Fate of the organophosphate herbicide glyphosate in arable soils and its relationship to soil phosphorus status

Abstract

Glyfosaatti [(N-(phosphonomethyl) glycine)] on yksi maailman eniten käytetyistä rikkakasvien torjunta- aineista (herbisideistä). Suomessa sen myynti vastasi noin 66 prosenttia vuonna 2007 myydystä herbisideistä. Viljelymenetelmät ja niiden myötä myös glyfosaatin käyttötavat ovat viime vuosina muuttuneet. Perinteisen, kolmen neljän vuoden välein tehdyn syysruiskutuksen ja sitä seuranneen pellon kynnön lisäksi kevyemmät muokkausmenetelmät ovat yleistyneet. Niissä glyfosaatia käytetään vuosittain kevätkylvön yhteydessä ja usein myös syksyllä. Intensiivisen ja yhä kasvavan käytön vuoksi on tärkeää tunnistaa ne tekijät, jotka vaikuttavat glyfosaatin käyttäytymiseen maassa ja etsiä välineitä kulkeutumis-, kertymis- ja huuhtoutumisriskien arviointiin. Glyfosaatti kuuluu orgaanisiin fosforivalmisteisiin, joten se voi sitoutua maassa samoille paikoille kuin fosfori, eli alumiini- ja rautaoksideihin ja -hydroksideihin. Glyfosaatti kilpaileekin sitoutumispaikoista fosforin kanssa. Vahvempana kilpailijana fosfori voi estää glyfosaatin sitoutumisen tai syrjäyttää jo sitoutuneen glyfosaatin. Glyfosaatti on systeeminen herbisidi, jonka teho perustuu siihen, että se imeytyy ensin lehtiin ja kulkeutuu sitten kasvissa jakaantumiskykyisiin soluihin, kuten juurten kärkipisteisiin ja estää siellä solunjakautumisen. Glyfosaatti ei hajoa kasvissa, tai sen hajoaminen on minimaalista ja sitä voi kertyä juuristoon huomattavia määriä. Juurien hajotessa glyfosaati vapautuu maahan, jossa se hajoaa mikrobien toimesta. Kulkeutuminen kasvin kautta syvällekin maahan on nopeaa ja se voi tapahtua myös kuivissa olosuhteissa, joissa kulkeutuminen maaperässä ei ole mahdollista. Tässä työssä tutkittiin glyfosaatin sitoutumista peltomaahan ja maan fosforitason vaikutusta sitoutumiseen laboratoriotestien avulla. Glyfosaatin pysyvyyttä (hajoamista), kulkeutumista maaprofiilissa ja huuhtoutumista pellolta tutkittiin peltokokeissa ja kulkeutumista kasvin kautta astiaja peltokokeissa. Ensimmäisessä laboratoriotestissä määritettiin glyfosaatin sitoutumiskertoimet erilaisiin peltomaihin ja testattiin maan ominaisuuksien vaikutuksia sitoutumiseen. Sitoutumiskertoimien perusteella glyfosaatti voitiin luokitella maassa joko heikosti kulkeutuvaksi tai kulkeutumattomaksi yhdisteeksi. Mikään testatuista maan ominaisuuksista (lajitejakauma, orgaanisen hiilen määrä, pH, oksidipitoisuus, epäorgaaninen fosfori ja viljavuusfosforin arvo) ei yksinään selittänyt sitoutumista. Toisessa laboratoriotestissä tutkittiin maan fosforitason vaikutusta glyfosaatin sitoutumiseen. Tavoitteena oli selvittää, voidaanko viljavuusfosforin avulla arvioida glyfosaatin kulkeutuvuusriskiä. Glyfosaatin kulkeutuvuus kasvoi huomattavasti maan fosforiluvun kasvaessa. Glyfosaatin sitoutuminen väheni ja sidos heikkeni maan fosforinluvun kohotessa. Sitoutuneen glyfosaatin määrä pieneni 11 prosenttia siirryttäessä matalalta fosforitasolta korkealle tasolle. Voidaankin todeta, että maan fosforitson kasvaessa glyfosaatin sitoutuminen heikkenee ja sen kulkeutumis- ja huuhtoutumisriskit kasvavat. Kenttäkokeissa seurattiin glyfosaatin ja sen hajoamistuotteen, aminometylifosforihapon (AMPA), hajoamista, kulkeutumista maaprofiilissa ja huuhtoutumista pinta- ja salaojavesien mukana. Glyfosaatin pysyvyyteen ja kulkeutuvuuteen vaikuttivat eniten maaperän alhainen fosforitila, korkea alumiini- ja rautaoksidipitoisuus ja vapaiden oksidipintojen määrä, käsittely ajankohta (kesä syksy) sekä sääolosuhteet (kuiva kasvukausi ja kylmä talvi). Tulokset osoittavat, että glyfosaatin huuhtoutumisriski on pieni silloin kun maan viljavuusfosforin arvo on pieni. Toisaalta tiukka sitoutuminen maahan hidastaa glyfosaatin hajoamista ja voi johtaa jäämien kertymiseen maahan, erityisesti silloin kun glyfosaattia käytetään toistuvasti. Tulokset osoittavat, että glyfosaatin kertyvyys- ja huuhtoutumisriskin arviointiin voidaan käyttää samoja tekijöitä, jotka määrittävät fosforin käyttäytymistä maassa. Viljavuusfosfori voisi olla käyttökelpoinen ja ekonominen väline tähän arviointiin. Suomessa pellon fosforitasoa seurataan säännöllisesti, joten meillä on käytettävissä laaja aineisto sekä alueellista että tilatason riskinarviointia varten. Glyfosaatti hajoasi hitaasti alhaisen fosforitason maassa ja sitä ja AMPA:a oli maassa vielä seuraavana keväänä, vaikka käsittely olisi tehty alkukesästä. Toistuva käyttö ilman että maa kynnetään johtaa glyfosaatin kertymiseen pellon pintaan. Syyskäsittelyn jälkeen hajoaminen on hidasta ja, muokkauksesta riippuen, voi johtaa huuhtoutumiseen joko pinta- tai salaojavesien mukana. Syyskäsittelyä tuleekin arvioida kriittisesti ja myös rajoittaa sitä ainakin kriittisimmillä alueilla. Astia- ja kenttäkokeissa glyfosaattin kulkeutuminen kasvissa juuristoon oli merkittävää. Juuristossa sitä oli yli 12 prosenttia käytetystä määrästä. Tämä tutkimus on ensimmäinen, jossa yhteys maassa havaittuihin jäämiin ja kulkeutumiseen kasvissa on osoitettu. Kulkeutumien kasvissa tuleekin huomioida arvioitaessa glyfosaatin ympäristöriskejä ja se tulee liittää tärkeänä tekijänä myös matemaattisiin käyttäytymismalleihin.

Glyphosate [(N-(phosphonomethyl) glycine)] is one of the world s most widely used herbicides. In Finland, glyphosate accounted for 66% of herbicide-active ingredients sold in 2007. In recent years, the pattern of glyphosate use in cereal cultivation has changed from post-harvest spraying every second or third year followed by autumn ploughing to annual spring and/or autumn application when reduced tillage cultivation or no till is used instead of ploughing. For intensive use it is important to understand the fate of glyphosate in soils. This study was undertaken to unravel the factors affecting its movement, sorption, persistence and leachability in different Finnish soils to create a sound basis for risk assessment. In soil, the movement of glyphosate is retarded by sorption reactions through its phosphonate group on Al and Fe oxide/ hydroxides, and the broken surfaces of silicate minerals. This reaction pattern means that glyphosate competes with phosphate for the same sorption sites. On the other hand, phosphate can displace adsorbed glyphosate from sorption sites, resulting in an increased leaching risk. As a systemic herbicide, glyphosate is first absorbed by foliage and then translocated throughout the plant via the phloem and further transported to metabolic sinks such as meristems and roots. From the roots it can be released to the soil when dead roots decompose. The translocation within the plant can be quite rapid and glyphosate may end up in the root zone in deeper soil layers also in circumstances where no transport through the soil matrix occurs. In our study, more than 12% of the applied glyphosate was found in the roots. Thus, translocation through plants and residues in dead root mass have a significant role in controlling the fate of glyphosate in soil and should be included both in leaching risk assessments and pesticide fate models. Field experiments indicated rather long persistence of glyphosate in Finnish soils low in soil test P. The key soil factors promoting the persistence and reducing the leaching of glyphosate and its metabolite aminomethylphosphonic acid (AMPA) appeared to be low P status and high Al and Fe oxide contents in soil, leading to low degree of P saturation (DPS) and to reduced biodegradability as a result of strong sorption. The results revealed that glyphosate adsorption decreases with increasing phosphorus (P) status of soil (acid ammonium acetate-extractable P (PAC)). The adsorbed glyphosate was 11% lower in soils with an excessive PAC level than in soils low in PAC, and the mobility of glyphosate increased drastically at the excessive P level. The strong and rather irreversible adsorption found in the sorption tests suggested that the risk of glyphosate leaching through the soil matrix is minor when the soil P status is low. A preliminary test of the degree of P saturation (DPS), PAC and KF values with the Finnish pesticide mobility classes suggests that the critical DPS value for glyphosate movement might be near the critical values for P leaching. Because there is a good correlation between DPS and PAC, this further suggests that the soil P status might be useful in environmental risk assessment for glyphosate. Such a risk indicator would be accessible at farm level in the vast majority of Finnish farms, as a result of a very high degree of participation in the Finnish Agri-Environmental Programme that requires soil testing. Climatic conditions, such as dry summers and cold winters, reduced the degradation rate. Glyphosate and AMPA showed a clear over-winter persistence even when the glyphosate applications were done in June-July the previous year. Thus, repeated applications without deep tillage may lead to the accumulation of glyphosate and AMPA on the soil surface. Depending on soil management, autumn application may further increase the risk for environmental pollution through losses by surface runoff or subsurface leaching. Application in late autumn should be critically evaluated and possibly restrictions should be set on this practice for the most critical fields.