劉紀松，胡存中，陸凡，施海燕，王鳴華*

1. 南京農業(yè)大學植物保護學院，江蘇 南京 210095；2. 江蘇蘇科農化有限責任公司，江蘇 南京 210014

呋蟲胺在土壤中的降解及移動性研究

劉紀松1，胡存中2，陸凡2，施海燕1，王鳴華1*

1. 南京農業(yè)大學植物保護學院，江蘇 南京 210095；2. 江蘇蘇科農化有限責任公司，江蘇 南京 210014

摘要：呋蟲胺的大量使用會引起土壤和地下水污染、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，研究呋蟲胺在土壤中的降解特性和移動性，對呋蟲胺環(huán)境安全性評價具有重要意義。采用室內模擬試驗，研究了呋蟲胺在3種不同類型土壤中的降解和移動性以及土壤中不同因子對呋蟲胺降解的影響。結果表明，呋蟲胺在不同類型土壤降解的順序依次為：南京黃棕壤>東北黑土>江西紅壤，半衰期分別為35.2、92.4、154.0 d。呋蟲胺在南京黃棕壤中屬于中等降解，在江西紅壤和東北黑土中均屬于較難降解。土壤濕度越大，呋蟲胺降解越快，當土壤濕度為飽和含水量80%時，會對微生物生長產生抑制作用，降解速率減慢。微生物和有機質在土壤降解過程中起著重要的作用，微生物和有機質存在的條件下呋蟲胺土壤降解分別加快2.1和6.2倍。薄層層析試驗表明，呋蟲胺在南京黃棕壤、江西紅壤與東北黑土的Rf值分別為0.77、0.87和0.55，呋蟲胺在南京黃棕壤和江西紅壤中屬于可移動，在東北黑土中屬于中等移動。土柱淋溶試驗結果顯示，呋蟲胺在南京黃棕壤和江西紅壤淋出液中含量為總量的37.4%和65.0%，呋蟲胺在東北黑土中主要集中在10.0～30.0 cm處。研究表明表明呋蟲胺對地下水污染存在潛在風險性，應引起足夠重視。

關鍵詞：呋蟲胺；土壤降解；移動；淋溶

引用格式：劉紀松，胡存中，陸凡，施海燕，王鳴華. 呋蟲胺在土壤中的降解及移動性研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(6): 1063-1068.

LIU Jisong, HU Cunzhong, LU Fan, SHI Haiyan, WANG Minghua. Studies on the Degradation and Mobility of Dinotefuran in Soil [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(6): 1063-1068.

農藥會通過各種方式進入到土壤中，這些殘存在土壤中的污染物會對環(huán)境造成一定的影響。農藥可以在土壤中發(fā)生降解、淋溶、光解等行為，是農藥環(huán)境行為的重要組成部分（方曉航和仇榮亮，2002）。農藥在土壤中的降解與土壤pH值、土壤類型、土壤溫濕度及土壤微生物等環(huán)境因子密切相關（Dively和Kamel，2012；張亦冰，2003）。

呋蟲胺（dinotefuran）是新一代煙堿類殺蟲劑（結構式見圖1），由于生物活性高，持效期長，殺蟲譜廣，對動植物安全，廣泛應用于水稻、小麥、果樹、蔬菜等多種作物（Gross，2013）。但呋蟲胺的過度使用對蜜蜂健康存在諸多的危害（Dively和Kamel，2012），呋蟲胺在一些地下水、沉積物中也檢測到很高的殘留量（張亦冰，2003；Kurwadkar等，2013），從而引起的環(huán)境污染逐漸受到公眾的關注。呋蟲胺的檢測方法在國內外已有較多的研究（Hem等，2012；侯如燕等，2011），但關于呋蟲胺在土壤中的降解及其移動性研究尚未見報道。本研究通過室內模擬實驗，研究了呋蟲胺的土壤環(huán)境行為，探究其在土壤中的降解、遷移和淋溶特性，為呋蟲胺的環(huán)境安全性評價以及合理使用提供科學依據(jù)。

圖1　呋蟲胺化學結構式Fig. 1 Chemical structure of dinotefuran

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

儀器：Agilent 1260高效液相色譜儀（UV檢測器，美國Agilent科技有限公司）；HWS智能恒溫培養(yǎng)箱（寧波江南儀器廠）；BS-110S型電子天平（北京塞多利斯天平有限公司）；TH-3560全自動高壓滅菌鍋（造鑫企業(yè)有限公司）；R-3旋轉蒸發(fā)器（瑞士Buchi公司）；CQ25-12D超聲波清洗機（寧波江南儀器廠）；TDL-40B臺式離心機（上海安亭儀器有限公司）；Vortex Genius 3快速混勻器（德國IKA公司）。

試劑：呋蟲胺標準品（質量分數(shù)99.6%，上海市農藥研究所）；色譜甲醇（美國TEDIA試劑公司）；乙腈（分析純，天津科密歐化學試劑有限公司）；十二烷基磺酸鈉、無水硫酸鎂、無水硫酸鈉、氯化鈉（均為分析純，廣東西隴化工股份有限公司）。

供試土壤：采集我國有代表性的土壤，東北黑土、江西紅壤、南京黃棕壤，3種土壤均為農田耕層土壤，土壤樣品的理化性質見表1。

1.2分析條件

1.2.1HPLC分析條件

色譜柱：Eclipse Plus C18（4.6 mm×250 mm×5 μm）。流動相：V(甲醇)∶V(水)=20∶80。流速：1.0 mL·min-1。檢測波長：270 nm。柱溫：30 ℃。進樣量：20 μL。在此條件下，呋蟲胺保留時間為7.3 min。呋蟲胺標樣液相色譜圖見圖2。

圖2　呋蟲胺標樣色譜圖(0.5 mg?L-1)Fig. 2 The chromatogram of dinotefuran (0.5 mg·L-1)

用色譜V(甲醇)∶V(水)=20∶80將呋蟲胺標準母液（甲醇溶液，1000 mg·L-1）梯度稀釋配制成質量濃度分別為0.05、0.1、0.2、1.0、2.0和10.0 mg·L-1的呋蟲胺標準溶液，在上述HPLC條件下進行測定，以呋蟲胺峰面積為縱坐標（Y），呋蟲胺質量濃度為橫坐標（X）繪制標準曲線，線性回歸方程為Y=86.152X-0.5125（r2=0.9999）。

表1　供試土壤的理化性質Table 1 The physico-chemical properties of the tested soils

1.2.2樣品中呋蟲胺的提取

水樣：取待測水樣，過0.22 μm濾膜，HPLC測定樣品中呋蟲胺含量。

土壤樣品：稱取20.0 g土壤于100 mL離心管中，加入5 mL水和50 mL乙腈，渦旋3 min，超聲波提取10 min，加入2 g NaCl和4 g無水硫酸鎂，渦旋1 min，以4000 rad離心5 min，取25 mL上清液，過無水硫酸鈉干燥，旋轉濃縮近干，2 mL V(甲醇)∶V(水)=20∶80溶解定容，過0.22 μm濾膜，HPLC測定樣品中呋蟲胺含量。

在空白水樣中添加呋蟲胺標樣使其添加濃度為0.05、0.2、1.0 mg·kg-1，回收率為98.37%～100.57%，相對標準偏差為0.12%～0.19%；在空白土壤樣品中添加呋蟲胺標樣使其添加濃度為0.05、0.2、1.0 mg·kg-1，回收率為83.29%～92.15%，相對標準偏差為0.29%～0.92%。方法的準確度和精確度均符合檢測要求。

1.3呋蟲胺土壤降解試驗

1.3.1土壤樣品制備

準確稱量50 g風干后過篩的土壤，加入適量的呋蟲胺丙酮溶液，混合均勻，使土壤中呋蟲胺的濃度約為20 mg·kg-1。置于通風櫥中過夜，待有機溶劑揮發(fā)盡時，將已添加農藥的土壤與空白土壤按照1∶1的質量比混合均勻。此時，呋蟲胺在土壤中的濃度約為10 mg·kg-1。再次將已添加約為10 mg·kg-1呋蟲胺農藥的土壤與空白土壤按照1∶1的質量比混合均勻。此時，呋蟲胺在土壤中的濃度約為5 mg·kg-1。

1.3.2呋蟲胺在土壤中的降解

分別稱取200 g呋蟲胺初始濃度為5 mg·kg-1的東北黑土、江西紅壤和南京黃棕壤于250 mL錐形瓶中，加入蒸餾水，調節(jié)土壤含水量至飽和持水量的60%，用棉塞塞緊瓶口，置于(25±2) ℃恒溫培養(yǎng)箱內黑暗培養(yǎng)，定期補充水分。于培養(yǎng)后2 h、7、14、21、28、42、56、70、84 d取樣，檢測土壤中呋蟲胺的濃度。每個處理設3次重復。

1.3.3土壤含水量對呋蟲胺降解的影響

分別稱取200 g呋蟲胺初始濃度為5 mg·kg-1的南京黃棕壤于250 mL錐形瓶中，加入蒸餾水，調節(jié)土壤含水量至飽和持水量的20%，40%，60%和80%，用棉塞塞緊瓶口，置于(25±2) ℃恒溫培養(yǎng)箱內黑暗培養(yǎng)。定期補充水分。于培養(yǎng)后2 h、7、14、21、28、42、56、70、84 d取樣，檢測土壤中呋蟲胺的濃度。每個處理設3次重復。

1.3.4呋蟲胺在滅菌條件和去除有機質（滅菌）土壤中的降解

滅菌土樣的制備：稱取一定量的風干后過篩的南京土樣置于高壓滅菌鍋內，在121 ℃，1.1 atm條件下，滅菌30 min，然后將土樣放入恒溫箱內培養(yǎng)過夜，在以后兩天再重復滅菌2次（Wang等，2014）。

去除有機質（滅菌）土壤的制備：稱取適量的南京黃棕壤于1000 mL燒杯中，加少量蒸餾水潤濕土壤樣品，放置片刻后，加入30% H2O2溶液50 mL，不斷用玻璃棒攪拌，以加速氧化。當H2O2強烈氧化土壤有機質時產生大量氣泡時，應及時攪拌消除。稍冷后補加H2O2直至有機質全部氧化。于50 ℃烘干，重新過20目篩（彭杰等，2006）。除去有機質的土壤進行滅菌處理。

滅菌和去除有機質以后的土樣分別按照1.3.1所示方法添加呋蟲胺，使呋蟲胺在土壤中的初始濃度為5 mg·kg-1。分別稱取200 g兩種土樣于250 mL錐形瓶中，加入蒸餾水，調節(jié)土壤含水量至飽和持水量的60%，置于(25±2) ℃恒溫培養(yǎng)箱內黑暗培養(yǎng)。定期補充水分，定期取樣檢測呋蟲胺的含量。與此同時，用未處理的南京黃棕壤作為對照，于培養(yǎng)后2 h、7、14、21、28、42、56、70、84 d取樣，檢測土壤中呋蟲胺的濃度。每個處理設3次重復。

1.4呋蟲胺土壤移動性測定

稱取經(jīng)風干、研磨、過篩（60目）的南京黃棕壤、江西紅壤、東北黑土12.0 g于燒杯中加水（10 mL）攪拌，直至成均勻的泥漿狀，用玻璃棒將泥漿均勻涂布于7 cm×20 cm玻璃層析板上，土層厚度約0.7 mm，玻璃層析板在室溫下陰干后，于距玻璃層析板底部1.5 cm處逐滴點上呋蟲胺的丙酮溶液，點藥量為10.0 μg。待溶劑揮發(fā)后放在以水作為展開劑的層析槽內，薄板傾斜角度約為30°，板下端淹水0.5 cm，于25 ℃下進行薄層層析實驗。當展開劑到達距薄板前沿2 cm處時，取出薄板置于室溫下避光晾干，將土壤薄層等分為6段，分別測定各段土壤中呋蟲胺的質量濃度。每個處理設3次重復。

1.5呋蟲胺土壤淋溶性測定

分別稱取經(jīng)風干、研磨、過篩（20目）的南京黃棕壤、江西紅壤、東北黑土450 g，裝填于5 cm×30 cm的PVC柱中。加入0.01 mol·L-1CaCl2溶液至土壤飽和持水量的60%，在土層上端添加1 cm厚的石英砂，將0.5 mg的呋蟲胺的丙酮溶液均勻滴加在石英砂層，以30 mL·h-1速率的CaCl2溶液淋溶10 h，收集淋出液。淋洗結束后，將土柱切成3段，分別測定各段土壤及淋出液中呋蟲胺的含量。每個處理設3次重復。

1.6數(shù)據(jù)處理

土壤薄層法根據(jù)農藥在薄板上的平均移動距離與溶劑前沿的比值求出農藥在薄板上的比移值（Rf）：

土柱淋溶法根據(jù)各段土壤及淋出液中的農藥含量，求出其占添加總量的百分比。

式中，Ri為各段土壤及淋出液中農藥的比例，%。mi為各段土壤及淋出液中農藥質量，mg；i=A（0～10 cm）、B（10～20 cm）、C（20～30 cm）、D（淋出液）；m0為農藥添加總量，mg。

2　結果與分析

2.1土壤類型對呋蟲胺降解的影響

呋蟲胺在3種土壤中的降解動力學結果見表2。從表中可以看出，呋蟲胺在南京黃棕壤、江西紅壤、東北黑土的降解半衰期分別為35.2、154、92.4 d，降解速率常數(shù)分別為0.0197、0.0045、0.0075 d-1。南京土壤降解最快，江西土壤降解最慢。根據(jù)《化學農藥環(huán)境安全評價試驗準則》（GB/T 31270─2014），呋蟲胺在南京黃棕壤中屬于中等降解，在江西紅壤和東北黑土中均屬于較難降解。

表2　呋蟲胺土壤降解動力學參數(shù)Table 2 Degradation kinetics parameters of dinotefuran in soils

呋蟲胺在土壤中的代謝途徑主要是水解和微生物降解，與土壤pH、有機質、微生物等因素有關。與王學東等（2004）研究咪唑煙酸的土壤降解、徐珍等（2008）研究氟鈴脲的土壤降解、趙鋒等（2012）研究噠嗪硫磷的土壤降解的影響因素結果一致。

2.2土壤含水量對呋蟲胺降解的影響

不同土壤含水量下呋蟲胺的降解結果見圖3。結果表明，呋蟲胺在不同含水量的土壤中的降解均符合一級動力學（r2>0.90），呋蟲胺在不同含水量的土壤中降解差異較大，當土壤含水量分別為飽和含水量的20%、40%、60%和80%時，呋蟲胺的降解速率常數(shù)分別為0.0064、0.0126、0.0197 和0.0171 d-1，降解半衰期分別為108.3、55、35.2 和40.5 d。降解速率隨土壤含水量的增加先升高后降低。

圖3　不同土壤含水量下呋蟲胺在土壤中的降解動態(tài)Fig. 3 Degradation kinetics of dinotefuran in Nanjing yellow-brown soil with different moisture

土壤含水量不僅影響微生物的生長繁殖，還會對土壤中的酶起到一定的影響（趙月，2012）。在土壤含水量低的情況下，含水量不能滿足微生物和酶的需要，因而降解的較慢。土壤含水量加大，微生物和酶的活性加大，降解速率增加。同時，呋蟲胺在水中的溶解度較大，水的存在會促進農藥在土壤中的移動，增加生物的利用率（Wang等，2014；Konda和Pasztor，2001）。但是當含水量過大，在本實驗情況下，達到飽和持水量的80%時，可能會抑制部分微生物的呼吸，減弱微生物的作用，同時會對酶的作用產生一定的影響，導致呋蟲胺降解速率的減慢。

表3　呋蟲胺在滅菌和滅菌以及去除有機質土壤中降解的動力學參數(shù)Table 3 Degradation kinetic parameters of dinotefuran at treated with sterilized and sterilized and removal of organic matter

2.3土壤微生物和有機質對呋蟲胺降解的影響

呋蟲胺在滅菌、去除有機質（滅菌）和對照3種土壤中的降解動力學參數(shù)見表3。兩種處理相對于對照有很大的差異。對照、滅菌和去除有機質（滅菌）土壤降解的半衰期分別為35.2、75.3和216.6 d。84 d時呋蟲胺在對照土壤中的殘留量是0.68 mg·kg-1，僅是初始濃度的13.60%，而在滅菌和去除有機質（滅菌）土壤中的殘留量分別是2.90和3.92 mg·kg-1，是其初始濃度的58.00%和78.40%。表明微生物和有機質的存在加快了土壤中呋蟲胺的降解。

本研究中，對照處理的降解是生物和非生物的共同作用，滅菌土壤的降解為非生物作用，滅菌條件下的半衰期是對照處理的2.1倍，可見微生物對呋蟲胺在的土壤中的降解起著重要作用。在去除有機質（滅菌）的條件下的半衰期是對照處理的6.2倍，土壤中的微生物的大量減少以及有機質的缺少使降解體系僅為微弱的水解作用和化學降解，另一方面，可以看出土壤有機質對呋蟲胺的降解起著重要作用，土壤有機質不僅能保持土壤水分，而且為微生物生活所提供必須的碳源（劉效東等，2011；Jung等，2008）。

2.4呋蟲胺在土壤中的移動性

呋蟲胺在不同土壤薄層中的分布結果見圖4和圖5，從圖中可以看出不同土壤中呋蟲胺的分布不同。薄層層析研究結果表明，呋蟲胺在南京黃棕壤、江西紅壤、東北黑土中的Rf值分別為0.77、0.87、0.55。根據(jù)《化學農藥環(huán)境安全評價試驗準則》（GB/T 31270─2014），呋蟲胺在南京黃棕壤、江西紅壤中屬于易移動，在東北黑土中屬于中等移動。土柱淋溶研究結果表明，呋蟲胺在3種土壤中的淋溶速率分別是：江西紅壤>南京黃棕壤>東北黑土；呋蟲胺在南京黃棕壤中屬于可淋溶，在江西紅壤中屬于易淋溶，在東北黑土中屬于較難淋溶。

土壤薄層層析是利用土壤為載體，以水為流動相，模擬自然條件下農藥在土壤中的移動性。由于呋蟲胺在水中的溶解度為40 g·L-1（20 ℃），在水相和土壤之間分配時，呋蟲胺和水相的親和力較強，易于隨水相而移動，這和溶解度較大的農藥研究結果類似（張傳琪等，2012）。3種供試土壤結果差異性可能是與土壤的粘粒和有機質的吸附作用有關，這與李彥文（2006）研究一致，土壤的粘粒和有機質含量越高，農藥在土壤中遷移性越弱。

土柱淋溶研究表明，呋蟲胺在南京黃棕壤、江西紅壤的淋出液分別占總量的37.4%、65.0%，呋蟲胺在東北黑土中主要集中在10.0～30.0 cm處，呋蟲胺的遷移能力較強，易進入到地下水中，對地下水污染存在潛在風險性，應該引起足夠重視。

圖4　呋蟲胺在土壤薄層層析的分布Fig. 4 Dinotefuran distributed of in the soil TLC

圖5　呋蟲胺在土柱中的分布Fig. 5 Dinotefuran distributed of in the soil column

3　結論

呋蟲胺3種土壤降解中，南京黃棕壤中屬于中等降解，江西紅壤和東北黑土中均屬于較難降解；土壤濕度越大，降解越快，含水量過大會抑制降解；土壤微生物和有機質對呋蟲胺土壤降解起重要作用。呋蟲胺在南京黃棕壤、江西紅壤中屬于易移動，在東北黑土中屬于中等移動，移動性大小順序為江西紅壤>南京黃棕壤>東北黑土。呋蟲胺在南京黃棕壤中屬于可淋溶，在江西紅壤中屬于易淋溶，在東北黑土中屬于較難淋溶，淋溶速率大小順序為江西紅壤>南京黃棕壤>東北黑土。呋蟲胺易進入到地下水，對地下水污染存在潛在的風險性。

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Studies on the Degradation and Mobility of Dinotefuran in Soil

LIU Jisong1, HU Cunzhong2, LU Fan2, SHI Haiyan1, WANG Minghua1*
1. College of Plant Protection, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2. Suke Agro-chemical of Jiangsu Province Co. Ltd, Nanjing 210014, China

Abstract:Extensive use of dinotefuran can cause some problems such as soil and groundwater pollution, and deterioration of ecological environment. Researching the degradation characteristics and mobility of dinotefuran in soil has important significance for environment safety evaluation of dinotefuran. The degradation and mobility of dinotefuran in three kinds of soils were investigated, and the influence factors of dinotefuran degradation in soil were studied by using indoor simulating test. The results showed that the degradation rates of dinotefuran in three kinds of soils following sequence: Nanjing yellow-brown soil > Northeast China black soil > Jiangxi red soil，and the half life were 35.2, 92.4 and 154.0 days, respectively. Dinotefuran possess a medium degradation in Nanjing yellow-brown soil，and difficult degradation in Jiangxi red soil and Northeast China black soil. The decay of dinotefuran was accelerated with the moisture of soil elevating, dinotefuran decay was decreased with 80% moisture treatments because microbial organisms growth was inhibited. When the microbial organisms and organic matter are present in soil, the degradations of dinotefuran were accelerated 2.1 and 6.2 times, respectively. The soil thin-layer chromatography (TLC) showed that the Rfof dinotefuran were 0.77, 0.87 and 0.55 in Nanjing yellow-brown soil, Jiangxi red soil and Northeast China black soil, respectively. These results indicated that dinotefuran was removable in Nanjing yellow-brown soil and Jiangxi red soil, medium-mobile in Northeast China black soil. The results of soil column leaching showed that 37.4% and 65.0% dinotefuran were leached out in Nanjing yellow-brown soil and Jiangxi red soil, respectively. Dinotefuran moved mainly in a distance of 10.0～30.0 cm in Northeast China black soil. This work demonstrates that dinotefuran has potential risk for contaminating groundwater and attention should be paid to its application.

Key words:dinotefuran; degradation in soil; mobility; leaching

收稿日期：2015-01-23

*通信作者：王鳴華，男，教授，博士，主要從事農藥殘留與環(huán)境毒理研究，E-mail: wangmha@njau.edu.cn

作者簡介：劉紀松（1989年生），男，碩士研究生，研究方向為農藥殘留與環(huán)境毒理；E-mail: 2013802170@njau.edu.cn

基金項目：江蘇省研究生工作站項目

中圖分類號：X131.3

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）06-1063-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.023