179 Effekt av klimatiske forhold på nedbrytning av glyfosat i jord Marianne Stenrød 1), Ole Martin Eklo 1), Marit Almvik 1), Jens Kværner 2), Tore Sveistrup 2), Marie-Paule Charnay 3), Pierre Benoit 3) / marianne.stenrod@planteforsk.no 1) Planteforsk Plantevernet, 2) Jordforsk, 3) UMR INRA INA-PG Sammendrag Riktig bruk av plantevernmidler i landbruket er spesielt viktig i kalde, nordlige deler av verden, hvor klimaforholdene ikke er optimale for nedbrytning av restkonsentrasjoner av plantevernmidler i jorda. I Norge er også landbruksarealene ofte små og ligger i nær tilknytning til vannkilder. Plantevernmiddelrester er funnet i overflate-, drens- og grunnvann ved prøvetaking i regi av jordsmonnsovervåkingsprogrammet for Norge (JOVA), som drives av Jordforsk og Planteforsk Plantevernet. De fleste av funnene ligger imidlertid under de tillatte grenseverdier for drikkevann. Det foreligger lite forskningsresultater som beskriver nedbrytningen av plantevernmidler i jord under kalde klimaforhold, og det er et behov for å fokusere på effekten av lave temperaturer og fryse-tine prosesser. Laboratorieforsøk viser at nedbrytningen av glyfosat i jord øker med økt generell mikrobiell aktivitet - også ved lave temperaturer og gjennom perioder med skiftende temperatur med frysing og tining av jorda. Jord tatt fra ulike klimatiske soner viser ulik effekt av temperatur på nedbrytningen av glyfosat, noe som trolig henger sammen med forskjeller i det mikrobielle samfunnet i jorda samt forskjeller i biotilgjengeligheten av glyfosat. Under vinterforhold har totalt antall frostfrie dager større betydning for total mengde glyfosat mineralisert, enn hvor hyppig temperatursvingningene forekommer.
180 M. Stenrød et al. / Grønn kunnskap 9 (2) Innledning Riktig bruk av plantevernmidler i landbruket er spesielt viktig i kalde, nordlige deler av verden, hvor klimaforholdene ikke er optimale for nedbrytning av plantevernmidler i jorda. I Norge er også landbruksarealene ofte små og ligger i nær tilknytning til vannkilder, og jordas selvrensingsevne settes på prøve ved utstrakt bruk av plantevernmidler. Rester er funnet i overflate-, drens- og grunnvann ved prøvetaking i regi av jordsmonnsovervåkingsprogrammet for Norge (JOVA), som drives av Jordforsk og Planteforsk Plantevernet (Ludvigsen & Lode 2001, 2002a, 2002b, 2003). De fleste av funnene ligger imidlertid under de tillatte grenseverdier for drikkevann. Dette gjelder også ugrasmiddelet glyfosat (bl.a. i Roundup Eco ), som er det mest brukte middelet i åkerjordbruk i Norge. I et område med intensiv potetproduksjon på elveavsetninger (sandig silt) i sørøst Norge, er det funnet plantevernmiddelrester i drikkevannsbrønner (Eklo et al. 2002). Nedbrytningen av plantevernmidler i jord påvirkes i hovedsak av tilgjengeligheten av plantevernmiddelet for nedbrytning og mengden av og aktivitetsnivået til organismene som bryter ned middelet. Biomassen og aktivitetsnivået reguleres av generelle faktorer for mikrobiell vekst og aktivitet dvs. temperatur, fuktighet, næringstilgang, predasjonstrykk o.l. Videre påvirker transport- og sorpsjonsprosesser den fysiske tilgjengeligheten av plantevernmiddelet. Vertikal vannstrømning kan frakte middelet ned til jorddyp der den mikrobielle aktiviteten er lav, og sorpsjonsprosesser kan føre til så sterk binding til jordpartikler at det ikke er tilgjengelig for mikrobene. Det foreligger lite forskningsresultater som beskriver nedbrytningen av plantevernmidler i jord under kalde klimaforhold, og det er et behov for å fokusere på effekten av lave temperaturer og fryse-tine prosesser. Lovgivende myndigheter baserer mye av sine reguleringer av plantevernmiddelbruk på standardiserte og optimaliserte tester, også i områder med et kaldt klima, som Norge, hvor forhold med jordtemperaturer over 20 C sjelden forekommer selv midtsommers. Om vinteren er tele i jorda snarere regelen enn unntaket, og tidlig og sen vinter har vi ustabile temperaturforhold med frysing og tining av jorda. Da disse periodene sammenfaller med høstregn og snøsmelting, er det stor risiko for rask vertikal transport og risiko for grunnvannsforurensning av rester av plantevernmidler i jorda som ikke er brutt ned i løpet av sommeren. Resultatene som presenteres her er framkommet gjennom det strategiske instituttprogrammet Plantevernmidler i miljøet, i delprosjektet Effekt av klima på nedbrytning av plantevernmidler, ved Planteforsk Plantevernet. Materiale og metoder Resultatene som rapporteres her er gjort med jordprøver fra 3 forsøksfelt på elveavsetninger i ulike klimatiske områder; Sully s/loire, Vest-Frankrike, med sandig lettleire, samt Grue, Sørøst-Norge og Målselv, Nord-Norge, med sandig
181 silt. Kornfordeling og dannelse skulle ideelt sett være mest mulig lik. En innledende undersøkelse av jordprøvenes fysiske og kjemiske egenskaper ble gjort på Planteforsk Holt. Den viste forskjeller i kationbyttekapasitet og innhold av organisk materiale som er egenskaper av betydning for skjebnen til glyfosat i jord. Undersøkelsene av nedbrytning av glyfosat omfattet laboratoriestudier av mineraliseringsprosessen med kontinuerlig måling av CO2-produksjon fra jordprøver tilsatt 14 C-glyfosat (radioaktivt merka). Jordprøvene ble også ekstrahert for å finne fraksjoner av glyfosat med ulik biotilgjengelighet, for å kunne beskrive mengde plantevernmiddel tilgjengelig for mikrobiell nedbrytning. Mikrobielle jordkarakteristika som mikrobiell biomasse, generelt aktivitetsnivå og metabolsk diversitet ble målt, for å relatere variasjoner i glyfosatmineralisering til forskjeller i disse. Effekten av lave temperaturer og frysing/tining på nedbrytning av glyfosat og de nevnte mikrobielle jordkarakteristika ble undersøkt, samt at den romlige variasjonen innafor et forsøksfelt ble evaluert. Detaljer om metodikken og forsøksopplegget er beskrevet hos Stenrød (2004). Resultater og diskusjon Direkte og indirekte effekter av temperatur på nedbrytning av glyfosat Økt temperatur ga økt nedbrytning av glyfosat (Figur 1, venstre graf). Nedbrytningen var en to-fase prosess under alle de undersøkte temperaturene over 0 C, og de to fasene kunne delvis forklares utfra redusert tilgjengelighet av glyfosat over tid. En temperaturøkning på 10 C (fra +5 C til +15 C) ga mer enn en dobling i total mengde glyfosat mineralisert i løpet av en 7 ukers periode. Vi så en klar sammenheng mellom jordas totale mikrobielle aktivitet og nedbrytning av glyfosat (Figur 1, høyre graf), noe som bekrefter tidligere resultater. Glyfosat brytes hovedsakelig ned via mikrobielle prosesser (Torstensson & Aamisepp 1977), og flere mikrobielle jordparametre er vist å samvariere med nedbrytningen av plantevernmidler (Torstensson & Stenström 1986, Haney et al. 2002, Jones & Anayevna 2001). I tillegg viste resultatene en slik sammenheng også ved lave temperaturer og gjennom perioder med skiftende temperatur og frysing og tining av jorda (data ikke vist). Temperaturresponsen i nedbrytningen av glyfosat varierte mellom de ulike jordprøvene. Dette kan delvis forklares ut fra at de var tatt ut i klimatisk ulike områder (Nord-Norge, Sørøst-Norge, Vest-Frankrike) da nedbrytningsaktiviteten var høyere i sørlige kontra nordlige jordprøver. Total aktivitet viste imidlertid ikke samme grad av variasjon. Noe av forklaringen ligger i forskjeller mellom jordprøvene mhp. binding av glyfosat (sterkere binding i nordlig jord), men trolig spesielt i sammensetningen av det mikrobielle samfunnet.
182 M. Stenrød et al. / Grønn kunnskap 9 (2) Figur 1. Observert mønster for nedbryting av glyfosat ved ulike temperaturer (punkter) og prosessen modellert i henhold til to-fase 1. ordens kinetikk (linjer) eksemplifisert ved jord fra Sully s/loire (venstre graf), samt den observerte sammenhengen mellom nedbrytning av glyfosat og generell mikrobiell aktivitet (observert = punkter, lineær regresjon = linjer) for jord fra de undersøkte lokalitetene (høyre graf) Den mikrobielle aktiviteten varierer gjennom perioder med frysing og tining av jorda (Figur 2). Aktivitetsnivået øker raskt etter tining av jorda, og det synes ikke å være noen vedvarende negativ effekt av gjentatte fryse-tine sykluser. Figur 2. Observert generell mikrobiell aktivitet (frigjort CO2) under ulike temperaturregimer (vintersimuleringer) i jord fra lokaliteten i Grue (venstre graf), samt detaljer for inkubasjonen med 3 ukers temperatursvingninger mellom 5 C og +5 C i jord fra begge de undersøkte lokalitetene (høyre graf). Glyfosat = prøve tilsatt radioaktivt glyfosat, vann = prøve kun tilsatt milliq-vann (kontroll), +5 C = prøve inkubert ved +5 C, SV = prøve inkubert vekselvis 24 t ved +5 C og 24 t ved -5 C, LV = prøve inkubert vekselvis 3 u ved -5 C og 3 u ved +5 C, -5 C = prøve inkubert ved -5 C.
183 Antallet frostfrie dager var av større betydning enn hyppigheten av de faktiske temperaturfluktuasjonene (mellom +5 C og -5 C). Vi observerte lav, men målbar aktivitet også i konstant frossen jord (-5 C), men total glyfosatmineralisering gjennom en 12 ukers periode var neglisjebar. Disse resultatene illustrerer et klart potensiale for nedbrytning av glyfosat også gjennom høsten og vinteren dersom temperaturforholdene ligger til rette for det. Høst- og vinterklima vil være av stor betydning for nedbrytningsforløpet da glyfosat ofte sprøytes etter innhøsting. Naturlig variasjon I tillegg til de observerte variasjonen i nedbrytning av glyfosat som følge av temperaturvariasjoner og jord, kommer den naturlige variasjonsbredden innafor et jordbruksareal (horisontalt og vertikalt). Forsøk på sandig silt har vist stor variasjon i mikrobiell aktivitet i jorda gjennom vekstsesongen som man kan forvente utfra skiftninger i temperatur og fuktighet, utviklingsstadier for veksten mm. Variasjonen er til dels stor også over korte avstander innafor et jordbruksareal. Forsøk med prøver tatt ut fra de øvre 10 cm over et areal på 54 m x 60 m, viste relativt store naturlige variasjoner (Figur 3) ved inkubasjon under konstante og tilnærmet optimale forhold i laboratoriet. Relativ mengde mineralisert glyfosat gjennom en 8 ukers periode varierte Figur 3. Observert variasjon i glyfosatmineralisering (frigjort 14 C-CO2) i jordprøver fra forsøksfeltet i Grue. 26 eksemplifiserer en prøve med rask nedbrytning av glyfosat og 55 en prøve med langsom nedbrytning. Hovedvekten av de undersøkte prøvene viste et nedbrytningsmønster som lå innafor grensene vist ved prøvene 22 og 8, som angir ytterpunktene for hovedvekten av variasjonsbredden innafor feltet. Totalt tilsatt mengde glyfosat var 1,16 mg glyfosat pr. kg tørr jord
184 M. Stenrød et al. / Grønn kunnskap 9 (2) mellom 2 og 35 %, men hovedtyngden av observasjonene lå mellom 20 og 30 %. Foreløpige analyser av disse resultatene indikerer en sammenheng med overflatetopografien og dens innvirkning på vannstrømnings-/ansamlingsmønstre, selv om dette var et relativt flatt areal. Det var raskere mineralisering i forsenkinger i terrenget trolig pga. høyere jordfuktighet og høyere innhold av organisk materiale. Grundigere analyser av mikrotopografien må til for å gi sikker informasjon om dette. Dybdevariasjoner i mikrobiell biomasse, aktivitet og diversitet vil være av betydning for nedbrytning av glyfosat og plantevernmidler generelt. De øvre 50 cm av jordprofilet inneholder størsteparten av den mikrobielle biomassen, og mulighetene for nedbrytning av plantevernmidler er større her enn dersom middelet transporteres med vannstrømmen til dypere jordlag. Dette er en reell fare under regnperioder og snøsmelting, og øker risikoen for forurensning av grunnvannet. Våre undersøkelser viste en klar endring i sammensetningen av det mikrobielle samfunnet med økende jorddyp. Dette vil trolig også ha betydning for muligheten for nedbrytning av plantevernmidler i dypere jordlag pga. endringer i nedbrytningskapasitet/-funksjonalitet sammen med en reduksjon i organisk materiale som er et nødvendig vekstsubstrat for jordmikrobene. Avsluttende kommentar Generelt sett representerer disse resultatene glyfosatmineralisering i kaldt klima i toppjord av sandig silt. Glyfosat er et plantevernmiddel som brytes raskt ned når det er tilgjengelig for mikroorganismer, men det bindes i utgangspunket raskt og sterkt i mineraljord. Sprøytetidspunkt og høst- og vinterklima vil være viktige faktorer som bestemmer nedbrytningshastigheten og mulighetene for mikrobiell nedbrytning i det hele. Det er mikrobiell aktivitet i jorda selv ved temperaturer nær og under 0 C, men nedbørsperioder og stor vertikal strømning i jorda øker risikoen for rask transport av høstsprøyta plantevernmidler til dypere jordlag hvor den mikrobielle nedbrytningsaktiviteten er lav, og øker risikoen for forurensning av grunnvannet. Slike transportprosesser var ikke tema for de studiene som danner grunnlag for denne presentasjonen, men resultatene må knyttes opp mot undersøkelser av transportprosesser under tilsvarende klimaforhold. Et viktig fokus vil da være frysing og tining og partikkelbundet transport, som er spesielt aktuelt for midler som glyfosat som bindes sterkt i jord. Andre deler av prosjektet Plantevernmidler i miljøet har fokusert på transportprosesser (se innlegg av Jens Kværner, Jordforsk) samt forsvinningsbilde av glyfosat (se innlegg av Marit Almvik, Planteforsk Plantevernet) i felt. Mikrobielle jordparametre og glyfosatmineraliseringsaktivitet viser stor variasjon både romlig og over tid. Når det i tillegg er en stor tilfeldig variasjon,
185 blir det vanskelig å finne klare grunndata for å vurdere eventuelle effekter av endringer i klimatiske betingelser. Detaljer om resultatene som er presentert her er beskrevet hos Stenrød (2004). Takk til Norges forskningsråd for finansiering av prosjektet. Maut Retif, Claudette St Steban og Véronique Etievant (UMR INRA INA-PG) for praktisk assistanse. Referanser Eklo, O.M., Kværner, J., Solbakken, E., Solberg, I. & Sorknes, S. 2002. Potetdyrking og forurensning av grunnvann med plantevernmidler. Grønn Forskning 46/2002, Planteforsk, Ås, Norge, 49 s. Haney, R.L., Senseman, S.A., Krutz, L.J. & Hons F.M. 2002. Soil carbon and nitrogen mineralization as affected by atrazine and glyphosate. Biology and Fertility of Soils 35: 35-40. Jones, W.J. & Ananyeva, N.D. 2001. Correlations between pesticide transformation rate and microbial respiration activity in soil of different ecosystems. Biology and Fertility of Soils 33: 477-483. Ludvigsen, G.H. & Lode, O. 2001. Results from JOVA The agricultural and environmental monitoring program of pesticides in Norway 1995-1996. Fresenius Environmental Bulletin 10: 470-474. Ludvigsen, G.H. & Lode, O. 2002a. Jordsmonnovervåking i Norge. Pesticider 2000. Jordforsk Rapport 6/02, Jordforsk, Ås, Norge, 43 s. Ludvigsen, G.H. & Lode, O. 2002b. Jordsmonnovervåking i Norge. Pesticider 2001. Jordforsk Rapport 82/02, Jordforsk, Ås, Norge, 35 s. Ludvigsen, G.H. & Lode, O. 2003. Tap av pesticider fra jordbruksareal. Resultater fra Jord- og vannovervåking i landbruket 2002. Jordforsk Rapport 104/03, Jordforsk, Ås, Norge, 45 s. Stenrød, M. 2004. Effects of pedo-climatic conditions on the degradation of glyphosate; Soil microbial activity and glyphosate mineralization at low temperatures and during frost events. Dr. scient. thesis, 135 pp. Department of Plant and Environmental Sciences, Norwegian University of Life Sciences, Norway. Torstensson, L. & Aamisepp, A. 1977. Detoxification of glyphosate in soil. Weed Research 17: 209-212. Torstensson, L. & Stenström, J. 1986. Basic respiration as a tool for prediction of pesticide persistence in soil. Toxicity Assessment 1: 57-72.