【技术交流】内蒙古科技大学李卫平团队在微塑料对土壤水力特性影响研究方面取得系列进展|内蒙古科技大学_新浪财经

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目前关于微塑料的污染研究主要集中在水环境中，但作为水环境微塑料“源”，陆地环境微塑料“汇”的土壤微塑料污染也越来越受到人们重视。有研究表明，陆地中的微塑料丰度可达海洋的23倍之多，而全球每年输入土壤的微塑料数量远超向海洋输入的量，故土壤微塑料污染问题不容忽视。另外微塑料的疏水性、表面电荷、表面功能化和粒径特征可能会影响土壤水力特性。已有研究表明，微塑料进入土壤后会导致土壤容重、水稳性聚集体、导水率、持水能力、颗粒内聚力和孔隙结构的显著变化，这些特性的变化将影响土壤的持水能力和水分供应，进而对土壤生产力和健康产生影响。然而，目前关于微塑料积累和颗粒大小对土壤持水能力影响的数据仍然很少。因此，关注不同特性的微塑料对不同质地土壤水力特性的影响，对于指导农用塑料地膜的实际使用具有重要意义。

近日，内蒙古科技大学能源与环境学院李卫平教授团队在微塑料对土壤水力特性影响研究中取得系列进展，研究成果以“Effects of microplastics on the water characteristic curve of soils with different textures”为题发表在环境类TOP期刊Chemosphere上。本研究在两种不同质地土壤（砂土和壤土）中分别添加了3种浓度（0.5%、1%和2%）和3种粒径（150 μm、550 μm和950 μm）聚乙烯微塑料颗粒（PE-MPs），以测量不同处理的土壤水分特征曲线并利用Van Genuchten模型进行了拟合；并在CT扫描的基础上，结合土壤孔隙三维重建，获得了土壤孔隙结构特征，定量分析了微塑料特性和土壤结构与土壤水分特征曲线之间的关系。

图1 图形摘要

研究表明，低浓度（0.5%）的PE-MPs对土壤含水率没有明显影响，而高浓度（2%）的PE-MPs积累对土壤持水性能有显著影响；小粒径PE-MPs（150 μm）对壤土的持水能力有明显促进作用，而较大粒径PE-MPs（950 μm）则使砂土的土壤含水率显著降低。微塑料特性和土壤质地对土壤水分特征曲线影响的贡献并不相同，加入相同浓度和粒径的微塑料，不同质地的土壤（砂土和壤土）的持水能力有明显差异（P＜0.001），土壤质地对土壤水分特征曲线的影响明显高于添加微塑料浓度和粒径的影响。微塑料特性和土壤质地的差异也导致了由van Genuchten方程得到的土壤水分特征曲线的拟合水力参数的变化：粘土和粉土含量与饱和水含量（θs）显著正相关，与进气值（α）和形状参数（n）呈负相关；而砂土与残余水含量（θr）和饱和水含量（θs）显著负相关，与进气值（α）和形状参数（n）正相关（P＜0.05）。此外，微塑料对土壤孔隙结构特征也有明显影响。与对照组相比，在壤土中加入高浓度的小尺寸PE-MPs（2%-150 μm）可以增加土壤孔隙率、表面积和孔隙体积，而在砂土中加入高浓度的大尺寸PE-MPs（2%-950 μm）可以降低土壤孔隙率、孔隙体积和成圆率，使孔隙分布更加分散，孔隙破碎度增加。

图2 折线图（a）和箱线图（b）对比在1500 kPa下不同处理的土壤含水率。每个方框的上界和下界分别表示第75和25个百分位数；水平线标志着土壤含水量率分布的平均值；数值是三个重复的平均值（±SE）；不同的字母表示处理之间的显著差异（*p<0.05，***p<0.001）。

图3 （a）无MPs，（b）2%-150 μm MPs壤土中不同体积的土壤孔隙的数量和百分比；（c）无MPs，（d）2%-950 μm MPs砂土中的土壤孔隙的数量和百分比。

图4 土柱的三维可视化图像，（a）无MPs，（b）2%-150 μm MPs；（c）无MPs，（d）2%-950 μm MPs的砂土。黄色代表土壤孔隙，而土柱中的白色代表土壤颗粒。

论文作者为内蒙古科技大学副教授王志超、硕士生李汶璐等，李卫平教授为通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金（42007119）、内蒙古自治区高等学校青年科技英才项目（NJYT22066）、自治区直属高校基本科研业务费项目和内蒙古自治区科技重大专项（2019ZD001）等的资助。

另外，近期我国农业和环境学领域重要期刊《环境科学》、《农业环境科学学报》，分别发表“微塑料对土壤水分入渗和蒸发的影响”、“微塑料对土壤水分特征曲线的影响及模拟研究”等文，系统地研究了微塑料对土壤水分入渗蒸发及土壤水分特征曲线等的影响。

结果表明：随着土壤中微塑料丰度及粒径增大，土壤的保水能力均呈下降趋势，其中微塑料丰度为2.0％时，粒径从150 um增大到950 um的3组处理土壤含水率下降趋势最为明显；基于RETC软件对微塑料赋存土壤的水分特征曲线进行适用性分析表明，VG模型能更好地模拟微塑料赋存下的土壤水分特征曲线，在大粒径微塑料赋存情况下土壤残余含水量θr和形状参数n随着丰度的增加而增大，饱和含水率θs和进气值倒数ɑ随着微塑料丰度的增加而减小。不同类型和丰度下的微塑料对土壤水分入渗和蒸发存在显著差异，类型不同丰度相同微塑料赋存条件下，PP实验组累积入渗时间＞PVC实验组累积入渗时间＞PE实验组累积入渗时间＞空白实验组累积入渗时间；相同入渗时间内土壤湿润锋运移距离和湿润锋运移速率随微塑料丰度增加而减小，当入渗时间为60min时，A1、A2、A3，Q1、Q2、Q3，Z1、Z2、Z3湿润锋运移距离较CK分别减少4.38%、8.76%、10.58%，7.30%、10.22%、14.60%和10.95%、13.14%、15.33%，其中PP微塑料的影响最为显著；微塑料赋存对土壤水分蒸发产生抑制作用，在蒸发27h时，添加2%丰度下PP、PVC和PE微塑料的实验土柱累积蒸发量比CK分别减小22.9%、19.4%和13.3%。

图5 不同处理对土壤水分特征曲线的影响

图6 微塑料对土壤含水率的影响

图7 微塑料对累积蒸发量的影响

论文作者为内蒙古科技大学副教授王志超，硕士生张博文、倪嘉轩等，李卫平教授为通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金（42007119）等项目支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.137762

https://10.11654/jaes.2021-1078

https://10.13227/j.hjkx.202111292

(生态修复网)

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