農(nóng)藥在土壤中運(yùn)移的模擬

前言

　　農(nóng)藥的使用對(duì)環(huán)境所造成的污染是國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注的問題。農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的影響在很大程度上取決于它在土壤中的遷移與轉(zhuǎn)化。阿特拉津（Atrazine）是一種廣泛應(yīng)用于我國(guó)華北和東北地區(qū)的化學(xué)農(nóng)藥，對(duì)提高作物產(chǎn)量具有重要作用，但其施用不當(dāng)也將對(duì)地下水的質(zhì)量構(gòu)成威脅，該專著以實(shí)驗(yàn)室尺度和農(nóng)田尺度下Atrazine在土壤中運(yùn)移的數(shù)值模擬為研究?jī)?nèi)容，具有重要的理論和實(shí)際意義。　　作者在閱讀大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)有關(guān)研究成果進(jìn)行了全面系統(tǒng)的詳述和總結(jié)，確定了研究目標(biāo)和方法，表明作者對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的前沿動(dòng)態(tài)和主要文獻(xiàn)資料具有全面的了解?！　∽髡呤紫乳_展了Atrazine和示蹤溶質(zhì)Br一在穩(wěn)定流條件下飽和砂質(zhì)壤土中運(yùn)移的易混合置換實(shí)驗(yàn)研究，分別獲得了示蹤溶質(zhì)Br一和Atrazine同步脈沖輸入1h后出流濃度的動(dòng)態(tài)，取得的數(shù)據(jù)資料翔實(shí)可靠。為了求得Atrazine在土壤中的吸附系數(shù)，作者分別采用批量平衡法和流動(dòng)平衡法進(jìn)行了.Atrazine在砂質(zhì)壤土中吸附特性的實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)取得的數(shù)據(jù)對(duì)吸附系數(shù)分別采用線性和非線性形式的表達(dá)式擬合對(duì)比，論證了可以利用線性吸附等溫線描述砂質(zhì)壤土中Atrazine的吸附特性，得出了采用批量平衡法實(shí)驗(yàn)確定阻滯因子不僅方法簡(jiǎn)便而且精度高，根據(jù)易混合置換實(shí)驗(yàn)獲得穿透曲線、通過對(duì)流一彌散方程反演求得阻滯因子是間接獲取吸附參數(shù)的有效途徑等結(jié)論。論證嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)均有實(shí)際意義?！　∑浯?，作者根據(jù)所進(jìn)行的淋溶和吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲取了反映Atrazine和Br一運(yùn)移特性的穿透曲線和土壤對(duì)Atrazine吸附性能的分配系數(shù)。數(shù)學(xué)模擬表明，考慮.Atrazine與運(yùn)移和吸附有關(guān)的非平衡模型較傳統(tǒng)平衡模型能更好地模擬該農(nóng)藥在供試土壤中的淋溶動(dòng)態(tài)，且Atrazine在供試砂質(zhì)壤土中的運(yùn)移機(jī)制主要是化學(xué)非平衡的。作者首次在國(guó)內(nèi)根據(jù)基于物理和化學(xué)的兩區(qū)和兩點(diǎn)非平衡理論的解析模型，模擬了Atrazine在實(shí)驗(yàn)土柱不同埋深處的濃度變化和累積淋溶量動(dòng)態(tài)，在土柱出流口處的模擬值與實(shí)測(cè)值一致或接近，較好地仿真了實(shí)驗(yàn)得到的Atrazine穿透曲線的非對(duì)稱拖尾特征?！　〗又?，在所進(jìn)行的易混合置換實(shí)驗(yàn)和平衡吸附實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，作者檢驗(yàn)了只考慮吸附情況下對(duì)Atrazine淋溶動(dòng)態(tài)運(yùn)用Jury和：Roth提出的傳遞函數(shù)模型進(jìn)行預(yù)報(bào)的可行性，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，所用數(shù)學(xué)模型能夠較好地仿真實(shí)驗(yàn)條件下Atrazine的運(yùn)移規(guī)律。這一研究成果為農(nóng)藥Atrazine在土壤環(huán)境中運(yùn)移動(dòng)態(tài)的模擬提供了簡(jiǎn)捷的數(shù)學(xué)模型，為應(yīng)用該模型對(duì)Atrazine在土壤中淋溶風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估提供了科學(xué)依據(jù)。

內(nèi)容概要

土壤環(huán)境中運(yùn)移的模擬研究，特別是在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下開展的研究工作的總結(jié)。本書詳細(xì)介紹了室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)技術(shù)與數(shù)學(xué)模擬理論相結(jié)合的研究方法，主要內(nèi)容包括：穩(wěn)定流條件下阿特拉津在飽和砂質(zhì)壤土中的淋溶實(shí)驗(yàn)；砂質(zhì)壤土中阿特拉津阻滯因子的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法比較；基于非平衡假設(shè)的對(duì)流-彌散方程的解析解；基于凈供水量的概率密度函數(shù)呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布的傳遞函數(shù)解；穩(wěn)定流場(chǎng)飽和均質(zhì)土壤中吸附性農(nóng)藥淋溶動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模式的構(gòu)造；滴灌施藥條件下阿特拉津在土壤中運(yùn)移的物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真；農(nóng)田尺度降雨入滲-重分布條件下阿特拉津在非飽和土壤中淋溶風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)；農(nóng)田氣象條件下夏玉米生育期阿特拉津在土壤中淋溶動(dòng)態(tài)的數(shù)值分析；有效參數(shù)的冪平均算法對(duì)農(nóng)田尺度阿特拉津淋溶動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的影響?！　”緯晒┩寥?、環(huán)境、水利等學(xué)科領(lǐng)域的科技工作者和研究生在運(yùn)用數(shù)學(xué)模型研究農(nóng)藥在土壤環(huán)境中的運(yùn)移問題時(shí)參考。

作者簡(jiǎn)介

任理，男，任理 1959年6月生于北京，工學(xué)博士，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院土壤和水科學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師。中國(guó)土壤學(xué)會(huì)土壤物理專業(yè)委員會(huì)副主任。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)地球科學(xué)部“中國(guó)地下水科學(xué)戰(zhàn)略研究小組”成員?！端麑W(xué)報(bào)》和《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》編委。研究領(lǐng)域：土壤物理學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)。曾擔(dān)任國(guó)家自然科學(xué)基金“八五”重大項(xiàng)目、“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目以及中德合作、中以合作項(xiàng)目的主研人員。主持完成了兩項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。已發(fā)表研究論文50余篇。

書籍目錄

序一序二前言第1章　緒論　1.1　研究目的和意義　1.2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析　1.3　研究目標(biāo)、內(nèi)容和技術(shù)路線　　1.3.1　研究目標(biāo)　　1.3.2　研究?jī)?nèi)容第2章　穩(wěn)定流條件下阿特拉津在飽和砂質(zhì)壤土中的淋溶實(shí)驗(yàn)　2.1　概述　2.2　室內(nèi)淋溶實(shí)驗(yàn)　　2.2.1　實(shí)驗(yàn)裝置　　2.2.2　實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作　　2.2.3　實(shí)驗(yàn)步驟　　2.2.4　樣品分析測(cè)定　　2.2.5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果第3章　砂質(zhì)壤土中阿特拉津阻滯因子的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法比較　3.1　實(shí)驗(yàn)方法求取阻滯因子　　3.1.1　供試土壤與藥品　　3.1.2　儀器設(shè)備　　3.1.3　實(shí)驗(yàn)方法　　3.1.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　3.2　其他方法求取阻滯因子　　3.2.1　通過求解對(duì)流－彌散方程的反問題估算阻滯因子　　3.2.2　利用Atrazine的物化參數(shù)計(jì)算阻滯因子的近似值　3.3　小結(jié)第4章　基于非平衡假設(shè)的對(duì)流－彌散方程的解析解　4.1　模型原理　　4.1.1　局部平衡假設(shè)　　4.1.2　非平衡假設(shè)　4.2　阿特拉津在穩(wěn)定流場(chǎng)飽和砂質(zhì)壤土中的非平衡運(yùn)移模擬　　4.2.1　運(yùn)移參數(shù)的確定　　4.2.2　可動(dòng)水體的估算　　4.2.3　非平衡運(yùn)移參數(shù)的估計(jì)　　4.2.4　非平衡運(yùn)移動(dòng)態(tài)的模擬　4.3　小結(jié)第5章　基于凈供水量的概率密度函數(shù)呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布的傳遞函數(shù)解　5.1　模型理論　　5.1.1　一般的傳遞函數(shù)模型　　5.1.2　吸附性溶質(zhì)的傳遞函數(shù)模型　5.2　阿特拉津在穩(wěn)定流場(chǎng)飽和砂質(zhì)壤土中運(yùn)移的傳遞函數(shù)模擬　5.3　小結(jié)第6章　穩(wěn)定流場(chǎng)飽和均質(zhì)土壤中吸附性農(nóng)藥淋溶動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模式的構(gòu)造　6.1　模式的構(gòu)造思路　6.2　數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)　　6.2.1　實(shí)驗(yàn)方案　　6.2.2　計(jì)算結(jié)果分析　6.3　預(yù)報(bào)模式的應(yīng)用　　6.3.1　預(yù)報(bào)模式的檢驗(yàn)　　6.3.2　與第5章預(yù)報(bào)模型的比較　6.4　小結(jié)第7章　滴灌施藥條件下阿特拉津在土壤中運(yùn)移的物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真　7.1　引言　7.2　實(shí)驗(yàn)　　7.2.1　滴灌施藥實(shí)驗(yàn)　　7.2.2　吸附實(shí)驗(yàn)　　7.2.3　降解實(shí)驗(yàn)　7.3　數(shù)值模擬　　7.3.1　原理　　7.3.2　定解條件和參數(shù)　　7.3.3　模擬結(jié)果與討論　7.4　數(shù)值分析　　7.4.1　不同初始含水量對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)和Atrazine分布的影響　　7.4.2　不同滴頭流量對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)和Atrazine分布的影響　7.5　小結(jié)第8章　農(nóng)田尺度降雨入滲－重分布條件下阿特拉津在非飽和土壤中淋溶風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)　8.1　材料與方法　　8.1.1　實(shí)驗(yàn)小區(qū)概況　　8.1.2　樣品采集與分析　　8.1.3　數(shù)學(xué)模型的描述與數(shù)值試驗(yàn)方案　　8.1.4　模型參數(shù)的估計(jì)與統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析　8.2　結(jié)果與討論　　8.2.1　Atrazine在土壤中吸附特性的空間分布　　8.2.2　農(nóng)田尺度Atrazine淋溶風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)值預(yù)報(bào)　8.3　小結(jié)第9章　農(nóng)田氣象條件下夏玉米生育期阿特拉津在土壤中淋溶動(dòng)態(tài)的數(shù)值分析第10章　有效參數(shù)的冪平均算法對(duì)農(nóng)田尺度阿特拉津淋溶動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的影響第11章　結(jié)論參考文獻(xiàn)彩色照片

章節(jié)摘錄

　　第3章　砂質(zhì)壤土中阿特拉津阻滯因子的　　實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法比較　　吸附過程（sorption process）包括吸附（adsorption）、化學(xué)吸附（chemisorption）、吸收（absorption）和離子交換（ion exchange）（Fetter，1993），通過這些過程溶質(zhì)附著在固相表面。陽離子可被吸引到緊靠帶負(fù)電荷的黏土礦物的表面區(qū)域，并通過靜電作用力維持在那里，這個(gè)過程叫做陽離子交換。陰離子交換可發(fā)生在鐵鋁氧化物帶正電荷的點(diǎn)位上及黏土礦物的破碎邊緣上。當(dāng)溶質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入到沉積物、土壤或巖石表面時(shí)，就發(fā)生了化學(xué)吸附。當(dāng)含水層顆粒是多孔的，吸收便發(fā)生了，此時(shí)溶質(zhì)通過擴(kuò)散進(jìn)人到顆粒內(nèi)部且被吸附到內(nèi)表面（Fetter，1993）。污染物在沉積物上的吸附是一種固一液分配過程（葉常明，l997）。進(jìn)入土壤的農(nóng)藥，將被土壤膠粒及有機(jī)質(zhì)吸附。所謂農(nóng)藥的土壤吸附作用是指土壤作用力使農(nóng)藥聚集在土壤顆粒表面，致使土壤顆粒與土壤溶液界面上的農(nóng)藥濃度大于土壤本體中農(nóng)藥濃度的現(xiàn)象（林玉鎖等，2000），是農(nóng)藥分子被土壤顆粒束縛的物理化學(xué)過程（莫漢宏，l994）。土壤對(duì)農(nóng)藥的吸附作用會(huì)降低土壤中農(nóng)藥的生物學(xué)活性，降低農(nóng)藥在土壤中的移動(dòng)性和向大氣中的揮發(fā)性，同時(shí)它對(duì)農(nóng)藥在土壤中的殘留性也有一定影響（林玉鎖等，2000）。因此，定量研究農(nóng)藥在土壤中的吸附過程對(duì)評(píng)價(jià)農(nóng)藥在環(huán)境中的歸趨是非常重要的?！　∮捎贏trazine通常作為苗前除草劑被直接施加到土壤中，因此，吸附是其環(huán)境歸宿中的主要決定因素（Gamerdinger et al.，l991）。特別是利用數(shù)學(xué)模型模擬Atrazine在土壤中的運(yùn)移規(guī)律時(shí)，充分了解它在土壤中的吸附特性，獲得反映土壤對(duì)其運(yùn)移時(shí)間延遲的重要吸附參數(shù)——阻滯因子（retardation factor），對(duì)高精度的模擬是非常重要的。Atrazine的環(huán)境行為尤其是它在農(nóng)田土壤中的吸附機(jī)理研究，國(guó)內(nèi)已有報(bào)道（鐘虹敏等，1999；楊煒春等，2000；葉常明等，2001）；國(guó)外學(xué)者在研究Atrazine在土壤中的運(yùn)移時(shí)，對(duì)其轉(zhuǎn)化作用考慮最多的也是它在土壤中的吸附過程（Gamerdinger et al.，l990，1991；Gaber et al.，1995；Chen and Wagenet，1997）。然而，采用多種實(shí)驗(yàn)方法與理論計(jì)算相結(jié)合對(duì)Atrazine在某種質(zhì)地土壤中的吸附特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究尚不多見。本章（可參見：毛萌和任理，2003）應(yīng)用批量平衡法和流動(dòng)平衡法研究Atrazine在砂質(zhì)壤土中的吸附特性，并根據(jù)CDE，基于易混合置換實(shí)驗(yàn)得到的Atrazine的BTC，采用非線性最dx__-乘優(yōu)化方法（nonlinear least—squares optimization approach）估算阻滯因子。此外，還利用Atrazine的正辛醇／水分配系數(shù)、熔點(diǎn)值和水溶解度間接計(jì)算了Atrazine的吸附特性參數(shù)。　　……

編輯推薦

　　《農(nóng)藥在土壤中運(yùn)移的模擬：以阿特拉津（莠去津）為例》可供土壤、環(huán)境、水利等學(xué)科領(lǐng)域的科技工作者和研究生在運(yùn)用數(shù)學(xué)模型研究農(nóng)藥在土壤環(huán)境中的運(yùn)移問題時(shí)參考。

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