中南丘陵区两类农林复合生态系统对农药残留物的净化作用

罗天啸，闫文德,3，高 超,3，陈建国

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，

湖南 长沙 410004；3.城市森林生态湖南省重点实验室，湖南长沙410004）

中南丘陵区两类农林复合生态系统对农药残留物的净化作用

罗天啸1,2，闫文德1,2,3，高 超1,2,3，陈建国1,2

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，

湖南 长沙 410004；3.城市森林生态湖南省重点实验室，湖南长沙410004）

以我国中南地区湖南省汩罗市桃林林场典型丘陵农林复合生态系统为例, 研究了农林复合生态系统对农药污染物的消除效应及机制。研究表明，对于七种常用的农药，丘陵农林复合系统稻田土壤农药残留量比对照平原稻田系统平均降低29.8%，其中降幅较高者如百菌清、三唑酮分别降低42.4%、35.8%，降幅较低者如草甘膦也降达13.8%。农林复合系统稻田土壤农药污染物的消除通过以下方式来促成的。第一，农林复合系统中稻田土壤芳香度较低的有机质含量较高，这使土壤微生物生命活动处于较高水平，从而进入稻田土壤的有机农药容易降解，减少土壤农药的残留量。第二，农林复合系统周围被森林屏蔽，阻隔了农业病虫通过气流进入复合系统内，从而减少农药施用量，降低了农药残留污染的风险。

农林复合生态系统；丘陵区；农药残留；土壤微生物活度；净化作用；湖南汩罗

随着我国社会经济的发展和人口的增多，人们对农产品的需求量不断增加，而在生产特点上，现代农业相对于传统农业发生了根本性转变，其中包括现代有机农药的大量投入。常见的农药有有机氯、有机磷、氨基甲酸酯等几大类[1]，它们在农业方面起到了积极的作用。现代的农业生产虽然满足了社会对农产品量的需求，但是我们却面临着农药与人类及环境不能相容等安全问题[2]。相关研究与报道表明，农药利用率一般为10%，约90%的残留在环境中[3]。在南方丘陵区，独特的地形特点造就了这里的“林中有农、农林镶嵌”的林地——稻田复合生态系统。由于单个农林系统空间相对独立，林地对系统外源污染具有一定的屏蔽作用，有理由认为林地—稻田农林系统与系统外的湖洲平原农业系统相比具有独特的环境效应。研究丘陵地区农药残留的消除机制，对于指导农林复合生态系统合理使用农药，保障农林产品的健康生产及维护丘陵地区生态系统的平衡都具有重要意义。

农林复合系统是解决当前资源枯竭、农林用地矛盾等问题的可持续土地管理模式[4]。近些年来，国内外对农林复合系统的研究主要侧重于能流特征与调控途径、效益评估、农林复合系统内部作物与环境相互作用的机理、农林复合系统结构研究、农林复合系统对生态环境的影响研究等方面[5]，而对于农药残留的研究主要侧重于分析方法、农药环境行为、农产品加工过程中农药残留变化等方面[6]，但是对于农林复合系统中对于农药残留的污染的研究较少。

通过对湘北丘陵林地—稻田复合系统与湖洲平原稻田系统中常用农药在土壤、水体、水稻植株残留状况及相关影响因子的对比研究，证实林地—稻田复合系统农药残留污染减轻乃至消除的真实性，探明林地—稻田复合系统农药残留的消除机制，为降低农业农药的面源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于汩罗市桃林林场及汩罗市郊小洲湖稻田。桃林林场地处汨罗江北，位于湖南省汨罗市桃林寺镇境内，介于东经113°03′15″～113°06′19″，北纬 28°55′52″～ 28°58′18″之间。南北纵长4.49 km，东西横跨4.97 km，土地总面积386.7 hm2。桃林国有林场地处丘岗地区，地势平缓，海拔55～80 m，坡度一般在10°以下，土壤为第四纪红色粘土发育的红壤，pH值5.5～6.5，土层深度大于80 cm，土壤腐殖质含量较少，土壤肥力中等。该地域属于大陆性湿润季风气候，具有“春温多变、寒流频繁、热量丰富、无霜期长、夏秋多旱、四季分明”的特点，年平均温度16.9℃，年平均降雨量1 353.6 mm，年平均雨日152 d，年平均相对湿度81%，无霜期263 d。

选择的试验区位于林场内的土里塘和汩字区。两区外侧为半围合的丘岗林地，中间是低洼的山塘和稻田。土里塘的林地是针阔混交林，无人为干扰措施，汩字区林地是湿地松人工林，每年4月每亩林地施40 kg钙镁磷肥、20 kg碳铵、500 g溴氰菊酯，6月施750 mL草苷膦，12月施40 kg钙镁磷肥。

小洲湖稻田是试验对照区。该区位于汩罗市郊，北依汩罗江，地处北纬28°50′，东经113°03′。土壤母质为河流沉积物，质地为沙壤质土壤。海拔29 m，属湖洲平原。

1.2 实验方法

农药残留分析样（土样、水样、植物样）保存于-20℃环境中，保存期不超过3天；微生物分析样及待测水样保存在4℃环境中；土壤有机质待测样须阴干、磨细过100目筛，保存待测；土壤pH 待测样须阴干过10目筛；水样pH值不能保存，立即测定。

按照五点采样法采取土样，同时在稻田、山塘及灌溉沟渠采取水样，在稻田中采取稻根、稻茎样。

农药残留的分析利用液相色谱法[7]；土壤有机质测定利用外加热—重铬酸钾氧化法；水体有机质含量利用高锰酸钾氧化法；土壤及水体微生物活度测定利用二乙酸荧光素（FDA）水解法；pH测定利用电极法。

1.3 数据处理与统计分析

利用相关分析法分析农药残留量与环境因子的关系，探明环境因子对农药残留量的影响。使用统计软件SPSS13.0进行数据的处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同系统的农药残留

研究表明，农药残留在人体内长期蓄积滞留会引发慢性中毒[8]，严重危害人体健康。表1为不同生态系统土壤农药残留情况。松—稻系统林地土壤中敌敌畏、百菌清、三唑酮、甲氰菊酯指标无检出，而草甘膦、溴氰菊酯含量较高，其中草甘膦含量达45 100 μg/kg；在混—稻复合系统的林地七种农药残留皆无检出，这与林地有无施用农药及不同农药的稳定性有关。松—稻系统与混—稻系统比较，稻田土壤中敌敌畏、百菌清、三唑酮、溴氰菊酯、甲氰菊酯含量两者之间差异都不显著（P＞0.05），而克百威及草甘膦含量前者显著高于后者（P＜0.05），这可能与前者林地中的草甘膦、克百威随径流进入稻田有关。与对照比较，杀虫剂类的敌敌畏、溴氰菊酯和甲氰菊酯及除草剂类的草甘膦在水稻土表层的残留较低，平均降幅在25.2%～83.3%之间；杀菌剂类的百菌清、三唑酮农林系统稻田土壤含量较高，平均增幅在35.8%～ 42.4% 之间。与混—稻复合系统一样，对照稻田系统土壤中也没有检出克百威成分。

表1 不同生态系统土壤、水体、水稻植株中的农药残留Table 1 Pesticide residues in waters, soil and rice plant of different ecosystems (μg/kg)

2.2 不同系统土壤有机质含量及微生物活度

农林复合生态系统中,林地土壤有机质含量明显低于稻田土壤；混—稻复合系统较之于松—稻复合系统，林地土壤有机质含量低20%，而稻田土壤有机质含量相近。与对照稻田系统比较，农林系统稻田土壤有机质含量平均提高 29.8 %，差异显著（P＜0.05），这可能与稻田的利用方式和稻田质地有关系。

不同农林复合系统林地土壤微生物活度差异显著（P＜0.05），其中混交林地比湿地松林地高48.1%，而两系统稻田土壤微生物活度相近，且均显著高于林地土壤。农林复合系统与洲湖平原对照稻田系统比较，前者高于后者，平均增幅31.7%。

土壤微生物活度与土壤有机质的关系在不同地块有差异。稻田土壤微生物活度与有机质含量呈负相关（P=0.053，R=0.700，n=8），而在湿地松林地和针阔混交林地土壤微生物活度均与有机质含量呈正相关（P＜ 0.01）。其原因在于不同地块土壤有机质组成及性质有差别，在稻田土壤中有机质主要来源于水稻秸杆、属于芳香度较低的富里酸，容易被土壤微生物分解，故相近环境背景下的稻田土壤微生物活度越高，其分解的有机质量越多，留存的有机质量越低，表现为两者间的负相关关系。在针阔混交林地和湿地松林地，土壤有机质主要来源于林木凋落物，且以针叶凋落物为主，其中阔叶凋落物形成的有机质芳香度较低易于分解，针叶凋落物形成的有机质芳香度较高不易分解，土壤微生物活度越高，留存土壤中的高芳香度有机质相对量越多，故两者关系表现为正相关。

图1 不同生态系统土壤有机质含量Fig.1 Soil organic matter contents of different ecological systems

图2 不同生态系统土壤微生物活度Fig.2 Soil microbial activity of different ecological systems

2.3 不同系统土壤农药残留与影响因子的关系

在湿地松林地土壤检出了百克威、草甘膦和溴氰菊酯残留成分（表2），三种农药残留量与土壤有机质含量分别呈不显著、极显著、显著正相关，说明湿地松林地中土壤有机质对该三类农药吸附作用强；此外，林地中土壤微生物活度也与该三种农药呈极显著、显著、显著正相关，表明通过微生物作用促进芳香度较高的有机质含量增加，从而有利于吸附三种残留的农药。

在农林复合系统的稻田土壤中，土壤有机质与土壤残留农药的关系与湿地松林地不同（表2），土壤有机质含量与敌敌畏残留量不相关，与克百威呈不显著负相关，与其余五种农药残留量呈不显著正相关，表明稻田土壤有机质对农药成分的吸附作用比湿地松林地土壤有机质弱，原因可能在于稻田土壤有机质芳香度低、易于被微生物分解，从而充当农药分解共代谢过程中微生物的能量来源，导致吸附作用降低。土壤微生物活度与敌敌畏、克百威呈不显著正相关，而与其余五种农药残留量均呈显著或极显著负相关。敌敌畏的稳定性受热、土壤酸碱度影响大，故受有机质、微生物活度影响较小；克百威在水田中与芳香度较低的富里酸类有机质结合容易随水迁移，故它与土壤有机质含量呈不显著负相关，又由于稻田有机质含量与微生物活度呈负相关，因此它与微生物活度呈正相关。其余五种农药受理化因子影响较小，它们的降解主要受土壤微生物影响，因此微生物活动增强能加快它们的降解，其关系表现为显著或极显著负相关。

表2 土壤不同农药残留量与土壤有机质含量、土壤微生物活度的相关系数†Table 2 Correlation coefficients between different pesticide residues to soil organic matter content and soil microbial activity

3 结 论

（1）农林复合系统稻田土壤农药残留量低于对照平原稻田系统，源于两个层面的机制：土壤层面是农林系统稻田土壤微生物对残留农药的降解能力强于平原稻田土壤；空间层面则是农林系统周围被森林屏蔽从而阻隔农业病虫进入，减少农药施用量，从而从源头上降低了农药残留土壤的机率。

（2）湿地松林、针阔混交林地土壤有机质芳香度较高，与稻田土壤比较不利于微生物生命活动，导致以生物因子为主要降解途径的土壤残留农药在土壤中积累；另外，其中芳香度较高的土壤有机质利于吸附各类有机农药。

4 讨 论

4.1 微生物对不同农药残留的影响

试验地土壤中检出的七种残留农药中，敌敌畏受热易蒸发，同时在碱性条件下容易分解，故微生物对它的影响较小。有研究表明，在淹水土壤中微生物对百克威（呋喃丹）的降解有一定的促进作用，但非生物降解因子往往作用更强烈从而使微生物的促进作用被掩盖，本研究中的结果证实了这种观点。百菌清、三唑酮、草甘膦、溴氰菊酯、甲氰菊酯受土壤理化因子影响较小，稳定性较强，它们的降解主要依靠土壤微生物途径来完成。稻田土壤有机质以芳香度较低的富里酸为主，容易被微生物分解而成为微生物的主要碳源，故微生物活度较大；存在于稻田土壤中的以上五种残留农药受土壤微生物活动影响大，其降解过程主要受微生物生命活动所控制。在湿地松林地，由于土壤有机质芳香度较高而难于被微生物利用，微生物生命活动较弱，存在于这种土壤环境中的残留农药其存在过程受微生物的影响较弱，相反非生物因子对土壤农药存在过程影响较为重要。

植物可以多种方式协助微生物转化氯代有机化合物，其根际在微生物降解中起着重要的作用并可以加速许多农药以及三氯乙烯的降解[9]。植物在整个生长期间进行着活跃的新陈代谢活动，根系不仅从环境中摄取养分和水分，同时也不断地向生长介质中分泌大量的低分子有机化合物，如糖类、有机酸、氨基酸、脂肪、酚类化合物、芳香族化合物和植物表皮组织的不断死亡和脱落改变了根际土壤的物理性质和化学性质，这种改变使根际微生物不仅种类和数量远高于非根际土壤，而且其代谢活动也比非根际微生物高[10]。胡立芳等研究发现，接种 Penicillium sp.的根际土壤中甲磺隆降解半衰期为 8.6 d，其降解速率是接种Penicillium sp.的非根际土壤的1.8倍，是普通根际土壤的2.7倍[11]。其主要原因可能是由于根系分泌物为土壤微生物提供大量的营养和能源物质，因而根际是微生物代谢活动特别旺盛的场所，微生物活动能加快土壤中有机磷、有机氮的分解及其他矿质元素的活化，从而提高了养分的有效性和根际土壤中甲磺隆的降解速率[12]。

4.2 有机质含量与性质对不同农药残留的影响

研究结果表明，湿地松林地土壤农药的存在过程主要受土壤中芳香度较高的有机质吸附作用影响，有机质的吸附作用容易导致残留在土壤中农药的积累；而在复合系统内稻田土壤中，有机质芳香度低从而易分解，吸附于其上的残留农药往往也随之分解流失，从而不易积累。

李彦文、毛应明的研究证明，增加土壤有机质含量，有利于提高土壤微生物种群的数量和生物活性，增强生物对农药的降解作用[13-14]。

魏沙平通过研究发现，土壤中的腐殖质对于农药的水解反应也起到重要作用。例如，他发现不同来源的土壤腐殖酸均使毒死蜱的水解速度增大，水解半衰期缩短[11]。此外，也有研究表明，施用有机肥还可以增强土壤对农药的吸附作用，农药被吸附后活性降低，从而减轻了对环境的危害[15]。由此可见，提高土壤有机质含量不仅有利于作物生长，还可以促进土壤中残留农药的降解[16]。

4.3 残留农药的迁移与固定

残留农药的迁移与固定与农药本身的性质和土壤性质有关。有报道指出，土壤对草甘膦的吸附遵从一级动力学规律，其吸附和释放是吸收热量和释放热量的过程，说明非生物环境因子对草甘膦的迁移与固定发挥决定作用，因此本研究中从湿地松林地经地表径流进入稻田土壤的草甘膦主要由非生物因子引起。克百威水溶性强，易为生物分解和吸收，矿移动性也强。也如克百威在旱地较稳定，百菌清、三唑酮、溴氰菊酯、甲基菊酯进入稻田同样因受生物因子影响而变得容易迁移，当然迁移之前它们原本化学性质可能已经发生改变。

4.4 农林复合系统对农药的减持效应和机理

与对照洲湖平原稻田系统比较，农林复合系统内稻田土壤检测的六种农药残留量都较低，原因有二个方面。第一，稻田土壤有机质芳香度较低、有利于微生物生命活动，而农林复合系统内稻田土壤有机质含量较高有助于其中的微生物活动居于较高水平，从而为微生物降解残留农药提供了较好的环境条件。第二，农林复合系统四周被森林屏蔽，通过气流传播的农业病虫被森林阻隔，复合系统内稻田感染病虫的机率少，因此其中稻田施用农药的频次和数量都比湖洲平原稻田系统少，也使其农药残留量少。

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Purif i cation of two kinds of agro-forestry ecosystem to pesticide residues in central southern hill area

LUO Tian-xiao1,2, YAN Wen-de1,2,3, GAO Chao1,2,3, CHEN Jian-guo1,2
(1. School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan,China; 2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Southern Forestry Ecology, Changsha 410004, Hunan, China; 3. Key Laboratory of Urban Forest Ecological In Hunan Province, Changsha 410004, Hunan, China)

Effects and mechanisms of agro-forestry ecosystem to eliminate pesticides contaminants had been conducted by taking the hilly agro-forestry ecosystem in Taolin Farm, Miluo County, Hunan Province, South central of China as the example. The results show that for the seven kinds of commonly-used pesticides, the pesticide residues of hilly agro-forestry systems averagely reduced by 29.8%compared with that of the paddy rice system in plains, of seven pesticides, the pesticides of higher decreasing range are chlorothalonil,triadimefon with decreasing range by 42.4%, 35.8%, the pesticide of lower declining range, glyphosate also reduced to 13.8%; The elimination role of agro-forestry system’s paddy soil to pesticide pollutants was achieved by the following ways: firstly, the low aromatic organic matter content in paddy soil of agro-forestry systems was higher, which made the soil microbial life activities at a high level, thus leading organic pesticides entered paddy soils to be easily degraded, and reducing pesticide residues in the soil, secondly, the agro-forestry systems surrounded by forest shield, thus blocking airf l ow from entering through agricultural pest complex system, thereby reducing the amount of pesticide application, and reducing the risk of contamination of pesticide residues.

agro-forestry ecosystem; hills region; pesticide residues; microbial activities; purif i cation role; Miluo city of Hunan province

S718.55

A

1673-923X(2015)02-0085-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.016

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-06-05

“十二五”农村领域国家科技计划课题（2011BAD38B0204）；湖南省自然科学基金创新群体项目(湘基金委字[2013]7号)；城市森林生态湖南省重点实验室运行项目资助

罗天啸，硕士研究生 通讯作者：闫文德，教授，博士生导师；E-mail：csfuywd@hotmail.com

罗天啸，闫文德，高 超，等.中南丘陵区两类农林复合生态系统对农药残留物的净化作用[J].中南林业科技大学学报,2015,35(2):85-89.

[本文编校：吴 彬]