汾河流域农田土壤草甘膦的分布、降解及迁移特征

刘敏霞，刘晓昕月

（山西农业大学 林学院，山西 晋中 030801）

随着全球人口的增长，粮食的需求量越来越大，为了降低病虫害以及杂草竞争导致的粮食减产，大量的农药喷洒成为粮食稳定、增产的重要手段［1-2］。作为广谱型除草剂的草甘膦，能去除农业、林业、城市和家庭等750多种杂草，是世界上使用最广泛的农药之一［3］。过去草甘膦被视为低毒、安全的农药，但最新研究表明，长期大量重复喷施草甘膦，导致土壤理化性质发生改变［4-5］，土壤中微生物数量减少，改变微生物群落结构和功能［6］，影响土壤呼吸和碳氮循环过程［7］；
草甘膦具有内分泌干扰作用和致癌性［8］，被国际癌症研究机构（IARC）列为致癌性物质；
即使低浓度的草甘膦也会对人体的胚胎和胎盘细胞产生毒性，造成胎儿畸形［9］。国内外学者对草甘膦的污染研究主要集中在草甘膦对动植物及人体的毒理学特征［2，10，11］，以及土壤中草甘膦的去除技术［12-15］。虽然已经有了比较先进的去除土壤中草甘膦的技术和手段，但这些技术手段都停留在试验阶段，因野外条件不可控和成本问题很难实际推广应用。因此，识别草甘膦在环境区域内的污染状况，明确草甘膦在土壤中的迁移转化行为，对当前减少和防治草甘膦污染更有实际意义。

山西省是我国农业大省，境内汾河流域面积占全省总面积的四分之一，农业产值占全省农业总产值的64%。山西省2019年农药用量为2.53万t，与1991年（0.69万t）相比，增加了2.67倍，而粮食产量仅增加了0.83倍（中国统计年鉴2020），农药投入量增速是粮食增速的3.22倍，农药超量使用导致农药潜在风险与农业面源污染日趋严重［16-18］，严重威胁着汾河流域的土壤质量以及周边环境的安全。草甘膦作为使用最广泛的农药之一，研究其在汾河流域环境中的分布及降解特征，对汾河流域农业面源污染防治具有重要意义。

1.1 样品采集

于2019年4月、7月和10月采集农田土壤样品，共设置50个采样点（图1），记录采样点坐标，每个样点随机采集5个0~20 cm的土壤样品，将5个土壤样品混合均匀，装入自封袋，带回实验室。土壤样品经冷冻干燥后过100目土壤筛，放入冰箱备用。供试土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

图1 采样点坐标图Fig.1 Sketch map of sampling sites

1.2 降解试验

在山西农业大学林学院森林与土壤生态实验室进行，目的是明确草甘膦在土壤中的降解规律。将适量土壤样品混合，过2 mm筛，土壤含水量为田间持水量的70%，2个草甘膦喷施浓度（100、200 μg·kg-1），每个处理设置3次重复，分别在培养的1、3、5、7、10、30、60和90 d取样测定土壤中草甘膦的含量。

1.3 土柱淋溶试验

在山西农业大学林学院森林与土壤生态实验室进行，目的是探究草甘膦随土壤淋溶作用在土壤剖面中的迁移行为。根据清徐县耕层土壤的污染状况，挖取3个典型的土壤剖面，按照0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75、75~100 cm分层采集土壤样品。土壤样品风干后过2 mm筛，按照剖面深度取少量样品测定草甘膦含量，其余用于土柱淋溶试验。将土壤样品分层装入玻璃土柱（内径8 cm，长105 cm，土壤填充长度为100 cm），在土柱上部0~5 cm喷施草甘膦（100、200 μg·kg-1），每种处理重复3次。淋溶水量按照清徐县平均年降雨量462 mm设定。淋溶试验完毕后，分层取样测定各层土壤中草甘膦的含量［19］。

1.4 土壤样品中草甘膦及氨基甲基磷酸（AM⁃PA）分析测定

样品中草甘膦及其降解产物氨基甲基磷酸（AMPA）的分析测定：土壤样品经冷冻干燥，研磨过筛进行草甘膦的分析测试。具体步骤为：①浸提。取2 g样品加入0.6 mol·L-1的KOH溶液10 mL，震荡1 h，离心。取上清液1 mL用HCl调节pH至9；
②衍生化。在塑料试管中加入20 μL草甘膦同位素标记物（回收率指示物），0.5 mL的硼酸盐缓冲液和6.5 mmol·L-1的芴甲氧羰酰氯（FMOC-CL）0.5 mL，摇匀，室温静止30 min，加入50 μL的甲酸充分混匀，过0.45 μm的玻璃纤维滤膜，转移至进样瓶；
③液相色谱-质谱联用仪（HPLC-MS）测 定（型 号：Thermo FisherLTQ XL）。HPLC-MS测定条件如下，色谱柱：流动相A为乙腈，流动相B为5 mmol·L-1乙酸铵水溶液（含0.1%（v/v）甲酸），梯度洗脱；
柱温：40 ℃；
进样量：2.0 μL。质谱电离模式：离子喷雾电压：4 000 V；
雾化室温度：200 ℃；
离子传输管温度：350 ℃；
碰撞气：氩气，0.2 Pa；
采集模式：多反应监测模式（MRM）。

质量控制与质量保证：环境样品中草甘膦和AMPA的含量较低，大多数属于痕量或超痕量分析，为了使分析结果准确可靠，需要严格的质量保证与质量控制体系。在进行样品分析的同时，每分析15个样品加方法空白、加标空白、基质加标、基质加标平行样和样品平行样分析。对于每个分析样品（包括样品、方法空白、基质加标），都要添加回收率指示物，以控制整个分析流程的回收率。化合物的定性利用标准物质的色谱保留时间（±0.50 min）结合质谱信息定性。绝大部分标准曲线的线性回归系数（r）均在0.99以上。每工作日样品分析前要做仪器程序空白和标样分析，用已知浓度的标准溶液检测已建立的标准曲线是否可用，测定值与已知值之差必须小于20%，否则重新建立标准曲线。

分别用50 μg草甘膦和AMPA标准加标得到土样草甘膦和AMPA的回收率分别为为78%~116%和81%~108%。每种化合物的6次重复测定相对标准偏差（RSD）均小于20%，可见该方法能够满足痕量分析的要求。连续进6次浓度为5倍噪声的标样，得到其标准偏差（S），计算仪器的最低检出限（IDL=3.36S）。再重复分析6个基质加标样，加标浓度为5倍的IDL，得到标准偏差（S），计算方法的最低检出限（MDL=3.36S）。当草甘膦和AMPA的检测浓度在仪器最低检测限以下时，则认为检测浓度为0；
当草甘膦和AMPA的检测浓度在仪器检测限和方法检测限之间时，则认为检测浓度为仪器检测限。

1.5 数据处理

采用SPSS 23.0软件及excel 2017进行数据处理与分析。

2.1 土壤中草甘膦及其AMPA浓度变化特征

土壤中草甘膦、AMPA和草甘膦+AMPA的含量见表2。4月（作物种植之前）、7月（作物生长期）和10月（作物收获后）土壤中草甘膦的含量范围分别为2.2~45.4、11.9~153.3和6.6~143.2 μg·kg-1，平均值分别为27.8、75.5和58.6 μg·kg-1。4月、7月和10月土壤中AMPA的含量范围为11.1~165.4、71.8~361.6和20.3~342.6 μg·kg-1，平均值分别为86.5、194.9和142.7 μg·kg-1。AMPA是草甘膦的主要降解产物，一旦进入土壤，草甘膦便在微生物的作用下开始降解。草甘膦在土壤中的半衰期一般为1~197 d，因此，在土壤中检测到土壤中降解产物AMPA的含量要高于草甘膦含量，这与前人研究结果类似［20］。

表2 不同季节土壤中草甘膦浓度Table 2 Glyphosate concentration in soil in different seasons 单位：（μg·kg-1）

2.2 土壤中草甘膦及其AMPA的空间分布特征

不同季节土壤中草甘膦与AMPA含量空间分布特征见图2。草甘膦和AMPA在土壤中含量空间变异比较大。4月，草甘膦含量最大值出现在样点S4，最小值出现在样点S14；
AMPA浓度最大值出现在样点S20，最小值出现在样点S27。7月草甘膦含量最大值出现在样点S33，最小值出现在样点S5；
AMPA浓度最大值出现在样点S15，最小值出现在样点S8。10月草甘膦含量最大值出现在样点S20，最小值出现在样点S14；
AMPA浓度最大值出现在样点S32，最小值出现在样点S16。

图2 不同季节土壤中草甘膦（GLY）及AMPA含量空间分布（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的季节变化特征

随着全球人口的增长，粮食的需求量越来越大，为了降低病虫害以及杂草竞争导致的粮食减产，大量的农药喷洒成为粮食稳定、增产的重要手段。作为广谱型除草剂的草甘膦，能去除农业、林业、城市和家庭等750多种杂草，为了达到清除杂草的目的，一般会在苗前、苗期重复喷施草甘膦，由此大量的草甘膦进入土壤，因此，草甘膦及其降解产物在土壤中含量明显受季节的影响。

由图3可见，草甘膦、AMPA和草甘膦+AM⁃PA的含量均为7月>10月>4月，这是因为7月为作物生长季节，为了达到除草的目的，在作物生长季反复喷施草甘膦，导致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个季节均呈现显著差异（P<0.05），草甘膦含量在4月和7月、10月之间呈现显著差异，但7月和10月含量之间并无显著差异。

图3 不同季节草甘膦（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

草甘膦进入土壤后，在各种微生物的作用下开始降解，降解的主要产物是氨甲基磷酸（AM⁃PA）。培养不同时间土壤中草甘膦（草甘膦）及其降解产物（AMPA）的残留量如表3所示。由表3可见，草甘膦施用量为100 μg·kg-1时，培养90 d草甘膦含量变化范围为25.13~121.87 μg·kg-1，草甘膦施用量为200 μg·kg-1时，培养90 d草甘膦含量变化范围为27.65~223.46 μg·kg-1。草甘膦在施入土壤后3 d内残留量下降明显，降解速度最快，草甘膦在汾河流域耕地土壤中半衰期为3~5 d，30 d后草甘膦残留量基本稳定，施入100和200 μg·kg-1两个浓度梯度均表现出相同的规律。主要降解产物AMPA在施入草甘膦后的第3 d残留量最大，随后逐渐降低，60 d后趋于稳定。本研究得出的草甘膦降解规律与前人研究结果类似，草甘膦在施入土壤后一周后残留量急剧下降，30 d后残留量基本保持不变［20］。

表3 培养不同时间土壤中草甘膦（GLY）及AMPA的残留量Table 3 Concentrations of GLyphosate and AMPA in soil with different culture time 单位：（μg·kg-1）

2.5 草甘膦及AMPA在土壤剖面中的迁移特征

草甘膦进入土壤后，一部分在微生物的作用下发生降解，另一部分在有降雨、灌溉时随着水分入渗进入深层土壤或随地表径流迁移至其它环境介质。为探究草甘膦在土壤剖面中的迁移特征，采集100 cm深度的原状土壤进行土柱淋溶试验。淋溶结束后土壤剖面中草甘膦及AMPA浓度分布如图4所示。未施用草甘膦时，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cm草甘膦浓度分别为 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。草甘膦施用量为100 μg·kg-1时，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cm草甘膦浓度分别为 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。草甘膦施用量为200 μg·kg-1时，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cm草甘膦浓度分别为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土层草甘膦含量较高，20 cm以下较低。草甘膦施用量为100、200 μg·kg-1淋 溶 时，草 甘 膦 在15~20 cm土层，含量最高，20 cm以下土层含量急剧减少。草甘膦淋溶淋失最深进入35~50 cm土层，50 cm以下土层含量接近自然土壤。

图4 淋溶试验草甘膦及AMPA在土壤剖面中的浓度分布Fig.4 Concentrations of glyphosate and AMPA in soil profile affter leaching test

未施用草甘膦时，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浓度分别为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。草甘膦施用量为100 μg·kg-1时，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cmAMPA浓 度 分 别 为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。草甘膦施用量为200 μg·kg-1时，土壤不同深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~35、35~50、50~75和75~100 cmAMPA浓度分别为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。与草甘膦含量变化一致，AMPA在15~20 cm土层含量最高，20 cm以下土层含量急剧减少。AMPA淋溶淋失最深进入35~50 cm土层，50 cm以下土层含量接近自然土壤。

截止目前，我国土壤环境质量标准只针对部分有机氯农药有限定值，因此本文采用欧盟制定的草甘膦土壤最大残留标准100 μg·kg-1对汾河流域农田土壤中草甘膦残留量进行风险评估。由图3可知，4月、7月和10月草甘膦平均浓度均小于100 μg·kg-1，但7月和10月分别有13和4个样点浓度超过100 μg·kg-1，可能对生态环境和人体健康产生危害。AMPA是草甘膦的主要降解产物，一旦进入土壤，草甘膦便在微生物的作用下开始降解。3个季节农田土壤中AMPA的浓度均高于草甘膦，这与前人研究结果类似［20］，这表明AMPA在土壤中的半衰期要高于草甘膦。研究表明，草甘膦及AMPA的降解速率高低取决于其在土壤胶体上吸附性的强弱［21］，土壤胶体对草甘膦的吸附量要远远高于AMPA［22］，导致草甘膦在土壤中的降解速率高于AMPA，残留量低于AMPA。

淋溶试验表明，草甘膦和AMPA主要聚集在土壤15~20 cm土层，20 cm以下土层含量急剧减少，这表明土壤中草甘膦和AMPA不会对地下水产生污染。汾河流域地处黄土高原东部，极易发生水土流失。土壤侵蚀时，表层土壤（0~20 cm）被剥离，土壤中的污染物也随地表径流进入到下游环境，尤其是半衰期长且在土壤胶体上吸附性弱的AMPA［23］。因此，汾河流域农田土壤中草甘膦及AMPA随地表径流的流失特征还需进一步研究。

汾河流域农田土壤中AMPA含量显著高于草甘膦含量，草甘膦及AMPA含量空间分布差异较大，因受作物种植生长的影响，草甘膦及AMPA的含量受季节影响较大，7月2种污染物含量显著高于4月和10月。草甘膦在汾河流域农田土壤中的半衰期为3~5 d，在施入草甘膦7 d后含量急剧下降，30 d后含量基本稳定。草甘膦降解产物AM⁃PA在草甘膦施入3 d后含量最高，60 d后含量趋于稳定。淋溶试验表明，草甘膦与AMPA主要集中在15~20 cm土层，淋溶作用使草甘膦沿土壤剖面迁移至35~50 cm土层，50 cm以下土层草甘膦及AMPA含量接近自然土壤。草甘膦极易通过地表径流进入下游环境，需引起重视。