胡旭凱，桑成琛，曹萌萌，栗婷軒，張艷君，朱利霞，李俐俐

(周口師范學(xué)院 生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院，河南 周口 466001)

由于聚乙烯塑料具有延展性好、成本低的特點(diǎn)，聚乙烯塑料在農(nóng)業(yè)尤其是設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐漸得以推廣.截至2019年，我國(guó)農(nóng)用塑料薄膜的使用量已經(jīng)達(dá)到240萬(wàn)t[1].聚乙烯薄膜的使用可提高作物產(chǎn)量，在保障國(guó)家糧食安全中發(fā)揮著重要作用.然而，由于技術(shù)和回收成本的限制，塑料薄膜的回收難以切實(shí)有效的實(shí)行，導(dǎo)致大量聚乙烯殘膜留在土壤中，進(jìn)而導(dǎo)致“白色污染”[2].聚乙烯由于其性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，在自然條件下難以降解，影響土壤理化性質(zhì)和作物生長(zhǎng)，進(jìn)而影響土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、能量流動(dòng)和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu).

團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，其形成是微生物、作物根系和其他復(fù)雜的理化過(guò)程共同作用的結(jié)果.團(tuán)聚體的大小、組成和穩(wěn)定性對(duì)于土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特征尤為重要，是衡量土壤肥力狀況的重要指標(biāo).目前關(guān)于土壤團(tuán)聚體的研究，主要集中在耕作方式、施肥模式、植被和土壤類(lèi)型等條件下團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性及其養(yǎng)分分布的特征，而關(guān)于聚乙烯塑料進(jìn)入土壤后團(tuán)聚體的變化特征的研究相對(duì)較少.研究表明，塑料殘膜會(huì)破壞土壤團(tuán)聚體，導(dǎo)致土壤板結(jié)[3]；Wang等[4]的研究結(jié)果則表明，長(zhǎng)期地膜覆蓋后，表層土壤大團(tuán)聚體含量和土壤容重明顯增加.馬文倩等[5]發(fā)現(xiàn)聚乙烯微塑料顯著降低黃棕壤的有機(jī)質(zhì)含量而增加微團(tuán)聚體的比例.然而，聚乙烯微塑料顆粒進(jìn)入到土壤團(tuán)聚體中是否會(huì)改變團(tuán)聚體的理化性質(zhì)，進(jìn)而改變土壤團(tuán)聚體的粒徑分布和穩(wěn)定性，目前尚不十分清楚.因此，本研究以黃淮地區(qū)典型農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，開(kāi)展室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，探討聚乙烯塑料對(duì)團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性及其有機(jī)碳的影響，以期為該地區(qū)土壤資源的保護(hù)和設(shè)施農(nóng)業(yè)中聚乙烯薄膜的合理使用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用塑料為聚乙烯微塑料，購(gòu)自上海冠步機(jī)電科技有限公司.聚乙烯微塑料為不規(guī)則球形，純度99.99%，粉末粒徑小于100 μm.使用前將聚乙烯微塑料置于辛烷和戊烷中浸泡4 h后烘干，紫外燈消毒1 h，備用.試驗(yàn)所用土壤于2020年10月采集于河南省浚縣(114°40′E，34°40′N(xiāo)；海拔72.3 m)，該地屬于黃淮海平原，屬暖溫帶大陸型半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候.年均溫13.7 ℃，無(wú)霜期220 d，平均降雨量648 mm.土壤類(lèi)型為潮土，pH值為7.9.采集0～20 cm土壤過(guò)2 mm土篩，去除植物的根、砂石及其他雜物，在室溫條件下自然風(fēng)干.供試土壤基本理化性質(zhì)如下：有機(jī)碳8.7 g/kg，全氮1.1 g/kg，速效磷30.5 mg/kg，速效鉀95.1 mg/kg.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將聚乙烯微塑料與土壤按照0、5%、10%、20%、25%的質(zhì)量濃度充分混合，采用土柱(直徑20 cm，高度20 cm的聚氯乙烯管)填充的方法使其接近田間條件下土壤容重.以聚乙烯塑料添加量為0作為對(duì)照，各處理分別記為CK、T1、T2、T3和T4，每個(gè)處理3次重復(fù).調(diào)節(jié)土壤水分含量為20%，于25℃條件下培養(yǎng)4個(gè)月，期間采用稱(chēng)重法調(diào)節(jié)土樣的含水量.培養(yǎng)結(jié)束時(shí)采集土壤樣品，保存于-4 ℃?zhèn)溆?

1.3 指標(biāo)測(cè)定

采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定總有機(jī)碳含量，采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定土壤可溶性有機(jī)碳，采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳.采用干篩法將土壤篩分成[5,+∞)、[2,5)、[1,2)、[0.5,1.0)、[0.25,0.50)和(-∞,0.25)mm的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)、大團(tuán)聚含量(R0.25)和分形維數(shù)(dimension,D)衡量，計(jì)算公式如下：

其中，xi為各粒級(jí)團(tuán)聚體的平均粒徑(mm)；wi為各粒級(jí)團(tuán)聚體重量占團(tuán)聚體干重的比例(%)；Mr≥0.25為粒徑大于等于0.25mm的團(tuán)聚體質(zhì)量(g)；Mr為團(tuán)聚體的總質(zhì)量(g)；D為土壤分形維數(shù)；Wr≥xi為大于等于某一粒徑xi的累積土粒質(zhì)量(g)；W0為土壤各粒級(jí)質(zhì)量總和(g)；xmax為最大粒級(jí)土粒的平均直徑(mm).

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析檢驗(yàn)聚乙烯微塑料添加量對(duì)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布和穩(wěn)定性、團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響.不同處理間采用最小顯著差法進(jìn)行多重比較，所有統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS17.0進(jìn)行，采用Sigmaplot12.0制圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性

聚乙烯微塑料進(jìn)入土壤后可以作為膠結(jié)物質(zhì)存在，從而改變土壤顆粒間的凝集作用，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.有研究表明，進(jìn)入土壤的微塑料大約70%與土壤顆粒緊密聯(lián)接，參與團(tuán)聚體的形成[6-7].通過(guò)添加不同濃度的聚乙烯微塑料，測(cè)定土壤團(tuán)聚體分布情況，發(fā)現(xiàn)聚乙烯微塑料改變不同粒徑團(tuán)聚體的分布，主要表現(xiàn)為增加0.5mm以上團(tuán)聚體含量而降低0.5mm以下團(tuán)聚體含量(圖1).聚乙烯是一種大分子的有機(jī)物質(zhì)，疏水性較高，通過(guò)化學(xué)鍵或范德華力的作用可能會(huì)促使土壤礦物與土粒發(fā)生膠結(jié)，形成較大粒級(jí)的團(tuán)聚體.因此，在聚乙烯的作用下土壤顆粒傾向于發(fā)生凝聚和膠結(jié)，從而增加0.5mm以上團(tuán)聚體含量.李營(yíng)[8]研究發(fā)現(xiàn)塑化劑的添加明顯降低1mm以下團(tuán)聚體含量；用有機(jī)污水灌溉后土壤中(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體含量也明顯降低，而[1,5)mm團(tuán)聚體含量顯著增加[9].這可能是由于聚乙烯等有機(jī)物的添加改變了土壤生態(tài)環(huán)境，微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致團(tuán)聚體粒徑發(fā)生改變.

不同字母表示同一粒徑不同處理間差異顯著(P<0.05).

與CK相比，T1、T2、T3和T4均顯著增加[5,+∞)團(tuán)聚體含量，增幅分別為15.5%、27.5%、33.9%和29.1%.與CK相比，T2顯著增加[2,5)mm團(tuán)聚體含量，而T1、T3和T4對(duì)該粒級(jí)團(tuán)聚含量無(wú)影響；聚乙烯均顯著增加[1,2)mm團(tuán)聚體含量，增幅為8.2%～12.6%.[0.5,1.0)mm團(tuán)聚體表現(xiàn)出與[5,+∞)mm團(tuán)聚體一致的變化規(guī)律.聚乙烯微塑料顯著降低[0.25,0.50)和(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體含量，且T2處理降幅最大，分別達(dá)到30.9%和26.7%.由此，聚乙烯微塑料改變團(tuán)聚體粒徑分布特征，且與聚乙烯微塑料的濃度有關(guān).當(dāng)聚乙烯濃度逐漸增大時(shí)，土壤中較大粒級(jí)團(tuán)聚體的含量也有所增加，但會(huì)表現(xiàn)出一定的閾值效應(yīng).

由團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的計(jì)算(表1)可知，團(tuán)聚體粒徑直接影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性.團(tuán)聚體粒徑大小會(huì)直接影響團(tuán)聚體對(duì)養(yǎng)分的持留能力，大粒徑團(tuán)聚體更傾向于釋放養(yǎng)分，小粒徑團(tuán)聚體傾向于持留養(yǎng)分[10]，因此，聚乙烯處理下團(tuán)聚體粒徑的改變會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況產(chǎn)生影響.平均重量直徑和幾何平均直徑值越大，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好，分形維數(shù)則越小[11-13].聚乙烯微塑料對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有明顯影響，且與聚乙烯微塑料的量有關(guān)(表1).與CK相比，聚乙烯微塑料顯著增加土壤平均重量直徑，隨聚乙烯微塑料添加量的增加平均重量直徑呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，T3處理平均重量直徑增幅最大.不同處理團(tuán)聚體幾何平均直徑和R0.25均隨聚乙烯添加量的增加先增加后降低，與CK相比，T3處理幾何平均直徑和R0.25增幅最大，分別為39.3%和10.9%.與平均重量直徑、幾何平均直徑和R0.25不同，聚乙烯微塑料顯著降低分形維數(shù)，且T3處理降幅最大為26.7%，T1、T2和T4處理分形維數(shù)的降幅分別為16.3%、17.6%和21.6%.由此，聚乙烯微塑料可以增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其中T3處理對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增加效果最為明顯.由此可見(jiàn)，聚乙烯的添加對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性有一定的增加作用，且聚乙烯添加量為20%時(shí)團(tuán)聚體穩(wěn)定性最大.由此可知，聚乙烯的添加增加了大粒徑團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出積極的改善作用，理論上利于土壤結(jié)構(gòu)的改善.然而，結(jié)合團(tuán)聚體的微觀(guān)形態(tài)(結(jié)果未展示)可以發(fā)現(xiàn)聚乙烯微塑料濃度的增加會(huì)使團(tuán)聚體之間的連接過(guò)于緊密，導(dǎo)致土壤透水性和透氣性下降，從而降低土壤儲(chǔ)水能力，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)供水和供肥不足的問(wèn)題.此外，聚乙烯中所含有的塑化劑屬于有機(jī)污染物，其與土壤中鐵、鋁等結(jié)合后會(huì)進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)部，不利于微塑料的降解.

表1 不同處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

2.2 團(tuán)聚體有機(jī)碳

土壤有機(jī)碳是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo).有機(jī)碳是團(tuán)聚體的重要有機(jī)膠結(jié)劑，而團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳有一定的保護(hù)作用，約90%的有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)[14]，有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體粒徑之間有明顯的正相關(guān)關(guān)系[15].因此，土壤中聚乙烯的存在會(huì)對(duì)土壤碳的周轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響[16].本研究中，聚乙烯微塑料顯著影響不同粒級(jí)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量，且其影響程度與聚乙烯微塑料的添加量有關(guān)(圖2).與CK相比，除T1處理外，聚乙烯微塑料顯著增加[5,+∞)mm團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量，且隨聚乙烯微塑料添加量的增加而增加，T4處理總有機(jī)碳含量增幅達(dá)到16.0%.與CK相比，T2、T3和T4顯著增加[2,5)mm團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量.與CK相比，T1顯著降低[1,2)mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，降幅為11.8%，而T2和T4處理團(tuán)聚體總有機(jī)碳顯著增加22.4%和32.7%.聚乙烯微塑料添加條件下[0.5,1.0)和[0.25,0.50)mm團(tuán)聚體總有機(jī)碳呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，與CK相比，T1對(duì)團(tuán)聚體總有機(jī)碳無(wú)顯著影響，T4處理[0.5,1.0)和[0.25,0.50)mm團(tuán)聚體總有機(jī)碳增幅最大，分別為36.2%和37.8%.與CK相比，聚乙烯微塑料顯著增加(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體.

不同字母表示同一粒徑不同處理間差異顯著(P<0.05).

本研究表明未添加聚乙烯微塑料時(shí)有機(jī)碳主要存在于粒徑在1mm以上團(tuán)聚體中，隨聚乙烯微塑料濃度的增加，各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳有逐漸增加的趨勢(shì)，其中(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量增加最為明顯.由此，聚乙烯主要對(duì)(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體產(chǎn)生影響，間接證實(shí)了聚乙烯微塑料添加條件下團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加的現(xiàn)象.由于聚乙烯的成分主要為碳，添加到土壤中可能會(huì)對(duì)土壤中碳素的周轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響.Liu等[17]研究也表明微塑料進(jìn)入到土壤后，可以改變土壤溶解性有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而影響團(tuán)聚體的組成和穩(wěn)定性.

活性有機(jī)碳是比總有機(jī)碳更能快速反映土壤質(zhì)量變化的指標(biāo).可溶性有機(jī)碳主要來(lái)源于微生物的分解作用，而易氧化有機(jī)碳與土壤呼吸有關(guān).由圖3可知，聚乙烯微塑料對(duì)團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳產(chǎn)生明顯影響.在未添加聚乙烯微塑料條件下，團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳主要分布在[5,+∞)、[2,5)和[1,2)mm團(tuán)聚體中.聚乙烯微塑料對(duì)[0.25,0.50)mm團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳無(wú)顯著影響，而顯著降低其他各粒級(jí)團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳含量，且其降低程度與聚乙烯微塑料的添加濃度有關(guān).由于聚乙烯作用下團(tuán)聚體內(nèi)部的土粒之間地聯(lián)接更為緊密[8]，干擾物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化，有機(jī)碳不易被微生物分解降低了可溶性有機(jī)碳的含量.與CK相比，T4處理在[5,+∞)、[2,5)、[1,2)、[0.5,1.0)mm團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳降幅最大，分別為20.7%、20.1%、20.6%和21.2%.聚乙烯微塑料濃度增加時(shí)，(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳含量的降幅有逐漸減小的趨勢(shì)，T1、T2、T3和T4處理團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳含量的降幅分別為14.4%、16.4%、9.6%和8.5%.當(dāng)聚乙烯微塑料的濃度達(dá)到T4時(shí)，(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體內(nèi)的可溶性有機(jī)碳含量相對(duì)較高.

不同字母表示同一粒徑不同處理間差異顯著(P<0.05).

聚乙烯微塑料對(duì)團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳有明顯的降低作用(表2).與CK相比，不同濃度的聚乙烯微塑料均顯著降低團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳，且與聚乙烯微塑料的添加濃度有關(guān).[5,+∞)、[2,5)、[0.5,1.0)、[0.25,0.50)和(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳隨聚乙烯微塑料添加量的增加而持續(xù)降低，與CK相比，T4處理團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳降幅最大，分別為38.1%、27.7%、30.4%、27.4%和30.1%.對(duì)于[1,2)mm團(tuán)聚體，隨聚乙烯微塑料濃度的增加，團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳先減少后增加又降低.

表2 不同處理團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳

團(tuán)聚體內(nèi)部通氣性和透水性變差，土壤含水量和含氧量降低，這在一定程度上降低了微生物對(duì)有機(jī)碳的分解利用，降低微生物的代謝活性，導(dǎo)致活性有機(jī)碳含量的降低[6].聚乙烯作為一種有機(jī)污染物，會(huì)對(duì)土壤微生物產(chǎn)生毒害作用，降低微生物的活性，進(jìn)而導(dǎo)致活性有機(jī)碳含量的降低.因此，微生境的差異會(huì)導(dǎo)致微生物對(duì)有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化也表現(xiàn)出較大的差異[15].侯軍華[18]的研究也表明聚乙烯微塑料的添加顯著降低了土壤團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳含量.殘留在土壤中的農(nóng)用薄膜可以顯著降低土壤中與碳循環(huán)有關(guān)基因的表達(dá)，降低土壤碳含量[19].由此，聚乙烯微塑料會(huì)通過(guò)影響土壤碳的周轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響土壤酶活性和微生物活性，進(jìn)而降低土壤肥力[20].長(zhǎng)期條件下，聚乙烯可能不利于碳在土壤中的持留，不利于土壤肥力的維持.

3 結(jié)論

聚乙烯微塑料改變土壤團(tuán)聚體粒徑組成，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性.同時(shí)，聚乙烯微塑料基本增加團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量，且增加程度與聚乙烯的添加量有關(guān).然而，聚乙烯微塑料顯著降低團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量，增加了碳在土壤中的穩(wěn)定性，間接促進(jìn)團(tuán)聚體形成進(jìn)而提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性.短期內(nèi)聚乙烯微塑料能夠改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，影響碳在土壤中的周轉(zhuǎn).