聚丙烯微塑料對滴灌條件下鹽漬土水鹽分布的影響

王志超，張博文，李 哲，程光遠(yuǎn)，李汶璐，李衛(wèi)平*

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.黃河流域內(nèi)蒙古段生態(tài)保護與綜合利用自治區(qū)協(xié)同創(chuàng)新中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利事業(yè)發(fā)展中心，呼和浩特 010020）

0 引 言

【研究意義】土壤鹽漬化是一個世界性問題，據(jù)報道，全球現(xiàn)存有8.97 億m2的鹽漬化耕地，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展造成了極大的影響[1-4]。【研究進展】研究表明，灌溉方式不合理等原因會加劇土壤退化風(fēng)險[5-7]，同時造成大面積耕地的鹽漬化和次生鹽漬化[8]。因鹽漬化土壤中鹽分和可交換Na+濃度高，使土壤膨脹、分散[9]，從而制約了土壤的滲透能力，造成土壤水分流失，嚴(yán)重危害植物生長[10]；另一方面，鹽分在土壤中的過度積累，特別是由于某些離子（包括Na+）的積累，使得土壤滲透壓增加，會對作物造成鹽分脅迫[11]。近年來隨著城鎮(zhèn)化的進一步發(fā)展，可利用的農(nóng)業(yè)土地資源在逐漸減少，保證18 億畝的耕地紅線成為保障國家糧食安全，乃至經(jīng)濟社會發(fā)展的重要議題[12]。近年來，施加生物炭、聚丙烯酰胺（PAM）等對鹽漬土性質(zhì)影響的研究較多，已有的研究表明，生物炭可以使鹽漬土孔隙度增加2.2%～31.3%[13]，其改善鹽漬化土壤孔隙度的機制可以歸結(jié)為2 個方面：①稀釋效應(yīng)：生物炭含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，施加至孔隙度較低的鹽漬土中，可以有效增加其孔隙度[14]；②土壤團聚體結(jié)構(gòu)的改善：生物炭的施加可以有效促進土壤團聚體的形成和穩(wěn)定，有利于多級孔隙結(jié)構(gòu)的形成和保持[15]。蒲建國等[16]研究了PAM 對細(xì)粒鹽漬土基本物理性質(zhì)的影響規(guī)模，發(fā)現(xiàn)隨著施加PAM 濃度不斷增加，土壤的體積質(zhì)量、孔隙度、飽和含水率、田間持水率都得到了不同程度的改善。

為促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高作物產(chǎn)量，80%以上的農(nóng)田需要利用農(nóng)膜覆蓋技術(shù)進行保墑[17]，膜下滴灌技術(shù)是滴灌技術(shù)與覆膜種植有機結(jié)合的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)地面灌溉相比，具有顯著的節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)增效等效果[18]。此外，膜下滴灌對土壤中的鹽分有消散的作用，同時膜下滴灌通過少量、持續(xù)的作用方式對作物的根系淋洗以脫鹽，利于作物后期生長，再加之覆膜作用，可有效阻止返鹽現(xiàn)象，為目前鹽漬化耕地治理的主要方法之一[19]。但由于農(nóng)用薄膜廣泛使用、老化破碎和回收體制不健全等原因[20-21]，造成大量農(nóng)膜殘留在土壤中，殘膜經(jīng)分解可以形成顆粒更小且分布更廣的微塑料，因微塑料具有體積小、比表面積大等特點，其對土壤理化性質(zhì)、水鹽運移也勢必產(chǎn)生影響[22]，但目前關(guān)于微塑料對漬化土壤影響的研究非常少。德國科學(xué)家Rillig 是世界上最早關(guān)注土壤微塑料污染的學(xué)者之一，其認(rèn)為進入到土壤環(huán)境中的微塑料會對土壤理化性質(zhì)、土壤功能及生物多樣性產(chǎn)生影響[23]。隨后，一些學(xué)者進行了相對深入的研究，Machado 等[24]研究了不同類型微塑料對土壤結(jié)構(gòu)及微生物功能的影響，結(jié)果表明不同類型微塑料在土壤干質(zhì)量的0.1%豐度下即可對土壤水穩(wěn)性團聚體產(chǎn)生影響，其中聚酯減小了土壤水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量，聚乙烯則顯著增多了土壤水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量，而土壤中的微塑料最大豐度最大可達(dá)土壤干質(zhì)量的7.0%，其相關(guān)影響有待進一步研究。王志超等[25]則采用室內(nèi)模擬的方法探究了不同豐度及不同類型微塑料對土壤水分累積入滲時間、土壤含水率等的影響，結(jié)果表明，同類型條件下隨著微塑料豐度增大，累積入滲時間顯著增加，而微塑料賦存土壤含水率在不同土層深度上均隨著微塑料豐度增大而增加?！厩腥朦c】盡管前人對大塊塑料及微塑料對土壤水分運移的影響做了一些研究，但對于微塑料與鹽漬土耦合作用下其對鹽漬土水鹽分布的影響研究則相對匱乏。

【擬解決的關(guān)鍵問題】本文通過室內(nèi)試驗?zāi)M農(nóng)業(yè)中滴灌淋洗過程，研究微塑料賦存條件下不同鹽度鹽漬土鹽分運移的變化特征，有助于分析微塑料賦存條件下鹽漬土水分入滲機制，闡明不同鹽度鹽漬土水分入滲過程中對土壤水鹽、含水率和pH 帶來的環(huán)境效應(yīng)的影響。本研究可為田間試驗提供必要的理論依據(jù)，為微塑料賦存條件下鹽漬土改良治理提供新思路和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

備試土壤采集于內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)，為盡量減小原狀土壤中微塑料的本底值，選取未耕種過且人為擾動小的土壤樣品進行采集，采集深度為地面以下0～40 cm，去除大粒徑雜質(zhì)后帶回實驗室，將土樣風(fēng)干、碾碎，最后過2 mm 篩，確保土質(zhì)均質(zhì)。利用納米激光粒度儀（NANOPHOXTM，Symaptec 公司，德國）進行顆粒分析，其中黏粒（粒徑小于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%，土質(zhì)屬于砂壤土。所使用微塑料為廣東特塑朗化工有限公司制造，微塑料粒徑為150 um，密度為0.9 g/cm3，熔點為176 ℃，形狀為球狀。

1.2 試驗方法

經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，中國西北地區(qū)鹽漬土所含鹽類主要有氯鹽及硫酸鹽[26-27]，因不同鹽類對土壤入滲效果影響不同[28]，故本試驗采用占比較多的氯鹽（NaCl）進行模擬。根據(jù)鹽漬土分類（表1）[29]，配置含氯鹽量為0.5%、4.0%、7.0%的土壤，分別模擬弱、中、強3 類鹽漬土。

表1 鹽漬土分類Table 1 Classification of saline soils

土樣制備：土樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩（孔徑2 mm），在室溫（26 ℃）密封7 d；NaCl 質(zhì)量按照所取干土質(zhì)量的0.5%、4.0%、7.0%進行稱取，然后與土樣混合，在室溫下繼續(xù)密封24 h，以便鹽分可以與土樣更加充分交換吸附并且均勻分布于土中；待土壤吸附NaCl 后在天然狀態(tài)下干燥，過2 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩并研磨土樣，即可制備完成氯鹽漬土[26,30]。

已有研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤微塑料的種類以聚丙烯（PP）為主，且微塑料粒徑等級量占比較大的為50～250 μm[31-32]，由王志超等[23]研究結(jié)果表明，2.0%豐度的PP 微塑料對土壤水分運移影響最為顯著，因此，本試驗采用2.0%豐度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、粒徑為150 μm 的PP 微塑料進行模擬。

試驗設(shè)置3 種含鹽量（0.5%、4.0%、7.0%）和2 種微塑料豐度（0、2.0%），共6 個處理，每個處理3 次重復(fù)（表2）。選用長×寬×高為30 cm×30 cm×40 cm 的透明有機玻璃箱進行試驗，其箱壁貼軟卷尺。為避免優(yōu)勢流對試驗結(jié)果的影響，試驗前在箱體內(nèi)側(cè)涂抹1 層凡士林。根據(jù)同試驗設(shè)置按比例將微塑料添加到鹽漬土中，并用不銹鋼勺分多次攪拌、混合均勻，按照1.5 g/cm3的設(shè)計體積質(zhì)量裝土，每3 cm 分層裝入，層間打毛。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Experimental design variables

采用土槽模擬法模擬施加微塑料對鹽堿土入滲及水鹽分布的影響。試驗前，測定土壤的含水率、電導(dǎo)率以及含鹽量，試驗采用馬氏瓶作為穩(wěn)壓滴灌水源，滴灌前使用轉(zhuǎn)子流量計測定流量，流量為0.36 L/h。濕潤鋒運移至距土槽底部6 cm 處停止供水，測定馬氏瓶出水量并計算累積入滲量，入滲結(jié)束5 min 后，用微型土鉆從滴灌水源處垂直方向的3.3、6.6 cm 和9.9～27.7 cm，水平方向距滴水點4、8、12、16 cm 和20 cm 處取土（圖2），分別測定入滲后土樣的質(zhì)量含水率、含鹽量和pH 值。

圖1 入滲裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of infiltration device

1.3 土壤樣品處理

1）土壤含水率的測定

土壤取樣結(jié)束后，在各取樣點進行取樣稱質(zhì)量并記錄，隨后將樣品放進烘箱內(nèi)烘至恒質(zhì)量，48 h后取出記錄質(zhì)量，利用稱質(zhì)量法測量入滲后土壤內(nèi)的含水率。

2）土壤鹽分和總?cè)芙夤腆w（TDS）的測定

將各采樣點烘干后的樣品利用瑪瑙材質(zhì)研磨杵搗碎研磨，隨后過2 mm 篩，將20.0 g 的土壤樣品置于250 mL 振蕩瓶中，加100 mL、20 ℃的去離子水，封好瓶蓋，置于向復(fù)式水平恒溫器中，在20 ℃下振動30 min。取下振蕩瓶靜置30 min 以后，將上清液經(jīng)0.45 um 濾紙過濾，然后利用雷磁DDBJ-350 電導(dǎo)率儀（可直接進行電導(dǎo)率、TDS、鹽度和溫度測量）測定土樣中的含鹽量、TDS。

3）土壤pH 值的測定

土樣研磨過2 mm 篩，稱取10 g 土樣置于50 mL 的高型燒杯中，加入25 mL 去離子水，采用水土比2.5∶1 進行浸取，用封口薄膜將燒杯封好，然后用磁性攪拌機攪拌2 min，靜置30 min 后，測定pH值前先用至少2 種pH 標(biāo)準(zhǔn)緩沖液對電極進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過后方可測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2007、SPSS 17.0 等軟件進行數(shù)據(jù)處理與方差分析，并用Origin 9.0 軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 PP 微塑料對滴灌條件下鹽漬土含水率分布的影響

當(dāng)不賦存PP 微塑料時，鹽漬土壤灌水入滲后含水率隨土壤中的鹽分增大而顯著提高，當(dāng)鹽漬土中賦存PP 微塑料會同時增加水平與垂直方向灌水入滲后的含水率，且呈現(xiàn)距入滲點源的距離增加含水率降低的趨勢。灌水入滲后各處理鹽漬土土壤含水率如圖3 所示，通過數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，無PP 微塑料的鹽漬土處理中，CK3 較CK2 和CK1 平均含水率分別增加9.35%和11.2%（P＜0.05）；賦存PP 微塑料的鹽漬土處理中，Z 處理較Q 處理和A 處理平均含水率增加13.65%和14.24%（P＜0.05）。當(dāng)賦存PP 微塑料后，賦存PP 微塑料的鹽漬土灌水入滲后同垂直、水平方向距離上A 處理、Q 處理和Z 處理含水率分別較CK1、CK2 和CK3 顯著性升高。以垂直距入滲點源16.6 cm 為例，水平方向上A 處理較CK1 平均含水率增加7.8%（P＜0.05），Q 處理較CK2 平均含水率增加9.4%（P＜0.05），Z 處理較CK3 平均含水率增加6.2%（P＜0.05）；以水平距入滲點源12 cm 為例，整個垂直方向上A 處理較CK1 平均含水率增加7.9%（P＜0.05），Q 處理較 CK2 平均含水率增加7.7%（P＜0.05），Z 處理較 CK3 平均含水率增加6.2%（P＜0.05）。

圖3 各試驗組土壤含水率變化Fig.3 Change of moisture content in each experimental group

2.2 PP 微塑料對滴灌條件下鹽漬土鹽分分布的影響

在不同初始含鹽量的鹽漬土中，賦存微塑料的處理相較于未賦存微塑料的試驗組，皆增大了取樣點處土壤中的含鹽量。賦存PP 微塑料對鹽漬土灌水入滲后含鹽量的影響顯著（圖4）。A 處理和CK1 在入滲垂直方向6.6 cm，水平方向16 cm 處鹽分差值出現(xiàn)最大值，此點處A 處理較CK1 取樣點土壤含鹽量升高188.21%（P＜0.05）。Q 處理和CK2 含鹽量差值最大值位于入滲垂直方向9.9 cm，水平方向16 cm 處，此點處Q 處理較CK2 的含鹽量升高326.9%（P＜0.05），而在Z 處理和CK3 含鹽量差值最大值在垂直方向16.6 cm，水平方向8 cm 處，Z3 較CK3含鹽量高163.2%（P＜0.05）。在滴灌入滲垂直方向，含鹽量分布皆呈先升高后降低的趨勢，主要原因是土壤中含鹽量在滴灌作用下向土壤深層運移，而土槽四周與外界隔離，含鹽量隨垂直方向增加而逐漸積累，在垂直方向9.9 cm 以下由于土壤中含鹽量不斷降低，所以含鹽量分布呈現(xiàn)隨垂直方向增加而減小的趨勢。

圖4 入滲后各試驗組土壤鹽分濃度變化Fig.4 The soil salinity concentration of each experimental group changed after infiltration

2.3 PP 微塑料對滴灌條件下鹽漬土pH 值分布的影響

在入滲土壤表層，各處理pH 值出現(xiàn)最大值，且數(shù)值相差不大，隨入滲垂直距離的增加均呈現(xiàn)出pH值減小趨勢。賦存PP 微塑料的試驗組在相同鹽分鹽漬土和垂直、水平方向距離相同條件下pH 值均呈現(xiàn)出大于未賦存PP 微塑料處理的趨勢。入滲后各處理pH 值如圖5 所示，在入滲土壤表層，以水平距入滲點源12 cm 為例，在距表層3.3、9.7、13.0、15.0、19.0、29.9 cm 處，CK1 初始pH 值隨土壤垂直入滲方 向 減 小 7.1%、9.4%、11.8%、13.8%、13.9%、14.1%和16.6%（P＜0.05），A 處理初始pH 值隨土壤垂直入滲方向減小 9.5%、3.3%、11.6%、19.5%、18.5%、19.5%、和20.5%（P＜0.05），CK2 隨土壤入滲方向較pH 初始值減小3.3%、13.1%、18.3%、21.2%、20.9%、23.2%、和24.7%（P＜0.05），對Q處理、CK3 和Z 處理試驗組也出現(xiàn)了相同趨勢，即pH 值皆隨土壤垂直入滲方向減小。在相同鹽分鹽漬土和垂直方向（距表層0、3.3、6.5、9.7、13、15、19、25、29.9 cm）、水平方向（距入滲點源12 cm）距離相同條件下，A 處理較CK1 隨垂直方向增加pH 值分別增加2.9%、6.8%、4.2%、4.9%、3.4%、2.7%、0.4%、3.8%和 2.0%（P＜0.05），Q 處理較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 處 理 較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）。

圖5 各試驗組中pH 值變化Fig.5 The pH value changes in each experimental group

3 討 論

當(dāng)不賦存PP 微塑料時，鹽漬土壤入滲后含水率隨土壤中的鹽分增大而顯著提高，當(dāng)鹽漬土中賦存PP 微塑料會同時增加水平與垂直方向入滲后的含水率，且呈距入滲點源的距離增加含水率降低的趨勢。地膜殘留是土壤中微塑料的一個重要來源[33]，殘膜經(jīng)過風(fēng)化分解形成微塑料對土壤含水率產(chǎn)生更顯著影響，這與王志超等[34]和牛文全等[35]研究結(jié)果基本一致的。該試驗結(jié)果是由于鹽分可以形成晶體[36]，

阻塞水的水分遷移通道，降低土體滲透系數(shù)[37]，從而減少水的輸送；水分、鹽分和鹽水化合物發(fā)生相變時就會發(fā)生結(jié)晶，結(jié)晶對孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，孔隙結(jié)構(gòu)的堵塞和變形會影響水分和鹽分的運移[38-39]，故試驗中高含鹽量土壤含水率小于低含鹽量土壤含水率。同時，賦存微塑料后會阻礙了土壤“熱通道”，阻礙蒸發(fā)水分向上傳輸?shù)摹八ǖ馈盵34]，且微塑料能與土壤團粒緊密結(jié)合進而影響土壤的體積質(zhì)量、持水能力以及水穩(wěn)性團聚體的粒徑分級，微塑料會加強土壤的吸附性和反應(yīng)性而改變鹽堿和離子狀態(tài)等[40]。此外微塑料的賦存會對土壤孔隙結(jié)構(gòu)有進一步堵塞作用，在鹽分的共同作用下水鹽遷移將更加緩慢，從而影響土壤水分循環(huán)的運移。

本研究中賦存PP 微塑料的試驗組相較于未賦存PP 微塑料的試驗組皆增大了取樣點處土壤中的含鹽量，改變了鹽分分布。這種結(jié)果主要由以下2 個方面原因產(chǎn)生：一是由于微塑料的加入阻塞了土壤孔隙[41]，阻礙了水流通道，使水分下滲緩慢，從而使更多的鹽分積累在上部土壤中，使含鹽量升高；二是微塑料在土壤中可以吸附包括有機污染物和重金屬等多種物質(zhì)[42]，也可對鹽分產(chǎn)生吸附作用，影響土壤中含鹽量。此外，共存離子之間會相互競爭微塑料表面的吸附位點，鹽分中的Na+與Cl-可能在微塑料表面的吸附位點競爭優(yōu)勢較強，所以賦存微塑料的試驗組較空白試驗組皆增大了取樣點處土壤中的含鹽量[43]。

本文中PP 微塑料的賦存延緩了鹽漬土土壤水分下滲過程中的pH 值變化，可能是由于垂直方向0～9.9 cm 的含鹽量較大，在水分入滲的過程中形成了積鹽的過程，這一過程中因Na+和Cl-不斷增加，含Ca2+量相應(yīng)增加，含HCO3-量相應(yīng)減少，而鈉吸附比（SAR）下降，土壤堿化度（ESP）也下降，因而認(rèn)為在鹽漬土中pH 值下降是由于Ca2+的增加[44]。因受 CaCO3溶度積的支配：Ca2++2HCO3-=CaCO3+CO2+H2O，土壤中產(chǎn)生部分CaCO3沉淀，相應(yīng)減小了溶液中HCO3-量和pH 值。而在垂直方向9.9～29.9 cm 處，由于土壤中未添加鹽分，又因處在脫鹽過程，土壤中含鹽量＜1 g/kg，pH 值又隨含鹽量減少而下降，故在整個入滲過程中pH 值呈下降趨勢。微塑料的存在會影響土壤中的水分遷移通道，進而可以延緩水分在土壤中的遷移過程，在鹽分和微塑料的共同作用下，使得入滲過程更加緩慢[45]，故賦存微塑料的試驗組pH 值減小程度小于未賦存微塑料的試驗組。

以上僅討論了采用土槽模擬法模擬施加微塑料對鹽堿土入滲及水鹽分布影響，涉及賦存微塑料后各鹽漬化pH 值變化的響應(yīng)，但沒有進一步對土壤中存在的離子量變化趨勢進行分析，故對于聚丙烯微塑料對鹽漬土水鹽分布影響的機理還有待進一步研究。

4 結(jié) 論

1）鹽漬土未賦存微塑料處理時，灌水入滲后含水率隨土壤中的鹽分增大而顯著提高，CK3 較CK2和 CK1 平均含水率分別增加 9.4%和 11.2%（P＜0.05）；當(dāng)賦存PP 微塑料則會同時增加水平與垂直方向入滲后的含水率，且隨入滲點源的距離增加含水率降低，Z 處理較Q 處理和A 處理平均含水率分別增加13.7%和14.2%（P＜0.05）。

2）在不同初始含鹽量的鹽漬土中，賦存PP 微塑料的處理相較于未賦存微塑料的處理，皆增大了取樣點處土壤中的含鹽量；在賦存PP 微塑料后A 處理較CK1 取樣點土壤含鹽量升高188.2%（P＜0.05），Q 處理較CK2 的含鹽量升高326.9%（P＜0.05），Z3較CK3 試驗組含鹽量升高163.2%（P＜0.05）。

3）在入滲土壤表層，各處理pH 初始值相差不大，但在滲垂直方向隨深度增加pH 呈減小趨勢；賦存PP 微塑料的處理在相同含鹽量條件下，其在垂直、水平方向相同距離的pH 值均呈現(xiàn)出大于未賦存PP微塑料的處理的趨勢。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）