作物從土壤中吸收、傳遞和累積農(nóng)藥的研究進(jìn)展

婁權(quán) 董豐收 徐軍 劉新剛 吳小虎 鄭永權(quán)

關(guān)鍵詞農(nóng)藥;吸收;傳遞;累積

農(nóng)藥是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全不可或缺的重要農(nóng)業(yè)化學(xué)品。根據(jù)2018年我國(guó)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)藥有效利用率僅為38.8%，這就意味著農(nóng)藥施用后會(huì)大部分進(jìn)入土壤，作物會(huì)通過(guò)根部吸收土壤中殘留的農(nóng)藥，并在作物體內(nèi)或可食農(nóng)產(chǎn)品部位進(jìn)行累積，從而帶來(lái)潛在的食品安全問(wèn)題。在20世紀(jì)50年代有學(xué)者研究了蘿卜、馬鈴薯、豌豆、黃瓜、番茄、甘藍(lán)6種蔬菜對(duì)林丹、滴滴涕和艾氏劑的吸收累積，并發(fā)現(xiàn)胡蘿卜中的農(nóng)藥殘留量會(huì)隨著土壤中的農(nóng)藥濃度升高而增加，農(nóng)藥污染問(wèn)題開(kāi)始引起研究者的關(guān)注。近年來(lái)，關(guān)于植物吸收多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和鹵代有機(jī)污染物等熱點(diǎn)環(huán)境持久污染物已經(jīng)有較多報(bào)道，而農(nóng)藥在農(nóng)田土壤環(huán)境中的污染問(wèn)題相對(duì)研究較少。因此研究作物對(duì)農(nóng)藥的吸收，揭示其在植物土壤體系中的環(huán)境行為歸趨，有利于農(nóng)藥的合理使用，保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。本文從作物根部吸收農(nóng)藥、農(nóng)藥在作物內(nèi)的累積、農(nóng)藥在作物中的傳輸和植物吸收農(nóng)藥模型4個(gè)方面進(jìn)行了綜述，并展望了植物吸收農(nóng)藥的未來(lái)研究方向，為農(nóng)藥合理使用和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供參考。

1作物根部吸收農(nóng)藥行為的研究

多數(shù)研究人員認(rèn)為作物根部吸收農(nóng)藥的過(guò)程是農(nóng)藥在各個(gè)介質(zhì)之間經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間分配過(guò)程最終進(jìn)入作物體內(nèi)。研究表明，影響作物根部吸收農(nóng)藥的主要因素包括土壤理化性質(zhì)、農(nóng)藥理化性質(zhì)和作物種類(lèi)等。

土壤中有機(jī)質(zhì)含量是決定作物暴露于土壤中農(nóng)藥量的關(guān)鍵因子，通常土壤有機(jī)質(zhì)含量高會(huì)減弱作物對(duì)土壤中農(nóng)藥的吸收，主要是因?yàn)橥寥乐修r(nóng)藥會(huì)被有機(jī)質(zhì)吸附固定而降低其實(shí)際可利用濃度。Lichtenstein等發(fā)現(xiàn)根莖類(lèi)蔬菜蘿卜和土豆在有機(jī)質(zhì)含量低的土壤中吸收和累積的林丹更多。Harris等研究3種有機(jī)質(zhì)含量對(duì)植物吸收農(nóng)藥的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)作物吸收農(nóng)藥和土壤有機(jī)質(zhì)含量成負(fù)相關(guān)。Wang等研究發(fā)現(xiàn)無(wú)土培養(yǎng)下黃瓜對(duì)殺蟲(chóng)劑天名精酮的吸收量是土壤培養(yǎng)的7倍，說(shuō)明土壤對(duì)農(nóng)藥的吸附作用影響了作物對(duì)農(nóng)藥的吸收。

農(nóng)藥本身理化性質(zhì)也決定了其被作物吸收的行為，尤其是農(nóng)藥的水溶性和脂溶性是影響作物吸收的主要因素。土壤間隙水（土壤空隙中不受土粒吸附能移動(dòng)的水分）中的農(nóng)藥隨水進(jìn)入作物體內(nèi)后，在水和作物組織脂肪之間進(jìn)行分配。多數(shù)研究表明，非離子型化合物在植株體內(nèi)的傳遞累積與其自身的辛醇水分配系數(shù)密切相關(guān)，值小的農(nóng)藥容易通過(guò)作物根系吸收累積，隨著蒸騰作用向作物地上部分遷移，而w值大的農(nóng)藥被作物根系吸收后，分配吸附到根部的脂肪中，限制了其從根組織內(nèi)部向作物地上部分遷移。Briggs等研究了殺線威等18種農(nóng)藥在大麥中的累積，發(fā)現(xiàn)在化合物結(jié)構(gòu)和分子量大小相似的情況下，農(nóng)藥的辛醇水分配系數(shù)（w）與其在大麥根部累積量呈正相關(guān)。Gonzalez等研究了生菜和甜菜對(duì)7種有機(jī)氯農(nóng)藥的累積量與農(nóng)藥自身的辛醇水分配系數(shù)相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明親脂性的農(nóng)藥在作物根和莖部有較多的累積。Gonzalez等通過(guò)研究番茄根系對(duì)滴滴涕和硫丹的吸收，發(fā)現(xiàn)logow=6.91的滴滴涕主要在根部積累，而log=4.75的硫丹則可以向作物上部遷移。w值較高的苯醚甲環(huán)唑在水稻根部累積不向上傳輸，而w值較低的吡蟲(chóng)啉則更多地向水稻地上部分傳輸。

作物種類(lèi)也是影響根部吸收農(nóng)藥的重要因素，對(duì)非離子型農(nóng)藥的吸收與作物本身的脂質(zhì)含量密切相關(guān)。研究表明不同作物種類(lèi)對(duì)農(nóng)藥的吸收累積差異很大。Gonzalez等對(duì)比生菜和甜菜在相同栽培條件下對(duì)滴滴涕、艾氏劑、狄氏劑、二萘酚等有機(jī)氯農(nóng)藥的吸收，發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)含量較高的生菜對(duì)有機(jī)氯農(nóng)藥的吸收高于甜菜。魏峰等研究了3種油料作物對(duì)滴滴涕的吸收累積，發(fā)現(xiàn)含油量高的花生果仁（含油量46%～52%）和芝麻果仁（含油量52%～54%）中滴滴涕的濃度都明顯高于大豆果仁（含油量18%～20%）。Chiou等研究報(bào)道了蘿卜、馬鈴薯、甜菜對(duì)艾氏劑、狄氏劑、七氯的累積差異，結(jié)果表明高脂肪含量的蘿卜（脂肪含量0.24%）富集農(nóng)藥的量要高于低脂肪含量的馬鈴薯（脂肪含量0.1%）和甜菜（脂肪含量0.17%）。

農(nóng)藥通過(guò)分配作用被作物根部吸收后，首先吸附在根部的表皮組織上，之后通過(guò)作物根部水溶液和組織成分之間的分配作用，累積在作物根部的有機(jī)組分里。影響作物根部累積農(nóng)藥的主要因素是根部組分及其含量。作物根部主要由脂質(zhì)、水分和碳水化合物組成，脂質(zhì)是存儲(chǔ)農(nóng)藥的主要場(chǎng)所，也有報(bào)道指出作物的碳水化合物成分會(huì)影響作物對(duì)農(nóng)藥的累積，只使用作物脂肪含量推測(cè)作物對(duì)農(nóng)藥的累積量往往低于實(shí)際累積量。w較高的農(nóng)藥更容易被作物根部富集較低的農(nóng)藥進(jìn)入作物根部后，多分配在水溶液中研究了番茄不同部位中滴滴涕的累積量，各部位的累積量和部位脂肪的含量呈正相關(guān)Zohair等研究了艾氏劑、七氯、狄氏劑、滴滴涕、甲氧氯等有機(jī)氯農(nóng)藥在馬鈴薯和胡蘿卜果實(shí)中的累積量，其中脂質(zhì)含量最高的果皮中累積農(nóng)藥量占全部果實(shí)累積量的57.5%～100%。Florence等對(duì)芋頭、甘薯、馬鈴薯、山藥4種根莖類(lèi)作物吸收農(nóng)藥十氯酮進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)基于作物的脂質(zhì)含量難以判斷其對(duì)十氯酮的吸收累積量，而作物纖維素含量和吸收累積十氯酮的量呈正相關(guān)。

2作物對(duì)農(nóng)藥傳輸行為的研究

農(nóng)藥穿過(guò)根表皮進(jìn)入木質(zhì)部后，隨蒸騰作用主導(dǎo)的上行傳輸過(guò)程沿木質(zhì)部在作物體內(nèi)遷移，分配累積于作物莖葉組織中。研究表明，農(nóng)藥根部吸收和轉(zhuǎn)移農(nóng)藥主要通過(guò)共質(zhì)體和質(zhì)外體途徑運(yùn)輸，在作物蒸騰作用下通過(guò)共生細(xì)胞傳輸占主導(dǎo)地位（圖1），而農(nóng)藥很難通過(guò)篩管系統(tǒng)向下輸送。

當(dāng)農(nóng)藥從根部進(jìn)入維管束中時(shí)，會(huì)隨著蒸騰流向上移動(dòng)，通常會(huì)累積到發(fā)生蒸騰作用強(qiáng)的成熟葉片。wang等研究表明，通過(guò)葉面噴霧方式在黃瓜上施用呋喃丹時(shí)，呋喃丹沒(méi)有向根部遷移的現(xiàn)象，而使用灌根處理時(shí)，呋喃丹會(huì)呈現(xiàn)向葉部傳遞的現(xiàn)象。alsayeda等將番茄移栽在使用14c標(biāo)記的吡蟲(chóng)啉污染的土壤中，85%的放射量轉(zhuǎn)移到了番茄莖葉部位，放射量從底部葉到頂部葉逐漸減少。可見(jiàn)，土壤中的農(nóng)藥殘留可能通過(guò)作物根部吸收和蒸騰作用傳遞至作物各部位。

3植物吸收模型的發(fā)展

目前利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)農(nóng)藥在土壤作物體系的遷移、累積行為較多。模型包括平衡模型、動(dòng)力學(xué)模型以及穩(wěn)態(tài)模型等。Briggs等在20世紀(jì)80年代建立了根系富集系數(shù)（RCF）、莖富集系數(shù)（SCF）、蒸騰流富集系數(shù)（TSCF）與非離子型有機(jī)污W的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，表明了不同部位富集系數(shù)與W之間密切相關(guān)。這是較早建立的關(guān)于作物吸收非離子型有機(jī)污染物的預(yù)測(cè)模型。模型建立的基礎(chǔ)是假設(shè)分配過(guò)程中每個(gè)介質(zhì)都是均質(zhì)的。

多隔室模型等在20世紀(jì)90年代建立，將有機(jī)物在植物體內(nèi)的傳輸設(shè)定為一級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，將土壤植物系統(tǒng)分為24個(gè)隔室，用不同隔室代表植物的相應(yīng)部位和土壤;根據(jù)質(zhì)量守恒定律建立了各隔室的數(shù)學(xué)公式體系。該模型考慮因素全面，能較好地模擬植物對(duì)土壤中污染物的吸收傳遞累積，但該模型中引入了大量數(shù)學(xué)參數(shù)，諸如化合物的空氣水分配系數(shù)、植物生長(zhǎng)速率、植物蒸騰作用速率等，使得實(shí)際模擬計(jì)算時(shí)難度較大。等將植物分為根、莖、葉和果實(shí)四相，提出了植物吸收有機(jī)污染物的四隔室模型，后期將該模型簡(jiǎn)化為一室模型，將過(guò)去繁瑣的計(jì)算過(guò)程用單一方程表示，但該模型僅限于呈指數(shù)級(jí)生長(zhǎng)的植物，且方程中仍包含多參數(shù)的計(jì)算，參數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性直接影響模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。隔室模型都是基于質(zhì)量守恒定律建立，模型能較好地預(yù)測(cè)植物體內(nèi)污染物的濃度，但模型中使用的大量參數(shù)都需要實(shí)際測(cè)定后再通過(guò)運(yùn)算才能使用，運(yùn)算的復(fù)雜程度過(guò)高致使隔室模型的實(shí)用性受到限制。

該模型將土壤吸附有機(jī)物的分配理論應(yīng)用于土壤有機(jī)污染的植物吸收過(guò)程。假設(shè)植物對(duì)有機(jī)污染物的吸收為被動(dòng)吸收，且吸收過(guò)程可看作有機(jī)污染物在植物體水相有機(jī)相間一系列連續(xù)分配過(guò)程的組合，土壤及植物體中污染物的代謝不影響植物被動(dòng)吸收，污染物在植物體（各部位）水相有機(jī)相間處于平衡狀態(tài)。分配限制模型能夠較好地預(yù)測(cè)農(nóng)藥等污染物的累積行為，但模擬的準(zhǔn)確性及適用范圍仍有待驗(yàn)證和推廣。Li等通過(guò)小麥的根和莖對(duì)林丹、六氯苯的吸附研究發(fā)現(xiàn)，用分配限制模型所得的預(yù)測(cè)值小于實(shí)測(cè)值。

4展望

作物對(duì)農(nóng)藥的吸收累積和傳遞行為，對(duì)優(yōu)化作物累積農(nóng)藥預(yù)測(cè)模型和食品安全有重要意義。而作物對(duì)農(nóng)藥的吸收、傳遞和累積一直是農(nóng)業(yè)化學(xué)污染領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)工作。基于對(duì)當(dāng)前主要報(bào)道文獻(xiàn)的認(rèn)識(shí)，提出今后的研究重點(diǎn)并預(yù)測(cè)未來(lái)研究趨勢(shì)如下：

1）關(guān)于作物根部吸收農(nóng)藥的影響因素已經(jīng)取得一些基礎(chǔ)性結(jié)論，但多數(shù)研究結(jié)果多基于實(shí)驗(yàn)室栽培作物的數(shù)據(jù)，需到田間真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)。

2）農(nóng)藥在作物體內(nèi)的傳遞累積研究還局限于根、莖、葉、果各部位累積濃度對(duì)比，尚缺乏深入研究農(nóng)藥分子在各組織細(xì)胞間傳遞的機(jī)理。

3）現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果多數(shù)準(zhǔn)確度不高，仍需對(duì)模型進(jìn)行升級(jí)和完善，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。