杀虫剂对土壤温室气体排放的影响

郑祥洲，丁洪*，雷俊杰，张玉树，范平，翁伯琦

1. 福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建 福州 350013，2. 福建省农业科学院，福建 福州 350003

在现代的农业大生产中，农药已经成为了一种不可或缺的农用化学品，它的大量使用保障了世界的粮食安全。然而化学农药的广泛应用使其直接或间接的进入生态系统，并在土壤中累积，破坏自然的农业生态环境。就现有的研究结果而言，大多数农药都对土壤微生物种群变化和酶活性产生很大的影响（Cisar和Snyder，1996；Min等，2001）。微生物参与土壤中碳氮循环，农药影响微生物的活性从而间接影响到土壤碳氮转化和N2O、CO2以及 CH4等温室气体的产生（Sandor等，2008；丁洪和王跃思，2004；丁洪等，2012；Kyaw和Toyota，2007）。然而农药的类型和品种很多，对微生物活性的作用效果各不一样（闰颖等，2004；陈中云等，2003），因此其对农田土壤温室气体排放的影响也不尽相同。从我们前期的研究结果中发现，除草剂草甘膦和丁草胺的施用会显著减少温室气体N2O和CO2的排放，且不同除草剂品种间对温室气体减排的作用有较大差异（丁洪等，2012）。因此，针对不同的农药种类（除草剂、杀虫剂和杀菌剂）对农田土壤温室气体排放的影响分别展开研究是十分必要的，可以为农药的施用效应和安全施用评价提供科学依据。然而，目前针对杀虫剂对土壤温室气体排放的影响的相关研究还比较少。因此，本研究选择了我国广泛使用的两种杀虫剂品种吡虫啉和毒死蜱开展这方面研究，可为土壤碳氮循环研究、温室气体排放的估算和农药的安全使用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用目前农业生产上常用的两种杀虫剂品种吡虫啉和毒死蜱为研究对象（吡虫啉为易克斯特农药有限公司生产的10%可湿性粉剂、毒死蜱为江苏快克农化股份有限公司生产的48%乳液），氮肥为普通尿素w(N46%)。供试土壤取自福州市郊菜田土，土壤类型为灰泥土，有机质质量分数为26.30 g·kg-1、全氮质量分数为1.55 g·kg-1、碱解氮质量分数为147.70 mg·kg-1、土壤容重为1.22 g·cm-3、pH5.9。

1.2 试验设计

试验设空白对照(CK)、尿素、吡虫啉（5、10和50 mg·kg-1干土质量分数）+尿素以及毒死蜱（5、10和50 mg·kg-1干土质量分数）+尿素，尿素用量（以N计）为200 mg·kg-1干土质量分数，每次取样4次重复。

野外采回的新鲜土壤微风干，过2 mm筛，测定其质量含水量，称取折150 g干土的微风干土，装入体积300 mL的广口瓶中。肥料和杀虫剂均先按比例混合溶于水后定量加入，使土壤水分含量达到体积含水量的60%。然后用封口膜封口，保持瓶内外自由通气，在28 ℃下恒温培养。

在取样前1 d，揭开封口膜，用带有2根玻璃管的软木塞塞住瓶口，密封，2根玻璃管分别接1段硅胶管，其中1根接上三通阀，然后密封2根通气管。检查密封情况，如有漏气及时密封。培养24 h后抽取气样，取样时将20 mL塑料针筒接上三通阀瓶，打开阀门，来回推拉混匀几次，抽取瓶中20 mL气体注入18 mL的真空玻璃瓶中供分析用。分别在培养的第1、3、5、8、12、16、20、24、30、36天取样。

1.3 实验测定方法

气体样品分析应用经中国科学院大气物理所改装过的美国Agilent公司生产的GC7890A测定，N2O气体样品分析色谱柱为填充80/100 目porapak Q的填充柱，柱温55 ℃，检测器温度330 ℃，ECD检测，定量六通阀进样，进样量1 mL，载气为N2，流速30 mL·min-1。

CO2和CH4气体样品分析为色谱柱为填充80/100 目porapak Q的填充柱，柱温55 ℃，检测器温度200 ℃，FID检测，定量六通阀进样，进样量1 mL，载气为N2，流速30 mL·min-1。

单位时间气体排放通量的计算方法：F[μg·kg-1·h-1(以土计)]=C×M/22.4×V/1000×1000/W/T。F为温室气体N2O、CO2和CH4的排放量，C为气体质量浓度测定值(μg·mL-1)，M为1 mol的气体质量，22.4为大气标准状态下阿伏伽德罗常数，V为培养瓶内总的自由体积(mL)，1000为mL换算成L，W为培养土壤质量(kg)，1000为土质量g化成kg，T为密闭培养的时间(h)。

总 的 排 放 量 计 算 方 法 ： F(μg·kg-1土)=∑(F1+F2)/2×t×24。F1为前1次测定值，F2为后1次测定值，t为相隔天数，24为每天小时数。

1.4 数据统计分析

试验数据统计分析和图表制作采用SPSS 13.0和Excel 2003。

2 结果与分析

2.1 杀虫剂对土壤N2O排放的影响

土壤中的硝化和反硝化作用都会产生N2O温室气体，当土壤中的生态环境因子发生改变时，会影响到硝化细菌和反硝化细菌，这些细菌被抑制时，就会减少土壤中N2O的排放。从图1可以看出，培养期间，空白对照处理N2O排放量一直处于很低的水平，施用氮肥后明显增加了土壤N2O的排放速率。所有施肥处理的 N2O排放速率均呈现出先逐渐升高，出现一个排放高峰，然后再降低的规律。有所不同的是，单施尿素处理的N2O排放高峰出现的最早，为培养后的第8天，并持续到了培养后的第12天，之后迅速降低；吡虫啉处理的排放高峰则出现在培养后的第12天，排放高峰推后4 d，之后迅速降低；毒死蜱处理的N2O排放高峰出现的最迟，为培养后的第16天，即杀虫剂的施用推迟了土壤N2O的排放高峰。从图 1还可以看出，对于杀虫剂吡虫啉来说，随着用量的增大，土壤N2O的排放量越低。

图1 土壤中N2O排放动态变化Fig.1 Temporary changes of N2O flux from soil

2.2 杀虫剂对土壤CO2排放的影响

施用氮肥明显增加了土壤CO2的排放速率。从图2可以看出，在培养的前期施肥处理的CO2排放速率一直高于空白对照，说明土壤中施氮肥在一定程度上增加了土壤温室气体CO2的排放量。在培养的第1天，各个施肥处理之间的CO2排放速率均出现了排放的最高峰值，且各个处理间无差异。到了培养的第3天时，毒死蜱处理明显抑制了土壤CO2的排放速率，并随着用量的增加，抑制作用愈发明显，抑制作用一直持续到了培养的第12天。从图2还可以发现，在培养的第16天，毒死蜱处理的CO2的排放量达到第2个高峰，表明毒死蜱在培养的后期一定程度上增加了CO2的排放。到了培养的第30天，各处理间的CO2排放量无差异。

图2 土壤中CO2排放动态变化Fig.2 Temporary changes of CO2 flux from soil

图3 中CH4排放动态变化Fig.3 emporary changes of CH4 flux from soil

2.3 杀虫剂对土壤CH4排放的影响

在淹水的水稻田和其他湿地水分饱和的环境下，土壤中会排放温室气体CH4，但是局部土壤或者是土壤团粒在水分没有饱和的情况下也能产生温室气体CH4。在本试验中，供试土壤一直处于在60%的土壤体积含水量的条件下，在整个培养过程中，8个处理间的CH4排放通量均无差异（图3）。因此，在本试验条件下，施用氮肥和杀虫剂对土壤CH4的排放量没有明显影响。

2.4 杀虫剂对土壤温室气体排放量的作用

从表 1可以看出，和空白处理相比，尿素的施用明显增加了土壤温室气体N2O和CO2的排放量，但对CH4的排放量影响不大。从36 d的排放总量看，当吡虫啉用量为5 mg·kg-1时，土壤N2O和CO2排放总量和尿素处理无明显差异，但当吡虫啉用量上升至10和50 mg·kg-1时，则显著降低了温室气体N2O和CO2的排放量（p<0.05），其N2O排放量（以N计）分别为652.87和418.78 mg·kg-1，和尿素处理相比降低了26.89%和53.10%；其CO2排放量（以CO2计）分别为1079.46和1096.73 mg·kg-1，分别比尿素处理降低了降低15.14%和13.79%。和尿素处理相比，毒死蜱在5、10和50 mg·kg-1用量时，对土壤的N2O排放量无明显影响；然而毒死蜱质量分数为5和10 mg·kg-1时，明显抑制了土壤CO2的排放（p<0.05），分别比尿素处理降低了19.88%和19.02%，但当质量分数上升到50 mg·kg-1用量时，土壤的CO2排放量与尿素处理无差异。吡虫啉和毒死蜱在 5、10和 50 mg·kg-1干土质量分数下CH4排放总量和尿素处理均无差异。

3 讨论

作为农业生产上3大农药(杀虫剂、杀菌剂和除草剂)中的一种，杀虫剂的施用对土壤微生物活性会产生一定的影响，从而影响到土壤中温室气体的排放（Ekundayo，2003）。不少研究表明，不同杀虫剂对土壤中微生物的活性和碳氮形态变化的作用效果可能有别（周世萍等，2008；赵志强等，2010），这既有杀虫剂本身效应的差异，也有环境条件不同(如土壤特性)引起的差异。Singh等（1999）的研究发现，不同的杀虫剂品种对土壤温室气体排放过程的影响效果各不相同，当土壤没添加硫酸铵肥时，5~100 mg·kg-1土的卡巴呋喃在对土壤排放N2O没有影响，2~10 mg·kg-1土的六氯化苯抑制了N2O的排放，但是当土壤添加硫酸铵后，卡巴呋喃增加了土壤中N2O的排放。本试验结果也表现出不同杀虫剂品种以及不同用量效应上差异的存在。另外，即使是相同的杀虫剂品种也有可能得到截然不同的结果，Blanco等（2011）研究表明，甲基对硫磷（毒死蜱）明显增加了土壤的反硝化进程，非但不能抑制土壤中N2O和N2气体的排放，反而增加了这两种气体的排放量，而本试验条件下，毒死蜱对土壤的N2O排放量无明显影响。从CO2的排放情况来看，刘慧君等（2001）认为吡虫啉可以强烈抑制土壤的呼吸作用，而且当添加的吡虫啉的剂量越大时，这种抑制强度就越大。然而从本试验的结果看，吡虫啉在5 mg·kg-1质量分数下对CO2排放总量的影响效果不明显。吴珉等（2004）的研究则指出毒死蜱土壤的呼吸作用没有抑制效应，甚至促进土壤呼吸，促进强度与农药添加量呈现正相关，而本研究则发现毒死蜱在5、10 mg·kg-1质量分数下显著降低了CO2排放量，反而当毒死蜱用量上升至50 mg·kg-1后，土壤CO2排放量和尿素处理无差异。这可能是不同土壤条件和试验条件的影响所致。可见，不同的杀虫剂品种和用量对温室气体排放的影响会有所差异，而且即使是相同的杀虫剂品种在不同的试验条件下，对土壤温室气体排放的影响也存在较大差异。

4 结论

1）当施加尿素在土壤中后，很明显地使土壤温室气体N2O和CO2的排放量增加，然而对CH4的排放无明显影响。

2）杀虫剂吡虫啉和毒死蜱的施用推迟了土壤N2O的排放高峰。当吡虫啉用量在 5 mg·kg-1时，土壤N2O排放总量和尿素处理无差异，在10和50 mg·kg-1时，则显著减少了N2O排放（p<0.05），分别比尿素处理降低了26.89%和53.10%；毒死蜱不论在 5、10 mg·kg-1，还是 50 mg·kg-1质量分数下N2O排放总量与尿素处理均无差异。

3）吡虫啉用量在5 mg·kg-1时，土壤CO2排放总量和尿素处理无差异，在10和50 mg·kg-1时，则显著减少了CO2排放（p<0.05），分别比尿素处理降低了15.14%和13.79%；毒死蜱在5、10 mg·kg-1质量分数下显著降低了CO2排放量，分别比尿素对照降低了19.88%和19.02%，当用量上升至50 mg·kg-1时，土壤CO2排放量和尿素处理无差异。

4）杀虫剂施用明显影响到土壤温室气体的排放，但不同杀虫剂品种及其用量的效应也存在明显差异。因此，针对杀虫剂对土壤温室气体排放的影响机理，还需要进一步的研究论证。

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