微塑料对土壤水分入渗和蒸发的影响

　　摘要：为探究不同丰度(土壤干重的0.5%、1%、2%)和不同类型(PP、PVC、PE)微塑料对土壤水分入渗和蒸发的影响，采用室内土柱模拟的方法，阐明了不同丰度及不同类型微塑料对土壤水分累积入渗时间、土壤含水率、湿润锋和蒸发特性等的影响，其中A1，A2，A3、Q1，Q2，Q3和Z1，Z2，Z3分别代表PE、PVC和PP在0.5%、1%和2%丰度下的实验编号。结果表明，不同类型和不同丰度下的微塑料对土壤水分入渗和蒸发存在显著差异，同类型条件下随着微塑料丰度增大，累积入渗时间显著增加，而类型不同丰度相同微塑料赋存条件下，PP实验组累积入渗时间>PVC实验组累积入渗时间>PE实验组累积入渗时间>空白实验组累积入渗时间;赋存微塑料条件下土壤含水率最大值基本呈现于土层深度10~25cm处，空白组CK出现在20~25cm处;相同入渗时间内土壤湿润锋运移距离和湿润锋运移速率随微塑料丰度增加而减小，当入渗时间为60min时，A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3湿润锋运移距离较CK分别减少4.38%、8.76%、10.58%，7.30%、10.22%、14.60%和10.95%、13.14%、15.33%，其中PP微塑料的影响最为显著;微塑料赋存对土壤水分蒸发产生抑制作用，同类型微塑料下土壤的累积蒸发量随丰度的增加而减小，在蒸发27h时，添加2%丰度下PP、PVC和PE微塑料的实验土柱累积蒸发量比CK分别减小22.9%、19.4%和13.3%，Rose蒸发模型更能较真实地反映微塑料赋存情况下土壤累积蒸发量随时间的变化情况。研究可为微塑料赋存条件下土壤水分运移的变化研究提供理论基础。

　　关键词：微塑料;土壤;湿润锋;含水率;入渗;蒸发

　　近年来，微塑料因其分布广、危害大和迁移转化途径复杂[1~3]等原因越来越受到国内外学者关注。目前关于微塑料的污染研究主要集中在水环境中，但作为水环境微塑料“源”，陆地环境微塑料“汇”的土壤微塑料污染也越来越受到人们重视[4]。有研究表明，陆地中的微塑料丰度可达海洋的23倍之多，而全球每年输入土壤的微塑料数量远超向海洋输入的量[5~7]。以内蒙古河套灌区为例，根据已有研究数据，河套灌区农作土壤中微塑料类型繁多，且最高丰度已达到6070个·kg-1[3]，约是河北10倍，上海的100倍[8];而随着大块塑料通过风化和降解等作用逐步转化成微塑料，土壤中的微塑料污染日趋严重已成必然。

　　已有研究发现，土壤中的微塑料污染不仅会显著影响土壤的物理和化学特性[9]，更会抑制小麦根和茎的伸长[10]，显著降低黄瓜幼苗总根长[11]，进而对作物生长及产量造成影响[12]。同时，因微塑料比表面积大而产生的较强吸附特性，使微塑料表面更易吸附重金属、多氯联苯、多环芳烃和有机氯农药等污染物，增加了其对土壤生物的毒害风险[13~17]。因此，土壤作为人类赖以生存的根基，对保障国家粮食安全起到至关重要的作用，土壤中微塑料的污染问题不容忽视。

　　土壤水分入渗是降水和灌溉水通过土壤表面进入土壤内部的过程，土壤水分蒸发则是土壤水以水蒸气形式散失到大气中的过程，入渗决定了有所少水进入土壤，蒸发过程决定了有多少水流出土壤，两者都是农田水分循环的重要内容[18]。土壤水分入渗和蒸发主要受土壤结构、土壤质地、气象条件、初始含水率和耕种措施等因素的影响，两者直接影响了土壤含水率，决定了农田水资源的有效利用程度，进而影响作物的水分利用效率。目前在不同农膜残留、不同覆盖物和不同盐分等对土壤水分入渗及蒸发的影响等方面研究较多，如随着土壤中残膜量增多，砂壤土和砂土入渗速率变慢，土壤湿润锋运移相同距离所需时间均显著增加;增加麦秆覆盖量将明显降低土壤蒸发量;土壤含盐量增加会导致土壤蒸发速率显著降低[19]。

　　尽管土壤中微塑料是否会隔断部分土壤毛管孔隙，是否会影响土壤水分运移等方面的研究较少，但已有研究表明，微塑料可以影响土壤植物的生长，土壤干重1%丰度下的LDPE微塑料和可生物降解塑料地膜碎片对小麦的生长具有干扰作用，对小麦种子及幼苗的生长具有明显的抑制作用[20]，并且微塑料可以被土壤植物吸附并积累;Bosker等[21]以不同粒径的微塑料为研究对象，通过试验发现水芹种子发芽率明显受到微塑料的抑制，使种子发芽率从对照的78%下降到17%，而且粒径越大的微塑料其影响更大[22];有研究显示微塑料还能破坏水稻组织，诱导脂质过氧化，破坏细胞膜，抑制作物根活性，降低水稻净光合速率，并使其叶绿素荧和叶绿素a含量降低，从而降低水稻生物量[23]。

　　另外，Liu等[24]的研究发现，纳米级微塑料可被水稻根系吸收并转运至地上组织部分，从而可能通过食物链将微塑料的量积累到一个更高的水平。虽然微塑料对作物生长影响的机制还不清晰，但很大一部分原因是由于微塑料影响了土壤水分的入渗和蒸发，导致土壤中的水、热、气和肥等不能正常供给作物生长，进而对作物生长起到抑制作用。本研究基于室内土柱模拟实验，探究不同丰度(0.5%、1%、2%)和不同类型(PE、PVC、PP)微塑料对土壤水分入渗和蒸发的影响，以期为微塑料对土壤水分运移的影响提供理论依据和技术参考，也可为微塑料大量赋存背景下干旱半干旱区水土资源高效利用提供科技支撑。

　　1材料与方法

　　1.1实验材料

　　备试土壤采集于内蒙古自治区河套灌区，为尽量减小原状土壤中微塑料的本底值，选取未耕种过且人为扰动小的土壤样品进行采集，采集深度为地面以下50~150cm，去除大粒径杂质后带回实验室，将土样风干、碾碎，最后过2mm筛，确保土质均质。利用纳米激光粒度仪(NANOPHOXTM，Symaptec公司，德国)进行颗粒分析，其中黏粒(粒径小于0.002mm)占比为1.32%，粉粒(粒径0.01~0.50mm)占比为18.60%，砂粒(粒径0.50~1.0mm)占比为80.08%，土质属于砂壤土。所使用微塑料为广东特塑朗化工有限公司制造，微塑料粒径为150µm，形状为球状。

　　1.2实验设计与方法

　　实验共设置3种微塑料丰度、3种微塑料类型和1个对照处理，共计10个处理，每个处理3次重复。选用内径为10cm、高度为50cm的透明有机玻璃柱进行实验，其柱壁贴软卷尺，底部5cm为反滤层，并设有排气孔，装土高度35cm。装土前在土柱底部铺设一层纱布，为避免优势流对实验结果的影响，实验前在土柱内侧涂抹一层凡士林。按照不同实验设置将微塑料和土壤均匀混合，按照1.5g·cm-3土壤容重装土，每5cm分层装入，层间打毛。采用一维定水头法测定土壤水分入渗过程，通过马氏瓶供水，水头高度控制在10cm，实验前用流量计控制实验组中的流量使其保持一致。

　　入渗实验开始后，观察湿润锋的运移以及马氏瓶的水位情况，按照前密后疏的原则，记录相应时间下湿润锋的运移情况及马氏瓶的水位刻度。当湿润锋到达土柱深度30cm处时停止供水，记录累积入渗时间，并用防水塑料膜封住土柱管口，入渗过程结束。在湿润锋停止运移后，用小型土钻从土壤深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~25和25~30cm处取土，用烘干法测含水率。

　　为防止水分蒸发，将所有的土柱用塑料薄膜封口，静置24h。将所有的土柱放置在环境相对稳定的室内，打开红外线灯(275W)作为光源进行蒸发实验，灯底部与土柱表土距离均为30cm，昼夜照射，采用称重法，在蒸发开始后1、2，3、4、6、8、10、12和15~27h测定土柱蒸发量，同步测量蒸发皿的水面蒸发，蒸发试验期间室温在18~23℃，日平均湿度约为35%，平均水面蒸发量为1.75mm·h-1。

　　1.3土壤水分蒸发模型

　　为进一步研究不同丰度及类型微塑料对土壤水分蒸发的影响，采用Black模型和Rose模型进行拟合，拟合公式如下。(1)Black蒸发模型Black蒸发模型[25]广泛应用于蒸发下边界没有水分持续补给时土壤累积蒸发量随时间的变化情况，其表达式为：E=F+Bt01/2(1)式中，E为累积蒸发量，g;t0为蒸发历时，h;F和B为蒸发参数。(2)Rose蒸发模型Rose蒸发模型[26]也具有形式简单的特点，蒸发下边界没有水分持续补给时应用广泛，其表达式为：E=Ct0+Dt01/2(2)式中，t0为蒸发历时，C为稳定蒸发参数;D为水分扩散参数。

　　1.4数据处理

　　采用Excel2017进行数据处理，Origin8.0进行制图，SPSS17.0进行方差分析。

　　2结果与分析

　　2.1不同丰度及类型微塑料对累积入渗时间、土壤含水率的影响

　　不同丰度和类型微塑料对累积入渗时间有显著影响。同种类型不同丰度微塑料赋存条件下，随着微塑料丰度增大累积入渗时间显著增加(P<0.05)，其中A2和A3较A1分别增长了2.7%和5.4%，Q2和Q3较Q1分别增长了2.0%和7.4%，Z2和Z3较Z1分别增长了5.1%和6.5%，表明微塑料丰度增加会延长土壤内水分的运移路径，进而增大累积入渗时间。

　　而类型不同丰度相同微塑料赋存条件下，PP实验组累积入渗时间>PVC实验组累积入渗时间>PE实验组累积入渗时间>空白实验组累积入渗时间，其中无微塑料赋存的空白实验组用时最少(72min)，丰度2%的PP实验组用时最多(82min);而丰度0.5%条件下，Q1和Z1累积入渗时间较A1分别增长了0.7%和4.1%，丰度1%条件下，Q2和Z2累积入渗时间较A2分别增长了7.3%和0.4%，丰度2%条件下，Q3和Z3累积入渗时间较A3分别增长了6.5%和2.6%。上述研究结果表明土壤中微塑料赋存对累积入渗时间的影响，不仅受微塑料丰度的影响，也与微塑料类型密不可分;其中PP微塑料对其影响最大，PE微塑料对其影响最小。

　　造成这种结果的原因可能是不同类型的微塑料具有不同的表面能[27]，表面能越低，疏水性越大，疏水性越大的微塑料，则水分在土壤中的运移速度越慢;另外，根据周蕊等[28]的研究，微塑料表面的粗糙程度也会对疏水性产生影响，一般来说提高粗糙度则使疏水性变大，故对不同类型微塑料在土壤中的累积入渗时间产生了较大差异。

　　从中可知，3种类型微塑料赋存土壤含水率在不同土层深度上均随着微塑料丰度增大而增加，在土壤深度15cm处，0.5%、1.0%和2.0%丰度情况下PP微塑料含水率分别为17.70%、18.50%和19.23%，说明在相同深度土层上土壤含水率随微塑料的丰度增加而增大，产生这种现象的原因可能是土壤中赋存的微塑料对土壤孔隙造成阻塞而使水分积蓄在该区域，从而使得土壤含水率升高。

　　另外，微塑料赋存土壤含水率在不同土层深度上也呈现出差异性，主要表现为土壤含水率最大值基本呈现于土层深度10～25cm处，其中有微塑料赋存的实验组在0.5%、1%、2%丰度下，最大值分别出现在15~20、10~15和15~20cm处，而土层深度0~5、5~10和25～30cm处含水率则相对较低，CK的最大值则出现在20~25cm处，这可能是由于在水分入渗过程中微塑料具有一定的疏水性，减缓了水分在土壤中的下渗速度，故在实验结束后取土时还有水分贮留在土柱中下部，从而导致所测量处的含水率较高。

　　2.2不同丰度及类型微塑料对湿润锋的影响

　　微塑料赋存显著减缓了湿润锋的运移速度，不同丰度微塑料赋存土壤湿润锋到达土柱底部的时间皆大于空白对照实验。在入渗初期，微塑料对湿润锋运移的影响很小，不同处理湿润锋曲线几乎重合;随着入渗的进行，不同丰度微塑料赋存土壤湿润锋表现出差异性，基本呈现出在相同入渗时间内微塑料丰度越大湿润锋运移距离越小的规律。当湿润锋运移到土壤中下层时，以入渗时间为60min为例，A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3湿润锋运移距离较CK分别减少4.38%、8.76%、10.58%，7.30%、10.22%、14.60%和10.95%、13.14%、15.33%。

　　微塑料类型亦对湿润锋的运移产生影响，其中PP微塑料的影响最为显著，而PVC与PE微塑料的影响均小于PP微塑料，当入渗时间为60min时，即微塑料赋存土壤的湿润锋运移距离均小于CK(27.4cm)，在丰度相同情况下，湿润锋的平均运移距离为PP实验组

　　其中湿润锋运移速率为湿润锋运移距离及所用时间计算而得。从中可知，不同处理湿润锋运移速率都表现为先急剧上升，而后在运移10~25min时上下波动，从25min后开始逐渐下降;但不同处理间湿润锋运移速率的降低程度有所差异，具体表现为与未赋存微塑料的CK处理相比，赋存微塑料的实验组湿润锋运移速率降低更为剧烈，且基本表现出湿润锋降低速率与微塑料丰度呈正相关。

　　当湿润锋运移到土壤中下层，以入渗时间45min为例，CK、A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3湿润锋的运移速率(cm·min-1)分别为0.4804、0.4609、0.4304、0.4220，0.4478、0.4282、0.4100和0.4434、0.4130、0.3956。在同丰度不同类型微塑料条件下，3种微塑料对湿润锋运移速率的影响亦不相同，运移速率基本表现为：CK>PE>PVC>PP。同样在入渗开始45min时，同丰度不同类型微塑料实验组中，A1、Q1和Z1湿润锋运移速率分别比CK低4.06%、6.78%和7.72%，A2、Q2和Z2湿润锋运移速率较CK低10.41%、10.87%和14.03%，A3、Q2和Z3湿润锋运移速率分别比CK低12.16%、14.65%和17.65%。

　　3结论

　　(1)微塑料丰度和类型对累积入渗时间、土壤含水率有显著影响。随着微塑料丰度增大，累积入渗时间显著增加，其中累积入渗时间A2和A3较A1分别增长了2.7%和5.4%，Q2和Q3较Q1分别增长了2.0%和7.4%，Z2和Z3较Z1分别增长了5.1%和6.5%;而累积入渗时间同样受微塑料类型影响，类型不同丰度相同微塑料赋存条件下，PP实验组累积入渗时间>PVC实验组累积入渗时间>PE实验组累积入渗时间>空白实验组累积入渗时间。微塑料赋存土壤含水率在不同土层深度上均随着微塑料丰度增大而增加，土壤含水率最大值基本呈现于土层深度10～25cm处，空白组的含水率最大值出现在土壤深度20~25cm处。

　　(2)微塑料赋存显著减小了土壤湿润锋运移速率。随着微塑料丰度的增大，相同入渗时间内土壤湿润锋运移距离越小，湿润锋运移速率降低更为明显;当入渗时间为60min时，A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3湿润锋运移距离较CK分别减少4.38%、8.76%、10.58%，7.30%、10.22%、14.60%和10.95%、13.14%、15.33%，其中PP微塑料的影响最为显著，PVC微塑料次之，对湿润锋运移速率影响最小的为PE微塑料。

　　(3)微塑料赋存对土壤水分蒸发产生抑制作用。同类型微塑料下土壤的累积蒸发量随丰度的增加而减小，在蒸发27h时，低丰度下(0.5%和1%)PVC微塑料对土壤水分蒸发影响最大，其次是PP微塑料，对土壤水分蒸发影响最小的为PE微塑料。高丰度下(2%)PP、PVC和PE微塑料的实验土柱累积蒸发量比CK分别减小22.9%、19.4%和13.3%。通过对比Black蒸发模型和Rose蒸发模型的拟合效果，Rose蒸发模型更能较真实地反映微塑料赋存情况下土壤累积蒸发量随时间的变化情况。

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　　作者：王志超，张博文，倪嘉轩，杨文焕，李卫平