微塑料污染對土壤性質的影響

摘"" 要：微塑料作為一種新型的環境污染物，在土壤中具有相當高的豐度。研究了不同類型（聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚烯烴樹脂）和不同濃度（0.1%和2%）的微塑料對土壤性質的影響。結果表明：高濃度的微塑料可以顯著降低土壤含水量、硝態氮含量、有效磷含量、蔗糖酶活性；低濃度的微塑料能顯著降低土壤銨態氮含量、有機質含量、脲酶活性，同時可顯著提高土壤pH。在2%聚乙烯處理下，土壤硝態氮含量顯著降低了56.20%；土壤有效磷含量顯著降低了20.51%。在0.1% 聚乙烯處理下，土壤有機質含量顯著降低了31.51%；脲酶活性顯著降低了67.43%；pH也顯著提高。在2%聚丙烯處理下，土壤蔗糖酶活性顯著降低了70.83%。在0.1%聚丙烯處理下，土壤銨態氮含量顯著降低了67.44%。在2%聚氯乙烯處理下，土壤含水量顯著降低。聚烯烴樹脂對土壤性質影響不顯著。

關 鍵 詞：微塑料； 土壤理化性質； 土壤酶； 地膜

氧化鈷; 納米結構; 電容器; 電催化

中圖分類號：X172""" 文獻標志碼：A

doi：10.3969/ j.issn.16735862.2024.01.006

Effects of microplastics on soil properties

CUI Song "LYU Yan "CHEN Lanfeng^1，2

PAN Jing， TAN Zhen， LI Ziqi， LIU Fangyu， WANG Lei， ZHANG Ximiao， PAN Yuejia

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

（College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：

As a new type of environmental pollutant， microplastics are found in soil environment with a relatively high abundance. The effects of different types（polyethylene（PE）， polyvinyl chloride（PVC）， polypropylene（PP）， polyolefin resin（PO））and concentrations of microplastics（0.1% and 2%）on soil properties were studied. The results showed that high concentrations of microplastics significantly reduced soil water content， soil nitrate nitrogen content， soil available phosphorus content， soil sucrase activity. Low concentration of microplastics significantly decreased soil ammonium nitrogen content， soil organic matter content， soil urease activity and significantly increased soil pH. Treated with 2% PE microplastics， soil nitrate nitrogen content decreased significantly by 56.20%. Soil available phosphorus content was significantly reduced by 20.51%. Treated with 0.1% PE microplastics， soil organic matter content was significantly reduced by 31.51%. Soil urease activity decreased significantly by 67.43%. Soil pH was significantly increased too. Treated with 2% PP microplastics， soil sucrase activity decreased significantly by 70.83%. Treated with 0.1% PP microplastics， the content of ammonium nitrogen was significantly reduced by 67.44%. Treated with 2% PVC microplastics， the soil water content was significantly decreased. However， the effects of PO microplastics on soil properties were not significant.

Key words：

microplastics; physical and chemical properties of soil; soil enzyme; plastic mulch film

2008年，美國國家海洋和大氣管理局將微塑料定義為直徑小于5mm的塑料顆粒^［1］。微塑料根據來源和產生過程可以分為初生微塑料和次生微塑料，根據材料又可分為聚乙烯（polyethylene，PE）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）、聚丙烯（polypropylene，PP）、聚烯烴樹脂（polyolefin resin，PO）等^［2］。微塑料不僅能夠在海洋生態系統中長期存在，也大量存在于陸地生態系統中，對生態系統造成嚴重影響。陸地生態系統是塑料產品的重要匯聚地，有研究指出，陸地生態系統中的微塑料儲量大約是海洋的4～23倍^［3］。

農用塑料地膜是土壤中微塑料的直接來源，農用地膜經過紫外線照射、機械翻耕等一系列的物理化學作用，最終形成大量的微塑料殘留在土壤中。微塑料具有較穩定的化學性質，能夠在土壤中長期存在。攜帶有害污染物的微塑料進入土壤后可以擴散到土壤生態系統中，影響土壤酶活性、含水量、pH、有機質和有效磷等^［45］。調查顯示，在沈陽周邊農田微塑料污染的土壤中，PE微塑料所占的比例最高，其豐度為217.30～2512.18μg·g^-1，平均豐度為1327.69μg·g^-1［6］。目前的研究大多針對單一微塑料對土壤性質的影響，因而本文選取4種不同類型的微塑料，研究了其對土壤性質的影響，以期為土壤中微塑料污染防治提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

盆栽實驗：花盆直徑為14.5cm，小白菜（中茂白菜種子）為實驗作物。

微塑料：采用4種不同類型的微塑料成品（瑞祥塑膠有限公司），分別是PE，PP，PVC和PO。

實驗土壤：將不同類型的微塑料分別加入沈陽師范大學溫室內未被地膜覆蓋過的土壤（背景值見表1）中，配置成分別含有0.1%，2 %的PE，PP，PVC和PO的實驗土壤8種。

1.2 實驗設計

實驗在沈陽師范大學溫室內進行，溫度為（20±2）℃。實驗共設9個處理，其中1個處理為對照，每個處理3個重復（表2）。對照只加原土壤1kg，不加微塑料。其他8個處理分別加入以上實驗土壤1kg。每個處理分別在種植小白菜后的10，20，30d采集土樣。土樣放置在陰涼通風的地方自然風干，過100目篩，用于土壤指標測定。

1.3 測定項目與方法

土壤理化性質依據《土壤農化分析》測定^［7］；土壤酶活性參照《土壤酶及其研究法》測定^［8］。

1.4 統計分析

采用SPSS軟件對數據進行單因素方差分析及差異顯著性比較（P＜0.05），采用Microsoft Excel 2010軟件進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 微塑料對土壤pH和含水量的影響

pH會直接影響土壤中的各種養分，還會影響微塑料對有害物質的吸附能力。由表3可見，添加不同類型及濃度的微塑料土壤pH在 7.41～7.64。在種植小白菜10d時，與不添加微塑料處理（T0）相比，在T1，T4和T6處理下的土壤pH無顯著差異，在T2，T3，T5，T7和T8處理下的土壤pH均有不同程度的顯著提高，在T8處理下的土壤pH最高，為7.64；在種植小白菜20和30d時，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤pH與T0處理間無顯著差異，但都有不同程度的提高。添加0.1%的PE，PP，PVC微塑料顯著增加了土壤pH。隨著加入微塑料時間的推移，土壤pH均有不同程度的提高，其中PE微塑料對土壤pH影響最大。Yang等^［9］的研究結果表明，添加微塑料會增大土壤pH。原因可能是微塑料的比表面積大，可以吸附大量帶正電荷或負電荷的離子或者膠體物質，改變了土壤溶液中的離子交換，使土壤pH升高^［10］。

植物生長需要土壤中的水分，但含水量也會影響土壤的肥力。由圖1（a）、圖1（b）可知，在種植小白菜10d時，相較T0，T7處理，土壤含水量顯著增加了22.90%，在T1，T2，T3，T4，T5，T6和T8處理下的土壤含水量差異不顯著；在種植小白菜20d時，相較T0處理，在T1，T5和T8處理下的土壤含水量分別顯著降低了18.13%，8.71%和13.43%，在T2，T3，T4，T6和T7處理下的土壤含水量差異不顯著；在種植小白菜30d時，在T1和T3處理下的土壤含水量比T0處理分別顯著降低了16.85%和14.96%，在T2，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤含水量與T0處理間差異不顯著。綜合來看，微塑料的類型及濃度對土壤含水量的影響不同，T1處理對土壤含水量的影響最大，這一結論與王志超等^［11］的研究結論相同。 隨著微塑料濃度的增加，土壤孔隙結構被破壞，抑制了水分滲入土壤，并且土壤對水分的保持也減弱，從而導致土壤含水量降低。

2.2 微塑料對土壤養分含量的影響

土壤有機質是指土壤中含碳的有機物質，對土壤及植物生長具有重要作用。由圖2（a）、圖2（b）可知，在種植小白菜10d時，在T1，T2，T3，T4，T7和T8處理下的土壤有機質含量比T0處理分別顯著降低了16.70%，17.07%，22.63%，29.78%，26.68%和31.51%，在T5和T6處理下的土壤有機質含量與T0處理間無顯著差異；在種植小白菜20d時，相較T0，T3，T4，T6，T7和T8處理，土壤有機質含量分別顯著降低了19.09%，13.99%，10.92%，10.28%和13.51%，在T1，T2和T5處理下的土壤有機質含量無顯著差異；在種植小白菜30d時，在T1，T3，T4，T7和T8處理下的土壤有機質含量比T0處理分別顯著降低了9.05%，10.28%，9.11%，8.09%和12.97%，在T5處理下的土壤有機質含量比T0處理顯著增加了7.11%，在T2和T6處理下的土壤有機質含量與T0處理間無顯著差異。整體分析可知，隨著微塑料加入土壤時間的增加，各處理間的土壤有機質含量相較T0處理都有不同程度的降低。微塑料能夠改變土壤中有機碳的轉化過程，影響土壤碳的動態平衡，通過影響土壤微生物的活動和繁殖，改變有機碳的礦化和分解過程，進而降低土壤有機質含量^［12］。

土壤銨態氮是決定土壤肥力和質量的重要因素，也可反映出土壤的退化程度。由圖3（a）、圖3（b）可知，在種植小白菜10d時，相較T0，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤銨態氮含量差異性顯著，都有不同程度的降低，在T2處理下的土壤銨態氮含量最低，為（3.13±0.21）mg·kg^-1，顯著降低了60.67%；在種植小白菜20d時，在T1，T2，T3，T4，T5，T6， T7和T8處理下的土壤銨態氮含量較T0處理都顯著降低，在T6處理下的土壤銨態氮含量最低，為（3.26±0.26）mg·kg^-1，顯著降低了59.33%；在種植小白菜30d時，相較T0，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤銨態氮含量都顯著降低，在T6處理下的土壤銨態氮含量最低，為（2.28±0.31）mg·kg^-1，顯著降低了67.44%。隨著時間的增加，被微塑料污染的土壤銨態氮含量都顯著低于T0處理。微塑料改變了土壤團聚體的結構和數量，導致土壤中微生物和酶活性普遍降低^［13］。

硝態氮有助于提高土壤pH，改善土壤酸性，為農作物提供氮源。由圖4（a）、圖4（b）可知，在種植小白菜10d時，相較T0，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤硝態氮含量差異性顯著，都有不同程度的降低，其中，在T4處理下的土壤硝態氮含量最低，為（17.83±0.57）mg·kg^-1，顯著降低了56.20%；在種植小白菜20d時，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤硝態氮含量較T0處理都顯著降低，在T3處理下的土壤硝態氮含量最低，為（22.36±0.90）mg·kg^-1，顯著降低了46.24%；在種植小白菜30d時，相較T0，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤硝態氮含量都顯著降低，在T5處理下的土壤硝態氮含量最低，為（19.70±0.77）mg·kg^-1，顯著降低了52.42%。微塑料的添加顯著降低了土壤硝態氮含量，這可能與微塑料的吸附能力有關，不同類型的微塑料由于表面粗糙度、比表面積不同對土壤中的硝態氮有不同的吸附能力；也可能是因為微塑料改變了土壤中微生物的群落結構，從而改變了土壤中無機氮的組成，導致土壤中的硝態氮含量降低^［14］。

磷素是植物生長的必要元素之一，與土壤pH有關。由圖5（a）、圖5（b）可知，在種植小白菜10d時，相較T0，在T2，T4，T6和T8處理下的土壤有效磷含量差異性顯著，分別顯著降低了10.35%，17.82%，16.00%和16.25%，在T1，T3，T5和T7處理下的土壤有效磷含量無顯著差異；在種植小白菜20d時，在T1，T2，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤有效磷含量較T0處理都無顯著差異， 在T3處理下的土壤有效磷含量比T0處理顯著增加了17.73%；在種植小白菜30d時，相較T0，在T1，T5，T6，T7和T8處理下的土壤有效磷含量都無顯著差異，在T2和T4處理下的土壤有效磷含量顯著降低了12.18%和20.51%，在T3處理下的土壤有效磷含量顯著增加了13.13%；高濃度的微塑料顯著增加了土壤有效磷含量。高濃度的微塑料會降低土壤中微生物的酶活性、豐度及土壤團聚體穩定性，而不同類型的微塑料處理對土壤有效磷含量存在顯著差異，這與不同微塑料官能團的差異性有關^［1517］。

2.3 微塑料對土壤酶活性的影響

蔗糖酶將蔗糖催化為葡萄糖和果糖，有利于增加土壤中的易溶性營養物質，其不僅能夠反映土壤生物學活性強度，還可以評價土壤的熟化程度和肥力。由圖6（a）、圖6（b）可知，在種植小白菜10d時，相較T0，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤蔗糖酶活性都有不同程度的顯著降低，在T3處理下的土壤蔗糖酶活性最低，為（22.51±0.88）mg·（g·d）^-1，顯著降低了47.45%；在種植小白菜20d時，相較T0，在T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤蔗糖酶活性都有不同程度的顯著降低，在T1處理下無顯著差異，在T8處理下的土壤蔗糖酶活性最低，為（18.58±0.44）mg·（g·d）^-1，顯著降低了50.56%；在種植小白菜30d時，相較T0，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤蔗糖酶活性都有不同程度的顯著降低，在T2處理下的土壤蔗糖酶活性最低，為（9.64±0.25）mg·（g·d）^-1，顯著降低了70.83%。土壤蔗糖酶活性由于微塑料的添加均顯著降低，原因可能是土壤蔗糖酶活性與土壤中的氮元素有關^［1819］。本研究土壤中的無機氮含量降低，進而導致蔗糖酶活性降低。

土壤脲酶會催化尿素水解成銨態氮，從而被植物根系吸收利用，其活性在一定程度上可以用來表征土壤中氮素的營養狀況。由圖7（a）、圖7（b）可知，在種植小白菜10d時，相較T0，在T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤脲酶活性都存顯著差異，在T8處理下的土壤脲酶活性最低，為0.01mg·（g·d）^-1，顯著降低了67.43%；在種植小白菜20d時，相較T0，在T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤脲酶活性都有不同程度的顯著降低，在T1處理下無顯著差異，在T8處理下的土壤脲酶活性最低，為0.08mg·（g·d）^-1，顯著降低了25.83%；在種植小白菜30d時，相較T0，在T2，T3，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤脲酶活性都有不同程度的顯著降低，在T1處理下無顯著差異，在T8處理下的土壤脲酶活性最低，為0.07mg·（g·d）^-1，顯著降低了35.62%。添加不同類型和不同濃度的微塑料會抑制土壤脲酶活性，其原因可能是微塑料改變了土壤孔隙率和團聚體結構，抑制了固氮細菌的生長，從而降低了土壤的氮儲量和氮循環效率，最終引起脲酶活性降低^［2022］。

土壤過氧化氫酶可催化過氧化氫的分解，其廣泛存在于土壤和生物體內，具有防止過氧化氫毒害生物體的作用，過氧化氫酶活性與土壤有機質等有關。由圖8（a）、圖8（b）可知，在種植小白菜10d時，在T1，T2，T4，T5，T6，T7和T8處理下的土壤脲酶活性顯著高于T0處理，在T8處理下的土壤過氧化氫酶活性最高，為（3.49±0.05）mg·g^-1，顯著提高了35.68%；在種植小白菜20d時，相較T0，在T2，T6和T8處理下的土壤過氧化氫酶活性分別顯著降低了11.12%，11.13和11.33%，與T1，T3，T4，T5和T7處理無顯著差異；在種植小白菜30d時，在T1，T2，T3，T4和T7處理下的土壤過氧化氫酶活性與T0處理存在顯著差異，在T2處理下的土壤過氧化氫酶活性最高，為（5.18±0.01）mg·g^-1，顯著提高了7.88%。不同類型和不同濃度的微塑料對土壤過氧化氫酶活性差異顯著，但沒有明顯的規律。其原因一方面是土壤過氧化氫酶與微塑料的類型和暴露條件及土壤類型有關，另一方面是微塑料可能改變了土壤中的微生物群落結構，從而使各處理組之間的過氧化氫酶活性都呈現不規律的變化^［2325］。

3 結 論

高濃度微塑料顯著降低土壤含水量、硝態氮含量、有效磷含量、土壤蔗糖酶活性；低濃度微塑料顯著降低土壤銨態氮含量、有機質含量、土壤脲酶活性，同時顯著提高土壤pH。PE微塑料顯著降低土壤硝態氮含量、有機質含量、有效磷含量、土壤脲酶活性，顯著提高土壤pH；PP微塑料顯著降低土壤銨態氮含量和土壤蔗糖酶活性；PVC微塑料顯著降低土壤含水量；PO微塑料對土壤性質的影響不顯著。

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【責任編輯：王瑞丹】