典型農業小流域中29種農藥類微污染物檢出、時空變化與生態風險評估

顧允軒，仇付國，王大偉，董慧峪，強志民

1.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044

2.中國科學院生態環境研究中心，中國科學院飲用水科學與技術重點實驗室，北京 100085

3.中國科學院大學應急管理科學與工程學院，北京 101499

農藥按照作用來分類一般可以分為殺蟲劑、殺菌劑、除草劑、殺鼠劑、植物生長調節劑和殺軟體動物劑等。農藥能夠有效保護農作物和牲畜免受害蟲、昆蟲、線蟲和雜草的危害[1-2]。根據相關研究，在不使用殺蟲劑的情況下，谷物產量會降低32%，蔬菜產量降低54%，水果產量降低78%[3]。中國以占全世界約9%的農作物耕作面積使用了全世界43%的農藥，中國農業使用農藥的平均強度為每公頃13.1 kg，而全球的農田農藥平均用量只有每公頃2.6 kg[4]。全世界每年使用的農藥超過30億kg，但是只有1%的農藥被有效利用[5-6]。過量使用農藥會造成剩余農藥作用于非目標動植物或者在環境中大量留存，由于農藥的化學復雜性和持續性，過量的農藥可能會造成土壤的質量下降[7]，對農作物造成毒害[8]，影響動物產品，也會通過雨水徑流等方式匯集到流域的河流內，對生態環境造成破壞[9]。因此研究河流、湖泊流域中農藥的生態風險是必要的。

目前國內外對農藥污染的相關研究多集中在被官方禁限的農藥或者是某一類農藥的賦存濃度、時空變化以及生態風險[10-15]，對于常用的農藥以及常用農藥的替代品的相關研究較少。隨著對農藥污染研究的深入，部分國家已將一些存在較高生態風險的農藥列入禁限名單，但我國國內農藥的禁限名單遠沒有歐盟等的嚴格。根據中國農業信息網(http://www.agri.cn/)相關數據，2019年1月起，歐盟正式禁止320種農藥在境內銷售，其中包含我國正在生產、使用及銷售的14種農藥，2019年11月起中華人民共和國農村農業部發布了最新的禁限農藥名錄，中國全面禁用46種農藥，在部分范圍禁止使用20種農藥。此前，歐盟于2018年12月起禁用吡蟲啉、噻蟲嗪，法國同時將啶蟲脒列入了禁用名單。在歐盟的禁止名單發布后，歐盟又于2019年6月起禁用丙環唑，印度于2020年1月起禁用噻嗪酮，斐濟于2020年1月起禁用吡蟲啉，英國于2020年10月起禁用氟環唑，歐盟于2021年5月起禁用腈菌唑。

對國內外被禁限的常用農藥及其替代品的賦存濃度以及生態風險的分析，可以為相關部門制定產業規劃提供參考。通過固相萃取(solid-phase extraction,SPE)與超高效液相色譜-三重四級桿質譜儀(ultra performance liquid chromatography-triple quadrupole mass spectrometry,UPLC-MS/MS)聯用檢測1月、3月、4月和6月安徽省阜陽市小流域內的農藥類微污染物在自然環境中的賦存濃度，之后通過賦存濃度計算相應的風險熵。農藥的賦存濃度以及生態風險數據可以為安徽省阜陽市潁州西湖的城市規劃以及對類似農業小流域的研究提供參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 采樣區域與采樣點

研究區域位于安徽省阜陽市潁州區潁州西湖小流域，該地區是典型的農業區小流域。該流域河網比較密集，水質普遍較差，采樣點坐標在115°35′44.34″E，32°58′11.84″N與115°41′6.02″E，32°53′3.65″N之間。采樣點選擇如圖1所示，所取水樣為水面以下20 cm左右處的水體。考慮到農藥的用量受農業活動影響較大，農藥的遷移受降雨量的影響，因此將采樣時間選定為處于枯水期的2021年1月18日，平水期的2021年3月18日和2021年4月18日，豐水期的2021年6月18日。

圖1 采樣點位置分布Fig. 1 Locations of the sampling points

由于采樣點較多，因此根據小流域內河流的走向(自西向東，自北向南)來將取樣點劃分為3塊，即西湖上游(1～12號取樣點)、西湖主體(13～24號取樣點)和西湖下游(25～37號取樣點)水體，以此來探究微污染物的空間和時間分布特征。

1.2 污染物的選取

阜陽市的主要糧食作物是小麥、玉米、水稻和大豆，經濟作物是棉花、油菜，防治這些作物病蟲害的農藥有很多，例如多菌靈、戊唑醇常用于防治小麥的赤霉病[16]，克百威、吡蟲啉和抗蚜威等可以防治小麥、水稻的蚜蟲等病蟲害[17]，本研究從中選取了29種常見農藥進行分析。根據農藥的化學結構，又可以將這些農藥分為六大類，由于部分農藥之間存在藥效重疊，因此低毒農藥在某些條件下可以替代高毒農藥，從而降低農藥的過量使用所帶來的生態風險。各個農藥的具體功效如表1所示。

表1 農藥的禁限情況以及功用Table 1 Pesticides restrictions and functions

續表1農藥Pesticides國內外禁限情況Domestic and foreign restrictions所防治病、蟲、草Diseases, insects, grasses其他類Others噻嗪酮Buprofezin印度Restricted in India褐稻虱蟲Brown rice lice莠滅凈Ametryn歐盟Restricted in EU一年生禾本科、闊葉雜草Annual gramineous, broad-leaved weeds嘧菌酯Azoxystrobin無None白粉病、網斑病、霜霉病等Powdery mildew, net spot, downy mildew and so on烯酰嗎啉Dimethomorph無None霜霉病、疫病、猝倒病、黑脛病等Downy mildew, blight, cataplexy, black shank and so on嘧霉胺 Pyrimethanil無 None灰霉病 Grey mold稻瘟靈Isoprothiolane歐盟Restricted in EU飛虱、稻瘟病、葉斑病、條紋病等Planthopper, rice blast, leaf spot, stripe disease and so on

1.3 分析方法

通過固相萃取(SPE)富集1 L水樣中的污染物，之后使用UPLC-MS/MS分析富集后的水樣。具體操作參數如下，離子源為ESI源，電離模式為正離子模式，毛細管電壓為3.0 kV，離子源溫度為150 ℃，錐孔反吹氣流量為50 L·h-1，脫溶劑氣溫度為500 ℃，脫溶劑氣流量為900 L·h-1，監測模式為MRM模式[18]。

基于相應的母離子和2種最強的產物離子以及保留時間鑒定農藥，并基于由SPE構建的校準標準曲線和加標的水樣的分析進行定量。制備8種不同濃度(0.1、0.5、1.0、10.0、50.0、100.0、500.0和1 000.0 ng·L-1)的加標樣品，通過分析樣品與內標的峰面積比來構建校準曲線。這些校準標準曲線一定程度上修正了SPE過程和HPLC/MS中儀器變化的誤差。每種農藥的定量限(LOQ)定義為對應的信噪比(S/N)乘10的濃度。

1.4 試劑、標準品和材料

29種農藥的標準品(97%～99%，美國Ark Pharm,Inc公司)，孔徑1 μm玻璃纖維濾膜(美國Whatman公司)，甲醇(色譜純，美國Fisher公司)，鹽酸(分析純，滬試，中國)，硫酸(分析純，滬試，中國)，固相萃取小柱(150 mg/6 mL，美國Waters公司)，尼龍濾膜(0.45 μm，中國天津津騰公司)。

1.5 風險評估方法

風險熵(risk quotient,RQ)可以用來評價水環境中農藥的生態風險[12-13]，風險高低根據RQ來判斷(高風險1≤RQ；中風險0.1≤RQ<1；低風險0.01≤RQ<0.1；無風險RQ<0.01)，計算公式如下：

式中：MEC(measured environmental concentration)為測定的環境濃度，PNEC(predicted no-effect concentration)為預測無效應濃度。PNEC來自Norman生態毒理數據庫(www.norman-network.com)。本研究使用數據庫內PNEC最低值計算最大風險熵，如果Norman數據庫沒有相應的PNEC值，則使用PPDB數據庫(http://sitem.herts.ac.uk/)內水生生物的半致死濃度(median lethal concentration,LC50)、半數效應濃度(half-maximal effective concentration,EC50)和無觀察效應濃度(no-observed effect concentration,NOEC)中的最低值計算相應PNEC值，PNEC根據NOEC或者L(E)C50與評估因子(assessment factor,AF)的比值獲得，具體選取的PNEC值如表2所示。

表2 風險評估相關數據Table 2 Risk assessment-related data

2 結果(Results)

2.1 農藥的賦存濃度

本研究根據農藥的性質和化學結構將檢測的29種農藥分為6類，分別為氨基甲酸酯類、苯并咪唑類、有機磷類、煙堿及酰胺類、三唑類以及其他類。檢出結果如表3所示，在4次采樣中有5種農藥(多菌靈、異丙甲草胺、戊唑醇、多效唑、莠滅凈)的檢出頻率均為100%，有5種農藥的檢出頻率均低于50%。在1月有7種農藥的檢出頻率達到了80%以上，3月15種，4月18種，6月19種，呈現一個不斷上升的趨勢，這說明隨著農業活動以及降雨量的增加，潁州西湖小流域內的農藥污染水平呈現上升趨勢，但是隨著降雨量達到一定程度后，增加的勢頭放緩。在29種農藥中，樂果和涕必靈的檢出濃度和頻率最低，樂果沒有檢出，涕必靈的最大檢出頻率也只有8.11%且最大檢出濃度僅為0.1 ng·L-1，而在6類農藥中檢出濃度最高的分別是氨基甲酸酯類的克百威，苯并咪唑類的多菌靈，煙堿類與酰胺類的異丙甲草胺，有機磷類的水硫氨磷，三唑類的戊唑醇，其他類的嘧菌酯。與國內外其他地區的農藥檢出水平相比，克百威的檢出水平遠低于拉丁美洲的Toyogres、Reventado和Birrís等3條河流(100～140 ng·L-1，平均濃度110 ng·L-1)[14]。多菌靈(3.2～687.4 ng·L-1，檢出頻率100%)的檢出濃度遠高于西班牙北部的Ebro河(ND～11.63 ng·L-1，檢出頻率70%)，也高于我國太湖流域的(ND～114.44 ng·L-1，檢出頻率97%)[10]，遠低于土耳其的Ergene河(平均濃度291 310 ng·L-1)[19]。異丙甲草胺的最大檢出濃度(69.9 ng·L-1，檢出頻率100%)遠低于低于地中海的Mondego、Sado和Tejo河(2 000 ng·L-1)，但是檢出頻率要遠高于Mondego、Sado和Tejo河(20%)[20]。戊唑醇的檢出水平(檢出頻率100%)要高于長江等7條河流(0.58～50.04 ng·L-1，檢出頻率68%)[21]。嘧菌酯的檢出水平(平均檢出濃度0.4～1.4 ng·L-1)要遠低于土耳其的Meri?河(平均檢出濃度576.6 ng·L-1)[19]。

表3 29種農藥的檢出濃度Table 3 The concentrations of 29 pesticides

典型農業小流域農田內殘留的農藥主要通過雨水徑流匯入流域內，因此農藥類微污染物的檢出水平與當地的降雨量息息相關。如圖2所示，農藥類微污染物檢出濃度的變化與當地降雨量的變化密切相關，1月、3月和4月農藥總檢出濃度隨著降雨量的減少而不斷上升，3月、4月降雨量相比于1月分別下降了62.12%和83.75%，而污染物的檢出濃度則分別提升了26.28%和98.84%；6月農藥類微污染物的檢出濃度降幅明顯，相比于4月的農藥總檢出濃度降低了15.50%，而相對的當地月均降雨量增幅顯著，提升了1 402.21%。1月為冬季農業活動較少但降雨量較多(月降雨量111.4 mm)，農田中殘留的農藥會通過雨水徑流匯入河流湖泊中，但由于農業活動較少所以流域內農藥污染水平不高；3月、4月為春季農業活動開始增多，但當地降雨量大幅降低，3月、4月的降雨量(月降雨量42.2 mm、18.1 mm)僅為1月降雨量的37.88%和16.25%，一方面農田內殘留的農藥會隨著多種途徑匯入流域內河流湖泊水體內，另一方面隨著河流湖泊水的蒸發和散失，流域水體內農藥類微污染的檢出濃度大幅升高，導致了3月和4月的農藥檢出濃度不斷升高；而在6月，當地降雨量大幅增加(月降雨量271.9 mm)，大量的雨水落下形成地表徑流，流域農田內殘留的農藥類微污染物隨著地表徑流匯入西湖及其相關河流內，但由于降雨量過大，即使有大量農藥匯入西湖水體內，流域內農藥類微污染物的檢出濃度仍出現了15.50%的下降，導致流域中6月農藥的平均檢出濃度低于4月，相似的結果也出現在Xu等[22]的研究中。

圖2 4次采樣的平均農藥檢出濃度和月均降雨量Fig. 2 Average pesticide concentration and monthly rainfall of four samplings

農藥總濃度的變化結合六大類農藥的占總檢出農藥的比例可以探究不同種類農藥的時間變化規律。圖3顯示了各個月份按照河流匯流分區分析的農藥總濃度，并計算了各個分區的各類農藥的檢出量占總檢出量的百分比。三唑類、煙堿及酰胺類和苯并咪唑類農藥為農藥污染的主體物質。在西湖上游三唑類農藥的占比不斷升高，而苯并咪唑類農藥的占比不斷降低，對于西湖主體而言，1月、3月和4月農藥的檢出趨勢與西湖上游趨勢相同，6月西湖主體中三唑類農藥的檢出水平與4月接近，比起1月和3月的農藥檢出水平仍是大幅提升；在西湖下游，3月、4月和6月的農藥檢出趨勢亦與西湖上游相同，3月三唑類農藥的檢出相比1月大幅降低，苯并咪唑類農藥大幅上升。總體而言，在流域內農藥的時空分布規律中，苯并咪唑類農藥以及三唑類農藥的變化規律最為顯著。造成這種趨勢的原因與不同時節農藥的用途相關，如苯并咪唑類的多菌靈是一種廣譜性內吸殺菌劑，對多種作物由真菌(如半知菌、多子囊菌)引起的病害有防治效果。而三唑類農藥也是廣譜性內吸殺菌，因為活性高、殺菌速度快，所以使用范圍更廣，如三唑醇和戊唑醇等也具備多菌靈的殺菌效果，多效唑是植物生長調節劑，也可做水果防腐劑，三唑類農藥的用途更加廣泛，因此三唑類農藥的占比不斷升高。而1月西湖下游的農藥檢出規律與另外2塊區域不同，這可能是因為冬季時西湖下游的農業活動極少，因而農藥檢出總濃度極低，經過長時間自然降解的農藥殘留濃度低。多菌靈是苯并咪唑類農藥污染物的主體物質，異丙甲草胺是煙堿及酰胺類農藥微污染物的主要物質，多效唑、戊唑醇和三唑醇是三唑類農藥微污染物的主體物質。

圖3 各個分區不同采樣時間的農藥檢出總濃度(a)與各個分區各類農藥占比(b)Fig. 3 The total concentration of pesticides detected at different sampling time in each partition (a) and the proportion of various pesticides in each partition (b)

2.2 農藥的空間變化

總體農藥類微污染物無明顯空間變化規律，因此本研究選取幾種不同種類的農藥來探究潁州西湖流域中農藥的空間變化規律。氨基甲酸酯類的克百威、苯并咪唑類的多菌靈、煙堿類及酰胺類的異丙甲草胺和三唑類的戊唑醇等4種農藥來分析農藥的空間變化規律。

圖4展示4次采樣中檢出頻率與檢出水平最高的4種農藥的賦存濃度變化規律。西湖主體中克百威的檢出水平在1月、4月和6月是3塊區域中最高的，而西湖上游克百威的檢出水平在3月最高，整體呈現出在西湖主體中富集的規律。多菌靈于1月在西湖主體中檢出水平最高，有在西湖主體中富集的趨勢，3月和4月在西湖下游檢出水平最高，而6月西湖下游的平均檢出濃度也高于西湖上游與西湖主體，與1月的規律不同。異丙甲草胺與多效唑的4次采樣的檢出規律相同，西湖上游的檢出水平要高于西湖下游的檢出水平，而西湖主體的檢出水平又高于西湖上游與西湖下游，即這2種農藥有在西湖中富集的趨勢。而多菌靈在3月、4月和6月呈現與1月截然相反的空間分布規律是因為當地農田對于多菌靈的大量使用，其他農藥的使用量相對減少，通過雨水徑流從農田中匯聚大量的多菌靈，因此造成了下游的異常點過多，且不同點的檢出濃度差值較大。因此，整體而言，不考慮多菌靈這種在西湖下游過量使用的農藥之外，大部分農藥都會呈現出在西湖中富集的趨勢。

2.3 農藥的生態風險評價

因為農藥的生物毒性不同，因此農藥的檢出水平與農藥的水環境生態風險并不完全等價，檢出水平相差一個數量級的農藥，濃度較低的農藥可能會存在更高的水環境生態風險。因此本研究根據每個農藥的PNEC值計算了各個農藥在各個點位存在的水環境生態風險。1月有8種農藥存在水環境生態風險，3月有9種農藥存在生態風險，4月有11種農藥存在生態風險，6月有13種農藥存在生態風險。4次采樣中，多菌靈的生態風險均為最高，又因為4月農藥的檢出水平最高，且4月存在生態風險的農藥總的生態風險最高，因此以農藥檢出水平最高的4月為例來分析農藥的生態風險，如圖5所示。從中可以看出有多種農藥的某些取樣點存在著中低以上風險，按照風險熵從低到高排名前五的為多菌靈、戊唑醇、吡蟲啉、異丙甲草胺和克百威。這與檢出濃度前五的農藥有些出入。存在低生態風險以上的點位檢出頻率為14.91%，其中高風險的檢出頻率為0.28%(多菌靈占比100%)，中等風險的檢出頻率為5.31%(多菌靈36.84%，戊唑醇31.58%，吡蟲啉19.30%，其他12.28%)，低風險的檢出頻率9.32%(多菌靈14.00%，戊唑醇19.00%，異丙甲草胺18.00%，多效唑17.00%，吡蟲啉10.00%，克百威10.00%，氟環唑9.00%，其他6.00%)。

圖5 4月29種農藥各個點位的風險熵(RQ)Fig. 5 The risk quotient (RQ) of 29 pesticides in April

為了更進一步觀察農藥生態風險的時間變化規律以及對比各農藥存在水環境生態風險的大小，本研究計算了各農藥對總風險熵的貢獻比例(只計算RQ≥0.01的取樣點)。如圖6所示，1月存在水環境生態風險的農藥數量最少，多菌靈的生態風險在1月的總生態風險中占比超過50%，西湖主體多菌靈的生態風險占總體多菌靈生態風險的55%以上；3月克百威的風險占比大幅提升，相比于1月提升了135%，雖然多菌靈的檢出占比呈下降趨勢，但實際檢出水平卻提升了50%，西湖上游的克百威檢出水平降低了100%，西湖主體克百威的檢出水平提升了700%，西湖下游的檢出水平提高了400%，因此造成了3月克百威的生態風險大幅提升；4月時多菌靈的生態風險占比超過了60%，在農藥檢出水平相比于3月大幅提升的情況下，多菌靈的生態風險仍有大幅的提升，主要是因為西湖下游多菌靈檢出水平大幅提升，與3月不同的是，西湖上游與西湖主體的多菌靈檢出水平也有了一定的提升，戊唑醇的生態風險占比相比于3月也有了大幅度的提升，對生態風險的提升貢獻最大的是西湖主體，西湖主體戊唑醇的檢出濃度相比于3月提升了550%；而到了6月之后戊唑醇的生態風險進一步上升，多菌靈與戊唑醇的生態風險占比高達70%，相比于4月而言，6月西湖下游的多菌靈檢出濃度大幅降低，降低了72%，西湖主體檢出濃度不變，西湖上游檢出略微升高，而戊唑醇的生態風險升高主要來源于西湖上下游的檢出水平大幅提升，西湖主體的戊唑醇檢出濃度反而是下降的。吡蟲啉的生態風險占比在7.5%～11.2%之間，在任何農業活動時間段吡蟲啉的生態風險都不可忽視。

圖6 農藥的風險占總生態風險的百分比Fig. 6 Percentage of pesticide risk in total ecological risk

3 討論(Discussion)

目前國內對農藥的禁限名單沒有歐盟等的嚴格，但隨著我國越來越重視農藥的生態風險，未來一定會有更多的農藥被加入禁限名單，需要未雨綢繆。本研究中29種農藥中的18種會存在一定的生態風險。雖然這些農藥的賦存濃度相對來說不算特別高，但已發現某些農藥在西湖水體中積累的趨勢，建議在以后要定期觀測西湖小流域中農藥的富集狀況。

多菌靈的適用范圍廣、價格低(僅有戊唑醇的1/3)，這很大程度上導致了多菌靈的濫用，導致了流域內多菌靈的賦存濃度和生態風險較高；克百威已在我國部分范圍內限制使用的名單內，雖然流域內克百威的賦存濃度較低，但是克百威帶來的生態風險不可忽視；吡蟲啉已被歐盟禁用，水環境中較低濃度的吡蟲啉也會帶來較高的生態風險；戊唑醇作為多菌靈的替代品，使用范圍也非常廣泛，因此流域內存在較高濃度的戊唑醇，這導致流域內戊唑醇的生態風險較高。應該注意使用生態風險較低的農藥替代生態風險較高的農藥。例如使用三唑醇與烯唑醇代替戊唑醇治療作物白粉病，具體農藥之間的替代需要更進一步的分析。

可以采取以下方法降低潁州西湖中農藥存在的生態風險：(1)采取多種手段相結合，比如生物防治與化學防治相結合，減少農藥的使用量；(2)植保無人機取代人工噴灑農藥，可以達到減量增效的目的，從而減少農藥的使用量；(3)鼓勵農藥交替搭配混用，平均農藥用量，減少高風險農藥的用量，增大低風險農藥的用量，從而降低農藥所帶來的生態風險。

綜上所述，對潁州西湖農業小流域的研究表明：(1)研究所選取的六大類29種農藥在潁州西湖小流域中均有檢出，苯并咪唑類和三唑類農藥的檢出濃度較高，是所檢測的主要農藥類微污染物，多菌靈、異丙甲草胺、戊唑醇、多效唑和三唑醇是流域內主要的農藥類微污染物；(2)要持續監測西湖流域內農藥的富集趨勢；(3)農藥的生態風險方面，檢測的29種農藥中的18種都存在一定的生態風險，主要的生態風險來自于多菌靈、戊唑醇、異丙甲草胺、克百威和吡蟲啉，要監測流域內已被禁用農藥的賦存濃度；(4)可以采用多種方法相結合的方式來降低流域內農藥的過量使用所帶來的生態風險，比如高低風險農藥的交替使用。