北京市农田土壤中有机氯农药残留的空间分析

中国农业科学2006,39(7):1403-1410ScientiaAgriculturaSinica收稿日期：2006-01-18；接受日期：2006-03-21基金项目：国家自然科学基金项目（40201023）、长江学者和创新团队发展计划（IRT0412）资助作者简介：张红艳（1970-），女，山东济宁人，讲师，博士研究生，研究方向为农药残留与环境毒理。通讯作者黄元仿（1968-），男，湖北仙桃人，教授，研究方向为土壤水分、养分模型与水土资源管理。Tel:[phone];E-mail:[e-mail]北京市农田土壤中有机氯农药残留的空间分析张红艳1，高如泰2，江树人1，黄元仿3（1中国农业大学理学院，北京100094；2河北农业大学资源与环境学院，保定071001；3中国农业大学资源与环境学院，北京100094）摘要：【目的】通过在北京平原区农田采取的131个表层土壤样品的化验分析，研究土壤中有机氯农药六六六（HCH）和滴滴涕（DDT）残留总量及异构体、代谢物含量的空间变异特征。【方法】样品测定结果采用传统统计分析，半方差结构和模型拟合的地统计分析以及结合普通Kriging和反比距离插值方法进行分析。【结果】传统统计分析表明，土壤中残留HCH和DDT的异构体、代谢物及总量均服从对数正态分布，并全部属于强变异。基于半方差结构和模型拟合的地统计分析，γ-HCH、δ-HCH和HCH总量没有空间变异结构方差，而其它农药含量存在空间变异结构方差、且可分别用指数模型或高斯模型拟合。模型拟合的结果看出α-HCH、DDT总量及其异构体以较大范围的变异为主（变程大于18km），而β-HCH的变程只是2.73km。趋势分析表明DDT的异构体、代谢物及总量都存在明显的趋势效应，而HCH及其异构体中只有β-HCH和γ-HCH略有趋势效应。结合普通Kriging和反比距离插值方法，获得了土壤有机氯农药残留含量的等值线图，并分析了其空间分布规律。【结论】所有土壤样本中的六六六含量和85%的土壤样本的滴滴涕农药含量均达到国家《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)一级标准（0.05mg·kg-1），残留污染较轻。关键词：土壤；有机氯；农药残留；空间分析SpatialVariabilityofOrganochlorinePesticides(DDTsandHCHs)inSurfaceSoilsofFarmlandinBeijing,ChinaZHANGHong-yan1,GAORu-tai2,JIANGShu-ren1,HUANGYuan-fang3(1CollegeofScience,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094；2CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071001；3CollegeofResourcesandEnvironment,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094)Abstract:【Objective】Thespatialvariationcharacteristicsof1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane(HCH)，1,1,1-trichloro-2,2-bis(p-chlorophenyl)ethane(DDT)andtheirisomersandmetabolitesconcentrationinsurfacesoilsoffarmlandwerestudiedbasedonthesurveyof131samplingpointsofBeijingplainarea.【Method】Datawereanalyzedwiththetraditionalstatisticalanalysismethod,thegeo-statisticalanalysiswithsemivariogramstructureandmodelfitting,theordinaryKrigingandtheinversedistanceweightingmethod.【Result】ThetraditionalstatisticalanalysisindicatedthatsoilresiduesoftotalHCH,totalDDTandtheirisomersandmetaboliteswerelognormaldistribution,thecoefficientsofthevariationofalltheobserveditemsbelongedtothestrongdegree.Accordingtothegeo-statisticalanalysiswithsemivariogramstructureandmodelfitting,thesoilresiduesofγ-HCH,δ-HCHandthetotalHCHhadnospatialvariationstructure,whileotherisomers,metabolitesandtotalDDThadspacevariationstructureandvariancesmayfittheexponentialmodelortheGaussianmodel,separately.Thevariationrangesofα-HCH,thetotalDDTanditsisomerswerelargerthan18km,whichwasrelativelyhighercomparedto2.73kmforβ-HCH.ThetrendanalysisindicatedthatalltheDDTisomers,metabolitesandthetotalDDThadtheobvioustendencyeffect.ButforHCH,onlyisomersβ-HCHandγ-HCHhadaslighttendencyeffect.ThecontourmapsoforganochlorinepesticideresidueswereobtainedusingtheOrdinaryKrigingandtheInverseDistanceWeightingMethod.Basedonthosemaps,thespatialdistributionoforganochlorine1404中国农业科学39卷pesticideresidueswasanalyzed.【Conclusion】TheresultsindicatedthatHCHconcentrationinall131soilsamplesandDDTconcentrationin85%ofsoilsampleswerelowerthan0.05mg·kg-1,andreachedthefirstlevelofChina’sSoilEnvironmentQualityStandard(GB15618-1995).TheorganochlorinepesticidespollutionwasgenerallyslightinfarmlandsoilofBeijingplainarea.KeyWords:Soil;Organochlorinepesticide;Pesticideresidues;Spatialanalysis0引言【本研究的重要意义】有机氯杀虫剂如滴滴涕（DDT）和六六六（HCH）是农业生产上应用最早的有机合成农药，曾在农林害虫防治等方面发挥过重大作用。但由于其降解缓慢，应用后会造成严重的环境污染。虽然这些农药自20世纪80年代初期就被全面禁止使用，但至今在农业环境特别是土壤中仍可检测到滴滴涕和六六六的残留[1～8]。【前人研究进展】由于农药施用方式和土壤理化性质及自然环境的差异，区域尺度上土壤中DDT和HCH的残留存在着空间差异。孙威江等[9]研究了茶园土壤中DDT和HCH残留与海拔高度和土壤深度的相关关系；龚钟明等[2]对天津市郊农田尺度的土壤有机氯农药残留进行了分析，得到DDT和HCH的含量均存在显著的空间变异性。Zhu等[8]对北京市近郊土壤中的有机氯农药的空间分布进行了研究。地统计学方法是一种最优的空间插值方法，已被广泛地应用到具有区域化变量特征的土壤学、环境科学和生态学等领域[10～12]。【本研究的切入点】关于有机氯农药残留的空间分布研究都是小尺度范围的研究，但在较大的空间尺度上用地统计学方法研究有机氯农药在土壤中残留的空间变异进行全面、系统的分析在国内外还鲜见报道。【拟解决的关键问题】本文拟以北京市平原地区农田土壤为研究对象，采用地统计学的方法对其耕层土壤的DDT和HCH及其异构体、代谢物的含量的空间分布特征进行分析，旨在对北京地区农田土壤中的有机氯农药的残留现状进行调查、分析，以期为合理调整农业生产结构，改善土壤环境，保障农产品安全提供参考。1研究区概况和试验方案1.1研究区概况、样点布置及采样方案北京市的平原地区位于华北平原西北边缘，总面积为6808.97km2，海拔20～60m，属暖温带半湿润大陆性季风气候，全年平均气温10～12℃，年均降雨量600mm，土壤类型以褐土和潮土为主。取样采用GPS定位，采样点的设置主要考虑了土地利用类型和土壤类型的代表性，并兼顾了历史上有机氯农药使用的区域特点，同时尽可能与本地区的农业结构调整相结合，增加优势农产品生产区域的土壤采样点。在北京平原地区的农田布设131个样点，覆盖整个北京市区和12个郊县（图1，图中阴影部分为北京平原地区，即本文的研究区域）。所有样品在2003年9月至11月完成田间取样，在每个样点周围约10m2的地块上，用土钻采集5个表层土样（0～20cm），合并为一个混合样本。在每个样点取样范围的中心位置，用手持式GPS记录该取样点的经纬度。图1土壤样点分布图Fig.1Soilsamplinglocations1.2分析项目和测定方法分析项目：土壤样品中HCH的异构体α-HCH、β-HCH、γ-HCH、δ-HCH和DDT的代谢物、异构体p,p'-DDE、o,p'-DDT、p,p'-DDD、p,p'-DDT等8种有机氯农药的含量。测定方法：土壤样品取回后自然风干，研磨并过1mm筛，分析前于4℃条件保存。土壤样品中六六六、DDT的残留测定方法参照了农药残留国家标准“食品中六六六、DDT残留量的测定方法”（GB/T5009.19-1996）[13]。称取风干土壤样品10.0g于250ml具塞三角瓶中，加入1ml去离子水充分摇匀，加入10～15ml丙酮，在振荡器上振荡提取30min，抽滤，滤液转移到100ml分液漏斗中，加入20ml硫酸钠溶液（20g·L-1），用20ml石油醚液液分配，弃去下层水溶液。石油醚相过无水硫酸钠漏斗于250ml鸡心瓶km7期张红艳等：北京市农田土壤中有机氯农药残留的空间分析1405中，旋转蒸发仪浓缩近干，用石油醚转移到10ml具塞试管中并定容至10ml。加入1ml浓硫酸，旋涡振荡1min，于1600r/min离心15min，取上清液，待分析。样品采用HP-4890气相色谱仪（ECD）测定，色谱条件如下：30m×0.25mm×0.25µm（液膜厚）Equity-5石英毛细管柱，载气（N2）流速1ml·min-1，辅助气（N2）30ml·min-1，进样口、检测器温度均为280℃。柱温120℃保持1min，以20℃·min-1程序升温至180℃，保持5min，以10℃·min-1程序升温至230℃，保持10min，以20℃·min-1程序升温至260℃，保持5min。采用不分流进样方式，开阀分流时间0.7min，进样量1μl。对所测化合物采用农药标准样品的保留时间进行定性，外标法峰面积进行定量。按照前述方法进行提取、净化和测定。该方法的各异构体、代谢物