基于CT掃描的微塑料對(duì)砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)的影響研究

王志超，李嘉辰，張博文，敬雙怡，李衛(wèi)平

基于CT掃描的微塑料對(duì)砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)的影響研究

王志超，李嘉辰，張博文，敬雙怡，李衛(wèi)平*

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院/黃河流域內(nèi)蒙古段生態(tài)保護(hù)與綜合利用自治區(qū)協(xié)同創(chuàng)新中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

【目的】探究微塑料對(duì)砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)的影響，為土壤新型污染物微塑料的防治提供科學(xué)依據(jù)，也對(duì)應(yīng)用CT掃描進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)與土壤質(zhì)量評(píng)估提供借鑒與指導(dǎo)。【方法】采用室內(nèi)土柱模擬方法和計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，對(duì)CK（未賦存微塑料的空白組）和M（賦存2%濃度聚丙烯微塑料的試驗(yàn)組）處理進(jìn)行了三維土壤孔隙結(jié)構(gòu)的可視化分析和孔隙特征參數(shù)的測(cè)定。【結(jié)果】聚丙烯微塑料顯著影響砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)。通過對(duì)三維孔隙結(jié)構(gòu)可視化研究發(fā)現(xiàn)，CK中土壤孔隙分布較為均勻，出現(xiàn)明顯下沉且縱向連續(xù)性強(qiáng)，而M處理中土壤孔隙破碎化程度高，連通性較差；且CK中土壤孔隙度為4.98%，M處理中土壤孔隙度只有3.79%。聚丙烯微塑料賦存條件下土壤孔隙數(shù)量與孔隙體積分布隨土壤深度發(fā)生變化。在土柱0～4 cm深度范圍內(nèi)，土壤孔隙總數(shù)量表現(xiàn)為CK＞M處理，M處理中土壤孔隙總數(shù)較CK降低了73.02%，且二者的孔隙數(shù)量差異隨土壤深度的增加而逐漸增大；土壤平均孔隙體積表現(xiàn)為CK（1 709 mm3）＞M處理（1 235 mm3），且相較于CK，M處理的大體積土壤孔隙數(shù)量占比有不同程度的降低。聚丙烯微塑料對(duì)砂壤土孔隙形態(tài)特征產(chǎn)生了影響。隨著土層深度的增加，CK的孔隙成圓率趨于平穩(wěn)，孔隙更接近圓形；但孔隙平均當(dāng)量直徑卻表現(xiàn)為M處理＞CK，M處理的平均當(dāng)量直徑均隨土壤深度的增加呈逐漸上升的趨勢(shì)?！窘Y(jié)論】聚丙烯微塑料的賦存影響了砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)并降低了土壤孔隙度，對(duì)土壤孔隙數(shù)量和形態(tài)特征也產(chǎn)生了一定的影響。

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)；微塑料；土壤孔隙結(jié)構(gòu)；三維可視化

0 引 言

【研究意義】目前，微塑料污染已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但相關(guān)研究熱點(diǎn)多集中于水體中微塑料賦存及其生物毒理學(xué)等方面的研究[1-3]，但關(guān)于土壤中微塑料的影響研究則相對(duì)較少。然而土壤環(huán)境的健康穩(wěn)定直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的平衡與安全[4-6]?！狙芯窟M(jìn)展】全球有超過一半的污染物最終滯留在土壤中，土壤是地球污染物最大的“匯”[7]。據(jù)報(bào)道，在對(duì)瑞士29個(gè)洪泛平原的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有90%的土壤中存在微塑料污染，其污染水平與流域的人口密度顯著相關(guān)[8]；王志超等[9]對(duì)我國(guó)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的農(nóng)田土壤進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，0～10、10～20 cm和20～30 cm 土層深度的微塑料豐度每千克土壤分別高達(dá) 895.1～2 197.1、798.6～2 111.4個(gè)和756.0～1 971.8個(gè)。微塑料作為土壤中的非可溶性固體顆粒，且因其具有多孔等物理特性，極易吸附土壤中的其他有機(jī)、無機(jī)污染物從而形成復(fù)合污染效應(yīng)，同時(shí)微塑料對(duì)土壤孔隙、團(tuán)聚體等土壤結(jié)構(gòu)的影響已被國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者研究證實(shí)[10-11]。前期研究結(jié)果顯示，土壤結(jié)構(gòu)與土壤孔隙的數(shù)量、大小及其分配情況有關(guān)，影響著土壤與外界水分、養(yǎng)分、空氣和熱量的交換，從而影響著土壤中物質(zhì)與能量的遷移轉(zhuǎn)化[12]。目前大多數(shù)研究顯示微塑料會(huì)降低土壤的孔隙率和通透性[10,13-14]，但也有少數(shù)研究表明微塑料會(huì)增加土壤孔隙率[15]。究其原因，是目前關(guān)于土壤孔隙率的相關(guān)研究主要是通過土壤含水率、土壤體積質(zhì)量等計(jì)算得出，缺少有關(guān)微塑料對(duì)土壤孔隙可視化、直接定量化的研究。當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描成像（CT斷層掃描）技術(shù)的發(fā)展，CT斷層掃描技術(shù)因其簡(jiǎn)單方便、圖像清晰、不破壞原狀土等特點(diǎn)越來越廣泛地應(yīng)用于壓實(shí)土壤、尾礦土壤等土壤孔隙微觀結(jié)構(gòu)的研究中[16-18]。CT斷層掃描把需要掃描的地方按要求切割成很多相等的層次，進(jìn)而利用Avizo等專業(yè)3D建模和渲染軟件三維可視化土壤孔隙結(jié)構(gòu)特性[19]；同時(shí)，三維數(shù)據(jù)建模為定量化評(píng)估土壤孔隙結(jié)構(gòu)變化提供了有效辦法，通過引入數(shù)學(xué)模型計(jì)算孔隙形態(tài)，可直接有效測(cè)量土壤孔隙的尺寸、形狀、表面積和連通性等[20]?！厩腥朦c(diǎn)】土壤儼然已成為微塑料的巨大環(huán)境儲(chǔ)存庫(kù)。然而，土壤中微塑料污染問題并不像空氣和水污染那樣直觀、容易被察覺并受到廣泛的關(guān)注與重視。因此，開展微塑料這一新興污染物對(duì)土壤環(huán)境的影響研究迫在眉睫?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文通過開展室內(nèi)模擬試驗(yàn)，以0～5 cm深度賦存微塑料的砂壤土為主要研究對(duì)象，結(jié)合CT斷層掃描技術(shù)和Avizo三維重構(gòu)軟件，定量化、可視化分析不同處理的土壤孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)比不同處理下的土壤孔隙二維和三維特征參數(shù)的差異性，闡明微塑料對(duì)砂壤土結(jié)構(gòu)的影響。以期為微塑料對(duì)土壤水力特性的影響機(jī)理研究提供理論基礎(chǔ)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、合理制定灌溉制度和土壤新型污染物微塑料的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

備試土壤采集于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)，為了減少土壤中微塑料的本底值，選擇未經(jīng)耕作、人工干擾較小的土壤樣品，采集深度為地面以下50～150 cm，去除大粒徑雜質(zhì)后帶回實(shí)驗(yàn)室，將土樣進(jìn)行風(fēng)干，在此過程中需不斷進(jìn)行翻拌，使土壤完全風(fēng)干，之后對(duì)土壤樣品砸碎研磨，在碾碎過程中為避免對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生污染，故選用瑪瑙材質(zhì)的研缽進(jìn)行搗碎研磨，最后將研磨后的土壤樣品過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(guó)）對(duì)土壤樣品進(jìn)行顆粒分析，其中黏粒（粒徑小于0.002 mm）占比1.32%，粉粒（0.01～0.50 mm）占比18.60%，砂粒（0.50～1.0 mm）占比80.08%，土質(zhì)屬于砂壤土。本試驗(yàn)所使用聚丙烯微塑料為廣東特塑朗化工有限公司制造，微塑料粒徑為150 μm，形狀為球狀，密度為0.90 g/cm3，熔點(diǎn)176 ℃。根據(jù)戚瑞敏等[21]對(duì)中國(guó)典型覆膜農(nóng)區(qū)微塑料粒徑分級(jí)統(tǒng)計(jì)的研究結(jié)果，不同種植條件下農(nóng)田土壤中（50～100 μm）和（100～250 μm）2種小粒徑等級(jí)的微塑料量占較大比例，故本試驗(yàn)選用150 μm的微塑料進(jìn)行研究具有廣泛代表性。另外，由于本課題組前期在微塑料對(duì)土壤水分入滲和蒸發(fā)影響的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)2%豐度聚丙烯微塑料對(duì)土壤水分運(yùn)移影響最為顯著[9]，因此本試驗(yàn)采用2%豐度聚丙烯微塑料進(jìn)行模擬。

供試土柱制備選用直徑5 cm，高度5 cm的金屬環(huán)刀進(jìn)行制樣。首先將樣品土樣均勻填裝在環(huán)刀中，為消除優(yōu)勢(shì)流對(duì)于CT掃描結(jié)果的影響，在環(huán)刀內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，每3 cm進(jìn)行打毛并壓實(shí)，土壤體積質(zhì)量1.5 g/cm3。另制備土壤與2%豐度聚丙烯微塑料均勻混合，并按原土柱中的體積質(zhì)量進(jìn)行填裝。各土柱填裝完成后，在容器中過水浸泡24 h，使土柱中水分飽和，之后將其放到干燥砂盤吸水并靜置12 h，隨后放入烘箱烘干，烘干時(shí)間48 h。其中無微塑料賦存的空白處理編號(hào)為CK，賦存2%豐度聚丙烯微塑料的處理編號(hào)為M，每組各設(shè)置3個(gè)平行處理。最后放進(jìn)裝有泡沫箱的紙箱里送檢。

1.2 CT斷層掃描

CT斷層掃描是一種非侵入性和非破壞性的成像技術(shù)，它在不損壞樣品的情況下使用X射線掃描物體獲得樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)和形貌信息[22]。本次CT掃描所用儀器為skysCan2211 320kV，將供試土柱放進(jìn)CT掃描儀，從頂端每隔0.1 mm掃描一個(gè)橫截面，5 cm高的土柱共掃描得500幅橫截面圖；間距1度進(jìn)行拍攝縱截面圖，共360張縱截面圖，CT掃描的峰值電壓為320 kV。掃描土柱的每個(gè)橫截面的CT圖片（圖1）中密度越小，顯示的顏色就越深，所以圖像中的灰黑色小圓點(diǎn)就是土壤中的孔隙。

圖1 CT原始圖像

CT斷層掃描裝置主要由X射線產(chǎn)生裝置、X射線檢測(cè)器、圖像處理器和圖像顯示裝置組成。CT斷層掃描儀器首先發(fā)射X射線束，當(dāng)X射線束穿透土壤柱時(shí)，由于土壤中物質(zhì)的密度不均勻，導(dǎo)致X射線產(chǎn)生能量變化；當(dāng)X射線到達(dá)檢測(cè)器并以不同的射線能量被探測(cè)到時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)投影信號(hào)，從而產(chǎn)生一組投影數(shù)據(jù)；當(dāng)X射線穿過由不同物體組成的密度為D的一組物體時(shí)，衰減程度是由物質(zhì)在光通路中每個(gè)離散點(diǎn)的衰減系數(shù)決定的：

式中：為射線的衰減強(qiáng)度；0為X射線的初始強(qiáng)度；為該物體的線性衰減系數(shù)。

因此，CT將X射線束在多個(gè)方向掃描一定厚度的物體，得到其內(nèi)部各點(diǎn)的衰減系數(shù)，再用轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，之后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字，根據(jù)原始矩陣序列轉(zhuǎn)化形成CT圖像。

1.3 圖像處理與土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測(cè)定

將得到的土柱截面CT掃面圖像，基于29.4 μm掃描分辨率，所有成像和計(jì)算過程均基于該分辨率開展，對(duì)樣品進(jìn)行孔隙率、孔隙體積、孔隙表面積分析和三維視圖內(nèi)部展示，并輸出tiff格式圖像。采用Avizo軟件確定孔隙立體結(jié)構(gòu)圖，緊實(shí)土壤顆粒呈白色，土壤孔隙呈深色。研究利用Avizo 2020軟件對(duì)CT圖像進(jìn)行分析處理，Avizo軟件可以進(jìn)行圖像重建并獲取孔隙結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)如孔隙度、孔隙數(shù)量、平均孔隙體積、成圓率，定量研究微塑料賦存條件下土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征。

土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測(cè)定：

1）孔隙度、孔隙數(shù)、孔隙面積、孔隙周長(zhǎng)和孔隙體積

孔隙度、孔隙數(shù)、孔隙面積和孔隙周長(zhǎng)均可以通過Avizo軟件二值化后的圖像進(jìn)行處理獲得，孔隙體積通過三維可視化后得出。

2）當(dāng)量直徑（Equival Apaerture）

當(dāng)量直徑指面積與不規(guī)則物體面積相同的圓形的直徑，其計(jì)算式為：

式中：為當(dāng)量直徑（μm）；為孔隙實(shí)測(cè)面積（μm2）。

3）成圓率（Roundness）

成圓率通常用來描述物體橫截面接近圓的程度，在0～1范圍內(nèi)，其數(shù)值越接近于1，表示孔隙橫截面越接近于理論圓，孔隙形態(tài)越規(guī)則。其計(jì)算式為：

式中：為成圓率；為孔隙實(shí)測(cè)周長(zhǎng)（μm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

為避免土樣的邊緣地區(qū)出現(xiàn)偶然情況，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，最終選擇400個(gè)切片進(jìn)行分析（每100個(gè)切片代表1 cm），圖像均在Avizo 2020軟件中生成，通過Excel導(dǎo)入并分析數(shù)據(jù)；圖形繪制在 Origin 2018 軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚丙烯微塑料對(duì)砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)的影響

賦存聚丙烯微塑料對(duì)0～3 cm深度的砂壤土孔隙二維結(jié)構(gòu)的影響見圖2。選擇3個(gè)研究對(duì)象的切片圖并挑選中心位置觀察各土樣的二維孔隙結(jié)構(gòu)特征。由圖2可知（圖中藍(lán)色代表土壤孔隙，灰度部分代表土壤基質(zhì)），與CK相比，賦存聚丙烯微塑料的M處理分別在不同程度上降低了在1、2 cm和3 cm處土壤深度下的土壤孔隙數(shù)量和孔隙大小。二維灰度圖像表明，M處理比CK土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，而孔隙相對(duì)較少，在不同土層中含有獨(dú)立的小孔隙，孔隙間的連通性不強(qiáng)，只有在某些區(qū)域有細(xì)長(zhǎng)孔隙。而CK的土體內(nèi)部孔隙分布相對(duì)較廣，數(shù)量較多，土壤結(jié)構(gòu)較為疏松，在不同土層中含有大量細(xì)小孔隙的同時(shí)也存在明顯的細(xì)長(zhǎng)孔隙，呈橫向連通狀，且孔隙形狀大小均勻、規(guī)律，這說明聚丙烯微塑料的賦存不僅能在一定程度上減少土壤孔隙數(shù)量，也能改變土壤孔隙分布。

圖2 CK和M處理土柱在1、2 cm和3 cm土層的土壤孔隙結(jié)構(gòu)二維灰度圖像

選取土柱中心的1 000×1 000×300部分的方形區(qū)域進(jìn)行三維重建，以便更直觀地展現(xiàn)聚丙烯微塑料賦存對(duì)土壤孔隙的形態(tài)、連通性和分布特征的影響。不同處理中砂壤土三維結(jié)構(gòu)可視化圖像見圖3（圖中有色部分代表不同粒徑大小的土壤孔隙）。從三維孔隙結(jié)構(gòu)圖中可以看出，CK與M處理砂壤土孔隙形態(tài)特征清晰且存在明顯的差異性。其中CK中土壤小型孤立孔隙分布較為均勻，孔隙連通度較高，圖中的綠色部分可以十分清晰地看出CK的土壤具有優(yōu)良的縱向連通性，其中，在一些邊角區(qū)域，綠色的孔隙也可直觀地體現(xiàn)出CK土壤的橫向連通性，土壤孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；而賦存聚丙烯微塑料的M處理中土壤孔隙破碎化程度明顯高于CK，許多細(xì)小孤立孔隙呈粉末狀，而土壤的狹長(zhǎng)連通孔幾乎看不見，多數(shù)較大的孔隙呈薄片狀，故三維可視化圖像表明土壤整體孔隙體積、孔隙個(gè)數(shù)相較于CK要小很多。通過對(duì)CT圖像的定量分析可計(jì)算得到不同處理的土壤孔隙度，其中未加微塑料CK中土壤孔隙度為4.98%，而在賦存聚丙烯微塑料的M處理中土壤孔隙度只有3.79%，呈顯著性差異。由此可以看出定量分析結(jié)果同定性觀察趨勢(shì)一致，說明聚丙烯微塑料的賦存顯著降低了砂壤土的孔隙度。

2.2 聚丙烯微塑料對(duì)土壤孔隙數(shù)量與孔隙體積分布的影響

將不同處理下每個(gè)重復(fù)的孔隙數(shù)量沿土壤深度的變化繪制在坐標(biāo)系內(nèi)，如圖4所示。在土柱0～4 cm深度范圍內(nèi)，2個(gè)處理在三維尺度下的土壤孔隙數(shù)量均隨土壤深度的增加而增多，土壤整體孔隙總數(shù)量表現(xiàn)為CK＞M處理，其中孔隙量以體素計(jì)（在Avizo2020中，描述孔隙數(shù)量和體積的方法可以引入Voxel（體素）的概念，類似于照片中的像素。體素個(gè)數(shù)的多少，可以間接反映出土樣中孔隙量的多少，體素值越大，說明孔隙占據(jù)的空間越多，孔隙的總體積就越大。在本試驗(yàn)中，1體素代表著分辨率值：29.4 μm的立方，故體素的多少可以反映土樣的整體孔隙占據(jù)空間的多少[23]。）：CK中土壤孔隙總體素為15 013 167個(gè)，M處理中土壤孔隙總體素為11 437 641個(gè)；以Label Analysis模塊中的Index計(jì)（真實(shí)孔隙個(gè)數(shù)）：分別是141 398個(gè)和38 149個(gè)，M處理中土壤孔隙總數(shù)較CK降低了73.02%。另外，CK中孔隙數(shù)量隨土壤深度增加幾乎呈線性增加的趨勢(shì)（2>0.99），而M處理中則表現(xiàn)出冪函數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，隨著土壤深度的增加，2個(gè)處理的孔隙數(shù)量差異逐漸增大，其中在第1、2、3、4 cm處，M處理中土壤孔隙數(shù)量較CK分別降低了62.82%、62.24%、66.40%、73.02%。

圖3 CK和M處理中土壤孔隙結(jié)構(gòu)三維可視化圖像

圖4 CK和M處理中土壤總孔隙數(shù)量隨土壤深度的變化

在表述土壤孔隙尺寸時(shí)，單個(gè)孔隙體積大小也常被用于描述孔隙尺寸，該參數(shù)綜合了孔隙的長(zhǎng)度和直徑的變化，因此，經(jīng)常被用于描述土壤孔隙的空間尺寸變化[24]。相較于當(dāng)量直徑，土壤孔隙的體積與孔隙過水能力、氣體交換以及化學(xué)物質(zhì)沿孔隙的運(yùn)移有更直接的聯(lián)系。因此，計(jì)算不同體積尺寸大小的孔隙分布特征可以更加全面地描述不同處理對(duì)土壤孔隙空間尺寸變化的影響。選取土柱中心1 000×1 000×400的方形區(qū)域作為研究對(duì)象，結(jié)果圖5所示。M處理土樣的孔隙總體積明顯的下降，未添加微塑料處理的土壤孔隙的總體積為1 709 mm3，而添加微塑料的M處理土壤孔隙體積下降為1 235 mm3；同時(shí)孔隙大小的分布結(jié)構(gòu)，也出現(xiàn)了明顯的變化，CK的總孔隙有58 988個(gè)，M處理的總孔隙有25 851個(gè)。由于本試驗(yàn)土樣體積大于0.01 mm3的孔隙體積占體積總量的主導(dǎo)地位，故以0.01 mm3作為分割大小孔隙的水準(zhǔn)。對(duì)于體積大于0.01 mm3的較大孔隙部分，由CK的6 925個(gè)下降至M處理的6 721個(gè)，體積由1 595 mm3下降至1 177 mm3，但較大孔隙個(gè)數(shù)占全部孔隙個(gè)數(shù)的比重卻出現(xiàn)了相反的情況，由CK的11.62%，提升至M處理的25.39%，從圖5可看出，孔隙體積范圍逐漸變大的時(shí)候，對(duì)照組和試驗(yàn)組二者的孔隙數(shù)量已經(jīng)相當(dāng)。2個(gè)處理中不同體積土壤孔隙數(shù)量百分比存在不同程度差異的原因可能與微塑料的賦存破壞土壤中連通的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)[25]，粒徑較小的微塑料在下滲過程中進(jìn)入土壤孔隙，由于其自身的疏水性，會(huì)直接堵塞原來的土壤孔隙。王志超等[26]研究發(fā)現(xiàn)土壤中賦存微塑料明顯降低了土壤的過水能力，使水分下滲速率變慢，并且這一現(xiàn)象與微塑料的疏水性及對(duì)土壤孔隙的堵塞有關(guān)。這些也表明未添加微塑料的土壤很有可能由少量但單個(gè)體積較大的孔隙所充斥，并且由三維圖可知，未添加微塑料的土樣存在的大孔隙多為連通孔隙，其他小孔隙為孤立孔隙，通過這些現(xiàn)象可以大致猜測(cè)，很有可能微塑料會(huì)優(yōu)先堵塞最小的孔隙，并將較大的孔隙適當(dāng)分割成薄片狀，從而出現(xiàn)大孔隙的體積稍微變小，但中小型孔隙的數(shù)量占比反而增多的現(xiàn)象。

圖5 CK和M處理中土壤孔隙數(shù)量分布

2.3 聚丙烯微塑料對(duì)土壤孔隙形態(tài)特征的影響

應(yīng)用CT掃描技術(shù)可以定量描述土壤中當(dāng)量直徑和成圓率等孔隙形態(tài)特征[27]，不同處理土壤中孔隙的成圓率隨土壤深度的變化如圖6（a）、圖6（b）所示。孔隙成圓率是表征孔隙形態(tài)特征的參數(shù)之一，孔隙成圓率以Label Analysis模塊中的Shape_VA3d計(jì)，其數(shù)值越接近于1，表示孔隙形態(tài)越接近于圓，一般認(rèn)為數(shù)值處于0.8～1.1之間，即可表示為圓形孔隙[28]。大量研究認(rèn)為成圓率可以判斷土壤孔隙的大小，孔隙越趨于規(guī)則，越利于水分在土壤中的運(yùn)輸、保存及作物吸收和利用[29]。在0～4 cm土壤深度范圍內(nèi)，CK的Shape_VA3d平均值在1.20～1.31之間，M處理的Shape_VA3d平均值在1.32～1.63之間，從圖6（a）可以看出，M處理的成圓率波動(dòng)范圍更大，CK的平均成圓率更接近1，不僅如此，Shape_VA3d值在0.8～1.1范圍內(nèi)的孔隙在CK土壤中的數(shù)量和占比均多于M處理，且隨著土層深度的增加，CK的孔隙成圓率趨于平穩(wěn)，但M處理的孔隙成圓率忽高忽低，這表明相較于賦存微塑料的M處理，CK中的土壤孔隙形態(tài)更接近于圓形，土壤中以形狀規(guī)則的大孔隙居多，土壤的孔隙圓度更穩(wěn)定，這也與2.1的三維結(jié)構(gòu)圖像和2.2中結(jié)果相符。微塑料的賦存可能在一定程度上破壞了原有的土壤孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)而形成了更小的孔隙，使孔隙形態(tài)變得破碎且不完整，故CK相較M處理更容易形成接近圓形的孔隙。

比較2種不同處理下的土壤大孔隙當(dāng)量直徑隨土壤深度的變化（圖6（c））可知，CK中孔隙平均當(dāng)量直徑略微小于M處理。在0～4 cm土壤深度范圍內(nèi)，CK中土壤孔隙當(dāng)量直徑平均值在163.8～174.4 μm之間，M處理孔隙當(dāng)量直徑在212.4～224.1 μm之間，隨著土壤深度的增加，CK的孔隙當(dāng)量直徑呈緩慢上升趨勢(shì)，M處理的孔隙當(dāng)量直徑趨于平穩(wěn)，但仍大于CK，這與2.2中大型孔隙數(shù)量規(guī)律類似。

圖6 CK和M處理在不同土壤深度時(shí)的土層孔隙形態(tài)特征

3 討 論

CT斷層掃描技術(shù)精準(zhǔn)獲取微塑料賦存條件下土壤結(jié)構(gòu)孔隙的幾何信息，可以更科學(xué)、有效地認(rèn)識(shí)微塑料對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響，王偉鵬等[30]依托定位施肥試驗(yàn)，集成同步輻射顯微CT與圖像處理技術(shù)，定量分析了不同施肥措施對(duì)褐土微觀結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響。邱琛等[31]利用CT掃描技術(shù)研究了有機(jī)物料還田深度對(duì)黑土孔隙結(jié)構(gòu)影響。本文利用CT斷層掃描，有效地展現(xiàn)出了聚丙烯微塑料賦存下的砂壤土孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)等變化，闡釋了微塑料添加對(duì)土壤孔隙產(chǎn)生的不利影響，做到圖像可視化和數(shù)據(jù)分析的有機(jī)結(jié)合。

CT斷層掃描的三維數(shù)據(jù)建模為定量化評(píng)估土壤孔隙結(jié)構(gòu)變化提供了有效辦法，通過引入數(shù)學(xué)模型計(jì)算孔隙形態(tài)，可直接有效測(cè)量土壤孔隙的尺寸、形狀、孔隙成圓率、當(dāng)量直徑和連通性等。本研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯微塑料顯著影響了砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)，使土壤孔隙破碎化程度變高，孔隙分布更為混亂，破壞了原有土壤的大型連通孔隙，形成薄片狀，且土壤孔隙度只有3.79%。聚丙烯微塑料賦存條件下土壤孔隙數(shù)量有不同程度的降低，土壤孔隙成圓率總體下降，圓形孔隙的占比也有降低，雖然當(dāng)量直徑的最大值低于原始土壤，但當(dāng)量直徑平均值略有增加，添加微塑料的土壤孔隙當(dāng)量直徑隨土壤深度總體呈上升趨勢(shì)。牛文全等[32]研究結(jié)果證實(shí)了殘膜降低了土壤孔隙度和通透性，阻斷了土壤孔隙的連續(xù)性，進(jìn)而改變土壤水動(dòng)力學(xué)性能，導(dǎo)致土壤水分入滲能力下降。Wang等[33]利用CT掃描結(jié)合土壤孔隙三維重建獲得土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征，定量分析微塑料特性與土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分特征曲線之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)向砂土中添加更高濃度的大型聚乙烯微塑料會(huì)降低土壤的孔隙度和成圓率，并且孔隙分布更加分散，孔隙破碎度增加，和本研究得出的CT掃描結(jié)果相似，但鑒于本研究的分辨率有限，添加微塑料后的土壤微觀結(jié)構(gòu)仍有待深入研究。

4 結(jié) 論

1）聚丙烯微塑料賦存影響了砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)，使得土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密且孔隙破碎化程度增加，連通孔隙減少，降低了土壤的孔隙率。

2）聚丙烯微塑料賦存條件下土壤孔隙數(shù)量與孔隙體積分布隨土壤深度發(fā)生了變化，孔隙數(shù)量隨土壤深度的增加呈現(xiàn)冪函數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，土壤的孔隙總體積明顯降低。

3）聚丙烯微塑料對(duì)土壤孔隙形態(tài)特征產(chǎn)生了影響，孔隙成圓率在不同深度處均有下降，雖然當(dāng)量直徑的最大值低于原始土壤，但平均當(dāng)量直徑卻略高，當(dāng)量直徑隨土壤深度總體呈上升趨勢(shì)。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）

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Effect of Microplastics on Pore Structure of Sandy Loam Soil:Study Using X-ray Computed Tomography

WANG Zhichao, LI Jiachen, ZHANG Bowen, JING Shuangyi, LI Weiping*

(College of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology/Autonomous Region Collaborative Innovation Center for Ecological Protection and Comprehensive Utilization of Inner Mongolia Section of the Yellow River Basin, Baotou 014010, China)

【Background】Microplastic particles are an emerging pollutant found in almost all ecosystems including soils. Its impact on soil function is multifactual, and this paper investigates the change in pore structure of soil contaminated by microplastic particles.【Method】Sandy loam soil samples with (treatment) and without (CK) contaminated by 2% of polypropylene microplastics were taken from different depths in soil columns. They were then scanned using x-ray Computed tomography. The pore structure in each sample was analyzed.【Result】The polypropylene microplastics significantly affected pore structure of the soil. 3D visualization revealed that the pores in the non-contaminated soil were more uniformly distributed and well connected compared to the contaminated soil. In contrast, pores in the contaminated soil were highly fragmented and less connected. The porosity of pores identified by the image was 4.98% and 3.79% for the CK and the treatment, respectively. The number of pores and distribution of pore volume varied with soil depths in soil column contaminated by microplastic particles. In the 0～4 cm soil layer, the total number of pores in the treatment was 73.02% lower than that in the CK. The difference in the number of pores between CK and the treatment increased gradually with the increase in soil depth. The average volume of pores in the CK and treatment was 1 709 mm3and 1 235 mm3, respectively, with CK containing more large pores than the treatment. The microplastics also influenced the pore morphology in that with the increase in soil depth, the pore rounding rate in the CK tended to stabilize and the pores were close to round. The average equivalent diameter of the pores in the treatment was greater than that in the CK, and increased gradually with the increase in soil depth.【Conclusion】Polypropylene microplastics not only reduced the porosity of the sandy loam soil, it also affected the number and morphology of the pores at different soil depths.

computed tomography technique; microplastics; soil pore structure; three-dimensional visualization

1672 - 3317（2023）09 - 0079 - 08

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022541

王志超, 李嘉辰, 張博文, 等. 基于CT掃描的微塑料對(duì)砂壤土孔隙結(jié)構(gòu)的影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 79-86.

WANG Zhichao, LI Jiachen, ZHANG Bowen, et al. Effect of Microplastics on Pore Structure of Sandy Loam Soil: Study Using X-ray Computed Tomography[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 79-86.

2022-09-30

2023-05-10

2023-05-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42007119）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校青年科技英才支持計(jì)劃項(xiàng)目（NJYT22066）；內(nèi)蒙古自治區(qū)直屬高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2022038）

王志超（1988-），男。副教授，博士，主要從事水土環(huán)境治理與修復(fù)研究。E-mail: wzc5658@126.com

李衛(wèi)平（1973-），男。教授，博士，主要從事北方寒旱區(qū)湖泊水生態(tài)治理與修復(fù)研究。E-mail: sjlwp@163.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：趙宇龍