考虑非线性吸附与土壤生物降解的农药淋溶风险快速评估解析方程

这篇研究通过建立解析方程（Se系数），创新性地解决了农药在土壤中非线性吸附（Freundlich指数N）与生物降解（DT50）共同作用下的淋溶风险评估难题。研究整合了平流-扩散-反应方程，采用渐近展开法处理非线性吸附，并与欧盟监管模型PEARL进行多场景验证，揭示了吸附-降解比（Se=Kom/DT50）是控制农药淋溶（1米深度）的核心参数，为农药环境风险评估提供了高效预测工具。

　　

解析方程构建与理论框架

研究团队基于Jury经典模型进行扩展，建立了描述农药在土壤中迁移的稳态解析方程（式1）。该方程整合了平流（q?）、扩散-弥散（D?_tot）及非线性吸附（c?_s=K?_fc?_ref(c?_l/c?_ref)^N）过程，并通过渐近展开法（式13-17）处理Freundlich指数N=1-ε的弱非线性问题。创新性地引入吸附-降解比（Se=K?_om/DT?50，式7），发现其主导农药在1米深度的平均淋溶浓度，而绝对吸附（K?_om）和降解（DT?50）值仅影响浓度波动幅度。

关键参数与数学极限

通过特征值分析（式19）揭示了三种极限情况：当DT?50→0时农药完全降解（c?_l→0）；当DT?50→∞且Se→0时表层浓度直达淋溶层（c?_l=c?_l,0）；而DT?50与K?_om同步增加时，淋溶浓度趋近于与土壤含水量无关的传输主导极限（式23）。研究特别指出，延迟因子τ=ρ?_bK?_f/θ_v在高吸附（K?_om>100 mL g^-1）时影响减弱，此时Se系数成为决定性因素。

模型验证与场景应用

在欧盟9个FOCUS场景中，解析解与PEARL长期模拟结果高度吻合（图4）。例如Okehampton场景下，当Se=1时，线性与非线性（N=0.9）吸附的解析解误差<5%。通过蒙特卡洛抽样（式33-36）量化天气波动影响，发现低K?_om（如f10组）化合物淋溶浓度变异系数可达300%，而高K?_om（f01组）仅20%。研究还绘制了各场景Se-N临界值图谱（图5），显示Okehampton需Se>2.5（N=1）才能满足欧盟0.1 μg L^-1限值，而Seville因高温干燥条件模型适用性受限。

实际意义与局限性

对408种欧盟注册农药的分析显示（图8），Se系数跨越5个数量级（0.1-300），证实其作为通用筛选指标的潜力。相比MetaPEARL等经验模型，该解析法在DT?50=60-600天范围内的预测误差<1.5倍（图7D）。但需注意：1）高温场景（如Seville）需修正灌溉通量；2）N<0.85时渐近解可能失效；3）当前模型未考虑根系吸水效应。未来可结合Wooding方程改进通量估算，并扩展至代谢物耦合输运研究。

这项研究通过严格的数学推导与多场景验证，建立了首个能同时处理非线性吸附和体相降解的农药淋溶解析模型，为农药环境风险评估提供了理论扎实、计算高效的新工具。