噻虫嗪棉花种子包衣的残留动态及与棉蚜防效的相关性分析

Analysis of thiamethoxam residue dynamics in cotton seed coating and its correlation with cotton aphid control efficiency

摘要

目的 新烟碱类杀虫剂具有的内吸活性和向顶传导特性，可用做种子处理来防治蚜虫、粉虱等刺吸式口器害虫，探讨噻虫嗪处理种子后农药的残留动态与防效的相关性，为其合理应用提供理论依据。 方法 以棉花为试材，用30%噻虫嗪悬浮种衣剂不同剂量进行种子包衣处理，调查防治效果的同时采集棉花植株样品，采用液质联用的方法分析棉花植株中噻虫嗪及其代谢产物噻虫胺在棉花植株中的残留及消解动态。 结果 噻虫嗪棉花种子包衣后，播后16 d首次采样，不同剂量噻虫嗪在棉花植株中的残留量为0.753~2.768 mg/kg，其代谢产物噻虫胺含量范围为0.278~0.894 mg/kg。随着时间的推移，两者残留量呈指数下降，播后66 d对棉花样品进行检测时，2种药物在棉花中的含量均小于检出限0.001 mg/kg，噻虫嗪及代谢产物噻虫胺在棉花中的消解动态均符合一级动力学方程。 结论 不同剂量噻虫嗪种子包衣可显著降低苗期蚜虫虫口密度，表现出明显的剂量效应，并且植株中的农药残留水平与棉蚜防治效果之间有较强的相关性，其作用机理可能与棉蚜刺探叶片后产生拒食效应有关。

Abstract

Objective Neonicotinoid insecticides can be used as seed treatments to control aphids，whiteflies and other piercing mouthparts due to their internal absorption activity and apical conduction properties.To explore the correlation between pesticide residue dynamics and control effect after thiamethoxam seed treatment，so as to provide theoretical basis for its rational application. Method Cotton was used as the test material，and seeds were coated with different doses of 30% thiamethoxam suspension seed coating agent.While the control effect was investigated，cotton plant samples were collected，and the residue and digestion dynamics of thiamethoxam and its metabolite thiamethoxam in cotton plants were analyzed by liquid mass coupled method. Result After coating the cotton seeds with thiamethoxam，samples were collected for the first time 16 days after sowing.The residues of different doses of thiamethoxam in cotton plants ranged from 0.753 to 2.768 mg/kg，and the content of its metabolite thiamethoxam ranged from 0.278 to 0.894 mg/kg.The residues of thiamethoxam and clothianidin decreased exponentially with time.When the cotton samples were tested at 66 days after sowing，the levels of the two drugs in cotton were less than the detection limit of 0.001 mg/kg.The digestion dynamics of thiamethoxam and its metabolite clothianidin in cotton were consistent with the first-order kinetic equation. Conclusion Different doses of thiamethoxam seed coating can significantly reduce aphid mouth density at seedling stage，showing an obvious dose effect，and there is a strong correlation between the pesticide residue level in plants and the control effect of cotton aphid，the mechanism of action may be related to the antifeeding effect of cotton aphid after penetrating the leaves.

Graphical abstract

关键词

噻虫嗪 / 棉花 / 种子包衣 / 残留动态 / 剂量效应

Key words

thiamethoxam / cotton / seed-coating / residual dynamic / dose effect

Author summay

冀钦陇，硕士研究生。E­mail：[e-mail]

噻虫嗪（thiamethoxam，图1-A）是先正达公司开发的一种具有独特结构和优良杀虫活性的第二代新烟碱类杀虫剂，化学名称为3-（2-氯-噻唑-5-甲基）-4-N-硝基亚胺-1，3，5-二嗪 ^［1-2］，其内部含有硝基亚胺、氰化亚胺和氮甲基等药效基团^［3］，并且分子结构中引入了氯代噻唑结构，均提高了该杀虫剂对刺吸式和咀嚼式口器的害虫活性 ^［4-5］。与第一代新烟碱类杀虫剂吡虫啉相比，具有更高的内吸性、较宽的杀虫谱、更低的剂量等优点，能够干扰害虫的取食行为^［6-7］。研究证实，噻虫嗪在昆虫和植株体内的主要代谢产物噻虫胺（clothianidin，图1-B），其对昆虫乙酰胆碱受体（nAChRs）的亲和力高于噻虫嗪，因此具有更高的杀虫活性^［8-9］。利用噻虫嗪优良的内吸活性和传导特性，在保证对出苗及生长安全的前提下，可用种子处理来防治叶部害虫，特别是刺吸式害虫如蚜虫、蓟马、飞虱^［10-12］等。与传统的喷雾相比，种子包衣可显著降低农药使用次数，减少因喷雾带来的漂移污染，且由于其施药方式较为隐蔽，具有对靶标害虫防效显著、持效期长等优势，对天敌昆虫影响较小^［13］。

近年来，利用噻虫嗪等新烟碱类杀虫剂种子处理防治地上部害虫得到了广泛应用。李福军^［14］等用40%噻虫嗪悬浮种衣剂对玉米种子拌种处理，发现在蚜虫始盛期平均防效可达94.77%；刘景坤^［15］等用50%噻虫嗪悬浮种衣剂包衣棉花种子，可有效防控苗期棉蚜的危害；Nault等^［16］研究了噻虫胺、噻虫嗪对洋葱种子拌种处理后对葱蝇的防控效果；郭建国^［17］等用70%的噻虫嗪可分散粉剂对马铃薯种子进行处理，发现对马铃薯甲虫幼虫的取食有明显的抑制作用，马铃薯甲虫取食叶片后，对食物的消化率和相对生长速率显著降低，生长发育历期显著延长，这有利于减少其在一个危害季节繁殖速率，降低危害程度。以上研究探讨了噻虫嗪用于拌种后针对于地上部害虫的防效，但未结合田间噻虫嗪及其代谢产物噻虫胺的消解动态作进一步分析。本研究采用30%噻虫嗪悬浮剂不同剂量对棉花种子进行包衣处理，出苗后按一定的时间间隔对棉花植株进行采样，同时基于HPLC-MS/MS方法灵敏度高，定性准确的特点^［18］，采用液相色谱-质谱联用技术对噻虫嗪及代谢物噻虫胺进行残留检测，分析残留消解动态以及残留量与防治效果之间的关系，以期为利用噻虫嗪种子处理防治棉花叶部害虫和安全使用提供理论依据，也可为制订噻虫嗪在棉花植株上的残留标准提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

陆地棉，品种为中棉49，中国农业科学院棉花研究所选育，中早熟，生育期140~145 d；30%噻虫嗪种子处理悬浮剂（thiamethoxam 30% FS），武威春飞作物科技有限公司提供。

1.2 试验地概况

试验设在甘肃省农业科学院敦煌试验站（N 40°09'，E 94°38'），该地海拔1 138 m，年均气温10.5 ℃，年均降雨量39.9 mm，蒸发量2 486 mm，无霜期145 d，属大陆性干旱气候。试验地棉花连茬单作，面积800 m²，覆膜种植。土壤类型为灌淤土，肥力中等，含有机质12.8 g/kg、全氮0.61 g/kg、碱解氮49 mg/kg、速效磷28.3 mg/kg、速效钾191 mg/kg。

1.3 试验设计

试验采用大区设计，面积150 m²，共设4个处理：以噻虫嗪推荐剂量1.8 g/kg种子作为低剂量，同时设置中剂量2.7 g/kg种子、高剂量3.6 g/kg种子，即30%噻虫嗪种子处理悬浮剂商品用量600、900、1 200 mL/100kg种子进行种子包衣处理，晾干后装袋备用，以不包衣为空白对照。2021年6月13日用棉花精量播种机播种，播种深度10 cm，每膜种植4行，膜间距0.5 m，行距0.4 m，株距0.15 m，密度16.5万株/hm²。播种前14 d平整土地，起垄覆膜，浇足底水。其他田间管理同当地大田。

1.4 残留试验方法

1.4.1 主要分析仪器与试剂

UltiMate 3000高效液相色谱仪、Tsq Quantum Access Max质谱仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司；（L3-5K）台式离心机，湖南可成有限公司；万分之一天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司； （800Y）高速多功能粉碎机，浙江永康市铂欧五金制品有限公司；乙腈色谱纯、氯化钠分析纯，甘肃省国信润达分析测试中心；噻虫嗪标准品、噻虫胺标准品（纯度≥99.9%），德国Dr.Ehrenstorfer公司。

1.4.2 样品采集

棉花出苗后（播后16 d）进行第1次采样，后每隔10 d随机采集对照区和各处理区棉花植株（不少于500 g），除去杂质，用标签做好标记，每次采样完毕后统一用物流冷链运输至检测中心。

1.4.3 样品前处理

参考GB/T20769-2008方法^［19］：采集的棉花植株样品用高速组织粉碎机捣碎后，四分法混合均匀，准确称取5 g样品于50 mL离心管中，加入10 mL乙腈，均质混匀，再加入5 g氯化钠，再匀浆约1 min，在8 000 r/min下离心5 min，取1.0 ml上清液，过0.22 μm的有机滤膜，上机检测。

1.4.4 检测方法

色谱条件：C₁₈色谱柱（2.1 mm×100 mm，1.7 μm），柱温35 ℃；流动相为乙腈与0.1%甲酸水溶液，流速：0.2 mL/min；进样量10 μL；梯度洗脱见表1。

质谱条件：采用电喷雾离子源正离子扫描（ESI⁺）；多反应监测模式；毛细管电压3.50 kV；喷雾电压3.5 kV；雾化温度300 ℃；离子管传输温度270 ℃；离子源温度300 ℃；辅助气10 Arb；鞘气30 Arb；碰撞气：氮气。在此条件下，得到噻虫嗪的保留时间为3.70 min；噻虫胺为3.84 min。

1.4.5 标准曲线绘制

将噻虫嗪、噻虫胺混合标准品母液用空白基质稀释成5、10、50、100、500、1 000 μg/L的系列标准溶液，按1.5.4节的条件进行检测，得出响应峰面积-标准溶液质量浓度标准曲线，并建立回归方程。

1.4.6 添加回收及最低检出限试验

向空白植株中添加0.01、0.1、0.5、1.0 mg/kg 4个水平的噻虫嗪、噻虫胺混合标准溶液，每个水平5次重复，同时设置空白对照，按1.5.3节进行样品处理，1.5.4节的条件进行检测，计算添加回收率和相对标准偏差。按3倍信噪比计算农药的检出限。

1.5 田间调查

参照《农药田间药效试验准则（二） 第75部分：杀虫剂防治棉花蚜虫》的方法^［20］，于棉花2至3片真叶期（播后16 d）开始调查，调查时，每小区5点取样，每点固定2株有蚜棉苗，调查定株上的蚜虫头数；4叶期后每点固定2株，每株固定中部1片有蚜叶片，调查固定叶片上的蚜虫头数。每隔10 d调查1次，统计结果，计算防效。

1.6 数据分析

用Excel对试验数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 线性关系与检出限

分别以噻虫嗪、噻虫胺标准品母液的质量浓度（x）为横坐标，峰面积（y）为纵坐标做标准曲线，检出限为0.001 mg/kg。结果表明：在试验质量浓度范围内，峰面积与质量浓度呈现良好的线性关系，噻虫嗪标准曲线方程为y=808 652+19 830.1x，R² =0.999 5，噻虫胺标准曲线方程为y=152 241+7 551.51x，R² =0.999 7。

2.2 添加回收率

在空白棉花植株样品中添加不同的噻虫嗪、噻虫胺标准溶液进行回收率测定，结果表明（表3）：在0.01~1.0 mg/kg 4个添加水平下，噻虫嗪在棉花植株中的平均回收率在95%~97%，相对标准偏差为2.1%~6.7%；噻虫胺为95%~100%，相对标准偏差为1.1%~7.7%；符合农药残留检测的要求^［21］。

2.3 残留量及消解动态

消解动态试验结果（表4）表明，噻虫嗪在棉花植株中随时间推移存在含量波动的情况，但总体上是逐渐减少，且呈现先快后慢的趋势，第一次采样（播后16 d）噻虫嗪残留量为0.753~2.768 mg/kg，播后26 d，3种包衣剂量消解率均已达87%以上，其中，低剂量包衣水平下，消解率已达92%，此后逐渐趋于平缓，播后66 d，3种剂量残留浓度均低于本试验最低检出限。

噻虫胺在棉花植株体内残留量呈递减趋势，在播后16~26 d期间，降解最快，3种包衣剂量消解率均已达90%以上，以后随着时间的推移降解趋于平缓，播后56 d，代谢产物噻虫胺在棉花植株中消解率已达99%，这与母体化合物噻虫嗪的降解趋势相一致。以噻虫嗪高剂量包衣处理下播后16 d检测值作为原始沉积量，得到噻虫嗪及其代谢产物噻虫胺的消解动力学方程（表5），二者决定系数R²均大于0.9，属于线性显著相关，由此计算得到噻虫嗪半衰期为4.62 d，噻虫胺半衰期为5.17 d，均属于易降解农药（T_0.5<30 d）。

2.4 田间防治效果

2021年6月下旬敦煌试验田棉蚜开始陆续发生，待棉花子叶展平至1片真叶期开始调查各处理蚜虫数量。由图2可以看出，噻虫嗪不同剂量包衣棉花种子的各处理与空白对照相比，棉蚜发生动态变化趋势基本一致，但种群数量总体上均较空白处于较低水平。不同处理间对棉蚜的防效存在剂量效应（图3），总体表现为剂量越大、防效越高，其中播种后16 d第1次调查各处理的防治效果均达到90%以上，而在播后26 d时，3种剂量防效仍能达到64%以上，其中高剂量防效仍能达到89%，表明在棉花苗期有较好的控制效果。随着时间的推移，对棉蚜的防效逐渐降低，播后66 d高、中、低剂量的防效分别为46.32%、32.35%和17.65%。以同一时间段棉花植株中噻虫嗪及其代谢产物噻虫胺残留量为自变量X，棉蚜防效数值为因变量Y，得到防效-残留回归方程（表6），相关系数r为0.739 4~0.829 6，说明二者之间具有较强的相关性。

3 讨论

噻虫嗪是目前种子处理剂中广泛使用的新烟碱类杀虫剂，它具有良好的内吸活性和传导特性，植物吸收后在细胞壁及细胞间隙等空间（包含导管与管胞）组成的质外体运输，经由木质部向整个植株传导^［22］。噻虫嗪种子处理后被植物吸收的效率也非常高，用噻虫嗪包衣玉米种子后，收集幼苗叶片边缘吐水，经HPLC检测发现其中药物活性成分浓度高达10~200 mg/L，接近甚至高于田间喷雾的水平^［23］。噻虫嗪在植物体内的主要代谢产物是噻虫胺，因此，在做残留分析时，要同时检测噻虫嗪及其代谢产物噻虫胺的残留量。一般来说，同一种农药的残留消解动态与施药方式和环境条件有关，本试验中代谢产物噻虫胺在棉花植株体内残留量呈递减趋势，刘佳悦等^［24］在小麦孕穗期采用无人机以25%噻虫嗪水分散粒剂有效成分用量为37.5 g/hm²进行喷施，结果表明在施药后2 h时噻虫胺含量最高，随着时间的推移，噻虫嗪及代谢产物噻虫胺在麦叶、麦穗中的含量逐步减少，这与本试验中噻虫胺在棉花植株中的降解动态趋势是相符的。在常规喷雾条件下，由于农药直接暴露于环境中，降解速率相比种子包衣会更快，梁旭阳等^［25］用HPLC-MS/MS的方法测定了噻虫嗪水分散粒喷雾后在在山东、河南棉叶中的消解半衰期分别为1.4 d和1.9 d；陈文静等^［26］同样使用HPLC-MS/MS的方法研究了70%噻虫嗪种子处理剂包衣后在新疆棉叶中的半衰期为3.87 d。本试验的研究结果表明，噻虫嗪及其代谢产物噻虫胺在敦煌棉花植株中的半衰期分别为4.62 d和5.17 d，这与陈文静等所测得噻虫嗪在新疆的半衰期结果较为接近，而与山东、河南的结果差异较大，由此说明施药方式和环境条件与噻虫嗪的残留消解有很大的关系。同时，由于种子包衣条件下，内吸性的药剂会随着种子萌发而缓慢释放并且传导到到植物各个组织，播种到出苗这段时间萌发种子中的农药残留量对于防治地上部害虫来说并不具有代表意义，并且采样量也不易掌握、样品前处理和检测方法也与植株样品有所不同，因此本研究将出苗后所测得的噻虫嗪及其代谢产物噻虫胺的释放高峰作为原始沉积量来研究其残留动态。本试验中所采用的方法可为制定种子包衣的残留分析方法提供参考。

与田间喷雾方式相比，种子处理作用于靶标的药物浓度是经过植株体内吸收和代谢后的低剂量浓度，所以利用噻虫嗪种子处理防治叶部害虫的原理一般认为是通过药物对靶标的亚致死效应来实现的，利用噻虫嗪亚致死剂量处理的小麦经蚜虫取食后，木质部取食明显减少，体内水分含量、体长、体质量、繁殖力等方面较蒸馏水处理的蚜虫明显降低，且由于拒食或神经毒性而导致体液含量显著减少^［27］。当噻虫嗪达到亚致死剂量（LC₁₀和LC₃₀）会抑制桃蚜的韧皮部取食行为，即拒食效应，而在较高剂量（LC₅₀）下，则表现为触杀活性^［28］。史晓斌^［29］的研究结果表明，噻虫嗪和噻虫胺对棉蚜的LC₅₀分别为1.60、1.82 mg/L，在此剂量下表现为触杀活性，而噻虫嗪在LC₂₀为0.96 mg/L、噻虫胺LC₂₀为1.23 mg/L的亚致死剂量下会抑制棉蚜在叶片背部的取食以及产蚜，参照此剂量，本试验中噻虫嗪三种剂量包衣处理棉花种子后表现出明显的剂量效应，播后16 d噻虫嗪高剂量处理下在棉花幼苗中的残留量为2.77 mg/kg，高于上述LC₅₀，而噻虫胺仅为0.89 mg/kg，接近LC₂₀的亚致死剂量，而这一时期的田间防效可达90%以上，因此噻虫嗪包衣棉花种子后最初的防效主要来自于母体化合物对蚜虫的杀虫活性。随着采样时间的推移，噻虫嗪及代谢产物噻虫胺在棉花植株中消解非常快，残留量呈指数下降，不同剂量处理的残留量均小于LC₂₀，对蚜虫作用方式表现为拒食活性，这可能是导致其防治效果效果显著下降的重要原因。

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基金资助

农业部西北荒漠绿洲作物有害生物综合治理重点实验室开放基金项目(KFJJ202106)

甘肃省农业科学院条件建设及成果转化项目(2017GAAS24)

甘肃省农业科学院条件建设及成果转化项目(2021GAAS21)