桉樹人工林土壤草甘膦短期消解規律研究

陳博昊，吳立潮，石天良，朱華生，馬舒嫻，唐亞斌，奉文讓，陳永桀，張敬，陳利軍，石馭天

桉樹人工林土壤草甘膦短期消解規律研究

陳博昊1，吳立潮1，石天良2，朱華生2，馬舒嫻4，唐亞斌3，奉文讓3，陳永桀1，張敬1，陳利軍1，石馭天2*

（1. 中南林業科技大學林學院/水土保持與荒漠化湖南省高等學校重點實驗室，湖南 長沙 410004；2. 廣西壯族自治區國有高峰林場，廣西 南寧 530006；3. 廣西中南林海生物科技有限公司，廣西 南寧 530006；4. 捷佳潤科技集團股份有限公司，廣西 南寧 530006）

在桉樹生產中常使用大量草甘膦除草劑，當過量的草甘膦超過了土壤的降解能力時，無法被迅速消解的草甘膦即滯留在土壤中，從而影響土壤健康并造成地力損失。為探明桉樹人工林生產中草甘膦是否存在減量空間和探討林下土壤草甘膦殘留量短期的變化規律，以第三代新造尾巨桉人工林地為研究對象，將當地標準草甘膦噴施濃度（3.375 kg a.i.·hm?2）設為100%，在此基礎上設置了50%、75%、125%濃度和人工除草處理。噴施草甘膦后10、50、100 d分別采集土壤表層（0 ～ 20 cm）和亞表層（20 ～ 40 cm）樣品，以檢驗除草效果。結果表明：75%減量處理與當地標準濃度100%處理間除草效果差異不顯著；除125%濃度外，100 d時土壤表層與亞表層中草甘膦殘留量均達國際安全標準（<0.1 mg·kg?1）。草甘膦的分解產物AMPA檢出率在100 d內隨時間變化不斷增加。草甘膦半衰期在高濃度處理下長于低濃度處理，在50 ～ 100 d長于10 ～ 50 d，在0 ～ 20 cm長于20 ～ 40 cm。研究結果認為75%處理可達到預期除草效果，說明桉樹人工林草甘膦的施用存在減量空間，結合助劑的使用還可進一步減量。桉樹林下土壤中草甘膦半衰期與噴施濃度呈正相關，且表層土壤中草甘膦半衰期更短。

農藥減量；草甘膦；殘留量；桉樹人工林；消解規律

桉樹（spp.）是我國熱帶和亞熱帶地區重要的速生豐產人工林樹種[1-2]，由于南方全年溫暖濕潤，雜灌木、草本繁多[3]，除草劑在桉樹人工林種植中被大量使用。草甘膦由于其多功能性[4]，較高的功效和較大的防治范圍[5]，對哺乳動物、鳥類和魚類的低毒性，對土壤的低持久性[6]，成為桉樹人工林主要除草劑之一[7]。在桉樹經營中為了保證除草效果常常過量使用草甘膦，當過量的草甘膦超過了土壤的降解能力時，無法被迅速消解的草甘膦即滯留在土壤中使土壤營養平衡遭到破壞，導致下茬作物發生藥害（如減產或死亡等）[8]。此外，草甘膦進入土壤后會發生吸附、遷移、降解等一系列反應，草甘膦的主要降解產物氨甲基膦酸（AMPA）也是一種植物毒素[9]，一旦草甘膦殘留量超出土壤環境承載力，就會對土壤環境造成損害[10]。歐盟、美國、日本均制定了嚴格的草甘膦最大殘留量標準（0.1 ～ 0.5 mg·kg?1）[11]。目前，國內外草甘膦研究主要為在農業用地中施用除草劑的防治效果或對土壤的長期影響，而對于施用草甘膦后短期內桉樹人工林土壤中草甘膦殘留方面研究甚少。為此，文章對桉樹人工林土壤進行草甘膦消解研究，對比不同濃度草甘膦處理在不同時間、不同土層的殘留量及其除草效果，探究桉樹人工林下土壤短時間內草甘膦消解規律，以期為桉樹人工林免煉山高效可持續經營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于廣西壯族自治區國有高峰林場延河分場（108°08′—108°53′ E，22°49′—23°15′ N）。屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，雨熱同期。極端高溫為40.4 ℃，極端低溫為?2.4 ℃，年均溫為21.6 ℃，平均年降水量為1 500 mm，平均相對濕度為80%。研究區土壤主要為砂頁巖風化形成的赤紅壤，土壤系統分類為濕潤富鐵鋁土。研究區林地雜草包括禾本科雜草與闊葉類雜草灌木，以闊葉類雜灌為主。灌木類主要有桃金娘（）、野牡丹（）、毛黃肉楠（）、山蒼子（）、鵝掌柴（）、木姜子（）、野桐（）、野漆樹（）等；高處草主要為鬼針草（）、粽葉蘆（）、山菅蘭（）、五節芒（）、蔓生莠竹（）、鐵芒萁（）等；蕨類有鱗毛蕨屬（spp.）、烏毛蕨（）、扇葉鐵線蕨（）、邊緣鱗蓋蕨（）等。試驗地點位于海拔200 ～ 300 m的丘陵地區。造林前為地帶性常綠闊葉林，皆伐火燒后于2010年開始種植桉樹人工林，2015年皆伐后萌芽更新，2021年6月進行第二次皆伐。前茬林分和新造林分均為尾巨桉（×）DH32-29無性系，株行距為2 m × 3 m，種植密度為1 650株·hm?2，試驗林總面積約為220 hm2。

1.2 試驗設計

在上述林地選擇典型地段設置固定標準地，樣地大小為30 m × 20 m且界限明晰。本次除草試驗開展于新茬林分造林種植前2個月（2021年9月）。將生產中常用的草甘膦濃度設為100%生產濃度，即每0.066 7 hm2使用0.75 L 30%含量草甘膦銨鹽水劑，混合0.15 L有機硅助劑和45 L水（相當于3.375 kg a.i.·hm?2的草甘膦和2.25 L·hm?2的有機硅助劑），并以此為基礎設定不同的除草劑稀釋度，以人工除草為對照，共劃分為5個處理，分別為：（1）125%生產濃度，即草甘膦水劑稀釋48倍（4.219 kg a.i.·hm?2）；（2）100%生產濃度，即草甘膦水劑稀釋60倍（3.375 kg a.i.·hm?2）；（3）75%生產濃度，即草甘膦水劑稀釋80倍（2.531 kg a.i.·hm?2）；（4）50%生產濃度，即草甘膦水劑稀釋120倍（1.688 kg a.i.·hm?2）；（5）進行人工除草（0 kg a.i.·hm?2）。本試驗所用草甘膦水劑為青木牌30%含量草甘膦銨鹽水劑，所有處理均添加綠拓牌有機硅助劑，助劑用量為2.25 L·hm?2。所用的助劑主要為定量農用有機硅溶液，目的是提升藥液的延展性和滲透性，使藥液最大限度作用于雜灌，減少噴灑到土壤中的草甘膦量。

于2021年9月6日在試驗地按照計劃開展草甘膦的同濃度稀釋處理，添加定量有機硅助劑制成50%、75%、100%、125%四種濃度梯度的草甘膦除草劑，配制完成后立即通過背負式噴霧器進行施藥。每個試驗樣地面積均為600 m2（30 m × 20 m），在劃設樣地過程中盡量避開道路溝渠等。每個處理重復3次，按隨機區組排列。

1.3 除草效果調查與土壤樣品采集

（1）除草效果調查：于噴施草甘膦后100 d對所有處理進行拍照記錄，并通過Photoshop軟件標示噴施草甘膦后100 d樣地圖片中棕色比例推算枯死雜草比例[12]。（2）土壤混合樣品采集：于噴施草甘膦后10、50、l00 d在每個試驗小區按照S形路線各采集9個點的土壤樣品，均勻混合成一個樣品，使用四分法縮分保留其中500 ～ 1 000 g土樣帶回實驗室。在運輸中使用液氮貯存，運至實驗室后過2 mm篩，作為鮮土樣品低溫保存于?4 ℃冰箱，用于測定土壤中草甘膦和AMPA的殘留量。

1.4 土壤草甘膦及AMPA殘留量測定

草甘膦和AMPA殘留量采用《中華人民共和國國家環境保護標準——土壤和沉積物草甘膦高效液相色譜法》（HJ1055-2019）[13]。簡要操作如下：（1）樣品的制備：將鮮土去除植物殘體和雜物后,過2 mm篩并將樣品充分混勻，取混勻土樣10.00 g （精確至0.01 g）于50 mL離心管中。（2）提?。簩悠啡哭D移至50 mL離心管中，加入50.0 mL磷酸鈉和檸檬酸鈉混合提取液，超聲提取30 min，離心5 min，取上清液并用濾紙過濾，待凈化。（3）凈化：提取液先用鹽酸溶液調節pH值至9，靜置10 min后用濾紙過濾，加入50 mL正己烷，充分振蕩后靜置，棄去有機相，水相用50 mL正己烷再萃取一次。（4）衍生化：取1 mL凈化后的水溶液于1.5 mL聚乙烯塑料管中，加入0.12 mL四硼酸鈉溶液和0.2 mL 9-芴甲基氯甲酸酯溶液，在常溫下用混勻儀衍生4 h，用針式過濾器（0.22 μm有機濾膜）過濾后待測。（5）液相色譜檢測條件：所用儀器為具有梯度洗脫功能、配備有熒光檢測器的高效液相色譜儀（日本島津，LC-30A），色譜柱為反向C18色譜柱（4.6 mm × 250 mm），柱溫35 ℃，流速為1.0 mL·min?1，進樣量20 μL，激發波長254 nm，發射波長301 nm。流動相A為乙腈，流動相B為0.2%磷酸水溶液，草甘膦及AMPA梯度洗脫程序具體設置見表1。

表1 草甘膦及AMPA梯度洗脫程序

1.5 除草效果評估

在施藥后100 d對所有處理進行拍照記錄，由于枯死雜草與存活雜草顏色不同，通過Photoshop軟件的圖像分析技術標示噴施草甘膦后100 d樣地圖片中的棕色比例，由此推算枯死雜草比例。計算公式為：

雜草死亡率均值（%）=（枯死雜草面積/樣地總雜草面積）×100%。

基于草甘膦的化學特征，其在土壤中的衰減特征采用一級動力學降解模型擬合（SFO）[15]。

C=C×?kt

式中C為時間t的草甘膦濃度，C為初始草甘膦濃度，k為降解速率常數。

化學污染物半衰期是評估其是否對環境造成威脅的重要參數，因此用草甘膦的半衰期（DT50）來表征草甘膦在土壤中的殘留狀況，并分析其潛在威脅。草甘膦降解半衰期計算公式為：

DT50=ln2/k

1.6 數據處理

用EXCEL軟件處理數據，用SPSS 26.0進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 數據檢驗

本試驗草甘膦及AMPA標準曲線擬合良好，回收率良好，可用于檢測分析。由圖1可知，草甘膦在0.01 ～ 2.5 g·kg?1范圍內濃度與峰面積呈良好線性關系，線性方程為= 4+ 06– 63 647，相關系數2為0.999 8，保留時間6.970 ～ 7.105 min，檢出限和定量下限分別為0.001和0.01 mg·kg?1。AMPA在0.01 ～ 2.5 g·kg?1范圍內濃度與峰面積呈良好線性關系，線性方程為=6+ 06– 60 516，相關系數R為0.999 9，保留時間12.419 ～ 12.501 min，檢出限和定量下限則分別為0.001和0.01 mg·kg?1。土壤樣品添加標準溶液草甘膦和AMPA溶液草甘膦在土壤中的添加回收率為81.2% ～ 94.9%之間，符合國家農殘測試標準（>80.0%），可用于實際樣本殘留檢測分析。土壤樣品草甘膦檢出率超過90%，總濃度范圍為0.014 8 ～ 0.505 2 mg·kg?1；個別非0 ～ 20 cm土壤未檢測到草甘膦殘留，依據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166-2004）[14]，低于分析方法檢出限的測定結果參加統計時按1/2最低檢出限，即按0. 000 5 mg·kg?1進行計算。

圖1 草甘膦（A）及AMPA（B）標準曲線

2.2 草甘膦除草效果

由圖2可知，草甘膦濃度與除草率呈正相關關系。以125%處理除草效果最好，顯著高于其他處理；50%處理除草效果最差，顯著低于其他處理。人工除草效果優于50%處理，75%處理與100%處理除草效果差異不顯著且雜草死亡率均大于80%。

2.3. 草甘膦在不同濃度、時間、土層中的殘留量變化特征及半衰期

由圖3和圖4可知，本試驗中草甘膦殘留量在不同濃度、不同土層間差異顯著，在不同時間差異不顯著，100 d時半衰期為119.06 d。不同藥液處理濃度下的草甘膦殘留在兩個不同土層均表現出極顯著差異，藥液濃度與草甘膦殘留量的Pearson相關性系數為0.681。在同一時間上，50 d的不同藥液濃度處理之間差異顯著，10 d和100 d時差異不顯著；不同濃度草甘膦的半衰期差異不顯著，但有半衰期隨濃度上升而延長的趨勢，其中125%處理的半衰期最長，為104.76 d。在施藥后不同土層中，土壤中草甘膦殘留量與采樣時間相關性不顯著，但在范圍和均值上，土壤草甘膦殘留量隨時間增加而下降。具體表現為：桉樹林下土壤草甘膦殘留量在10 d范圍為0.014 ～ 0.505 mg·kg?1，均值0.151 mg·kg?1；在50 d范圍為0.001 ～ 0.327 mg·kg?1，均值0.103 mg·kg?1；在100 d為0.001 ～ 0.290 mg·kg?1，均值0.072 mg·kg?1。不同土層土壤中草甘膦殘留量在單一采樣時間下差異均不顯著，但在整體上土層間草甘膦殘留量差異顯著；土壤中草甘膦殘留量在75%、100%的藥液處理濃度下，土層間殘留量差異不顯著，在0%、50%、125%的處理下，土層間殘留量差異顯著。

100 d內草甘膦的半衰期經測算為83.5 d。在100 d內0 ～ 20 cm土壤中草甘膦半衰期為92.63 d，20 ～ 40 cm土壤中半衰期為66.71 d；10 ～ 50 d、50 ～ 100 d的半衰期分別為71.75 d和96.08 d（表2）。AMPA總體檢出率過低（圖5），未檢出殘留量，應視為1/2最低檢出限，即0.000 5 mg·kg?1，殘留量規律不明顯，但AMPA檢出率在三個時間節點上呈現出遞增的趨勢，分別為20%、50%、80%。

柱形圖中不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。

柱形圖中不同字母表示差異顯著（P<0.05）。小寫字母代表0 ～ 20 cm，大寫字母代表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.

柱形圖中不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。

表2 草甘膦半衰期

圖5 不同時間AMPA檢出率

3 討論

3.1 草甘膦減量后的除草效果

本研究發現采用常規濃度75%及以上濃度的草甘膦除草效果均超過80%，基本達到預期除草效果。采用75%草甘膦濃度的雜草死亡率未達90%的可能原因有：（1）考慮到控制變量的問題，本研究除草劑僅使用了草甘膦，并未按生產中常用搭配添加三氯吡氧乙酸彌補草甘膦對藤蔓闊葉草效果不佳的缺點，可能因此影響了最終的除草效果；（2）有研究指出在夏季施除草劑效果最佳，在冬天使用效果較差，在春秋使用效果適中[16]，本研究施除草劑的時間為秋天，可能在一定程度上影響了除草效果；（3）本研究化學除草劑采用背負式噴霧器噴施，樣地中除草劑噴灑的均勻程度在一定程度上影響了除草效果；（4）大田試驗的天氣、降雨等因素也可能對除草效果產生了影響。

3.2 草甘膦及AMPA在土壤中的殘留

研究結果表明草甘膦殘留量與藥液處理濃度成正相關，殘留量在土層間差異顯著，時間差異不顯著，施藥后100 d時多數殘留量已達安全標準。本研究中，土壤草甘膦殘留量和除草劑處理濃度極顯著正相關，Pearson相關性系數為0.681，即殘留量與藥液處理濃度成正比；土壤草甘膦殘留量在不同土層間差異顯著，0 ～ 20 cm土壤草甘膦殘留量顯著大于20 ～ 40 cm；土壤草甘膦殘留量在不同時間差異不顯著，但均值和范圍隨時間呈下降趨勢，可能是由于草甘膦在0 ～ 100 d內半衰期較長。桉樹人工林土壤中草甘膦殘留量隨時間的推移逐漸減少，至施藥后100 d時除125%處理下的0 ～ 20 cm土層中濃度為0.290 mg·kg?1外，其他均小于0.1 mg·kg?1。目前歐盟、美國、日本制定的草甘膦最大殘留標準為0.1 ～ 0.5 mg·kg?1，0.1 mg·kg?1的土壤草甘膦殘留量濃度也被認為是人類和動物安全標準[11,17]，說明按照生產濃度（3.375 kg a.i.·hm?2）及生產濃度以下濃度施藥100 d后土壤草甘膦殘留量達安全標準。

本研究AMPA在10 d時檢出率為20%，在50 d時為50%，100 d時為80%，檢出率隨時間增加而升高，其原因可能是隨著草甘膦在土壤中不斷降解，AMPA含量上升，表現為檢出率上升。饒妍茜等[18]對長期施用草甘膦的桉樹林地土壤進行研究，發現AMPA殘留量大于草甘膦殘留量，說明隨著時間推移草甘膦逐漸降解，而作為分解產物的AMPA降解較慢，故表現為AMPA含量大于草甘膦含量，與本研究AMPA檢出率上升的結果一致。

3.3 草甘膦半衰期及其影響因素

草甘膦半衰期在高濃度處理下長于低濃度處理，在10 ～ 50 d短于50 ～ 100 d，在0 ～ 20 cm長于20 ～ 40 cm。半衰期隨濃度上升而延長，但不同濃度草甘膦的半衰期差異不顯著，其中125%處理的半衰期最長，為104.76 d，原因可能是當土壤草甘膦殘留量超過土壤的分解能力時，超量的草甘膦無法被及時分解，以至于高濃度處理的半衰期最長。草甘膦在土層間表現為0 ～ 20 cm半衰期長于20 ～ 40 cm，可能是由于0 ～ 20 cm土壤的草甘膦殘留量相較于20 ～ 40 cm更多，降解速度更慢。整體上桉樹林地草甘膦半衰期較長，100 d時草甘膦的半衰期經測算為83.5 d。在三個時間節點上，10 ～ 50 d半衰期普遍短于50 ～ 100 d；10 ～ 50 d、50 ～ 100 d的半衰期分別為71.75 d和96.08 d，本研究結果符合“土壤中草甘膦具有中等持久性，半衰期一般為1 ～ 174 d內”的結論[19]。兩段時間的土壤草甘膦半衰期不同，可能由于樣地中草甘膦的半衰期在逐漸變長，也可能是由于大田試驗中的環境因素較復雜。草甘膦降解的速度和途徑受多種因素影響，如土壤類型[20]、土壤微生物環境、土壤有機質含量、土壤pH值、降水量[21]、溫度[22]等，因此草甘膦在土壤中的半衰期差異較大。

4 結論

本研究發現常規生產上使用的草甘膦濃度與75%減量濃度草甘膦的除草效果差異不顯著，均達80%以上，說明常規施用的濃度存在減量空間。出于控制變量的考慮，本研究中僅使用草甘膦一種除草劑，理論上結合三氯吡氧乙酸施用將彌補草甘膦對藤蔓闊葉草效果不佳的缺點，可進一步提高除草效果，說明桉樹人工林除草劑結合助劑的使用還可進一步減量。按常規生產濃度（3.375 kg a.i.·hm?2）施用草甘膦，100 d內土壤可達到國際安全標準（<0.1 mg·kg?1）。草甘膦的分解產物AMPA的檢出率在100 d內隨時間變化不斷增加。草甘膦半衰期在高濃度處理下長于低濃度處理，在50 ～ 100 d長于10 ～ 50 d，在0 ～ 20 cm長于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

廣西自籌經費林業科技項目（桂林科研﹝2022ZC﹞第29號)；“十三五”國家重點研發計劃項目子課題（2016YFD0600505）

陳博昊（1997— ），男，碩士研究生，主要研究方向為土地資源監測與評價。E-mail: 442703079@qq.com

石馭天（1974—），男，高級工程師，從事營林生產與管理工作。E-mail:78650666@163.com