劉子涵,才 璐,董勤各,2,趙小麗,韓劍橋,2*

PE微塑料對(duì)土壤水分入滲的影響及入滲模型適宜性評(píng)價(jià)

劉子涵1,才 璐1,董勤各1,2,趙小麗1,韓劍橋1,2*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

為探究微塑料對(duì)土壤水分入滲過(guò)程的影響,通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn),設(shè)置5組微塑料添加處理(0,1,2,4,6g/kg),研究了不同微塑料含量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移和累積入滲量的影響,并進(jìn)一步評(píng)價(jià)了主要入滲模型在微塑料污染土壤中的適用性.結(jié)果表明,濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率隨著微塑料含量的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的特征,當(dāng)含量達(dá)到T2時(shí)(微塑料含量2g/kg),濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度最低,為0.146cm/min,相比于CK處理降低了10.1% (<0.05).累積入滲量隨微塑料含量的增加也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),當(dāng)含量達(dá)到T2時(shí),累積入滲量最少,為14.68cm.原因可能是隨微塑料含量增大,微塑料對(duì)土壤的通透性影響增加,在達(dá)到T2時(shí)影響最大;當(dāng)含量繼續(xù)增大時(shí),雖然土壤通透性下降,但微塑料構(gòu)成了新的入滲通道,加速入滲.濕潤(rùn)鋒推進(jìn)模型、Kostiakov模型和Philip模型的擬合效果好,決定系數(shù)2均大于0.99,其中濕潤(rùn)鋒推進(jìn)模型擬合效果最好.本研究結(jié)果可為微塑料對(duì)土壤水分入滲過(guò)程的影響,提高模型模擬效率提供參考.

水分入滲；微塑料；濕潤(rùn)鋒；累積入滲量；擬合參數(shù)

微塑料具有體積小,自然降解力差,吸附污染能力強(qiáng)等特點(diǎn).大量微塑料積存于水體、土壤和大氣中,嚴(yán)重影響著生態(tài)環(huán)境[1],土壤中累積的微塑料會(huì)破壞土壤生物環(huán)境,降低土壤肥力,從而改變土壤生態(tài)功能,影響全球糧食生產(chǎn)[2].同時(shí)土壤中存在的微塑料污染還可通過(guò)食物網(wǎng)進(jìn)入人體[3],嚴(yán)重危害人類健康.

農(nóng)田土壤微塑料主要來(lái)源為污水灌溉、污泥農(nóng)用、長(zhǎng)期使用的農(nóng)用地膜殘留、有機(jī)肥施用以及大氣沉降等[4].其中,地膜被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)微塑料的主要來(lái)源之一[5].我國(guó)是世界上地膜使用量最大的國(guó)家,2017年中國(guó)農(nóng)用地膜消耗量超過(guò)147萬(wàn)t[6-7].在旱作農(nóng)田中的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,地膜覆蓋作為改善干旱及半干旱地區(qū)的土壤環(huán)境,提高其水分利用效率的重要措施而被廣泛應(yīng)用[8].但由于對(duì)地膜的回收處理難度大,成本高,大量農(nóng)膜殘留于土壤,導(dǎo)致微塑料積存[9],同時(shí)在風(fēng)力和水力的作用下,一部分微塑料還會(huì)被帶到其它區(qū)域的水土環(huán)境中[2,10];在動(dòng)植物作用下一些微塑料還會(huì)垂直進(jìn)入深層土壤中[11],嚴(yán)重影響著土壤性質(zhì)、植物性能和微生物活動(dòng)[12].

土壤水文過(guò)程是陸地生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的重要組成部分,土壤入滲作為土壤水文過(guò)程的重要參數(shù),與地表徑流、土壤侵蝕緊密相關(guān)[13].大量微塑料積存于農(nóng)田土壤中會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土壤表面干裂[14],同時(shí)還會(huì)引發(fā)土壤容重和持水能力的改變[12],加速土壤水分蒸發(fā)[14].微塑料污染對(duì)土壤入滲性能的影響,涉及到土壤質(zhì)量、徑流以及模型參數(shù)的改變.目前,對(duì)于農(nóng)田微塑料的研究主要集中于微塑料空間分布與賦存特征,對(duì)土壤入滲影響的成果較少,只定性證明了微塑料會(huì)阻礙土壤水分運(yùn)移[15].但是,微塑料對(duì)土壤入滲性能的影響大小如何,不同污染程度的影響存在何種變化規(guī)律,尚需結(jié)合具體土壤情況進(jìn)行深入探討.本文通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn),研究微塑料對(duì)土壤水分入滲的影響,評(píng)價(jià)主要入滲模型的擬合程度,以期為揭示微塑料污染農(nóng)田的水文循環(huán)新特征提供支撐.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤于2021年5月22日采自陜西省延安市安塞區(qū)的中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所安塞水土保持綜合試驗(yàn)站川地試驗(yàn)場(chǎng).取耕作層0～40cm原狀土,為避免土壤質(zhì)地的影響,將不同質(zhì)地土樣混合,除去根系枯枝落葉等雜質(zhì)后自然風(fēng)干,碾壓過(guò)2mm篩后備用.供試土壤黏粒含量為16.3%,粉砂粒為61.6%,砂粒為22.1%,質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土(依據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)).測(cè)定其土壤容重為1.35g/cm3,飽和含水率為23.78%,初始含水率為2.18%,田間持水率為20.99%.本文所述的含水率均為質(zhì)量含水率.供試土壤pH值為8.16,有機(jī)質(zhì)含量為8.73g/kg.供試微塑料原料為塑料粉末,材質(zhì)與農(nóng)用地膜材質(zhì)一致為聚乙烯(Polyethene,PE),大小為25mm,其微塑料圖如圖1所示.

1.2 試驗(yàn)裝置

土壤入滲試驗(yàn)裝置如圖2所示.主要由有機(jī)玻璃制成的馬氏瓶供水裝置和試驗(yàn)土柱組成.采用馬氏瓶定水頭供水,內(nèi)徑15cm,高度47cm,外標(biāo)刻度用于讀取入滲水量.試驗(yàn)土柱內(nèi)徑20cm,高度75cm,土柱自底部向上,每隔5cm設(shè)孔,用于取土分析,裝土高度為60cm.土柱外標(biāo)刻度用于記錄濕潤(rùn)鋒讀數(shù).

(a)供試微塑料樣品圖 (b)供試微塑料光譜圖

圖2 土壤水分入滲試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)于2021年5月22日在陜西省延安市安塞區(qū)安塞試驗(yàn)站進(jìn)行.本文設(shè)置5個(gè)微塑料含量處理,分別為0,1,2,4,6g/kg,用 CK、T1、T2、T3和T4表示,各處理均重復(fù)3次.

1.3.1 微塑料土樣準(zhǔn)備 本研究按土壤容重1.35g/cm3填裝土柱,每次裝土厚度為10cm.考慮到初始含水率,每10cm土重4.334kg, CK、T1、T2、T3和T4處理所需微塑料質(zhì)量分別為0、4.334、8.667、17.334和26.002g,每10cm分層取微塑料和土樣,將兩者的混合物放入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌,轉(zhuǎn)速控制為100r/min,攪拌30min,使微塑料與土壤充分混合.

1.3.2 土壤水分入滲試驗(yàn) 裝土前,在土柱內(nèi)壁均勻涂抹凡士林以消除壁面優(yōu)勢(shì)流的影響.分別于裝填前及裝填后于土柱底部及土壤表面放置濾紙,防止供水時(shí)對(duì)土壤表面的沖刷.裝土60cm,土柱填裝完,進(jìn)行定水頭積水垂直入滲試驗(yàn),入滲方式為連續(xù)入滲.設(shè)置馬氏瓶的位置水頭為0.63m,控制土柱入滲試驗(yàn)表層土壤積水深度為3.5cm.

試驗(yàn)過(guò)程中,觀察馬氏瓶?jī)?nèi)水位及土柱內(nèi)濕潤(rùn)鋒的距離,使用秒表計(jì)時(shí).按前密后疏原則觀測(cè)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移,前0.5h觀測(cè)時(shí)間分別是1, 3, 5, 7, 10, 15, 20和30min,0.5h后觀測(cè)間隔為30min,同時(shí)記錄馬氏瓶刻度.當(dāng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移至40cm時(shí),停止供水.

1.4 入滲模型與評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.4.1 濕潤(rùn)鋒推進(jìn)模型濕潤(rùn)鋒推進(jìn)模型公式為[16]:

式中:F為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離, cm;為第一個(gè)時(shí)間單位后的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離, cm;為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的衰減程度.

1.4.2 累積入滲模型(1) Kostiakov入滲模型[17]:

式中:為累積入滲量, cm;,為擬合參數(shù);為入滲時(shí)間, min.

(2) Philip入滲模型[18]:

式中:為土壤吸滲率, cm/min-0.5;為穩(wěn)定入滲率, cm/min.

1.4.3 模型評(píng)價(jià)指標(biāo) 使用相對(duì)均方根誤差(RRMSE)、整群剩余系數(shù)(CRM)及效率系數(shù)(CE)作為模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)[17].計(jì)算式分別為:

若RRMSE值趨近于0,說(shuō)明模型模擬效果好;反之,模型模擬效果差.CRM值越小,說(shuō)明模型模擬效果越好.若CE值趨近于1,則說(shuō)明模型擬合效率高;反之,模型擬合效率低.

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究取3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值,采用Office 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,使用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,利用Origin 2017進(jìn)行模型參數(shù)擬合,通過(guò)SigmaPlot 12.5繪制數(shù)據(jù)曲線圖,用AutoCAD 2013繪制裝置圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 微塑料對(duì)土壤水分入滲濕潤(rùn)鋒的影響

由圖3(a)可知,入滲初期,各處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況無(wú)明顯差異,隨著入滲時(shí)間的推移,同一時(shí)刻T2處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離明顯低于其它處理組,CK和T1的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離無(wú)明顯差異,T3和T4處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離也無(wú)顯著差異但均低于CK.濕潤(rùn)鋒運(yùn)移至40cm時(shí),CK、T1、T2、T3和T4所用時(shí)間分別為205.4, 201.0, 230.7, 206.2和212.8min.各處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率分別為0.243, 0.249, 0.217, 0.243和0.235cm/min.與CK相比,T2處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移至同一位置所需時(shí)間顯著增加(<0.05),水分入滲的阻滯作用最強(qiáng)烈.除T2外,各處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率與CK接近,T1處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率略高于CK,而T3和T4處理略低于CK.分別對(duì)前中后3個(gè)時(shí)刻(60, 120和180min)的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離進(jìn)行了分析,如圖3(b), (c), (d)所示,展現(xiàn)了不同時(shí)刻各處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移情況.不同時(shí)刻下T2處理均明顯低于其它處理,而其它組濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離接近,說(shuō)明各組濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率隨微塑料含量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì).

2.2 微塑料對(duì)累積入滲量的影響

由圖4(a)可知,入滲初期,各處理累積入滲量變化情況無(wú)明顯差異,變化趨勢(shì)與濕潤(rùn)鋒相似.隨著入滲的進(jìn)行,發(fā)現(xiàn)在同一時(shí)間T2處理的累積入滲量顯著低于其它處理組.入滲結(jié)束時(shí),CK,T1,T2,T3和T4處理的累積入滲量分別為14.94, 15.07, 14.68, 14.92和15.68cm.與CK相比,T1處理下累積入滲量增加.但當(dāng)微塑料含量提高至T2時(shí),累積入滲量顯著降低.而后隨著含量的繼續(xù)增大,累積入滲量逐漸提升.分別對(duì)前中后3個(gè)時(shí)刻(60, 120和180min)的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離進(jìn)行了分析,如圖4(b), (c), (d)所示,呈現(xiàn)了不同時(shí)刻各處理累積入滲量的變化情況.不同時(shí)刻下T2處理均明顯低于其它處理,CK、T1和T3處理累積入滲量相近,T4累積入滲量高于其它處理,說(shuō)明累積入滲量隨微塑料含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).

圖3 各處理濕潤(rùn)鋒隨入滲時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

a. 濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)變化圖 b. 60min時(shí)各處理濕潤(rùn)鋒深度;c. 120min時(shí)各處理濕潤(rùn)鋒深度;d. 180min時(shí)各處理濕潤(rùn)鋒深度

圖4 不同含量微塑料對(duì)累積入滲量的影響

a. 累積入滲量動(dòng)態(tài)變化圖;b. 60min時(shí)各處理累計(jì)入滲量深度;c. 120min時(shí)各處理累計(jì)入滲量深度;d. 180min時(shí)各處理累計(jì)入滲量深度

2.3 不同微塑料含量條件下入滲模型分析

2.3.1 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間 根據(jù)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)模型,濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離F(cm)與入滲時(shí)間(min)之間的函數(shù)關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系,擬合參數(shù)及變化趨勢(shì)如表1和圖5所示.由表1可知,各處理的擬合參數(shù)決定系數(shù)2均大于0.99.RRMSE和CRM均趨于0,CE均趨近于1,模型模擬效果好.由圖5可知,隨著微塑料含量的增加,冪函數(shù)中參數(shù)變化趨勢(shì)與同一時(shí)刻各處理間濕潤(rùn)鋒運(yùn)移位置變化的規(guī)律一致,參數(shù)則呈先下降后上升的趨勢(shì),與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移至同一位置時(shí)速率的變化規(guī)律一致,均在T2處理時(shí)發(fā)生明顯變化.

表1 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的擬合參數(shù)

注:表中同一列字母不同表示參數(shù)差異顯著(<0.05),下同.

圖5 不同含量微塑料對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移參數(shù)的影響

2.3.2 累積入滲量與入滲時(shí)間 土壤累積入滲量(mm)與入滲時(shí)間(min)之間的函數(shù)關(guān)系可用Kostiakov模型和Philip模型表示,擬合參數(shù)分別如表2和圖6及表3和圖7所示.

由表2可知,Kostiakov模型下除T2處理組外,其它處理組的參數(shù)均顯著高于CK組,參數(shù)均顯著小于CK組.各處理的2值均大于0.99.RRMSE和CRM均趨于0,CE均趨近于1,模型模擬效果好.由圖6可知,除T2處理為突變點(diǎn)外,隨著微塑料含量的增加,Kostiakov模型中參數(shù)整體呈上升趨勢(shì),參數(shù)整體呈下降趨勢(shì).

表2 Kostiakov模型擬合參數(shù)

圖6 不同含量微塑料對(duì)Kostiakov模型參數(shù)的影響

表3 Philip模型擬合參數(shù)

由表3可知,各處理的2均大于0.99.除T2處理外,其它處理組的Philip模型中土壤吸滲率均顯著高于CK組,穩(wěn)定入滲率均顯著低于CK組.但T4處理的穩(wěn)定入滲率出現(xiàn)負(fù)值,與實(shí)際入滲速率不符,不同微塑料含量處理的2值均低于或等于CK.但各處理2均大于0.99,RRMSE和CRM均趨于0,CE均趨近于1,模型模擬效果好.由圖7可知,除T2處理為突變點(diǎn)外,隨著微塑料含量的增加, Philip模型中參數(shù)整體呈上升趨勢(shì),參數(shù)整體呈下降趨勢(shì).

圖7 不同含量微塑料對(duì)Philip模型參數(shù)的影響

3 討論

3.1 微塑料對(duì)土壤入滲的影響及原因

土壤水分入滲過(guò)程主要受土壤機(jī)械組成,土壤容重,有機(jī)質(zhì)含量,水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量等土壤性質(zhì)影響[13].研究表明,殘膜在土壤中累積后破壞了土體構(gòu)型和質(zhì)地均勻性,所形成的孔隙結(jié)構(gòu)與土壤不同,會(huì)改變土壤水動(dòng)力學(xué)性能,導(dǎo)致土壤水分入滲能力下降[17].本文中,入滲初期各處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移類似,但隨著入滲時(shí)間的推移,各處理的運(yùn)移情況發(fā)生改變.這可能由于入滲初期土壤表面干燥,濕潤(rùn)鋒面的水勢(shì)梯度和非飽和度大,入滲速率快[19],不同處理對(duì)濕潤(rùn)鋒影響較小.隨著入滲的進(jìn)行,微塑料的作用逐漸顯現(xiàn).有研究顯示,黃土中優(yōu)先流入滲時(shí)會(huì)攜帶土粒,這些土粒不僅能夠侵蝕原來(lái)的孔隙結(jié)構(gòu)使之拓展,還會(huì)對(duì)下部孔隙產(chǎn)生淤堵[20].而實(shí)驗(yàn)所用黃土其孔喉中的土粒大小與微塑料粉末粒徑大小相近,因此優(yōu)先流也會(huì)攜帶微塑料.微塑料改變土壤水分入滲過(guò)程主要?dú)w因于其對(duì)土壤孔隙和入滲通道的影響.土壤中的微塑料改變了土壤孔隙的分布,降低了土壤通透性[21].此外根據(jù)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型和已有研究可知,隨著土體含水量增加,水壓力集聚會(huì)不斷產(chǎn)生新的裂隙,導(dǎo)致更多潛在的優(yōu)先流路徑被激活[20].還有研究表明,淋濾作用能促進(jìn)微塑料在土壤中的垂向運(yùn)移[22-23],因此隨著微塑料含量增加和入滲的進(jìn)行,大量微塑料粉末進(jìn)入孔喉及裂隙中,由微塑料所構(gòu)成的潛在優(yōu)先路徑也會(huì)被激活.由于黃土是松散沉積物,有較大的比表面積,入滲時(shí)與水分的接觸面積大,阻滯水分流動(dòng)的能力也較強(qiáng)[20],因此水分在“微塑料通道”中水分流動(dòng)較快,即微塑料改變了水的入滲通道,最終反映到土壤水分在土壤中的運(yùn)移過(guò)程.

微塑料對(duì)土壤通透性的影響起抑制土壤水分入滲的作用,簡(jiǎn)稱抑制作用,“微塑料通道”起促進(jìn)土壤水分入滲的作用,簡(jiǎn)稱促進(jìn)作用.微塑料是促進(jìn)還是抑制土壤水分入滲主要取決于哪種作用占優(yōu)勢(shì).本研究表明當(dāng)微塑料的含量較低時(shí),即T1處理時(shí),微塑料對(duì)入滲速率的影響較弱,這可能是由于當(dāng)含量較低時(shí),微塑料顆粒數(shù)量不足以改變土壤孔隙分布,即水分入滲通道和CK組基本一致,此時(shí)既不促進(jìn)也不抑制土壤水分入滲.但此時(shí)土壤孔隙數(shù)量可能會(huì)增加,這些孔隙不與下部孔隙連通,使水分損失增大,導(dǎo)致累積入滲量升高.當(dāng)含量增加到T2處理時(shí),土壤中水分運(yùn)移速度顯著減小(<0.05),這可能是因?yàn)橥寥李w粒構(gòu)成的入滲通道部分被微塑料堵塞,此時(shí)“微塑料通道”尚未形成,即抑制作用占優(yōu)勢(shì),導(dǎo)致土壤入滲能力降低,土壤中水的運(yùn)移速度減緩,微塑料阻滯土壤水分入滲.但水分在入滲過(guò)程中與疏水性微塑料接觸,減少了水分入滲損失,因此在同一深度下T2處理的累積入滲量較低.隨著微塑料含量的繼續(xù)增加,水分入滲速率逐漸提升,直至趨于CK組,這可能是由于“微塑料通道”形成,此時(shí)促進(jìn)作用占優(yōu)勢(shì),故入滲速率提升,但始終趨近于CK處理組,表明促進(jìn)作用有上限.微塑料濃度較大時(shí),如T4處理組,由微塑料和土壤共同作用形成的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,“微塑料通道”與優(yōu)先流通道錯(cuò)綜復(fù)雜,使入滲水分損失增大,累積入滲量增大.

3.2 入滲模型適宜性評(píng)價(jià)

土壤中殘存的地膜在各種物理化學(xué)作用下進(jìn)一步分解成地膜微塑料,已有研究表明,土壤中的殘膜會(huì)影響土壤入滲性能,改變土壤入滲模型參數(shù)[17].本研究中,對(duì)Kostiakov和Philip模型進(jìn)行擬合,結(jié)果表明微塑料對(duì)模型參數(shù)的影響無(wú)顯著規(guī)律,模型模擬效果較好,2均大于0.99,均可較好地模擬微塑料土壤的水分入滲過(guò)程.其中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的冪函數(shù)中參數(shù)和參數(shù)無(wú)規(guī)律性變化.與CK相比,除T2處理外,Kostiakov模型中參數(shù)和 Philip模型中參數(shù)均顯著高于CK組, Kostiakov模型中參數(shù)和Philip模型中參數(shù)均小于CK組.但T4處理的穩(wěn)定入滲率出現(xiàn)負(fù)值,與實(shí)際入滲速率不符合.通過(guò)各個(gè)模型的擬合程度評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果可知,濕潤(rùn)鋒運(yùn)移模型適用性最好.對(duì)不同微塑料含量下的土壤擬合效果,濕潤(rùn)鋒運(yùn)移模型均優(yōu)于Philip和Kostiakov模型.此外,通過(guò)各模型參數(shù)變化趨勢(shì)可知,T2處理的突變與濕潤(rùn)鋒和累積入滲量隨時(shí)間的變化規(guī)律一致,進(jìn)一步表明當(dāng)微塑料含量達(dá)到2g/kg時(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤入滲性能衰退.

3.3 對(duì)微塑料污染治理的啟示意義

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,尤其是旱作農(nóng)田中,為改善干旱及半干旱地區(qū)的土壤環(huán)境,常常使用地膜覆蓋[8],但缺乏地膜的有效回收處理,導(dǎo)致大量殘膜成為微塑料的重要來(lái)源.本文結(jié)果表明微塑料含量達(dá)到一定值時(shí),會(huì)降低土壤水分的入滲性能,進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分入滲受阻.這會(huì)影響著土壤中動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致坡面徑流系數(shù)的增加,提高土壤侵蝕發(fā)生概率,造成養(yǎng)分流失,加重土壤貧瘠,最終導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)等一系列危害.當(dāng)含量越來(lái)越高時(shí),雖不影響入滲過(guò)程,但會(huì)加重農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)污染.一方面微塑料通過(guò)作物根系進(jìn)入作物中,進(jìn)而通過(guò)食物鏈危害人類健康.另一方面,高含量的微塑料會(huì)對(duì)土壤動(dòng)物產(chǎn)生毒害[22].因此在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地膜的回收處理,研發(fā)可降解的非塑料新型地膜,以減少不可降解地膜的污染.此外加強(qiáng)對(duì)農(nóng)田灌溉用水的管理,如廢水經(jīng)處理后返田使用,以減少微塑料顆粒進(jìn)入農(nóng)田.

本文根據(jù)已有成果推測(cè)了PE微塑料結(jié)構(gòu)對(duì)水分運(yùn)移的影響,在隨后的試驗(yàn)中需要進(jìn)行微觀土體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究,更加深入探究PE微塑料對(duì)土壤水分入滲過(guò)程的影響機(jī)理.

4 結(jié)論

4.1 隨著PE微塑料含量的增加,濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì).而累積入滲量隨著PE微塑料含量的增加呈先減小再增大的趨勢(shì).

4.2 3種模型擬合效果較好,能較精確地模擬水分入滲過(guò)程.模型的擬合效率也較高,其中濕潤(rùn)鋒推進(jìn)模型的模擬效果最好.

4.3 當(dāng)土壤中PE微塑料污染到一定程度時(shí),入滲速率低,累積入滲量少,易產(chǎn)生地表徑流,造成土壤侵蝕,使土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失.

[1] Horton A A, Walton A, Spurgeon D J, et al. Microplastics in freshwater and terrestrial environments: Evaluating the current understanding to identify the knowledge gaps and future research priorities [J]. Science of The Total Environment, 2017,586:127-141.

[2] Scheurer M, Bigalke M. Microplastics in Swiss floodplain soils [J]. Environmental Science & Technology, 2018,52(6):3591-3598.

[3] Huerta Lwanga E, Mendoza Vega J, Ku Quej V, et al. Field evidence for transfer of plastic debris along a terrestrial food chain [J]. Scientific Reports, 2017,7(1):14071.

[4] 駱永明,周 倩,章海波,等.重視土壤中微塑料污染研究防范生態(tài)與食物鏈風(fēng)險(xiǎn) [J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2018,33(10):1021-1030.

Luo Y M, Zhou Q, Zhang H B, et al. Pay attention to research on microplastic pollution in soil for prevention of ecological and food chain risks [J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2018,33 (10):1021-1030.

[5] Yu H, Fan P, Hou J, et al. Inhibitory effect of microplastics on soil extracellular enzymatic activities by changing soil properties and direct adsorption: An investigation at the aggregate-fraction level [J]. Environmental Pollution, 2020,267:115544.

[6] Gao H, Yan C, Liu Q, et al. Effects of plastic mulching and plastic residue on agricultural production: A meta-analysis [J]. Science of The Total Environment, 2019,651:484-492.

[7] 楊光蓉,陳歷睿,林敦梅.土壤微塑料污染現(xiàn)狀,來(lái)源,環(huán)境命運(yùn)及生態(tài)效應(yīng) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021,41(1):353-365.

Yang G R, Chen L R, Lin D M. Status, sources, environmental fate and ecological consequences of microplastic pollution in soil [J]. China Environmental Science, 2021,41(1):353-365.

[8] Qi Y, Yang X, Pelaez A M, et al. Macro- and micro- plastics in soil-plant system: Effects of plastic mulch film residues on wheat (Triticum aestivum) growth [J]. Science of The Total Environment, 2018,645:1048-1056.

[9] Steinmetz Z, Wollmann C, Schaefer M, et al. Plastic mulching in agriculture. Trading short-term agronomic benefits for long-term soil degradation? [J]. Science of The Total Environment, 2016,550:690- 705.

[10] Rocha-Santos T, Duarte A C. A critical overview of the analytical approaches to the occurrence, the fate and the behavior of microplastics in the environment [J]. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2015,65:47-53.

[11] Huerta Lwanga E, Gertsen H, Gooren H, et al. Incorporation of microplastics from litter into burrows of Lumbricus terrestris [J]. Environmental Pollution, 2017,220:523-531.

[12] de Souza Machado A A, Lau C W, Till J, et al. Impacts of microplastics on the soil biophysical environment [J]. Environmental Science & Technology, 2018,52(17):9656-9665.

[13] Michaelides K, Lister D, Wainwright J, et al. Vegetation controls on small-scale runoff and erosion dynamics in a degrading dryland environment [J]. Hydrological Processes, 2010,23(11):1617-1630.

[14] Wan Y, Wu C, Xue Q, et al. Effects of plastic contamination on water evaporation and desiccation cracking in soil [J]. Science of the Total Environment, 2019,654:576-582.

[15] 宋佃星,馬 莉,王全九.寶雞地區(qū)典型農(nóng)田土壤中微塑料賦存特征及其環(huán)境效應(yīng)研究 [J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2021,35(2):170-175.

Song D X, Ma L, Wang Q J. Occurrence characteristics and environmental effects of microplastics in typical farmland soils in Baoji area [J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2021,35(2):170-175.

[16] 宋日權(quán),褚貴新,冶 軍,等.摻砂對(duì)土壤水分入滲和蒸發(fā)影響的室內(nèi)試驗(yàn) [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010,26(S1):109-114.

Song R Q, Chu G X, Ye J, et al. Effects of surface soil mixed with sand on water infiltration and evaporation in laboratory [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010,26(S1):109-114.

[17] 牛文全,鄒小陽(yáng),劉晶晶,等.殘膜對(duì)土壤水分入滲和蒸發(fā)的影響及不確定性分析 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016,32(14):110-119.

Niu W Q, Zhou X Y, Liu J J, et al. Effects of residual plastic film mixed in soil on water infiltration, evaporation and its uncertainty analysis [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016,32(14):110-119.

[18] 鄭 健,張彥寧,王 燕,等.沼液穴灌入滲特征及Philip入滲模型擬合 [J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2019,37(1):144-150.

Zheng J, Zhang Y N, Wang Y, et al. Infiltration characteristics and Philip model fitting analysis of biogas slurry hole-irrigation [J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2019,37(1):144-150.

[19] 王志超,李仙岳,史海濱,等.農(nóng)膜殘留對(duì)砂壤土和砂土水分入滲和蒸發(fā)的影響 [J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2017,48(1):198-205.

Wang Z C, Li X Y, Shi H B, et al. Effects of Residual Plastic Film on Infiltration and Evaporation for Sandy Loam and Sandy Soil [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017,48(1):198-205.

[20] 李 鑫.基于CT的黃土微細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)及優(yōu)先流特性研究 [D]. 西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2020.

Li X. Study on micro void structure and preferential flow characteristics of loess based on CT [D]. Xi’an: Chang’ an University, 2020.

[21] Ding L, Zhang S, Wang X, et al. The occurrence and distribution characteristics of microplastics in the agricultural soils of Shaanxi Province, in north-western China [J]. Science of The Total Environment, 2020,720:137525.

[22] Li J, Song Y, Cai Y. Focus topics on microplastics in soil: Analytical methods, occurrence, transport, and ecological risks [J]. Environmental Pollution, 2019,257:113570.

[23] 李宵慧,徐紅霞,孫媛媛,等.多孔介質(zhì)中微塑料的環(huán)境行為研究進(jìn)展 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021,41(6):2798-2811.

Li X H, Xu H X, Sun Y Y, et al. Review on the environmental behaviors of microplastics in porous media [J]. China Environmental Science, 2021,41(6):2798-2811.

Effect of PE microplastics on soil water infiltration and suitability evaluation of infiltration model.

LIU Zi-han1, CAI Lu1, DONG Qing-ge1,2, ZHAO Xiao-li1, HAN Jian-qiao1,2*

(1.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy and Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)., 2022,42(4)：1795～1802

In order to explore theeffect of microplastics(MPs) on soil water infiltration, five groups of MPs addition treatments (0,1,2,4,6g/kg) were set to study the effects of different MPs contents on wet front transport and cumulative infiltration volume through indoor soil column simulation, and evaluate the applicability of the main infiltration models in MPs contaminated soil. The results showed that the migration rate of wet front decreased first and then increased with the increase of MPs content. When the content reached T2 (MPs content was 2g/kg), the migration rate of wet front was the lowest, which was 0.146cm/min. Compared to CK treatment, the migration rate of T2treatment was 10.1% lower (<0.05). The cumulative infiltration volume also decreased first and then increased with the increase of MPs content. When the content reached T2, the cumulative infiltration volume was the least, which was 14.68cm. The reason may be that with the increase of MPs content, the influence of MPs on soil permeability increases, and the influence is the greatest when it reaches T2; When the content continues to increase, a new infiltration channel is formed by the MPs to accelerate the infiltration although the soil permeability decreases. The wet front propulsion model, Kostiakov model and Philip model have good fitting effects, and the determination coefficient2are greater than 0.99, among which the wet front propulsion model has the best fitting effect. This study can provide a reference for the effect of MPs on soil water infiltration process and improve the simulation efficiency of the model.

water infiltration；microplastics；wet front；cumulative infiltration volume；fitting parameters

X503

A

1000-6923(2022)04-1795-08

劉子涵(1996-),男,江西贛州人,西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士研究生,主要從事流域水沙環(huán)境方面的研究.

2021-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(42177327,41807067);中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目(2019-2021QNRC001)

*責(zé)任作者, 副研究員, hjq13@163.com