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1數(shù)據(jù)搜集與處理

本研究需要全國多年平均降水量、多年平均氣溫、土壤有機質(zhì)含量分布、全國土地利用類型分布、農(nóng)作物分布、作物種植制度等數(shù)據(jù)及資料。

1.1氣象數(shù)據(jù)從“中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”下載得到遍布全國的氣象站點1970—2001年的氣象數(shù)據(jù)[9]，包括了每日降水量和每日平均氣溫，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算得到每個站點的多年平均氣溫和多年平均降水量。利用ArcGISRDesktop9.2對這些點狀數(shù)據(jù)進行插值，得到全國范圍的多年平均氣溫和多年平均降水量分布圖。

1.2土壤數(shù)據(jù)土壤有機質(zhì)含量分布圖來自中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所數(shù)字土壤實驗室[10]，為面狀矢量數(shù)據(jù)，每個多邊形的主要屬性信息包括了多邊形的面積以及該多邊形所含土壤有機質(zhì)百分含量的范圍。

1.3土地利用類型數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心的全國1km分辨率土地利用類型數(shù)據(jù)，為柵格數(shù)據(jù)，其土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦、居民用地和未利用土地。

1.4其他資料進行分析所需的農(nóng)作物分布、氣候及農(nóng)業(yè)區(qū)劃、作物種植制度等資料來自于互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)學術(shù)期刊、專著與權(quán)威圖集。

2研究方法

2.1兩個概念在闡述場景體系建立的方法之前，有必要對本研究中將涉及的兩個概念作出解釋。（1）百分位（Percentile）：百分位是統(tǒng)計學術(shù)語，是一個位置指標，用Pp表示，描述一組升序排列的數(shù)據(jù)中第p百分位置上的數(shù)值。計算百分位的方法各種各樣，在本研究中，我們使用的是MicrosoftExcelR中的Percentile函數(shù)，其語法如下：Pp=Percentile（Array，p）式中：Array為求算百分位的數(shù)組或數(shù)據(jù)區(qū)域；p為百分比值，在0到1之間；Pp為返回的第p百分位上的數(shù)值。（2）地下水的農(nóng)藥淋溶脆弱性：脆弱性（Vulnera－bility）這一概念起源于自然災(zāi)害研究[16]，并廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學、生態(tài)學、氣候變化、土地利用、可持續(xù)發(fā)展科學等多領(lǐng)域研究[16-18]。在本研究中，脆弱性是一個相對的概念，是待評價系統(tǒng)暴露于不利影響或遭受損害的可能性。農(nóng)藥在施用后對環(huán)境系統(tǒng)的負面影響總是存在的，為保證農(nóng)藥的施用在可以接受的程度上是安全的，需要制定安全標準（如國家標準或行業(yè)標準等）。如果某種農(nóng)藥對環(huán)境的危害位于規(guī)定的安全標準之內(nèi)，則認為農(nóng)藥在該環(huán)境系統(tǒng)中的施用是安全的；如果超過了這一安全標準，則認為環(huán)境處于脆弱狀態(tài)。在本研究中，脆弱性概念與百分位概念結(jié)合，一起表示受到農(nóng)藥施用污染影響的、按規(guī)定要保護的環(huán)境系統(tǒng)，從而保證了既能找到脆弱的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，而百分位概念的使用又避免了將極端情況納入考慮范圍。“現(xiàn)實中最糟糕的情況”并不是一個極端惡劣的情況，而是由百分位確定的相對惡劣的情況。歐盟國家通過多年研究論證，采用地下水對農(nóng)藥淋溶脆弱性達至第80百分位的土壤有機質(zhì)含量和多年平均降水量作為場景點的構(gòu)建標準，從而實現(xiàn)地下水場景點的脆弱性達到第90百分位的[2-3]。任何一種農(nóng)藥如果在這些場景點的氣象土壤條件下是安全的，那么該農(nóng)藥在90%的歐盟其他區(qū)域也是安全的。我國目前尚未制定針對地下水的農(nóng)藥濃度限量標準。由于地下水是我國重要的飲用水源，應(yīng)充分保證農(nóng)藥的施用對多數(shù)地下水不構(gòu)成威脅，相關(guān)管理部門認為必須保證農(nóng)藥施用在我國99%的地下水環(huán)境系統(tǒng)中是安全的。針對旱作農(nóng)田與地下水這一環(huán)境系統(tǒng)，其脆弱性主要由土壤有機質(zhì)含量和多年平均降水量決定，因此定義農(nóng)藥的淋溶脆弱性達第90百分位的土壤有機質(zhì)含量與農(nóng)藥的淋溶脆弱性達第90百分位的多年平均降水量共同體現(xiàn)了脆弱性達第99百分位的環(huán)境系統(tǒng)。倘若農(nóng)藥對99%的環(huán)境系統(tǒng)的風險是在安全范圍之內(nèi)的，便認為該農(nóng)藥可以在實際環(huán)境中施用。

2.2場景區(qū)的劃分我國地域廣闊，氣候、土壤等自然條件復雜，農(nóng)業(yè)耕作制度和生產(chǎn)條件差異明顯。因此，首先把全國分成若干個在一定程度上具有比較近似的氣候和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征的場景區(qū)，然后在每個場景區(qū)中構(gòu)建標準場景是科學和切合實際的方法。場景區(qū)一來有利于在構(gòu)建標準場景的前期減少同時考慮降水、氣溫、土壤、作物等多個影響因素產(chǎn)生的復雜性，二來將全國分為幾個區(qū)域避免了在構(gòu)建標準場景時對全國主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的遺漏。降水量、溫度、土壤理化性質(zhì)、作物特征是影響農(nóng)藥環(huán)境行為最關(guān)鍵的幾個因素，它們共同決定了農(nóng)藥在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化、淋溶、揮發(fā)等環(huán)境行為，進而決定了農(nóng)藥對環(huán)境的污染程度。大量研究表明，農(nóng)藥的用量、水溶性、施藥地區(qū)的降水量或灌溉水量、施藥地區(qū)土壤質(zhì)地、地下水水位對農(nóng)藥能否造成地下水污染的影響最大[19-21]。在本研究中，首先選擇降水量和溫度作為劃分場景區(qū)的主要依據(jù)，主要因為：一是農(nóng)作物的分布與降水量、積溫等氣候條件密切相關(guān)；二是土壤種類及土壤有機質(zhì)含量的不同分布也與各地降水、溫度存在聯(lián)系。場景區(qū)劃分的主要步驟是：將全國多年平均氣溫和多年平均降水量分布進行疊加，形成各級多年平均降水量和多年平均氣溫的組合，然后結(jié)合農(nóng)作物分布特征、地形特征調(diào)整組合，最終得到能代表全國主要氣候特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的場景區(qū)。首先按400mm和1000mm等值線將全國多年平均降水量分布圖分成三區(qū)，之所以選擇這兩個等值線是因為多年平均降水量400mm和1000mm是我國氣候帶劃分的依據(jù)之一，并且也是我國不同的常年灌溉地帶、不穩(wěn)定灌溉地帶和水稻灌溉地帶劃分的依據(jù)[22]。按8、12、16、20℃等溫線將全國多年平均氣溫分布圖分成5個區(qū)域，這些等溫線與上述降水等值線疊加后產(chǎn)生的區(qū)域與中國農(nóng)業(yè)自然區(qū)域大致吻合。不同自然區(qū)域和水利條件對農(nóng)作物分布和農(nóng)田耕作方式都有極大影響，因而也是我們在選擇標準場景時要重點考慮的。根據(jù)場景區(qū)數(shù)量不超過10個、場景區(qū)不宜太過零碎以及場景區(qū)應(yīng)代表全國主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的原則[2]，疊加后的結(jié)果經(jīng)過合并、調(diào)整，最終得到的結(jié)果如圖1所示，各個場景區(qū)的氣候、地理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征如表1所示。

2.3場景點的選擇場景區(qū)表現(xiàn)了我國氣候特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要空間分布規(guī)律，而土壤特性則是從每一個氣候特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相對一致的場景區(qū)中選擇場景點的主要依據(jù)。土壤特性包括土壤機械組成、pH值、容重、有機質(zhì)含量等，其中土壤有機質(zhì)是吸附農(nóng)藥的主要載體，土壤中有機質(zhì)含量越高，吸附性能也越強，使可淋溶的農(nóng)藥量減小，因而淋溶深度也減小，對地下水的威脅也越小，也就是說，使農(nóng)藥淋溶脆弱性越大的土壤種類其有機質(zhì)含量越小。本研究根據(jù)各個場景區(qū)中土壤有機質(zhì)含量的分布，選擇出使農(nóng)藥淋溶脆弱性達到第90百分位的土壤有機質(zhì)含量所處的位置，結(jié)合氣象資料選擇出各個場景區(qū)的場景點所處位置。下面以華北區(qū)為例闡述場景點的構(gòu)建過程。場景區(qū)中使農(nóng)藥淋溶脆弱性達到第90百分位的土壤有機質(zhì)含量，與場景區(qū)中旱地的面積和土壤有機質(zhì)含量的分布有關(guān)。首先利用ArcGISRDesktop9.2，提取土地利用圖中的旱地，并與土壤有機質(zhì)含量分布圖[10]疊加（圖2），新圖層的屬性包括了每個多邊形的面積、土壤有機質(zhì)含量級別、平均土壤有機質(zhì)含量。將圖2中所有多邊形按平均土壤有機質(zhì)含量升序排列，計算土壤有機質(zhì)含量各個級別的累積面積比例。由于土壤有機質(zhì)含量與地下水農(nóng)藥淋溶脆弱性是負相關(guān)關(guān)系，累積面積比例的第10百分位實際就是脆弱性達第90百分位的土壤有機質(zhì)含量，選取累積面積比例在第10百分位處的土壤有機質(zhì)含量的分布區(qū)域作為該區(qū)域“最脆弱”的土壤，即標準場景點的候選區(qū)域。場景點既代表現(xiàn)實中最糟糕的情況，也是建立在真實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的，因此場景點必須選在能收集到各種詳細氣象和作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)的地點。鑒于此，農(nóng)藥淋溶脆弱性達第90百分位的旱地、年降水量接近該地區(qū)平均水平并且靠近氣象臺站的地點是場景點的最佳區(qū)位。根據(jù)這一原則，3個場景點在華北區(qū)構(gòu)建完成，如圖3所示。其他4個場景區(qū)中的場景點根據(jù)相同的步驟依次選出，由于青藏高原區(qū)的農(nóng)業(yè)用地占全區(qū)土地面積的比例不到2%，不在該區(qū)選擇場景點。全國共選擇出11個地點用于構(gòu)建標準場景，如圖4所示，各場景點的主要屬性如表2所示。

3結(jié)果

根據(jù)氣候、農(nóng)業(yè)特征，全國被劃分成6個場景區(qū)，分別是東北區(qū)、西北區(qū)、華北區(qū)、長江流域區(qū)、華南區(qū)、青藏高原區(qū)（圖1）。其中，青藏高原區(qū)的旱作農(nóng)業(yè)地比例極小，該地區(qū)農(nóng)業(yè)在全國農(nóng)業(yè)中所占的比重也很小，因此不考慮在這個場景區(qū)選擇場景點。剩下的5個場景區(qū)中一共選擇出11個地點用于構(gòu)建標準場景（圖4）。

3.1場景區(qū)主要特征各個場景區(qū)的主要自然特征、農(nóng)業(yè)條件和作物種植特征分述如下。

3.1.1東北區(qū)該區(qū)是中國主要的商品糧和大豆生產(chǎn)基地。緯度高，積溫不高，年降雨量400~800mm，作物生長期短，主要從4月到10月；土地肥沃，土壤有機質(zhì)含量較高；耕地主要分布在三江平原、松嫩平原、遼河平原等地區(qū)；地下水、地表水豐富，適宜灌溉。玉米、大豆、春小麥、水稻和高粱是該區(qū)5種重要的作物，主要輪作方式是一年一熟。

3.1.2西北區(qū)該區(qū)位于半干旱、干旱氣候區(qū)，干旱少雨，年降雨量低于400mm，積溫低；草原面積大，畜牧業(yè)發(fā)達；地表水稀少，地表蒸發(fā)強烈，灌溉條件不好，僅在有河水、冰雪融水、地下水灌溉的地區(qū)，農(nóng)作物生長較好，形成主要農(nóng)業(yè)區(qū)（寧夏平原和河套平原的引黃灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)）；甘肅河西走廊的農(nóng)田利用祁連山的冰雪融水灌溉；新疆各盆地邊緣的綠洲主要依靠高山冰雪融水和地下水等進行灌溉而形成綠洲農(nóng)業(yè)。主要作物有玉米、馬鈴薯、春小麥、大豆、谷子、高粱、棉花、春油菜等，一年一熟。

3.1.3華北區(qū)該區(qū)屬于暖溫帶氣候區(qū)，可分為東部的黃淮海平原和西部的黃土高原。前者是我國重要的沖積平原與重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，地勢平坦，土層深厚，年降水量達到500~1000mm，但降水和地表徑流分布不均；主要作物有冬小麥、玉米、大豆，另外，煙草、花生、油菜、向日葵也有很大種植面積，兩年三熟或一年兩熟。后者降水量400~600mm，但年內(nèi)和年際間分布不均；土壤肥沃，但土質(zhì)疏松，地表無植被保護，水土流失嚴重，并且由于長時間的水蝕使得土地表面被切割成縱橫交錯的臺地、脊、溝壑，地下水水位較深；該區(qū)種植冬小麥、玉米、馬鈴薯、黍子、谷子、大豆、芝麻、高粱等，南部兩年三熟，北部一年一熟。

3.1.4長江流域區(qū)該區(qū)屬于亞熱帶氣候區(qū)，積溫高，無霜期210~340d，雨季長，雨量充沛，農(nóng)業(yè)、林業(yè)和漁業(yè)都很發(fā)達。東部多平原宜耕地面積大，西部多山多丘陵，山間盆地和河谷成為主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。主要作物有水稻、玉米、冬小麥、煙草、冬油菜、花生、芝麻、大豆、甘薯、馬鈴薯、甘蔗、亞麻、西瓜、蘋果、梨、葡萄、柑橘等，一年兩熟或一年三熟。

3.1.5華南區(qū)該區(qū)位于亞熱帶和熱帶地區(qū)，高溫多雨，水熱資源極其豐富，但各季節(jié)降水分布不均，雨季導致嚴重的水土流失；90%面積是丘陵區(qū)，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水平盆地有限；土壤多為赤紅壤、磚紅壤。水稻、玉米、大豆、甘薯、馬鈴薯、小麥、花生、油菜、甘蔗是主要作物，輪作方式為一年三熟或四熟。

3.1.6青藏高原區(qū)該區(qū)地勢高、氣溫低，自然條件惡劣，高原上不適合農(nóng)作物的生長。只有在海拔較低的河谷地區(qū)，水熱條件組合相對較好，適宜發(fā)展種植業(yè)生產(chǎn)，因此在南部的雅魯藏布江谷地、東部的湟水谷地形成了河谷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。主要農(nóng)作物是青稞和小麥。這個場景區(qū)農(nóng)用地比例小，在全國農(nóng)業(yè)所占的比重也較小，因而不考慮在該區(qū)構(gòu)建場景點。

3.2場景點主要特征場景點的氣象、土壤、地下水、灌溉條件、作物特征等數(shù)據(jù)是標準場景的重要組成數(shù)據(jù)，其中的主要屬性如表2所示。

3.3PEARL模型檢驗為了檢驗本研究所建立的場景體系的科學性及其在中國適用性，在本節(jié)中將所構(gòu)建的標準場景參數(shù)錄入PEARL模型數(shù)據(jù)庫中，并選擇三種不同類型的農(nóng)藥進行測試。PEARL模型是歐盟用于判斷新農(nóng)藥對地下水有風險與否的官方模型之一，其中設(shè)定了環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件等對農(nóng)藥環(huán)境行為產(chǎn)生影響的要素組成的若干個標準場景，用戶只需選擇場景點、作物類型、灌溉方式，并輸入需要評估農(nóng)藥的物理化學性質(zhì)，設(shè)定模擬時期，便可以獲得該農(nóng)藥進入地下水后的殘留濃度。三種農(nóng)藥分別是莠去津（Atrazin）、殺毒礬（Oxadixyl）和涕滅威（Aldicarb），它們的物理化學特性如表3所示。莠去津是常用的除草劑，對人畜低毒，在玉米田中通常于出苗前兌水噴灑于土壤表面，易被雨水淋溶至土壤深層，對地下水具有潛在危害；殺毒礬是一種低毒殺菌劑，半衰期長且不易被土壤吸附，但一般通過加水噴霧于作物表面，因進入土壤系統(tǒng)的有效成分較少，故向下淋溶的農(nóng)藥量也較少，正確使用時對地下水不構(gòu)成威脅；涕滅威屬于劇毒殺蟲劑，具有極高的水溶性和極長的半衰期，在土壤中淋溶與移動性強，且多通過穴施或溝施撒布于作物根部附近，對土壤和地下水具有極高的風險，屬于限制使用的農(nóng)藥，對施用環(huán)境與施用作物的種類有嚴格要求[23]。PEARL模擬這三種農(nóng)藥施用于華北區(qū)標準場景的玉米田中，模擬期為1976—2001年。根據(jù)模擬結(jié)果，在這26年模擬期內(nèi)，這三種農(nóng)藥施用后在地面以下1m深處土壤滲濾液的濃度變化和第90百分位分別如圖5、表4所示。分析三種農(nóng)藥多年的濃度變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，當年降水量大時，農(nóng)藥殘留在土壤滲濾液的濃度也隨之增加，即農(nóng)藥濃度曲線出現(xiàn)波峰，尤其是溶解度大的農(nóng)藥最為明顯。以商丘為例，在模擬期內(nèi)，該點的三種農(nóng)藥濃度都出現(xiàn)了6個較明顯的波峰，分別出現(xiàn)在1976、1979、1984、1990、1995、2000年，這正與商丘點年降水量較大值出現(xiàn)的年份吻合；武功在1984年和1985年兩年的年降水量較多，農(nóng)藥殘留濃度曲線相應(yīng)地出現(xiàn)了明顯波峰，而商丘較多的降水量出現(xiàn)在1985、1986年，農(nóng)藥殘留濃度曲線波峰的出現(xiàn)也較之武功有所退后；1998年商丘也有較多降雨，農(nóng)藥殘留濃度卻沒有出現(xiàn)較高的值，因為當年在農(nóng)藥施用之后短時間內(nèi)沒有降雨。這也說明了農(nóng)藥在土體中的殘留濃度值還與降雨事件發(fā)生的時間有關(guān)，若農(nóng)藥施用之后馬上有降雨，則會有更多的農(nóng)藥隨雨水向土壤內(nèi)部淋溶。歐盟的飲用水中農(nóng)藥最大可容許濃度標準為0.1μg•L-1，根據(jù)此標準，施用莠去津和涕滅威對施用地的地下水存在巨大風險，而殺毒礬的施用則是安全的。我國目前尚未出臺農(nóng)藥濃度在地下水中的限量標準，僅在《地下水質(zhì)量標準》[26]中規(guī)定了作為飲用水源和農(nóng)業(yè)用水的地下水中滴滴涕與六六六的濃度限量分別為1.0μg•L-1和5.0μg•L-1。因為滴滴涕與六六六的毒性巨大，將模擬所用的三種農(nóng)藥與此標準相比可知，莠去津和殺毒礬的施用對地下水都是安全的，而涕滅威的施用則對地下水產(chǎn)生巨大威脅。這一結(jié)論與這三種農(nóng)藥在現(xiàn)實中的使用情況相符。

4結(jié)束語

本文研究旱作農(nóng)田與地下水系統(tǒng)的農(nóng)藥環(huán)境風險評估中標準場景的構(gòu)建，搜集整理了我國的土地利用類型數(shù)據(jù)、多年氣象數(shù)據(jù)、土壤有機質(zhì)含量數(shù)據(jù)、土壤剖面數(shù)據(jù)、作物生長期數(shù)據(jù)等，利用GIS技術(shù)及其專業(yè)軟件強大的空間數(shù)據(jù)處理及空間分析功能。首先，根據(jù)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然條件將全國劃分成東北區(qū)、西北區(qū)、華北區(qū)、長江流域區(qū)、華南區(qū)、青藏高原區(qū)6個場景區(qū)；其次，選擇了能夠代表我國典型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的11個標準場景；最后，采用歐盟PEARL模型，以華北地區(qū)3個場景點為例，測算了三種不同類型的農(nóng)藥在地面以下1m深處土壤滲濾液90百分位的殘留濃度，評價了農(nóng)藥的地下水環(huán)境風險。本研究體現(xiàn)了GIS技術(shù)在處理空間數(shù)據(jù)上的優(yōu)勢，為我國農(nóng)藥環(huán)境風險管理提供技術(shù)支持和科學依據(jù)。農(nóng)藥環(huán)境暴露模型及其場景體系研究在我國剛剛起步，雖然本研究中借鑒了歐盟和美國等發(fā)達國家的經(jīng)驗和教訓，但由于我國農(nóng)業(yè)環(huán)境風險評估基礎(chǔ)研究較少，相關(guān)的標準尚未建立，本文研究了旱地作物的農(nóng)藥地下水環(huán)境風險所需的場景體系的構(gòu)建，存在以下不足有待改進。（1）由于我國土壤、氣象、水文和農(nóng)業(yè)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)共享制度尚未完善，收集難度很大，因此研究過程中所涉及的分區(qū)、選擇指標還有待進一步研究和完善。對土壤中農(nóng)藥淋溶行為有較大影響的因素，如飽和田間持水量、土壤孔隙率，以及可能改變農(nóng)藥遷移行為的因素，如地下水水位，在將來的研究中應(yīng)納入考慮。（2）為進一步驗證PEARL模型的準確性，應(yīng)將預(yù)測值與實測值進行對比研究，因此有必要在場景點實地進行農(nóng)藥殘留濃度實測。（3）除了完善旱地和地下水的農(nóng)藥環(huán)境風險評估場景體系外，還將對旱地和地表水、水田和地下水、水田和地表水的農(nóng)藥環(huán)境風險特征進行研究，分別對這四類系統(tǒng)建立相應(yīng)的農(nóng)藥環(huán)境風險評估場景，構(gòu)建適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的PEARL模型數(shù)據(jù)庫。

作者：林綠覃志豪李文娟單位：香港中文大學地理與資源管理系南京大學國際地球系統(tǒng)科學研究所中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所