聚丙烯微塑料对滴灌条件下盐渍土水盐分布的影响

王志超，张博文，李 哲，程光远，李汶璐，李卫平*

（1.内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2.黄河流域内蒙古段生态保护与综合利用自治区协同创新中心，内蒙古 包头 014010；3.内蒙古自治区水利事业发展中心，呼和浩特 010020）

0 引 言

【研究意义】土壤盐渍化是一个世界性问题，据报道，全球现存有8.97 亿m2的盐渍化耕地，对农业生产的可持续发展造成了极大的影响[1-4]。【研究进展】研究表明，灌溉方式不合理等原因会加剧土壤退化风险[5-7]，同时造成大面积耕地的盐渍化和次生盐渍化[8]。因盐渍化土壤中盐分和可交换Na+浓度高，使土壤膨胀、分散[9]，从而制约了土壤的渗透能力，造成土壤水分流失，严重危害植物生长[10]；另一方面，盐分在土壤中的过度积累，特别是由于某些离子（包括Na+）的积累，使得土壤渗透压增加，会对作物造成盐分胁迫[11]。近年来随着城镇化的进一步发展，可利用的农业土地资源在逐渐减少，保证18 亿亩的耕地红线成为保障国家粮食安全，乃至经济社会发展的重要议题[12]。近年来，施加生物炭、聚丙烯酰胺（PAM）等对盐渍土性质影响的研究较多，已有的研究表明，生物炭可以使盐渍土孔隙度增加2.2%～31.3%[13]，其改善盐渍化土壤孔隙度的机制可以归结为2 个方面：①稀释效应：生物炭含有丰富的孔隙结构和较高的比表面积，施加至孔隙度较低的盐渍土中，可以有效增加其孔隙度[14]；②土壤团聚体结构的改善：生物炭的施加可以有效促进土壤团聚体的形成和稳定，有利于多级孔隙结构的形成和保持[15]。蒲建国等[16]研究了PAM 对细粒盐渍土基本物理性质的影响规模，发现随着施加PAM 浓度不断增加，土壤的体积质量、孔隙度、饱和含水率、田间持水率都得到了不同程度的改善。

为促进农业生产、提高作物产量，80%以上的农田需要利用农膜覆盖技术进行保墒[17]，膜下滴灌技术是滴灌技术与覆膜种植有机结合的产物，与传统地面灌溉相比，具有显著的节水节肥、增产增效等效果[18]。此外，膜下滴灌对土壤中的盐分有消散的作用，同时膜下滴灌通过少量、持续的作用方式对作物的根系淋洗以脱盐，利于作物后期生长，再加之覆膜作用，可有效阻止返盐现象，为目前盐渍化耕地治理的主要方法之一[19]。但由于农用薄膜广泛使用、老化破碎和回收体制不健全等原因[20-21]，造成大量农膜残留在土壤中，残膜经分解可以形成颗粒更小且分布更广的微塑料，因微塑料具有体积小、比表面积大等特点，其对土壤理化性质、水盐运移也势必产生影响[22]，但目前关于微塑料对渍化土壤影响的研究非常少。德国科学家Rillig 是世界上最早关注土壤微塑料污染的学者之一，其认为进入到土壤环境中的微塑料会对土壤理化性质、土壤功能及生物多样性产生影响[23]。随后，一些学者进行了相对深入的研究，Machado 等[24]研究了不同类型微塑料对土壤结构及微生物功能的影响，结果表明不同类型微塑料在土壤干质量的0.1%丰度下即可对土壤水稳性团聚体产生影响，其中聚酯减小了土壤水稳性团聚体的数量，聚乙烯则显著增多了土壤水稳性团聚体的数量，而土壤中的微塑料最大丰度最大可达土壤干质量的7.0%，其相关影响有待进一步研究。王志超等[25]则采用室内模拟的方法探究了不同丰度及不同类型微塑料对土壤水分累积入渗时间、土壤含水率等的影响，结果表明，同类型条件下随着微塑料丰度增大，累积入渗时间显著增加，而微塑料赋存土壤含水率在不同土层深度上均随着微塑料丰度增大而增加。【切入点】尽管前人对大块塑料及微塑料对土壤水分运移的影响做了一些研究，但对于微塑料与盐渍土耦合作用下其对盐渍土水盐分布的影响研究则相对匮乏。

【拟解决的关键问题】本文通过室内试验模拟农业中滴灌淋洗过程，研究微塑料赋存条件下不同盐度盐渍土盐分运移的变化特征，有助于分析微塑料赋存条件下盐渍土水分入渗机制，阐明不同盐度盐渍土水分入渗过程中对土壤水盐、含水率和pH 带来的环境效应的影响。本研究可为田间试验提供必要的理论依据，为微塑料赋存条件下盐渍土改良治理提供新思路和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

备试土壤采集于内蒙古自治区河套灌区，为尽量减小原状土壤中微塑料的本底值，选取未耕种过且人为扰动小的土壤样品进行采集，采集深度为地面以下0～40 cm，去除大粒径杂质后带回实验室，将土样风干、碾碎，最后过2 mm 筛，确保土质均质。利用纳米激光粒度仪（NANOPHOXTM，Symaptec 公司，德国）进行颗粒分析，其中黏粒（粒径小于0.002 mm）占比1.3%，粉粒（0.01～0.50 mm）占比 18.6%，砂粒（0.50～1.00 mm）占比80.1%，土质属于砂壤土。所使用微塑料为广东特塑朗化工有限公司制造，微塑料粒径为150 um，密度为0.9 g/cm3，熔点为176 ℃，形状为球状。

1.2 试验方法

经查阅文献发现，中国西北地区盐渍土所含盐类主要有氯盐及硫酸盐[26-27]，因不同盐类对土壤入渗效果影响不同[28]，故本试验采用占比较多的氯盐（NaCl）进行模拟。根据盐渍土分类（表1）[29]，配置含氯盐量为0.5%、4.0%、7.0%的土壤，分别模拟弱、中、强3 类盐渍土。

表1 盐渍土分类Table 1 Classification of saline soils

土样制备：土样经标准筛（孔径2 mm），在室温（26 ℃）密封7 d；NaCl 质量按照所取干土质量的0.5%、4.0%、7.0%进行称取，然后与土样混合，在室温下继续密封24 h，以便盐分可以与土样更加充分交换吸附并且均匀分布于土中；待土壤吸附NaCl 后在天然状态下干燥，过2 mm 标准筛并研磨土样，即可制备完成氯盐渍土[26,30]。

已有研究发现农田土壤微塑料的种类以聚丙烯（PP）为主，且微塑料粒径等级量占比较大的为50～250 μm[31-32]，由王志超等[23]研究结果表明，2.0%丰度的PP 微塑料对土壤水分运移影响最为显著，因此，本试验采用2.0%丰度（质量分数）、粒径为150 μm 的PP 微塑料进行模拟。

试验设置3 种含盐量（0.5%、4.0%、7.0%）和2 种微塑料丰度（0、2.0%），共6 个处理，每个处理3 次重复（表2）。选用长×宽×高为30 cm×30 cm×40 cm 的透明有机玻璃箱进行试验，其箱壁贴软卷尺。为避免优势流对试验结果的影响，试验前在箱体内侧涂抹1 层凡士林。根据同试验设置按比例将微塑料添加到盐渍土中，并用不锈钢勺分多次搅拌、混合均匀，按照1.5 g/cm3的设计体积质量装土，每3 cm 分层装入，层间打毛。

表2 试验设计Table 2 Experimental design variables

采用土槽模拟法模拟施加微塑料对盐碱土入渗及水盐分布的影响。试验前，测定土壤的含水率、电导率以及含盐量，试验采用马氏瓶作为稳压滴灌水源，滴灌前使用转子流量计测定流量，流量为0.36 L/h。湿润锋运移至距土槽底部6 cm 处停止供水，测定马氏瓶出水量并计算累积入渗量，入渗结束5 min 后，用微型土钻从滴灌水源处垂直方向的3.3、6.6 cm 和9.9～27.7 cm，水平方向距滴水点4、8、12、16 cm 和20 cm 处取土（图2），分别测定入渗后土样的质量含水率、含盐量和pH 值。

图1 入渗装置示意图Fig.1 Schematic diagram of infiltration device

1.3 土壤样品处理

1）土壤含水率的测定

土壤取样结束后，在各取样点进行取样称质量并记录，随后将样品放进烘箱内烘至恒质量，48 h后取出记录质量，利用称质量法测量入渗后土壤内的含水率。

2）土壤盐分和总溶解固体（TDS）的测定

将各采样点烘干后的样品利用玛瑙材质研磨杵捣碎研磨，随后过2 mm 筛，将20.0 g 的土壤样品置于250 mL 振荡瓶中，加100 mL、20 ℃的去离子水，封好瓶盖，置于向复式水平恒温器中，在20 ℃下振动30 min。取下振荡瓶静置30 min 以后，将上清液经0.45 um 滤纸过滤，然后利用雷磁DDBJ-350 电导率仪（可直接进行电导率、TDS、盐度和温度测量）测定土样中的含盐量、TDS。

3）土壤pH 值的测定

土样研磨过2 mm 筛，称取10 g 土样置于50 mL 的高型烧杯中，加入25 mL 去离子水，采用水土比2.5∶1 进行浸取，用封口薄膜将烧杯封好，然后用磁性搅拌机搅拌2 min，静置30 min 后，测定pH值前先用至少2 种pH 标准缓冲液对电极进行校准，校准过后方可测定。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2007、SPSS 17.0 等软件进行数据处理与方差分析，并用Origin 9.0 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 PP 微塑料对滴灌条件下盐渍土含水率分布的影响

当不赋存PP 微塑料时，盐渍土壤灌水入渗后含水率随土壤中的盐分增大而显著提高，当盐渍土中赋存PP 微塑料会同时增加水平与垂直方向灌水入渗后的含水率，且呈现距入渗点源的距离增加含水率降低的趋势。灌水入渗后各处理盐渍土土壤含水率如图3 所示，通过数据比较发现，无PP 微塑料的盐渍土处理中，CK3 较CK2 和CK1 平均含水率分别增加9.35%和11.2%（P＜0.05）；赋存PP 微塑料的盐渍土处理中，Z 处理较Q 处理和A 处理平均含水率增加13.65%和14.24%（P＜0.05）。当赋存PP 微塑料后，赋存PP 微塑料的盐渍土灌水入渗后同垂直、水平方向距离上A 处理、Q 处理和Z 处理含水率分别较CK1、CK2 和CK3 显著性升高。以垂直距入渗点源16.6 cm 为例，水平方向上A 处理较CK1 平均含水率增加7.8%（P＜0.05），Q 处理较CK2 平均含水率增加9.4%（P＜0.05），Z 处理较CK3 平均含水率增加6.2%（P＜0.05）；以水平距入渗点源12 cm 为例，整个垂直方向上A 处理较CK1 平均含水率增加7.9%（P＜0.05），Q 处理较 CK2 平均含水率增加7.7%（P＜0.05），Z 处理较 CK3 平均含水率增加6.2%（P＜0.05）。

图3 各试验组土壤含水率变化Fig.3 Change of moisture content in each experimental group

2.2 PP 微塑料对滴灌条件下盐渍土盐分分布的影响

在不同初始含盐量的盐渍土中，赋存微塑料的处理相较于未赋存微塑料的试验组，皆增大了取样点处土壤中的含盐量。赋存PP 微塑料对盐渍土灌水入渗后含盐量的影响显著（图4）。A 处理和CK1 在入渗垂直方向6.6 cm，水平方向16 cm 处盐分差值出现最大值，此点处A 处理较CK1 取样点土壤含盐量升高188.21%（P＜0.05）。Q 处理和CK2 含盐量差值最大值位于入渗垂直方向9.9 cm，水平方向16 cm 处，此点处Q 处理较CK2 的含盐量升高326.9%（P＜0.05），而在Z 处理和CK3 含盐量差值最大值在垂直方向16.6 cm，水平方向8 cm 处，Z3 较CK3含盐量高163.2%（P＜0.05）。在滴灌入渗垂直方向，含盐量分布皆呈先升高后降低的趋势，主要原因是土壤中含盐量在滴灌作用下向土壤深层运移，而土槽四周与外界隔离，含盐量随垂直方向增加而逐渐积累，在垂直方向9.9 cm 以下由于土壤中含盐量不断降低，所以含盐量分布呈现随垂直方向增加而减小的趋势。

图4 入渗后各试验组土壤盐分浓度变化Fig.4 The soil salinity concentration of each experimental group changed after infiltration

2.3 PP 微塑料对滴灌条件下盐渍土pH 值分布的影响

在入渗土壤表层，各处理pH 值出现最大值，且数值相差不大，随入渗垂直距离的增加均呈现出pH值减小趋势。赋存PP 微塑料的试验组在相同盐分盐渍土和垂直、水平方向距离相同条件下pH 值均呈现出大于未赋存PP 微塑料处理的趋势。入渗后各处理pH 值如图5 所示，在入渗土壤表层，以水平距入渗点源12 cm 为例，在距表层3.3、9.7、13.0、15.0、19.0、29.9 cm 处，CK1 初始pH 值随土壤垂直入渗方 向 减 小 7.1%、9.4%、11.8%、13.8%、13.9%、14.1%和16.6%（P＜0.05），A 处理初始pH 值随土壤垂直入渗方向减小 9.5%、3.3%、11.6%、19.5%、18.5%、19.5%、和20.5%（P＜0.05），CK2 随土壤入渗方向较pH 初始值减小3.3%、13.1%、18.3%、21.2%、20.9%、23.2%、和24.7%（P＜0.05），对Q处理、CK3 和Z 处理试验组也出现了相同趋势，即pH 值皆随土壤垂直入渗方向减小。在相同盐分盐渍土和垂直方向（距表层0、3.3、6.5、9.7、13、15、19、25、29.9 cm）、水平方向（距入渗点源12 cm）距离相同条件下，A 处理较CK1 随垂直方向增加pH 值分别增加2.9%、6.8%、4.2%、4.9%、3.4%、2.7%、0.4%、3.8%和 2.0%（P＜0.05），Q 处理较CK2 pH 值增加5.9%、3.5%、12.0%、6.0%、0.7%、1.7%、1.1%、2.3%和 2.2%（P＜0.05），Z 处 理 较CK3 pH 值增加1.1%、-0.3%、4.4%、-0.7%、1.9%、3.0%、3.4%、2.4%和4.7%（P＜0.05）。

图5 各试验组中pH 值变化Fig.5 The pH value changes in each experimental group

3 讨 论

当不赋存PP 微塑料时，盐渍土壤入渗后含水率随土壤中的盐分增大而显著提高，当盐渍土中赋存PP 微塑料会同时增加水平与垂直方向入渗后的含水率，且呈距入渗点源的距离增加含水率降低的趋势。地膜残留是土壤中微塑料的一个重要来源[33]，残膜经过风化分解形成微塑料对土壤含水率产生更显著影响，这与王志超等[34]和牛文全等[35]研究结果基本一致的。该试验结果是由于盐分可以形成晶体[36]，

阻塞水的水分迁移通道，降低土体渗透系数[37]，从而减少水的输送；水分、盐分和盐水化合物发生相变时就会发生结晶，结晶对孔隙结构产生压力，孔隙结构的堵塞和变形会影响水分和盐分的运移[38-39]，故试验中高含盐量土壤含水率小于低含盐量土壤含水率。同时，赋存微塑料后会阻碍了土壤“热通道”，阻碍蒸发水分向上传输的“水通道”[34]，且微塑料能与土壤团粒紧密结合进而影响土壤的体积质量、持水能力以及水稳性团聚体的粒径分级，微塑料会加强土壤的吸附性和反应性而改变盐碱和离子状态等[40]。此外微塑料的赋存会对土壤孔隙结构有进一步堵塞作用，在盐分的共同作用下水盐迁移将更加缓慢，从而影响土壤水分循环的运移。

本研究中赋存PP 微塑料的试验组相较于未赋存PP 微塑料的试验组皆增大了取样点处土壤中的含盐量，改变了盐分分布。这种结果主要由以下2 个方面原因产生：一是由于微塑料的加入阻塞了土壤孔隙[41]，阻碍了水流通道，使水分下渗缓慢，从而使更多的盐分积累在上部土壤中，使含盐量升高；二是微塑料在土壤中可以吸附包括有机污染物和重金属等多种物质[42]，也可对盐分产生吸附作用，影响土壤中含盐量。此外，共存离子之间会相互竞争微塑料表面的吸附位点，盐分中的Na+与Cl-可能在微塑料表面的吸附位点竞争优势较强，所以赋存微塑料的试验组较空白试验组皆增大了取样点处土壤中的含盐量[43]。

本文中PP 微塑料的赋存延缓了盐渍土土壤水分下渗过程中的pH 值变化，可能是由于垂直方向0～9.9 cm 的含盐量较大，在水分入渗的过程中形成了积盐的过程，这一过程中因Na+和Cl-不断增加，含Ca2+量相应增加，含HCO3-量相应减少，而钠吸附比（SAR）下降，土壤碱化度（ESP）也下降，因而认为在盐渍土中pH 值下降是由于Ca2+的增加[44]。因受 CaCO3溶度积的支配：Ca2++2HCO3-=CaCO3+CO2+H2O，土壤中产生部分CaCO3沉淀，相应减小了溶液中HCO3-量和pH 值。而在垂直方向9.9～29.9 cm 处，由于土壤中未添加盐分，又因处在脱盐过程，土壤中含盐量＜1 g/kg，pH 值又随含盐量减少而下降，故在整个入渗过程中pH 值呈下降趋势。微塑料的存在会影响土壤中的水分迁移通道，进而可以延缓水分在土壤中的迁移过程，在盐分和微塑料的共同作用下，使得入渗过程更加缓慢[45]，故赋存微塑料的试验组pH 值减小程度小于未赋存微塑料的试验组。

以上仅讨论了采用土槽模拟法模拟施加微塑料对盐碱土入渗及水盐分布影响，涉及赋存微塑料后各盐渍化pH 值变化的响应，但没有进一步对土壤中存在的离子量变化趋势进行分析，故对于聚丙烯微塑料对盐渍土水盐分布影响的机理还有待进一步研究。

4 结 论

1）盐渍土未赋存微塑料处理时，灌水入渗后含水率随土壤中的盐分增大而显著提高，CK3 较CK2和 CK1 平均含水率分别增加 9.4%和 11.2%（P＜0.05）；当赋存PP 微塑料则会同时增加水平与垂直方向入渗后的含水率，且随入渗点源的距离增加含水率降低，Z 处理较Q 处理和A 处理平均含水率分别增加13.7%和14.2%（P＜0.05）。

2）在不同初始含盐量的盐渍土中，赋存PP 微塑料的处理相较于未赋存微塑料的处理，皆增大了取样点处土壤中的含盐量；在赋存PP 微塑料后A 处理较CK1 取样点土壤含盐量升高188.2%（P＜0.05），Q 处理较CK2 的含盐量升高326.9%（P＜0.05），Z3较CK3 试验组含盐量升高163.2%（P＜0.05）。

3）在入渗土壤表层，各处理pH 初始值相差不大，但在渗垂直方向随深度增加pH 呈减小趋势；赋存PP 微塑料的处理在相同含盐量条件下，其在垂直、水平方向相同距离的pH 值均呈现出大于未赋存PP微塑料的处理的趋势。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）