姚瑩雷，唐翔宇，耿春女，關(guān)卓，任美

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)生態(tài)工程與技術(shù)學(xué)院，上海201418；2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都610041）

毒死蜱（Chlorpyrifos）化學(xué)名稱為O，O-二乙基-O-（3，5，6-三氯-2-吡啶基）硫代磷酸酯，又名氯吡硫磷，也稱樂(lè)斯本、蟻定清等，屬于非內(nèi)吸性廣譜有機(jī)磷殺螨、殺蟲劑，具有高效、廣譜、中等毒性的特點(diǎn)[1]。其在農(nóng)田土壤中的降解受到溫度、微生物、光照等因子的影響，在土壤中的半衰期為6.3 h～100 d[2-3]。3，5，6-三氯-2-吡啶醇（3，5，6-trichloro-2-pyridinol，TCP）是母體毒死蜱在環(huán)境中的主要降解產(chǎn)物，水溶性強(qiáng)，同母體化合物相比，其遷移性更強(qiáng)，毒性更高[4-5]，殘留期更久[6]。

作為稻田害蟲防治的主要農(nóng)藥品種之一，毒死蜱的施用時(shí)間大多在每年的春夏[7]，可通過(guò)地表徑流或田面主動(dòng)排水進(jìn)入河流湖泊，從而造成水體污染[8]。毒死蜱對(duì)水生生物的危害較大，對(duì)兩棲類動(dòng)物[9]、大型植物[10]和節(jié)肢動(dòng)物[11]等的毒性已有較多研究。有研究報(bào)道，太湖流域水體毒死蜱的濃度區(qū)間為nd（未檢出）～13.6μg·L-1，平均值達(dá)4.8μg·L-1[12]。農(nóng)藥在田間施用后約10%作用于作物，80%～90%將最終進(jìn)入土壤[13-14]。稻田中施用毒死蜱后，其在田面水中的濃度隨時(shí)間迅速下降，至第3 d可降低90%以上[15]。毒死蜱在農(nóng)田中的消解過(guò)程受多重因素的影響，除了被土壤吸附[16-18]以外，主要是被微生物降解[4，19-20]。前人對(duì)受納水體中毒死蜱污染進(jìn)行了研究，但其未能充分關(guān)注到農(nóng)藥的輸出峰值特征[21-24]。目前，對(duì)于稻田環(huán)境中毒死蜱的遷移轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)規(guī)律、歸趨特征及其影響因子尚缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

本文以南方丘陵區(qū)分布廣泛的紅壤性水稻土為供試土壤，通過(guò)室內(nèi)模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，分析毒死蜱在水稻土-上覆水系統(tǒng)中的消解與轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)，以期闡明稻田中毒死蜱的歸趨特征以及溫度、微生物對(duì)其影響規(guī)律，為毒死蜱的安全使用及污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

1.1.1 藥品與試劑

毒死蜱（99.99%）和3，5，6-TCP（99.99%）的結(jié)構(gòu)式見圖1，標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich公司；毒死蜱乳油（有效含量40%）購(gòu)自天津市華宇農(nóng)藥有限公司；甲醇（分析純）和乙酸乙酯（色譜純）購(gòu)自賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司；石油醚（分析純）購(gòu)自成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

氣相色譜儀配火焰光度檢測(cè)器（7890A，美國(guó)Agilent公司）；高效液相色譜配紫外檢測(cè)器（1260，美國(guó)Agilent公司）；生化培養(yǎng)箱（SHP，北京中興偉業(yè)儀器有限公司）；水浴氮吹儀器（WD-12，杭州奧盛儀器有限公司）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（R-3HB，瑞士BUCHI公司）；pH計(jì)（Senslon+MM150，美國(guó)Hach公司）；冷凍干燥機(jī)（FD-1A-50，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；超聲波清洗器（KQ-500DE，昆山市超聲儀器有限公司）。

1.2 土壤樣品采集及處理

在中國(guó)科學(xué)院鷹潭紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站附近（江西省余江縣劉家站魯王村，116°55′42″E，28°12′21″N）選取一塊紅壤發(fā)育的長(zhǎng)期稻田，取耕作層（0～20 cm）土壤，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，置于陰涼處自然風(fēng)干后磨碎，過(guò)2 mm篩待用。取一半過(guò)篩土壤在121℃、0.115 MPa條件下高壓蒸汽滅菌1 h。以滅菌土壤和未滅菌土壤作為本實(shí)驗(yàn)的供試土壤，土壤pH值5.20，有機(jī)質(zhì)含量2.13%，陽(yáng)離子交換量9.46 cmol·kg-1。

1.3 模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

設(shè)3個(gè)不同培養(yǎng)溫度：15、25、40℃。將供試土壤（滅菌和未滅菌）分別加入玻璃培養(yǎng)管中，土厚10 cm，上覆超純水厚度5 cm。此外，滅菌土壤處理的上覆水中加入濃度為0.1 g·L-1NaN3（抑菌劑），管口覆蓋錫箔紙（避免水分過(guò)快蒸發(fā)）。實(shí)驗(yàn)開始前將培養(yǎng)管置于生化培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)1個(gè)月，以盡可能達(dá)到并模擬淹水期稻田的平衡條件。

完成預(yù)培養(yǎng)后，添加毒死蜱至培養(yǎng)管中，使其上覆水初始濃度為285.22μmol·L-1左右（模擬農(nóng)藥超量施用的情況，為推薦施用量的4倍），于加藥后0.5、2、12 h，1、4、8、16、24、48 d和60 d采集上覆水和土壤樣品（分0～3、3～6、6～9 cm 3個(gè)深度），重復(fù)2次。

1.4 樣品處理

上覆水：取2 mL水樣，加入4 mL石油醚，300 W超聲處理20 min，吸取上清液，重復(fù)提取3次，將3次上清液混合，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將上清液濃縮至近干；對(duì)于分析毒死蜱的樣品，用色譜純乙酸乙酯定容至1 mL，用0.22μm聚四氟乙烯濾膜過(guò)濾于進(jìn)樣瓶中，保存于4℃冰箱中待測(cè)；對(duì)于分析TCP的樣品，取1 mL水樣用聚四氟乙烯濾膜過(guò)濾后，保存于4℃冰箱中待測(cè)。

水中毒死蜱的加標(biāo)回收率為53%～71%，其校準(zhǔn)曲線的線性范圍為0.05～25μg·L-1（相關(guān)系數(shù)為0.997），檢出限為0.04μg·L-1。TCP的加標(biāo)回收率為90%～114%，其校準(zhǔn)曲線的線性范圍為0.125～25μg·L-1（相關(guān)系數(shù)為0.998，檢出限為0.12μg·L-1，定量限為0.40μg·L-1）。

土壤：將土壤樣品冷凍干燥后研磨混勻，稱取2 g，加入20 mL乙酸乙酯后渦旋10 s混勻，300 W超聲處理20 min后，4 000 r·min-1離心5 min，吸取上清液，再次添加10 mL乙酸乙酯進(jìn)行提取，而后將兩次上清液混合，旋蒸濃縮至近干，用乙酸乙酯定容至1 mL，用0.22μm聚四氟乙烯濾膜過(guò)濾于進(jìn)樣瓶中待測(cè)。該方法的加標(biāo)回收率為91%～105%，線性范圍：0.005～2.5 mg·kg-1（相關(guān)系數(shù)為1.000），檢出限：0.002 5 mg·kg-1，定量限為0.008 3 mg·kg-1。

1.5 樣品分析

采用氣相色譜儀分析上覆水和土壤中毒死蜱含量，色譜條件：HP-5柱（30μm×0.32μm×0.25μm）；載氣（高純N2）流量：1 mL·min-1，H2流量：75 mL·min-1，高純空氣流量：100 mL·min-1；尾吹氣流量：60 mL·min-1；升溫條件：50℃（1 min）→30℃（1 min）→180℃（1 min）→10℃（1 min）→250℃（15 min）；進(jìn)樣口：250℃，檢測(cè)器：250℃；不分流，自動(dòng)進(jìn)樣，進(jìn)樣量：1 μL，出峰時(shí)間：8.4 min左右。標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍：1～10 mg·L-1（R2≥0.999）。

采用高效液相色譜儀分析TCP含量，色譜條件：Eclipse C18柱，4.6 mm×150 mm（5μm）；流動(dòng)相：甲醇-水（體積比80∶20），水相加入體積比為0.015%的冰乙酸；等度洗脫，流量：1.0 mL·min-1；進(jìn)樣量：10 μL；柱溫：30℃；紫外檢測(cè)波長(zhǎng)：293 nm，出峰時(shí)間：3.4 min左右。標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍：1～10 mg·L-1（R2≥0.999）。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS17.0對(duì)毒死蜱和TCP濃度的時(shí)間變化曲線進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 上覆水中毒死蜱的消解動(dòng)力學(xué)

上覆水中毒死蜱的消解變化見圖2。所有處理中，毒死蜱均在前期快速消解，隨著加藥后時(shí)間的延長(zhǎng)，消解的速率逐漸變慢。其主要原因可能是毒死蜱在水中溶解度低（25℃時(shí)溶解度為2.0 mg·L-1），Kow（7 350.671）和Kd（156.569 L·kg-1）[25]比較大，實(shí)驗(yàn)初期由上覆水遷移至土壤表面，被其強(qiáng)烈吸附，濃度迅速下降，隨后毒死蜱在上覆水中的消解速率減緩。

毒死蜱在上覆水中的消解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算公式如下：

式中：Ct為時(shí)間t（d）時(shí)上覆水中毒死蜱的濃度，μmol·L-1；C0為上覆水中毒死蜱的初始濃度，μmol·L-1；k為消解速率常數(shù)，d-1。

毒死蜱的半衰期DT50（d）計(jì)算公式為：

上覆水中毒死蜱的消解速率與半衰期的計(jì)算結(jié)果如表1所示。加藥后，毒死蜱在不同處理中的消解速率常數(shù)為0.688 8～0.985 2 d-1，半衰期DT50為0.70～1.01 d。由消解速率常數(shù)k值可見，毒死蜱的消解速率與溫度呈正相關(guān)，溫度越高，k值越大，毒死蜱消解越快。如在未滅菌處理土壤中，從15℃增加到25℃，k值從0.820 1 d-1增加到0.923 3 d-1，增加了12.6%；溫度繼續(xù)增加至40℃，k值為0.985 2 d-1，分別比15℃和25℃增加了20.1%和6.7%。從半衰期看，溫度越高毒死蜱半衰期越短，40℃時(shí)毒死蜱的DT50是15℃時(shí)的0.75～0.82倍，是25℃時(shí)的0.93～0.96倍。

2.2 上覆水中TCP的動(dòng)態(tài)變化特征

毒死蜱分子中的磷氧鍵斷裂后，生成TCP和O，O-二乙基硫代磷酸酯[26]。作為毒死蜱的主要降解產(chǎn)物TCP，與母體分子毒死蜱相比，其水溶性更大，更難降解，更易遷移（25℃時(shí)，毒死蜱和TCP的Kow分別為7 350.671和291.859；Kd分別為156.569 L·kg-1和6.217 L·kg-1[25]），故有必要對(duì)上覆水中TCP的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。上覆水中TCP的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。15℃時(shí)，上覆水中TCP濃度均很低，隨著時(shí)間基本沒(méi)有變化，60 d時(shí)滅菌和未滅菌處理的TCP的濃度分別為（1.35±0.26）μmol·L-1和（2.06±0.39）μmol·L-1，約為初始投加的毒死蜱的0.47%和0.72%。25℃時(shí)，上覆水中TCP濃度隨著時(shí)間略有增加，60 d時(shí)滅菌和未滅菌處理的濃度分別為（6.45±0.36）μmol·L-1和（13.27±0.05）μmol·L-1，為母體農(nóng)藥毒死蜱初始濃度（投加時(shí)）的2.26%和4.65%。然而，40℃時(shí)，上覆水中TCP濃度隨著時(shí)間變化顯著；在0～8 d時(shí)增長(zhǎng)緩慢，8 d后TCP的濃度快速增加，其中未滅菌處理在8 d到48 d時(shí)呈線性增加，速率為1.433 1μmol·L-1·d-1，滅菌處理在8 d到60 d時(shí)呈線性增加，速率為0.789 2μmol·L-1·d-1；60 d時(shí)，上覆水中未滅菌和滅菌處理的TCP分別為（72.82±2.05）μmol·L-1和（49.44±0.23）μmol·L-1，達(dá)到毒死蜱初始摩爾濃度的25.5%和17.3%。

表1水稻土上覆水中毒死蜱的消解速率常數(shù)與半衰期Table 1 Dissipation rate constant and half-life of chlorpyrifos in overlying water of the paddy soil

2.3 土壤中毒死蜱的歸趨特征

不同處理下，在土壤表層（0～3 cm）毒死蜱含量的動(dòng)態(tài)變化見圖4。表層土壤中的毒死蜱來(lái)自上覆水，主要的機(jī)理是吸附。因此，表層土壤中的毒死蜱濃度在初期快速增加。在大部分處理中，0～4 d毒死蜱濃度均呈線性快速增加。此后，表層土壤中的毒死蜱一部分會(huì)被降解，一部分會(huì)繼續(xù)向深層土壤進(jìn)行遷移，因此不同處理中毒死蜱的濃度變化規(guī)律不同。15℃時(shí)，從4 d到24 d，未滅菌處理的毒死蜱的濃度逐步積累，此后再降低；25℃時(shí)，從4 d開始，未滅菌處理的毒死蜱的濃度逐步降低；40℃時(shí)，從4 d開始，未滅菌處理的毒死蜱的濃度先增加，而后降低。不同溫度處理下毒死蜱在表層土壤中的殘留在實(shí)驗(yàn)后期表現(xiàn)明顯，溫度越高，表層土壤中的殘留越低。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，未滅菌處理中，15、25℃和40℃的處理下，表層土壤中的毒死蜱含量分別為163.66、80.29μmol·kg-1和34.95μmol·kg-1，相當(dāng)于毒死蜱初始投加量的57.38%、28.15%和12.25%。滅菌處理中，15、25℃和40℃的處理下，表層土壤中的毒死蜱含量分別為193.18、94.81μmol·kg-1和72.02μmol·kg-1，相當(dāng)于其初始投加量的63.73%、33.24%和25.25%。土壤中TCP的殘留量低于檢測(cè)限。

2.4 土壤-上覆水系統(tǒng)中毒死蜱的殘留分布特征

60 d時(shí)，毒死蜱在土壤-上覆水系統(tǒng)中的殘留分布特征如表2所示。溫度越高，毒死蜱的總殘留率越低。如在未滅菌處理下，15℃時(shí)，毒死蜱的總殘留率為46.95%；25℃時(shí)，總殘留率為25.95%，比15℃減少了21個(gè)百分點(diǎn)；溫度為40℃時(shí)，總殘留率為10.57%，比15℃和25℃分別減少了36.38個(gè)和15.38個(gè)百分點(diǎn)。微生物的存在促進(jìn)了毒死蜱的消解，降低了毒死蜱在系統(tǒng)中的殘留，15、25℃和40℃的未滅菌處理，分別比滅菌處理低12.02、9.83個(gè)和13.04個(gè)百分點(diǎn)。

投加到上覆水中的毒死蜱，在土壤-上覆水系統(tǒng)中逐步從上覆水遷移到土壤中。60 d時(shí)，不同處理下土壤中的殘留率為初始投加量的10.18%～58.32%，而在上覆水中的殘留率為初始投加量的0.39%～2.24%。由此可見，毒死蜱在土壤中的分布要遠(yuǎn)高于上覆水中的分布，不同處理土壤中毒死蜱的殘留量占其在系統(tǒng)中總殘留量的93.56%～98.90%，而上覆水中僅占總殘留量的1.12%～6.44%。

投加到上覆水中的毒死蜱，在土壤-上覆水系統(tǒng)中除了被土壤吸附向土相遷移外，還可以在上覆水中進(jìn)行轉(zhuǎn)化。毒死蜱的主要降解產(chǎn)物為TCP，不同處理下上覆水中TCP的總量相當(dāng)于毒死蜱初始投加量的0.47%～25.53%，這說(shuō)明有相當(dāng)一部分的毒死蜱在水相中進(jìn)行轉(zhuǎn)化。由2.2上覆水中TCP的動(dòng)態(tài)變化特征可知，毒死蜱轉(zhuǎn)化成TCP，受溫度和微生物的影響。

表2土壤-上覆水系統(tǒng)中毒死蜱的殘留特征（加藥后的第60 d）Table 2 Residual characteristics of chlorpyrifos in soil-overlying water system（on the 60th day after insecticide addition）

3 討論

3.1 上覆水中毒死蜱的消解和TCP的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

毒死蜱在上覆水中的消解動(dòng)態(tài)特征主要受到溫度、微生物等因子的影響，上覆水中毒死蜱的消解速率k值與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，溫度越高，k值越大，毒死蜱消解越快。這與田芹等[27]報(bào)道的毒死蜱在水中的消解速率隨著溫度的上升而增大的結(jié)論相一致。上覆水中毒死蜱的濃度在前期快速消解，后期緩慢消解，這可能主要與毒死蜱在水中溶解度較低，且易被表層土壤吸附[28]相關(guān)，投加到上覆水中的毒死蜱，可由上覆水遷移至土壤，初期為表層土壤快速吸附，使其在上覆水中的濃度迅速下降，而后消解速率減緩。雖然水中微生物、光照對(duì)水體中毒死蜱的消解起重要作用[27]，但是自然環(huán)境條件下水體中毒死蜱消解動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子是溫度。就毒死蜱的水解作用而言，其速率與溫度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[29]。作為毒死蜱的主要降解產(chǎn)物，TCP在上覆水中的濃度動(dòng)態(tài)變化與毒死蜱的消解緊密相關(guān)。加藥后第60 d，40℃時(shí)，17.3%～25.5%的毒死蜱轉(zhuǎn)化為TCP，存留于上覆水中。TCP在水體中的溶解度較大，在土壤中與有機(jī)質(zhì)等結(jié)合能力較弱，不易被土壤吸附，易遷移[25]。對(duì)比圖2和圖3中40℃條件下第16 d以后毒死蜱和TCP濃度隨時(shí)間的變化量，可以推斷，上覆水中的TCP除了小部分可能來(lái)自水中毒死蜱的降解以外，主要是表層土壤顆粒表面所吸附的毒死蜱的降解（水解、微生物降解）及所生成的TCP向上覆水?dāng)U散釋放的結(jié)果。對(duì)比圖3和圖4可見，毒死蜱降解生成的TCP在培養(yǎng)后期（24 d開始）進(jìn)一步發(fā)生降解，溫度越高趨勢(shì)越明顯，25℃和40℃條件下微生物促進(jìn)TCP降解的作用較大。對(duì)于稻田施藥后TCP的潛在危害應(yīng)給予高度關(guān)注，尤其是田面排水可能帶來(lái)的受納溝渠水體的TCP污染。

3.2 溫度和微生物對(duì)毒死蜱在土壤-上覆水系統(tǒng)中遷移與殘留特征的影響

毒死蜱進(jìn)入土壤后，其降解途徑包括水解、光解、微生物降解等[30]，也受諸多環(huán)境因子（氣候、地形、土壤等）、種植制度以及水肥管理措施等的綜合影響[2]。已有田間實(shí)驗(yàn)研究表明[15，25]，稻田田面水和土壤中的毒死蜱的消解涉及優(yōu)先流遷移和土壤吸附等過(guò)程，受氣象條件、土壤基本性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征、水分狀況等多因素的共同影響。TCP作為毒死蜱的主要降解產(chǎn)物，比母體的遷移性更強(qiáng)[25]，更易隨水滲漏至深層土壤，甚至可能到達(dá)淺層地下水。

溫度的變化可能同時(shí)影響毒死蜱的生物與非生物降解，溫度與微生物對(duì)于毒死蜱的降解具有協(xié)同作用[18，20，31-33]。高溫促進(jìn)毒死蜱的微生物降解，從而影響毒死蜱的遷移和殘留。培養(yǎng)溫度對(duì)于土壤中殘留毒死蜱的消解在實(shí)驗(yàn)后期表現(xiàn)明顯，溫度越高，土壤中的毒死蜱殘留越低。在土壤-上覆水系統(tǒng)中，60 d時(shí)，溫度越高毒死蜱的總殘留率越低，未滅菌處理下毒死蜱的總殘留率（10.57%～46.95%）低于滅菌處理下的毒死蜱總殘留率（23.61%～58.97%）。相對(duì)于初始投加量，毒死蜱在上覆水中的殘留率極低，一小部分轉(zhuǎn)化成TCP，主要遷移到表土層，為之所吸附，經(jīng)降解后仍有較高比例的殘留。紅壤性水稻土中毒死蜱的殘留量遠(yuǎn)高于石灰性紫色土發(fā)育稻田的試驗(yàn)結(jié)果[15]，究其原因，一方面，可能與本研究中采用的紅壤性水稻土偏酸性（pH值為5.50）有關(guān)。毒死蜱通常在酸性條件下較為穩(wěn)定，而在堿性條件下易發(fā)生降解[34-35]。另一方面，紅壤的黏粒含量高[36]，故而吸附能力較強(qiáng)[25]，可能起到較強(qiáng)的“保護(hù)”作用，使其不易被降解?？傮w而言，毒死蜱在紅壤性稻田土壤-上覆水系統(tǒng)中的消解途徑主要包括吸附、水解、微生物降解等。

4 結(jié)論

（1）土壤-上覆水系統(tǒng)中，投加到上覆水中的毒死蜱，60 d時(shí)，僅0.39%～2.24%滯留在上覆水中，10.18%～58.32%遷移到土壤中，上覆水中的TCP濃度相當(dāng)于毒死蜱初始投加量的0.47%～25.53%。

（2）加藥后，15、25℃和40℃下上覆水中毒死蜱均在前期快速消解，后期消解速率逐漸減緩，毒死蜱在上覆水中的消解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。3種溫度處理下上覆水中毒死蜱的半衰期DT50（0.70～1.01 d）和消解速率常數(shù)（0.688 8～0.985 2 d-1）的差異較小。

（3）毒死蜱易轉(zhuǎn)化成3，5，6-三氯-2-吡啶醇（TCP），且受溫度影響顯著，經(jīng)過(guò)60 d的培養(yǎng)，40℃時(shí)17.3%～25.5%的毒死蜱轉(zhuǎn)化為TCP。

（4）毒死蜱主要為表層（0～3 cm）土壤所吸附，受溫度影響較大，在15、25℃和40℃下，未滅菌處理表層土壤中毒死蜱的殘留量分別為163.66、80.29μmol·kg-1和34.95μmol·kg-1，約為毒死蜱初始投加量的57.38%、28.15%和12.25%。