摘要：為探究不同豐度(土壤干重的0.5%、1%、2%)和不同類型(PP、PVC、PE)微塑料對土壤水分入滲和蒸發的影響，采用室內土柱模擬的方法，闡明了不同豐度及不同類型微塑料對土壤水分累積入滲時間、土壤含水率、濕潤鋒和蒸發特性等的影響，其中A1，A2，A3、Q1，Q2，Q3和Z1，Z2，Z3分別代表PE、PVC和PP在0.5%、1%和2%豐度下的實驗編號。結果表明，不同類型和不同豐度下的微塑料對土壤水分入滲和蒸發存在顯著差異，同類型條件下隨著微塑料豐度增大，累積入滲時間顯著增加，而類型不同豐度相同微塑料賦存條件下，PP實驗組累積入滲時間>PVC實驗組累積入滲時間>PE實驗組累積入滲時間>空白實驗組累積入滲時間;賦存微塑料條件下土壤含水率最大值基本呈現于土層深度10~25cm處，空白組CK出現在20~25cm處;相同入滲時間內土壤濕潤鋒運移距離和濕潤鋒運移速率隨微塑料豐度增加而減小，當入滲時間為60min時，A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3濕潤鋒運移距離較CK分別減少4.38%、8.76%、10.58%，7.30%、10.22%、14.60%和10.95%、13.14%、15.33%，其中PP微塑料的影響最為顯著;微塑料賦存對土壤水分蒸發產生抑制作用，同類型微塑料下土壤的累積蒸發量隨豐度的增加而減小，在蒸發27h時，添加2%豐度下PP、PVC和PE微塑料的實驗土柱累積蒸發量比CK分別減小22.9%、19.4%和13.3%，Rose蒸發模型更能較真實地反映微塑料賦存情況下土壤累積蒸發量隨時間的變化情況。研究可為微塑料賦存條件下土壤水分運移的變化研究提供理論基礎。

　　關鍵詞：微塑料;土壤;濕潤鋒;含水率;入滲;蒸發

　　近年來，微塑料因其分布廣、危害大和遷移轉化途徑復雜[1~3]等原因越來越受到國內外學者關注。目前關于微塑料的污染研究主要集中在水環境中，但作為水環境微塑料“源”，陸地環境微塑料“匯”的土壤微塑料污染也越來越受到人們重視[4]。有研究表明，陸地中的微塑料豐度可達海洋的23倍之多，而全球每年輸入土壤的微塑料數量遠超向海洋輸入的量[5~7]。以內蒙古河套灌區為例，根據已有研究數據，河套灌區農作土壤中微塑料類型繁多，且最高豐度已達到6070個·kg-1[3]，約是河北10倍，上海的100倍[8];而隨著大塊塑料通過風化和降解等作用逐步轉化成微塑料，土壤中的微塑料污染日趨嚴重已成必然。

　　已有研究發現，土壤中的微塑料污染不僅會顯著影響土壤的物理和化學特性[9]，更會抑制小麥根和莖的伸長[10]，顯著降低黃瓜幼苗總根長[11]，進而對作物生長及產量造成影響[12]。同時，因微塑料比表面積大而產生的較強吸附特性，使微塑料表面更易吸附重金屬、多氯聯苯、多環芳烴和有機氯農藥等污染物，增加了其對土壤生物的毒害風險[13~17]。因此，土壤作為人類賴以生存的根基，對保障國家糧食安全起到至關重要的作用，土壤中微塑料的污染問題不容忽視。

　　土壤水分入滲是降水和灌溉水通過土壤表面進入土壤內部的過程，土壤水分蒸發則是土壤水以水蒸氣形式散失到大氣中的過程，入滲決定了有所少水進入土壤，蒸發過程決定了有多少水流出土壤，兩者都是農田水分循環的重要內容[18]。土壤水分入滲和蒸發主要受土壤結構、土壤質地、氣象條件、初始含水率和耕種措施等因素的影響，兩者直接影響了土壤含水率，決定了農田水資源的有效利用程度，進而影響作物的水分利用效率。目前在不同農膜殘留、不同覆蓋物和不同鹽分等對土壤水分入滲及蒸發的影響等方面研究較多，如隨著土壤中殘膜量增多，砂壤土和砂土入滲速率變慢，土壤濕潤鋒運移相同距離所需時間均顯著增加;增加麥稈覆蓋量將明顯降低土壤蒸發量;土壤含鹽量增加會導致土壤蒸發速率顯著降低[19]。

　　盡管土壤中微塑料是否會隔斷部分土壤毛管孔隙，是否會影響土壤水分運移等方面的研究較少，但已有研究表明，微塑料可以影響土壤植物的生長，土壤干重1%豐度下的LDPE微塑料和可生物降解塑料地膜碎片對小麥的生長具有干擾作用，對小麥種子及幼苗的生長具有明顯的抑制作用[20]，并且微塑料可以被土壤植物吸附并積累;Bosker等[21]以不同粒徑的微塑料為研究對象，通過試驗發現水芹種子發芽率明顯受到微塑料的抑制，使種子發芽率從對照的78%下降到17%，而且粒徑越大的微塑料其影響更大[22];有研究顯示微塑料還能破壞水稻組織，誘導脂質過氧化，破壞細胞膜，抑制作物根活性，降低水稻凈光合速率，并使其葉綠素熒和葉綠素a含量降低，從而降低水稻生物量[23]。

　　另外，Liu等[24]的研究發現，納米級微塑料可被水稻根系吸收并轉運至地上組織部分，從而可能通過食物鏈將微塑料的量積累到一個更高的水平。雖然微塑料對作物生長影響的機制還不清晰，但很大一部分原因是由于微塑料影響了土壤水分的入滲和蒸發，導致土壤中的水、熱、氣和肥等不能正常供給作物生長，進而對作物生長起到抑制作用。本研究基于室內土柱模擬實驗，探究不同豐度(0.5%、1%、2%)和不同類型(PE、PVC、PP)微塑料對土壤水分入滲和蒸發的影響，以期為微塑料對土壤水分運移的影響提供理論依據和技術參考，也可為微塑料大量賦存背景下干旱半干旱區水土資源高效利用提供科技支撐。

　　1材料與方法

　　1.1實驗材料

　　備試土壤采集于內蒙古自治區河套灌區，為盡量減小原狀土壤中微塑料的本底值，選取未耕種過且人為擾動小的土壤樣品進行采集，采集深度為地面以下50~150cm，去除大粒徑雜質后帶回實驗室，將土樣風干、碾碎，最后過2mm篩，確保土質均質。利用納米激光粒度儀(NANOPHOXTM，Symaptec公司，德國)進行顆粒分析，其中黏粒(粒徑小于0.002mm)占比為1.32%，粉粒(粒徑0.01~0.50mm)占比為18.60%，砂粒(粒徑0.50~1.0mm)占比為80.08%，土質屬于砂壤土。所使用微塑料為廣東特塑朗化工有限公司制造，微塑料粒徑為150µm，形狀為球狀。

　　1.2實驗設計與方法

　　實驗共設置3種微塑料豐度、3種微塑料類型和1個對照處理，共計10個處理，每個處理3次重復。選用內徑為10cm、高度為50cm的透明有機玻璃柱進行實驗，其柱壁貼軟卷尺，底部5cm為反濾層，并設有排氣孔，裝土高度35cm。裝土前在土柱底部鋪設一層紗布，為避免優勢流對實驗結果的影響，實驗前在土柱內側涂抹一層凡士林。按照不同實驗設置將微塑料和土壤均勻混合，按照1.5g·cm-3土壤容重裝土，每5cm分層裝入，層間打毛。采用一維定水頭法測定土壤水分入滲過程，通過馬氏瓶供水，水頭高度控制在10cm，實驗前用流量計控制實驗組中的流量使其保持一致。

　　入滲實驗開始后，觀察濕潤鋒的運移以及馬氏瓶的水位情況，按照前密后疏的原則，記錄相應時間下濕潤鋒的運移情況及馬氏瓶的水位刻度。當濕潤鋒到達土柱深度30cm處時停止供水，記錄累積入滲時間，并用防水塑料膜封住土柱管口，入滲過程結束。在濕潤鋒停止運移后，用小型土鉆從土壤深度0~5、5~10、10~15、15~20、20~25和25~30cm處取土，用烘干法測含水率。

　　為防止水分蒸發，將所有的土柱用塑料薄膜封口，靜置24h。將所有的土柱放置在環境相對穩定的室內，打開紅外線燈(275W)作為光源進行蒸發實驗，燈底部與土柱表土距離均為30cm，晝夜照射，采用稱重法，在蒸發開始后1、2，3、4、6、8、10、12和15~27h測定土柱蒸發量，同步測量蒸發皿的水面蒸發，蒸發試驗期間室溫在18~23℃，日平均濕度約為35%，平均水面蒸發量為1.75mm·h-1。

　　1.3土壤水分蒸發模型

　　為進一步研究不同豐度及類型微塑料對土壤水分蒸發的影響，采用Black模型和Rose模型進行擬合，擬合公式如下。(1)Black蒸發模型Black蒸發模型[25]廣泛應用于蒸發下邊界沒有水分持續補給時土壤累積蒸發量隨時間的變化情況，其表達式為：E=F+Bt01/2(1)式中，E為累積蒸發量，g;t0為蒸發歷時，h;F和B為蒸發參數。(2)Rose蒸發模型Rose蒸發模型[26]也具有形式簡單的特點，蒸發下邊界沒有水分持續補給時應用廣泛，其表達式為：E=Ct0+Dt01/2(2)式中，t0為蒸發歷時，C為穩定蒸發參數;D為水分擴散參數。

　　1.4數據處理

　　采用Excel2017進行數據處理，Origin8.0進行制圖，SPSS17.0進行方差分析。

　　2結果與分析

　　2.1不同豐度及類型微塑料對累積入滲時間、土壤含水率的影響

　　不同豐度和類型微塑料對累積入滲時間有顯著影響。同種類型不同豐度微塑料賦存條件下，隨著微塑料豐度增大累積入滲時間顯著增加(P<0.05)，其中A2和A3較A1分別增長了2.7%和5.4%，Q2和Q3較Q1分別增長了2.0%和7.4%，Z2和Z3較Z1分別增長了5.1%和6.5%，表明微塑料豐度增加會延長土壤內水分的運移路徑，進而增大累積入滲時間。

　　而類型不同豐度相同微塑料賦存條件下，PP實驗組累積入滲時間>PVC實驗組累積入滲時間>PE實驗組累積入滲時間>空白實驗組累積入滲時間，其中無微塑料賦存的空白實驗組用時最少(72min)，豐度2%的PP實驗組用時最多(82min);而豐度0.5%條件下，Q1和Z1累積入滲時間較A1分別增長了0.7%和4.1%，豐度1%條件下，Q2和Z2累積入滲時間較A2分別增長了7.3%和0.4%，豐度2%條件下，Q3和Z3累積入滲時間較A3分別增長了6.5%和2.6%。上述研究結果表明土壤中微塑料賦存對累積入滲時間的影響，不僅受微塑料豐度的影響，也與微塑料類型密不可分;其中PP微塑料對其影響最大，PE微塑料對其影響最小。

　　造成這種結果的原因可能是不同類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，則水分在土壤中的運移速度越慢;另外，根據周蕊等[28]的研究，微塑料表面的粗糙程度也會對疏水性產生影響，一般來說提高粗糙度則使疏水性變大，故對不同類型微塑料在土壤中的累積入滲時間產生了較大差異。

　　從中可知，3種類型微塑料賦存土壤含水率在不同土層深度上均隨著微塑料豐度增大而增加，在土壤深度15cm處，0.5%、1.0%和2.0%豐度情況下PP微塑料含水率分別為17.70%、18.50%和19.23%，說明在相同深度土層上土壤含水率隨微塑料的豐度增加而增大，產生這種現象的原因可能是土壤中賦存的微塑料對土壤孔隙造成阻塞而使水分積蓄在該區域，從而使得土壤含水率升高。

　　另外，微塑料賦存土壤含水率在不同土層深度上也呈現出差異性，主要表現為土壤含水率最大值基本呈現于土層深度10～25cm處，其中有微塑料賦存的實驗組在0.5%、1%、2%豐度下，最大值分別出現在15~20、10~15和15~20cm處，而土層深度0~5、5~10和25～30cm處含水率則相對較低，CK的最大值則出現在20~25cm處，這可能是由于在水分入滲過程中微塑料具有一定的疏水性，減緩了水分在土壤中的下滲速度，故在實驗結束后取土時還有水分貯留在土柱中下部，從而導致所測量處的含水率較高。

　　2.2不同豐度及類型微塑料對濕潤鋒的影響

　　微塑料賦存顯著減緩了濕潤鋒的運移速度，不同豐度微塑料賦存土壤濕潤鋒到達土柱底部的時間皆大于空白對照實驗。在入滲初期，微塑料對濕潤鋒運移的影響很小，不同處理濕潤鋒曲線幾乎重合;隨著入滲的進行，不同豐度微塑料賦存土壤濕潤鋒表現出差異性，基本呈現出在相同入滲時間內微塑料豐度越大濕潤鋒運移距離越小的規律。當濕潤鋒運移到土壤中下層時，以入滲時間為60min為例，A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3濕潤鋒運移距離較CK分別減少4.38%、8.76%、10.58%，7.30%、10.22%、14.60%和10.95%、13.14%、15.33%。

　　微塑料類型亦對濕潤鋒的運移產生影響，其中PP微塑料的影響最為顯著，而PVC與PE微塑料的影響均小于PP微塑料，當入滲時間為60min時，即微塑料賦存土壤的濕潤鋒運移距離均小于CK(27.4cm)，在豐度相同情況下，濕潤鋒的平均運移距離為PP實驗組

　　其中濕潤鋒運移速率為濕潤鋒運移距離及所用時間計算而得。從中可知，不同處理濕潤鋒運移速率都表現為先急劇上升，而后在運移10~25min時上下波動，從25min后開始逐漸下降;但不同處理間濕潤鋒運移速率的降低程度有所差異，具體表現為與未賦存微塑料的CK處理相比，賦存微塑料的實驗組濕潤鋒運移速率降低更為劇烈，且基本表現出濕潤鋒降低速率與微塑料豐度呈正相關。

　　當濕潤鋒運移到土壤中下層，以入滲時間45min為例，CK、A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3濕潤鋒的運移速率(cm·min-1)分別為0.4804、0.4609、0.4304、0.4220，0.4478、0.4282、0.4100和0.4434、0.4130、0.3956。在同豐度不同類型微塑料條件下，3種微塑料對濕潤鋒運移速率的影響亦不相同，運移速率基本表現為：CK>PE>PVC>PP。同樣在入滲開始45min時，同豐度不同類型微塑料實驗組中，A1、Q1和Z1濕潤鋒運移速率分別比CK低4.06%、6.78%和7.72%，A2、Q2和Z2濕潤鋒運移速率較CK低10.41%、10.87%和14.03%，A3、Q2和Z3濕潤鋒運移速率分別比CK低12.16%、14.65%和17.65%。

　　3結論

　　(1)微塑料豐度和類型對累積入滲時間、土壤含水率有顯著影響。隨著微塑料豐度增大，累積入滲時間顯著增加，其中累積入滲時間A2和A3較A1分別增長了2.7%和5.4%，Q2和Q3較Q1分別增長了2.0%和7.4%，Z2和Z3較Z1分別增長了5.1%和6.5%;而累積入滲時間同樣受微塑料類型影響，類型不同豐度相同微塑料賦存條件下，PP實驗組累積入滲時間>PVC實驗組累積入滲時間>PE實驗組累積入滲時間>空白實驗組累積入滲時間。微塑料賦存土壤含水率在不同土層深度上均隨著微塑料豐度增大而增加，土壤含水率最大值基本呈現于土層深度10～25cm處，空白組的含水率最大值出現在土壤深度20~25cm處。

　　(2)微塑料賦存顯著減小了土壤濕潤鋒運移速率。隨著微塑料豐度的增大，相同入滲時間內土壤濕潤鋒運移距離越小，濕潤鋒運移速率降低更為明顯;當入滲時間為60min時，A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3和Z1、Z2、Z3濕潤鋒運移距離較CK分別減少4.38%、8.76%、10.58%，7.30%、10.22%、14.60%和10.95%、13.14%、15.33%，其中PP微塑料的影響最為顯著，PVC微塑料次之，對濕潤鋒運移速率影響最小的為PE微塑料。

　　(3)微塑料賦存對土壤水分蒸發產生抑制作用。同類型微塑料下土壤的累積蒸發量隨豐度的增加而減小，在蒸發27h時，低豐度下(0.5%和1%)PVC微塑料對土壤水分蒸發影響最大，其次是PP微塑料，對土壤水分蒸發影響最小的為PE微塑料。高豐度下(2%)PP、PVC和PE微塑料的實驗土柱累積蒸發量比CK分別減小22.9%、19.4%和13.3%。通過對比Black蒸發模型和Rose蒸發模型的擬合效果，Rose蒸發模型更能較真實地反映微塑料賦存情況下土壤累積蒸發量隨時間的變化情況。

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　　作者：王志超，張博文，倪嘉軒，楊文煥，李衛平