稻田施用農(nóng)藥的地表水暴露評(píng)估模型研究進(jìn)展

梁艷艷，周軍英，程 燕，廖建華，單正軍

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

水稻生產(chǎn)過(guò)程中病蟲草害嚴(yán)重，農(nóng)藥使用品種多,頻次高，稻田灌溉排水頻繁，而且水稻田大多與水體相鄰，因此稻田使用的農(nóng)藥極易因漂移、溢流、排水等途徑進(jìn)入地表水體，對(duì)地表水造成污染[1]。

在美國(guó)水稻主要種植區(qū)之一——路易斯安那州南部鄰近稻田的地表水體中檢測(cè)出稻田常用殺菌劑百菌清和殺蟲劑氟蟲腈，其質(zhì)量濃度分別為3.5和1.26 ng·L-1[2]。歐洲地表水監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：鄰近水稻種植區(qū)地表水體中農(nóng)藥總質(zhì)量濃度超過(guò)0.1 μg·L-1，檢測(cè)出的農(nóng)藥主要有除草劑禾草敵和敵稗[3]。日本河流中農(nóng)藥濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在薩庫(kù)拉河支流中檢測(cè)出稻田常用除草劑芐嘧磺隆、溴丁酰草胺和殺草隆，其質(zhì)量濃度分別為0.70、19.0和2.22 μg·L-1[4]。郭斌[5]實(shí)地調(diào)查了我國(guó)松原灌區(qū)稻田農(nóng)藥使用對(duì)查干湖的影響情況，檢測(cè)出殺蟲劑三唑磷、除草劑丁草胺和吡嘧磺隆等稻田常用農(nóng)藥品種；程燕等[6]對(duì)水稻種植區(qū)東苕溪流域的調(diào)查結(jié)果表明，水樣中殺蟲劑硫丹和殺菌劑苯醚甲環(huán)唑的檢出率較高，最高檢出質(zhì)量濃度分別為2.296和0.259 μg·L-1。

可以看出，因水稻種植而造成地表水農(nóng)藥污染的現(xiàn)象在世界范圍內(nèi)普遍存在。為了控制農(nóng)藥污染，世界上農(nóng)藥管理先進(jìn)的國(guó)家和地區(qū)，如美國(guó)、歐盟和日本早已將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為農(nóng)藥登記管理必不可少的手段[7]。我國(guó)在農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面雖然起步較晚，但自從2017年新的《農(nóng)藥登記資料要求》實(shí)施后，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也已成為我國(guó)農(nóng)藥登記管理中必須開(kāi)展的工作[8]。暴露評(píng)估是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵步驟，而模型預(yù)測(cè)則是暴露評(píng)估最常用和最主要的方法。模型預(yù)測(cè)時(shí)除了要輸入農(nóng)藥基本理化特性參數(shù)、農(nóng)藥使用信息及農(nóng)藥環(huán)境行為參數(shù)外，還必須采用當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文、土壤及作物種植4類信息，這4類信息實(shí)際上是某個(gè)地區(qū)與農(nóng)藥使用相關(guān)的所有條件的綜合，即暴露場(chǎng)景[9]。要利用模型預(yù)測(cè)農(nóng)藥在某一地區(qū)的暴露濃度必須采用當(dāng)?shù)氐谋┞秷?chǎng)景才能獲得符合實(shí)際的預(yù)測(cè)結(jié)果。在稻田-地表水暴露評(píng)估模型開(kāi)發(fā)研究方面，美國(guó)、歐盟和日本已走在前列，相繼發(fā)布了一系列模型，很多模型已在農(nóng)藥登記管理中得到應(yīng)用。近年來(lái)，中國(guó)在這方面也開(kāi)展了很多研究，并取得了較大進(jìn)展。該文將詳細(xì)論述美國(guó)、歐盟、日本和中國(guó)稻田施用農(nóng)藥的地表水暴露評(píng)估模型研究開(kāi)發(fā)的最新進(jìn)展，并對(duì)現(xiàn)有模型的局限性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。

1 美國(guó)稻田-地表水暴露評(píng)估模型

從全球來(lái)看，美國(guó)水稻種植面積并不大[10]。但美國(guó)在稻田暴露評(píng)估模型研究方面起步最早。1991年美國(guó)Waterborne環(huán)境咨詢公司開(kāi)發(fā)了水稻水質(zhì)模型(RICE Water Quality，RICEWQ)，2007年美國(guó)環(huán)保局(USEPA)發(fā)布了第I層次水稻模型(Tier I Rice Model)，2013年USEPA又發(fā)布了農(nóng)藥在漬水條件下使用的模擬模型(Pesticides in Flooded Applications Model，PFAM)。

1.1 RICEWQ模型

RICEWQ模型是全球最早開(kāi)發(fā)的稻田暴露評(píng)估模型，該模型模擬水稻生產(chǎn)過(guò)程中淹水、溢流以及排水條件下水和農(nóng)藥的物量平衡[11]。水平衡包括降雨、蒸發(fā)、滲濾、溢流、灌溉和排水等過(guò)程；農(nóng)藥物量平衡則包括農(nóng)藥的揮發(fā)、在水和沉積物之間的線性平衡吸附以及在葉面、水和沉積物中的一級(jí)或雙相降解、重懸等過(guò)程。

1.1.1概念模型及計(jì)算公式

RICEWQ的概念模型見(jiàn)圖1。

圖1 RICEWQ模型模擬過(guò)程[11]

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。從質(zhì)量平衡角度追蹤稻田中農(nóng)藥總質(zhì)量，從而計(jì)算出不同時(shí)間稻田系統(tǒng)各介質(zhì)中農(nóng)藥含量。該模型主體計(jì)算公式為

(1)

式(1)中，?C為隨時(shí)間(?t)而變化的農(nóng)藥含量，μg·L-1；∑Min和∑Mout為一定體積稻田內(nèi)農(nóng)藥累計(jì)輸入和輸出量，μg；∑Mreact為所有過(guò)程中農(nóng)藥轉(zhuǎn)化量，μg。水稻植株、田水和田土3種介質(zhì)中農(nóng)藥含量可分別通過(guò)相應(yīng)公式計(jì)算獲得，具體公式可參看RICEWQ模型手冊(cè)[11]。

1.1.2模型輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果

模型需要的輸入?yún)?shù)包括農(nóng)藥理化特性、農(nóng)藥環(huán)境行為、農(nóng)藥使用、氣象、水文、土壤和作物種植7大類參數(shù)，每一類又包括很多具體參數(shù)。為了簡(jiǎn)化模型的使用，通常是將氣象、水文、土壤和作物種植4類參數(shù)編寫成特定格式的場(chǎng)景文件，模型模擬時(shí)直接調(diào)用場(chǎng)景文件，只需輸入與農(nóng)藥相關(guān)的3類參數(shù)即可。模型可輸出0～365 d不同時(shí)段水稻植株、田水及田土中農(nóng)藥濃度。

1.1.3模型特點(diǎn)與應(yīng)用

RICEWQ模型輸入?yún)?shù)較多，屬于精細(xì)模型，適用于高層次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，模型的模擬精度高。該模型還可與其他模型耦合用于預(yù)測(cè)地表水及地下水中農(nóng)藥濃度，如與暴露分析模擬模型(EXAMS)或河流水質(zhì)模型(RIVWQ)耦合，用于預(yù)測(cè)農(nóng)藥在地表水中的濃度；與非飽和帶流動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)模型(VADOFT)及蓄水層稀釋/水平對(duì)流模型(ADAM)耦合，用于預(yù)測(cè)土壤不飽和區(qū)和地下水中農(nóng)藥濃度。

2003年以前，該模型主要在美國(guó)使用。自從2003年歐洲地中海水稻專家組MED-RICE(Mediterranean Rice)將該模型用于歐洲水稻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，該模型在歐洲水稻種植國(guó)家(意大利[12]、希臘[13]和葡萄牙[14])得到廣泛應(yīng)用。之后，該模型又應(yīng)用于澳大利亞[15]、韓國(guó)[16]和中國(guó)[6]。從目前世界各地對(duì)該模型的應(yīng)用及驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，該模型與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的吻合度較好，是世界范圍內(nèi)廣泛接受的模擬農(nóng)藥在稻田環(huán)境行為的模型。

1.2 Tier Ι Rice Model

Tier I Rice Model是一個(gè)低層次篩選水平的評(píng)估模型[17]，用于保守估算農(nóng)藥在稻田施用后稻田水中的濃度。

1.2.1概念模型及計(jì)算公式

Tier I Rice Model以平衡分配概念為基礎(chǔ)，假設(shè)農(nóng)藥在稻田使用后在田水和田土之間瞬間進(jìn)行分配，分配后稻田水中農(nóng)藥濃度可用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

Cw=mai/(Vw+msedKd)。

(2)

式(2)中，Cw為稻田水中農(nóng)藥濃度，μg·L-1；mai為農(nóng)藥活性成分施用量，μg；Vw為水的總體積，L；msed為處于平衡狀態(tài)的沉積物質(zhì)量，μg；Kd為水-沉積物分配系數(shù)，L·μg-1。

1.2.2模型輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果

由于該模型建立了一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)水稻田場(chǎng)景(表1[17-21])，而且不考慮農(nóng)藥降解及其他過(guò)程，因此模型的輸入?yún)?shù)就只有農(nóng)藥使用量這一個(gè)參數(shù)。模型可輸出農(nóng)藥在稻田使用后稻田水中的濃度。

表1 Tier I Rice Model標(biāo)準(zhǔn)稻田場(chǎng)景的物理參數(shù)

Table 1 Physical parameters of the standard rice field scenario for the Tier I Rice Model

參數(shù)名稱 參數(shù)值數(shù)據(jù)來(lái)源水體深度0.10 m美國(guó)農(nóng)業(yè)部[18-19]沉積物深度0.01 m多點(diǎn)平均值[17]沉積物有機(jī)碳含量10 g·kg-1多點(diǎn)平均值[17]沉積物容重1 300 kg·m-3典型假設(shè)[20-21]沉積物密度2 650 kg·m-3典型假設(shè)[20-21]沉積物孔隙度0.509底泥孔隙度為1減去底泥容重與顆粒密度比值[17]

1.2.3模型特點(diǎn)及使用情況

Tier I Rice Model由于假設(shè)農(nóng)藥施用于稻田后在田水和田土之間瞬間分配，不考慮后續(xù)農(nóng)藥在兩相之間的質(zhì)量傳遞及農(nóng)藥的降解、揮發(fā)等其他過(guò)程，因此模擬結(jié)果非常保守。而且在應(yīng)用該模型進(jìn)行水生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，是直接采用稻田水中農(nóng)藥濃度來(lái)代替稻田附近天然水體中農(nóng)藥濃度，這就更顯保守。該模型被USEPA用于第I層次篩選水平的暴露評(píng)估，該模型在其他國(guó)家的應(yīng)用尚鮮見(jiàn)報(bào)道。

1.3 PFAM模型

由于Tier I Rice Model過(guò)于保守，USEPA近年來(lái)又開(kāi)發(fā)了PFAM模型。PFAM模型是為農(nóng)藥在漬水條件下使用(如水稻田和蔓越莓田)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估而開(kāi)發(fā)的[22]。

1.3.1概念模型及模擬過(guò)程

PFAM的概念模型見(jiàn)圖2[22]。

圖2 PFAM的水文和化學(xué)過(guò)程[22]

PFAM模型的模擬過(guò)程包括水文過(guò)程和化學(xué)過(guò)程。(1)水文過(guò)程：水體深度隨降水、灌溉、排水、蒸發(fā)或稻田排水口高度而變化。模型由水體部分和底棲部分組成，每個(gè)單獨(dú)的部分是完全混合的，并且在每個(gè)單獨(dú)部分內(nèi)的所有相處于平衡狀態(tài)，這種平衡遵循線性等分，這2個(gè)部分通過(guò)一級(jí)質(zhì)量轉(zhuǎn)化過(guò)程耦合。(2)化學(xué)過(guò)程：每一部分的化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程借用了USEPA另一模型EXAMS的數(shù)學(xué)公式[23]，但是進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，去掉了開(kāi)發(fā)者認(rèn)為敏感性不強(qiáng)而實(shí)際上又難以獲得的一些參數(shù)，如水體中的生物過(guò)程。

1.3.2模型輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果

該模型屬于較為精細(xì)的模型，需要的輸入?yún)?shù)也包括農(nóng)藥理化特性、農(nóng)藥環(huán)境行為、農(nóng)藥使用、氣象、水文、土壤和作物種植7大類參數(shù)。該模型已建立3個(gè)水稻-地表水標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景，分別位于加利福尼亞州、阿肯色州和密蘇里州。模型可輸出0～365 d不同時(shí)段稻田水及地表水中農(nóng)藥濃度。

1.3.3模型特點(diǎn)及使用情況

PFAM的開(kāi)發(fā)使得那些無(wú)法通過(guò)Tier I Rice Model篩選評(píng)估的產(chǎn)品可以有較為精細(xì)的模型進(jìn)行更高層次的評(píng)估。PFAM開(kāi)發(fā)的宗旨是要在模型的復(fù)雜性和參數(shù)的可獲得性方面達(dá)到較好的平衡，因此PFAM的精細(xì)度介于Tier I Rice Model和RICEWQ之間。雖然PFAM模型中的場(chǎng)景目前主要是為農(nóng)藥在稻田中的使用而開(kāi)發(fā)的，但在未來(lái)可能會(huì)為其他漬水作物(如蔓越莓)開(kāi)發(fā)更多的暴露場(chǎng)景。目前PFAM模型主要應(yīng)用于美國(guó)的農(nóng)藥登記管理，在其他國(guó)家應(yīng)用的報(bào)道尚鮮見(jiàn)。

美國(guó)開(kāi)發(fā)了3個(gè)稻田暴露評(píng)估模型。Tier I Rice Model為第Ⅰ層次暴露模型，該模型非常簡(jiǎn)單，適用于篩選水平的暴露評(píng)估。RICEWQ模型和PFAM模型為第Ⅱ?qū)哟伪┞赌Ｐ?，模型較復(fù)雜，適用于高層次的暴露評(píng)估，但兩者也存在明顯不同之處：RICEWQ考慮的過(guò)程更多，如農(nóng)藥施用時(shí)作物的截留、葉面淋洗等過(guò)程，而PFAM則未考慮上述過(guò)程，從這方面來(lái)說(shuō)，PFAM較RICEWQ更保守；但在模型輸出方面，RICEWQ模型只能輸出田水及田土中農(nóng)藥濃度，當(dāng)用于地表水及地下水暴露評(píng)估時(shí)，需與EXAMS、VADOFT、HYDRUS等水體模型偶聯(lián)，而PFAM模型中直接耦合了水庫(kù)和池塘2種水體，可以直接輸出水庫(kù)和池塘中農(nóng)藥濃度。此外，PFAM模型還整合了流域徑流計(jì)算模塊，可以將流域徑流與稻田輸出一起作為水體的輸入，模擬尺度更大。

2 歐盟稻田-地表水暴露評(píng)估模型

歐盟水稻種植主要集中在南歐的法國(guó)、希臘、意大利、西班牙和葡萄牙5個(gè)國(guó)家。但在稻田暴露評(píng)估模型研究方面，歐盟開(kāi)展了大量工作。1999年專門成立了地中海水稻(MED-RICE)專家組，該專家組于2003年開(kāi)發(fā)了第I層次水稻暴露評(píng)估模型MED-RICE，2004年在MED-RICE模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了第Ⅱ?qū)哟蔚乇硭暗叵滤Ｐ?Surface Water and Groundwater Model，SWAGW)。

2.1 MED-RICE模型

MED-RICE模型的呈現(xiàn)方式為一個(gè)簡(jiǎn)單的Excel計(jì)算表，用于計(jì)算農(nóng)藥在稻田使用后在地下水以及鄰近地表水中預(yù)測(cè)環(huán)境濃度(predicted environmental concentrations，PECs)[24]。

2.1.1概念模型及計(jì)算公式

MED-RICE概念模型見(jiàn)圖3。

圖3 MED-RICE模型模擬過(guò)程[24]

由圖3可知，MED-RICE模型只考慮了噴霧飄移和排水對(duì)地表水的影響，沒(méi)有考慮揮發(fā)、蒸發(fā)、作物沖刷和作物攔截等其他過(guò)程。農(nóng)藥在地下水及鄰近地表水中的濃度計(jì)算公式為

CPE,pgw=Mleak(>1 000)×100/(365×l)。

(3)

式(3)中，CPE,pgw為地下水中農(nóng)藥濃度，μg·L-1；Mleak(>1 000)為淋溶到地表以下超過(guò)1 000 mm的飽和帶水中農(nóng)藥總質(zhì)量，g·hm-2；l為滲透速率，指滲透水流單位時(shí)間通過(guò)單位過(guò)水?dāng)嗝娴乃?，mm·d-1；365指365 d。

CPE,sw=(CPE,sw,drift·fdilution+CPE,pw)∕(1+fdilution)。

(4)

式(4)中，CPE,sw為鄰近地表水體中農(nóng)藥濃度，μg·L-1；CPE,sw,drift為飄移到地表水中的農(nóng)藥濃度，μg·L-1；fdilution為由田水排到鄰近地表水中的農(nóng)藥稀釋倍數(shù)，取值10；CPE,pw為田水中農(nóng)藥濃度，μg·L-1。

2.1.2模型特點(diǎn)及使用情況

MED-RICE模型是一個(gè)簡(jiǎn)單模型，輸入的變量、參數(shù)較少。該模型的計(jì)算值較保守，適用于篩選水平的暴露評(píng)估。MED-RICE模型目前建立了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景：(1)黏土場(chǎng)景，代表地表水易受污染的情況；(2)沙土場(chǎng)景，代表地下水易受污染的情況。該模型目前用于歐盟農(nóng)藥登記管理中。

2.2 SWAGW模型

為進(jìn)一步更精確模擬農(nóng)藥在稻田使用后的暴露情況，MED-RICE專家組在第I層次MED-RICE模型的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了第Ⅱ?qū)哟文Ｐ蚐WAGW。該模型可用于計(jì)算農(nóng)藥在稻田使用后在稻田土、田水以及地下水、鄰近地表水中的PECs值[25]。

2.2.1概念模型及計(jì)算公式

該模型開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)是第I層次MED-RICE模型的概念模型和場(chǎng)景。SWAGW可以按照第I層次的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景計(jì)算農(nóng)藥暴露量，也可以不受標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景的限制，輸入具體參數(shù)進(jìn)行模擬，因而比第I層次的模擬更接近實(shí)際。SWAGW根據(jù)歐盟成員國(guó)水稻種植的實(shí)際情況，分為2個(gè)時(shí)段進(jìn)行模擬。第1時(shí)段為封閉環(huán)境，農(nóng)藥施用后稻田水保持靜止?fàn)顟B(tài)，既不灌溉，也不排水。第2時(shí)段為開(kāi)放環(huán)境，此階段既有灌溉，也有排水，目的是使稻田水層厚度保持恒定。封閉階段主要考慮農(nóng)藥的淋溶、吸附和降解等過(guò)程，封閉期稻田環(huán)境中農(nóng)藥質(zhì)量守恒計(jì)算公式為

Atotal-ALL=AL+AS+BL。

(5)

式(5)中，Atotal為稻田系統(tǒng)中農(nóng)藥總量，μg；ALL為通過(guò)土壤中浸出的農(nóng)藥量，μg；AL為溶于稻田水中的農(nóng)藥量，μg；AS為吸附在稻田土上的農(nóng)藥量，μg；BL為水稻植株中殘留農(nóng)藥量，μg。

在開(kāi)放期內(nèi)，稻田為開(kāi)放系統(tǒng)，除了要考慮封閉期內(nèi)的各因素外，還要考慮農(nóng)藥從稻田流入地表水體的部分。開(kāi)放期稻田環(huán)境中農(nóng)藥質(zhì)量守恒計(jì)算公式為

(6)

2.2.2模型特點(diǎn)與使用情況

SWAGW模型雖然未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MED-RICE模型相比，SWAGW 模型考慮了更多因素，因此其預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際。SWAGW模型是第Ⅱ?qū)哟伪┞对u(píng)估模型，已應(yīng)用于歐盟農(nóng)藥登記管理中，該模型在其他國(guó)家的應(yīng)用鮮見(jiàn)報(bào)道。

3 日本稻田-地表水暴露評(píng)估模型

日本稻田面積約占農(nóng)業(yè)用地面積的54%[26]。日本對(duì)稻田用藥暴露評(píng)估模型的研究也比較早，從1995年至今，日本已開(kāi)發(fā)的稻田暴露評(píng)估模型有水生預(yù)測(cè)環(huán)境濃度模型(Aquatic Predicted Environmental Concentration，Aquatic PEC)、農(nóng)藥稻田模型(Pesticide Paddy Field Model，PADDY)系列和稻田農(nóng)藥濃度模型(Pesticide Concentrations in Paddy Fields，PCPF)系列。

3.1 Aquatic PEC模型

Aquatic PEC模型是由日本最早(1995年)開(kāi)發(fā)出的稻田用藥暴露評(píng)估模型，用于第I層次的保守評(píng)估[27]。該模型為日本農(nóng)藥登記評(píng)估過(guò)程中使用的第I層次暴露計(jì)算工具。

3.1.1概念模型及計(jì)算公式

Aquatic PEC的概念模型見(jiàn)圖4。

圖4 日本稻田第I層次暴露評(píng)估模型假設(shè)場(chǎng)景[27]

Aquatic PEC模型主要計(jì)算公式為

CPE,tier1=[Mrunoff+MDr+MDd]/(3×86 400×Te)。

(7)

式(7)中，CPE,tier1為稻田使用農(nóng)藥在河水中的第I層次預(yù)測(cè)濃度，g·m-3；Mrunoff為最大徑流流失量，g；MDr為發(fā)生事件當(dāng)天農(nóng)藥飄移量，g；MDd為通過(guò)排水途徑進(jìn)入河流的農(nóng)藥量，g；數(shù)值3為河流流速，m3·s-1；86 400代表1 d是86 400 s；Te為毒性試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，d。

3.1.2模型特點(diǎn)及使用情況

Aquatic PEC模型是一個(gè)基于固定標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景的簡(jiǎn)單模型，用于第I層次篩選水平的評(píng)估，沒(méi)有考慮農(nóng)藥降解等環(huán)境行為過(guò)程，因此預(yù)測(cè)結(jié)果比較保守。但與美國(guó)Tier I Rice Model模型僅僅考慮農(nóng)藥在稻田系統(tǒng)水相與沉積相之間的瞬間平衡分配，因而只能輸出稻田水中農(nóng)藥濃度不同，Aquatic PEC模型考慮了農(nóng)藥施用于稻田系統(tǒng)后經(jīng)徑流、排水和飄移進(jìn)入臨近河流的過(guò)程，因而輸出的是河流中農(nóng)藥濃度；因此盡管預(yù)測(cè)結(jié)果保守，但比美國(guó)Tier I Rice Model模型更接近實(shí)際。目前，該模型在日本農(nóng)藥登記管理中作為第I層次的暴露計(jì)算工具。

3.2 PADDY模型系列

PADDY模型系列由日本農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)研究所和農(nóng)藥監(jiān)測(cè)站等機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)，包括PADDY模型、PADDY-2模型和PADDY-Large模型。

3.2.1PADDY模型

PADDY模型主要通過(guò)考慮農(nóng)藥在稻田中的行為及平均的水平衡來(lái)預(yù)測(cè)農(nóng)藥在稻田水和表層田土中的濃度[28]。PADDY概念模型見(jiàn)圖5。

圖5 PADDY概念模型中農(nóng)藥在稻田系統(tǒng)的行為轉(zhuǎn)運(yùn)與水平衡[28]

PADDY模型假設(shè)模擬系統(tǒng)由表層和亞表層組成。表層由稻田積水和表土相組成，表土相包括淹水條件下的孔隙水和地表5 mm的土壤固相；亞表層由孔隙水和土壤固相組成，每層厚度為5 mm。每層間的質(zhì)量傳輸驅(qū)動(dòng)力是各層農(nóng)藥濃度梯度，農(nóng)藥進(jìn)入每層時(shí)，立即在每層內(nèi)混合均勻。模型可輸出稻田水和表層田土中農(nóng)藥濃度。

3.2.2PADDY-2模型

PADDY-2模型是PADDY模型的改進(jìn)版[29]，PADDY模型采用的是平均的水平衡參數(shù)值，而PADDY-2采用的則是農(nóng)藥特定使用地點(diǎn)的每日水平衡(灌溉、降水、蒸發(fā)、蒸騰、溢流、垂直及水平方向的滲漏)參數(shù)值，因而預(yù)測(cè)結(jié)果比PADDY模型更精確。

3.2.3PADDY-Large 模型

PADDY模型和PADDY-2模型只能模擬農(nóng)藥在較小規(guī)模(約0.3 hm2)稻田中的行為，無(wú)法模擬大面積稻田中農(nóng)藥行為，也無(wú)法給出鄰近地表水體中農(nóng)藥濃度。因此，日本在PADDY-2模型基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了一個(gè)景觀尺度的稻田模擬模型PADDY-Large[30]，用于預(yù)測(cè)農(nóng)藥在稻田使用后在小流域水體中的濃度。PADDY-Large概念模型見(jiàn)圖6。

圖6 評(píng)估水稻生產(chǎn)區(qū)農(nóng)藥行為的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景[30]

在PADDY-Large模型中，除PADDY-2模型以外，還耦合了連續(xù)攪拌混和(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)模型。主排水渠可視為一系列連續(xù)攪拌反應(yīng)器，主排水渠縱向分為若干支渠。農(nóng)藥在稻田中使用后隨地表徑流進(jìn)入排水渠中的含量可通過(guò)以下公式計(jì)算：

(8)

式(8)中，Cdrain為排水渠中農(nóng)藥濃度，g·m-3。公式中其他各項(xiàng)參數(shù)的含義在此不作詳述，具體可參看PADDY-Large模型介紹[30]。

可見(jiàn)，在PADDY模型系列中，PADDY和PADDY-2模型可用于預(yù)測(cè)農(nóng)藥在稻田水和表層田土中的濃度。PADDY-2模型則由于考慮了農(nóng)藥特定使用地點(diǎn)的每日水平衡因素，因而預(yù)測(cè)結(jié)果比PADDY模型更準(zhǔn)確。而PADDY-Large模型則是更大尺度上的預(yù)測(cè)模型，可用于預(yù)測(cè)小流域水體中農(nóng)藥濃度。PADDY模型系列目前在日本主要用于較高層次的個(gè)案評(píng)估以支持農(nóng)藥的登記管理決策。

3.3 PCPF模型系列

繼PADDY模型系列之后，日本又開(kāi)發(fā)了PCPF模型系列，包括PCPF-1模型、PCPF- SWMS和PCPF-C這3個(gè)模型。該模型系列開(kāi)發(fā)的目的是為了評(píng)估和完善田間管理措施(灌溉排水控制及土壤管理)，從而最大限度地減少農(nóng)藥因徑流和滲漏造成的污染。

3.3.1PCPF-1模型

PCPF-1模型由日本東京農(nóng)業(yè)科技大學(xué)和日本農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)研究所共同開(kāi)發(fā)[31]。該模型是日本開(kāi)發(fā)的期望用于第Ⅱ?qū)哟卧u(píng)價(jià)的稻田暴露評(píng)估模型。

PCPF-1概念模型見(jiàn)圖7。該模型模擬的水平衡過(guò)程主要包括降雨、灌溉、排水、蒸發(fā)蒸騰等過(guò)程，農(nóng)藥物量平衡過(guò)程則主要包括農(nóng)藥的溶解、揮發(fā)、光解、微生物降解以及農(nóng)藥隨水轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的流失、淋溶等過(guò)程。該模型可用于預(yù)測(cè)農(nóng)藥在田水和表層1 cm田土中的農(nóng)藥濃度。

圖7 PCPF-1概念模型中農(nóng)藥在稻田系統(tǒng)的行為與轉(zhuǎn)運(yùn)[31]

3.3.2PCPF-SWMS模型

PCPF-SWMS模型由法國(guó)和日本共同開(kāi)發(fā)[32]。該模型是PCPF-1模型和SWMS-2D模型的耦合模型，其中，SWMS-2D模型用于分析多孔介質(zhì)中水流和溶質(zhì)的傳輸過(guò)程。該模型可用于模擬農(nóng)藥在稻田更深層次土壤中的行為和轉(zhuǎn)運(yùn)，從而分析農(nóng)藥在稻田土壤剖面中的復(fù)雜行為。PCPF-SWMS概念模型見(jiàn)圖8。

圖8 PCPF-SWMS的概念模型組成[32]

PCPF-1模型和SWMS-2D模型之間水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)交換的相互作用可以概括如下：PCPF-1模型以稻田系統(tǒng)底部作為SWMS-2D模型的頂部邊界，SWMS-2D模型以垂直滲透率作為PCPF-1模型水平衡方程中的輸入數(shù)據(jù)。對(duì)于溶質(zhì)傳輸，PCPF-1模型提供的頂部邊界溶質(zhì)濃度與滲透率決定著SWMS-2D模擬的輸入溶質(zhì)通量。該模型可用于模擬稻田土壤剖面0～160 cm不同土層中的農(nóng)藥濃度。

3.3.3PCPF-C模型

PCPF-C模型是PCPF模型系列的再次擴(kuò)展，該模型由日本東京農(nóng)業(yè)科技大學(xué)開(kāi)發(fā)[33]，用于在流域尺度上模擬稻田農(nóng)藥的行為和轉(zhuǎn)運(yùn)。

概念模型：PCPF-C模型可模擬從幾公頃(農(nóng)田區(qū)塊規(guī)模)到幾十公頃(小流域規(guī)模)的稻田流域農(nóng)藥的流失。流域由水稻田部分和河流部分組成。水稻田部分被劃分為幾個(gè)農(nóng)藥處理單元(pesticide treatment groups，PTGs)。每一個(gè)處理單元采用一種農(nóng)藥處理。農(nóng)藥在每個(gè)處理單元稻田水中的行為由PCPF-1模型模擬，農(nóng)藥在排水渠中的行為則被假定為與水完全混合，沒(méi)有考慮農(nóng)藥在排水渠中的其他消散過(guò)程，如生物化學(xué)和光化學(xué)降解、農(nóng)藥在沉積物上的吸附和揮發(fā)等。

總之，在PCPF模型系列中，PCPF-1模型用于模擬稻田水和表層1 cm土壤中農(nóng)藥濃度，PCPF-SWMS模型可用于模擬農(nóng)藥在稻田土壤剖面中的行為與轉(zhuǎn)運(yùn)，因而可模擬農(nóng)藥在稻田中的淋溶，而PCPF-C模型則可用于小流域尺度上的模擬，得到流域水體中更接近實(shí)際的農(nóng)藥濃度。目前，該模型系列主要用于日本稻田良好管理措施(灌溉排水控制及土壤管理)的評(píng)估和完善，以達(dá)到最大限度減少農(nóng)藥隨徑流和滲漏造成的污染。

4 中國(guó)稻田-地表水暴露評(píng)估模型

近年來(lái)，中國(guó)越來(lái)越重視農(nóng)藥的環(huán)境安全管理，開(kāi)展了很多農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究項(xiàng)目，也取得了突破性進(jìn)展。目前，公開(kāi)發(fā)布的稻田地表水暴露評(píng)估模型有2個(gè)，分別是TOP-RICE模型和農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估暴露模擬平臺(tái)(Pesticide Risk Assessment Exposure Simulation Shell，PRAESS)。

4.1 TOP-RICE模型

TOP-RICE模型由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)藥檢定所與荷蘭阿爾特拉研究所共同開(kāi)發(fā)，于2014年發(fā)布[34]。該模型可用于預(yù)測(cè)農(nóng)藥在稻田施用后淋溶至地下水及通過(guò)地表漫溢進(jìn)入天然池塘后2種水體中農(nóng)藥濃度。TOP-RICE模型內(nèi)嵌水文學(xué)模型SWAP、水田農(nóng)藥歸趨模型Paddy-PEARL和天然池塘農(nóng)藥歸趨模型TOXSWA。SWAP模型用于模擬稻田水-土壤-地下水系統(tǒng)中土壤、水流和熱傳導(dǎo)過(guò)程；Paddy-PEARL模型用于模擬稻田水-土壤-地下水系統(tǒng)中農(nóng)藥吸附、遷移和轉(zhuǎn)化等過(guò)程；TOXSWA模型用于模擬農(nóng)藥漫溢進(jìn)入池塘以及農(nóng)藥在池塘系統(tǒng)中的吸附、遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程。3個(gè)模型經(jīng)用戶界面集成后組成TOP-RICE模型。

TOP-RICE模型目前包含2個(gè)水稻-地表水場(chǎng)景和2個(gè)水稻-地下水場(chǎng)景，這2類場(chǎng)景分別位于廣東連平和江西南昌。TOP-RICE模型目前已應(yīng)用于中國(guó)農(nóng)藥登記管理決策。

4.2 PRAESS模擬平臺(tái)

PRAESS模擬平臺(tái)是由生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)，美國(guó)Waterborne環(huán)境公司提供技術(shù)支持，于2010年發(fā)布[35]。該平臺(tái)通過(guò)建立的外殼程序?qū)⑹澜绶秶鷥?nèi)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并廣泛應(yīng)用的水稻模型、地表水模型和地下水模型進(jìn)行耦聯(lián)，并將構(gòu)建的中國(guó)場(chǎng)景嵌入外殼。PRAESS包含4套模型系統(tǒng)[36]，分別是PRZM-EXAMS(模擬旱地作物-地表水)、PRZM-ADAM(模擬旱地作物-地下水)、RICEWQ-EXAMS(模擬水稻-地表水)和RICEWQ-VADOFT-ADAM(模擬水稻-地下水)。PRAESS是目前世界上首個(gè)將旱田和水稻田模擬以及地表水和地下水模擬集合在一起的平臺(tái)。PRAESS平臺(tái)目前包含16個(gè)旱田場(chǎng)景(分別是8個(gè)旱田-地表水場(chǎng)景和8個(gè)旱田-地下水場(chǎng)景)和16個(gè)水稻田場(chǎng)景(分別是8個(gè)水稻-地表水場(chǎng)景和8個(gè)水稻-地下水場(chǎng)景)。

PRAESS模擬平臺(tái)自發(fā)布以來(lái)，已用于中國(guó)多個(gè)農(nóng)藥登記的高層次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之中，該平臺(tái)也已列入我國(guó)農(nóng)藥登記風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南之中[37]。

5 總結(jié)

5.1 不同模型分類比較分析

目前世界上水稻-地表水暴露評(píng)估模型開(kāi)發(fā)主要來(lái)自美國(guó)、歐盟、日本和中國(guó)，共有14個(gè)水稻-地表水暴露模擬工具。根據(jù)模型的復(fù)雜程度及預(yù)測(cè)結(jié)果的保守程度可將這些模型分為第Ⅰ層次模型和第Ⅱ?qū)哟文Ｐ?大類。第Ⅰ層次模型簡(jiǎn)單保守，需要的輸入?yún)?shù)少，有些甚至只需要輸入農(nóng)藥使用量一個(gè)參數(shù)，沒(méi)有考慮農(nóng)藥的降解、吸附、蒸發(fā)及植物的攔截、吸收等過(guò)程，因此預(yù)測(cè)結(jié)果往往比實(shí)際高很多，模型精度較差，這些模型只適合進(jìn)行低層次篩選水平的評(píng)估。若篩選水平評(píng)估顯示沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，則無(wú)需再進(jìn)行更高層次的評(píng)估；若篩選水平評(píng)估沒(méi)有通過(guò)，則需應(yīng)用第Ⅱ?qū)哟文Ｐ瓦M(jìn)行更復(fù)雜和精細(xì)的評(píng)估。第Ⅱ?qū)哟文Ｐ陀捎诳紤]了農(nóng)藥在稻田及水體中各種行為過(guò)程及氣象、水文、土壤、作物等條件，模型復(fù)雜精細(xì)，需要輸入的參數(shù)非常多，模型預(yù)測(cè)精度也較高。但需要特別注意的是，由于該類模型需要大量的場(chǎng)景信息，因此必須構(gòu)建或選擇合適的場(chǎng)景才能得到符合實(shí)際的結(jié)果。

第Ⅰ層次有Tier I Rice Model、MED-RICE和Aquatic PEC這3個(gè)模型，其中，Tier I Rice Model最保守，MED-RICE的模擬精度優(yōu)于Tier I Rice Model，Aquatic PEC模擬尺度最大，精度也優(yōu)于Tier I Rice Model。在第Ⅱ?qū)哟?1個(gè)模型中，開(kāi)發(fā)最早、應(yīng)用最廣泛的是RICEWQ，世界各地的應(yīng)用和驗(yàn)證均表明該模型能夠很好地用于模擬農(nóng)藥在水稻田的行為，其余模型目前僅應(yīng)用于模型開(kāi)發(fā)國(guó)家和地區(qū)。

另外，在選擇和應(yīng)用模型時(shí)，還必須清楚各個(gè)模型模擬的范圍和尺度。這14個(gè)模型可歸為3類：(1)僅能進(jìn)行稻田系統(tǒng)內(nèi)農(nóng)藥濃度預(yù)測(cè)的模型，有第Ⅰ層次Tier I Rice Model模型，第Ⅱ?qū)哟蜶ICEWQ、PADDY、PADDY-2、PCPF-1和PCPF-SWMS模型。其中，RICEWQ模型本身雖然只能模擬稻田系統(tǒng)，但其可與其他模型耦合，如與EXAMS模型或RIVWQ模型耦合，用于預(yù)測(cè)農(nóng)藥在地表水中的濃度；與VADOFT和ADAM模型耦合，用于預(yù)測(cè)土壤不飽和層和地下水中農(nóng)藥濃度。(2)能進(jìn)行稻田系統(tǒng)及稻田鄰近水體農(nóng)藥模擬，但總體模擬尺度較小(10 hm2以下)的模型，有第Ⅰ層次MED-RICE模型和第Ⅱ?qū)哟蜸WAGW、PADDY-Large和TOP-RICE模型。(3)可進(jìn)行較大尺度(小流域)模擬的模型，有第Ⅰ層次Aquatic PEC 模型和第Ⅱ?qū)哟蜳FAM、PCPF-C和PRAESS模型。

5.2 現(xiàn)有模型的局限性

通過(guò)對(duì)這些模型進(jìn)行深入比較分析后發(fā)現(xiàn)，目前的模型在應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，仍存在一些局限性：(1)很多模型中的場(chǎng)景為固定場(chǎng)景，場(chǎng)景中的參數(shù)取值很多是默認(rèn)值，取值缺乏實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的支持。另外，針對(duì)各種條件的場(chǎng)景還不夠；(2)雖然各個(gè)模型都有一些驗(yàn)證工作的支持，但系統(tǒng)的模型驗(yàn)證工作及各個(gè)模型之間預(yù)測(cè)結(jié)果的比較還很缺乏；(3)目前國(guó)際上農(nóng)藥暴露濃度預(yù)測(cè)都是針對(duì)區(qū)域中的單一作物，水體也大多是小規(guī)模的溝渠、池塘或河流，缺少能用于模擬農(nóng)藥在流域大尺度多種作物上使用對(duì)水體污染狀況的模型。

5.3 未來(lái)研究工作重點(diǎn)

未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究工作：

(1)補(bǔ)充完善稻田-地表水暴露評(píng)估場(chǎng)景體系。不同地區(qū)氣象、水文、土壤及水稻種植管理差異很大，現(xiàn)有場(chǎng)景數(shù)量和代表性遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的需要。因此，應(yīng)繼續(xù)建立和補(bǔ)充稻田-地表水暴露評(píng)估場(chǎng)景，完善場(chǎng)景體系。

(2)加強(qiáng)模型的驗(yàn)證及不同模型之間的比較。應(yīng)開(kāi)展更多的實(shí)際監(jiān)測(cè)研究及模型中關(guān)鍵參數(shù)的取值研究，使模型的預(yù)測(cè)結(jié)果更符合實(shí)際情況。另外，各個(gè)模型構(gòu)建時(shí)考慮的農(nóng)藥環(huán)境行為過(guò)程，作物對(duì)農(nóng)藥的吸收、攔截、淋洗過(guò)程以及水稻種植水管理過(guò)程等都各不相同，這些過(guò)程都直接與模型模擬精度相關(guān)。今后應(yīng)加強(qiáng)模型之間的比較驗(yàn)證，不斷完善模型，使之更好地服務(wù)于農(nóng)藥環(huán)境管理。

(3)加強(qiáng)流域大尺度綜合模擬模型的開(kāi)發(fā)研究。實(shí)際情況下，有可能某一區(qū)域既有旱地作物，又有水田作物，若要準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況，就要將旱地模型、水田模型及水體模型集成起來(lái)模擬農(nóng)藥在流域多種類型作物上使用對(duì)流域水體污染的情況。今后應(yīng)加強(qiáng)這方面研究，開(kāi)發(fā)出流域尺度綜合模擬模型，為農(nóng)藥管理決策提供更符合實(shí)際的模型工具。