农药:历史给我们的教训

Encyclopédie environnement -pesticides - couverture
环境百科全书-农药-圣安德烈湖和葡萄园
图1. 圣安德烈湖和周围的葡萄园(2009年)。水深图(用等高线表示深度的杜拉克海底的地形图)显示了采样点(SAN11P2)位于湖泊最深(地图上最暗)的区域。[图片来源:改编自Sabatier等人[2]] (Paris 巴黎;Grenoble 格勒诺布尔;Chambery 尚贝里;Lake Saint André watershed 圣安德烈湖集水区;Lake 湖泊;Outlet 出水口;Vineyard in 2009 2009年的葡萄园;Building 建筑物;Main road 主要道路;Side road 辅路)

  通过对一个阿尔卑斯湖泊涵盖了约100年的沉积物的分析,我们可以追溯萨瓦葡萄酒盆地中使用除草剂,杀菌剂,农药和各种处理方法的历史。这使得精准追溯化学药品从出现到正式被禁用的使用历史成为可能。这项研究表明,使用草甘膦等除草剂去除覆盖植被加速了葡萄园的土壤侵蚀,并导致滴滴涕(DDT)等禁用农药的释放。在被禁用和停用之后,这些农药在葡萄园的土壤中还残留了多年。这些结果表明,作为评估农药生态毒理学风险的关键,农药在环境中的残留动态必须考虑到影响农药残留未来潜在的环境干扰。

环境百科全书-农药-葡萄藤
图2. 圣安德烈湖集水区的葡萄藤。这些葡萄藤在整个20世纪均经过处理。[图片来源:© Pierre Sabatier]

  法国是欧洲最大的农药消费国。葡萄种植能表征其这一地位,其种植面积只占全国农业用地的3%,但所消耗的农药约占市场销售的15%[1]。因此,对上世纪农业中使用农药所造成的长期影响提出质疑是合乎逻辑的,例如其对环境和生态系统的影响。目前,很少有研究能解决这个问题,主要是由于缺少现场测量时滞。一种基于环境回溯观测的方法使得填补这一空白成为可能:过去一个世纪来,湖泊沉积物岩芯已被用于重现萨瓦葡萄园地块上(图1和2)施用的农药的迁移动力学[2]。

1. 圣安德烈湖(萨瓦省)沉积物分析

环境百科全书-农药-铯-137的分布
图3. 1920年以来,圣安德烈湖沉积物中铯-137(137Cs)的分布。沉积物的估计年龄(粉色箭头)使确定137Cs的两峰值的时间成为可能。最重要的峰值对应于核试验造成的大气中137Cs的存在(1955年首次放射性沉降物出现和1963年在大气中观测到的137Cs最大值)。137Cs已逐渐沉积在地球各地(大部分在北半球)。这些数据与241Am(镅,红色)的存在有关,这是核试验后241Pu(钚)衰变产生的元素。最近,在切尔诺贝利灾难(1986年)之后,湖泊沉积物中发现了137Cs含量显著但短暂的增加。[图片来源: 改编自Sabatier等人(参见参考文献[2])] (Tchernobyl(1986) 切尔诺贝利(1986年);Nuclear weapons tests (maximum production:1963) 核武器试验(最大产量:1963年))

  2011年,从圣安德烈湖采集了沉积物岩芯(尚贝里以南10公里,见图1)。这些岩芯随后成为了结合沉积学和地球化学分析的多示踪研究的对象。通过这些分析,不仅可以确定导致湖泊沉积充填的不同来源,还可以测量农药中金属微量元素(铜,铅等),有机分子及活性物质的含量。在所有被测的农药分子中,主要有十二种农药引起了研究人员的注意。根据它们在葡萄园中喷洒的年份,人们发现它们被不同程度地深埋。这些农药分为三大类,分别对应三种除草剂,五种杀菌剂和四种杀虫剂。同时,可以使用具有短衰变周期的放射性元素进行沉积物定年,以获得涵盖上个世纪的时间尺度。天然放射性元素(如210Pb的半衰期为22.3年),以及与切尔诺贝利事故(1986)[3]或大多数的核试验(1963)[4]产生的沉降物有关的人工放射性元素(如137Cs),都得以测量(图3)。因此,所研究岩芯的前45厘米可定年,并涵盖了近120年的时间,其中包括沉积速率在20世纪70年代和90年代的两次突变,表明这两个时期来自流域的陆源物质(来自周围土壤的物质)的输入量增加了一倍。一旦年代学建立,研究不同时期在处理葡萄树时使用的不同农药将成为可能。

2. 波尔多液和其他杀菌剂

环境百科全书-农药-杀菌剂分布
图4. 自1880年以来,杀菌剂在圣安德烈湖沉积物中的分布。波尔多液和代森锰锌的组成分别以铜和锌为主。通过与流域天然存在的沉积物中铷的含量比较,来估算它们的量。我们可以看到,波尔多液的用量在第二次世界大战后急剧增加。右图显示了合成杀菌剂的分布情况,可以根据培养实验,监测克沉积物中菌丹、烯酰吗啉和嘧霉胺的相继出现。[图片来源:改编自Sabatier等人(参见参考文献[2])] (Fungicide 杀菌剂;Bordeaux mixture 波尔多液;Mancozeb 代森锰锌;Captan 克菌丹;Dimethomorph 烯酰吗啉;Pyrimethanil 嘧霉胺)

  最早使用并被认定的农药是19世纪末在波尔多发明的波尔多液,由硫酸铜和石灰的混合物组成。它出现在20世纪初的记载中,并在第二次世界大战结束时用量剧增(图4)。它是一种强力杀菌剂,可用于控制如白粉病和霜霉病等葡萄树病害。用于控制相同病害的其它杀菌剂,如后来农药公司引入的克菌丹和烯酰吗啉,分别在20世纪50年代和90年代被鉴定,并且随时间推移相继被发现(图4)。一些杀菌剂被用于制酒葡萄种植过程,以防治一些少见的疾病(如黑腐病),例如20世纪60年代引入的代森锰锌(含锌),以及从20世纪90年代起出现的防治灰腐病的嘧霉胺。因此,杀菌剂出现和消失的时间受到历史的限制,并且与沉积物岩芯测量的重现结果完全一致,这些杀菌剂的使用都得以通过萨维尔葡萄园的实践史得到验证。

3. 除草剂

  对于除草剂,随着时间的推移,有三种除草剂可以被识别和量化(图5)。首先,在20世纪60年代,阿特拉津降解产物在沉积物中积累。这种强力的除草剂在20世纪50年代末使用,并于2003年被禁止。20世纪90年代,随着对其代谢物氨甲基膦酸AMPA的鉴定,阿特拉津被草甘膦替代。它在地表沉积物中被发现。草甘膦是孟山都公司的Roundup®中的活性成分,目前仍允许在农业中使用,但争议很大。它被用作出苗后的非选择性除草剂,自20世纪90年代以来广泛销售,且它对根除生长在藤蔓行之间的草效果显著,能使土壤裸露。最后,在过去的10年中,吡氟酰草胺(20世纪90年代引入)一直存在于湖泊沉积物中[2]

4. 杀虫剂

环境百科全书-农药-除草剂影响
图5. 除草剂使用对圣安德鲁湖沉积物性质的影响。可怕的残留物(来自湖泊周围葡萄园的土壤)在20世纪70年代显著增加,1990年后再次增加。第一阶段(A/B界面)可能是阿特拉津的使用和机械化增加的共同结果。第二阶段(B/C界面)与草甘膦的施用直接相关(草甘膦的降解产物为AMPA;浅蓝:检出限)。生长在葡萄树周围的植物被除草剂破坏,这使得裸露的土壤非常容易受到侵蚀。DDT(和DDE,一种在好氧条件下形成的降解产物)是一种自1972年起被禁止使用的杀虫剂,其使用量在20世纪90年代中期显著增加。陆源产物和DDT衍生物积累量的增加最可能是由于风暴期间杂草和裸地土壤的淋溶。DDE/DDT比值高的原因是DDT在使用很长时间后被降解为DDE,因此它从缺少植被的易侵蚀土壤中释放出来。[图片来源:改编自Sabatier等人(见参考文献[2])] (AMPA 氨甲基膦酸;Terrigenous flux 陆源通量;New source 新来源;Banning 禁用;Introduction 引入;Mechanisation 机械化;Atrazin degradation products 阿特拉津降解产物;Total of DDT-derived products 总DDT衍生物的量)

  在圣安德鲁湖的沉积物中还发现了四种主要用于防控农作物虫害的杀虫剂。 因此,根据引入和禁用这些杀虫剂的年限,可以强调不同分子(三氯杀螨醇,溴螨酯和联苯菊酯)随时间的演替(图5)。这一点已通过对葡萄种植者进行的调查得到证实。DDT(二氯二苯三氯乙烷)是一种强效杀虫剂,第二次世界大战后首次用于农业,在那个时期的湖泊沉积物中也发现了DDT,在1972年法国将其禁用之前,其浓度在20世纪70年代达到第一个峰值。由于DDT在环境中的高度持久性,其进入湖泊数量虽然减少,但不会消失。 DDT被认为是剧毒的且在环境中非常稳定,1972年由于健康原因被禁用。但令人惊讶的是,在被禁用20多年后出现在沉积物中的DDT的第二个峰值明显高于第一个峰值。为什么DDT在20世纪80年代沉积物中减少之后,在新近沉积物中的浓度却仍然很高?通过观察DDT [5]的代谢物,即DDE(好氧形成的产物)和DDD(厌氧形成的产物),可以强调自20世纪90年代以来发现的这种DDT新源的来源。它实际上是DDT早已存在于环境中,在有氧条件下部分降解,并从那时起重新活化;并非新引入环境。

  因此,最可能的假设是,20世纪70年代(阿特拉津)和20世纪90年代(草甘膦)时,葡萄园中除草剂的大量使用,导致裸露土壤的土壤侵蚀增加,因此在降雨期间,特别是暴风雨期间土壤容易被侵蚀。这些种植制酒葡萄的土壤真实地记载了过去。这些土壤中含有大量的杀虫剂,尤其是在环境中非常稳定的DDT。由于使用除草剂,葡萄藤蔓行之间的植被消失而导致的土壤侵蚀过程使DDT得以重新活化。土壤侵蚀的增加还导致了大量泥沙被输送并沉积在湖中,从而解释了观测到的沉积速率的增加,但也造成葡萄种植者的土地大量流失。20世纪70年代侵蚀的首次增加也与该时期以后葡萄种植机械化的显著提高有关。

5. 未来的环境档案

  自20世纪50年代以来,法国的农业模式建立在以大量使用植保产品的基础上,成为世界上第三大农药消费国[1]。如今,大规模污染对专业用户的影响已为人所知,但农药的长期污染或农药混合物暴露的影响尚不清楚。这项研究表明,在被禁用后很长时间内,这些农药分子还存在于我们的环境中,它们的累积或再活化取决于农业生产方式。即使在今天,一些被禁用40多年的剧毒农药(如DDT)仍然存在于我们的环境中并可能再现,使我们质疑对植保产品日益增加的使用。但是,近年来,在农业协会的鼓励下,一排排葡萄藤的植草,显著减少了用湖泊沉积物重建的葡萄园土壤的侵蚀。在未来几年中,仍然基于溯源观测,通过分析沉积物中保存的化石DNA,将重点了解这些农药对湖泊中存在的生物(鱼类,浮游动物,底栖大型动物群)和流域中存在的生物的影响。

  因此,通过这项研究,关于农药使用的沉积编年史的实施可能将首次启动,这已被葡萄藤连续使用的农药的引入和禁用时期的演替史所证实。它还表明了考虑农药长期影响的重要性和必要性,以便更好地评估与使用农药有关的生态毒理风险,特别是在环境变化的条件下。最后,DDT、草甘膦和其它农药已经且仍在全球范围内大多数工厂化农业中使用,本文重点介绍的方法能否推广到法国和世界的其他地区,以及应用到其它类型的作物上,值得我们深思。

 


参考资料及说明

封面图片:适于在藤蔓中散播的散布机 [来源:Karl Bauer own work (Original text: eigenes Foto) [CC BY 3.0 at], via Wikimedia Commons ]

[1] Source INRA (2006 data, page 11): http://agriculture.gouv.fr/IMG/pdf/V3TAPButault7a26.pdf

[2] Sabatier P. et al. (2014) Long-term relationships among pesticide applications, mobility, and soil erosion in a vineyard watershed. PNAS 111, 15647-15652.

[3] http://www.irsn.fr/FR/Larecherche/publications-documentation/fiches-radionucleides/Documents/environnement/Cesium_Cs137_V4.pdf

[4] Robbins J. & Edgington D. (1975) Determination of recent sedimentation rates in Lake Michigan using Pb-210 and Cs-137. Geochim Cosmochim Acta 39:285-304.

[5] Aislabie J.M., Richards N.K. & Boul H.L. (1997) Microbial degradation of DDT and its residues – a review. New Zeal J AgrRes 40:269-282.


译者:陶鸣鸣          编审:崔岩山教授          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: SABATIER Pierre, POULENARD Jérôme, ARNAUD Fabien (2021), 农药:历史给我们的教训, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/%e5%86%9c%e8%8d%af%ef%bc%9a%e5%8e%86%e5%8f%b2%e7%bb%99%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e6%95%99%e8%ae%ad/.

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