基于室内土柱模拟的5种土壤熏蒸剂散发特征

郝宝强 张大琪 张毅 李青杰 吴佳佳 颜冬冬 李园 曹坳程 王秋霞 欧阳灿彬

关键词：熏蒸剂；散发；数学模型；监测；土传病虫害

作为一个农业大国，我国保护地蔬菜种植面积大幅度提高并且在部分地区成为支柱产业，在一定程度上增加了农民的收人。然而，土传病害严重制约了我国高附加值产业的发展，直接影响了种植户的收入。目前我国保护地种植面积已超过380万hm2，且保护地常年单一的耕作模式导致土壤中病原物大量积累，造成土传病害流行。我国每年因为土传病害导致农作物减产20%～40%，严重时可达60%，甚至绝收。

熏蒸剂兼具杀虫、杀菌、除草等活性。使用熏蒸剂进行土壤消毒是防治土传病虫害的重要手段之一，而且是最行之有效的方法。19世纪40年代开始广泛应用的溴甲烷（methyl bromide，MB）被发现可造成“臭氧空洞”，因而《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》宣布“2015年全面禁止溴甲烷在农业领域应用（必要用途豁免除外）”。目前溴甲烷的替代品已有多种，使用比较多的为二甲基二硫（dimethyl disulfide，DMDS）[lo]、1，3-二氯丙烯（1，3-dichloropropene，1，3-D）、异硫氰酸烯丙酯（allyl isothiocyanate，AITC）、异硫氰酸甲酯（methyl isothiocyanate，MITC），其结构如图1所示，性质见表1。

像日本、美国一样，许多国家都有多种熏蒸剂（包括氯化苦，但是氯化苦即将被禁用，在此不予深度讨论）登记用于防治草莓、生姜、坚果、番茄、辣椒等作物的土传病虫害。Yu等使用DMDS以及几种熏蒸剂的复配剂对番茄地进行熏蒸以控制土壤中的杂草、枯萎病菌，结果表明，DMDS可以在香附子Cyperus rotundus的发生初期对其进行有效控制，以注射的方式施用DMDS为地膜栽培的番茄地内的香附子和由Fusariurn oxysporum f.sp．lyco-persici引起的枯萎病的防治提供了一种可行的方案。Weingartner等使用1，3-D对美国佛罗里达州马铃薯土传病害进行防控，发现1，3-D可以抑制青枯病、马铃薯环腐病、线虫等，增加块茎产量。王彦柠等证明用AITC进行土壤熏蒸对立枯丝核菌Rhizoctonza solani、禾谷镰孢Fusarium gra-minearum、辣椒疫霉Phytophthora capsici、瓜果腐霉Pythiurn aphaniderrrLatum等病原菌菌丝的生长有明显的抑制作用。AITC对杂草也有很好的生物活性，可控制苋科Amaranthaceae杂草、马唐Digitarza sanguinalis等，且效果与已经淘汰的溴甲烷几乎相同。棉隆和威百亩可以在一定湿度条件下转化成具有杀灭活性的异硫氰酸甲酯。赵云等在蔬菜大棚使用威百亩进行土壤熏蒸，在50℃条件下，按8.4mg/kg熏蒸4h时，对线虫的防效接近100%；在40℃，相同施药量熏蒸96h，防效为95%左右；在25℃下相同药量熏蒸168h，防效为60%左右。

熏蒸剂不仅在防治土传病虫害方面发挥巨大作用，还能促进作物生长提高产量。熏蒸剂施用于土壤中防治病虫害时会在土壤中降解和扩散，但大部分将挥发到大气中，这导致熏蒸剂的利用率降低。除此之外，挥发到大气中的熏蒸剂可能直接被当地居民吸入而造成危害，甚至可能对全球环境造成影响。因此，了解和掌握熏蒸剂的散发情况十分重要。本研究针对5种常见的土壤熏蒸剂DMDS、ci-1，3-D、trans-1，3-D、AITC和MITC进行散发评估，以对农业生产上熏蒸剂的使用起到一定的指导作用。

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1仪器

供试仪器包括气相色谱一质谱联用仪（ShimaduGC-MS-QP 2010 plus），EI源，RTX-5色谱柱（30m×0.25mm×0.25um），散发箱（直径15cm，高6.5cm），氣体流量计（祥锦流量仪表厂），气泵（北京路西科技有限公司），活性炭管（金南玻仪五金厂），涡旋振荡器（江苏海门其林贝尔仪器制造有限公司）等。

1.1.2试剂和供试材料

98%二甲基二硫（DMDS）、98%顺式-1，3-二氯丙烯（cis-1，3-D）、97%反式-1，3-二氯丙烯（trans-1，3-D）、98%异硫氰酸甲酯（MITC），上海麦克林生化科技有限公司；98%异硫氰酸烯丙酯（AITC），湖北聚龙堂医药化工有限公司；色谱纯乙酸乙酯，赛默飞世尔科技（中国）有限公司；无水硫酸钠，西陇科学股份有限公司；铝盖，北京中科捷瑞生物科技有限公司；0.22um有机滤膜，成都贝邦科技有限公司。

1.2试验方法

1.2.1土样收集

于北京市顺义区老公庄收集0～20cm深度的沙壤土作为试验土壤，土壤在室温下风干，过2mm筛，保存在室温条件下备用。彻底混匀风干土壤，加入去离子水调节含水量至6%、10%、15% （m/m）。将土壤在密闭容器中放置24h以重新分配和平衡土壤水分。

1.2.2土壤装柱

模拟田间土壤容重1.3g/cm3用不同湿度的土壤装填土柱（图2），土柱高6.5cm，内部直径15cm，用一个适合柱子内部的活塞压制土壤。每个土柱大约装土1.5kg，土柱装满土后，在其顶部安装散发箱（高6.5cm、内部直径15cm），接缝处用铝箔封住以防止漏气。温度分别控制在室温15、25℃和35℃。

1.2.3装置连接

将各个土柱装置都用橡胶管串联上一个气体流量计以便控制气体流量，再通过一个总的橡胶管连到气泵上，气体流速控制在100mL/min。

1.2.4施药

土柱装满土后，在其顶部安装散发箱。用表面是特氟龙膜的硅胶垫密封施药口。所有连接处都用硅胶密封剂仔细密封，在土柱主体中部3.5cm深度进样口处将药剂按照（熏蒸剂／土）100mg/kg的剂量施用到土壤中，即抽取1mL浓度为150g/L的5种熏蒸剂标准品施加到土壤中，并开始计时取样，每种熏蒸剂重复3次。

1.2.5取样

施药后48h内，每2h换1次活性炭管、48～96h间隔4h换1次活性炭管、96～168h间隔6h换1次、168～240h间隔8h换1次、240h以后10h换1次，直到药剂完成整个散发过程（具体试验时间根据试验情况进行调整）。活性炭管于-80℃下保存，用于气相-质谱联用仪分析。试验过程中需要实时调整空气流速使其维持在100mL/min。

1.2.6样品的提取与分析

提取时将活性炭管折断，将管中物质转入20mL透明的顶空进样瓶中，加入8mL乙酸乙酯并加入少量无水硫酸钠去除水分，立即用铝盖（含表面材质为特氟龙的丁基橡胶垫片）盖住瓶子。每个瓶涡旋振荡5min以充分混匀，室温下静置60min后打开铝盖用2.5mL一次性注射器抽取1.5mL，经0.22um有机滤膜将滤液转移至1.5mL的进样小瓶中，然后放置于-80℃保存。最后采用岛津气相一质谱联用仪进行分析检测。

1.3分析方法

使用王献礼等检测DMDS、陈云飞等检测cis-1，3-D和trans-1，3-D、Liu等检测AITC以及Fang等检测MITC的方法来检测5种熏蒸剂的散发量和散发速率。

1.4数据处理

数据使用IBM SPSS Statistics 20．0进行处理，使用Origin 2022绘制5种熏蒸剂散发速率和累计散发速率随时间的变化曲线，使用Origin 2022中的Logistic模型对累计散发速率随时间的变化进行拟合。

2结果与分析

2.1温度对熏蒸剂散发的影响

在不同温度下5种熏蒸剂在0～50h的累计散发结果如图3所示：在施药后50h，当温度从15℃升高到35℃时，DMDS的累计散发百分率從46.34%上升到57.34%、cis-1，3-D从8.94%上升到14.08%、trans-1，3-D从4.59%升高到6.50%、AITC从0.03%升高到0.04%、MITC从0.73%升高到1.23%。5种熏蒸剂对温度都比较敏感，随着温度的升高，熏蒸剂的累计散发量升高，且散发速率也随着温度的上升而升高（图中曲线的斜率）。

2.2土壤湿度对熏蒸剂散发的影响

不同土壤湿度对熏蒸剂散发的影响结果如图4所示：施药后50h，当湿度从6%升高到15%时，DMDS的累计散发百分率从56.84%下降到49.09%、cis-1，3-D从13.58%下降到9.49%、trans-1，3-D从6.60%下降到4.80%、AITC从0.04%下降至0.03%、MITC从1.09%降低到0.75%。以上结果表明，熏蒸剂的累计散发速率与土壤湿度呈反相关关系。

2.3模型拟合

在25℃和土壤含水量为10%条件下，DMDS、cis-1，3-D、tran.s-1，3-D、AITC、MITC 5种熏蒸剂的散发速率和累计散发百分率随时间的变化趋势如图5和图6所示，累计散发速率随时间变化的拟合模型如表2所示。

DMDS在土壤中的散发速率随时间的变化如图5a所示：其散发速率呈现先急剧上升，然后迅速下降的趋势。从2h到12h，散发速率由0.08ug/（m2．s）迅速增加到194.42ug/（m2．s），再降低到60h的0.72ug/（m2．s）。随后增长缓慢，低于1.00ug／（m2．s）。其累计散发百分率如图6a所示，趋势为先呈指数形式增长然后几乎保持不变。从2h到60h，其累计散发百分率由0.01%迅速上升到53.80%，之后基本保持不变，直至最后165h的56.32%。

cis-1. 3-D在土壤中的散发速率随时间的变化如图5b所示：其散发速率呈现先急剧上升，然后迅速下降的趋势。从2h到10h，由0.01ug/（m2．s）迅速增加到61.94ug/（m2．s），再降低到26h的0.53ug/（m2．s），由于浓度高，cis-1，3-D迅速扩散到土壤间隙呈现迅速上升的趋势，然后通过土壤间隙从土壤表面散发出来。26 h以后散发速率低于1.00ug/（m2．s），即土壤内部几乎没有cis-1，3-D再从土壤表面散发出来。其累计散发百分率如图6b所示，整体趋势先呈指数形式增长然后几乎保持不变。从2h到26h，其累计散发百分率由0.01%迅速上升到11.02%，之后基本不再具有明显的上升趋势。这时土壤中能散发出来的cis-1，3-D已经全部散发到外界空气中。

trans-1，3-D在土壤中的散发速率如图5b所示：trans-1，3-D先急剧上升后迅速下降的趋势与cir1，3-D相似，但其最大散发速率ug/（m2．S）]低于cis-1，3-D的61. 94ug/（m2．s）。从2h到10h，trans-1，3-D在土壤中的散发速率由0.01ug/（m2．s）迅速增加到21.61ug/（m2．s），再降低到22h的0.65ug/（m2．s），22h以后散发速率低于0.60ug/（m2．s）。其累计散发百分率如图6b所示，整体趋势先呈指数形式增长。从2h到22h，其累计散发百分率由0迅速上升到5.22%，然后几乎保持不变。

AITC在土壤中的散发速率如图5c所示：AITC的散发速率呈现先急剧上升，然后迅速下降的趋势。从2h到22h，散发速率由0.01ug/（m2．s）增加到0.07ug/（m2．s），达到最大，然后迅速下降到47h的0.01ug/（m2．s），47h以后散发速率低于0.01ug/（m2．s）。AITC的累计散发百分率如图6c所示：其整体呈现上升趋势，与DMDS和1，3-D不同的是，AITC的累计散发百分率30h前上升较快，30h后上升较缓慢。从2h到30h，其累计散发百分率由0迅速上升到0.03%，30h至76h上升至0.04%，随后增长趋势逐渐放缓。

MITC在土壤中的散发速率如图5d所示：MITC的散发速率呈现先急剧上升，然后迅速下降的趋势。从2h到18h，散发速率由0.1pg/（m2．s）增加到1.21ug/（m2．s），18h以后散发速率迅速减小，直至到53h的0.12ug/（m2．s），53h以后散发速率低于0.10ug/（m2．s）。MITC的累计散发百分率如图6d所示：从2h到53h，其累计散发百分率与AITC较为相似，前30h快速增长，累计散发百分率由0迅速增长到0.43%，30h后缓慢增长，由0.43%上升到0.85%后基本不再增加。

3结论与讨论

熏蒸剂作为一类能够非常有效杀灭土传病虫害的农用化学品，其在田间施用后的环境行为对于农业生产和生态环境都十分重要。熏蒸剂也因其特有的作用方式和化学特性而备受关注。熏蒸剂具有高挥发性和低沸点等特性，其在土壤和大气中的迁移散发不仅与自身沸点、亨利常数、水溶性等特性有关，还与土壤特性、施药方式和施药量等因素有关。本研究默认熏蒸剂在土壤中可以从施药点向周围扩散30～50cm，选择15、25、35℃，其中25℃为线虫活动的最适温度，田间土壤含水量6%、10%、15%，施药深度3.5cm，施药剂量100mg/kg等条件，探究常见的5种熏蒸剂随时间散发的情况，结果表明，随着时间的延长，累计散发百分率为DMDS>cis-1，3-D>trans-1，3-D>MITC>AITC.

由于熏蒸剂具有很强的挥发性，所以温度对其散发有较大的影响。通常情况下，温度越高，熏蒸剂的挥发量越大，其熏蒸效果也随之增强。AITC的累计散发百分率低于0.05%可能是由于其属于天然源的含硫次生代谢产物，且经常存在于像芥菜等十字花科植物中，微生物对其分解能力较强所致。此外，土壤湿度对农作物的生长至关重要，同时也对熏蒸剂的散发具有重大影响。比如棉隆和威百亩等必须依赖于土壤中的水分才能转化为可消灭土传病虫害的MITC。随着土壤含水量的升高，熏蒸剂的散发反而呈现下降趋势，这可能和熏蒸剂的水溶性有关，同时湿度也影响着熏蒸剂的遷移。DMDS刚施入土壤中时土壤颗粒间具有一定的空隙，其会很快扩散入土壤间隙中并从土壤表面散发出来，所以这段时间散发速率很快。当土壤间隙的DMDS气体饱和后，其散发速率就会下降。因为经过微生物的分解作用和土壤的吸附作用，土壤中能散发出来的DMDS基本已经完全散发出来。

由于土壤中含有一定量的水分，熏蒸剂从土壤表面散发到空气中的比例较小，原因可能有以下几方面：一、熏蒸剂自身的特性：1）水溶性。水溶性越大，其溶解于土壤中自由水的部分就会越多，散发到大气环境中的量越少。2）渗透性。渗透性，扩散性越好，挥发能力也越强。熏蒸剂渗透性和扩散性受分子量和密度的影响较大，二者呈负相关关系。分子量越大，气体密度越大，扩散和渗透越慢。二、土壤颗粒大小和土壤性质：土壤颗粒间存在一定的间隙，熏蒸剂可能存留在土壤间隙之间，未有完全散发出来，这也是其散发百分率较低的原因之一。三、土壤微生物的影响：土壤中某些微生物对熏蒸剂有一定的分解作用，在分解作用发生时，其累计散发量也会减少。四、土壤有机质的含量：土壤中的有机质可能和熏蒸剂产生化学反应，同时，有机质也可以影响土壤中微生物种群，在二者的共同作用下对熏蒸剂散发产生影响。五、熏蒸剂的用量：熏蒸剂的使用量与其累计散发量一般呈正相关关系。

减少熏蒸剂散发进入大气环境中的方法很多，使用熏蒸剂之后地表覆膜可以有效减少熏蒸剂的散发。同时地膜的种类和特性也会影响熏蒸剂散发量。此外，熏蒸剂注射深度也会影响其散发，深度越大其累计散发量越小。熏蒸剂剂型也会影响其散发量，在相同条件下，田间施用原药的累计散发量有很大概率会高于缓释剂等其他剂型的散发量。本试验对5种常见的熏蒸剂的累计散发百分率和散发速率进行模拟，拟合出累计散发模型，可为熏蒸剂精准化施药提供参考，同时可以在一定程度上减少农药滥用和环境污染。