉慧君等（2001）認(rèn)為吡蟲(chóng)啉可以強(qiáng)烈抑制土壤的呼吸作用，而且當(dāng)添加的吡蟲(chóng)啉的劑量越大時(shí)，這種抑制強(qiáng)度就越大。然而從本試驗(yàn)的結(jié)果看，吡蟲(chóng)啉在5 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下對(duì)CO2排放總量的影響效果不明顯。吳珉等（2004）的研究則指出毒死蜱土壤的呼吸作用沒(méi)有抑制效應(yīng)，甚至促進(jìn)土壤呼吸，促進(jìn)強(qiáng)度與農(nóng)藥添加量呈現(xiàn)正相關(guān)，而本研究則發(fā)現(xiàn)毒死蜱在5、10 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下顯著降低了CO2排放量，反而當(dāng)毒死蜱用量上升至50 mg·kg-1后，土壤CO2排放量和尿素處理無(wú)差異。這可能是不同土壤條件和試驗(yàn)條件的影響所致。可見(jiàn)，不同的殺蟲(chóng)劑品種和用量對(duì)溫室氣體排放的影響會(huì)有所差異，而且即使是相同的殺蟲(chóng)劑品種在不同的試驗(yàn)條件下，對(duì)土壤溫室氣體排放的影響也存在較大差異。

4 結(jié)論

1）當(dāng)施加尿素在土壤中后，很明顯地使土壤溫室氣體N2O和CO2的排放量增加，然而對(duì)CH4的排放無(wú)明顯影響。

2）殺蟲(chóng)劑吡蟲(chóng)啉和毒死蜱的施用推遲了土壤N2O的排放高峰。當(dāng)吡蟲(chóng)啉用量在 5 mg·kg-1時(shí)，土壤N2O排放總量和尿素處理無(wú)差異，在10和50 mg·kg-1時(shí)，則顯著減少了N2O排放（p<0.05），分別比尿素處理降低了26.89%和53.10%；毒死蜱不論在 5、10 mg·kg-1，還是 50 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下N2O排放總量與尿素處理均無(wú)差異。

3）吡蟲(chóng)啉用量在5 mg·kg-1時(shí)，土壤CO2排放總量和尿素處理無(wú)差異，在10和50 mg·kg-1時(shí)，則顯著減少了CO2排放（p<0.05），分別比尿素處理降低了15.14%和13.79%；毒死蜱在5、10 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下顯著降低了CO2排放量，分別比尿素對(duì)照降低了19.88%和19.02%，當(dāng)用量上升至50 mg·kg-1時(shí)，土壤CO2排放量和尿素處理無(wú)差異。

4）殺蟲(chóng)劑施用明顯影響到土壤溫室氣體的排放，但不同殺蟲(chóng)劑品種及其用量的效應(yīng)也存在明顯差異。因此，針對(duì)殺蟲(chóng)劑對(duì)土壤溫室氣體排放的影響機(jī)理，還需要進(jìn)一步的研究論證。

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