劉敏霞，劉曉昕月

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 晉中 030801）

隨著全球人口的增長，糧食的需求量越來越大，為了降低病蟲害以及雜草競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)，大量的農(nóng)藥噴灑成為糧食穩(wěn)定、增產(chǎn)的重要手段［1-2］。作為廣譜型除草劑的草甘膦，能去除農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市和家庭等750多種雜草，是世界上使用最廣泛的農(nóng)藥之一［3］。過去草甘膦被視為低毒、安全的農(nóng)藥，但最新研究表明，長期大量重復(fù)噴施草甘膦，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變［4-5］，土壤中微生物數(shù)量減少，改變微生物群落結(jié)構(gòu)和功能［6］，影響土壤呼吸和碳氮循環(huán)過程［7］；草甘膦具有內(nèi)分泌干擾作用和致癌性［8］，被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）列為致癌性物質(zhì)；即使低濃度的草甘膦也會(huì)對(duì)人體的胚胎和胎盤細(xì)胞產(chǎn)生毒性，造成胎兒畸形［9］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)草甘膦的污染研究主要集中在草甘膦對(duì)動(dòng)植物及人體的毒理學(xué)特征［2，10，11］，以及土壤中草甘膦的去除技術(shù)［12-15］。雖然已經(jīng)有了比較先進(jìn)的去除土壤中草甘膦的技術(shù)和手段，但這些技術(shù)手段都停留在試驗(yàn)階段，因野外條件不可控和成本問題很難實(shí)際推廣應(yīng)用。因此，識(shí)別草甘膦在環(huán)境區(qū)域內(nèi)的污染狀況，明確草甘膦在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化行為，對(duì)當(dāng)前減少和防治草甘膦污染更有實(shí)際意義。

山西省是我國農(nóng)業(yè)大省，境內(nèi)汾河流域面積占全省總面積的四分之一，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占全省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的64%。山西省2019年農(nóng)藥用量為2.53萬t，與1991年（0.69萬t）相比，增加了2.67倍，而糧食產(chǎn)量?jī)H增加了0.83倍（中國統(tǒng)計(jì)年鑒2020），農(nóng)藥投入量增速是糧食增速的3.22倍，農(nóng)藥超量使用導(dǎo)致農(nóng)藥潛在風(fēng)險(xiǎn)與農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴(yán)重［16-18］，嚴(yán)重威脅著汾河流域的土壤質(zhì)量以及周邊環(huán)境的安全。草甘膦作為使用最廣泛的農(nóng)藥之一，研究其在汾河流域環(huán)境中的分布及降解特征，對(duì)汾河流域農(nóng)業(yè)面源污染防治具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2019年4月、7月和10月采集農(nóng)田土壤樣品，共設(shè)置50個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），記錄采樣點(diǎn)坐標(biāo)，每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)采集5個(gè)0~20 cm的土壤樣品，將5個(gè)土壤樣品混合均勻，裝入自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品經(jīng)冷凍干燥后過100目土壤篩，放入冰箱備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

圖1 采樣點(diǎn)坐標(biāo)圖Fig.1 Sketch map of sampling sites

1.2 降解試驗(yàn)

在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林與土壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，目的是明確草甘膦在土壤中的降解規(guī)律。將適量土壤樣品混合，過2 mm篩，土壤含水量為田間持水量的70%，2個(gè)草甘膦噴施濃度（100、200 μg·kg-1），每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，分別在培養(yǎng)的1、3、5、7、10、30、60和90 d取樣測(cè)定土壤中草甘膦的含量。

1.3 土柱淋溶試驗(yàn)

在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林與土壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，目的是探究草甘膦隨土壤淋溶作用在土壤剖面中的遷移行為。根據(jù)清徐縣耕層土壤的污染狀況，挖取3個(gè)典型的土壤剖面，按照0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75、75~100 cm分層采集土壤樣品。土壤樣品風(fēng)干后過2 mm篩，按照剖面深度取少量樣品測(cè)定草甘膦含量，其余用于土柱淋溶試驗(yàn)。將土壤樣品分層裝入玻璃土柱（內(nèi)徑8 cm，長105 cm，土壤填充長度為100 cm），在土柱上部0~5 cm噴施草甘膦（100、200 μg·kg-1），每種處理重復(fù)3次。淋溶水量按照清徐縣平均年降雨量462 mm設(shè)定。淋溶試驗(yàn)完畢后，分層取樣測(cè)定各層土壤中草甘膦的含量［19］。

1.4 土壤樣品中草甘膦及氨基甲基磷酸（AM?PA）分析測(cè)定

樣品中草甘膦及其降解產(chǎn)物氨基甲基磷酸（AMPA）的分析測(cè)定：土壤樣品經(jīng)冷凍干燥，研磨過篩進(jìn)行草甘膦的分析測(cè)試。具體步驟為：①浸提。取2 g樣品加入0.6 mol·L-1的KOH溶液10 mL，震蕩1 h，離心。取上清液1 mL用HCl調(diào)節(jié)pH至9；②衍生化。在塑料試管中加入20 μL草甘膦同位素標(biāo)記物（回收率指示物），0.5 mL的硼酸鹽緩沖液和6.5 mmol·L-1的芴甲氧羰酰氯（FMOC-CL）0.5 mL，搖勻，室溫靜止30 min，加入50 μL的甲酸充分混勻，過0.45 μm的玻璃纖維濾膜，轉(zhuǎn)移至進(jìn)樣瓶；③液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（HPLC-MS）測(cè) 定（型 號(hào)：Thermo FisherLTQ XL）。HPLC-MS測(cè)定條件如下，色譜柱：流動(dòng)相A為乙腈，流動(dòng)相B為5 mmol·L-1乙酸銨水溶液（含0.1%（v/v）甲酸），梯度洗脫；柱溫：40 ℃；進(jìn)樣量：2.0 μL。質(zhì)譜電離模式：離子噴霧電壓：4 000 V；霧化室溫度：200 ℃；離子傳輸管溫度：350 ℃；碰撞氣：氬氣，0.2 Pa；采集模式：多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式（MRM）。

質(zhì)量控制與質(zhì)量保證：環(huán)境樣品中草甘膦和AMPA的含量較低，大多數(shù)屬于痕量或超痕量分析，為了使分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，需要嚴(yán)格的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制體系。在進(jìn)行樣品分析的同時(shí)，每分析15個(gè)樣品加方法空白、加標(biāo)空白、基質(zhì)加標(biāo)、基質(zhì)加標(biāo)平行樣和樣品平行樣分析。對(duì)于每個(gè)分析樣品（包括樣品、方法空白、基質(zhì)加標(biāo)），都要添加回收率指示物，以控制整個(gè)分析流程的回收率?；衔锏亩ㄐ岳脴?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的色譜保留時(shí)間（±0.50 min）結(jié)合質(zhì)譜信息定性。絕大部分標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸系數(shù)（r）均在0.99以上。每工作日樣品分析前要做儀器程序空白和標(biāo)樣分析，用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液檢測(cè)已建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線是否可用，測(cè)定值與已知值之差必須小于20%，否則重新建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。

分別用50 μg草甘膦和AMPA標(biāo)準(zhǔn)加標(biāo)得到土樣草甘膦和AMPA的回收率分別為為78%~116%和81%~108%。每種化合物的6次重復(fù)測(cè)定相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均小于20%，可見該方法能夠滿足痕量分析的要求。連續(xù)進(jìn)6次濃度為5倍噪聲的標(biāo)樣，得到其標(biāo)準(zhǔn)偏差（S），計(jì)算儀器的最低檢出限（IDL=3.36S）。再重復(fù)分析6個(gè)基質(zhì)加標(biāo)樣，加標(biāo)濃度為5倍的IDL，得到標(biāo)準(zhǔn)偏差（S），計(jì)算方法的最低檢出限（MDL=3.36S）。當(dāng)草甘膦和AMPA的檢測(cè)濃度在儀器最低檢測(cè)限以下時(shí)，則認(rèn)為檢測(cè)濃度為0；當(dāng)草甘膦和AMPA的檢測(cè)濃度在儀器檢測(cè)限和方法檢測(cè)限之間時(shí)，則認(rèn)為檢測(cè)濃度為儀器檢測(cè)限。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0軟件及excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中草甘膦及其AMPA濃度變化特征

土壤中草甘膦、AMPA和草甘膦+AMPA的含量見表2。4月（作物種植之前）、7月（作物生長期）和10月（作物收獲后）土壤中草甘膦的含量范圍分別為2.2~45.4、11.9~153.3和6.6~143.2 μg·kg-1，平均值分別為27.8、75.5和58.6 μg·kg-1。4月、7月和10月土壤中AMPA的含量范圍為11.1~165.4、71.8~361.6和20.3~342.6 μg·kg-1，平均值分別為86.5、194.9和142.7 μg·kg-1。AMPA是草甘膦的主要降解產(chǎn)物，一旦進(jìn)入土壤，草甘膦便在微生物的作用下開始降解。草甘膦在土壤中的半衰期一般為1~197 d，因此，在土壤中檢測(cè)到土壤中降解產(chǎn)物AMPA的含量要高于草甘膦含量，這與前人研究結(jié)果類似［20］。

表2 不同季節(jié)土壤中草甘膦濃度Table 2 Glyphosate concentration in soil in different seasons 單位：（μg·kg-1）

2.2 土壤中草甘膦及其AMPA的空間分布特征

不同季節(jié)土壤中草甘膦與AMPA含量空間分布特征見圖2。草甘膦和AMPA在土壤中含量空間變異比較大。4月，草甘膦含量最大值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S4，最小值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S14；AMPA濃度最大值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S20，最小值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S27。7月草甘膦含量最大值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S33，最小值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S5；AMPA濃度最大值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S15，最小值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S8。10月草甘膦含量最大值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S20，最小值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S14；AMPA濃度最大值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S32，最小值出現(xiàn)在樣點(diǎn)S16。

圖2 不同季節(jié)土壤中草甘膦（GLY）及AMPA含量空間分布（A：4月；B：7月；C：10月）Fig.2 Glyphosate and AMPA concentrations in soil in different seasons （A： April， B： July， C： October）

2.3 土壤中草甘膦及AMPA的季節(jié)變化特征

隨著全球人口的增長，糧食的需求量越來越大，為了降低病蟲害以及雜草競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)，大量的農(nóng)藥噴灑成為糧食穩(wěn)定、增產(chǎn)的重要手段。作為廣譜型除草劑的草甘膦，能去除農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市和家庭等750多種雜草，為了達(dá)到清除雜草的目的，一般會(huì)在苗前、苗期重復(fù)噴施草甘膦，由此大量的草甘膦進(jìn)入土壤，因此，草甘膦及其降解產(chǎn)物在土壤中含量明顯受季節(jié)的影響。

由圖3可見，草甘膦、AMPA和草甘膦+AM?PA的含量均為7月>10月>4月，這是因?yàn)?月為作物生長季節(jié)，為了達(dá)到除草的目的，在作物生長季反復(fù)噴施草甘膦，導(dǎo)致7月草甘膦及AMPA含量最高，4月草甘膦含量最低。由方差分析可知，AMPA和草甘膦+AMPA含量在4月、7月和10月3個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)顯著差異（P<0.05），草甘膦含量在4月和7月、10月之間呈現(xiàn)顯著差異，但7月和10月含量之間并無顯著差異。

圖3 不同季節(jié)草甘膦（GLY）、AMPA及草甘膦+AMPA含量Fig.3 Concentrations of Glyphosate， AMPA and Glyphosate+AMPA in different seasons

2.4 草甘膦在土壤中的降解特征

草甘膦進(jìn)入土壤后，在各種微生物的作用下開始降解，降解的主要產(chǎn)物是氨甲基磷酸（AM?PA）。培養(yǎng)不同時(shí)間土壤中草甘膦（草甘膦）及其降解產(chǎn)物（AMPA）的殘留量如表3所示。由表3可見，草甘膦施用量為100 μg·kg-1時(shí)，培養(yǎng)90 d草甘膦含量變化范圍為25.13~121.87 μg·kg-1，草甘膦施用量為200 μg·kg-1時(shí)，培養(yǎng)90 d草甘膦含量變化范圍為27.65~223.46 μg·kg-1。草甘膦在施入土壤后3 d內(nèi)殘留量下降明顯，降解速度最快，草甘膦在汾河流域耕地土壤中半衰期為3~5 d，30 d后草甘膦殘留量基本穩(wěn)定，施入100和200 μg·kg-1兩個(gè)濃度梯度均表現(xiàn)出相同的規(guī)律。主要降解產(chǎn)物AMPA在施入草甘膦后的第3 d殘留量最大，隨后逐漸降低，60 d后趨于穩(wěn)定。本研究得出的草甘膦降解規(guī)律與前人研究結(jié)果類似，草甘膦在施入土壤后一周后殘留量急劇下降，30 d后殘留量基本保持不變［20］。

表3 培養(yǎng)不同時(shí)間土壤中草甘膦（GLY）及AMPA的殘留量Table 3 Concentrations of GLyphosate and AMPA in soil with different culture time 單位：（μg·kg-1）

2.5 草甘膦及AMPA在土壤剖面中的遷移特征

草甘膦進(jìn)入土壤后，一部分在微生物的作用下發(fā)生降解，另一部分在有降雨、灌溉時(shí)隨著水分入滲進(jìn)入深層土壤或隨地表徑流遷移至其它環(huán)境介質(zhì)。為探究草甘膦在土壤剖面中的遷移特征，采集100 cm深度的原狀土壤進(jìn)行土柱淋溶試驗(yàn)。淋溶結(jié)束后土壤剖面中草甘膦及AMPA濃度分布如圖4所示。未施用草甘膦時(shí)，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cm草甘膦濃度分別為 32.9±3.12、28.2±2.97、25.7±3.04、24.6±2.82、15.5±3.27、13.1±2.13、14.2±1.98和10.3±1.54 μg·kg-1。草甘膦施用量為100 μg·kg-1時(shí)，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cm草甘膦濃度分別為 27.8±3.64、39.0±4.02、40.1±3.58、45.8±4.33、37.3±3.78、26.0±3.09、15.4±1.88和9.24±1.49 μg·kg-1。草甘膦施用量為200 μg·kg-1時(shí)，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cm草甘膦濃度分別為45.9±3.92、48.79±4.02、52.19±3.58、55.89±4.33、40.2±3.78、22.3±3.09、17.8±1.88和11.4±1.49 μg·kg-1。自然土壤0~20 cm土層草甘膦含量較高，20 cm以下較低。草甘膦施用量為100、200 μg·kg-1淋 溶 時(shí)，草 甘 膦 在15~20 cm土層，含量最高，20 cm以下土層含量急劇減少。草甘膦淋溶淋失最深進(jìn)入35~50 cm土層，50 cm以下土層含量接近自然土壤。

圖4 淋溶試驗(yàn)草甘膦及AMPA在土壤剖面中的濃度分布Fig.4 Concentrations of glyphosate and AMPA in soil profile affter leaching test

未施用草甘膦時(shí)，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cm AMPA濃度分別為90.1±6.83、89.4±7.04、84.2±5.97、82.3±6.09、75.1±5.47、61.0±5.84、61.2±6.03和58.7±5.26 μg·kg-1。草甘膦施用量為100 μg·kg-1時(shí)，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cmAMPA濃 度 分 別 為85.2±5.37、92.5±7.52、100.3±9.65、105±10.12、90.6±8.43、80.2±7.39、75.3±6.43和67.3±5.97 μg·kg-1。草甘膦施用量為200 μg·kg-1時(shí)，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cmAMPA濃度分別為90.1±8.07、114±11.34、131±12.53、158±11.94、124±11.36、89.6±8.09、70.1±5.72和68.3±5.49 μg·kg-1。與草甘膦含量變化一致，AMPA在15~20 cm土層含量最高，20 cm以下土層含量急劇減少。AMPA淋溶淋失最深進(jìn)入35~50 cm土層，50 cm以下土層含量接近自然土壤。

3 討論

截止目前，我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)部分有機(jī)氯農(nóng)藥有限定值，因此本文采用歐盟制定的草甘膦土壤最大殘留標(biāo)準(zhǔn)100 μg·kg-1對(duì)汾河流域農(nóng)田土壤中草甘膦殘留量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。由圖3可知，4月、7月和10月草甘膦平均濃度均小于100 μg·kg-1，但7月和10月分別有13和4個(gè)樣點(diǎn)濃度超過100 μg·kg-1，可能對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害。AMPA是草甘膦的主要降解產(chǎn)物，一旦進(jìn)入土壤，草甘膦便在微生物的作用下開始降解。3個(gè)季節(jié)農(nóng)田土壤中AMPA的濃度均高于草甘膦，這與前人研究結(jié)果類似［20］，這表明AMPA在土壤中的半衰期要高于草甘膦。研究表明，草甘膦及AMPA的降解速率高低取決于其在土壤膠體上吸附性的強(qiáng)弱［21］，土壤膠體對(duì)草甘膦的吸附量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于AMPA［22］，導(dǎo)致草甘膦在土壤中的降解速率高于AMPA，殘留量低于AMPA。

淋溶試驗(yàn)表明，草甘膦和AMPA主要聚集在土壤15~20 cm土層，20 cm以下土層含量急劇減少，這表明土壤中草甘膦和AMPA不會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染。汾河流域地處黃土高原東部，極易發(fā)生水土流失。土壤侵蝕時(shí)，表層土壤（0~20 cm）被剝離，土壤中的污染物也隨地表徑流進(jìn)入到下游環(huán)境，尤其是半衰期長且在土壤膠體上吸附性弱的AMPA［23］。因此，汾河流域農(nóng)田土壤中草甘膦及AMPA隨地表徑流的流失特征還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

汾河流域農(nóng)田土壤中AMPA含量顯著高于草甘膦含量，草甘膦及AMPA含量空間分布差異較大，因受作物種植生長的影響，草甘膦及AMPA的含量受季節(jié)影響較大，7月2種污染物含量顯著高于4月和10月。草甘膦在汾河流域農(nóng)田土壤中的半衰期為3~5 d，在施入草甘膦7 d后含量急劇下降，30 d后含量基本穩(wěn)定。草甘膦降解產(chǎn)物AM?PA在草甘膦施入3 d后含量最高，60 d后含量趨于穩(wěn)定。淋溶試驗(yàn)表明，草甘膦與AMPA主要集中在15~20 cm土層，淋溶作用使草甘膦沿土壤剖面遷移至35~50 cm土層，50 cm以下土層草甘膦及AMPA含量接近自然土壤。草甘膦極易通過地表徑流進(jìn)入下游環(huán)境，需引起重視。