陳洋，周軍英,,*，程燕，廖建華

1.南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

2.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京210042

農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展

陳洋1，周軍英1,2,*，程燕2，廖建華1

1.南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

2.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京210042

農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可為農(nóng)藥登記和農(nóng)藥的環(huán)境安全管理提供重要的科學(xué)依據(jù)。水稻生產(chǎn)過程中病蟲草害嚴(yán)重,農(nóng)藥使用品種多、頻次高,田水存留時(shí)間長,對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)高。開展農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章詳細(xì)介紹了歐盟和美國的水稻-地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展,包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序、暴露評(píng)估模型及暴露場景等?？偨Y(jié)了我國農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究現(xiàn)狀,并分析了我國研究的不足之處。在此基礎(chǔ)上,提出了加強(qiáng)我國農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的建議。

農(nóng)藥；稻田；地下水；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

農(nóng)藥的多年廣泛使用已經(jīng)并正在使許多寶貴的地下水源被污染[1]。在1992—2001年之間,美國調(diào)查發(fā)現(xiàn),在全國范圍內(nèi),超過50%的井水中檢測(cè)出一種或多種農(nóng)藥殘留；同時(shí)在約1/3提供水源的深層井水中檢測(cè)出一種或多種農(nóng)藥殘留[2]。從2001年起,Tariq等[3]在巴基斯坦的4個(gè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)了37個(gè)開放井水中的農(nóng)藥殘留,8種常用農(nóng)藥有6種均在水樣中檢出。2007年,Goncalves等[4]檢測(cè)了葡萄牙農(nóng)田區(qū)域地下水中42種農(nóng)藥,結(jié)果發(fā)現(xiàn),9%的地下水樣中莠去津的濃度超過0.1μg·L-1,6%的地下水樣中異丙甲草胺濃度超過0.1μg·L-1。2013年,孔德洋等[5]在我國江蘇通州地區(qū)采集了50份地下水水樣,對(duì)有機(jī)氯農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè),其中六六六(HCHs)和滴滴涕(DDTs)的檢出率分別為6%和44%。2014年,張光貴等[6]在湖南岳陽市地下水中,檢測(cè)出有機(jī)氯農(nóng)藥殘留,其中六六六(HCHs)和滴滴涕(DDTs)的檢出率分別為72.2%和22.2%。

水稻生產(chǎn)不同于旱地作物,水稻生產(chǎn)過程中病蟲草害嚴(yán)重,農(nóng)藥使用品種多、頻次高。水稻生產(chǎn)過程中還存在頻繁的灌溉排水和較高的季節(jié)性降水。農(nóng)藥施用到稻田后,只有約30%左右能夠被利用,一部分會(huì)通過淋溶進(jìn)入到地下水體中,對(duì)地下水體造成較大的污染風(fēng)險(xiǎn)。李炳華等[7]采集并分析太湖流域農(nóng)業(yè)區(qū)56個(gè)淺層地下水水樣,發(fā)現(xiàn)水樣中14種待測(cè)的有機(jī)氯農(nóng)藥,狄氏劑的檢出率為39.29%,六氯苯的檢出率為33.93%,γ-六六六和異狄氏劑的檢出率為8.93%。顯示出該農(nóng)業(yè)區(qū)已受到有機(jī)氯農(nóng)藥的污染,且水稻田附近淺層地下水中總六六六和總滴滴涕檢出率約是果園菜地淺層地下水相應(yīng)組分的2倍。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在農(nóng)藥環(huán)境安全管理中發(fā)揮著重要作用[8]。世界上部分發(fā)達(dá)國家和地區(qū)建立了農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù),開發(fā)出了各具特色的水稻-地下水暴露評(píng)估模型,并建立了相應(yīng)的暴露場景。相比而言,我國農(nóng)藥生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作整體起步較晚,農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究更是不足。在此背景下,本文總結(jié)分析了歐盟和美國水稻-地下水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序、暴露評(píng)估模型及暴露場景的最新研究進(jìn)展,旨在為我國建立農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)提供有益借鑒,從而提高我國農(nóng)藥環(huán)境安全管理水平。

1 歐盟稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展(Progress of ground water risk assessment for pesticides used in rice paddy in European Union)

歐盟水稻種植區(qū)主要集中于南歐的5個(gè)國家:意大利、西班牙、希臘、法國和葡萄牙。在水稻-地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面,歐盟在世界處于領(lǐng)先水平,專門成立了地中海水稻(Mediterranean Rice,Med-Rice)工作組,建立了稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序、第I層次和第II層次暴露評(píng)估模型及第I層次標(biāo)準(zhǔn)暴露場景[9]。

1.1 稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序

在農(nóng)藥地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序的基礎(chǔ)上歐盟專門建立了稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序:首先利用第I層次簡單公式計(jì)算農(nóng)藥在稻田使用在地下水中的預(yù)測(cè)環(huán)境濃度值(PECpgw),將PECpgw的計(jì)算結(jié)果與規(guī)定限值0.1μg·L-1進(jìn)行比較,若計(jì)算結(jié)果小于0.1μg·L-1,則認(rèn)為對(duì)地下水無風(fēng)險(xiǎn)；否則進(jìn)入第II層次,使用高層次的暴露評(píng)估模型SWAGW計(jì)算PECpgw值,若結(jié)果小于0.1μg·L-1,則認(rèn)為對(duì)地下水無風(fēng)險(xiǎn)；否則進(jìn)入第III層次,針對(duì)目標(biāo)區(qū)域更精細(xì)的模型計(jì)算PECpgw值,若結(jié)果小于0.1μg·L-1,則認(rèn)為對(duì)地下水無風(fēng)險(xiǎn)；否則進(jìn)入第IV層次,進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)研究[10]。具體程序見圖1。

1.2 暴露評(píng)估模型

為進(jìn)行農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,需要暴露評(píng)估模型模擬的支持。水稻-地下水暴露評(píng)估需要模擬2個(gè)過程,一個(gè)是模擬農(nóng)藥在稻田系統(tǒng)中的行為,另一個(gè)是模擬農(nóng)藥在地下水中的行為。在實(shí)際的模型開發(fā)中,可以分別開發(fā)出模擬2個(gè)過程的模型,再將2個(gè)模型聯(lián)用,也可以開發(fā)包含2個(gè)過程的整體模型。歐盟開發(fā)出了第I層次和第II層次的整體模型。

(1)第I層次模型

Med-Rice專家組開發(fā)了一個(gè)簡單的第I層次的模型,以計(jì)算農(nóng)藥在稻田使用后在地下水中的年均農(nóng)藥殘留量(PECpgw)[10]。該模型為整體模型,可直接給出地下水中農(nóng)藥含量。

該模型假設(shè)農(nóng)藥使用后在田土和田水中的分配是自發(fā)進(jìn)行的,只有田水中溶解態(tài)的部分能夠遷移和轉(zhuǎn)化。在整個(gè)水稻種植期,農(nóng)藥淋溶發(fā)生在以下2個(gè)時(shí)間段:第一階段是封閉期,此階段稻田處于封閉狀態(tài),保持田水在一定的高度,淋溶前的農(nóng)藥質(zhì)量為Mleak,field；第二階段是漬水期,此階段灌溉及排水同時(shí)進(jìn)行,稻田中保持漬水狀態(tài),淋溶前的農(nóng)藥質(zhì)量為Mleak,flood。兩部分之和為田水中淋溶前的農(nóng)藥總質(zhì)量Mleak。

式中:Mleak,field為農(nóng)藥在稻田使用后封閉期內(nèi)淋溶前的農(nóng)藥質(zhì)量(g·ha-1),封閉期(tclose)一般按照5 d計(jì)算。Mleak,flood為農(nóng)藥在稻田使用后漬水期淋溶前的農(nóng)藥質(zhì)量(g·ha-1),漬水期(tflood)一般按照90 d計(jì)算。

該模型中地下水指地表以下超過1 000 mm的飽和帶水,將土壤層以地表向下300、600、1 000 mm分層。每層不同的土壤特性使得對(duì)農(nóng)藥的吸附和降解作用不同,依次計(jì)算農(nóng)藥淋溶到300 mm、600 mm和1 000 mm土壤層后的農(nóng)藥殘留質(zhì)量,最終得到淋溶到地下水中的農(nóng)藥質(zhì)量Mleak(＞1000)。計(jì)算進(jìn)入到地下水中的年均農(nóng)藥殘留量PECpgw。地下水中的年均農(nóng)藥殘留量的計(jì)算公式為:

圖1 歐盟稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序注:PECpgw為農(nóng)藥在稻田使用后在地下水中的預(yù)測(cè)環(huán)境濃度值。Fig.1 Procedure of ground water risk assessment for pesticide used in rice paddy in European UnionNote:PECpgwstands for predicted annual average concentrations in the saturated zone below the paddy.

式中:PECpgw為地下水中的年均農(nóng)藥殘留量(μg·L-1),Mleak(＞1000)為淋溶到地下水中的農(nóng)藥總質(zhì)量(g·ha-1),leakage為滲透速率,是指滲透水流單位時(shí)間通過單位過水?dāng)嗝娴乃?單位為mm·d-1。

Med-Rice第I層次模型是簡單模型,輸入變量少。各國在氣象、土壤、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等多方面均存在巨大差異,該簡單計(jì)算公式輸出值保守,適用于篩選水平的評(píng)估。

(2)第II層次模型

Med-Rice專家組開發(fā)了用于第II層次模擬的地表水/地下水模型(Surface Water And Groundwater Model,SWAGW),可以計(jì)算稻田使用農(nóng)藥后稻田田水、田土和地下水系統(tǒng)中的農(nóng)藥含量(包括峰值濃度和平均濃度)[11]。

該模型假設(shè)與Med-Rice第I層次模型的假設(shè)相同,同樣把整個(gè)水稻種植期分為封閉期和漬水期2個(gè)時(shí)間段。在封閉期內(nèi),稻田為封閉系統(tǒng),封田主要考慮農(nóng)藥的淋溶、吸附和降解等過程；在漬水期內(nèi),稻田為開放系統(tǒng),除了要考慮封閉期內(nèi)的各因素,還需考慮農(nóng)藥從稻田流入地表水體的部分。

該模型使用的方程可以計(jì)算不同時(shí)間下各土壤深度的預(yù)測(cè)環(huán)境濃度值(Predicted Environmental Concentrations,PECs),計(jì)算公式如下:

式中:c為農(nóng)藥含量(μg·L-1),Disp為農(nóng)藥在土壤水中的分散系數(shù)(cm2·d-1),x為土壤深度(cm),v為水流速率(cm·d-1),k為降解速率常數(shù)(d-1)。

SWAGW模型需要的參數(shù)中,標(biāo)準(zhǔn)場景中默認(rèn)的參數(shù)值有:農(nóng)藥在稻田使用后的封田時(shí)間(封閉期)為5 d,稻田漬水期為120 d,滲透速率為1 cm·d-1,稻田中的田土深度默認(rèn)為1 m,施藥時(shí)農(nóng)藥漂移的百分比為2.77%,此外,還需要其他的水力系數(shù)[12]。Med-Rice第II層次模型SWAGW沒有考慮田水深度的變化、土壤水分蒸騰和土壤質(zhì)地,也未考慮氣候因素。但與第 I層次的簡單計(jì)算公式相比, SWAGW考慮的因素更多,因此其模擬的農(nóng)藥在田水和田土之間的分配更接近現(xiàn)實(shí)[13]。

1.3 暴露場景

場景需要選擇更脆弱、更利于淋溶至地下水的的條件參數(shù)[14],歐盟定義“現(xiàn)實(shí)中最壞條件”作為暴露場景區(qū)的選擇原則。Med-Rice工作組收集了南歐的5個(gè)成員國水稻種植主要參數(shù)(表1),構(gòu)建了一個(gè)適用于歐盟的水稻-地下水標(biāo)準(zhǔn)暴露場景,用于第I層次的評(píng)估,場景主要參數(shù)值如表2。

表1 南歐5個(gè)成員國水稻種植主要參數(shù)值Table 1 Overview of rice cropping strategies in five South-European member states

表2 歐盟水稻-地下水標(biāo)準(zhǔn)暴露場景的主要特征Table 2 Characteristics of ground water standard exposure scenario for pesticide used in rice paddy in European Union(EU)

Med-Rice工作組將第I層次標(biāo)準(zhǔn)暴露場景應(yīng)用于Med-Rice第I層次模型和Med-Rice第II層次模型SWAGW中,用以計(jì)算農(nóng)藥的暴露濃度。歐盟整體雖未建立更高層次的標(biāo)準(zhǔn)暴露場景,但南歐的4個(gè)成員國,包括希臘、意大利、西班牙和法國均建立了適用于高層次地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的場景。希臘超過77%的水稻種植在阿克西奧斯流域(Axios river basin),因此只在該流域建立了1個(gè)場景[15]。意大利建立了3個(gè)場景:第1個(gè)在曼圖亞(Mantova),代表粘粒含量較高的地區(qū)；第2個(gè)在帕維亞(Pavia),代表砂粒含量較高的地區(qū)；第3個(gè)在克里內(nèi)(Corine),代表意大利水稻種植區(qū)256個(gè)采樣點(diǎn)土壤平均情況的地區(qū)[16]。西班牙在其主要水稻種植區(qū)塞維利亞(Sevilla),埃斯特雷馬杜拉(Extremadura),塔拉貢那埃布羅河三角洲(Taragona-Ebro Delta)和巴倫西亞(Valencia)建立了高層次水稻-地下水場景[17]。法國在卡馬格(Camargue)地區(qū)建立了3個(gè)場景,該地區(qū)靠近地中海,法國75%的水稻種植在該地區(qū)。

總之,歐盟建立了稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序、暴露評(píng)估模型及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)暴露場景,在較高層次暴露評(píng)估中能模擬農(nóng)藥實(shí)際暴露情況,稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系較為完善。

2 美國稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展(Progress of ground water risk assessment for pesticides used in rice paddy in U.S.)

美國水稻種植主要分布在阿肯色州、路易斯安那州、密西西比河三角洲、墨西哥灣和加利福利亞州。其中阿肯色州種植面積最廣,達(dá)近 54萬公頃[18],但總體來說,美國水稻種植面積并不大。

2.1 稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序

美國是世界上農(nóng)藥生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)展較早的國家,形成了較完備的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[19]。但由于水稻生產(chǎn)在美國農(nóng)業(yè)中占比重較小,因此沒有專門形成針對(duì)農(nóng)藥在稻田使用后對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序,也沒有建立水稻-地下水場景體系。但在評(píng)估模型方面,美國開發(fā)了針對(duì)稻田環(huán)境和地下水環(huán)境的一系列模型,主要模型如下。

2.2 暴露評(píng)估模型

美國開發(fā)了專門模擬農(nóng)藥在稻田行為的稻田模型,如稻田水質(zhì)量模型 (RICE Water Quality, RICEWQ),用來模擬農(nóng)藥在田水和作物根區(qū)的遷移和運(yùn)轉(zhuǎn)；還開發(fā)了模擬農(nóng)藥在地下水中行為的模型,如非飽和帶流動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)模型(Vadose Zone Flow and Transport Model,VADOFT)、蓄水層稀釋/水平對(duì)流模型(Aquifer Dilution/Advection Model,ADAM),模型簡單,可預(yù)測(cè)農(nóng)藥在地下水的含量。

2.2.1 稻田模型

稻田模型用來模擬農(nóng)藥在稻田系統(tǒng)(田水以及作物根區(qū))中的行為。目前美國開發(fā)的與稻田有關(guān)的模型包括RICEWQ和漬水條件下施用的農(nóng)藥模擬模型(Pesticides in Flooded Applications Model, PFAM)。PFAM是模擬農(nóng)藥在稻田使用后進(jìn)入地表水的過程,是1個(gè)整體模型,無法用于地下水評(píng)估。RICEWQ可以和其他地下水模型聯(lián)用模擬農(nóng)藥在稻田使用后進(jìn)入地下水的過程。因此本文重點(diǎn)介紹RICEWQ。

RICEWQ是由美國Waterborne環(huán)境咨詢公司開發(fā)的,用來評(píng)估農(nóng)藥在稻田系統(tǒng)中的行為、預(yù)測(cè)農(nóng)藥的徑流流失量和模擬水稻種植的灌溉、溢流、排水等過程中水和農(nóng)藥量的平衡。RICEWQ模型模擬過程示意圖見圖2。

圖2 RICEWQ模型模擬過程Fig.2 Schematic of RICEWQ processes

該模型假設(shè)在整個(gè)稻田系統(tǒng)中,農(nóng)藥在水稻植株、田水和沉積物中滿足質(zhì)量守恒定律。該模型可以計(jì)算在稻田系統(tǒng)中不同時(shí)間下的農(nóng)藥含量,計(jì)算公式如下:

式中:?c是隨時(shí)間(?t)而變化的農(nóng)藥含量(μg·L-1),∑Minflux和∑Moutflux為農(nóng)藥在一定體積V下的累計(jì)流入和流出量(μg),∑Mreact為農(nóng)藥在整個(gè)過程中的累計(jì)轉(zhuǎn)換量(μg)。稻田模型RICEWQ可分別通過該公式計(jì)算農(nóng)藥在水稻植株、田水和沉積物中的含量。

RICEWQ模型所需的輸入?yún)?shù)包括3類:第1類是農(nóng)藥特性參數(shù),包括農(nóng)藥施用次數(shù)、施用日期、施用量、淋洗系數(shù)、水/沉積物分配系數(shù)、在水中的降解速率、在沉積物中的降解速率、混合速率、揮發(fā)速率等；第2類是沉積物特性參數(shù),包括初始的懸浮物濃度、沉淀速率、重懸速率、沉積物的孔隙度和容重等；第3類是氣候參數(shù),包括每天的降雨量及每天的蒸發(fā)量。

該模型模擬輸出水力和農(nóng)藥2個(gè)方面的文件:第一是水力方面的文件,包括水平衡方面的信息,即每天的降雨、揮發(fā)、滲濾、灌溉、溢流等；第二是農(nóng)藥方面的文件,包括農(nóng)藥物量平衡方面的信息,即農(nóng)藥的施用、溢流、在水中降解、揮發(fā)、沉淀、重懸、在水和沉積物之間擴(kuò)散和在沉積物中降解等[20]。

RICEWQ模型輸入?yún)?shù)較多,模型較復(fù)雜,用于高層次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該模型大部分參數(shù)來自野外調(diào)查,在缺乏測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下,采用專家判斷的方式得到參數(shù)值。

RICEWQ的應(yīng)用較為廣泛,歐盟在進(jìn)行水稻-地表水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)也使用RICEWQ與其他模型聯(lián)用模擬農(nóng)藥在稻田使用后在地表水中的行為。該模型也在其他國家,如中國、希臘和澳大利亞等國家得到應(yīng)用[21-23]。該模型可以單獨(dú)評(píng)估農(nóng)藥在田水中的遷移和運(yùn)轉(zhuǎn)。在進(jìn)行地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作時(shí),需將RICWQ模型與地下水模型聯(lián)用。

2.2.2 地下水模型

地下水廣義上是指埋藏在地表以下各種形式的重力水,狹義上是指含水層中飽和帶的水[24]。農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要研究的是狹義上的地下水。地下水模型是用來模擬農(nóng)藥從作物根區(qū)到地下水過程中的遷移與轉(zhuǎn)化。地下水模型包括模擬土壤中非飽和帶及飽和帶中農(nóng)藥的遷移和轉(zhuǎn)化的模型。美國目前開發(fā)的地下水模型有非飽和帶流動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)模型(Vadose Zone Flow and Transport Model,VADOFT)、蓄水層稀釋/水平對(duì)流模型(Aquifer Dilution/Advection Model,ADAM)以及農(nóng)藥根際區(qū)帶-地下水暴露分析模型(Pesticide Root Zone Model-Ground Water,PRZM-GW)。但PRZM-GW目前應(yīng)用在農(nóng)藥在旱地使用對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究中,不適用稻田場景下的模型模擬[25]。因此本文著重介紹VADOFT和ADAM模型。

(1)VADOFT

VADOFT用來預(yù)測(cè)農(nóng)藥在作物根區(qū)以下非飽和帶的遷移和轉(zhuǎn)化。該模型近似模擬非飽和帶中水分的運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn),是PRZM3模型的第2組成部分,可以預(yù)測(cè)農(nóng)藥在作物根區(qū)以下的非飽和帶的運(yùn)動(dòng)繼而評(píng)估后繼的地下水污染[26]。轉(zhuǎn)運(yùn)過程包括水力分散、水平對(duì)流、線性平衡吸附和一級(jí)衰減。VADOFT模型模擬過程示意圖見圖3。

圖3 VADOFT模型模擬過程Fig.3 Schematic of VADOFT processes

VADOFT使用Richard方程來計(jì)算水分的一維單相運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)在飽和多孔介質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其中,水分的一維單相運(yùn)動(dòng)中達(dá)西流速的計(jì)算方程為:

式中:V為達(dá)西流速(L·T-1),ψ為負(fù)壓水頭(L), K為飽和導(dǎo)水率(L·T-1),krw為相對(duì)滲透率,z為垂直坐標(biāo)值(L)。

溶質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)中流速的計(jì)算方程為:

式中:Vsol為溶質(zhì)的流速(L·T-1),V為達(dá)西流速(L·T-1),θ為土壤含水量,R為延遲系數(shù)。

VADOFT輸入?yún)?shù)包含2個(gè)方面的數(shù)據(jù):第一是土壤特性數(shù)據(jù),包括飽和滲透系數(shù)、單位儲(chǔ)水量、有效孔隙度等；第二是水力參數(shù),包括達(dá)西流速、延遲系數(shù)等。該模型可單獨(dú)應(yīng)用,也可與RICEWQ聯(lián)用,模擬農(nóng)藥在作物根區(qū)以下的非飽和帶的運(yùn)動(dòng)。

(2)ADAM

蓄水層可被視作一個(gè)持續(xù)混合的反應(yīng)器,ADAM可預(yù)測(cè)化學(xué)物質(zhì)在其中的稀釋、分配、持留及轉(zhuǎn)運(yùn)。ADAM可模擬一個(gè)母體化合物以及4個(gè)以下的降解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)行為。ADAM模型模擬過程示意圖4。

圖4 ADAM模型模擬過程Fig.4 Schematic of ADAM processes

ADAM模型以化學(xué)物質(zhì)平衡法則為基礎(chǔ),模擬農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的揮發(fā)、降解以及在土壤孔隙水和蓄水層介質(zhì)之間的分配。其計(jì)算方程為:

式中:?M為隨時(shí)間(?t)而變化的農(nóng)藥質(zhì)量,Min為淋溶到含水層的農(nóng)藥質(zhì)量,Mform為化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中代謝量,Mdeg為降解的農(nóng)藥質(zhì)量,Mvolat為揮發(fā)的農(nóng)藥質(zhì)量,Mout為農(nóng)藥流出量。

該模型以水平衡法則計(jì)算水的回流和橫向流,其中的橫向流用達(dá)西法則計(jì)算:

式中:Qlat為側(cè)向水流量(m3·d-1),Kh為蓄水層滲透速率(m·d-1),I為水利梯度(m·m-1),A為控制體積下的橫向斷面面積(m2)。

ADAM模型的輸入文件包括含水層特性參數(shù)、農(nóng)藥特性參數(shù)和水管理時(shí)間等數(shù)據(jù)[27]。VADOFT作為溝通稻田模型與飽和帶模型的橋梁,模擬非飽和帶中水分的運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)的轉(zhuǎn)移之后,可再使用ADAM預(yù)測(cè)地下蓄水層中農(nóng)藥的殘留量。將RICEWQ、VADOFT和ADAM聯(lián)用,可以用于預(yù)測(cè)農(nóng)藥在稻田使用后在地下水蓄水層中農(nóng)藥的殘留量。

3 我國稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展(Progress of ground water risk assessment for pesticides used in rice paddy in China)

我國是世界上的稻谷生產(chǎn)大國,水稻種植面積約占世界水稻種植總面積的25%。水稻也是我國種植面積最大的糧食作物,種植面積約占糧食作物面積的30%。我國亦是農(nóng)藥生產(chǎn)與使用大國,農(nóng)藥的生產(chǎn)量自2007年以來,超越了美國的農(nóng)藥生產(chǎn)量,位居世界第一,農(nóng)藥使用量近年來一直位居世界首位[28]。

水稻一般生長在多雨、高溫的季節(jié),病蟲草害嚴(yán)重,相對(duì)于其他作物,水稻上使用的農(nóng)藥種類和數(shù)量均較多。目前,國內(nèi)水稻消耗農(nóng)藥量占總消耗量的60%左右。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2010年7月,在我國水稻上登記的農(nóng)藥有效成分有214種,其中:殺菌劑有83種；殺蟲劑有58種；除草劑49種；植物生長調(diào)節(jié)劑19種；其他,如殺螺劑等5種[29]。2015年《江西省主要農(nóng)作物病蟲害防治安全科學(xué)用藥指南》中,在水稻上推薦使用的農(nóng)藥種類為53種,其中水稻殺蟲劑25種,水稻殺菌劑28種[30]。在水稻生長周期中,農(nóng)藥使用次數(shù)很多,通常都在4～5次,多的可達(dá)7～8次。因此,開展我國稻田用藥對(duì)地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估非常重要。我國已相繼開展了一些重要項(xiàng)目的研究,也取得了一定的成果?？偨Y(jié)如下:

3.1 地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序

我國風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估起步較晚,地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的工作較少,借鑒歐盟地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序,建立了我國地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序。但目前還未建立針對(duì)農(nóng)藥在稻田使用后對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序。

我國將農(nóng)藥對(duì)地下水的污染評(píng)估分為4個(gè)層次:第I層次評(píng)估使用簡單模型進(jìn)行預(yù)測(cè),如果模型預(yù)測(cè)濃度大于農(nóng)藥在地下水中的限值標(biāo)準(zhǔn),需進(jìn)入第II層次評(píng)估；第II層次評(píng)估選擇高層次的暴露評(píng)估模型作為評(píng)估模型,如果模型預(yù)測(cè)濃度仍大于限值標(biāo)準(zhǔn),則首先選擇風(fēng)險(xiǎn)減少措施,確定是否能將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受水平,如不能,需進(jìn)入第III層次評(píng)估；第III層次評(píng)估采用淋溶試驗(yàn),將淋溶濃度與農(nóng)藥在地下水中的限值進(jìn)行比較,如果模擬淋溶濃度仍大于限值標(biāo)準(zhǔn),則選擇風(fēng)險(xiǎn)減少措施,確定是否能將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受水平,如不能,需進(jìn)入第IV層次評(píng)估；第IV層次評(píng)估采用實(shí)際監(jiān)測(cè)研究,將實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與農(nóng)藥在地下水中的限值進(jìn)行比較,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)作出表征。

3.2 稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模擬平臺(tái)構(gòu)建

近年來,農(nóng)藥登記及環(huán)境安全管理部門已逐漸認(rèn)識(shí)到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要性,相繼開展了一些重要項(xiàng)目的研究。如農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所與荷蘭瓦赫寧根大學(xué)阿爾特拉研究所(Alterra)合作開展了“中荷合作農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目”,開發(fā)了TOP-RICE暴露平臺(tái),構(gòu)建了2個(gè)水稻-地下水暴露場景[31]；環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所與美國Waterborne環(huán)境咨詢公司合作開展了“農(nóng)藥生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)研究項(xiàng)目”,構(gòu)建了農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估暴露模擬平臺(tái)(Pesticide Risk Assessment Exposure Simulation Shell,PRAESS)[32]。PRAESS包含PRZM-EXAMS、RICEWQ-EXAMS、PRZM-ADAM 3套模型系統(tǒng),可以分別模擬旱地作物-地表水、水稻-地表水和旱地作物-地下水3類場景體系[33],目前,該平臺(tái)正在增補(bǔ)水稻-地下水模型的部分。

3.3 暴露場景

針對(duì)農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,我國尚未公開發(fā)布的完整的水稻-地下水暴露場景體系。農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所構(gòu)建了,2個(gè)適用于中國南方的地下水暴露場景。環(huán)保部南京環(huán)境科學(xué)研究所構(gòu)建的PRAESS中,共整合了6個(gè)暴露場景,包含旱地作物-地表水、水稻-地表水和旱地作物-地下水3類場景體系,還缺少水稻-地下水場景體系。我國幅員遼闊,各地區(qū)水稻種植、氣象、土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況各不相同,為進(jìn)行更為精確的高層次暴露評(píng)估,需對(duì)全國的水稻種植區(qū)域進(jìn)行一個(gè)全面的、詳細(xì)的劃分?？傊?建立完整的我國水稻-地下水暴露場景體系成為當(dāng)務(wù)之急。

4 加強(qiáng)我國稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的建議(Suggestion of enhancing ground water risk assessment for pesticides used in rice paddy in China)

歐盟的稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序和方法較為成熟,美國開發(fā)了多個(gè)稻田模型和地下水模型,而我國水稻地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究則剛剛起步,還需加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作:

(1)建立稻田地下水農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序

我國亟需根據(jù)農(nóng)藥環(huán)境安全管理的實(shí)際需求和現(xiàn)有土地利用情況,并借鑒歐盟較為成熟的地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序與方法,開展我國農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序研究,建立有針對(duì)性的農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序。

(2)篩選與開發(fā)適用的水稻-地下水暴露評(píng)估模型

近年來國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行的一些地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作是以國外開發(fā)的地下水模型為基礎(chǔ)的。今后在進(jìn)行水稻-地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究時(shí),應(yīng)篩選與開發(fā)適合我國實(shí)際情況的稻田暴露評(píng)估模型與地下水暴露評(píng)估模型。

(3)構(gòu)建我國水稻-地下水暴露場景體系

中國氣候多樣、土壤類型復(fù)雜、地形多變,不同地區(qū)水稻種植制度差異較大。因此,在借鑒歐盟水稻-地下水暴露場景體系構(gòu)建方法的同時(shí),需根據(jù)各地區(qū)不同的種植制度、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、氣候和土壤特性等因素,建立我國水稻-地下水暴露場景體系構(gòu)建方法,構(gòu)建我國水稻-地下水暴露場景體系,以滿足不同地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的需求。

(4)進(jìn)一步完善農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估暴露模擬平臺(tái)

近年來,我國開展的相關(guān)研究項(xiàng)目在農(nóng)藥暴露評(píng)估方面取得了突破性的進(jìn)展,開發(fā)構(gòu)建了一系列暴露評(píng)估工具。但我國農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估暴露模擬平臺(tái)還不夠完善,應(yīng)當(dāng)加大農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的工作力度,為完善我國農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)和方法,推動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的早日應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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Progress of Ground Water Risk Assessment for Pesticides Used in Rice Paddy

Chen Yang1,Zhou Junying1,2,*,Cheng Yan2,Liao Jianhua1
1.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology(CICAEET),Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China
2.Nanjing Institute of Environmental Sciences,MEP,Nanjing 210042,China

22 October 2015 accepted 20 November 2015

Pesticide ecological risk assessment provides scientific basis for pesticide registration and environmental safety management.In rice cultivation,the high occurrence of diseases,pests and weeds requires many pesticides to be used frequently over the growing season.Additionally,the presence of rice paddy water is often required for a relatively long time after pesticide application.All these factors may pose potential risk of groundwater contamination.Hence,it is important to conduct ground water risk assessment for pesticides used in rice paddy.In this paper, progresses on groundwater risk assessment of EU and U.S.for pesticides used in rice paddy were reviewed,including risk assessment procedures,exposure models and scenarios.Current status of groundwater risk assessment in China was also summarized and shortcomings were analyzed.Finally,suggestions to enhance groundwater risk as-sessment for pesticide used in rice paddy in China were proposed.

pesticide;rice paddy;ground water;risk assessment

2015-10-22 錄用日期:2015-11-20

1673-5897(2016)1-070-10

X171.5

A

10.7524/AJE.1673-5897.20151022001

陳洋,周軍英,程燕,等.農(nóng)藥在稻田使用對(duì)地下水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào),2016,11(1):70-79

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國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目“農(nóng)藥生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序與方法(2014-72)”;2016中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)“我國流域尺度農(nóng)藥暴露模擬評(píng)估技術(shù)研究”

陳洋(1991-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,E-mail:365883137@qq.com；

),E-mail:zjy@nies.org

簡介:周軍英(1966-)，女，碩士，研究員，主要從事生態(tài)毒理學(xué)、環(huán)境基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。