陳 亮，滕 健，司朋舉，顏書法

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 土木與交通學院，江蘇南京 210098；3.西藏農(nóng)牧學院 水利土木學院，西藏自治區(qū) 林芝市 860000)

微塑料(Microplastics)這一概念于2004年首次提出，指顆粒粒徑小于5 mm的塑料顆粒[1]。微塑料在自然環(huán)境中按來源分為初生微塑料和次生微塑料，按化學成分分為聚乙烯(Polyethylene, PE)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride, PVC)、聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)和聚酰胺(Polyamide, PA)等[1]。初生微塑料指生產(chǎn)中被制成的微米級顆粒，常用于工業(yè)制造、護理產(chǎn)品[2-4]；次生微塑料一般由塑料垃圾降解產(chǎn)生[5-6]。目前研究表明土壤等地下環(huán)境是微塑料的重要儲存庫[5]。相關研究指出陸地中微塑料豐度可能是海洋中的4～23倍[7]。大量的微塑料存在于土壤中，將會對土壤的理化性質(zhì)、持水能力等產(chǎn)生影響。

De Souza Machado等[8]研究發(fā)現(xiàn)常見微塑料顯著降低了砂土的土壤容重，改變土壤結(jié)構和水分動態(tài)，并且聚酯纖維對土壤理化性質(zhì)的影響最為明顯，隨著聚酯纖維含量的增加，土壤持水量也相應增加；Jiang等[9]研究發(fā)現(xiàn)碎片狀微塑料會影響土壤水流流動模式，使得土體水流流動特征復雜度增加，土的物理參數(shù)也出現(xiàn)較大的隨機變化；Zhang等[10]研究表明，微塑料對土壤孔隙度有直接影響，如聚酯微纖維顯著降低了土壤孔隙度<30 μm的孔隙體積，而增加>30 μm的孔隙體積，由于持水能力與小孔隙體積呈正相關，因此，超細聚酯纖維的進入降低了土壤的持水能力；De Souza Machado A A等[11]在對來自北京的壤質(zhì)砂土中添加不同種類的微塑料,均明顯增加了土壤的蒸發(fā)量，植物與微塑料相互作用下，蒸發(fā)量提高更加明顯；Horton等[12]研究發(fā)現(xiàn)微塑料有較強的疏水性，可以改變土壤的理化性質(zhì)。

目前有關微塑料對土壤理化性質(zhì)、持水能力和入滲等方面研究較少。黃土高原是我國水土流失最嚴重的地區(qū), 該地區(qū)的主要土壤為黃綿土，其質(zhì)地較輕，疏松軟綿，保水和保肥能力差[13]。同時作為農(nóng)耕地區(qū)，每年有大量的微塑料經(jīng)由生產(chǎn)進入土壤。目前現(xiàn)有研究多集中在連續(xù)均勻降雨條件下的水分入滲，而現(xiàn)實中降雨及灌溉多為間歇性的。因此本研究采用室內(nèi)土柱模擬降雨入滲試驗，分析間歇降雨條件下，不同聚苯乙烯塑料微球含量(質(zhì)量分數(shù))、降雨間歇時間比對黃綿土非飽和入滲影響。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

試驗裝置主體為厚度5 mm透明有機玻璃制成的一維垂直土柱，一維土柱試驗儀器高29.5 cm，外徑15 cm，內(nèi)徑14 cm，在土柱末端設置排水口。土柱側(cè)邊貼有防水刻度，0刻度為土柱內(nèi)底面，土柱內(nèi)填土至25 cm刻度處。降雨入滲試驗裝置如圖1所示。

圖1 降雨入滲試驗裝置示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of rainfall infiltration test device

降雨裝置位于一維土柱的上方，由降雨器與蠕動泵構成，通過控制蠕動泵實現(xiàn)雨強調(diào)節(jié)與降雨間歇控制。水由蠕動泵泵入降雨器，來實現(xiàn)均勻降雨，二者聯(lián)合組成降雨裝置。土柱上部留有積水留存空間，積水高度可以通過土柱側(cè)邊刻度尺量得。試驗過程中通過馬氏瓶控制積水高度上限為30 mm，用來模擬降雨后期地表徑流，積水高度不變，使得降雨過程模擬更加接近真實情況。

1.2 試驗土樣

試驗采用來自陜西北部黃綿土，試驗土樣采用靜水沉降法進行顆粒分析，根據(jù)國際土壤粒級分級標準與國際制土壤質(zhì)地分類，試驗土壤基本性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗土樣質(zhì)地與顆粒組成Tab.1 The texture and particle composition of the experimental soil samples

將土樣烘干碾散，過5 mm篩，去除其中枯枝、根莖等侵入物。試驗前對土樣采用密度分離法除雜，以去除土樣中可能存在的微塑料。試驗土樣實物如圖2所示。

圖2 試驗土樣實物圖Fig.2 Physical map of test soil sample

土柱采用控制干密度的方法填筑，將微塑料與土充分拌勻后，分層填入土柱，填筑后干密度為1.57 g/cm3。

1.3 試驗微塑料

微塑料的形狀和成分有多種，考慮到試驗條件和時間，采用聚苯乙烯微球作為試驗微塑料。試驗微塑料采用科邁新材料有限公司生產(chǎn)的聚苯乙烯(PS)微球，微球的粒徑偏差<10%。試驗用聚苯乙烯塑料微球?qū)嵨锶鐖D3所示。

圖3 聚苯乙烯塑料微球?qū)嵨飯DFig.3 Physical map of polystyrene plastic microspheres

聚苯乙烯微球具體規(guī)格信息見表2。

表2 聚苯乙烯微球產(chǎn)品規(guī)格Tab.2 Polystyrene microspheres product specifications

1.4 試驗方案設計

為了研究降雨間歇時間比、聚苯乙烯微塑料含量對黃綿土降雨入滲過程的影響，共設計7組試驗，試驗中通過控制降雨強度來模擬間歇降雨過程中的降雨啟動與停歇。

短歷時、高強度的暴雨是黃土地區(qū)的主要降雨特征[14]。設置3組為不同降雨間歇時間比1∶1、2∶1、1∶2來模擬不同降雨雨情及農(nóng)田灌溉條件。1∶1間歇降雨中降雨期30 min，停歇期30 min，循環(huán)繼續(xù)。2∶1間歇降雨中降雨期60 min，停歇期30 min，循環(huán)繼續(xù)。1∶2間歇降雨中降雨期30 min，停歇期60 min，循環(huán)繼續(xù)。

目前已有研究表明，不同利用方式下的土地微塑料含量差異大，最高豐度可達90 000 n/kg[15]?？紤]當前微塑料污染沒有有效的手段處理，并且塑料污染不斷進入環(huán)境中，勢必導致微塑料污染累加。按照設置5組不同聚苯乙烯微球含量(質(zhì)量分數(shù))來模擬土壤受到不同程度微塑料污染情況，具體試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案Tab.3 Test plan

2 間歇降雨條件下含有微塑料黃綿土入滲試驗結(jié)果及分析

試驗過程中每隔5 min讀取一次濕潤鋒在試驗裝置側(cè)壁刻度尺上的讀數(shù)，記錄得到土體入滲濕潤鋒深度隨時間的變化，濕潤鋒深度對時間求平均導數(shù)分析得到濕潤鋒速度等水分運移特征數(shù)據(jù)，來分析間歇降雨條件下含有微塑料黃綿土入滲特征。

2.1 聚苯乙烯塑料微球含量對間歇降雨條件下黃綿土水分運移的影響

2.1.1 聚苯乙烯微球含量對黃綿土濕潤鋒速度影響

圖4為間歇降雨條件下不同聚苯乙烯微球含量土柱入滲濕潤鋒速度隨時間變化散點圖，在試驗進行400 min后，各組試驗的濕潤鋒速度均達到一穩(wěn)定值，因此圖像僅繪制前400 min來分析。根據(jù)圖可以分析可知，當降雨強度、降雨與間歇時間比相同下，不同聚苯乙烯微球含量對土柱入滲影響特征：

圖4 間歇降雨條件下不同聚苯乙烯微球含量土柱入滲濕潤鋒速度隨時間變化散點圖Fig.4 Scatter plots of time-dependent changes in wet front velocity of soil column infiltration with different polystyrene microsphere contents under intermittent rainfall

(1)在降雨間歇時間比1∶1循環(huán)下，5種聚苯乙烯微球含量的土體濕潤鋒速度隨著間歇降雨循環(huán)而逐步衰減。

(2)在降雨間歇再降雨循環(huán)中，土體水分經(jīng)歷一個再分布的過程，而這個過程需要一定的時間，也就是說對降雨響應存在時間上的滯后，濕潤鋒運動存在滯后效應，因此定義降雨啟動時刻到濕潤鋒速度開始上升時刻為降雨響應滯后時間。在降雨與間歇時間比1∶1循環(huán)下，5種聚苯乙烯微球含量的土體對降雨響應有顯著不同。取前5個降雨間歇循環(huán)進行分析得到表4，其中微塑料含量為0.50%試驗組在三個降雨間歇循環(huán)后濕潤鋒速度衰減為一穩(wěn)定值，后期沒有表現(xiàn)出對降雨啟動的響應，因此僅取其前三個降雨間歇循環(huán)。

表4 不同聚苯乙烯微球含量土體降雨響應平均滯后時間Tab.4 Average lag time of rainfall response of soil with different content of polystyrene microspheres

當聚苯乙烯微球含量為0.10%時，由于塑料微球?qū)λ诌w移速度起到增大作用，使得水分再分布過程用時減小，減小了降雨響應的滯后時間；對于聚苯乙烯微球含量為0.25%和0.50%的土體，其阻滯作用降低了水分遷移速度，從而使得再分布過程時間增加；而0.05%含量的土體對降雨響應的滯后時間與0.00%相差不大。

表5 不同微塑料含量土體表面積水時間Tab.5 The time that water accumulating on the surface of the soil with different microplastic contents

表 5為降雨間歇時間比1∶1條件下不同聚苯乙烯微球含量土體表面積水時間，可以分析得出：

(1)隨著土體中聚苯乙烯微球含量的增加，積水發(fā)生時間呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。聚苯乙烯微球含量0.10%可以顯著促進降雨入滲，延長積水發(fā)生時間，這是因為聚苯乙烯微球有著良好的疏水性，而低含量聚苯乙烯微球?qū)ν寥揽紫队绊戄^小，此時塑料微球疏水作用占據(jù)主導作用。導致積水時間較含量0.00%的積水時間滯后55.97%。

(2)聚苯乙烯微球含量為0.05%的土體積水出現(xiàn)時間與無聚苯乙烯微球的土體相差不大；聚苯乙烯微球含量為0.25%、0.50%時，出現(xiàn)明顯抑制降雨入滲，積水發(fā)生時間相對0.00%含量的土柱分別提前了39.55%、41.79%，這是由于土體較多孔隙被聚苯乙烯微球所占據(jù)，阻滯了水分入滲，此時塑料微球的疏水作用影響相對較小。

(3)聚苯乙烯塑料微球自身具有良好的疏水性，可以促進水分的運移。塑料微球摻入土壤后，由于粒徑微小，會占據(jù)土壤孔隙，阻滯水分的運移。疏水性與對土壤孔隙結(jié)構影響呈現(xiàn)競爭關系，含量不同，聚苯乙烯塑料微球?qū)ν寥浪诌\移影響整體表現(xiàn)不同。

2.1.2 聚苯乙烯微球含量對濕潤鋒深度的影響

圖5為間歇降雨條件下不同聚苯乙烯微球含量土體累計入滲深度隨時間變化曲線，根據(jù)圖分析可得出以下影響特征：

(1)微塑料含量為0.00%、0.05%和0.10%時，濕潤鋒整體呈現(xiàn)兩階段變化。第一階段是持續(xù)降雨第一周期(即試驗前30 min)，濕潤鋒深度散點圖表現(xiàn)為一條傾斜的直線，這個階段，土體含水率較低，土體的基質(zhì)吸力較大，雨水到達土體表面后被迅速吸收，不斷地傳至土體內(nèi)部。第二階段從降雨間歇第一個周期開始直到試驗結(jié)束，濕潤鋒深度曲線表現(xiàn)為一條波動上升的曲線，體現(xiàn)了濕潤鋒對降雨條件變化的響應。降雨持續(xù)時，濕潤鋒上升較快，降雨間歇時，濕潤鋒上升較緩，而降雨歷時超過240 min以后表現(xiàn)為一條微微上凸的曲線，此時降雨條件的變化對濕潤鋒深度的影響較小。微塑料含量為0.25%和0.50%時，濕潤鋒時程曲線呈現(xiàn)為三階段變化，前兩階段如上所述，第三階段，從土柱表面土體達到飽和狀態(tài)到之后，水分以均勻速度向土柱內(nèi)部入滲。

圖5 間歇降雨條件下不同聚苯乙烯微球含量土體濕潤鋒深度隨時間變化曲線Fig.5 Variation curve of wetting front depth of soil with different polystyrene microsphere content under intermittent rainfall

(2)在間歇降雨條件下，含有不同微塑料含量黃綿土的濕潤鋒深度時程曲線在前期5條曲線差異不大。在3個降雨間歇循環(huán)以后，歷時相同的其入滲深度不同。0.00%、0.05%和0.10%微塑料含量入滲深度明顯大于0.25%和0.50%，并且0.10%含量入滲深度最大，其次是微塑料含量為0.05%的土體，入滲深度均大于微塑料含量為0.00%的土體。在經(jīng)歷相同降雨間歇循環(huán)下，微塑料含量0.10%顯著促進雨水入滲，降低了土體的持水能力，增大了其入滲深度，0.05%含量對土體入滲深度影響較小，但是也起到促進作用；0.25%與0.50%含量減小了入滲深度，阻滯了黃綿土的雨水入滲，增強了土體的持水能力。

2.2 不同降雨間歇時間比對黃綿土水分運移的影響

2.2.1 不同降雨間歇比對黃綿土濕潤鋒速度的影響

圖6為不同降雨間歇時間比下土柱濕潤鋒速度隨時間變化散點圖，根據(jù)圖可以分析得出以下不同降雨間歇時間比對土柱入滲影響特征：

圖6 不同降雨間歇時間比下土柱濕潤鋒速度隨時間變化散點圖Fig.6 Scatter plot of soil column wetting front velocity with time under different ratios of rainfall and intermittent time

(1)濕潤鋒速度隨著間歇降雨過程逐步衰減，在試驗前400 min濕潤鋒速度繪制濕潤鋒速度隨時間變化圖中，選取濕潤鋒速度峰值進行不同降雨間歇條件下的衰減擬合。擬合結(jié)果表明間歇降雨條件下濕潤鋒速度衰減符合logistic模型，降雨間歇時間比1∶1、1∶2、2∶1試驗曲線擬合優(yōu)度R2分別為0.995 31、0.995 20、0.998 61。

(2)在降雨與間歇時間比2∶1的條件下，其對降雨響應特征不明顯。根據(jù)表6此組試驗在51 min時產(chǎn)生積水，并且在后續(xù)循環(huán)中積水一直存在，相對于1∶1間歇降雨循環(huán)試驗組，其積水時間提前37.03%。這是由于在第一個降雨循環(huán)過程中表層土體飽和，濕潤鋒速度在第一個降雨間歇期間就已經(jīng)大幅衰減，同時土體內(nèi)水分遷移速度也減弱，使得土體對降雨入滲沒有明顯響應。

表6 不同間歇降雨條件下土體積水時間Tab.6 The time that water accumulating on the surface of the soil under different intermittent rainfall conditions

(3)在降雨間歇時間比1∶2循環(huán)條件下，土體濕潤鋒速度在第一個降雨停歇期大幅衰減，甚至出現(xiàn)停止入滲的現(xiàn)象。相對于降雨間歇時間比1∶1條件下，其在第二個循環(huán)降雨后的濕潤鋒速度峰值遠小于降雨間歇時間比1∶1試驗組。這是因為此組在降雨時間、降水量相同的情況下，降雨間歇時間比1∶2試驗組經(jīng)歷更長的土體內(nèi)水分再分布時間，使得水分遷移深度增加，而土體入滲率對降雨的響應與水分遷移用時相關，水分遷移深度的增加使得水分遷移用時增加，因此在第二個降雨期間濕潤鋒速度上升恢復慢。并且在隨后的降雨循環(huán)過程中土體一直表現(xiàn)出明顯的降雨響應。

2.2.2 不同降雨間歇比對累計入滲深度的影響

圖7為不同降雨間歇時間比條件下土體濕潤鋒深度隨時間變化曲線，根據(jù)圖7可知：

(1)整個濕潤鋒深度曲線呈現(xiàn)出三階段變化，第一階段濕潤鋒深度隨時間增加較為迅速，這段時間土柱表面未出現(xiàn)積水，土體的含水率較低，基質(zhì)吸力較大。其中降雨間歇時間比為1∶1和1∶2的試驗曲線第二階段呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，表現(xiàn)出濕潤鋒對降雨條件變化的響應，而降雨間歇時間比為2∶1的試驗組曲線波動不明顯。第三階段濕潤鋒深度增加速率逐漸變得平緩，濕潤鋒深度隨時間呈現(xiàn)勻速變化。

圖7 不同降雨間歇時間比條件下土體累計入滲深度隨時間變化曲線Fig.7 Variation curve of cumulative soil infiltration depth with time under different ratios of rainfall and intermittent time

(2)降雨間歇時間比2∶1循環(huán)下，土體的累計入滲深度隨時間變化曲線沒有出現(xiàn)對降雨的響應，在330 min前高于降雨間歇時間比1∶1試驗曲線，在330 min處交叉，而后低于降雨間歇時間比1∶1試驗曲線。這表明在循環(huán)歷時較短時，相同時間內(nèi)由于降雨間歇時間比2∶1條件下土體獲得水量更多，使得土體有更大的累計入滲深度。而后隨著土體逐漸飽和度增加，濕潤鋒速度逐漸衰減，長歷時下其入滲深度小于降雨間歇時間比1∶1試驗組。

(3)相比較于降雨間歇時間比1∶1試驗組，降雨間歇時間1∶2循環(huán)下，曲線隨著降雨啟動和間歇的波動更加明顯。在相同降雨間歇循環(huán)歷時中，其獲得水量少，導致入滲深度小，但也經(jīng)歷了更長的停歇期，水分重分布更加徹底，因此曲線對降雨的響應更加明顯。

3 結(jié)論

1)在降雨間歇時間比1∶1條件下，低含量(質(zhì)量分數(shù)0.05%、0.10%)的聚苯乙烯微球有著促進土體水分入滲的作用，增大土體水分遷移速度，因而土體入滲濕潤鋒速度對降雨響應更加敏感，滯后時間減小。高含量(質(zhì)量分數(shù)0.25%、0.50%)聚苯乙烯微球會抑制土體的水分入滲，并且使得土體對降雨響應滯后時間增長。

2)在時間和水量相同的條件下，低含量的聚苯乙烯微球會增大濕潤鋒深度，高含量的聚苯乙烯微球則表現(xiàn)出減小濕潤鋒深度，也即低含量的聚苯乙烯微球會降低土體的持水能力，而高含量的聚苯乙烯微球會增強土體的持水能力。

3)在間歇降雨循環(huán)條件下，土體的濕潤鋒速度隨著間歇降雨循環(huán)的增加而逐步衰減，濕潤鋒速度衰減曲線符合logistic模型，并且具有較好的擬合優(yōu)度。

4)在降雨間歇時間比2∶1的條件下，其對降雨響應特征不明顯，與降雨間歇時間比1∶1試驗組相比，短歷時情況下其濕潤鋒深度增大，而長歷時情況下濕潤鋒深度減小。在降雨間歇時間比1∶2循環(huán)條件下，濕潤鋒速度衰減更快，由于土體內(nèi)部水分重分布更加徹底，濕潤鋒速度對降雨的響應更加明顯。