桉树人工林土壤草甘膦短期消解规律研究

陈博昊，吴立潮，石天良，朱华生，马舒娴，唐亚斌，奉文让，陈永桀，张敬，陈利军，石驭天

桉树人工林土壤草甘膦短期消解规律研究

陈博昊1，吴立潮1，石天良2，朱华生2，马舒娴4，唐亚斌3，奉文让3，陈永桀1，张敬1，陈利军1，石驭天2*

（1. 中南林业科技大学林学院/水土保持与荒漠化湖南省高等学校重点实验室，湖南 长沙 410004；2. 广西壮族自治区国有高峰林场，广西 南宁 530006；3. 广西中南林海生物科技有限公司，广西 南宁 530006；4. 捷佳润科技集团股份有限公司，广西 南宁 530006）

在桉树生产中常使用大量草甘膦除草剂，当过量的草甘膦超过了土壤的降解能力时，无法被迅速消解的草甘膦即滞留在土壤中，从而影响土壤健康并造成地力损失。为探明桉树人工林生产中草甘膦是否存在减量空间和探讨林下土壤草甘膦残留量短期的变化规律，以第三代新造尾巨桉人工林地为研究对象，将当地标准草甘膦喷施浓度（3.375 kg a.i.·hm−2）设为100%，在此基础上设置了50%、75%、125%浓度和人工除草处理。喷施草甘膦后10、50、100 d分别采集土壤表层（0 ～ 20 cm）和亚表层（20 ～ 40 cm）样品，以检验除草效果。结果表明：75%减量处理与当地标准浓度100%处理间除草效果差异不显著；除125%浓度外，100 d时土壤表层与亚表层中草甘膦残留量均达国际安全标准（<0.1 mg·kg−1）。草甘膦的分解产物AMPA检出率在100 d内随时间变化不断增加。草甘膦半衰期在高浓度处理下长于低浓度处理，在50 ～ 100 d长于10 ～ 50 d，在0 ～ 20 cm长于20 ～ 40 cm。研究结果认为75%处理可达到预期除草效果，说明桉树人工林草甘膦的施用存在减量空间，结合助剂的使用还可进一步减量。桉树林下土壤中草甘膦半衰期与喷施浓度呈正相关，且表层土壤中草甘膦半衰期更短。

农药减量；草甘膦；残留量；桉树人工林；消解规律

桉树（spp.）是我国热带和亚热带地区重要的速生丰产人工林树种[1-2]，由于南方全年温暖湿润，杂灌木、草本繁多[3]，除草剂在桉树人工林种植中被大量使用。草甘膦由于其多功能性[4]，较高的功效和较大的防治范围[5]，对哺乳动物、鸟类和鱼类的低毒性，对土壤的低持久性[6]，成为桉树人工林主要除草剂之一[7]。在桉树经营中为了保证除草效果常常过量使用草甘膦，当过量的草甘膦超过了土壤的降解能力时，无法被迅速消解的草甘膦即滞留在土壤中使土壤营养平衡遭到破坏，导致下茬作物发生药害（如减产或死亡等）[8]。此外，草甘膦进入土壤后会发生吸附、迁移、降解等一系列反应，草甘膦的主要降解产物氨甲基膦酸（AMPA）也是一种植物毒素[9]，一旦草甘膦残留量超出土壤环境承载力，就会对土壤环境造成损害[10]。欧盟、美国、日本均制定了严格的草甘膦最大残留量标准（0.1 ～ 0.5 mg·kg−1）[11]。目前，国内外草甘膦研究主要为在农业用地中施用除草剂的防治效果或对土壤的长期影响，而对于施用草甘膦后短期内桉树人工林土壤中草甘膦残留方面研究甚少。为此，文章对桉树人工林土壤进行草甘膦消解研究，对比不同浓度草甘膦处理在不同时间、不同土层的残留量及其除草效果，探究桉树人工林下土壤短时间内草甘膦消解规律，以期为桉树人工林免炼山高效可持续经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于广西壮族自治区国有高峰林场延河分场（108°08′—108°53′ E，22°49′—23°15′ N）。属亚热带湿润季风气候，四季分明，雨热同期。极端高温为40.4 ℃，极端低温为−2.4 ℃，年均温为21.6 ℃，平均年降水量为1 500 mm，平均相对湿度为80%。研究区土壤主要为砂页岩风化形成的赤红壤，土壤系统分类为湿润富铁铝土。研究区林地杂草包括禾本科杂草与阔叶类杂草灌木，以阔叶类杂灌为主。灌木类主要有桃金娘（）、野牡丹（）、毛黄肉楠（）、山苍子（）、鹅掌柴（）、木姜子（）、野桐（）、野漆树（）等；高处草主要为鬼针草（）、粽叶芦（）、山菅兰（）、五节芒（）、蔓生莠竹（）、铁芒萁（）等；蕨类有鳞毛蕨属（spp.）、乌毛蕨（）、扇叶铁线蕨（）、边缘鳞盖蕨（）等。试验地点位于海拔200 ～ 300 m的丘陵地区。造林前为地带性常绿阔叶林，皆伐火烧后于2010年开始种植桉树人工林，2015年皆伐后萌芽更新，2021年6月进行第二次皆伐。前茬林分和新造林分均为尾巨桉（×）DH32-29无性系，株行距为2 m × 3 m，种植密度为1 650株·hm−2，试验林总面积约为220 hm2。

1.2 试验设计

在上述林地选择典型地段设置固定标准地，样地大小为30 m × 20 m且界限明晰。本次除草试验开展于新茬林分造林种植前2个月（2021年9月）。将生产中常用的草甘膦浓度设为100%生产浓度，即每0.066 7 hm2使用0.75 L 30%含量草甘膦铵盐水剂，混合0.15 L有机硅助剂和45 L水（相当于3.375 kg a.i.·hm−2的草甘膦和2.25 L·hm−2的有机硅助剂），并以此为基础设定不同的除草剂稀释度，以人工除草为对照，共划分为5个处理，分别为：（1）125%生产浓度，即草甘膦水剂稀释48倍（4.219 kg a.i.·hm−2）；（2）100%生产浓度，即草甘膦水剂稀释60倍（3.375 kg a.i.·hm−2）；（3）75%生产浓度，即草甘膦水剂稀释80倍（2.531 kg a.i.·hm−2）；（4）50%生产浓度，即草甘膦水剂稀释120倍（1.688 kg a.i.·hm−2）；（5）进行人工除草（0 kg a.i.·hm−2）。本试验所用草甘膦水剂为青木牌30%含量草甘膦铵盐水剂，所有处理均添加绿拓牌有机硅助剂，助剂用量为2.25 L·hm−2。所用的助剂主要为定量农用有机硅溶液，目的是提升药液的延展性和渗透性，使药液最大限度作用于杂灌，减少喷洒到土壤中的草甘膦量。

于2021年9月6日在试验地按照计划开展草甘膦的同浓度稀释处理，添加定量有机硅助剂制成50%、75%、100%、125%四种浓度梯度的草甘膦除草剂，配制完成后立即通过背负式喷雾器进行施药。每个试验样地面积均为600 m2（30 m × 20 m），在划设样地过程中尽量避开道路沟渠等。每个处理重复3次，按随机区组排列。

1.3 除草效果调查与土壤样品采集

（1）除草效果调查：于喷施草甘膦后100 d对所有处理进行拍照记录，并通过Photoshop软件标示喷施草甘膦后100 d样地图片中棕色比例推算枯死杂草比例[12]。（2）土壤混合样品采集：于喷施草甘膦后10、50、l00 d在每个试验小区按照S形路线各采集9个点的土壤样品，均匀混合成一个样品，使用四分法缩分保留其中500 ～ 1 000 g土样带回实验室。在运输中使用液氮贮存，运至实验室后过2 mm筛，作为鲜土样品低温保存于−4 ℃冰箱，用于测定土壤中草甘膦和AMPA的残留量。

1.4 土壤草甘膦及AMPA残留量测定

草甘膦和AMPA残留量采用《中华人民共和国国家环境保护标准——土壤和沉积物草甘膦高效液相色谱法》（HJ1055-2019）[13]。简要操作如下：（1）样品的制备：将鲜土去除植物残体和杂物后,过2 mm筛并将样品充分混匀，取混匀土样10.00 g （精确至0.01 g）于50 mL离心管中。（2）提取：将样品全部转移至50 mL离心管中，加入50.0 mL磷酸钠和柠檬酸钠混合提取液，超声提取30 min，离心5 min，取上清液并用滤纸过滤，待净化。（3）净化：提取液先用盐酸溶液调节pH值至9，静置10 min后用滤纸过滤，加入50 mL正己烷，充分振荡后静置，弃去有机相，水相用50 mL正己烷再萃取一次。（4）衍生化：取1 mL净化后的水溶液于1.5 mL聚乙烯塑料管中，加入0.12 mL四硼酸钠溶液和0.2 mL 9-芴甲基氯甲酸酯溶液，在常温下用混匀仪衍生4 h，用针式过滤器（0.22 μm有机滤膜）过滤后待测。（5）液相色谱检测条件：所用仪器为具有梯度洗脱功能、配备有荧光检测器的高效液相色谱仪（日本岛津，LC-30A），色谱柱为反向C18色谱柱（4.6 mm × 250 mm），柱温35 ℃，流速为1.0 mL·min−1，进样量20 μL，激发波长254 nm，发射波长301 nm。流动相A为乙腈，流动相B为0.2%磷酸水溶液，草甘膦及AMPA梯度洗脱程序具体设置见表1。

表1 草甘膦及AMPA梯度洗脱程序

1.5 除草效果评估

在施药后100 d对所有处理进行拍照记录，由于枯死杂草与存活杂草颜色不同，通过Photoshop软件的图像分析技术标示喷施草甘膦后100 d样地图片中的棕色比例，由此推算枯死杂草比例。计算公式为：

杂草死亡率均值（%）=（枯死杂草面积/样地总杂草面积）×100%。

基于草甘膦的化学特征，其在土壤中的衰减特征采用一级动力学降解模型拟合（SFO）[15]。

C=C×−kt

式中C为时间t的草甘膦浓度，C为初始草甘膦浓度，k为降解速率常数。

化学污染物半衰期是评估其是否对环境造成威胁的重要参数，因此用草甘膦的半衰期（DT50）来表征草甘膦在土壤中的残留状况，并分析其潜在威胁。草甘膦降解半衰期计算公式为：

DT50=ln2/k

1.6 数据处理

用EXCEL软件处理数据，用SPSS 26.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 数据检验

本试验草甘膦及AMPA标准曲线拟合良好，回收率良好，可用于检测分析。由图1可知，草甘膦在0.01 ～ 2.5 g·kg−1范围内浓度与峰面积呈良好线性关系，线性方程为= 4+ 06– 63 647，相关系数2为0.999 8，保留时间6.970 ～ 7.105 min，检出限和定量下限分别为0.001和0.01 mg·kg−1。AMPA在0.01 ～ 2.5 g·kg−1范围内浓度与峰面积呈良好线性关系，线性方程为=6+ 06– 60 516，相关系数R为0.999 9，保留时间12.419 ～ 12.501 min，检出限和定量下限则分别为0.001和0.01 mg·kg−1。土壤样品添加标准溶液草甘膦和AMPA溶液草甘膦在土壤中的添加回收率为81.2% ～ 94.9%之间，符合国家农残测试标准（>80.0%），可用于实际样本残留检测分析。土壤样品草甘膦检出率超过90%，总浓度范围为0.014 8 ～ 0.505 2 mg·kg−1；个别非0 ～ 20 cm土壤未检测到草甘膦残留，依据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166-2004）[14]，低于分析方法检出限的测定结果参加统计时按1/2最低检出限，即按0. 000 5 mg·kg−1进行计算。

图1 草甘膦（A）及AMPA（B）标准曲线

2.2 草甘膦除草效果

由图2可知，草甘膦浓度与除草率呈正相关关系。以125%处理除草效果最好，显著高于其他处理；50%处理除草效果最差，显著低于其他处理。人工除草效果优于50%处理，75%处理与100%处理除草效果差异不显著且杂草死亡率均大于80%。

2.3. 草甘膦在不同浓度、时间、土层中的残留量变化特征及半衰期

由图3和图4可知，本试验中草甘膦残留量在不同浓度、不同土层间差异显著，在不同时间差异不显著，100 d时半衰期为119.06 d。不同药液处理浓度下的草甘膦残留在两个不同土层均表现出极显著差异，药液浓度与草甘膦残留量的Pearson相关性系数为0.681。在同一时间上，50 d的不同药液浓度处理之间差异显著，10 d和100 d时差异不显著；不同浓度草甘膦的半衰期差异不显著，但有半衰期随浓度上升而延长的趋势，其中125%处理的半衰期最长，为104.76 d。在施药后不同土层中，土壤中草甘膦残留量与采样时间相关性不显著，但在范围和均值上，土壤草甘膦残留量随时间增加而下降。具体表现为：桉树林下土壤草甘膦残留量在10 d范围为0.014 ～ 0.505 mg·kg−1，均值0.151 mg·kg−1；在50 d范围为0.001 ～ 0.327 mg·kg−1，均值0.103 mg·kg−1；在100 d为0.001 ～ 0.290 mg·kg−1，均值0.072 mg·kg−1。不同土层土壤中草甘膦残留量在单一采样时间下差异均不显著，但在整体上土层间草甘膦残留量差异显著；土壤中草甘膦残留量在75%、100%的药液处理浓度下，土层间残留量差异不显著，在0%、50%、125%的处理下，土层间残留量差异显著。

100 d内草甘膦的半衰期经测算为83.5 d。在100 d内0 ～ 20 cm土壤中草甘膦半衰期为92.63 d，20 ～ 40 cm土壤中半衰期为66.71 d；10 ～ 50 d、50 ～ 100 d的半衰期分别为71.75 d和96.08 d（表2）。AMPA总体检出率过低（图5），未检出残留量，应视为1/2最低检出限，即0.000 5 mg·kg−1，残留量规律不明显，但AMPA检出率在三个时间节点上呈现出递增的趋势，分别为20%、50%、80%。

柱形图中不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

柱形图中不同字母表示差异显著（P<0.05）。小写字母代表0 ～ 20 cm，大写字母代表20 ～ 40 cm。Different letters on the bars indicate significant differences (P<0.05). Lowercase letters represent 0 ～ 20 cm and uppercase letters represent 20 ～ 40 cm.

柱形图中不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

表2 草甘膦半衰期

图5 不同时间AMPA检出率

3 讨论

3.1 草甘膦减量后的除草效果

本研究发现采用常规浓度75%及以上浓度的草甘膦除草效果均超过80%，基本达到预期除草效果。采用75%草甘膦浓度的杂草死亡率未达90%的可能原因有：（1）考虑到控制变量的问题，本研究除草剂仅使用了草甘膦，并未按生产中常用搭配添加三氯吡氧乙酸弥补草甘膦对藤蔓阔叶草效果不佳的缺点，可能因此影响了最终的除草效果；（2）有研究指出在夏季施除草剂效果最佳，在冬天使用效果较差，在春秋使用效果适中[16]，本研究施除草剂的时间为秋天，可能在一定程度上影响了除草效果；（3）本研究化学除草剂采用背负式喷雾器喷施，样地中除草剂喷洒的均匀程度在一定程度上影响了除草效果；（4）大田试验的天气、降雨等因素也可能对除草效果产生了影响。

3.2 草甘膦及AMPA在土壤中的残留

研究结果表明草甘膦残留量与药液处理浓度成正相关，残留量在土层间差异显著，时间差异不显著，施药后100 d时多数残留量已达安全标准。本研究中，土壤草甘膦残留量和除草剂处理浓度极显著正相关，Pearson相关性系数为0.681，即残留量与药液处理浓度成正比；土壤草甘膦残留量在不同土层间差异显著，0 ～ 20 cm土壤草甘膦残留量显著大于20 ～ 40 cm；土壤草甘膦残留量在不同时间差异不显著，但均值和范围随时间呈下降趋势，可能是由于草甘膦在0 ～ 100 d内半衰期较长。桉树人工林土壤中草甘膦残留量随时间的推移逐渐减少，至施药后100 d时除125%处理下的0 ～ 20 cm土层中浓度为0.290 mg·kg−1外，其他均小于0.1 mg·kg−1。目前欧盟、美国、日本制定的草甘膦最大残留标准为0.1 ～ 0.5 mg·kg−1，0.1 mg·kg−1的土壤草甘膦残留量浓度也被认为是人类和动物安全标准[11,17]，说明按照生产浓度（3.375 kg a.i.·hm−2）及生产浓度以下浓度施药100 d后土壤草甘膦残留量达安全标准。

本研究AMPA在10 d时检出率为20%，在50 d时为50%，100 d时为80%，检出率随时间增加而升高，其原因可能是随着草甘膦在土壤中不断降解，AMPA含量上升，表现为检出率上升。饶妍茜等[18]对长期施用草甘膦的桉树林地土壤进行研究，发现AMPA残留量大于草甘膦残留量，说明随着时间推移草甘膦逐渐降解，而作为分解产物的AMPA降解较慢，故表现为AMPA含量大于草甘膦含量，与本研究AMPA检出率上升的结果一致。

3.3 草甘膦半衰期及其影响因素

草甘膦半衰期在高浓度处理下长于低浓度处理，在10 ～ 50 d短于50 ～ 100 d，在0 ～ 20 cm长于20 ～ 40 cm。半衰期随浓度上升而延长，但不同浓度草甘膦的半衰期差异不显著，其中125%处理的半衰期最长，为104.76 d，原因可能是当土壤草甘膦残留量超过土壤的分解能力时，超量的草甘膦无法被及时分解，以至于高浓度处理的半衰期最长。草甘膦在土层间表现为0 ～ 20 cm半衰期长于20 ～ 40 cm，可能是由于0 ～ 20 cm土壤的草甘膦残留量相较于20 ～ 40 cm更多，降解速度更慢。整体上桉树林地草甘膦半衰期较长，100 d时草甘膦的半衰期经测算为83.5 d。在三个时间节点上，10 ～ 50 d半衰期普遍短于50 ～ 100 d；10 ～ 50 d、50 ～ 100 d的半衰期分别为71.75 d和96.08 d，本研究结果符合“土壤中草甘膦具有中等持久性，半衰期一般为1 ～ 174 d内”的结论[19]。两段时间的土壤草甘膦半衰期不同，可能由于样地中草甘膦的半衰期在逐渐变长，也可能是由于大田试验中的环境因素较复杂。草甘膦降解的速度和途径受多种因素影响，如土壤类型[20]、土壤微生物环境、土壤有机质含量、土壤pH值、降水量[21]、温度[22]等，因此草甘膦在土壤中的半衰期差异较大。

4 结论

本研究发现常规生产上使用的草甘膦浓度与75%减量浓度草甘膦的除草效果差异不显著，均达80%以上，说明常规施用的浓度存在减量空间。出于控制变量的考虑，本研究中仅使用草甘膦一种除草剂，理论上结合三氯吡氧乙酸施用将弥补草甘膦对藤蔓阔叶草效果不佳的缺点，可进一步提高除草效果，说明桉树人工林除草剂结合助剂的使用还可进一步减量。按常规生产浓度（3.375 kg a.i.·hm−2）施用草甘膦，100 d内土壤可达到国际安全标准（<0.1 mg·kg−1）。草甘膦的分解产物AMPA的检出率在100 d内随时间变化不断增加。草甘膦半衰期在高浓度处理下长于低浓度处理，在50 ～ 100 d长于10 ～ 50 d，在0 ～ 20 cm长于20 ～ 40 cm。

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Short-term Degradation of Glyphosate in Eucalypt Plantation Soils

CHEN Bohao1, WU Lichao1, SHI Tianliang2, ZHU Huasheng2, MA Shuxian4, TANG Yabin3, FENG Wenrang3, CHEN Yongjie1, ZHANG Jing1, CHEN Lijun1, SHI Yutian2*

(1. College of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification of Hunan Provincial Higher Education University, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Guangxi Zhuang Autonomous Region State-owned Gaofeng Forest Farm, Nanning 530006, Guangxi, China; 3. Guangxi Zhongnan Linhai Biotechnology Co., Ltd, Nanning 530006, Guangxi, China; 4. Jiejiarun Technology Group Co., Ltd, Nanning 530006, Guangxi, China)

A large amount of glyphosate herbicide is used in eucalypt afforestation. When the applied glyphosate exceeds the soil’s degradation capacity, glyphosate cannot be quickly broken down and remains in the soil potentially affecting soil health and fertility. In order to investigate whether there is potential to reduce glyphosate use in eucalypt afforestation and to explore the short-term change rules of glyphosate residue in soils, this study examined a third generation×plantation as the research object. The standard local glyphosate concentration (3.375 kg a.i.·hm−2) was set as 100% base treatment, and then doses of 50%, 75% and 125% of the base treatment were applied along with an artificial (manual) weeding treatment. Soil surface (0 ～ 20 cm) and subsurface (20 ～ 40 cm) soil samples were collected at 10, 50 and 100 days after spraying the glyphosate to test herbicide impacts on the soil. The results showed that there was no significant difference in weeding effect between the 75% reduction treatment and the 100% local standard concentration treatment. Except for the 125% concentration treatment, the residual amount of glyphosate in surface and subsurface soil reached the international safety standard (<0.1 mg·kg−1) by 100 days after application. The detection rate of AMPA (a decomposition product of glyphosate) increased with time up to 100 days. The ranks of glyphosate half-life were: high concentration treatment > low concentration treatment, 50 ～ 100 d > 10 ～ 50 d, and 0 ～ 20 cm > 20 ～ 40 cm. The results showed that the 75% reduction treatment can achieve expected effects, indicating that there is space for reduction of glyphosate application in eucalypt plantations whilst the use of additives could potentially further reduce the amounts of glyphosate applied. Overall, it was clear that glyphosate half-life in eucalypt plantation soil is positively correlated with the concentration of chemical applied and that it is shorter in surface than deeper soil layers.

pesticide reduction; Glyphosate; residual amount; eucalypt plantation; dissolution law

10.13987/j.cnki.askj.2023.04.003

S767.5

A

广西自筹经费林业科技项目（桂林科研﹝2022ZC﹞第29号)；“十三五”国家重点研发计划项目子课题（2016YFD0600505）

陈博昊（1997— ），男，硕士研究生，主要研究方向为土地资源监测与评价。E-mail: 442703079@qq.com

石驭天（1974—），男，高级工程师，从事营林生产与管理工作。E-mail:78650666@163.com