不同耕作制度下农药使用对谷物种植系统长期生态毒性风险的动态影响

《Crop Protection》：Long-term ecotoxicological risk dynamics of pesticide use under contrasting tillage systems in grain cropping systems

　　

摘要

农药在粮食种植系统中被广泛用于控制杂草、昆虫和疾病，但其潜在的生态毒性效应仍然是一个值得关注的问题。在这项研究中，我们评估了在不同耕作系统下阿根廷主要粮食作物长期使用农药的情况、生态毒性风险以及生态效率的变化。以阿根廷的主要种植区域作为案例研究，我们分析了1989年至2023年间玉米、向日葵、春大豆、夏大豆和小麦的农药使用情况，这一时期正值从传统耕作向免耕农业的广泛转变。所有作物的农药使用强度随着时间的推移而增加，主要与免耕系统的推广有关。相比之下，生态毒性风险则表现出非线性趋势：在传统耕作条件下，风险总体上有所下降；而在免耕技术初期，风险显著上升，并在2010年左右达到峰值，超过了昆虫和哺乳动物的毒性参考标准。尽管农药使用量持续增加，但随后风险水平再次下降。不同作物和生物群体之间的风险模式存在差异。杀虫剂对昆虫和温带淡水鱼类的风险最大，而除草剂则是影响哺乳动物风险的主要因素。在免耕技术初期，生态效率有所下降，但近年来陆地生物的生态效率有所改善，而水生生物的生态效率没有明显变化。这些结果表明，农药使用强度的变化并不一定反映生态毒性风险的变化，强调了在评估种植系统可持续性时需要考虑多种指标。

引言

农药在现代农业中被广泛使用，在减少作物产量损失方面发挥了关键作用（Sabzevari和Hofman，2022）。然而，这种使用强度的增加对环境产生了令人担忧的影响（Zhou等人，2025），因为农药（包括除草剂、杀虫剂和杀菌剂）的过度使用对非目标生物、人类健康和环境质量构成了威胁（Ahmad等人，2024；Kim等人，2017；Wan等人，2025）。此外，全球范围内抗农药害虫的扩散以及气候变化可能要求未来增加农药施用量（Hawkins等人，2019；Juroszek和Von Tiedemann，2011）。因此，了解和衡量农药使用的影响对于发展可持续的种植系统至关重要（Edwards，2020）。此类评估可以依靠选定的指标固定基准，以及这些指标随时间的变化来预测未来的系统状况（Dakos等人，2015）。长期研究有助于明确农业系统的变化方向，以及它们是朝着可持续性前进还是后退（Darnhofer等人，2010），但提供农药使用长期数据的最新研究仍然有限（Cross和Edwards-Jones，2011；Kniss，2017）。

研究人员和利益相关者已经开发了多种指标来评估农药风险，每种指标采用不同的风险评估方法（Feola等人，2011）。这些指标可以分为基于暴露-毒性比（ETR）的方法和不允许使用ETR的方法（Reus等人，2002），基于ETR的指标通常能更准确地测量环境风险（Kniss和Coburn，2015）。大多数方法将毒性数据整合为一个综合评分，但许多方法在透明度、权重和经验聚合方面存在局限性，可能导致误导性的结果（Cox Jr等人，2005；Dushoff等人，1994；Kniss和Coburn，2015）。因此，全面的风险评估需要能够整合多样化数据并考虑系统级因素的定量建模（Rajaram和Das，2010）。

然而，单独评估农药风险并不能全面反映农业的可持续性，因为必须同时考虑环境影响和生产力：如果作物产量保持较低，即使农药相关的环境影响最小，也难以实现可持续性目标（Herman，2024）。为了解决这一局限性，提出了生态效率这一指标，它综合考虑了农业生产的生产性和环境两个方面（Wang等人，2022）。在害虫管理中，生态效率被定义为作物产量与环境影响之比，这一指标将生产力收益与其环境成本明确联系起来，从而支持在减少非目标生物农药风险的同时提高农业产出的目标（Love等人，2025）。鉴于农业可持续性的复杂性和多方面性，害虫管理中的生态效率可以通过一套灵活的指标进行量化（Suzigan等人，2020），包括相对指数和基于风险商数的方法（Love等人，2025；Magarey等人，2019）。

在之前的一项研究中，我们使用模糊逻辑和基于风险比率的生态毒性风险指标，评估了1987-2019年间阿根廷主要种植区——滚动潘帕地区春大豆和玉米作物的农药风险和生态效率的变化（Ferraro等人，2020）。在此基础上，本研究将分析范围扩展到阿根廷所有主要粮食生产区，涵盖1989-2023年间的向日葵、夏大豆和小麦作物。这些主要粮食生产区拥有悠久的农业历史，在过去几十年经历了重大的技术变革，包括免耕技术的广泛采用、转基因生物（GMO）的使用以及系统的施肥措施，这些都影响了全国种植系统的演变。免耕减少了土壤扰动，降低了侵蚀和碳损失，同时增加了对除草剂控制的依赖。转基因技术的采用始于1996年的耐草甘膦大豆，随后是1998年的抗鳞翅目昆虫玉米，目前阿根廷99%的大豆和83%的玉米都是转基因的（Di Mauro等人，2025）。通过农药使用数据（除草剂、杀菌剂和杀虫剂）、播种面积和作物产量，我们评估了阿根廷主要玉米、向日葵、大豆和小麦生产系统在1989-2023年期间的（1）农药使用强度；（2）生态毒性风险；（3）生态效率的长期趋势，并在区域尺度上比较了传统耕作和免耕管理实践的效果。

片段

研究区域

本研究重点关注了玉米、向日葵、大豆和小麦，这四种作物在1989至2023年间约占阿根廷粮食作物总面积的90%。阿根廷的主要生产区域包括布宜诺斯艾利斯省、圣菲省、科尔多瓦省、恩特雷里奥斯省、圣地亚哥德尔埃斯特罗省和萨尔塔省（Aramburu Merlos等人，2015），在这一时期，这四种作物的总播种面积占全国总面积的约94%（

结果

对农药使用面积-处理量的时间序列分析显示，随着从传统耕作向免耕系统的转变，农药使用量显著增加，从2001年的传统耕作平均3.4 ATP增加到第一个免耕时期的4.8 ATP（图1）。随后，在免耕条件下，农药使用强度以每年0.1 ATP的速度持续上升，这一趋势贯穿了整个研究期，尽管不同作物的变化率有所不同。小麦和春大豆

长期动态和风险趋同

在采用免耕技术后，每公顷的毒性单位数量上升，2010年达到峰值，随后在大多数作物中下降，表明通过适应性管理可以减轻初期农药压力的增加，这对降低环境风险具有重要意义。然而，这一峰值的幅度和持续时间存在差异：所有作物的哺乳动物的毒性单位急剧增加，超过了或接近毒性基准值，而

结论

阿根廷向免耕技术的转变从根本上重新塑造了作物生产力和农药相关风险之间的平衡。尽管近年来产量有所增加，陆地生物所面临的风险也在增加，这主要是由于拟除虫剂的广泛使用。这些不同的结果表明，可持续性不能仅通过单一指标来衡量，而需要一个综合的、多分类群和多物种的视角。

CRediT作者贡献声明

Rodrigo de Paula：概念构建、数据整理、初步分析、写作——原始草稿、审阅与编辑、方法论。Felipe Ghersa：写作——审阅与编辑、数据整理。María Cintia Palladino：写作——审阅与编辑、数据整理。Sebastián Pessah：数据整理。Alejandra C. Duarte Vera：数据整理。Diego O. Ferraro：写作——原始草稿、方法论、初步分析、数据整理、概念构建、监督、审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本项工作得到了布宜诺斯艾利斯大学、UBA（UBACYT-2018-20020170100535BA）、国家科学技术促进局（FONCyT，PICT-2017-3296）以及国家科学技术研究委员会（CONICET，PIP-0709-2015）的支持。

Rodrigo de Paula|Felipe Ghersa|María Cintia Palladino|Sebastián Pessah|Alejandra C. Duarte Vera|Diego O. Ferraro

布宜诺斯艾利斯大学，农学系，谷物栽培教研室，IFEVA，CONICET，布宜诺斯艾利斯，阿根廷