陳 亮，司朋舉，張 賞

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點試驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

2004年，微塑料(Microplastics)這一概念被首次提出，主要是指粒徑<5 mm的塑料顆粒[1]。微塑料在生態(tài)系統(tǒng)中以初級微塑料(人造微材料)或次級微塑料(由較大的塑料垃圾分解而產(chǎn)生)的形式存在[2]。研究表明：微塑料具有不同形狀，例如纖維狀、碎片狀和球狀顆粒等，其尺寸較小，疏水性強，性質(zhì)相對穩(wěn)定，可長期存在于環(huán)境中[3-5]。土壤中微塑料的來源有很多，其中污泥的農(nóng)用、地膜等塑料覆蓋物的殘留、有機肥料的長期施用、地表水灌溉滲透及大氣沉降這5種方式是微塑料進入土壤環(huán)境的主要途徑[4-6]，這些做法都會造成土壤中微塑料的積累。

有關(guān)研究指出，陸地中存在的微塑料豐度可能是海洋的4～23倍，每年輸入耕地土壤中的微塑料遠超過向海洋中的輸入量，土壤可能是比海洋更大的塑料儲藏庫[7]。廖苑辰等[8]研究發(fā)現(xiàn)：10 mg/kg的微塑料對小麥葉片光合作用系統(tǒng)產(chǎn)生了損害，阻礙了蛋白質(zhì)的合成；同時發(fā)現(xiàn)粒徑5 μm的聚苯乙烯微球較100 nm的聚苯乙烯微球?qū)π←湹纳L表現(xiàn)更大的毒性效應。李貞霞等[9]的研究結(jié)果表明：微塑料會破壞植物葉片類胡蘿卜素的合成，損害植物光合作用系統(tǒng)，阻礙蛋白質(zhì)的合成，嚴重影響植物的生長。微塑料在土壤-地下水中的遷移能力通常隨pH值的升高而增強[10-11]。微塑料團聚程度通常隨pH值的升高而降低，其團聚體平均粒徑隨之下降，因而更容易通過土壤-地下水介質(zhì)孔隙運移。此外，土壤-地下水環(huán)境pH值的變化，能夠引起微塑料及土壤-地下水介質(zhì)表面官能團電離程度的改變，進而影響微塑料的遷移能力[12]。近年來，Horton等[13]總結(jié)了土壤環(huán)境中微塑料的來源和危害，其中一個主要的威脅是微塑料可能通過食物被人類吸收。

目前關(guān)于微塑料的研究較多的集中在對動植物的生長繁殖以及微塑料在土壤中的遷移影響機制上，關(guān)于微塑料對土體理化性質(zhì)、持水保水能力和影響雨水入滲等方面的研究相對較少。于是本文為研究降雨條件下含有不同含量、不同粒徑的非飽和球狀聚苯乙烯微塑料黃綿土的入滲特性，開發(fā)了一套模擬降雨條件下土柱垂直入滲模型試驗裝置，研究微塑料的存在對土壤雨水入滲的影響，并為受到微塑料污染的干旱、半干旱地區(qū)的農(nóng)田灌溉提供指導和參考。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置的設計

降雨入滲試驗儀器的主體部分為一維垂直土柱，采用厚度為5 mm的透明有機玻璃管制造，豎直一維土柱試驗儀器高度為29.5 cm，內(nèi)徑為14 cm，外徑為15 cm，土柱下端設置有排水口，便于排水。降雨入滲試驗裝置儀器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中結(jié)構(gòu)圖代表了整個降雨入滲試驗裝置的主要組成部分。

一維垂直土柱上方有降雨裝置，由降雨器和蠕動泵組成，可由蠕動泵和降雨器控制雨強大小，蠕動泵可調(diào)節(jié)進入降雨器的水量，通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)和泵頭來調(diào)節(jié)每分鐘的出水量，從而換算成相應的雨強，降雨器可以用來形成均勻降雨，二者聯(lián)合共同構(gòu)成降雨系統(tǒng)。土柱的側(cè)邊插入4個土壤水分傳感器，從土柱上端到底部依次編號為4#、3#、2#、1#，用以監(jiān)測土壤的體積含水率隨時間的變化。每個水分傳感器的間距為5 cm，填土高度為25 cm，土柱上部留有積水存留的空間，在土柱側(cè)邊貼上刻度尺以供讀取積水高度，從而可測得水分入滲量及入滲率的大小。試驗中通過50 cm的鋼尺測量濕潤峰(沿土柱周邊找到濕潤峰最大的地方測量)，前期每5 min測量一次，中期每10 min測量一次，后期根據(jù)試驗周期每20 min或者30 min測量一次。試驗過程中通過馬氏瓶控制積水高度，積水高度為3 cm，用以模擬降雨后期地表徑流產(chǎn)生后積水高度不變的狀態(tài)，使得降雨過程模擬更加完整、真實。試驗中EC-5傳感器和MIK-R9600無紙記錄儀對實驗數(shù)據(jù)的采集頻率為每1 min采集一個數(shù)據(jù)，試驗環(huán)境溫度為26 ℃～27 ℃，環(huán)境溫度較穩(wěn)定。

1.2 EC-5土壤水分傳感器標定

對同一土體，EC-5傳感器的輸出信號值與被測土壤的體積含水率之間具有一一對應的映射關(guān)系。試驗前對所用的4支傳感器分別編號為1#、2#、3#、4#，然后配置5%、10%、15%、20 %體積含水率的試樣，將不同編號的土壤水分傳感器分別插入到配置好的土樣當中，測得土壤水分傳感器所顯示出的電壓值，對不同編號的土壤水分傳感器進行標定，得到含水率與輸出信號電壓值之間的關(guān)系。由于本試驗中微塑料的含量和粒徑各不相同，需要做7次標定，這里僅展示微塑料含量為0.00 %的傳感器標定結(jié)果，4支傳感器的輸出信號值與體積含水率如圖2所示。

圖2 土壤水分傳感器標定曲線Fig.2 Calibration curve of soil moisture sensor

由圖2可知，1#、2#、3#、4#傳感器的輸出信號值與體積含水率具有較好的線性關(guān)系，即隨著含水率的增大，電壓值也就越高。通過線性擬合發(fā)現(xiàn)，R2基本都在0.95以上。通過擬合得到的電壓與體積含水率關(guān)系曲線，可求出不同電壓值所對應的體積含水率。

1.3 試驗土樣

黃綿土為一種弱發(fā)育土壤，以中小孔隙為主，結(jié)構(gòu)性較差，結(jié)構(gòu)體容易被破壞，屬于黃土高原典型土壤。本實驗所用土樣黏粒含量為5.53%，粉粒含量為19.32%，砂粒含量為75.15%。試驗開始前用密度浮選法多次濕洗土樣，去除土樣中已經(jīng)存在的微塑料，然后將土樣烘干，去除土樣中的枯枝落葉、植物根莖等侵入物。微塑料選用分選性、穩(wěn)定性較好的球狀聚苯乙烯塑料，微塑料粒徑分別為3、5和8 μm。為研究微塑料含量和粒徑對黃綿土雨水入滲過程的影響，本試驗共設計5組不同微塑料含量，3組不同微塑料粒徑的試驗方案，具體的試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 微塑料的含量對非飽和土入滲特性的影響

2.1.1 微塑料含量對入滲率的影響

圖3 不同微塑料含量下土柱入滲率時程曲線Fig.3 Time-history curve of soil column infiltration rate under different microplastic content

圖3為微塑料粒徑為5 μm時，五組不同微塑料含量下一維土柱垂直入滲時的入滲率時程曲線，由圖可知不同微塑料含量對土柱的入滲率具有如下特征：

(1)由入滲率時程曲線可知，試驗黃綿土不含微塑料和含有微塑料的最小入滲能力不同，不含微塑料的黃綿土最小入滲能力約為0.037 mm/min；微塑料含量為0.10%、0.25%、0.50%時，其最小入滲能力約均為0.013 mm/min，說明此時的微塑料含量變化范圍基本不影響其最小入滲能力；微塑料含量為0.05%的黃綿土，由于其促進非飽和土體雨水入滲，在試驗過程中產(chǎn)生積水過程較慢，未達到穩(wěn)定入滲階段，其入滲率持續(xù)下降且波動較大。

(2)由入滲率時程曲線可知，此時的降雨強度均大于土柱的最小入滲能力，土柱的入滲率時程曲線均呈現(xiàn)三階段變化的分布規(guī)律(微塑料含量為0.05%時除外，由于此時的微塑料含量起到促進雨水入滲的效果，未達到穩(wěn)定入滲階段，只呈現(xiàn)兩階段分布的變化規(guī)律)。第一階段，土柱的入滲率為一常數(shù)，其大小等于降雨強度，土柱表面出現(xiàn)積水(即土柱表面土體進入暫態(tài)飽和)的時間就是第一階段結(jié)束(第二階段開始)的時間；第二階段，土柱的入滲率隨著降雨歷時的增加逐漸衰減至穩(wěn)定值，土柱表面積水高度階梯變化值穩(wěn)定(土柱表面的土體由暫態(tài)飽和達到完全飽和)的時間就是第二階段結(jié)束(第三階段開始)的時間；第三階段，土柱的入滲率趨于常數(shù)。由入滲率時程曲線的三階段變化規(guī)律分析，可將降雨強度大于土壤最小入滲能力的入滲過程分為無壓入滲階段、有壓入滲階段和飽和入滲階段。

(3)由入滲率時程曲線可知，不同的微塑料含量下，土柱出現(xiàn)積水點和飽和點的時間不同，如表2所示。由表可知，當微塑料含量為0.05%時，其積水點出現(xiàn)的時間遠遠大于其他含量微塑料的土柱，由此可知此含量的微塑料起到促進雨水入滲的作用。當微塑料的含量為0.00%、0.10%、0.25%、0.50%時，隨著微塑料含量的增加其出現(xiàn)積水點和飽和點的時間越早。如微塑料含量為0.00%時，降雨歷時達到150 min左右才出現(xiàn)積水點，約305 min達到飽和點；而當微塑料含量為0.50%時，降雨歷時91 min即出現(xiàn)積水點，220 min左右達到飽和點。同時微塑料含量越大，積水點至飽和點的時間間隔越短；當降雨強度為0.00%時，積水點至飽和點的時間間隔為155 min，而當微塑料含量為0.50%時，積水點至飽和點的時間間隔只有129 min。

表2 積水點和飽和點的時間

(4)由以上分析可知，微塑料含量為0.05%時會促進非飽和黃綿土的雨水入滲，微塑料含量為0.10%、0.25%和0.50%時會阻礙非飽和黃綿土雨水入滲，這是由于聚苯乙烯微塑料是一種疏水性很強的微塑料[3-5]，在土壤中添加這種微塑料，一方面起到黏粒阻水的作用，一方面起到微塑料本身特性疏水的作用。兩個作用相互矛盾，并且隨著微塑料含量的增加，疏水作用逐漸降低，阻水作用逐漸加強。當微塑料含量較低時(含量為0.05%)，疏水作用大于阻水作用，起到促進雨水入滲的作用，當微塑料含量較高時(微塑料含量為0.10%、0.25%、0.50%)，疏水作用小于阻水作用，起到阻礙雨水入滲的作用。

不同微塑料含量下土柱的累積入滲量隨降雨歷時的時程曲線如圖4所示。

圖4 不同微塑料含量下土柱的累積入滲量時程曲線Fig.4 Time-history curve of cumulative infiltration volume of soil column with different microplastic content

由圖4分析可知：

當微塑料含量為0.05%時曲線呈現(xiàn)兩階段變化規(guī)律，當微塑料含量為0.00 %、0.10%、0.25%、0.50%時，曲線呈現(xiàn)三階段變化。五種微塑料含量的累積入滲量時程曲線在第一階段曲線基本重合，其斜率等于降雨強度；第二階段，曲線逐漸變得平緩，曲線開始出現(xiàn)差異，其中微塑料含量為0.05%和0.50%的累積入滲量時程曲線與其他三條曲線差異較大，微塑料含量為0.00%、0.10%和0.25%的三條累積入滲量時程曲線差異不大。第三階段的累積入滲量時程曲線為一條直線，其斜率等于土體穩(wěn)定入滲的滲透系數(shù)。

微塑料含量為0.05%時累積入滲量最大，當微塑料含量為0.00%、0.10%、0.25%、0.50%時，累積入滲量隨著微塑料含量的增加逐漸減小，且均小于微塑料含量為0.05%時的累積入滲量。

從圖4可知，微塑料含量為0.05%時，雨水入滲到底部所需要的時間最短，說明此時的微塑料含量起到促進雨水入滲的效果，微塑料含量為0.10%、0.25%、0.50%時，隨著微塑料含量的增加，其雨水入滲到土柱底部所需的時間逐漸增加，說明此時的微塑料含量起到阻滯雨水入滲的效果。

2.1.2 監(jiān)測點含水率分析

圖5為微塑料粒徑為5 μm時，不同微塑料含量下土壤水分傳感器監(jiān)測的體積含水率時程曲線，由圖可知，不同微塑料含量下各監(jiān)測點體積含水率時程曲線具有如下特征：

圖5 不同微塑料含量下監(jiān)測點體積含水率時程曲線Fig.5 Time history curve of volumetric water content of monitoring points under different microplastic content

(1)從不同微塑料含量下傳感器檢測的土體體積含水率可知，不同微塑料含量下的土體峰值含水率存在差異，當微塑料含量分別為0.00%、0.05%、0.10%、0.25%、0.50%時，土體的峰值含水率分別為36%、35.8%、35.5%、35%、34%，說明隨著土體微塑料含量的增加，其峰值含水率逐漸減小。雖然微塑料含量為0.05%時起到促進雨水入滲的效果，但是對于土體含水率來說，土體中加入微塑料，就增加了土體中的細小顆粒，土體變得密實，所以土體體積含水率隨著微塑料含量的增加逐漸減小(微塑料的疏水作用對體積含水率的影響較微弱)。

(2)在同一降雨強度下，不同微塑料含量下，水分傳到1#和2#傳感器的時間差異不大，從3#傳感器開始，水分傳到傳感器的時間開始出現(xiàn)差異，其中，微塑料含量為0.05%時傳到3#和4#傳感器的時間最短，當微塑料含量為0.00%、0.10%、0.25%、0.50%時，隨著微塑料含量的增加，水分傳到3#和4#傳感器的時間逐漸增加，說明微塑料含量為0.05%時起到促進雨水入滲的效果，雨水入滲到2#和3#傳感器之間時，土體表面開始逐漸產(chǎn)生積水雨水，入滲逐漸從第一階段過渡到第二階段。

2.2 微塑料的粒徑對非飽和土入滲特性的影響

2.2.1 微塑料粒徑對入滲率的影響

圖6為微塑料含量為0.25%時，不同微塑料粒徑下一維土柱垂直入滲時的入滲率時程曲線，由圖可知：

圖6 不同微塑料粒徑下土柱入滲率時程曲線Fig.6 Time-history curve of soil column infiltration rate under different microplastic particle size

(1)微塑料粒徑為3 μm時，入滲率時程曲線為一條直線，入滲率保持不變，等于降雨強度0.033 42 mm/min，土體表面未出現(xiàn)積水，此時相對于粒徑3 μm的微塑料來說0.25%的微塑料含量起到疏水作用，加快雨水入滲。微塑料粒徑為5 μm時，最小入滲率為 0.013 mm/min；微塑料粒徑為8 μm時，最小入滲率為0.067 mm/min。粒徑8 μm的比粒徑5 μm的土柱最小入滲率大，這是由于相同質(zhì)量百分比下，兩種粒徑的微塑料在這兩種含量下均起到阻水作用，粒徑8 μm的微塑料顆粒比粒徑5 μm的微塑料顆粒少，土體較松散，所以飽和入滲率較大

(2)通過上文分析可知，粒徑為5 μm時，微塑料促進雨水入滲的含量范圍為0.05%～0.10%，土柱表面產(chǎn)生少量積水，阻滯雨水入滲的含量范圍為0.25%～0.5%，土柱表面出現(xiàn)大量積水。同時通過補充實驗(補充實驗：微塑料粒徑為3 μm，含量為0.05%、0.10%、0.25%、0.50%，其他條件同本實驗)，研究發(fā)現(xiàn)：粒徑為3 μm時，微塑料促進雨水入滲的含量范圍為0.05%～0.25%，土柱表面不產(chǎn)生積水，阻滯雨水入滲的含量為0.50%，土柱表面出現(xiàn)較多積水。結(jié)果表明：隨著微塑料粒徑的減小，起到疏水作用的微塑料含量增加，范圍增大，且疏水效果明顯增強。

2.2.2 微塑料含量對浸潤峰的影響

圖7為微塑料含量為0.25%時，不同微塑料粒徑下浸潤峰深度時程曲線。由圖可知，不同微塑料粒徑下土柱的浸潤峰深度隨時間歷時的增加具有如下的變化規(guī)律：

圖7 不同微塑料粒徑下浸潤峰深度時程曲線Fig.7 Time history curve of infiltration peak depth under different microplastic particle size

(1)微塑料粒徑為3 μm時，浸潤峰深度時程曲線為一條直線，且到達土柱底部所需的時間遠小于粒徑為5 μm和8 μm的土柱，說明對于3 μm的微塑料來說，微塑料含量為0.25%時促進雨水入滲。

(2)微塑料粒徑為5 μm和8 μm時土柱浸潤峰深度時程曲線呈現(xiàn)三段式分布規(guī)律。第一階段，降雨初期，土柱的基質(zhì)吸力較大，降落到土柱表面的雨水迅速傳至土柱內(nèi)，因此，該階段土柱的浸潤峰深度隨時間增長較快；第二階段，降雨持續(xù)一段時間后，土柱表面的土壤含水率增加，達到暫態(tài)飽和狀態(tài)后，土柱的入滲能力慢慢衰減，浸潤鋒的增長速度隨時間逐漸減小。第三階段，降雨后期，當土柱表面的土體達到飽和狀態(tài)后，土柱按照飽和入滲的規(guī)律均勻地向土柱內(nèi)部入滲。

(3)從圖7可以看出，微塑料粒徑為5 μm和8 μm的土柱浸潤峰深度時程曲線第一階段和第二階段的曲線基本重合，第三階段開始出現(xiàn)明顯差異，說明對于粒徑為5 μm和8 μm的微塑料嚴重影響降雨入滲的飽和入滲階段。

2.2.3 監(jiān)測點含水率分析

圖8為微塑料含量為0.25%時，不同微塑料粒徑下土壤水分傳感器檢測的體積含水率時程曲線。從不同微塑料粒徑下傳感器檢測的土體體積含水率可知，不同微塑料粒徑下的土體峰值含水率存在差異，當微塑料粒徑分別為3、5、8 μm時，土體的峰值含水率分別為34%、35%、36%，說明隨著土體微塑料粒徑的增加，其峰值含水率逐漸增大。雖然微塑料粒徑為3 μm時起到促進雨水入滲的效果，但是對于土體含水率來說，土體中加入微塑料，顆粒細小的微塑料填充在土顆粒的孔隙中，使得土體密實(微塑料的疏水作用對體積含水率的影響較微弱)，同時由于加入的是同等質(zhì)量百分比的微塑料，粒徑越小，微塑料顆粒越多，所以土體體積含水率隨著粒徑增大而增大。

圖8 不同微塑料粒徑下監(jiān)測點體積含水率時程曲線Fig.8 Time history curve of volumetric water content of monitoring points under different microplastic particle size

3 結(jié)論

為研究微塑料的存在對非飽和土壤雨水入滲的影響，本試驗通過自行設計加工的試驗裝置對含有不同含量、不同粒徑微塑料的黃綿土進行入滲試驗研究，得到如下結(jié)論：

1)當降雨強度大于土體的最小入滲能力時，垂直土柱的入滲率時程曲線呈現(xiàn)三階段式變化規(guī)律，即無壓入滲、有壓入滲和飽和入滲。

2)微塑料含量對垂直土柱的入滲影響較大，在降雨強度為20 mm/h、微塑料粒徑為5 μm時，微塑料含量為0.05%時促進雨水入滲，微塑料含量為0.00%、0.10%、0.25%、0.50%時阻滯雨水入滲，且隨著微塑料含量的增加，積水點和飽和點出現(xiàn)的時刻越早。

3)微塑料粒徑對垂直土柱的入滲影響較大，在降雨強度為20 mm/h，微塑料含量為0.25%時，微塑料粒徑為3 μm時顯著促進雨水入滲，且整個試驗階段不產(chǎn)生積水，微塑料粒徑為5 μm和8 μm時阻滯雨水入滲。

4)微塑料的疏水特性顯著影響雨水入滲過程，但是其對峰值含水率的影響較微弱，峰值含水率隨著微塑料含量的增加而逐漸減小，隨著微塑料粒徑的增大而逐漸增大。