土壤中毒死蜱及主要代謝產物的降解與生態風險

劉寒冰，王冬琦，薛南冬*，鄧艷玲，袁雪紅

（1.生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心，北京100012；2.中國環境科學研究院，北京100012）

毒死蜱屬雜環類有機磷農藥，廣泛應用于小麥、大豆等作物害蟲防治[1-2]。毒死蜱在防治病蟲害的同時可能導致對生態環境的污染[3]。研究表明，施用的毒死蜱只有不到1% 能作用于靶標生物[4]，其余大部分將進入大氣、水體和土壤環境中[1，5-7]。土壤中常見的 毒 死 蜱 降 解 產 物 是3，5，6 - 三 氯 吡 啶- 2 - 酚（TCP）[8-9]。TCP 比母體毒死蜱生物毒性更強，且與母體存在毒性協同效應[10-11]，因此土壤中毒死蜱及TCP的環境污染及風險日益受到重視。近年來毒死蜱及其主要降解產物TCP 在農作物、土壤、底泥中的吸附[12-14]、殘留分布[15-20]、遷移和降解[21-27]已有研究報道，而農田環境中毒死蜱及TCP 的環境風險分析仍然缺乏。本研究通過開展田間試驗，研究在玉米、小麥和大豆3 種作物中噴施毒死蜱后土壤中毒死蜱及TCP的消解特征和污染分布特征，評估區域農田環境中毒死蜱及TCP的環境風險，為農藥合理使用及農業環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

高效液相色譜儀（LC-20AT，日本島津公司）；Syncronis C18 反相色譜柱（250 mm×4.6 mm×5 μm，美國Thermo Fisher Scientific 公司）；TOC / TN 分析儀（MultiN/C 3100，德國耶拿分析儀器股份公司）。

標準品毒死蜱（99.6%）和標準品TCP（99.8%）均購自美國AccuStandard 公司；40% 毒死蜱乳油購自深圳諾普信農化股份有限公司；甲醇（色譜純）和乙酸乙酯（色譜純）購自上海安譜科學儀器有限公司；活性炭和過氧化氫（分析純）購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 田間試驗設計

田間試驗位于北京市順義區，該區域屬暖溫帶大陸型半濕潤季風氣候。四季分明，光照充足，年平均氣溫11.5 ℃，年平均降水量622 mm。試驗地塊在中國環境科學研究院野外試驗基地內，面積0.13 hm2，土壤類型為潮土。供試作物為玉米（品種為京單28）、大豆（品種為中黃38）和小麥（品種為春碩18）。

田間試驗方法：采用隨機區組設計，按照毒死蜱農藥推薦高劑量（有效成分0.60 kg·hm-2）的1 倍（×1）、2 倍（×2）和5 倍（×5）3 個濃度水平施藥，每個劑量3 個重復，小區面積30 m2（6 m2有效區面積），小區之間設有過道和保護行。

玉米采用人工點播，種植密度為每小區96 穴（12穴·行-1×8 行），播種深度4～6 cm，每穴定量播3 粒種子。大豆采用人工平播，種植密度為每小區200 穴（20 穴·行-1×10 行），播種深度3～5 cm，每穴定量播3粒種子。小麥采用人工條播，種植密度為每小區800株（80株·行-1×10行），播種深度3～4 cm。

用噴霧器對每個試驗小區進行均勻噴施毒死蜱農藥，并分別于施藥后第0、1、3、5、10、15、21、30、45 d在每個試驗小區隨機采集土壤樣品。隨機選取5～10個點，用土鉆采集0～20 cm 的土壤1～2 kg，去雜質、混勻后采用四分法留樣500 g，第5、10、21、30 d 取土壤樣品[30]時，分0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4 個層次取樣，土壤于-20 ℃保存備用。每個采樣點都進行標記，以避免在之后的采樣活動中從同一點取樣。

1.3 樣品前處理與檢測

供試土壤為潮土，土壤采集并去除雜物后自然風干，過2 mm篩備用，供試土壤中毒死蜱未檢出。土壤有機質和可溶性有機碳含量用MultiN/C 3100 總有機碳/氮分析儀測定；微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法測定；土壤銨態氮采用2 mol·L-1KCl浸提靛酚藍比色法測定；土壤硝態氮采用酚二磺酸比色法測定。供試土壤的主要理化性質見表1。

稱取15 g 土壤樣品于250 mL 錐形瓶中，加入50 mL乙酸乙酯-乙酸混合液（乙酸乙酯∶乙酸∶超純水體積比為98∶1∶1）。在200 r·min-1條件下振蕩1 h，收集上層清液，合并濾液于250 mL 錐形瓶中，加入20 mL 20% NaCl 溶液，在150 r·min-1條件下振蕩10 min，靜置20 min分液后除去水相，取上層有機相經無水硫酸鈉脫水，濃縮至10 mL，將濃縮液轉移至加入40 mg活性炭的50 mL 離心管中。振蕩、過濾、濃縮、定容，過0.22 μm有機濾膜，測定毒死蜱和TCP濃度。

表1 供試土壤的主要理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the soil samples

毒死蜱和TCP測定采用高效液相色譜法：流動相為甲醇/含有0.02% 乙酸的超純水，體積比為90∶10，流速為1 mL·min-1，檢測波長293 nm，柱溫30 ℃，進樣體積為10 μL。每次進行樣品檢測時都添加毒死蜱及TCP標樣作為質控樣。

在不同污染水平（0.2、0.5、1、5、10 mg·kg-1）下，分別用潮土（北京）和黑土（黑龍江）進行毒死蜱及TCP添加回收實驗，毒死蜱和TCP 的加標回收率分別為80.38%～103.28% 和85.31%～102.56%，變異系數為2.52%～9.28% 和3.63%～9.76%，檢出限分別為0.04 mg·kg-1和0.02 mg·kg-1。

1.4 土壤環境生態風險評估模型

利用模型預測毒死蜱施用后土壤環境中的殘留濃度，基于預測濃度與毒性效應評估其對生態環境的短期與長期風險，同時根據農田土壤中毒死蜱實測值計算風險值，將二者進行比較。計算公式如下：

土壤中農藥的短期生態風險通過土壤環境中農藥預測濃度（PECS）來估算[28]：

式中：PECS為土壤環境中農藥的預測濃度，mg·kg-1；DS為短期風險下的表層土壤深度，m；CAI為農藥中有效成分含量，mg·kg-1；fint為農藥被作物截留的系數；RATE 為單位面積農藥施用量，g·m-2；BD 為土壤容重，kg·m-3；1 000為單位換算系數。

土壤中農藥的短期生態風險值（RVS）：

式中：LCW為蚯蚓的急性半致死濃度，mg·kg-1；50 為安全系數，土壤中可能存在其他對該農藥更敏感的生物。

土壤長期生態風險估算方法[29]如下所示。長期風險下土壤環境中農藥的預測濃度（PECL）為：

式中：PECL為農藥長期風險下土壤環境中的預測濃度，mg·kg-1；DL為長期風險下的表層土壤深度，m；tex為慢性毒理實驗暴露時間間隔，默認值為21 d；K 為土壤降解率常數，d-1。

農藥的長期生態風險值（RVL）估算：

式中：NOECW為蚯蚓慢性無作用濃度值，mg·kg-1；100為安全系數，將這里的安全系數設定為短期風險時的兩倍，是考慮到長期風險更大的不確定性，以及其他未知作用因素（如吸附、生物富集）可能造成土壤環境中該農藥降解速度減緩或農藥殘留產生累積的情況。

比較RVS和RVL，取其中最大值代表土壤中農藥的生態風險估算值，為了便于比較各RV 值，需要對該值進行標準化，對所有得到的風險值進行對數轉換，使轉換后得到的Rs 值絕大部分在0～100 之間（如果RS＜0，則取RS=0），如下式：

以預測濃度與半致死濃度比值作為關注標準[15]，依據公式（5）進行轉換，得到風險值0～60、60～75、75～85 和＞85，分別代表無風險、低風險、中等風險和高風險4個相對風險等級。

2 結果與討論

2.1 表層土壤中毒死蜱及TCP的消解特征

土壤中毒死蜱濃度隨時間的變化見圖1。在種植小麥、大豆和玉米3 種作物土壤中，1 倍組與2 倍組毒死蜱殘留量均無顯著差異（P小麥=0.216、P大豆=0.165、P玉米=0.234），但5倍組與前兩組相比毒死蜱殘留量顯著增加（P＜0.05），3 組試驗毒死蜱殘留量都隨著試驗天數的增加而降低。土壤中不同劑量毒死蜱均在前期快速消解，隨著時間延長，消解速率逐漸變緩。這可能主要由于前期土壤中毒死蜱濃度較高，使土壤吸附位點飽和，剩余部分溶解在土壤溶液相中被快速降解；隨著時間延長其大部分被土壤吸附，導致毒死蜱消解趨于平緩。

毒死蜱在土壤中消解符合一級動力學方程，計算公式如下：

Ct=C0e-kt

式中：Ct為時間t（d）時土壤中毒死蜱的濃度，mg·kg-1；C0為土壤中毒死蜱的初始濃度，mg·kg-1；k 為消解速率常數，d-1。

毒死蜱的半衰期DT50（d）計算公式為：

DT50=ln2/k

不同試驗條件下毒死蜱消解速率與半衰期計算結果見表2。毒死蜱在不同處理土壤中的半衰期為7.86～24.84 d，均小于30 d，3 種作物種植土壤中毒死蜱的消解速率常數為0.027 9～0.088 2 d-1。毒死蜱在不同作物種植土壤中的降解速率差異不顯著（P=0.807＞0.05）。從半衰期時間看，施用5 倍劑量毒死蜱的半衰期是施用1 倍劑量的2～3 倍，施用量越大毒死蜱半衰期越長。這可能是由于低劑量毒死蜱施用到土壤后，土壤表面殘留的毒死蜱接受紫外線輻射發生光解，同時土壤溶液相中的毒死蜱被微生物利用降解導致半衰期較短；當高劑量毒死蜱施用到土壤后，除少量發生光解外，殘留土壤中的高濃度農藥抑制了土壤微生物活性，導致其消解速率變慢。

圖1 毒死蜱在農田土壤中消解情況Figure 1 Dissipation of chlorpyrifos in farmland soil

TCP 是毒死蜱的主要消解產物，由于TCP 水溶性較大、抗降解能力較強、易遷移，因此有必要對其進行相應的分析。作物土壤中施用不同劑量毒死蜱后主要代謝產物TCP 變化見圖2。從圖2可以看出TCP 在0～20 d 時濃度呈上升趨勢，20 d 后濃度下降。由圖1可知，毒死蜱在20 d 后消解速率趨緩，濃度幾乎不再發生變化。即TCP 的變化趨勢與毒死蜱在土壤中消解趨勢互補，這也表明在試驗中TCP是毒死蜱的主要降解產物。種植3 種作物土壤中TCP 濃度變化趨勢相似，濃度大小也基本相同。施加3 種劑量毒死蜱的土壤中，施用劑量越大其在土壤中消解后產物濃度越高。

表2 不同濃度處理土壤中毒死蜱消解速率常數與半衰期Table 2 Dissipation rate constant and half-life of chlorpyrifos in soil treated with different concentrations

2.2 土壤中毒死蜱及TCP的殘留垂向分布

不同施用劑量下毒死蜱濃度在土壤中垂向分布隨時間的變化見圖3。由圖3可知，3種作物種植土壤前期均表現為0～5 cm 土壤中毒死蜱殘留量最大，15～20 cm土壤中毒死蜱殘留量最小，即隨著深度的增加，土壤中毒死蜱的殘留量逐漸降低。隨著時間的延長，0～10 cm 土壤中毒死蜱殘留量逐漸減少，10～20 cm 土壤中毒死蜱殘留量逐漸增加，同時，3 種作物表層土壤中毒死蜱的殘留分布均表現為隨著劑量的增加，深層土壤中毒死蜱的量逐漸增加。實驗后期可以在15～20 cm 土壤中檢測到毒死蜱但含量較低，這說明毒死蜱大部分集中于0～15 cm 表層土壤。隨著土壤深度增加土壤中毒死蜱殘留量減少，這與種植作物根系微環境有關。作物根系及其微生物群穿透土壤團聚體提高土壤有機質含量，而水溶性低、辛醇-水分配系數較高的毒死蜱與土壤有機質的牢固結合，使得毒死蜱難以繼續向下遷移。另外，我們觀察到在實驗中后期，盡管毒死蜱被表層土壤強烈吸附，但均可在15～20 cm 底層土壤中檢測到。這主要由于在實驗中期，實驗區記錄到一次20 mm 的自然降雨，有少量毒死蜱隨降水或隨溶解性有機物質遷移到了更深層土壤中。已有研究表明，一些水溶性低、在土壤中強烈吸附的農藥，可在降雨后快速垂直運動至較深層土壤，這主要由于溶解的有機物質和其他顆粒介導的大孔隙中的膠體轉運，導致其在土壤中遷移。此外，添加到農藥噴灑配方中的表面活性劑可能有助于增加溶解度和浸出。有研究表明，不同的活性劑在一定條件下都能提高毒死蜱的水溶性，但有的活性劑能促進土壤對毒死蜱的吸附，有的會降低其吸附性能。本試驗所用藥劑為40% 的毒死蜱乳油，雖然毒死蜱本身水溶性較小，但乳油和水形成穩定的懸浮液可以通過土壤孔隙隨水向下移動，這說明毒死蜱乳油中含有降低其吸附性能的表面活性劑，這也為底層15～20 cm土壤中毒死蜱的殘留提供了證據。

圖2 農田土壤中TCP濃度隨時間的變化Figure 2 Changes in the contents of TCP in soil under different water conditions

圖3 不同濃度毒死蜱在農田土壤垂向分布情況Figure 3 Changes in the contents of TCP in soil under different water conditions

圖4 不同濃度毒死蜱下TCP在農田土壤垂向分布情況Figure 4 The vertical distribution of TCP in soil under different concentrations of chlorpyrifos

圖4 為不同濃度毒死蜱施用后土壤中TCP 的垂向分布情況。由圖4 可知，3 種作物種植土壤前期均表現為隨著深度的增加土壤中TCP 的殘留量逐漸降低，隨著時間的延長，0～10 cm 土壤中TCP 殘留量逐漸減少，10～20 cm 土壤中TCP 殘留量逐漸增加，同時，3 種作物表層土壤中TCP 的殘留分布均表現為隨著劑量的增加深層土壤中TCP 殘留量逐漸增加。試驗前期，15～20 cm土壤層中，均可檢測到少量TCP，試驗后期，由于自然降雨，15～20 cm 土壤層中TCP 殘留量增加明顯，這說明TCP 與毒死蜱相比更易遷移，這主要由于其水溶性較大，與土壤有機質等結合能力較弱。不同作物種植土壤中TCP殘留差異不顯著（P1倍=0.805、P2倍=0.834、P3倍=0.950）。TCP 降解與作物根系微環境有關，作物根系穿透土壤團聚體影響土壤有機質分解，從而影響TCP在土壤中的遷移。本研究結果進一步證明了TCP比母體毒死蜱更容易遷移，甚至通過徑流作用進入水體，有較高的潛在環境污染風險。

2.3 不同毒死蜱施用劑量對土壤環境生態風險評估

本研究使用藥劑為40% 的毒死蜱乳油，毒死蜱的特征參數主要參考PPDB 農藥數據庫的典型實驗數據[30]，毒死蜱對蚯蚓的急性半致死濃度（LC50）為129 mg·kg-1，慢性無作用濃度（NOECW）為12.7 mg·kg-1，毒死蜱在砂土中的半衰期（DT50）為50 d。對不同農作物及其生長時期對噴（撒）施在其上農藥的截留試驗數據，根據模型相關研究結果，玉米、大豆和小麥的截留系數分別為0.89、0.22和0.11[31]。

不同毒死蜱施用劑量下土壤環境預測生態風險與實測生態風險比較見圖5。從圖5 可以看出，隨著毒死蜱施用劑量的增加，3 種作物種植土壤短期和長期生態風險均表現出增大的趨勢。同時，相同濃度的毒死蜱施加到不同作物農田中，其短期和長期生態風險有明顯差異。通過生態風險預測模型計算出的短期和長期生態風險結果顯示，當毒死蜱以推薦劑量分別施用到玉米、大豆和小麥田中，其短期生態風險值分別為53.34、68.66 和69.69，長期生態風險值分別為59.42、74.74 和75.77，表明毒死蜱以1 倍推薦劑量施用于不同作物農田中，其生態風險有明顯差異，玉米田處于無風險，大豆田處于低風險，小麥田則達到中等風險；當毒死蜱以2 倍推薦劑量分別施用到玉米、大豆和小麥田中，其短期生態風險值分別為58.76、74.08、75.11，長期生態風險值分別為64.84、80.15、81.19，表明毒死蜱以2倍推薦劑量施用于不同作物農田中，玉米田處于低風險，大豆田和小麥田均達到中等風險；當毒死蜱以5 倍推薦劑量分別施用到玉米、大豆和小麥田中，其短期生態風險值分別為65.93、81.24、82.27，長期生態風險值分別為72.00、87.32、88.35，風險值計算結果表明毒死蜱以5倍推薦劑量施用于不同作物農田中，玉米田處于低風險，大豆田和小麥田均達到高風險等級。

對施用毒死蜱后的農田土壤中殘留濃度進行實測并計算其短期和長期生態風險值，從圖5 可以看出，3 種作物土壤中毒死蜱殘留濃度的短期和長期風險均隨著劑量增加而增加。土壤中毒死蜱殘留濃度的生態風險結果顯示，當毒死蜱以1、2 倍和5 倍推薦劑量分別施用到3 種作物農田中，根據農田土壤中殘留濃度實測值計算其短期和長期生態風險值，玉米、大豆和小麥農田土壤中短期生態風險值分別為81.13、86.22、97.81，79.10、84.40、97.14 和78.98、85.39、97.60，長期生態風險值分別為104.09、107.86、110.96，105.29、108.71、111.03和106.00、108.86、110.60。利用土壤中毒死蜱殘留濃度計算生態風險值，結果表明,以1、2倍和5倍推薦劑量施用到3種作物農田中其生態風險均達到了高風險等級。從不同濃度毒死蜱對小麥、大豆和玉米作物種植土壤中TCP的土壤環境短期和長期生態風險值（預測值與實測值）可以看出，模型預測濃度計算的生態風險值較基于實測土壤中毒死蜱濃度計算的生態風險值均偏低，表明模型預測濃度結果過于保守，與實際情況有所偏差。實測濃度偏高主要由于試驗期間的降雨對植株表面的農藥沖刷增加了土壤中農藥的殘留量。此外，研究區內氣候、土壤特性、灌溉等因素同樣有可能影響預測結果的準確性。

TCP 是土壤中毒死蜱主要消解產物，其生物毒性高于毒死蜱，施用毒死蜱后的土壤中TCP的生態風險不容忽視。本研究中不同劑量毒死蜱施用到3 種作物農田后TCP的短期和長期生態風險值見圖6。

從圖6 可以看出，隨著毒死蜱施用劑量的增加，3種作物種植土壤中TCP 的短期和長期生態風險值均表現出增大的趨勢。當毒死蜱以1、2倍和5倍推薦劑量分別施用到3 種作物農田中，TCP 在玉米、大豆和小麥農田土壤中短期生態風險值分別為81.13、86.22、97.81，79.10、84.40、97.14 和78.98、85.39、97.60，長期生態風險值分別為104.09、107.86、110.96，105.29、108.71、111.03 和106.00、108.86、110.60。利用TCP 殘留濃度計算生態風險值，結果表明，以1、2 倍和5 倍推薦劑量施用到3 種作物農田中，其生態風險均達到了高風險等級。觀察到與毒死蜱相類似的情況，以不同濃度施用到不同作物農田時，TCP 具有相對較高的長期生態風險，這主要是由于TCP 在土壤中半衰期較長，且蚯蚓的慢性無作用濃度較低（NOECW=5.1 mg·kg-1）。可見，當超推薦劑量施用毒死蜱到農田時，TCP具有較高生態風險。

圖5 不同劑量毒死蜱施用后預測和實測生態風險值Figure 5 Predicted and measured ecological risk values under different doses of chlorpyrifos applied

圖6 不同濃度毒死蜱施用后TCP短期和長期生態風險值Figure 6 Short-term and long-term ecological risk values of TCP after application of chlorpyrifos at different concentrations

3 結論

（1）施藥后，小麥、大豆、玉米3 種作物農田土壤中毒死蜱均在前期表現出快速消解，隨著時間延長，消解速率逐漸變緩。3 種作物種植土壤中毒死蜱的半衰期為7.86～24.84 d（均小于30 d），消解速率常數為0.027 9～0.088 2 d-1。

（2）小麥、大豆、玉米3 種作物土壤中前期隨著深度的增加土壤中毒死蜱的殘留量逐漸降低，0～5 cm土壤中毒死蜱殘留量最大，15～20 cm 土壤中毒死蜱殘留量最小；隨著時間的延長，0～10 cm 土壤中毒死蜱殘留量逐漸減少，10～20 cm 土壤中毒死蜱殘留量逐漸增加。TCP 比母體毒死蜱更容易遷移，有較高環境污染風險。

（3）隨著毒死蜱施用劑量的增加，小麥、大豆、玉米3 種作物農田土壤中毒死蜱及TCP 的短期和長期生態風險均增大。當超推薦劑量毒死蜱施用到玉米、大豆和小麥3 種作物農田時，毒死蜱及TCP 的短期和長期生態風險均較高，其中TCP 生態風險在3 種作物農田中均達到了高風險等級。