陕西苹果园土壤毒死蜱施药期残留与风险评价
2020-06-09师荣光郑向群贾皎皎刘爱风许萌萌赵宗山
师荣光 郑向群 贾皎皎 刘爱风 许萌萌 赵宗山
摘要：毒死蜱作為一种广谱有机磷杀虫剂，因具有神经毒性、遗传毒性及内分泌干扰作用而受到人们关注。以陕西省长武县某苹果园为例，研究毒死蜱施药前后，土壤中毒死蜱等11种常见农药的残留变化趋势，并对几个特殊的高值点站位进行重点探讨。以蚯蚓为参照生物，对土壤农药进行环境风险评价。结果表明，毒死蜱等11种农药总残留量在施药后均呈先上升后下降的趋势，对高值点站位具有主要贡献的农药分别为毒死蜱、戊唑醇、灭幼脲和苯醚甲环唑。环境风险评价结果表明，具有低、中、高风险的农药数量分别占比36.4%、27.3%、36.4%，且毒死蜱在喷药后5 d 仍处于较高的风险水平。因此，应建议当地农民减少或避免毒死蜱的使用，选用环境友好型的生物源农药作替代药品。
关键词：土壤;苹果园;农药;毒死蜱;残留量;风险评估
中图分类号： X592文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2020）07-0209-05
陕西省为农业农村部确定的“中国苹果优势产业带”，陕西苹果也成为我国原产地保护产品[1]。在我国，苹果种植过程中的病虫草害防治工作长期依赖于农药，且农民经济和文化水平普遍较低、环境保护意识淡薄，往往会出现盲目使用农药的情况，对生态环境及人类健康等产生负面影响[2]。毒死蜱作为一种应用广泛的广谱有机磷杀虫剂，在使用过程中被大量地残留并累积于土壤环境中[3-4]。然而，多项研究表明，毒死蜱具有神经毒性、遗传毒性及内分泌干扰作用[3，5]。自2016年12月31日起，我国农业农村部已明令禁止毒死蜱在蔬菜种植上使用[6]。而在美国和欧洲，毒死蜱仍然应用于农业生产中[7-8]。本研究以陕西省咸阳市苹果种植土壤为研究对象，探究毒死蜱施药期间，11种农药土壤残留量及时空分布变化，重点对毒死蜱进行讨论，并进行环境风险暴露评价，以期为所涉及农药的安全使用提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集及制备
本研究以陕西省咸阳市长武县某苹果园作为采样区，在该区域内设置8个试验区和12个对照区，采用全球定位系统（GPS）仪器进行经纬度定位，具体站位分布见图1。采样时间为2018年3月，于试验区喷施农药的前1 d及施药后1、3、5 d进行4次采样，本次喷施农药为毒死蜱。采样时，每个站位取3个采样点，将3部分土壤充分混匀为该站位土壤样品。土壤样品采集后去除砂砾、植物根系等异物，用四分法取小部分冷冻干燥，研磨并过40目筛，最后储存在-20 ℃的冰箱中待分析。
1.2 样品处理与分析
将5 g土壤样品放入玻璃离心管中，加入3 g无水Na2SO4和30 mL二氯甲烷/丙酮（体积比为2 ∶1，含0.1%甲酸），涡旋振荡5 min，室温下超声20 min，使样品与溶剂充分接触。离心机离心（3 000 r/min，5 min）后收集上清液于鸡心瓶中。重复提取3次，合并提取液旋转蒸发至干。用1 mL甲醇充分润洗鸡心瓶，加入100 mg伯仲胺（PSA）键合硅胶，1 850 mg 十八烷基硅烷（型号为LC-C18，40～63 μm）进行净化。上清液经有机相尼龙滤器（0.22 μm）过滤后， 加水（体积比为20%）稀释后，采用超高压液相色谱-静电场轨道阱高分辨质谱进行分析。
仪器分析条件如下：（1）UHPLC条件：ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱（100 mm×2.1 mm，1.7 μm），流动相分别为0.1%甲酸水溶液（A）和0.1%甲酸乙腈溶液（B）。按照0～3 min，10% B;3～20 min，10% B～100% B;20～22 min，100% B;22～23 min，100% B～10% B;23～25 min，10% B的梯度进行洗脱。（2）质谱HRMS条件：毛细管电压为3.5 kV;离子传输管温度为350 ℃;脱溶剂气（N2）流速为650 L/h;第一级质量分析器（MS1）扫描范围为100～800 m/z;第二级质量分析器（MS2）CID碰撞能量为30%。
1.3 质量控制保证
对该方法的线性、检测限、回收率、基质效应和精密度进行评估。将11种混合农药的标准储备溶液，以甲醇与水体积比为80 ∶20的比例采用连续稀释法制备一系列的混合农药标准溶液（浓度梯度为1、2、5、10、20、50、100、500 μg/L），并建立标准曲线（r2>0.99）。以空白土壤样品作基质，本研究的方法检出限（method detection limit，简称MDL）取基线噪声的3倍值（S/N=10），范围为0.2～1.5 ng/g dw。方法定量限（method quantification limits，简称MQLs），取基线噪声的10倍值（S/N=10），范围为0.6～4 ng/g（干质量）。方法验证MQLs与HPLC-ESI-MS/MS法（1～20 ng/g）测得的结果相当。在土壤样品中分别添加11种目标农药的混合标准样品溶液，浓度分别为10、100、500 ng/g（干质量），回收率范围为68.4%～102.4%，相对标准偏差（relative standard deviation，简称RSD）小于10.5%。另外，同时检测了10、100 ng/g（干质量）等2个加标样品的日内精密度和日间精密度，分别为1.0%～4.5%、2.3%～4.4%。
1.4 农药环境风险评估
本研究基于European Chemicals Agency等提出的混合物风险评估方法[9-11]，实际应用于咸阳地区苹果园土壤，对土壤中农药的风险进行评估。方法包含2个步骤，首先计算每种农药的预测无效应浓度（predicted no effect concentration，简称PNEC），然后将实测的环境浓度（predicted environmental concentration，简称PEC）与PNEC比较得到风险商（risk quotient，简称RQ）。根据RQ的大小确定风险等级：0.01
2 结果与分析
2.1 苹果土壤农药残留总量分析
由表1可知，11种农药检出率为100%。其中主要检出物有苯醚甲环唑[0.79～4 724.43 ng/g，平均值为（140.21±542.05） ng/g]、灭幼脲[1.40～3 251.19 ng/g，平均值为（141.74±423.10） ng/g]、戊唑醇[3.03～3 799.09 ng/g，平均值为（357.96±545.24） ng/g]和毒死蜱[3.20～11 672.71 ng/g，平均值为（968.65±1 873.06） ng/g]。其他7种农药也有不同量的检出。啶虫脒[0.01～6.26 ng/g，平均值为（0.39±0.79） ng/g]、三唑醇[0.07～4.13 ng/g，平均值为（0.66±0.77） ng/g]和三唑酮[0.09～5.11 ng/g，平均值为（0.77±0.91） ng/g]在土壤中的残留量较低。毒死蜱是本次采样期间试验区喷施的农药，其在土壤中的残留量明显较高，且站位间波动大。另外，毒死蜱的半衰期高达386 d，在土壤中不容易降解，考虑到毒死蜱对生态环境及人类可能产生的不良影响，应当对其加强防范。
本研究选取的采样区域为苹果种植林地，且试验区与试验区周边苹果园之间没有明显界限，由于各地块间存在农药化肥施用、除草、松土、苹果树品种等多方面差异，因此在后期样品的实验室分析及数据处理阶段，不可避免地出现特殊情况，但苹果土壤农药残留的时空变化除去个别站位外，从整体上看具有明显的趋势。
图2为打药前后，苹果园土壤中11种农药的总残留量变化趋势。从时间维度看，土壤中的农药总残留量在农药喷施后1 d内急剧升高，总残留量最高的站位高达14 548.51 ng/g，平均值为3 801.47 ng/g，约为打药前1 d（平均值为1 528.50 ng/g）的2.5倍。农药喷施后3 d和5 d土壤中农药残留量（平均值分别为1 110.47、1 200.00 ng/g）已明显下降至与喷施前基本持平。从空间维度看，试验区（站位1～8）和对照区（站位9～20）基本呈现打药后残留量先上升后迅速下降并保持稳定的趋势。站位1含量偏低及站位7含量较高主要是由于农民喷施农药不均所致。对照区土壤中存在一些特殊点，如站位14，可能由于该站位存在点源污染、地势及风向等原因造成该处土壤农残量异常偏高。整体上看，农药喷施后1 d采样试验区土壤农药残留量（平均值为4 465.12 ng/g）约为对照区（平均值为2 341.81 ng/g，除去特殊站位14）的1.9倍。其他时间的样品2个区域农药残留量则无明显差异（除个别特殊点外）。综上所述，苹果园土壤中11种农药总残留量在农药喷施后基本呈现迅速上升、快速下降并稳定于一定的残留量的状态。
2.2 特殊站位分析
在农药残留总量（图2）的比较中发现，站位12、13、14土壤中农药残留量明显高于周边水平，而这3个站位属于对照区，种植作物及使用的农药均具有多样性，需进行进一步分析。图3为站位12～14农药残留量分析柱状图，由图2可以明显看出，3个站位11种农药的总含量变化趋势同样遵循打药前1 d土壤残留量较低，打药后1 d明显升高，之后明显降低的趋势。
由图3可知，对土壤农药残留起主要贡献的除毒死蜱以外，还包括戊唑醇、灭幼脲、苯醚甲环唑等3种农药。毒死蜱的残留量较高且随着采样时间的不同明显呈规律性变化， 主要原因首先是对照区也有苹果树的种植，在喷施农药种类和时间上与试验区具有一致性;其次试验区在毒死蜱喷施之后，经过大气漂移会有一部分落入对照区，而12～14号站位临近试验区，更易受到试验区的影响。这3个站位中，毒死蜱对农药总残留量的贡献率为（40.3±21.2）%。
戊唑醇是一种高效、广谱、内吸性三唑类杀菌农药，主要用作种子处理和叶面喷施，以防治小麦、水稻、蘋果等作物的多种真菌病害。采样期间调查发现，对照区种植作物中有小麦，因此极有可能使用戊唑醇。苯醚甲环唑属于三唑类杀菌剂，安全性较高，广泛应用于果树、蔬菜等作物，可有效防治黑星病、黑痘病等。灭幼脲对鳞翅目幼虫具有很好的杀虫活性，对益虫和蜜蜂等膜翅目昆虫和森林鸟类几乎无害，主要用于防治潜叶蛾、茶黑毒蛾等害虫。12～14号站位土壤中戊唑醇、苯醚甲环唑和灭幼脲对11种农药残留总量的贡献率分别为（23.9±15.3）%、（17.2±14.2）%、（8.8±12.7）%。综上所述，特殊高值点站位主要残留农药为毒死蜱、戊唑醇、苯醚甲环唑和灭幼脲，其他7种农药的残留贡献率之和仅为10%左右。
2.3 喷施农药毒死蜱土壤残留量变化趋势分析
本研究采样以毒死蜱的喷施为参考时间节点，分别采集喷施前1 d以及喷施后1、3、5 d土壤样品。分析发现，试验区土壤中毒死蜱残留量在4批样品中发生了明显的变化（图4）。喷药前1 d，土壤中毒死蜱含量非常低，试验区仅为（81.24±35.99） ng/g;对照区毒死蜱残留量为（298.52±405.54） ng/g，约是试验区的3.7倍。喷药后1 d，试验区毒死蜱含量急剧上升，达到（3 468.29±3 487.70） ng/g，之后迅速回落。到喷药后3 d残留量即减少至（1 236.32±797.91） ng/g，之后发生进一步降解，喷药后5 d变为（1 010.91±679.61） ng/g，仅为喷药后1 d的30%左右。对照区在喷药前后农药毒死蜱的残留量也在一定程度上发生了变化。喷药后1 d为（1 684.81±2 751.55） ng/g，喷药后3 d为（287.31±327.14） ng/g，喷药后5 d为（322.53±347.56） ng/g。对照区毒死蜱的残留量变化可能受到试验区农药喷施的影响，也可能是其他农户在这一时间段喷施毒死蜱所导致。以上结果表明，毒死蜱在喷施后几天内迅速降解至一定浓度后，会稳定存在于土壤中，并缓慢降解。由于对照区种植作物多样化导致农药喷施不局限于毒死蜱，且农药喷施时间不确定，因此与试验区进行对照具有实际意义。
2.4 土壤中农药的环境风险评价
[CM（20]蚯蚓在生态系统中承担着生产者、 消费者、 分解者的多重功能，并发挥着重要的作用，被誉为“生态系统的工程师”[13]，其分布广、量大且具有生物指示优势，在土壤污染检测中发挥着越来越重要的作用[14]。因此本研究选择蚯蚓作为参照生物，根据土壤中农药对蚯蚓的半致死浓度[15]（LC50）确定PNEC，以得到风险商，从而进行土壤中农药的环境风险评价，计算结果详见表2。
由表2可知，低风险（0.01
值得注意的是毒死蜱在喷药前1 d其RQ就超过1，属于高风险物质。在喷药后1 d，RQ更是高达18.59，具有非常大的环境风险。喷药后毒死蜱降解速度较快，到3 d后，RQ降至5.17，与喷药后1 d相比降低72.2%。之后随着毒死蜱在土壤中的残留量降低，RQ继续降低，到5 d后为4.63，依然处于较高的环境风险水平，因此需要引起农药使用者高度的重视。可选择阿维菌素、苦参碱、印楝素等果实农药残留量小或者无残留，对环境友好的生物源农药用于我国防治苹果病虫害的替代药剂[6]。3 讨论与结论
在毒死蜱施药期间，苹果园土壤中毒死蜱和11种农药的总残留量均明显地呈先上升后下降的趋势。3个高残留对照区站位分析结果显示，除毒死蜱（40.3%）外，戊唑醇（23.9%）、苯醚甲环唑（17.2%）和灭幼脲（8.8%）对土壤农药的残留贡献率较大，其他7种的总贡献率仅为10%左右。在研究的11种农药中，毒死蜱、哒螨灵、吡虫啉和多菌灵处于高风险水平，尤其是毒死蜱在施药后5 d仍处于较高的风险水平，因此施药者应注意防护，并采用环境友好的生物源农药作为替代药剂。
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