二甲戊灵在燕麦田土壤中的残留与消解动态

闫车太，赵桂琴，柴继宽，苟智强，许兴泽

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业 可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

二甲戊灵(Pendimethalin) 属二硝基苯胺类内吸传导型选择性芽前除草剂，化学名称N-(1-乙基丙基)-3,4-二甲基-2,6-二硝基苯胺，商品名有施田补、胺硝草、二甲戊乐灵等。分子式C13H19N3O4，分子量为281.3Da，化学结构式为：

二甲戊灵纯品为桔黄色结晶固体，在水中的溶解度为0.275 mg/L(25℃)，易溶于丙酮、甲醇、二甲苯等有机溶剂，挥发性小，不易光解，对酸碱稳定。1976年由美国氰胺公司(现归属巴斯夫公司)首先开发，常用于玉米、大豆、棉花、水稻、烟草等多种作物田防除马唐、稗草、狗尾草、苋、藜等一年生杂草[1]。

随着二甲戊灵用量及使用范围的日益增加，其对人类健康的影响、残留危害等亦引起人们的高度重视。Hou等[2]研究表明，长期接触二甲戊灵的人群，对肝癌和直肠癌的相对风险度(RRs)分别达5.2、9.2。Jaz′Wa等[3]的研究报道，二甲戊灵在土壤中的残留可能会导致后茬作物发生药害，也有对环境产生污染的潜在风险。二甲戊灵的残留检测主要有气相色谱法、高效液相色谱法、气质连用法等[5]。贾会娟等[4]采用高效液相色谱法对二甲戊灵在棉田不同深度的残留降解研究发现，二甲戊灵随着土层深度的增加(0～20 cm)，降解速度逐渐加快，半衰期由15.1 d减小至7.8 d。陈莉等[5]采用气相色谱-质谱联用法，测得二甲戊灵在马铃薯田土壤中的半衰期为20.0～30.1 d，而在马铃薯植株中降解相对较快，半衰期为9.5～10.6 d。Zimdahl等[6]研究发现二甲戊灵在土壤中的降解不遵循常规农药降解的一级动力学模型而符合二次模型。而Wauchope等[7]的研究报道二甲戊灵在土壤中的半衰期可长达90 d。二甲戊灵施用后对土壤环境和微生物的影响也有相关报道。金前、胡佳月、贾会娟等[8-10]的研究表明，二甲戊灵对土壤细菌、真菌、放线菌以及土壤脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶、蔗糖酶均有影响。

二甲戊灵对燕麦田杂草的防治有良好的效果。冷延瑞等[11]报道，33%二甲戊灵乳油以2 000 mL/hm2施用后，对白燕2号燕麦田中单子叶和双子叶杂草的防效均在80%，燕麦产量损失挽回率达54.65%。曹丽霞等[12]对6个燕麦品种试验田杂草防效的研究表明，二甲戊灵原液以2 400 mL/hm2施用后，对藜科、蓼科、禾本科、苋科杂草防治效果明显，尤其对藜科杂草的防效最好，最高达100%，平均草产量和籽粒产量比未施除草剂的对照处理分别高出42.9%和70.5%。但二甲戊灵在杂草田间防效良好、增产明显的同时，对燕麦也表现出一定的负面作用。王娟等[13]报道二甲戊灵对燕麦穗长、轮层数、小穗数等性状有一定的抑制作用。冷延瑞等[14]发现，二甲戊灵对燕麦有轻微药害。二甲戊灵残留的研究对象多集中在蔬菜、棉花等经济作物上。燕麦多种植于高寒冷凉地区[19]，这些地区生态环境良好，受到的环境威胁和破坏较少，测定二甲戊灵在燕麦田土壤中的残留，对于燕麦及后茬作物的生长，以及二甲戊灵对土壤和环境的影响都有重要意义。采用高效液相色谱法，探讨燕麦田土壤中二甲戊灵的残留水平及消解动态过程，以期为评估二甲戊灵在燕麦田土壤中的残留风险提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃中部兰州榆中县良种场，海拔1 730 m，年均气温6.7℃，年均降水量350 mm，无霜期120 d，土壤有机质8.67 g/kg，土壤pH 7.72，土壤类型为黄绵土，前茬作物为胡麻，两年内无二甲戊灵施用记录。

1.2 试验设计及采样

降解动态试验于2016年进行，供试燕麦品种为白燕2号裸燕麦，3月29日播种，播种量为180 kg/hm2，播种机条播，播种深度3～5 cm，行距20 cm。小区面积5 m×4 m，随机区组排列，小区之间设隔离带，带宽1 m。试验用药为33%二甲戊灵乳油，按推荐剂量900 g/hm2与高剂量(1.5倍推荐剂量)1 350 g/hm2，于燕麦播种后3 d施药，设计用量兑水450 kg/hm2，用YS-16C型背负式手动喷雾器均匀喷雾。每个处理3次重复，同时设喷施清水的空白。于施药后0、1、3、5、7、15、22、30、45、60 d，采0～10 cm土层土样，各小区采用棋盘式取样法取9个点，原始土样不少于1 kg。土样除去植物残渣、石块等分装后带回实验室过2 mm筛，四分法缩分保留250 g土样，放至-20℃冰箱低温保存。同时预留平行样品，以备水分测定，用于校正为干土的残留量。田间试验设计参照“农药残留试验准则”进行[20]。

1.3 仪器与试剂

仪器设备：Agilent1260型高效液相色谱仪，配紫外检测器(美国安捷伦科技公司)；SKY-211C型恒温培养振荡器(上海苏坤实业有限公司)；旋转真空离心浓缩仪(北京五洲东方科技发展有限公司)；KQ-2000VDE型超声波清洗仪(昆山市超声仪器有限公司)；SBC22十万分之一电子天平(德国SCALTEC公司)；JA2003型千分之一电子天平(上海越平科学仪器有限公司)；超纯水仪(成都唐氏康宁科技发展有限公司)。

标样及试剂：二甲戊灵标准品(阿拉丁试剂(上海)有限公司，纯度99%)；流动相甲醇(山东禹王实业有限公司化工分公司，色谱纯)；乙腈(天津市光复科技发展有限公司，分析纯)、氯化钠(天津市百世化工有限公司，分析纯)；超纯水；0.22 μm有机滤膜。

1.4 分析方法

1.4.1 样品前处理 称取20 g土壤样品于恒重好的铝盒中，105 ℃下烘干至恒重，测定水分含量(用于折算农药在干土中的含量)。同时称取20 g土样于250 mL具塞三角瓶中，准确加入100 mL乙腈，于恒温振荡器中30 ℃下恒温振荡提取2 h，再于超声波清洗仪中40kHz，150W下超声10 min，一并转入50 mL离心管中，3 800 r/min高速离心沉降5 min，将上清液过滤至装有5 g氯化钠和8 mL去离子水的100 mL具塞量筒中，剧烈振摇2 min，待静置分层后，准确移取45 mL上层有机相，于旋转真空离心浓缩仪上(45℃)浓缩至近干，色谱纯甲醇定容至4 mL，过0.22 μm有机滤膜，HPLC待测。

1.4.2 色谱条件的建立 色谱柱ZORBAX Eclipse Plus C18(4.6×250 mm，5 μm)；流动相，甲醇∶水=85∶15(V∶V)；流速1.0 mL/min；柱温30℃；波长238 nm；进样量20 μL。

1.4.3 标准曲线的绘制 准确称取0.010 00 g二甲戊灵标准品，用色谱纯甲醇定容于100 mL容量瓶中，此为100 mg/L标准母液，采用系列稀释法将此母液稀释为0.05、0.10、0.50、1.00、5.00、10.00 mg/L的二甲戊灵系列标准工作液，按色谱条件测定，外标法定量，以二甲戊灵进样质量浓度为横坐标，对应的峰面积为纵坐标，绘制标准曲线，得回归方程和相关系数。

1.4.4 添加回收率试验 用未施过二甲戊灵的空白对照土样进行添加回收率试验。称取空白对照土样20 g，添加不同浓度的二甲戊灵标准品溶液，使其在土壤中的质量浓度分别为0.05，0.50和1.00 mg/kg，每浓度进行5次重复，按上述方法进行前处理及分析测定，计算回收率和相对标准偏差。

1.5 残留量计算

二甲戊灵残留计算公式[21]：

式中：R为样品中二甲戊灵的残留量(mg/kg)；C为从标准曲线上查得的相应二甲戊灵浓度(mg/L)；V终为最终定容体积(mL)；W为土样质量(g)。

2 结果与分析

2.1 试验条件的优化

2.1.1 提取剂的选择 选取乙腈作为土壤中二甲戊灵的提取溶剂。二甲戊灵难溶于水而易溶于大多数有机溶剂，对于二甲戊灵的提取多使用乙腈、丙酮、二氯甲烷等[5]。根据二甲戊灵的化学性质，并考虑到待测土样中含有一定量的水分，在与水互溶的乙腈和丙酮中，丙酮提取出的杂质较多，且不易与水分离。乙腈常

用于提取各种极性与非极性农药，并且考虑到后续处理的难易程度，选用乙腈作为提取溶剂。

2.1.2 提取溶剂用量及提取方式的优化 选取不同体积乙腈提取液、不同辅助提取方式对土壤进行0.05，0.50和1.00 mg/kg 3个水平浓度的添加回收率试验，重复3次，得平均回收率(表1)。

试验开始加入60 mL乙腈，采用传统恒温振荡的提取方式，对空白土壤进行0.05，0.50和1.00 mg/kg 3个水平的添加回收率试验，结果表明，随着添加浓度的增加，土壤中二甲戊灵的平均回收率开始下降，由94.52%降至71.50%。然后，对试验条件进行优化，增加乙腈至100 mL，并在40 kHz,150 W条件下超声辅助提取10 min，结果表明，二甲戊灵在0.05，0.50和1.00 mg/kg水平的添加回收率明显提高，分别为96.59%，94.63%和90.72%。尤其是1.0 mg/kg水平下较前一种方式提高了19.22%。二甲戊灵属极易被土壤吸附的除草剂，但为物理吸附[22]，可通过一定的提取溶剂和提取方式，使吸附于土壤中的二甲戊灵解吸而被提取至提取液中。超声提取所产生的热作用、机械作用和空化作用等可以增加物质分子的运动频率和速度、溶剂的穿透能力、提取物与溶剂的接触面积等，可缩短提取时间，提高提出率[23]。

表1 不同提取方式下二甲戊灵在土壤中的回收率

2.1.3 萃取方式的选择 选择乙腈作为溶剂提取后，会将土壤中的水分一起带出，给后续浓缩操作带来困难。常用氯化钠水溶液-二氯甲烷作为萃取剂将目标化合物萃取至更易浓缩的二氯甲烷中，或用盐析法直接加入过量的氯化钠固体和少量的水使乙腈溶液分层，乙腈相中多余的水分析出，而目标物留在分配比例更高的有机相中。在使用二氯甲烷作为萃取剂时，乳化现象严重，影响分层。因此，选用盐析法，在添加回收率试验中，回收率均能达到90%，符合农药残留检测标准。

2.1.4 流动相 参考周天倚[16]的研究，选取甲醇-水体系作为流动相。固定柱温、检测波长、进样量、流速，对甲醇和水的体积比在95∶5～70∶30配比检测，结果表明，当甲醇比例为95%和90%时，其出峰时间太早，分别为5.3、6.2 min，受杂质峰干扰较重；而当甲醇∶水=70∶30(v∶v)时，峰型变宽、拖尾。最终选取甲醇∶水=85∶15(v∶v)作为流动相，其保留时间为8.9 min。

2.1.5 检测波长的确定 用可变波长紫外检测器对二甲戊灵标准溶液在200～400 nm进行扫描，结果表明，当检测波长为238 nm时，二甲戊灵有较好的吸收，且流动相中溶剂的吸收小，干扰较小。因此，最终确定238 nm为检测波长。

2.2 线性范围

在试验色谱条件下，二甲戊灵标准溶液质量浓度为0.05～10.0 mg/L时，与其对应的峰面积呈良好的线性关系(图1)。线性回归方程式为y=93.7683x-3.248 9，R2=0.999 1。

图1 二甲戊灵标准曲线Fig.1 Standard curve of pendimethalin

2.3 最小检出量

以基线噪音的3倍水平(S/N=3)作为所设定条件下仪器的最小检出量(LOD)。测得二甲戊灵的最小检出量为1.6×10-9g。按照土壤样品称取20 g，提取液分取45 mL，最终定容至4 mL，进样量20 μL计算，得二甲戊灵在土壤中最低检测质量分数为0.036 mg/kg。

2.4 添加回收率和相对标准偏差

空白土样0.05，0.50和1.00 mg/kg 3个水平添加回收率试验的回收率及相对标准偏差(RSD)。

该试验条件下二甲戊灵在土壤中的平均添加回收率为90.72%～96.59%，相对标准偏差为3.21%～5.46%，符合农药残留分析的要求。二甲戊灵标样、土壤添加及土壤样品色谱图见表2，图2。

表2 二甲戊灵在土壤中的添加回收率

图2 二甲戊灵色谱图Fig.2 Chromatography of pendimethalin

2.5 二甲戊灵在土壤中的消解动态

33%二甲戊灵乳油，按推荐剂量900 g/hm2与高剂量(1.5倍推荐剂量)1 350 g/hm2，于燕麦播种后3 d，一次施药，不同时间取样测定了其在土壤中的残留量及消解动态(表3)。

二甲戊灵推荐剂量和高剂量在土壤中第0 d的原始沉积量分别为0.580、0.868 mg/kg，其后残留量随着时间的延长而逐渐下降，但降解至第15 d时其残留量有所上升，比第7 d时分别上升了15.13%、18.38%。30 d时两种剂量的降解率接近50%，60 d时降解率达75%。从其降解动态曲线(图3)可以看出，二甲戊灵降解分为两个阶段，0～7 d时降解速度较快，7 d以后降解曲线相对比较平缓，其在土壤中的降解均符合一级动力学特征，降解方程分别为Ct=0.4376e-0.0187t、Ct=0.6670e-0.0179t，相关系数分别为0.807 9、0.822 2，半衰期分别为37.1、38.7 d。

3 讨论

试验测得二甲戊灵在燕麦田土壤中的降解半衰期为37.1～38.7 d，半衰期较长。从二甲戊灵自身的结构分析，其苯环2个硝基(-NO2)上的氮与氧和氨基(-NH2)上的氮都可与土壤颗粒间形成氢键，使二甲戊灵与土壤颗粒间结合更加牢固，形成稳定的共轭体系；二甲戊灵的正辛醇-水分配系数(logKow)为5.18[26]，其高的疏水性和高的氢键能，也使二甲戊灵在土壤中被强烈地吸附，增加了其降解难度。从外部环境中来看，二甲戊灵在土壤中主要通过微生物代谢、水解、光解等途径进行降解[27]，土壤微生物的群落结构、土壤类型、土壤有机质、土壤含水量、土壤pH等都会影响二甲戊灵的降解[29]。Barrett等[30]认为，土壤微生物引发的代谢活动的共刺激作用增加了对二甲戊灵的代谢作用，促进了二甲戊灵在土壤中的降解。王军等[31]研究发现土壤含水量为田间最大持水量的30%，75%和120%时，土壤灭菌条件下二甲戊灵半衰期分别为土壤不灭菌的1.13，2.76和2.76倍。陈莉等[32]研究表明，二甲戊灵在安徽潮土、北京褐土中的降解半衰期分别为20.0、30.1 d。黄雅莉等[32]发现二甲戊灵在福建黄红壤中的半衰期比在浙江灰潮土中的长2～3 倍，差异较大。二甲戊灵在不同土壤类型和不同温、湿度条件下的半衰期为4～90 d不等[1]。二甲戊灵两个浓度施用对其半衰期几乎没有影响，这与贾会娟等[4]的研究结果一致。另外本研究发现二甲戊灵在两个浓度下降解至第15 d时，其在土壤中的残留反而较第7 d和第5 d高，高剂量甚至比第3 d还高。这可能与二甲戊灵在土壤中的垂直迁移有关，但具体原因还有待进一步验证。

一般农药残留期越短，对环境影响越小，但考虑到农药对病虫草害的控制需要一定的持效期才能发挥作用，多数人认为，理想的农药半衰期以15～30 d为宜[32]。二甲戊灵在燕麦田土壤中的半衰期略高于理想半衰期，其对环境的影响及生态效应，还有待进一步研究。

表3 二甲戊灵在土壤中的消解动态

注：推荐剂量为900 g/hm2，高剂量1 350 g/hm2

4 结论

试验优化了二甲戊灵在土壤中的高效液相测定方法，方法的回收率和精确度符合农药残留试验的标准。二甲戊灵在甘肃榆中燕麦田土壤中的降解符合一级动力学模型，半衰期为37.1～38.7d。按照《化学农药环境安全评价试验准则 第一部分土壤降解试验》[33]中以半衰期对农药降解性的划分，应属于中等降解型农药。