二甲戊靈在燕麥田土壤中的殘留與消解動態(tài)

閆車太，趙桂琴，柴繼寬，茍智強，許興澤

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè) 可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

二甲戊靈(Pendimethalin) 屬二硝基苯胺類內(nèi)吸傳導(dǎo)型選擇性芽前除草劑，化學(xué)名稱N-(1-乙基丙基)-3,4-二甲基-2,6-二硝基苯胺，商品名有施田補、胺硝草、二甲戊樂靈等。分子式C13H19N3O4，分子量為281.3Da，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：

二甲戊靈純品為桔黃色結(jié)晶固體，在水中的溶解度為0.275 mg/L(25℃)，易溶于丙酮、甲醇、二甲苯等有機溶劑，揮發(fā)性小，不易光解，對酸堿穩(wěn)定。1976年由美國氰胺公司(現(xiàn)歸屬巴斯夫公司)首先開發(fā)，常用于玉米、大豆、棉花、水稻、煙草等多種作物田防除馬唐、稗草、狗尾草、莧、藜等一年生雜草[1]。

隨著二甲戊靈用量及使用范圍的日益增加，其對人類健康的影響、殘留危害等亦引起人們的高度重視。Hou等[2]研究表明，長期接觸二甲戊靈的人群，對肝癌和直腸癌的相對風(fēng)險度(RRs)分別達5.2、9.2。Jaz′Wa等[3]的研究報道，二甲戊靈在土壤中的殘留可能會導(dǎo)致后茬作物發(fā)生藥害，也有對環(huán)境產(chǎn)生污染的潛在風(fēng)險。二甲戊靈的殘留檢測主要有氣相色譜法、高效液相色譜法、氣質(zhì)連用法等[5]。賈會娟等[4]采用高效液相色譜法對二甲戊靈在棉田不同深度的殘留降解研究發(fā)現(xiàn)，二甲戊靈隨著土層深度的增加(0～20 cm)，降解速度逐漸加快，半衰期由15.1 d減小至7.8 d。陳莉等[5]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法，測得二甲戊靈在馬鈴薯田土壤中的半衰期為20.0～30.1 d，而在馬鈴薯植株中降解相對較快，半衰期為9.5～10.6 d。Zimdahl等[6]研究發(fā)現(xiàn)二甲戊靈在土壤中的降解不遵循常規(guī)農(nóng)藥降解的一級動力學(xué)模型而符合二次模型。而Wauchope等[7]的研究報道二甲戊靈在土壤中的半衰期可長達90 d。二甲戊靈施用后對土壤環(huán)境和微生物的影響也有相關(guān)報道。金前、胡佳月、賈會娟等[8-10]的研究表明，二甲戊靈對土壤細(xì)菌、真菌、放線菌以及土壤脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶、蔗糖酶均有影響。

二甲戊靈對燕麥田雜草的防治有良好的效果。冷延瑞等[11]報道，33%二甲戊靈乳油以2 000 mL/hm2施用后，對白燕2號燕麥田中單子葉和雙子葉雜草的防效均在80%，燕麥產(chǎn)量損失挽回率達54.65%。曹麗霞等[12]對6個燕麥品種試驗田雜草防效的研究表明，二甲戊靈原液以2 400 mL/hm2施用后，對藜科、蓼科、禾本科、莧科雜草防治效果明顯，尤其對藜科雜草的防效最好，最高達100%，平均草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量比未施除草劑的對照處理分別高出42.9%和70.5%。但二甲戊靈在雜草田間防效良好、增產(chǎn)明顯的同時，對燕麥也表現(xiàn)出一定的負(fù)面作用。王娟等[13]報道二甲戊靈對燕麥穗長、輪層數(shù)、小穗數(shù)等性狀有一定的抑制作用。冷延瑞等[14]發(fā)現(xiàn)，二甲戊靈對燕麥有輕微藥害。二甲戊靈殘留的研究對象多集中在蔬菜、棉花等經(jīng)濟作物上。燕麥多種植于高寒冷涼地區(qū)[19]，這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境良好，受到的環(huán)境威脅和破壞較少，測定二甲戊靈在燕麥田土壤中的殘留，對于燕麥及后茬作物的生長，以及二甲戊靈對土壤和環(huán)境的影響都有重要意義。采用高效液相色譜法，探討燕麥田土壤中二甲戊靈的殘留水平及消解動態(tài)過程，以期為評估二甲戊靈在燕麥田土壤中的殘留風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅中部蘭州榆中縣良種場，海拔1 730 m，年均氣溫6.7℃，年均降水量350 mm，無霜期120 d，土壤有機質(zhì)8.67 g/kg，土壤pH 7.72，土壤類型為黃綿土，前茬作物為胡麻，兩年內(nèi)無二甲戊靈施用記錄。

1.2 試驗設(shè)計及采樣

降解動態(tài)試驗于2016年進行，供試燕麥品種為白燕2號裸燕麥，3月29日播種，播種量為180 kg/hm2，播種機條播，播種深度3～5 cm，行距20 cm。小區(qū)面積5 m×4 m，隨機區(qū)組排列，小區(qū)之間設(shè)隔離帶，帶寬1 m。試驗用藥為33%二甲戊靈乳油，按推薦劑量900 g/hm2與高劑量(1.5倍推薦劑量)1 350 g/hm2，于燕麥播種后3 d施藥，設(shè)計用量兌水450 kg/hm2，用YS-16C型背負(fù)式手動噴霧器均勻噴霧。每個處理3次重復(fù)，同時設(shè)噴施清水的空白。于施藥后0、1、3、5、7、15、22、30、45、60 d，采0～10 cm土層土樣，各小區(qū)采用棋盤式取樣法取9個點，原始土樣不少于1 kg。土樣除去植物殘渣、石塊等分裝后帶回實驗室過2 mm篩，四分法縮分保留250 g土樣，放至-20℃冰箱低溫保存。同時預(yù)留平行樣品，以備水分測定，用于校正為干土的殘留量。田間試驗設(shè)計參照“農(nóng)藥殘留試驗準(zhǔn)則”進行[20]。

1.3 儀器與試劑

儀器設(shè)備：Agilent1260型高效液相色譜儀，配紫外檢測器(美國安捷倫科技公司)；SKY-211C型恒溫培養(yǎng)振蕩器(上海蘇坤實業(yè)有限公司)；旋轉(zhuǎn)真空離心濃縮儀(北京五洲東方科技發(fā)展有限公司)；KQ-2000VDE型超聲波清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司)；SBC22十萬分之一電子天平(德國SCALTEC公司)；JA2003型千分之一電子天平(上海越平科學(xué)儀器有限公司)；超純水儀(成都唐氏康寧科技發(fā)展有限公司)。

標(biāo)樣及試劑：二甲戊靈標(biāo)準(zhǔn)品(阿拉丁試劑(上海)有限公司，純度99%)；流動相甲醇(山東禹王實業(yè)有限公司化工分公司，色譜純)；乙腈(天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司，分析純)、氯化鈉(天津市百世化工有限公司，分析純)；超純水；0.22 μm有機濾膜。

1.4 分析方法

1.4.1 樣品前處理 稱取20 g土壤樣品于恒重好的鋁盒中，105 ℃下烘干至恒重，測定水分含量(用于折算農(nóng)藥在干土中的含量)。同時稱取20 g土樣于250 mL具塞三角瓶中，準(zhǔn)確加入100 mL乙腈，于恒溫振蕩器中30 ℃下恒溫振蕩提取2 h，再于超聲波清洗儀中40kHz，150W下超聲10 min，一并轉(zhuǎn)入50 mL離心管中，3 800 r/min高速離心沉降5 min，將上清液過濾至裝有5 g氯化鈉和8 mL去離子水的100 mL具塞量筒中，劇烈振搖2 min，待靜置分層后，準(zhǔn)確移取45 mL上層有機相，于旋轉(zhuǎn)真空離心濃縮儀上(45℃)濃縮至近干，色譜純甲醇定容至4 mL，過0.22 μm有機濾膜，HPLC待測。

1.4.2 色譜條件的建立 色譜柱ZORBAX Eclipse Plus C18(4.6×250 mm，5 μm)；流動相，甲醇∶水=85∶15(V∶V)；流速1.0 mL/min；柱溫30℃；波長238 nm；進樣量20 μL。

1.4.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 準(zhǔn)確稱取0.010 00 g二甲戊靈標(biāo)準(zhǔn)品，用色譜純甲醇定容于100 mL容量瓶中，此為100 mg/L標(biāo)準(zhǔn)母液，采用系列稀釋法將此母液稀釋為0.05、0.10、0.50、1.00、5.00、10.00 mg/L的二甲戊靈系列標(biāo)準(zhǔn)工作液，按色譜條件測定，外標(biāo)法定量，以二甲戊靈進樣質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程和相關(guān)系數(shù)。

1.4.4 添加回收率試驗 用未施過二甲戊靈的空白對照土樣進行添加回收率試驗。稱取空白對照土樣20 g，添加不同濃度的二甲戊靈標(biāo)準(zhǔn)品溶液，使其在土壤中的質(zhì)量濃度分別為0.05，0.50和1.00 mg/kg，每濃度進行5次重復(fù)，按上述方法進行前處理及分析測定，計算回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.5 殘留量計算

二甲戊靈殘留計算公式[21]：

式中：R為樣品中二甲戊靈的殘留量(mg/kg)；C為從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得的相應(yīng)二甲戊靈濃度(mg/L)；V終為最終定容體積(mL)；W為土樣質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗條件的優(yōu)化

2.1.1 提取劑的選擇 選取乙腈作為土壤中二甲戊靈的提取溶劑。二甲戊靈難溶于水而易溶于大多數(shù)有機溶劑，對于二甲戊靈的提取多使用乙腈、丙酮、二氯甲烷等[5]。根據(jù)二甲戊靈的化學(xué)性質(zhì)，并考慮到待測土樣中含有一定量的水分，在與水互溶的乙腈和丙酮中，丙酮提取出的雜質(zhì)較多，且不易與水分離。乙腈常

用于提取各種極性與非極性農(nóng)藥，并且考慮到后續(xù)處理的難易程度，選用乙腈作為提取溶劑。

2.1.2 提取溶劑用量及提取方式的優(yōu)化 選取不同體積乙腈提取液、不同輔助提取方式對土壤進行0.05，0.50和1.00 mg/kg 3個水平濃度的添加回收率試驗，重復(fù)3次，得平均回收率(表1)。

試驗開始加入60 mL乙腈，采用傳統(tǒng)恒溫振蕩的提取方式，對空白土壤進行0.05，0.50和1.00 mg/kg 3個水平的添加回收率試驗，結(jié)果表明，隨著添加濃度的增加，土壤中二甲戊靈的平均回收率開始下降，由94.52%降至71.50%。然后，對試驗條件進行優(yōu)化，增加乙腈至100 mL，并在40 kHz,150 W條件下超聲輔助提取10 min，結(jié)果表明，二甲戊靈在0.05，0.50和1.00 mg/kg水平的添加回收率明顯提高，分別為96.59%，94.63%和90.72%。尤其是1.0 mg/kg水平下較前一種方式提高了19.22%。二甲戊靈屬極易被土壤吸附的除草劑，但為物理吸附[22]，可通過一定的提取溶劑和提取方式，使吸附于土壤中的二甲戊靈解吸而被提取至提取液中。超聲提取所產(chǎn)生的熱作用、機械作用和空化作用等可以增加物質(zhì)分子的運動頻率和速度、溶劑的穿透能力、提取物與溶劑的接觸面積等，可縮短提取時間，提高提出率[23]。

表1 不同提取方式下二甲戊靈在土壤中的回收率

2.1.3 萃取方式的選擇 選擇乙腈作為溶劑提取后，會將土壤中的水分一起帶出，給后續(xù)濃縮操作帶來困難。常用氯化鈉水溶液-二氯甲烷作為萃取劑將目標(biāo)化合物萃取至更易濃縮的二氯甲烷中，或用鹽析法直接加入過量的氯化鈉固體和少量的水使乙腈溶液分層，乙腈相中多余的水分析出，而目標(biāo)物留在分配比例更高的有機相中。在使用二氯甲烷作為萃取劑時，乳化現(xiàn)象嚴(yán)重，影響分層。因此，選用鹽析法，在添加回收率試驗中，回收率均能達到90%，符合農(nóng)藥殘留檢測標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4 流動相 參考周天倚[16]的研究，選取甲醇-水體系作為流動相。固定柱溫、檢測波長、進樣量、流速，對甲醇和水的體積比在95∶5～70∶30配比檢測，結(jié)果表明，當(dāng)甲醇比例為95%和90%時，其出峰時間太早，分別為5.3、6.2 min，受雜質(zhì)峰干擾較重；而當(dāng)甲醇∶水=70∶30(v∶v)時，峰型變寬、拖尾。最終選取甲醇∶水=85∶15(v∶v)作為流動相，其保留時間為8.9 min。

2.1.5 檢測波長的確定 用可變波長紫外檢測器對二甲戊靈標(biāo)準(zhǔn)溶液在200～400 nm進行掃描，結(jié)果表明，當(dāng)檢測波長為238 nm時，二甲戊靈有較好的吸收，且流動相中溶劑的吸收小，干擾較小。因此，最終確定238 nm為檢測波長。

2.2 線性范圍

在試驗色譜條件下，二甲戊靈標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度為0.05～10.0 mg/L時，與其對應(yīng)的峰面積呈良好的線性關(guān)系(圖1)。線性回歸方程式為y=93.7683x-3.248 9，R2=0.999 1。

圖1 二甲戊靈標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of pendimethalin

2.3 最小檢出量

以基線噪音的3倍水平(S/N=3)作為所設(shè)定條件下儀器的最小檢出量(LOD)。測得二甲戊靈的最小檢出量為1.6×10-9g。按照土壤樣品稱取20 g，提取液分取45 mL，最終定容至4 mL，進樣量20 μL計算，得二甲戊靈在土壤中最低檢測質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.036 mg/kg。

2.4 添加回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

空白土樣0.05，0.50和1.00 mg/kg 3個水平添加回收率試驗的回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。

該試驗條件下二甲戊靈在土壤中的平均添加回收率為90.72%～96.59%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.21%～5.46%，符合農(nóng)藥殘留分析的要求。二甲戊靈標(biāo)樣、土壤添加及土壤樣品色譜圖見表2，圖2。

表2 二甲戊靈在土壤中的添加回收率

圖2 二甲戊靈色譜圖Fig.2 Chromatography of pendimethalin

2.5 二甲戊靈在土壤中的消解動態(tài)

33%二甲戊靈乳油，按推薦劑量900 g/hm2與高劑量(1.5倍推薦劑量)1 350 g/hm2，于燕麥播種后3 d，一次施藥，不同時間取樣測定了其在土壤中的殘留量及消解動態(tài)(表3)。

二甲戊靈推薦劑量和高劑量在土壤中第0 d的原始沉積量分別為0.580、0.868 mg/kg，其后殘留量隨著時間的延長而逐漸下降，但降解至第15 d時其殘留量有所上升，比第7 d時分別上升了15.13%、18.38%。30 d時兩種劑量的降解率接近50%，60 d時降解率達75%。從其降解動態(tài)曲線(圖3)可以看出，二甲戊靈降解分為兩個階段，0～7 d時降解速度較快，7 d以后降解曲線相對比較平緩，其在土壤中的降解均符合一級動力學(xué)特征，降解方程分別為Ct=0.4376e-0.0187t、Ct=0.6670e-0.0179t，相關(guān)系數(shù)分別為0.807 9、0.822 2，半衰期分別為37.1、38.7 d。

3 討論

試驗測得二甲戊靈在燕麥田土壤中的降解半衰期為37.1～38.7 d，半衰期較長。從二甲戊靈自身的結(jié)構(gòu)分析，其苯環(huán)2個硝基(-NO2)上的氮與氧和氨基(-NH2)上的氮都可與土壤顆粒間形成氫鍵，使二甲戊靈與土壤顆粒間結(jié)合更加牢固，形成穩(wěn)定的共軛體系；二甲戊靈的正辛醇-水分配系數(shù)(logKow)為5.18[26]，其高的疏水性和高的氫鍵能，也使二甲戊靈在土壤中被強烈地吸附，增加了其降解難度。從外部環(huán)境中來看，二甲戊靈在土壤中主要通過微生物代謝、水解、光解等途徑進行降解[27]，土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)、土壤類型、土壤有機質(zhì)、土壤含水量、土壤pH等都會影響二甲戊靈的降解[29]。Barrett等[30]認(rèn)為，土壤微生物引發(fā)的代謝活動的共刺激作用增加了對二甲戊靈的代謝作用，促進了二甲戊靈在土壤中的降解。王軍等[31]研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量為田間最大持水量的30%，75%和120%時，土壤滅菌條件下二甲戊靈半衰期分別為土壤不滅菌的1.13，2.76和2.76倍。陳莉等[32]研究表明，二甲戊靈在安徽潮土、北京褐土中的降解半衰期分別為20.0、30.1 d。黃雅莉等[32]發(fā)現(xiàn)二甲戊靈在福建黃紅壤中的半衰期比在浙江灰潮土中的長2～3 倍，差異較大。二甲戊靈在不同土壤類型和不同溫、濕度條件下的半衰期為4～90 d不等[1]。二甲戊靈兩個濃度施用對其半衰期幾乎沒有影響，這與賈會娟等[4]的研究結(jié)果一致。另外本研究發(fā)現(xiàn)二甲戊靈在兩個濃度下降解至第15 d時，其在土壤中的殘留反而較第7 d和第5 d高，高劑量甚至比第3 d還高。這可能與二甲戊靈在土壤中的垂直遷移有關(guān)，但具體原因還有待進一步驗證。

一般農(nóng)藥殘留期越短，對環(huán)境影響越小，但考慮到農(nóng)藥對病蟲草害的控制需要一定的持效期才能發(fā)揮作用，多數(shù)人認(rèn)為，理想的農(nóng)藥半衰期以15～30 d為宜[32]。二甲戊靈在燕麥田土壤中的半衰期略高于理想半衰期，其對環(huán)境的影響及生態(tài)效應(yīng)，還有待進一步研究。

表3 二甲戊靈在土壤中的消解動態(tài)

注：推薦劑量為900 g/hm2，高劑量1 350 g/hm2

4 結(jié)論

試驗優(yōu)化了二甲戊靈在土壤中的高效液相測定方法，方法的回收率和精確度符合農(nóng)藥殘留試驗的標(biāo)準(zhǔn)。二甲戊靈在甘肅榆中燕麥田土壤中的降解符合一級動力學(xué)模型，半衰期為37.1～38.7d。按照《化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境安全評價試驗準(zhǔn)則 第一部分土壤降解試驗》[33]中以半衰期對農(nóng)藥降解性的劃分，應(yīng)屬于中等降解型農(nóng)藥。