环境科学  2023, Vol. 44 Issue (4): 2395-2408   PDF    
引用本文
李睿, 吴秋梅, 赵归梅, 胡文友, 田康, 黄标, 吴祥为, 刘峰, 赵玉国, 赵永存. 我国黑土地农田土壤除草剂残留特征研究及展望[J]. 环境科学, 2023, 44(4): 2395-2408.
LI Rui, WU Qiu-mei, ZHAO Gui-mei, HU Wen-you, TIAN Kang, HUANG Biao, WU Xiang-wei, LIU Feng, ZHAO Yu-guo, ZHAO Yong-cun. Research Progress and Prospect of Herbicide Residue Characteristics in Black Soil Region of China[J]. Environmental Science, 2023, 44(4): 2395-2408.
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. 安徽农业大学资源与环境学院, 合肥 230036
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.ac.cn
通信作者: 胡文友, E-mail: wyhu@issas.ac.cn
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     
Research Progress and Prospect of Herbicide Residue Characteristics in Black Soil Region of China
LI Rui1,2 , WU Qiu-mei1,2 , ZHAO Gui-mei1,4 , HU Wen-you1,2 , TIAN Kang1 , HUANG Biao1,2 , WU Xiang-wei5 , LIU Feng2,3 , ZHAO Yu-guo2,3 , ZHAO Yong-cun2,3     
1. Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Key Laboratory of Soil & Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
4. College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China;
5. College of Resources and Environment, Anhui Agricultural 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 ensure 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 soil. To solve the problem of herbicide residues in black land farmland, it is necessary to control 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, in order to achieve scientific prevention and control and precise policy implementation. The main contents of this study were as follows: 1systematically summarize the application status and problems of herbicides in the farmland of black soil in China, suggesting that there are currently problems such as irregular application and insufficient product innovation of herbicides in the farmland of black soil; 2 comprehensively analyze the current status of herbicide residues, identify the deficiencies in recent studies on herbicide residue characteristics, spatial distribution, and pollution diagnosis in the farmland of black soil, and clarify the gaps in the research on the residue characteristics of herbicides in the farmland of black soil; and 3 propose the research prospect and key orientation for the herbicide residue diagnosis and risk management in the farmland of the black soil region of China. The results of this study can provide science and technology support for guaranteeing soil health, food security, and ecosystem security of black land farmland in China.
Key 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)[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关注.

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t[9].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.

数据来自国家统计局 图 1 1991~2019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. 1 Average annual crop yield and average annual pesticide application amount in black soil region of northeast China from 1991 to 2019

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t[20].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.

数据来自国家统计局 图 2 1991~2019年我国东北黑土区粮食产量和农药施用量 Fig. 2 Crop yield and pesticide application amount in black soil region of northeast China from 1991 to 2019

目前我国黑土地农田除草剂的施用主要存在以下问题：①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.②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.

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.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.

表 1 我国东北黑土地农田常用除草剂及其性质 Table 1 Common herbicides and their properties in black soil farmland in northeast China

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点城市, 调查对象主要为酰胺类和三嗪类除草剂等(表 2). 如蔡霖[28]通过调查东北地区辽河平原、松嫩平原和三江平原的部分农业区110种农药残留状况, 发现东北农业区土壤中农药总残留量高达80.70~2 799.10 ng·g-1, 其中辽宁省部分地区的生态风险较大.而更多的研究则是聚焦于某一个省、某一种作物和某一种或几种除草剂.如于晓斌[29]检测了吉林28个县的玉米种植区在不同季节, 不同深度的土壤中莠去津和乙草胺的残留分布特征, 发现两种除草剂的分布强度均表现为吉林中东部地区高于西部地区, 各土层中莠去津和乙草胺最大残留量变化范围为169.00~295.00ng·g-1和10.00~235.00 ng·g-1.黑龙江密山地区大豆田土壤中氟磺胺草醚残留量范围为3.34~67.84 μg·L-1, 灭草松为6.27~56.03 μg·L-1[30].莠去津和乙草胺在辽宁农田土壤中全部检出, 最大残留量分别为21.20ng·g-1和203.18 ng·g-1, 丁草胺检出率相对较低[31].

表 2 基于文献调研的我国黑土地农田主要除草剂残留特征 Table 2 Characteristics of main herbicide residues in black soil farmland in China based on literature research

除草剂的长期大量施用除了可以导致其在土壤中残留和积累以外, 一些水溶性较强的除草剂可以随着降水或地表径流进入地下水或者地表水, 破坏水体生态平衡, 人饮用后也会影响身体健康.如一些地区地表水及地下水中的莠去津残留量达3 μg·L-1以上, 足以杀死水底节肢动物[48].有学者估计农田中施用的莠去津有0.3% ~1.9%的量通过各种渠道进入水体[49].目前国内外学者都关注到地下水和地表河流等水生生态系统中除草剂及其代谢物残留, 在美国>5%的水井中检测到了莠去津等几种长期使用的农药及其降解产物[50].据调查, 东辽河流域旱田施用的莠去津已经严重影响到了流域地表水的水质, 一年中莠去津含量最大值可达18.93 μg·L-1, 东辽河流域的生态环境遭到破坏[39].为发展农业经济, 河岸带被开发用作农业种植, 降低了河岸土地的生态效应, 增大了土壤转移的风险, 有研究检测了松花江流域河岸农田土壤中的乙草胺和莠去津残留量, 分别为26.10 ng·g-1和11.28 ng·g-1[40].自来水是世界许多国家包括中国最常见的饮用水, 其摄入是人类接触除草剂的主要途径之一, 国际上针对世界不同地区饮用水中的莠去津含量已经展开了研究[51~53].近年来, 有关我国自来水中除草剂浓度的多项调查和研究结果显示, 我国东北地区饮用水中的典型除草剂含量在全国范围内处于较高水平[43~46], 可能导致人体每日除草剂的摄入量水平也较高.Sun等[43]的研究结果表明, 氯苯氧基类除草剂的人体每日摄入量在我国东北地区最高.

将近年来有关我国黑土区除草剂残留的调查结果进行整理和绘制(图 3), 发现现有对黑土地农田土壤除草剂残留的研究仅为零星区域和部分污染物, 且多为县级以下或小区域尺度, 针对整个东北黑土区或者省域尺度的研究缺乏.黑龙江、辽宁和内蒙古相较于吉林, 除草剂残留分布研究空白区较多.目前研究中关注的除草剂种类也相对有限, 多为莠去津、乙草胺和灭草松等, 其它多种除草剂类型尚未涵盖在调查清单之内.土壤除草剂残留诊断与评价主要围绕土壤背景值(标准或基准含量)或人体健康风险评估开展, 且多以单项污染物指标为主[54~56].由于在黑土地农田除草剂残留及其对土壤质量退化负面效应方面研究较少, 导致土壤除草剂残留空间分布信息极度缺乏, 土壤除草剂诊断与评价方法不完善.此外, 东北黑土区除草剂在河流沉积物、地表水和地下水中的分布特征已有相关报道, 但研究数量十分有限(图 4), 且污染物种类具有较大的局限性, 未将其他可能污染的除草剂包括在内.有研究表明[34, 44, 46, 47], 辽河和黑龙江等重要水系遭受到了不同程度的除草剂残留污染, 导致除草剂最终在自来水和市场鱼类等地方富集, 威胁人体健康.

柱状图数值单位为ng·g-1; 饮用水数据来源于文献[43], 土壤数据来源于文献[29~31, 33, 38, 42] 图 3 我国东北不同省份农田饮用水和土壤中除草剂残留空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of herbicide residues in agricultural drinking water and soils in different provinces of northeast China

柱状图数值单位为ng·g-1; 数据来源文献[32, 37, 40, 41, 45, 46] 图 4 我国东北黑土区典型水系地表水和周边土壤除草剂残留空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of herbicide residues in surface water and surrounding soils of typical water systems in black soil region of northeast China

3 我国黑土地农田除草剂残留研究进展 3.1 黑土地农田土壤中除草剂的环境行为

土壤是除草剂的一个重要归宿场所, 被称作农药的“贮藏库”; 同时除草剂带来的环境污染和生态毒理问题也愈来愈严峻.因此研究除草剂的环境行为, 明确其污染规律, 可为除草剂科学合理的使用和生态污染修复提供数据支撑, 为新品种除草剂的研发提供理论指导[57].除草剂的基本性质、施用历史与方式、土壤的理化性质和自然环境条件等是影响除草剂环境行为与污染生态效应的因素[58].目前针对除草剂的吸附解析和降解等环境行为已经进行了大量研究, 但多聚焦于单一过程, 对多过程耦合作用研究较为有限[59].除草剂的吸附过程是多种因素共同作用的结果, 一般认为土壤的有机质含量是重要因素之一, 吸附常数Kf与土壤有机质和黏粒含量呈正相关[60~62].有研究表明, 腐殖酸会与除草剂发生共吸附现象, 形成腐殖酸-除草剂复合体, 削弱除草剂向下淋溶的能力, 增大土壤中污染物的持留量[63].此外, 除草剂本身的理化性质、土壤的pH值、离子强度、温度和表面活性剂等都影响除草剂的吸附, 但目前各种吸附机制的相对贡献尚未有明确的定论.有关除草剂的消解动态和残留规律的研究已经趋向成熟, 普遍认为其降解过程遵循一级动力学方程[64~67].基于东北地区广泛的黑土分布以及特殊的气候条件, 黑土中高含量的有机质和黏粒矿物对除草剂的吸附、降解和迁移转化等过程分别造成何种程度的影响, 高寒低温的气候条件与季节性冻融农田土壤是否是除草剂环境行为的驱动因素, 以上研究问题都有待开展.

此外, 对污染物环境行为的研究多围绕单一污染物展开, 而土壤是一个多组分体系, 污染物之间的相互影响和作用会导致其行为与单独存在时有所差别.因此, 研究多成分污染物成分共存下污染物的环境行为更接近实际情况[68].东北农田现代作物栽培中, 农药的联合施用是一项常规的农业生产条件, 这些污染物进入土壤后, 不同分子之间的耦合作用是否会对生态系统中除草剂的降解消散等行为和毒性产生影响, 这是人们需要重点关注的问题.作为常用的玉米田苗后除草剂混剂成分, 莠去津和乙草胺在混合溶液中的吸附行为随着土壤性质的不同表现出竞争、无影响和协同作用[69].此外杀菌剂在土壤的降解潜力中也起着主导作用, 农药混施时杀菌剂可能会抑制除草剂的生物降解[70].近年来, 持久性有机污染物和微塑料等新型污染物成为了研究热点, 它们加剧了土壤中合成化学品共存的复杂性.目前, 微塑料-有机农药复合污染受到了学者们的关注, 已有研究揭示了可降解微塑料在不同的环境条件下对有机农药具有相对稳定的吸附能力[71~73], 两种常见微塑料聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)会加剧除草剂在土壤中的残留以及迁移至地表水的风险[74].东北黑土地农田生态系统中, 除了除草剂外, 地膜微塑料也是使用最广泛、最持久的人为污染物之一[75], 研究微塑料-除草剂复合污染的环境行为和健康风险, 有利于完善农田除草剂风险评估框架.综上, 要体现土壤除草剂污染的形成过程、驱动机制和风险效应等研究的客观真实性, 不能仅基于对个别的、单独的污染物进行研究.

此外, 有研究发现[76], 一些除草剂的中间代谢产物具有较强的环境稳定性, 经迁移转化之后, 会对环境造成较大危害.因此除草剂及其代谢产物复合污染的环境行为研究, 对除草剂的残留诊断、风险评估和科学防控具有重要意义.莠去津的两种主要代谢产物脱乙基莠去津(DEA)和脱异丙基莠去津(DIA)相比母体, 具有毒性和水溶性更强、与土壤成分作用更弱的特点[76].这些水溶性较强的除草剂及其降解产物在土壤-水系统中的迁移转化过程备受学者们的关注, 近几十年来, 一些欧美国家在地下水和河流等水生生态系统中不同程度地检测到了莠去津及其代谢物[49, 50, 77].东北地区水系发达, 亟需系统研究黑土耕作区除草剂在地表水和地下水中的迁移转化规律, 理清除草剂性质、土壤类型、耕作制度和水文条件等对其迁移的贡献比及相应的驱动机制, 为开展生态污染风险评估奠定基础.

3.2 黑土地农田除草剂残留的生态效应与环境风险

联合国2030年可持续发展目标(sustainable development goals, SDGs)所涵盖的17项宏伟目标中, 有13项目标直接或间接与土壤有关[78], 其囊括了土壤生态系统对于人类生产生活的两个关键影响方面, 即粮食安全和环境污染防控.如今, 农业在向质量效益型转变的过程中, 长残留除草剂是种植业结构调整和土地自然生产力恢复的重要阻碍[79]. 随着除草剂的广泛应用, 国内外学者对除草剂的生态风险评估进行了较为系统的研究.早期研究主要聚焦生物个体生理响应, 定性地评估除草剂风险, 例如根据人体暴露于除草剂环境的概率和持续时间分析得出卵巢癌与三氮苯类除草剂之间有显著的相关性[80]; 利用体内/体外实验研究除草剂的生物毒理学, 例如实验发现莠去津可造成动物的代谢器官损伤[81], 损伤人和动物的淋巴细胞染色体[82]和中枢神经系统[83].近年来, 现代生物技术的发展使学者们关注微观层面上分子生物方面的研究, 在基因表达、生物酶活性、土壤酶活性响应、土壤群落结构组成、多样性、分布和生物标志物的选定等方面取得了不少进展[84~87].利用土壤微生物分子生态技术进行物种多样性、遗传多样性、结构多样性和功能多样性等土壤生物学研究[86, 88~93].此外在高水平层次上生物(动植物和微生物等)群落的生态效应或宏观尺度上更加复杂的生态系统功能方面, 完善综合污染的生态风险评估体系[94], 开发定量预测模型也是最新进展[95].

东北黑土地农田长期复杂的除草剂施用情况及其在国家粮食生产方面的重要性, 使得对除草剂生态效应的研究成为迫切的任务之一, 尤其是黑土地土壤除草剂长期残留对区域土壤质量退化和粮食安全的研究.以除草剂对土壤生态功能的影响为根本, 以建立土壤生态系统的综合生态风险评估体系为核心, 以确立土壤除草剂的生态安全阈值为突破, 以暴露风险与毒性预测模型为手段, 以细胞分子、生物个体、种群和群落对除草剂的响应机制为补充, 建立完善的东北黑土地农田土壤除草剂风险评价技术体系.

4 我国黑土地农田除草剂残留研究展望

目前, 相关部门致力于实现我国黑土地可持续利用, 服务于国家粮食安全建设与现代农业发展, 并取得了重大进展.推动科技创新, 用好养好黑土地, 保障国家粮食安全, 协调水土资源与生态环境, 是当前亟待解决的科学问题(图 5).我国黑土地由于农业生产中除草剂的长期大量施用导致其在农田土壤中不断残留和累积, 对黑土地农田土壤质量、粮食安全和人体健康造成潜在威胁.目前我国黑土地农田除草剂在残留现状和污染清单、时空演变过程和驱动机制、生态效应和风险管理等方面的研究尚不完善, 缺乏对整个黑土区农田除草剂施用、除草剂残留、污染诊断和风险评价等方面的全面系统性认识.现有针对黑土区土壤除草剂残留与评价的研究, 主要是围绕局部地区和部分污染物类型开展, 对黑土地土壤除草剂长期残留造成的区域土壤质量退化和粮食安全风险的负面效应研究较少, 缺乏整个黑土区农田土壤除草剂残留的整体和系统性调查和研究, 更缺乏有效的土壤除草剂残留诊断方法与评价技术, 难以满足黑土地农田除草剂污染防控及风险管理需求.

图 5 我国黑土地农田除草剂残留特征与风险管理研究框架体系 Fig. 5 Research framework of the herbicide residue characteristics and risk management in black soil region of China

建议未来加强黑土地农田除草剂施用历史、现状和清单调查, 土壤中除草剂的残留特征、时空演变和驱动力, 除草剂多介质迁移和环境归趋以及农田除草剂残留的生态环境效应和风险管理等方面的研究(图 5).通过对黑土地农田除草剂施用历史和现状调查, 明确黑土地农田优先控制除草剂类型, 构建黑土地农田除草剂污染管控的源投入清单, 调整和优化除草策略; 采用时空序列对比、时空替代、情景分析和过程模型等方法, 研究黑土区农田除草剂残留特征、时空演变和关键驱动因素, 甄别影响黑土地农田除草剂残留的主控因子及其驱动机制; 通过构建和优化统一的检测方法与评价标准, 研究并建立黑土地农田土壤除草剂残留诊断方法、空间分布预测和风险评价技术体系, 减少结果差异化, 形成黑土地农田土壤除草剂残留类型、清单及其空间分布数据库; 通过除草剂在区域复杂介质和多界面的迁移转化规律及环境风险研究, 明确除草剂对农田生态系统、食物链和人体健康的影响及潜在风险, 提出黑土地农田土壤除草剂污染分区、分类和分级管理模式及污染精准阻控策略; 同时加强黑土地农田除草剂污染相关监管标准和法律法规的制定, 为我国黑土地保护与可持续利用提供科学依据和决策支撑.并以上述工作为基础, 研发功能材料, 创新除草剂消减阻控技术, 构建除草剂污染消减技术体系, 为我国黑土粮仓粮食安全与生态系统安全提供科技支撑.

参考文献
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