我国黑土地农田土壤除草剂残留特征研究及展望_李睿.pdf
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1、Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44,No4 Apr,2023我国黑土地农田土壤除草剂残留特征研究及展望李睿1,2,吴秋梅1,2,赵归梅1,4,胡文友1,2*,田康1,黄标1,2,吴祥为5,刘峰2,3,赵玉国2,3,赵永存2,3(1 中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室,南京210008;2 中国科学院大学,北京100049;3 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室,南京210008;4 云南农业大学资源与环境学院,昆明650201;5
2、安徽农业大学资源与环境学院,合肥230036)摘要:粮食安全是“国之大者”东北黑土地作为我国重要的粮仓,是保障国家粮食安全的“压舱石”但黑土地农田除草剂的长期高强度施用,导致除草剂在土壤中积累和迁移,影响土壤质量、作物产量和品质,阻碍黑土地可持续利用和农业可持续发展 解决黑土地农田除草剂残留问题,既要从源头管控除草剂的施用,也要掌握除草剂的残留特征、时空演变和驱动因素,才能做到科学防控、精准施策 系统总结了我国黑土地农田除草剂的施用状况和存在的问题,全面梳理了除草剂的残留现状,指出了当前在黑土地农田除草剂残留特征、空间分布和污染诊断等研究上的不足,提出了我国黑土地农田除草剂残留诊断与风险管理研
3、究思路与重点方向,为保障我国黑土地农田土壤健康、粮食安全和生态系统安全提供科技支撑关键词:黑土地;除草剂;残留特征;空间分布;环境行为;风险诊断中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2395-14DOI:1013227/j hjkx202206031收稿日期:2022-06-02;修订日期:2022-06-28基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA28010100);国家重点研发计划项目(2021YFD1500202)作者简介:李睿(1999 ),女,硕士研究生,主要研究方向为区域土壤环境质量调查和污染诊断评估,E-mail:rli issas
4、ac cn*通信作者,E-mail:wyhu issas ac cnesearch Progress and Prospect of Herbicide esidue Characteristics in Black Soilegion of ChinaLI ui1,2,WU Qiu-mei1,2,ZHAO Gui-mei1,4,HU Wen-you1,2*,TIAN Kang1,HUANG Biao1,2,WU Xiang-wei5,LIU Feng2,3,ZHAOYu-guo2,3,ZHAO Yong-cun2,3(1 Key Laboratory of Soil Environment
5、and Pollution emediation,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China;2 University of ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100049,China;3 State Key Laboratory of Soil Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing210008,China;4 Colle
6、ge of esources and Environment,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China;5 College of esources and Environment,AnhuiAgricultural University,Hefei 230036,China)Abstract:Food security is the top priority of a country As an important granary in China,the northeast black land is a“ballast”to e
7、nsure national food security However,the long-term and high-intensity application of herbicides in black land farmland has led to the accumulation and migration of herbicides in the soil,which affects soil quality,crop yield,and quality and hinders sustainable agricultural development in the black s
8、oil To solve the problem of herbicide residues in black land farmland,it is necessary tocontrol the application of herbicides from the source,as well as to elucidate the current situation,spatial and temporal evolution,and driving factors of herbicide residues,inorder to achieve scientific preventio
9、n and control and precise policy implementation The main contents of this study were as follows:systematically summarize the applicationstatus and problems of herbicides in the farmland of black soil in China,suggesting that there are currently problems such as irregular application and insufficient
10、 productinnovation of herbicides in the farmland of black soil;comprehensively analyze the current status of herbicide residues,identify the deficiencies in recent studies onherbicide residue characteristics,spatial distribution,and pollution diagnosis in the farmland of black soil,and clarify the g
11、aps in the research on the residue characteristics ofherbicides in the farmland of black soil;and propose the research prospect and key orientation for the herbicide residue diagnosis and risk management in the farmland ofthe black soil region of China The results of this study can provide science a
12、nd technology support for guaranteeing soil health,food security,and ecosystem security of blackland farmland in ChinaKey words:black soil;herbicide;residual characteristics;spatial distribution;environmental fate;risk diagnosis黑土地是珍贵的土壤资源,也是我国最肥沃的耕作土壤,是国家粮食安全的“压舱石”我国黑土区耕地面积约3 583.67万 hm2(约 5.38 亿亩)
13、1,分布在辽宁、吉林、黑龙江和内蒙古的东部,是我国重要的商品粮基地2 但是长期重用轻养造成“黑土层变薄、变硬、有机质锐减、结构变差、除草剂大量残留、生产性能降低”等问题,严重威胁黑土地的可持续利用和国家粮食安全 美国、俄罗斯和乌克兰等黑土地丰富的国家已经建立了黑土地资源清单,形成了黑土地质量动态数据库,建立了较为完善的评价体系 目前,我国学者通过多年的系统研究,也构建了黑土地环境质量评价指标、耕地质量评价指标等体系3,4,提出了以黑土层保护为核心的东北黑土地利用和保护建议4 8 而在关注提升黑土地土壤肥力、增加有机质含量、减少土壤侵蚀的同时,黑土地农田除草剂的长期大量施用也需引起社会各界的高度
14、关注环境科学44 卷东北黑土区巨大粮食供给的背后,除草剂等农药的大量施用成为保障粮食高产的重要条件 据国家统计局统计数据,2015 2019 年黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古的农药年平均施用量分别为 7.74、5.54、5.60 和 3.16 万 t,粮食平均年产量分别为7 490.4、3 957.9、2 291.1和3 403.2万 t9 1991 2019 年不同省份农药施用量的统计数据显示,黑龙江农药施用量最高,其玉米、水稻和大豆年产量也数据来自国家统计局图 11991 2019 年我国东北黑土区作物平均年产量和农药平均年施用量Fig 1Average annual crop yield a
15、nd average annual pesticideapplication amount in black soil region of northeastChina from 1991 to 2019处于领先地位(图 1)尽管 2015 年农业农村部印发了相关行动方案10,并达到了农药减量增效的目标,但农药的长期大量施用加重了黑土地农田农药的残留 近年来农药的有效利用率有所提升,但经测算,2020 年我国水稻、小麦和玉米这三大作物农药利用率为 40.6%,绝大部分都进入农田及周边的生态环境中11 黑土地在保证粮食高产的同时,土壤除草剂和农药残留问题也日益突出12 14,对土壤质量、农产品安
16、全和人体健康造成潜在威胁 近年来,因除草剂的残留问题,后茬作物生长期出现黄化和矮化等事件,出现大面积的“癌症田”;土壤理化性质也会因此发生改变,造成土壤的退化,影响土壤健康和土壤生态系统服务功能;部分除草剂还会在农田周边水体和生物中富集,通过食物链(网)的富集作用,对人体健康造成危害习近平总书记多次强调“中国饭碗,中国粮食”,2020 年在吉林考察时强调,要采取有效措施切实把黑土地这个“耕地中的大熊猫”保护好、利用好 为深入贯彻总书记关于“把黑土地用好养好”系列指示精神,2021 年农业农村部等七部门联合印发的方案明确了国家黑土地保护工程实施内容和分区实施重点15 2020 年农业农村部印发相
17、关计划16,旨在全面推广应用保护性耕作,促进东北黑土地保护和农业可持续发展 此外,以文献 17为数据支撑,实施“黑土地保护与利用科技创新工程(黑土粮仓)”,旨在解决我国黑土地保护与利用的关键性科学问题18 而开展黑土地农田除草剂残留诊断和评估,明确我国黑土地农田土壤除草剂残留现状,是开展除草剂等农药污染防控和风险管理的前提,也是对黑土地农田除草剂残留进行对症下药、精准施策的关键性步骤1我国黑土地农田农药和除草剂施用现状杂草是威胁农作物生产的有害生物,能够直接或间接地造成病虫害,严重影响粮食产量 据统计,2002 年我国受杂草危害面积超过7 553万 hm2(约11.33 亿亩)19,目前我国每
18、年杂草发生9 333 万hm2(约 14 亿亩)次以上,造成的粮食损失为 300 多万 t20 除草剂的产生和发展减轻了农民的劳动强度,提高了作物产量和生产效率,是目前我国最主要的除草方式21 自 20 世纪 50 年代末以来,为解决耕地面积大和劳动力不足等问题,除草剂被引进并迅速发展,用于小麦、大豆和玉米等作物22 有研究表明,1991 2015 年我国农药施用热点区域由东部沿海向中西部和东北地区演变23,东北四省(区)的农药施用量总体均为增长的态势,约 2016 年开始才有下降的趋势9(图 2)四省(区)的粮食产量和农药施用量表明,农药的大量施用在一定程度上促进了粮食的高产 东北地区的农药
19、施用以除草剂为主,杀虫剂和杀菌剂等占比较小,2008 2010 年黑龙江的除草剂施用量占农药使用量的 85%左右24,2017 2018 年占比 79%左右25 根据中国农药信息网提供的信息,黑龙江、吉林和辽宁除草剂生产企业占到各省农药企业的61%、68%和61%左右,目前生产的除草剂种类分别为 140、133 和182 种,反映了除草剂在东北黑土地农业生产中的重要地位 尽管除草剂已被长期广泛应用,但施用过程中仍存在各种问题,导致其负面影响逐渐显现目前我国黑土地农田除草剂的施用主要存在以下问题:农户的除草剂应用技术不够规范,除草剂的科学规范使用未得到普及,导致一味追求“一棵草69324 期李睿
20、等:我国黑土地农田土壤除草剂残留特征研究及展望不剩”的除草效果,盲目地加大施用量 黑龙江玉米田82%以上的农户苗前除草剂的施用量超过推荐施用量 25,尤其是氯嘧磺隆、氯磺隆和莠去津等长残留性除草剂,对绿色食品生产和农业可持续发展造成了一定阻碍 此外除草作业机械化不规范,喷雾器不标准等,也是喷液量过大的原因 除草剂更新速度慢,杂草群落组成和优势种随时间和除草剂的长期使用不断演替,导致目前的除草剂品种无法防除恶性杂草,加之对除草剂的依赖性,成为很多农田除草的一大难题 有研究表明,高活性、作用靶标单一的除草剂的使用会加快杂草的抗药性 26,而除草效果不佳,农民又会加大剂量,由此形成恶性循环数据来自国
21、家统计局图 21991 2019 年我国东北黑土区粮食产量和农药施用量Fig 2Crop yield and pesticide application amount in black soil region of northeast China from 1991 to 2019东北黑土地是我国玉米、大豆和水稻等作物的优势主产区 黑土地存在单作和轮作等多种种植体系,目前为了追求高产量,玉米长时间连作现象比较普遍,不同的种植作物和不同的种植体系中施用的除草剂种类和用量各有差异 除草剂分为苗前除草剂和苗后除草剂 调查显示,2018 年黑龙江施用苗后除草剂的农户有所增加,而苗前除草剂比例有所减少
22、市场上出售有除草剂单剂现混和几种除草剂的混剂,农户们根据需求进行选择 尽管单剂种类多于混剂,但因混剂具有更广的杀草范围、更长的除草时效和更高的安全性等特点,越来越受到市场的青睐 目前我国东北黑土地农田常用的除草剂种类繁多,不同除草剂在自身性质、施用方式、施用量和适用农作物等方面差异明显(表 1),导致其迁移转化过程和毒害程度也不同 因此有必要查清东北黑土地农田除草剂施用清单、施用历史,科学评估土壤除草剂残留,明确土壤中除草剂残留的驱动因素、迁移转化规律及其环境风险,探索优化作物除草策略,为东北黑土地的可持续利用与保护提供科学依据2我国黑土地农田除草剂残留及其空间分布特征农药残留是影响农产品质量
23、安全的重要因素为加强农药残留检测与农产品质量监管和督促科学规范用药,欧盟、美国、日本和韩国等国家都制定了农药最大残留限量标准 我国于 2021 年 9 月开始实施的 食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量(GB 2763-2021)是目前统一规定的食品中农药最大残留量标准,全面覆盖我国批准使用的农药品种和主要植物源性农产品,与 2019 版 GB 2763 相比,其对黑土地农田中常用的除草剂(2,4-滴、2 甲4 氯和精喹禾灵等)残留限量标准进行了修订 而土壤是农田生态系统中农药储存和转运的纽带,土壤中的农药通过转运吸收、食物链等方式在动植物体内积累 土壤圈与生物之间频繁的物质和能量交换,使
24、得土壤质量和农产品安全变得同等重要27 近年来,学者们围绕我国东北黑土地除草剂的残留状况开展了调查研究,主要集中在东北黑土区的几个重7932环境科学44 卷表 1我国东北黑土地农田常用除草剂及其性质Table 1Common herbicides and their properties in black soil farmland in northeast China种类除草剂适用农作物 类型特点防除杂草类型单剂混剂乙草胺(acetochlor)玉米大豆选择性苗前除草剂杀草谱广,效果突出,价格低廉,施用方便一年生禾本科和部分阔叶科杂草莠去津(atrazine)玉米苗后早期除草剂残效期长,易对
25、后茬作物造成药害,水溶性大,易污染地下水一年生禾本科和阔叶杂草灭草松(bentazone)玉米大豆触杀型、选择性苗后除草剂高效低毒,杀草谱广,无药害,与其他除草剂混用性好,在土壤中残留期长阔叶杂草和莎草科杂草丁草胺(butachlor)水稻选择性芽前除草剂杀草活性高,选择性好一年生禾本科杂草和某些阔叶杂草扑草净(prometryn)水稻高选择性内吸性除草剂杀草谱广,药效长,低毒,化学性质稳定,难降解多种一年杂草和多年生恶性杂草噻吩磺隆(thifensulfuron methyl)大豆内吸传导型苗后选择性除草剂对大豆安全,但持效期较短一年生阔叶杂草氟磺胺草醚(fomesafen)大豆选择性苗后除
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