塑料污染对农田土壤团聚体稳定性的影响

孙贝雯，公玮，李月芬，刘兆顺*，刘毅

（1.吉林大学地球科学学院，长春 130061；2.中国科学院武汉植物园水生植物与流域生态重点实验室，武汉 430074；3.中国科学院大学，北京 100049）

土壤是保障农业可持续发展的重要自然资源，也是陆地生态系统遭受强烈污染压力的重要组成部分，土壤污染是造成当前全球土壤功能退化的主要威胁之一[1]。其中，土壤白色污染已经对全球各国的环境和经济造成了严重威胁。土壤中的塑料逐年积累，导致土壤质量下降，进而对粮食的生产安全和质量安全构成挑战。农田地膜残留问题是我国特有的塑料污染问题[2]，我国地膜的使用量约占全球的75%，且回收率不足60%[3]。废旧地膜破碎并残留在土壤中难以降解，从而导致大量塑料碎片存在于土壤中，对耕地健康造成严重威胁[4]。因此，农田土壤塑料污染防治问题目前已成为亟需解决的重大环境问题。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，控制着土壤水、肥、气、热的保持和运移，与土壤生态系统物质循环过程紧密关联[5]。土壤团聚体的结构稳定性会影响土壤侵蚀过程中的入渗、结皮和剥离等相关过程，是预测土壤水分流失和土壤侵蚀能力的重要指标[6-7]。进入土壤中的塑料降解后会形成微塑料，微塑料与土壤颗粒的团聚化对于认识土壤塑料污染和环境行为至关重要[8]。团聚体作为土壤物质循环的关键节点[9]，同时也是包括微塑料在内众多污染物质的主要固定场所[10]。已有研究表明，进入土壤的微塑料中，仅28%的塑料是以分散的自由颗粒形式存在，而绝大部分（约占72%）会与土壤团聚体结合，且不同团聚体中微塑料的数量和形状差异显著[11]。此外，由于团聚体对塑料污染物的物理保护作用而使塑料难以降解[11]，从而形成长期的污染风险。因此，针对土壤塑料污染，有必要在团聚体尺度下开展更加深入的研究。

塑料污染会影响土壤持水性、容重、微生物活性，其中部分效应可能与塑料物理性质有关（如形状、大小和毒性）[12]。随着检测方法的进步，塑料在土壤生态系统中的环境效应是未来重要的研究领域，当前的挑战是塑料的行为对于土壤团聚体的形成和稳定性产生怎样的影响。因此，有必要深入研究土壤团聚体与微塑料的互作及效应。本文以土壤团聚体为研究对象，探究塑料污染对土壤团聚体稳定性的影响，以期为塑料污染过程、效应与调控理论做出贡献。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

采样点分布如表1所示，本研究于2021年10—11月在全国范围内开展不同类型土壤样品的取样调查，采用五点取样法进行配对采样，将采样点按照我国经济社会发展程度以及典型的土壤类型进行划分，分为东北、西北、华北、华中、东南、西南6 个区域，共设置了34 个采样点。在确定的样点范围内针对受塑料污染土壤和未被塑料污染土壤进行配对采样，有塑料输入和无塑料输入的土壤分别采集1.5 kg，采样深度为0~20 cm，共收集土壤样本68 个。有塑料输入的土样选取的是长期覆盖地膜的农用地，无塑料输入的土壤为距离已采的有塑料输入的土样附近1 km2范围内未覆膜且远离道路无塑料垃圾堆积的土壤。采集后的土样用自封袋装好，在快递箱中装满泡沫膜和空气包避免土样受到挤压和碰撞，防止团聚体被破坏。土样在干净密闭的环境下自然风干，其基本理化性质见表2。在实验室筛分土壤团聚体后，计算团聚体的稳定性指标。

表1 采样点分布Table 1 Distribution of sampling points

表2 土壤主要理化性质Table 2 Main physical and chemical properties of soil

1.2 团聚体筛分及稳定性指标体系

1.2.1 干湿筛法

本研究采用干筛法与湿筛法相结合的方式筛分团聚体[13]。设置干筛的筛分粒级为>5、2~5、1~2、0.25~1 mm 和<0.25 mm 5 个粒级团聚体，仔细剔除风干土样中的石砾和根、叶、虫体后，充分混匀铺成正方形，用四分法选取500 g 的样品放在筛孔直径为5、2、1、0.25 mm 的土壤筛中，摇晃15 min 左右，分离出>5、2~5、1~2、0.25~1 mm 和<0.25 mm 5 个粒级团聚体，然后对各粒径团聚体进行称量。设置湿筛的筛分粒级为>2、1~2、0.25~1、0.053~0.25 mm 和<0.053 mm 5 个粒级团聚体，用四分法取100 g 原样土置于浸泡在去离子水中的孔径为2 mm 的分样筛中，手动进行小幅度的振荡，直至筛子上方混合物液体变得不再浑浊，将过2 mm筛后的混合物再以同样操作依次通过孔径为1、0.5、0.25、0.053 mm 的筛子，筛分完后将保留在筛中的样品在40 ℃下烘干收集，烘干后的土样即为相应粒径的水稳性团聚体。

1.2.2 稳定性指标计算

对于土壤团聚体周转动态及稳定性分析，利用平均重量直径（Mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（Geometric mean diameter，GMD）、标准化平均重量直径（Normalized mean weight diameter，NMWD）和团聚体破坏率（Percentage of aggregate destruction，PAD）等常用的团聚体稳定性指标体系进行评价[14]，基于这些指标的差异来确定塑料污染对土壤团聚体稳定性的影响。指标计算方法参考相关的文献[15-18]。

MWD计算公式：

GMD计算公式：

NMWD计算公式：

式中：rmax-j为第j个筛子的最大孔径，mm；rmin为筛子的最小孔径，mm。

PAD计算公式：

式中：DR>0.25为干筛获得的>0.25 mm团聚体的含量，%；WR>0.25为湿筛获得的>0.25 mm团聚体的含量，%。

1.3 统计分析

采用Excel 2021 和SPSS 26进行数据的整理与分析，采用Origin 2022绘图。对各地区间及各地区内部受塑料污染和未被塑料污染土壤间各粒级团聚体进行方差分析，对受塑料污染和未被塑料污染土壤间团聚体直径和稳定性差异采用配对样品t 检验进行分析。采用Pearson 相关系数对直径参数和团聚体组成进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成分析

受塑料污染土壤和未被塑料污染土壤的团聚体组成均呈正态分布且满足方差齐性检验，各区域内部无显著差异，不同地区在>5 mm 机械稳定性大团聚体（P<0.05）含量以及0.25~1 mm（P=0.004）、0.053~0.25 mm（P=0.005）、<0.053 mm（P=0.017）水稳性团聚体含量上存在显著差异。从机械稳定性团聚体组成来看（图1），农田土壤塑料输入增加了>5 mm 机械稳定性大团聚体的比例，而降低了<0.25 mm 机械稳定性团聚体的比例，塑料污染对2~5、1~2 mm 和0.25~1 mm等粒级的机械稳性团聚体影响不明显。从水稳性团聚体组成来看（图2），大多数农田中以<0.25 mm 微团聚体占主导，占比在70%以上，而水稳性大团聚体的含量相对较低。此外塑料输入降低了>2 mm 农田土壤水稳性大团聚体比例，增加了<0.053 mm 土壤颗粒的比例，而塑料污染对1~2、0.25~1 mm 和0.053~0.25 mm 等粒级的水稳性团聚体影响并不明显。从不同区域来看，我国西北、华北和华中等地区地膜的使用量大、使用年限长，土壤团聚体受塑料的影响明显大于其他地区（图3），特别是机械稳定性团聚体组成。

图3 不同区域有无塑料污染条件下土壤团聚体组成Figure 3 Composition of soil aggregates in different regions with or without plastic pollution

2.2 土壤团聚体直径分析

本研究采用MWD、GMD以及NMWD对有无塑料污染条件下的土壤团聚体直径进行分析（图4、图5）。对于干筛机械稳定性团聚体，未受塑料污染的土壤团聚体MWD和GMD的平均值分别为3.50 mm（0.49~5.36 mm）和2.10 mm（0.18~4.76 mm），而受塑料污染的土壤团聚体MWD和GMD的平均值分别为4.28 mm（1.73~6.66 mm）和2.77 mm（0.40~5.76 mm），统计分析表明，土壤机械稳定性团聚体MWD（P=0.001）和GMD（P=0.002）在有无塑料污染条件下差异显著。对于湿筛水稳性团聚体，未受塑料污染的土壤团聚体MWD和GMD的 平均值分 别 为0.55 mm（0.06~1.45 mm）和0.17 mm（0.03~0.60 mm），而受塑料污染的土壤团聚体MWD和GMD的平均值分别为0.48 mm（0.11~1.45 mm）和0.15 mm（0.03~0.63 mm），土壤水稳性团聚体MWD（P=0.102）和GMD（P=0.183）在有无塑料污染条件下差异不显著。

图4 有无塑料污染条件下土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径Figure 4 Geometric weight diameter and mean diameter of soil aggregates with or without plastic contamination

图5 有无塑料污染条件下土壤团聚体的标准化平均重量直径Figure 5 Normalized mean weight diameter of soil aggregates with or without plastic contamination

NMWD的数值大小随团聚体粒级的增大而减小，不同尺寸团聚体NMWD之间的差异越小[18]，土壤团聚体稳定性越弱。本研究分别计算了机械稳定性团聚体2~5、1~2 mm 和0.25~1 mm 的NMWD，以及水稳定性团聚体1~2、0.25~1、0.053~0.25 mm 的NMWD。未被塑料污染土壤的机械稳定性团聚体2~5、1~2 mm和0.25~1 mm 的NMWD分别为0.74、2.00 mm 和4.67 mm，而有塑料污染土壤对应的NMWD分别为0.90、2.45 mm 和5.71 mm，统计分析表明，土壤机械稳定性团聚体NMWD在有塑料污染土壤中的差异显著高于无塑料污染土壤（P=0.001）。对于水稳性团聚体，无塑料污染条件下1~2、0.25~1 mm、0.053~0.25 mm团聚体的NMWD分别为0.28、0.58 mm 和2.78 mm，而有塑料污染土壤对应的NMWD分别为0.25、0.50 mm 和2.42 mm，塑料污染并未显著改变土壤水稳性团聚体NMWD在各粒级间的差异（P=0.102）。以上结果说明，农田土壤塑料污染显著增加了机械稳定性团聚体直径，但对水稳性团聚体直径无显著影响。

2.3 土壤团聚体稳定性分析

PAD的数值大小与土壤结构的稳定程度呈反比，其数值越小，团聚体越稳定[16]。本研究分别计算了>2、>1 mm和>0.25 mm的PAD（图6），在有无塑料污染条件下，>2 mm 的PAD平均分别为86%和77%，>1 mm 的PAD平均分别为80%和73%，>0.25 mm的PAD平均分别为68%和63%，塑料污染过的农田土壤各粒级PAD均显著高于未被塑料污染过的农田土壤（P<0.05）。

图6 有无塑料污染条件下土壤团聚体的稳定性Figure 6 Stability of soil aggregates with or without plastic contamination

2.4 土壤团聚体组成各参数间的相关性分析

相关性结果表明，对机械稳定性土壤团聚体（表3），在土壤无塑料输入的情况下，土壤团聚体MWD和GMD与>5、0.25~1 mm和<0.25 mm粒级团聚体含量具有显著的相关性，正负关系以2 mm 为界，与>5 mm 团聚体呈正相关，而与0.25~1 mm 和<0.25 mm 团聚体呈负相关。而在有塑料输入的土壤中，土壤团聚体MWD和GMD与>5、1~2、0.25~1 mm 和<0.25 mm 粒级团聚体含量具有显著的相关性，正负关系以5 mm为界，与>5 mm团聚体呈正相关，而与1~2、0.25~1 mm和<0.25 mm 团聚体呈负相关。对水稳性土壤团聚体（表4），无论有无塑料污染情况，土壤团聚体MWD和GMD均与>2、1~2 mm 和0.25~1 mm 粒径团聚体占比呈显著正相关，而与<0.053 mm 粒径团聚体占比呈显著负相关。无塑料污染的土壤MWD与0.053~0.25 mm 团聚体呈现弱负相关。以上结果说明塑料污染增加了1~2 mm的机械稳定性团聚体对其平均直径的贡献，而塑料污染并未改变水稳性土壤团聚体组成对其平均直径的贡献。

表3 土壤机械稳定性团聚体与直径参数间相关性分析Table 3 Correlation analysis between diameter parameters and soil mechanically stable aggregates

表4 土壤水稳性团聚体与直径参数间相关性分析Table 4 Correlation analysis of diameter parameters and soil water-stable aggregates

有机质在土壤团聚体的形成和周转中发挥着重要的胶结作用，本研究发现，无论有无塑料输入，各粒级机械稳定性土壤团聚体含量与土壤有机质含量均无相关性。对于水稳性土壤团聚体，在土壤无塑料输入的情况下，土壤有机质与1~2 mm 粒径团聚体呈显著正相关、与0.25~1 mm粒径团聚体呈正相关，而与<0.053 mm 粒径团聚体呈显著负相关，而在有塑料输入的土壤中，土壤有机质与1~2、0.25~1 mm 粒径团聚体呈显著正相关，而与<0.053 mm 粒径团聚体呈显著负相关。以上说明有机质含量主要对土壤的水稳性团聚体存在影响。

3 讨论

土壤团聚体形成与周转的过程一般包括形成、稳定和崩解3 个阶段[19]，在土壤团聚体形成阶段，土壤生物（包括土壤动物和微生物）通过吞食、排泄和分解活动，可将土壤中的有机碎屑、真菌菌丝体和土壤颗粒等物质结合在一起形成大团聚体[6]。同时，土壤有机质作为团聚体的主要胶结剂，在团聚体稳定和崩解阶段起决定性作用[20]。塑料制品作为人工合成的含碳化合物，输入土壤后可能同样对团聚体周转及其稳定起重要作用。

塑料污染可能通过吸附和缠绕作用促进团聚体的形成与稳定。本研究结果表明，塑料污染会使土壤>5 mm 的机械稳定性大团聚体含量增加，但会降低<0.25 mm的团聚体含量，这与胡旭凯等[21]的研究结果一致；塑料污染会使土壤>2 mm 的水稳性团聚体含量减少，但会增加>0.053 mm 的团聚体含量，这与马文倩等[22]的研究结果相似。MWD、GMD和NMWD的值越大，说明团聚体越稳定[18，23]。塑料污染土壤机械稳定性团聚体直径指数MWD、GMD和NMWD均显著大于无污染土壤，原因可能是塑料破碎后形成微塑料，由于其具有化学结构稳定、比表面积大和吸附性强等特点[24]，可能有利于土壤颗粒的聚合，进而促进团聚体的形成。而对于水稳性团聚体，在有无塑料污染的条件下土壤团聚体组成和直径指标均无显著差异，塑料污染土壤NMWD略小于无污染土壤，塑料污染存在降低水稳性团聚体直径的趋势[25]，其原因可能是塑料污染对土壤动物和微生物造成了不利影响[26]。以上说明在塑料介导下形成的大团聚体，其作用力可能只是物理吸附作用，并未形成稳定的胶结作用。

塑料污染对土壤团聚体稳定性的影响并不明确。当前，对塑料污染引起团聚体稳定性的潜在变化研究仍处在初级阶段[11，27]。土壤中塑料污染物的形状、聚合物类型和浓度大小都会影响土壤团聚体的稳定性[28]。一方面，塑料可通过黏附和缠绕等形式促进土壤团聚体的稳定性[12，28]，这种效应可能取决于塑料的形状[29]，如纤维状的塑料能更有效地缠结土壤颗粒，降低土壤团聚体的崩解发生，也有利于土壤团聚体固碳、抵御土壤侵蚀和通气性。但另一方面，塑料风化破碎后会形成微塑料，微塑料对土壤生物产生毒害性，并通过食物网传递，危害生物健康[30]，间接影响土壤团聚体的稳定性，而且塑料粒径越小越容易被土壤动物取食[31]，表明团聚体的稳定性可能也与微塑料的大小关联[32]。受塑料污染土壤各粒级PAD均显著高于未被塑料污染过的土壤，可见农田土壤塑料污染增加了机械稳定性大团聚体经过湿筛后的破坏率，这也进一步证明了农田土壤塑料污染增加的土壤大团聚体并不具有水稳定性。

相关性分析结果表明，机械稳定性土壤团聚体MWD和GMD与各粒径团聚体含量皆呈线性关系（除与2~5 mm 粒径相关性不显著，以及与未被塑料污染土壤中1~2 mm 粒径相关性不显著外，其余均达显著水平），其中无塑料污染土壤团聚体正负相关性以2 mm 为界，有塑料污染土壤团聚体正负相关性以5 mm为界，说明塑料输入增加了>5 mm 粒级对土壤团聚体直径的贡献。对于水稳性团聚体，其MWD和GMD均与各粒径团聚体含量呈线性关系（除无塑料污染土壤GMD值以及有塑料污染土壤MWD和GMD值与0.053~0.25 mm 粒径相关性不显著外，其余均达显著水平），MWD和GMD与各粒径团聚体含量的正负相关性以0.25 mm 为界，这与姜敏等[33]的研究结果基本类似。本研究结果进一步确认了0.25 mm 是水稳性团聚体周转较为关键的临界点。

本研究探索了塑料污染对团聚体稳定性的影响，当前对塑料污染引起团聚体稳定性的潜在变化研究仍处在初级阶段，多注重于调查研究[11，27]，而在受控条件下微塑料影响团聚体周转及其稳定性的定量研究报道相对较少，特别是不同形状微塑料对团聚体影响的差异性研究资料更加缺乏。后续研究还需进一步探讨塑料形状和大小对土壤团聚体的影响，了解塑料与土壤颗粒团聚化机制，从土壤团聚体的尺度上理解塑料的环境效应及其与此相关的土壤生态过程，从而更好地防治土壤塑料污染，积极探索新型、科学、可持续的农业发展方式，保障我国粮食安全。

4 结论

（1）从团聚体组成来看，农田土壤塑料输入增加了>5 mm 机械稳定性大团聚体比例，农田土壤塑料输入显著增加了机械稳定性团聚体直径指数MWD和GMD，但对水稳性团聚体直径无显著影响。塑料污染过的农田土壤的PAD显著高于未被塑料污染过的农田土壤，证明农田土壤塑料污染增加的土壤大团聚体仅具有机械稳定性而不具有水稳定性。

（2）相关性分析结果表明，有、无塑料输入的机械稳定性土壤团聚体和水稳性土壤团聚体的MWD和GMD与各粒径团聚体含量都存在相关性。对于机械稳定性团聚体，无塑料污染土壤团聚体正负相关性以2 mm 为界，有塑料污染土壤团聚体正负相关性以5 mm 为界，证明塑料输入增加了>5 mm 粒级对土壤团聚体直径的贡献。对于水稳性团聚体，在有无塑料污染条件下0.25 mm均是水稳性团聚体重要的临界点。