河南省农田土壤有机氯农药残留污染特征

程丽红，丁 攀，张 敏

(1.河南省农业科学院，河南郑州 450002； 2.河南农业大学农学院，河南郑州 450002)

农药在农作物生长过程中被广泛使用，在灭虫害及病害防治方面起到了重要的作用，但是农药滥用及处理不善导致了一系列的问题：作物农药残留损害人体健康，药瓶等随意抛弃导致河水受到农药污染，生物受到农药污染而灭绝速度加快等等，这些污染给人们敲响了警钟。其中危害性较大是就是有机氯农药(OCPs)，这是一种具有残留性高、强生物富集性的有机污染物，即我们常说的POPs，其不仅具有较强的脂溶性及毒性，还具有危害持久及生物累积性强的稳定化学特征[1-3]。OCPs残留给土壤及生物带来了巨大的损害，同时危害着人体健康，其残留损害着土壤的有机成分，降低了土壤活性及肥性，同时将土壤中的一些微生物杀死[4-5]，这样土壤的供养质量下降，最终影响作物的生长；另外，残留不可避免或多或少地被作物吸收，这些作物最终被人类所食用，长久下来对人体产生很大的损害[6-7]，而且有机氯农药因其刺激性气味造成大气污染与危害，影响呼吸系统，并制约着动植物的呼吸质量[8-10]。我国是OCPs生产和使用大国，这导致OCPs残留不同程度上影响着土壤的活性，给作物生长带来一定的制约效果[11-12]。1983年5月我国明确禁止使用该类农药，但通过相关研究发现，OCPs残留依然在多个地区土壤中被检测出来[13]，由此可见，该类农药残留的危害之久相当惊人，另一方面也说明现代使用的部分农药依然存在与之相近的有害成分，必须进行充分的调查以确认这一问题。OCPs的难降解性使其危害一时难以完全消除[14-15]；国际公布的首批12种持久性有机污染物中，有3/4是诸如艾氏剂、狄氏剂等有机氯农药[13-16]。OCPs不仅仅对土壤、大气带来一系列的危害，更严重损害着动植物的生长，相关的土壤等监测数据显示，我国多地土壤中出现出明显的OCPs残留，但相关的理论研究较少，关于农田土壤的OCPs残留危害报道更少，这难以充分引起人们对OCPs残留污染的重视，因此有必要对土壤剖面中农药含量和分布进行有效的研究。为了更好地掌握OCPs在农田土壤质中的分布状况，笔者从2014年开始对河南农田土壤进行了连续3年的定点观测，着重研究农田土壤之中的有机氯农药含量及残留危害，同时立足于前人的研究进行对比分析，对土壤中有机氯农药的残留量及其成分构成、垂直分布进行监测研究，从而为提升河南农田土壤质量提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

在2014—2016年的6—8月之间，连续3年在河南省内选取的样本采集点共计20个，其中每个样地5个重复，采样的土壤类型不仅包括果园与菜地，也包括水田，之后对每个样点进行3次重复土壤取样。为了对土壤垂直分布的农药残留成分进行分析，特采集不同垂直深度的土壤成分，为此需要利用土钻分为3级土层，其中0～10 cm为第一级土层，10～20 cm 为第二级土层，20～30 cm为第三级土层，采样单位由其中心点加之附近的4个点构成，然后对每个土壤代表样进行质量为1 kg的最终取样处理，并将多余的土壤以四分法的方式去掉。根据土壤利用类型确定相应的采样点，同时选取具有代表性的土壤，完成样品采集后将之用聚四氟乙烯塑料瓶进行密封保存，并带回实验室在低温下保存待测。

1.2 试验材料与仪器

1.2.1 试剂 对土壤的有机氯农药残留分析需要用到色谱标准物，这样能够更精确地对残留成分进行测定，要求浓度达到100 μg/mL，色谱标准物具体如下：p-DDT及o，p′-DDT；p-DDE及o，p′-DDE；p-DDD及o，p′-DDD；艾氏剂(Aldrin)；α-HCH、β-HCH、γ-HCH、δ-HCH；氯丹(transchlordane)，狄氏剂(Dieldrin)，α-End、β-End，硫酸硫丹(Endosulfan sulfate)，异狄氏剂(Endrin)，七氯(Heptachlor)，甲氧滴滴涕(methoxychlor)等，要求回收率指示物浓度100 μg/mL，具体的指示物如下：四氯间二甲苯、多氯联苯、内标五氯硝基苯。

98% H2SO4分析纯；无水化的Na2SO4，且已经达到分析纯状态，将之利用马弗炉进行烘烤4 h，要求炉温达到650 ℃，之后将之进行自然冷却，当温度达到常温状态时放入玻璃瓶并进行密封处理，以备试验使用；以Na2SO4晶体配制浓度为6%的溶液；然后用沸程为60～90 ℃进行石油醚处理，并重蒸收集69～72 ℃ 馏分；已经完成分析纯的丙酮；通过二氯甲烷对硅胶和中性氧化铝进行长达72 h的索氏抽取处理，并分别在 180、250 ℃的高温下进行长达12 h的活化处理，处理之后需要放进干燥器中，进行冷却处理的时间要达到12 h，完成冷却后再次进行活化处理，此次处理利用3%的二次蒸馏水，并再次进行长达12 h的冷却处理，最后用正己烷浸泡，这就完成了测定前的试剂准备，另外，高纯氮气用于样品浓缩，GC载气使用99.9%的高纯度氦气。

1.2.2 仪器 采用津岛公司生产的HP 6890A自动进样器气相色谱仪，采用德国Heidolph公司生产的旋转蒸发仪，同时试验还需要诸如真空泵、氮吹仪及振荡器的配合，另外，离心分离机选用TDL-5型、冻干机选择EYELA-FDU-830型；所有待用器皿清洗干净，清洗时利用超声波清洗器，之后采用自来水蒸馏水进行再次冲洗，冲洗完毕之后用烘箱进行烘干，要求烘箱的温度达到180 ℃、上下温差不超过2 ℃，在进行正式测定之前用有机溶剂对之淋洗处理。

1.3 测定方法

1.3.1 提取与净化分离 第一步进行提取处理：首先取质量为10 g的地表水品，该水品要求冷冻干燥后进行研细处理，并将之过70目的筛，之后将之包裹在已经净化处理过的滤纸之中；其次，加入TCMX和PCB-209这2种回收率指示物，然后将之放进索氏抽提器，抽取器容积要达到150 mL的要求，将质量为2 g的铜片清洗干净后放进去，然后再用正己烷和丙酮溶剂进行均匀混合配比，并利用超声波进行长达 20 min 的提取处理，之后利用振荡器进行0.5 h的振荡处理，并利用索氏抽提器避光进行72 h的抽提处理，并进行20 min的离心处理。将提取液放置在旋转蒸发仪上进行浓缩处理，待浓缩液为大约4 mL时，将正己烷10～15 mL分次加入其中，以形成置换溶剂，直至浓缩液达到2 mL，此时用刻度试管将之装入其中，并用高纯氮气吹之，直至其浓缩液降至 0.5 mL，需要注意的是要重复操作，最后用试管将PCNB密封保存。

第二步进行净化处理：利用12 cm的中性硅胶柱及6 cm的氧化铝对提取液进行分级净化，之后通过70 mL正己烷和二氯甲烷混合溶剂进行淋洗处理，要求溶剂的体积比达到 7 ∶3 水平，将淋洗液收集起来，并利用1～2 mL的丙酮-正己烷混合液进行再次淋洗，要求二者体积之比达到0.15，然后利用40 ℃水浴进行旋转浓缩处理，并用高纯氮气吹之，直至其浓缩液降至1 mL，以备试验所用。

1.3.2 有机氯农药类OCPs的GC/MS分析 色谱分析通过HP 6890A气相色谱仪进行，色谱仪配有63Ni的电子捕获检测器，色谱柱采用柱流量为60 mL/min的HP-1石英毛细管柱，其标准为50 m×320 μm×0.17 μm，载气用高纯氮气且流速1 mL/min，以30 mL/min N2为辅助气，为了提升数据测定准确性，无论是进样口，还是检测器，均要求达到280 ℃，色谱-质谱接口在270 ℃。之后再作逐步升温处理：70 ℃/min条件下处理1 min，20 ℃/min升至130 ℃，5 ℃/min升至 300 ℃；进样过程中不进行分流，仅仅有 0.7 min 的开阀时间，进样量1 μL，定量采取外标法进行，定性依据残留时间判定。然后先进行提取，之后对之进行净化处理，最终开展具体的成分数据及含量测定，确定最低检出浓度，平均回收率要求在85.2%～104.7%，并开展相应的校正，以提高测定的精密度，达到更高的检测标准。

1.3.3 质量保证与质量控制(QA/QC) 为了保证质量，本试验利用野外空白、试验空白、空白加标和平行样等方式加强质量控制，并将回收率指示融入到每个分析样品中去，不仅使得所有样品的回收率达到77.2%，还要使空白PCB-67/191的回收率达到81.4%。报告检测限(RLs)依据标准曲线的最低浓度。总有机碳(TOC)的测定利用元素分析仪进行，在5 g地表水品中加入1 mol/L的HCl，并将之进行24 h的浸泡，同时将酸洗液通过离心分离掉，之后进行80 ℃条件下的烘干处理，之后将之放置在干燥器中，然后从中取出10～20 mg，最后测定TOC含量。

2 结果与分析

2.1 河南省农田土壤有机氯农药OCPs分布特征

通过对农田土壤OCPs的残留(表1)进行比较可以发现，农田土壤中的OCPs不管是在含量还是种类上都存在明显的不同。通过对几种主要的OCPs组分进行比较可以发现，在总氯丹残留量均值方面，水田与果园比较接近。在本研究中，在土壤OCPs残留方面，水田要比菜地的含量高，而DDTs占比最高，为34.71%。出现上述情形的原因主要分为2个方面：一是土地利用类型不同，适合种植不同的农作物，因此也造成了OCPs存在差异；二是该片区域当中三氯杀螨醇新的输入源的存在可能性较大。总有机氯农药类OCPs质量分数平均值为17.78 μg/kg；HCHs的平均值为26.09 μg/kg，检出率为100%；HCB的平均值和检出率分别为 16.13 μg/kg、100%；DDTs的检出率和平均值分别100%、3.54 μg/kg。此外，顺式九氯(CN)、反式九氯(TN)、顺式氯丹(CC)、反式氯丹(TC)的检出率均为 66.67%。此外，检出率仅为 33.33% 的只有β-硫丹(β-End)和α-硫丹(α-End)这2种物质。此外，检出率为0的主要有灭蚁灵(七氯化茚)、艾氏剂等其他物质。在总有机氯农药类中占比仅为0.21%、0.12% 的是氯丹(TC+CC)和硫丹(α-End+β-End)这2种物质。从上述结果得知，在历史上HCHs、HCB和DDTs曾经在河南省农田中使用，在总有机氯农药类OCPs物质中占比最高的是HCHs，为56.01%。由此可知，河南省农田土壤有机氯农药类OCPs物质污染的主要物质为HCHs，其26.09 μg/kg的很高残留量说明是较大的使用量导致的，且很少使用或者是没有使用灭蚁灵、艾氏剂等。氯丹类物质TT的平均含量为0.09 μg/kg、氯丹类物CC的平均含量为 0.08 μg/kg，很少有大于1.0 μg/kg的情况，而两者的检出率也比较低，分别为0.15%、0.06%。从化学结构上来看，氯丹的特点是降解难度高，属于高残留农药的一种。而从河南省农田土壤中实际存在的较低残留量的氯丹来看，氯丹在以往的使用并不多，且范围较小。结果显示当地的土壤因为使用的氯丹量很小而没有受到危害。

表1 河南省农田土壤有机氯农药OCPs含量

2.2 河南省农田土壤有机氯农药垂直方向残留状况

图1表示河南省农田土壤中OCPs垂直方向分布和残留状况。随着土层深度的增加，河南省农田土壤中OCPs农药也呈急剧下降趋势，这表明河南省农田中0～10 cm 的土壤表层集中了大部分的OCPs农药，具有非常明显的垂直分布的“表聚性”。通过对河南省不同类型农田土壤中OCPs平均含量分析发现，不同OCPs组分差异较大。水田的TC、CC、α-End、β-End、HCHs、HCB、TN和CN含量大于果园和菜地，在相同的土层中也是同样的结果。值得注意的是，在不同类型的农田土壤中，之间关系表现为不显著(P>0.05)的是CC和β-End。尤其是那些<1 mm的小团粒和微团粒中，集中了较多的土壤负电荷，广泛地存在于水田土壤的耕层当中，由此可见，水田土壤中的机械组成主要受到了OCPs高残留的较大影响。此外，由于水田土壤经常处于有利于累积有机质的嫌气环境，OCPs残留较多主要原因是在水田土壤之中存在着较多的有机质，这种有机质最大的特点就是对OCPs有很强的吸附性。

2.3 河南省农田土壤DDTs分布特征

表2显示，在土壤中之所以会检测出DDTs，有2个方面的原因导致：一是被DDT严重污染；二是长期暴露在空气中发生了风化。由表2可知，o，p′-DDT的占比为56.78%～63.58%，p，p′-DDT的占比为12.89%～18.27%，p，p′-DDD的占比为 8.14%～13.25%，p，p′-DDE的占比为0.98%～2.08%，o，p′-DDD的占比为1.89%～3.18%和o，p′-DDE的占比为8.24%～10.74%，p，p′-DDE、o，p′-DDT是河南省农田土壤中比例最低和最高的2种物质。占比最高的o，p′-DDT就是河南省农田土壤中DDT类污染物的主体物质。通常而言DDT在好氧和厌氧条件下会降解为2种物质：一种是DDE；另一种则为DDD。从研究中可以发现，通过在农田土壤的检测中发现了DDT、DDE以及DDD类化合物存在的情形可以推测，我国曾经大量使用过DDT，同时从这3种物质的含量来看，最多为DDE，最少为DDD，因为DDE是DDTs的主要转化产物，所以从DDD含量最少能够分析出本次研究中农田土壤的环境不是厌气环境，而是好气环境。

表2 河南省农田土壤DDTs分布特征

通过图2来对比(DDD+DDE)/DDT的值可以发现其在经过长期的生物、化学、物理等变化而使得DDT含量出现了变化，如果近期存在DDTs输入，则其比值小于1，即这个比值能够直接反映DDT的输入情况和具体的降解程度。从图2可以看出，河南省农田土壤中(DDD+DDE)/DDT的比值都在1以下，这表明河南省农田土壤的DDT基本没有降解，应该是残留汚染。值得注意的是，通过p，p′-DDT的检测值推测可能存在新的污染源。

2.4 河南省农田土壤HCHs分布特征

由表3可知，HCHs检出率为100%，而HCHs是由 22.51%～24.29%的α-HCH、47.32%～52.07%的β-HCH、14.49%～21.06%的γ-HCH和7.89%～11.35%的δ-HCH 构成。由此可以看出，β-HCH的平均含量是最高的，最低的为δ-HCH，而在这些物质当中，占比相对较高且潜在危害性很大的是α-HCH和β-HCH这2种。其中β-HCH 能够在环境中保存很久，这主要是因为它的降解难度最大，同时它的吸附性较强，最重要的是具有很强的致癌性。本次研究当中，占比较高是含量为47.32%～52.07%的β-HCH，由此可知在该环境中HCHs一直在发生变化，此外，土壤β-HCH来源之一有可能是大气沉降。

表3 河南省农田土壤HCHs分布特征

2.5 有机氯农药与养分之间的Pearson相关性分析

Pearson相关系数分析方法是本研究中采用的主要研究方法，旨在对河南省农田土壤中的总有机碳(TOC)和OCPs存在的关系进行分析。并在此基础上对OCPs含量和分布的影响因素中的TOC进行评估。分析结果(表4)显示，HCHs、HCB、OCPs与TOC之间的相关系数分别为0.923、0.890和0.889，这说明它们之间存在着极为显著的正相关关系(P<0.01)，α-End和β-End与TOC之间的相关系数是0.654、0.602，这说明它们之间存在着显著的正相关关系(P<0.05)，此外，分析结果还表明之间不存在显著关系(P>0.05)的是DDTs与TOC这2种物质。由上述分析可知，土壤中的TOC含量会对OCPs、HCHs、HCB含量产生较大的影响。分析结果表明DDTs与九氯(TN+CN)类农药、HCB与九氯(TN+CN)类农药、HCB和HCHs与DDTs、OCPs总含量与CHs、DDTs和HCB含量之间都存在明显的正相关关系。由此可以推断，不管是在输入来源方面，还是在分布机制上，九氯(TN+CN)类农药与土壤中的HCHs、HCB、DDTs、HCB、DDTs都可能一致。

3 讨论

OCPs的降解要通过一系列的物理及化学反应，在这一过程中诸多的环境因素会对之产生影响，同时土壤残留量还受到植被特征及生长环境、土壤特性、农药使用量等制约[8-9，17]；尽管我国早已禁用有机氯农药，但通过本研究发现，仍然能在河南省农田土壤中检测出有机氯农药残留：其中均检测到了HCHs、HCB和DDTs，三者高达残留总量的九成，α及β-硫丹、反式及顺式氯丹、反式及顺式九氯类农药亦有不同程度的检出，未检测出硫丹硫酸盐、狄氏剂、异狄氏剂、艾氏剂、七氯、外环氧七氯和甲氧滴滴涕，氯丹残留量约占2%，硫丹约占1%，这与OCPs本身特性有较大关系，如农药本身的扩散强弱、水溶性等。特性不同导致其对环境的影响效果也不同，七氯、艾氏剂等残留性弱，而DDT和狄氏剂则具有较长的残留性。试验表明河南农田土壤受HCHs、HCB和DDTs的影响较大，其中DDTs占比较高，是主要的农药污染之一；而狄氏剂、七氯等残留微乎其微。

表4 有机氯农药与养分之间的Pearson相关性分析

注：“**”相关性在0.01水平上显著(双尾)，“*”相关性在0.05水平上显著(双尾)。

在本次试验中，所有的样品均检测出了DDTs，检测值位于7.34～10.45 μg/kg之间，并达到了8.97 μg/kg的平均值，而一级土壤DDTs的标准限量为50 μg/kg[18-19]，说明未超过限值。HCB虽然具有持久污染性，但土壤样品中HCB含量较低，其残留量平均值为28.49 μg/kg，明显低于限值 50 μg/kg[20]。氯丹类物质检出率为66.67%，平均含量仅仅为0.23 μg/kg，说明土壤氯丹残留量并不高；硫丹检出率为33.33%，平均含量为0.15 μg/kg，说明历史上使用量并不大。

自DDTs禁止使用以来，土壤中的DDTs含量明显下降，随着时间的推移，目前土壤中的DDTs含量检测值已经处于较低水平，且主要的降解产物为DDD和DDE。因此，该残留性常用(DDD+DDE)/DDT来表示，假如该比值在1以下，意味着该地区历史上曾经不同程度地使用过DDTs。对河南省的农田土壤样品研究发现，该比值低于1，说明该区域的农田土壤依然受到了DDTs残留污染，更说明历史上该区域曾经较大范围使用过该种有机农药，其产生的长久污染残留至今未能完全消除。一般情况下，α-HCH/γ-HCH的比值用来表示HCH的污染性，其正常比值范围在4～7间，一旦比值超出这个范围，则表明环境变化对HCH产生了较明显的影响；通过研究发现，河南省农田土壤研究样品中该比值低于4，意味着土壤HCH受到了明显的环境变化因素影响。另外，分析发现菜地和水田土壤的α-HCH/γ-HCH比值均在1以下，表明对菜地和水田土壤而言，其HCH同系物之间已经产生了相互的转化，土壤中的γ-HCH残留相对较多，除了历史使用量的影响之外，菜地和水田土壤HCHs还可能有新的使用途径残留。HCH最主要来源于林丹，林丹依然在作为杀虫剂的一种成分，且其拥有高达99%的γ-HCH含量，就本研究果园土壤而言，γ-HCH污染源可能来自林丹；另外，就HCH的4种异构体含量而言，占比较高的是β-HCH，这意味着在长期的降解之下，β-HCH含量并没有相应减少，这主要与其特性有较大关系。

本研究采用Pearson分析法对数据相关性进行了分析，从中不难看出，TOC在0.01的显著性水平下与HCHs、HCB、OCPs存在明显的正相关关系，说明紧密度高且变化趋势相同，更表明其对三者含量产生的影响较大，同时很大程度上决定着OCPs含量；其与α-End、β-End在0.05的显著性水平下具有明显的正相关关系；与DDTs的关系微乎其微。

4 结论

(1)就河南省农田土壤有机氯农药残留而言，约99%的含量是HCHs、DDTs和HCB，其中HCHs占比最高，带来的污染较大，总体来说其DDTs含量在国家标准限值之下，表明总体污染程度不高。

(2)就河南省农田土壤而言，其氯丹、九氯、硫丹的残留量并不高，且低于限值，表明其残留性较弱，目前并没有对土壤造成显著的损害，而狄氏剂、七氯、灭蚁灵等残留量更是微乎其微，说明土壤受其影响可以忽略不计。

(3)河南农田土壤中OCPs农药残留具有显著的垂直分布特性：各指标与土层深度的变化具有显著的负相关关系，因土层的深度增加而表现出含量的显著降低，且降低幅度因土层的垂直深度增加而加大；不同OCPs分组具有较大不同，具体表现为水田最为明显，其次是果园，而菜地土壤表现最不明显。

(4)河南农田土壤DDTs含量大小具体如下：o，p′-DDT>p，p′-DDT>p，p′-DDD，o，p′-DDT占比较高；HCH平均值大小具体如下：β-HCH>γ-HCH>α-HCH>δ-HCH，通过研究发现α-HCH和β-HCH的残留持久性更强，α-HCH/γ-HCH比值在1之下，HCH同系物间的相互转化已经产生了，土壤中的γ-HCH残留相对较多。

(5)Pearson分析结果显示，TOC在0.01的显著性水平下与HCHs、HCB、OCPs存在明显的正相关关系，说明紧密度高且变化趋势相同，更表明其对三者含量产生的影响较大，同时很大程度上决定着OCPs含量；其与α-End、β-End在0.05的显著性水平下具有明显的正相关关系。