《All Life》：Climate change and pesticide dynamics: challenges and implications for environmental fate in a warming world
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日益加剧的气候变化正对全球农业构成重大挑战，尤其在农药施用动态及其环境归趋方面表现显著。气温升高、降水格局改变及极端天气事件频发，深刻影响着农药在土壤、水体和大气中的持久性、迁移转化与降解过程，可能进一步放大其对生态系统和人类健康的潜在风险。本叙述性综述综合了
日益加剧的气候变化正对全球农业构成重大挑战，尤其在农药施用动态及其环境归趋方面表现显著。气温升高、降水格局改变及极端天气事件频发，深刻影响着农药在土壤、水体和大气中的持久性、迁移转化与降解过程，可能进一步放大其对生态系统和人类健康的潜在风险。本叙述性综述综合了当前关于气候变化与农药行为相互作用的研究进展，重点阐述了化学稳定性、挥发作用、淋溶过程及生物富集等关键影响因素。研究人员同时探讨了其对传粉昆虫、土壤微生物群落和水生生态系统等非靶标生物的深远影响。文章还评估了包括人工智能（AI）和机器学习（ML）工具在内的预测建模方法，分析了其在不同气候情景下预测农药归趋的潜力。最后，研究人员讨论了在不断变暖的全球背景下，实现可持续农药管理所面临的监管挑战与适应性策略。本综述强调，迫切需要开展综合性研究与政策干预，以应对气候变化背景下农药风险的叠加效应。
引言
背景：自20世纪中叶以来，农药通过防控杂草、害虫和真菌，已成为常规农业体系的重要组成部分，极大地减少了生物因素导致的作物损失，保障了产量稳定性。据联合国粮农组织（FAO）数据，全球农药消费量已从1990年的约230万吨增至2018年的410万吨，亚洲是最大的消费区，中国、美国、巴西和阿根廷为主要消费国。尽管农药提升了短期产量，但其广泛使用也导致了生物多样性丧失、土壤与水污染及生态系统服务破坏等负面生态效应。
气候变化趋势与环境压力概述：人为气候变化正通过温度和降水机制的改变、极端事件频率增加以及病虫害压力的演替深刻影响农业系统。全球地表温度升高、降水变率增大及干旱或暴雨等极端天气频发，不仅延长了害虫的活动期、扩大了其地理分布范围，还改变了农药发挥作用的物理化学环境，对基于历史气候基线建立的风险评估模型提出了挑战。
研究交叉领域的必要性：理解气候变化与农药动态的相互作用对于推进可持续农业实践及保护生态环境至关重要。气候驱动因素可能同时增加农药投入量并改变其在环境中的降解、挥发和迁移路径。此外，气候因素还可能影响害虫的抗药性进化。因此，亟需综合现有知识，完善预测模型、监管框架及适应策略，以应对化学胁迫与气候变率的双重挑战。
农药分类与类型
杀虫剂、除草剂、杀菌剂与生物农药：农药主要分为杀虫剂、除草剂和杀菌剂。杀虫剂主要包括有机磷类、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类等，虽靶向特异性不断提高，但仍对传粉昆虫和水生无脊椎动物构成高风险。除草剂占全球农药用量的主导地位，其作用机制涉及干扰光合作用、氨基酸合成等，草甘膦、莠去津（atrazine）等的大规模使用导致了环境残留及抗性杂草的爆发。杀菌剂主要用于防控真菌病害，由于多具保护性，施药频率高，易在环境中积累。生物农药源于微生物或植物提取物，虽被认为环境友好，但其药效和环境归趋同样受温湿度等气候因子的显著影响。
传统剂型与新兴剂型：传统剂型基于相对稳定的气候假设开发，而在高温、强蒸发及极端降水的气候情景下，其行为可能发生显著偏离。新兴剂型如纳米农药（nanopesticides）、控释制剂等旨在提高靶向性并减少非点源污染。然而，这些新型制剂因其特殊的理化性质，在动态气候条件下的环境归趋、生物可利用性及长期生态效应仍存在不确定性，需要更新的监管框架进行评估。
农药的环境归趋
降解途径：光解、水解与微生物降解：农药降解是决定其环境持久性的关键。光解是主要的非生物途径，增强的紫外线（UV）辐射会加速合成拟除虫菊酯和新烟碱类（如吡虫啉imidacloprid）的光解，并可能产生比母体化合物毒性更高的转化产物。水解对含酯键和酰胺键的化合物尤为重要，升温通常会加速其反应动力学。微生物降解是土壤和沉积物中农药转化的主导生物途径，受温度、湿度和氧气可用性调控；气候变化导致的干湿交替可能抑制或促进特定菌群活性，且长期暴露可能筛选出具有加速降解能力的微生物群落，导致药效下降或产生有害代谢物。
在土壤、水体和大气中的持久性：农药持久性常用环境半衰期表示。在土壤中，吸附作用受有机质含量调控，气候变化引起的土壤结构变化会改变吸附-解吸平衡，增加地下水污染风险。在水体中，强降雨引发的径流是农药进入地表水的主要途径，而升温虽加速降解，却可能因生物可利用性增加而加剧毒性。在大气中，升温会增加中等蒸气压农药的挥发速率，促进其通过大气环流进行长距离迁移，甚至沉降至极地等偏远地区。
生物富集与生物放大：亲脂性且难降解的农药易在生物体内蓄积，并通过食物链产生生物放大效应。气候变化可能通过改变物种分布、食物网结构及生物体代谢速率间接加剧这一过程。例如，升温可能增加生物体的吸收速率，同时削弱其解毒能力，使得低浓度的农药也可能对处于胁迫状态下的生物产生更严重的危害。
气候变化对农药行为的影响
温度对化学稳定性与挥发作用的影响：温度升高通常遵循阿伦尼乌斯方程（Arrhenius principle）加速化学反应，但效应具有化合物特异性。升温不仅增强挥发导致大气负荷增加，还可能改变降解路径，产生不同于历史基线下的代谢产物，这些未知代谢物的毒性可能被传统监测手段遗漏。
降水与湿度变化对淋溶和径流的影响：降水强度增加会显著增强地表径流，将弱吸附性农药快速带入水体；而持续强降水则会增加可溶性农药的淋溶风险，威胁浅层地下水安全。大气湿度的变化则会影响农药在植物表面的附着与持留时间，进而改变其被雨水冲刷或挥发的几率。
极端天气事件（洪水、干旱）的影响：洪水可重新激活并迁移沉积在土壤中的历史残留农药；干旱则因降解受阻导致农药在土壤中浓缩，随后的复湿过程可能引发污染物的脉冲式释放。热浪和风暴分别加剧了挥发和飘移风险，这些非线性、突发的分散模式挑战了传统稳态暴露评估的假设。
与土壤和水系统的相互作用
气候胁迫下土壤化学性质与微生物群落的变化：气候变暖可能加速土壤有机碳矿化，降低土壤对疏水性农药的截留能力。土壤微生物群落的结构和功能对温湿度极为敏感，极端气候可能导致多样性丧失，削弱其自然衰减功能，而反复施用则可能诱导产生“增强型生物降解”，改变特定农药（如莠去津）的环境行为。
吸附-解吸动力学的改变：升温通常降低农药在土壤颗粒上的吸附强度，增加其在土壤溶液中的比例，从而促进淋溶。干湿交替循环会破坏土壤团聚体，释放被禁锢的残留物。
地下水污染与水生生态系统效应：气候变化增强了农业土壤与水体的水文连通性。强降雨引发的径流会导致河流、湖泊中农药浓度瞬时激增，造成急性毒性；同时，水温升高会加剧农药对水生生物的生理胁迫，破坏内分泌系统和繁殖功能，降低生态系统的恢复力。
对非靶标生物与生态系统健康的影响
传粉昆虫、有益昆虫与野生动物：气候变化可能通过物候错配，增加传粉昆虫接触系统性杀虫剂的机会。升温还会增加生物体的代谢压力，降低其对农药毒性的耐受阈值。野生动物则通过食物链暴露于生物富集的农药残留中，面临种群衰退的风险。
微生物群落演替：农药与气候变化的复合胁迫可能导致土壤和水体微生物群落功能同质化，削弱氮循环等关键生态功能，降低生态系统对污染物输入的缓冲能力。
气候诱发的生态毒理学风险放大：现有的生态毒理学评估多基于标准化实验室条件，往往低估了真实环境下的复合风险。气候变暖与农药暴露的结合可产生协同效应，导致亚致死水平的农药即可引发内分泌干扰和行为异常。
对人类健康与毒理学的启示：气候驱动的降水模式改变增加了饮用水源受农药及其有毒代谢物污染的几率；气温升高导致的挥发增强则增加了人群经呼吸途径的暴露风险。此外，通过食物网的生物放大作用，人类面临更高的神经发育毒性和致癌风险。
气候情景下的农药归趋建模与预测
当前预测模型（如GIS、机理模型）：传统的机理模型和地理信息系统（GIS）模型主要基于历史气候数据进行模拟，在气候非平稳性日益显著的背景下，其预测可靠性面临挑战。
气候适应性预测的局限性：现有模型难以捕捉极端天气事件引发的非线性过程，且气候模型本身的不确定性会向下传递至风险评估结果。此外，模型中常将微生物降解等生物过程简化为静态参数，无法反映气候对其动态调控的真实情况。
新兴AI与机器学习（ML）风险评估方法：AI/ML能够处理海量异构数据，识别复杂的非线性关系，结合遥感与气候数据动态调整预测。然而，深度学习等算法的“黑箱”特性缺乏透明度，难以满足监管机构对模型可解释性的严格要求，限制了其在正式审批中的应用，亟需引入可解释人工智能（XAI）技术。
政策、监管与适应策略
变化气候下的监管挑战：现行的农药登记制度多基于静态环境假设，未充分考虑气候介导的变量。特别是在低收入和中等收入国家（LMICs），由于缺乏高分辨率的本地化监测数据，难以制定针对性的风险管理措施。
可持续农药管理实践：应推动从被动的化学防治向综合病虫害管理（IPM）转型。利用精准施药技术和新型制剂减少流失，根据天气预报调整施药窗口，推广生物农药和抗性作物品种。
气候韧性农业策略：通过种植多样化、轮作和保护性耕作改善土壤健康，增强其对农药的缓冲能力。在景观尺度上，建设植被缓冲带和人工湿地，以拦截极端降水期间的农药径流。
知识缺口与未来方向
气候-农药相互作用的研究需求：亟需开展长期的实地研究，揭示真实气候条件下农药的行为机制，特别是多种气候因子耦合对降解路径和生物有效性的影响。
环境监测、建模与预测毒理学的整合：未来应建立高频次的监测网络，结合机理模型与数据驱动模型，并融入高通量筛选和组学（Omics）生物标志物技术，构建统一的、前瞻性的风险评估框架。
结论
总结：本综述阐明气候变化通过改变化学稳定性、迁移转化及生物效应深刻影响农药动态，挑战了传统基于稳态假设的监管体系。
对全球粮食安全与环境可持续性的启示：在变暖的世界中，保障粮食安全不能依赖单纯增加农药用量。必须将气候因素纳入农药管理全生命周期，发展兼具生态韧性和生产效能的可持续农业系统，这既是科学挑战，也是社会共同的责任。
