聚乙烯微塑料对土壤团聚体及其有机碳的影响

胡旭凯，桑成琛，曹萌萌，栗婷轩，张艳君，朱利霞，李俐俐

(周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口 466001)

由于聚乙烯塑料具有延展性好、成本低的特点，聚乙烯塑料在农业尤其是设施农业中的应用逐渐得以推广.截至2019年，我国农用塑料薄膜的使用量已经达到240万t[1].聚乙烯薄膜的使用可提高作物产量，在保障国家粮食安全中发挥着重要作用.然而，由于技术和回收成本的限制，塑料薄膜的回收难以切实有效的实行，导致大量聚乙烯残膜留在土壤中，进而导致“白色污染”[2].聚乙烯由于其性质相对稳定，在自然条件下难以降解，影响土壤理化性质和作物生长，进而影响土壤中养分转化、能量流动和团聚体结构.

团聚体作为土壤的基本结构和功能单位，其形成是微生物、作物根系和其他复杂的理化过程共同作用的结果.团聚体的大小、组成和稳定性对于土壤理化性质和生物学特征尤为重要，是衡量土壤肥力状况的重要指标.目前关于土壤团聚体的研究，主要集中在耕作方式、施肥模式、植被和土壤类型等条件下团聚体组成、稳定性及其养分分布的特征，而关于聚乙烯塑料进入土壤后团聚体的变化特征的研究相对较少.研究表明，塑料残膜会破坏土壤团聚体，导致土壤板结[3]；Wang等[4]的研究结果则表明，长期地膜覆盖后，表层土壤大团聚体含量和土壤容重明显增加.马文倩等[5]发现聚乙烯微塑料显著降低黄棕壤的有机质含量而增加微团聚体的比例.然而，聚乙烯微塑料颗粒进入到土壤团聚体中是否会改变团聚体的理化性质，进而改变土壤团聚体的粒径分布和稳定性，目前尚不十分清楚.因此，本研究以黄淮地区典型农田土壤为研究对象，开展室内培养实验，探讨聚乙烯塑料对团聚体组成、稳定性及其有机碳的影响，以期为该地区土壤资源的保护和设施农业中聚乙烯薄膜的合理使用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用塑料为聚乙烯微塑料，购自上海冠步机电科技有限公司.聚乙烯微塑料为不规则球形，纯度99.99%，粉末粒径小于100 μm.使用前将聚乙烯微塑料置于辛烷和戊烷中浸泡4 h后烘干，紫外灯消毒1 h，备用.试验所用土壤于2020年10月采集于河南省浚县(114°40′E，34°40′N；海拔72.3 m)，该地属于黄淮海平原，属暖温带大陆型半湿润季风气候.年均温13.7 ℃，无霜期220 d，平均降雨量648 mm.土壤类型为潮土，pH值为7.9.采集0～20 cm土壤过2 mm土筛，去除植物的根、砂石及其他杂物，在室温条件下自然风干.供试土壤基本理化性质如下：有机碳8.7 g/kg，全氮1.1 g/kg，速效磷30.5 mg/kg，速效钾95.1 mg/kg.

1.2 试验设计

将聚乙烯微塑料与土壤按照0、5%、10%、20%、25%的质量浓度充分混合，采用土柱(直径20 cm，高度20 cm的聚氯乙烯管)填充的方法使其接近田间条件下土壤容重.以聚乙烯塑料添加量为0作为对照，各处理分别记为CK、T1、T2、T3和T4，每个处理3次重复.调节土壤水分含量为20%，于25℃条件下培养4个月，期间采用称重法调节土样的含水量.培养结束时采集土壤样品，保存于-4 ℃备用.

1.3 指标测定

采用重铬酸钾-外加热法测定总有机碳含量，采用总有机碳分析仪测定土壤可溶性有机碳，采用高锰酸钾氧化法测定团聚体易氧化有机碳.采用干筛法将土壤筛分成[5,+∞)、[2,5)、[1,2)、[0.5,1.0)、[0.25,0.50)和(-∞,0.25)mm的团聚体，团聚体稳定性采用平均重量直径(mean weight diameter,MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)、大团聚含量(R0.25)和分形维数(dimension,D)衡量，计算公式如下：

其中，xi为各粒级团聚体的平均粒径(mm)；wi为各粒级团聚体重量占团聚体干重的比例(%)；Mr≥0.25为粒径大于等于0.25mm的团聚体质量(g)；Mr为团聚体的总质量(g)；D为土壤分形维数；Wr≥xi为大于等于某一粒径xi的累积土粒质量(g)；W0为土壤各粒级质量总和(g)；xmax为最大粒级土粒的平均直径(mm).

1.4 数据处理

采用单因素方差分析检验聚乙烯微塑料添加量对土壤团聚体粒级分布和稳定性、团聚体有机碳的影响.不同处理间采用最小显著差法进行多重比较，所有统计分析采用SPSS17.0进行，采用Sigmaplot12.0制图.

2 结果与讨论

2.1 团聚体组成及稳定性

聚乙烯微塑料进入土壤后可以作为胶结物质存在，从而改变土壤颗粒间的凝集作用，对土壤团聚体的形成及稳定性产生影响.有研究表明，进入土壤的微塑料大约70%与土壤颗粒紧密联接，参与团聚体的形成[6-7].通过添加不同浓度的聚乙烯微塑料，测定土壤团聚体分布情况，发现聚乙烯微塑料改变不同粒径团聚体的分布，主要表现为增加0.5mm以上团聚体含量而降低0.5mm以下团聚体含量(图1).聚乙烯是一种大分子的有机物质，疏水性较高，通过化学键或范德华力的作用可能会促使土壤矿物与土粒发生胶结，形成较大粒级的团聚体.因此，在聚乙烯的作用下土壤颗粒倾向于发生凝聚和胶结，从而增加0.5mm以上团聚体含量.李营[8]研究发现塑化剂的添加明显降低1mm以下团聚体含量；用有机污水灌溉后土壤中(-∞,0.25)mm团聚体含量也明显降低，而[1,5)mm团聚体含量显著增加[9].这可能是由于聚乙烯等有机物的添加改变了土壤生态环境，微生物的群落结构发生变化，进而导致团聚体粒径发生改变.

不同字母表示同一粒径不同处理间差异显著(P<0.05).

与CK相比，T1、T2、T3和T4均显著增加[5,+∞)团聚体含量，增幅分别为15.5%、27.5%、33.9%和29.1%.与CK相比，T2显著增加[2,5)mm团聚体含量，而T1、T3和T4对该粒级团聚含量无影响；聚乙烯均显著增加[1,2)mm团聚体含量，增幅为8.2%～12.6%.[0.5,1.0)mm团聚体表现出与[5,+∞)mm团聚体一致的变化规律.聚乙烯微塑料显著降低[0.25,0.50)和(-∞,0.25)mm团聚体含量，且T2处理降幅最大，分别达到30.9%和26.7%.由此，聚乙烯微塑料改变团聚体粒径分布特征，且与聚乙烯微塑料的浓度有关.当聚乙烯浓度逐渐增大时，土壤中较大粒级团聚体的含量也有所增加，但会表现出一定的阈值效应.

由团聚体稳定性指标的计算(表1)可知，团聚体粒径直接影响团聚体稳定性.团聚体粒径大小会直接影响团聚体对养分的持留能力，大粒径团聚体更倾向于释放养分，小粒径团聚体倾向于持留养分[10]，因此，聚乙烯处理下团聚体粒径的改变会对土壤结构和养分状况产生影响.平均重量直径和几何平均直径值越大，团聚体稳定性越好，分形维数则越小[11-13].聚乙烯微塑料对土壤团聚体稳定性有明显影响，且与聚乙烯微塑料的量有关(表1).与CK相比，聚乙烯微塑料显著增加土壤平均重量直径，随聚乙烯微塑料添加量的增加平均重量直径呈现出先增加后降低的趋势，T3处理平均重量直径增幅最大.不同处理团聚体几何平均直径和R0.25均随聚乙烯添加量的增加先增加后降低，与CK相比，T3处理几何平均直径和R0.25增幅最大，分别为39.3%和10.9%.与平均重量直径、几何平均直径和R0.25不同，聚乙烯微塑料显著降低分形维数，且T3处理降幅最大为26.7%，T1、T2和T4处理分形维数的降幅分别为16.3%、17.6%和21.6%.由此，聚乙烯微塑料可以增加团聚体稳定性，其中T3处理对团聚体稳定性的增加效果最为明显.由此可见，聚乙烯的添加对团聚体稳定性有一定的增加作用，且聚乙烯添加量为20%时团聚体稳定性最大.由此可知，聚乙烯的添加增加了大粒径团聚体含量和团聚体稳定性，对土壤结构表现出积极的改善作用，理论上利于土壤结构的改善.然而，结合团聚体的微观形态(结果未展示)可以发现聚乙烯微塑料浓度的增加会使团聚体之间的连接过于紧密，导致土壤透水性和透气性下降，从而降低土壤储水能力，导致土壤出现供水和供肥不足的问题.此外，聚乙烯中所含有的塑化剂属于有机污染物，其与土壤中铁、铝等结合后会进入团聚体内部，不利于微塑料的降解.

表1 不同处理土壤团聚体稳定性

2.2 团聚体有机碳

土壤有机碳是衡量土壤质量的重要指标.有机碳是团聚体的重要有机胶结剂，而团聚体对有机碳有一定的保护作用，约90%的有机碳位于团聚体内[14]，有机碳含量与团聚体粒径之间有明显的正相关关系[15].因此，土壤中聚乙烯的存在会对土壤碳的周转产生影响[16].本研究中，聚乙烯微塑料显著影响不同粒级团聚体总有机碳含量，且其影响程度与聚乙烯微塑料的添加量有关(图2).与CK相比，除T1处理外，聚乙烯微塑料显著增加[5,+∞)mm团聚体总有机碳含量，且随聚乙烯微塑料添加量的增加而增加，T4处理总有机碳含量增幅达到16.0%.与CK相比，T2、T3和T4显著增加[2,5)mm团聚体总有机碳含量.与CK相比，T1显著降低[1,2)mm团聚体有机碳含量，降幅为11.8%，而T2和T4处理团聚体总有机碳显著增加22.4%和32.7%.聚乙烯微塑料添加条件下[0.5,1.0)和[0.25,0.50)mm团聚体总有机碳呈现出相似的变化趋势，与CK相比，T1对团聚体总有机碳无显著影响，T4处理[0.5,1.0)和[0.25,0.50)mm团聚体总有机碳增幅最大，分别为36.2%和37.8%.与CK相比，聚乙烯微塑料显著增加(-∞,0.25)mm团聚体.

不同字母表示同一粒径不同处理间差异显著(P<0.05).

本研究表明未添加聚乙烯微塑料时有机碳主要存在于粒径在1mm以上团聚体中，随聚乙烯微塑料浓度的增加，各粒径团聚体中有机碳有逐渐增加的趋势，其中(-∞,0.25)mm团聚体总有机碳含量增加最为明显.由此，聚乙烯主要对(-∞,0.25)mm团聚体产生影响，间接证实了聚乙烯微塑料添加条件下团聚体稳定性增加的现象.由于聚乙烯的成分主要为碳，添加到土壤中可能会对土壤中碳素的周转产生影响.Liu等[17]研究也表明微塑料进入到土壤后，可以改变土壤溶解性有机质，进而影响团聚体的组成和稳定性.

活性有机碳是比总有机碳更能快速反映土壤质量变化的指标.可溶性有机碳主要来源于微生物的分解作用，而易氧化有机碳与土壤呼吸有关.由图3可知，聚乙烯微塑料对团聚体可溶性有机碳产生明显影响.在未添加聚乙烯微塑料条件下，团聚体可溶性有机碳主要分布在[5,+∞)、[2,5)和[1,2)mm团聚体中.聚乙烯微塑料对[0.25,0.50)mm团聚体可溶性有机碳无显著影响，而显著降低其他各粒级团聚体可溶性有机碳含量，且其降低程度与聚乙烯微塑料的添加浓度有关.由于聚乙烯作用下团聚体内部的土粒之间地联接更为紧密[8]，干扰物质间的相互转化，有机碳不易被微生物分解降低了可溶性有机碳的含量.与CK相比，T4处理在[5,+∞)、[2,5)、[1,2)、[0.5,1.0)mm团聚体可溶性有机碳降幅最大，分别为20.7%、20.1%、20.6%和21.2%.聚乙烯微塑料浓度增加时，(-∞,0.25)mm团聚体可溶性有机碳含量的降幅有逐渐减小的趋势，T1、T2、T3和T4处理团聚体可溶性有机碳含量的降幅分别为14.4%、16.4%、9.6%和8.5%.当聚乙烯微塑料的浓度达到T4时，(-∞,0.25)mm团聚体内的可溶性有机碳含量相对较高.

不同字母表示同一粒径不同处理间差异显著(P<0.05).

聚乙烯微塑料对团聚体易氧化有机碳有明显的降低作用(表2).与CK相比，不同浓度的聚乙烯微塑料均显著降低团聚体易氧化有机碳，且与聚乙烯微塑料的添加浓度有关.[5,+∞)、[2,5)、[0.5,1.0)、[0.25,0.50)和(-∞,0.25)mm团聚体易氧化有机碳随聚乙烯微塑料添加量的增加而持续降低，与CK相比，T4处理团聚体易氧化有机碳降幅最大，分别为38.1%、27.7%、30.4%、27.4%和30.1%.对于[1,2)mm团聚体，随聚乙烯微塑料浓度的增加，团聚体易氧化有机碳先减少后增加又降低.

表2 不同处理团聚体易氧化有机碳

团聚体内部通气性和透水性变差，土壤含水量和含氧量降低，这在一定程度上降低了微生物对有机碳的分解利用，降低微生物的代谢活性，导致活性有机碳含量的降低[6].聚乙烯作为一种有机污染物，会对土壤微生物产生毒害作用，降低微生物的活性，进而导致活性有机碳含量的降低.因此，微生境的差异会导致微生物对有机碳的分解转化也表现出较大的差异[15].侯军华[18]的研究也表明聚乙烯微塑料的添加显著降低了土壤团聚体可溶性有机碳含量.残留在土壤中的农用薄膜可以显著降低土壤中与碳循环有关基因的表达，降低土壤碳含量[19].由此，聚乙烯微塑料会通过影响土壤碳的周转，进而影响土壤酶活性和微生物活性，进而降低土壤肥力[20].长期条件下，聚乙烯可能不利于碳在土壤中的持留，不利于土壤肥力的维持.

3 结论

聚乙烯微塑料改变土壤团聚体粒径组成，提高土壤团聚体稳定性.同时，聚乙烯微塑料基本增加团聚体总有机碳含量，且增加程度与聚乙烯的添加量有关.然而，聚乙烯微塑料显著降低团聚体可溶性有机碳和易氧化有机碳含量，增加了碳在土壤中的稳定性，间接促进团聚体形成进而提高团聚体稳定性.短期内聚乙烯微塑料能够改善土壤团聚体稳定性，影响碳在土壤中的周转.