微塑料對亞熱帶不同富鐵程度紅壤團聚體穩定性及碳氮磷化學計量特征的影響

張曉龍,劉科學,王 超,陳 靜,張 池,趙 理,楊倩楠

(1.廣州新華學院資源與城鄉規劃學院,廣州 510520;2.廣東省華南城鄉經濟社會發展研究院,廣州 510642;3.華南農業大學資源環境學院,廣州 510642;4.中水珠江規劃勘測設計有限公司,廣州 510610)

【研究意義】塑料是一種難以降解的人造高分子材料,其發明為人類生產生活帶來極大便利的同時也造成了大量污染[1]。據統計,2019年全球塑料總生產量為3.68×108t,其中,中國占比31%[2]。全球生產的塑料中僅9%左右能夠實現回收利用,剩余的直接或間接進入環境中,經過不斷的風化、磨損和紫外線照射,最終分解成粒徑<5 mm的微塑料[3-4]。微塑料在土壤環境中的大量聚集可能會對土壤結構穩定性和養分循環等產生重要影響[5-6]。【前人研究進展】目前,關于微塑料對土壤團聚體結構穩定性的研究結果并不一致,胡旭凱等[7]研究發現微塑料可以增加土壤團聚體穩定性,而陳榮桓等[8]則認為微塑料對團聚體的影響效果存在閾值,當超過閾值時土壤團聚體穩定性隨著微塑料濃度增加而降低,但低于閾值時則無顯著影響。李淑潔等[9]證實土壤有機碳含量是導致團聚體穩定性響應機制產生分化的重要因素,在有機碳含量較少的土壤中,微塑料會降低土壤團聚體的穩定性;但在有機碳含量較高的土壤中,結果恰好相反。由此可得,團聚體穩定性變化趨勢受到土壤性質和微塑料濃度的雙重影響,不同土壤條件微塑料的作用效果可能不盡相同,進而造成土壤中碳氮磷循環發生差異,致使土壤肥力特征發生改變[10]。【本研究切入點】紅壤作為東南亞熱帶地區分布最廣泛的土壤類型之一,土壤貧瘠,且脫硅富鐵化作用顯著[11-12]。在這種特殊的土壤條件下,微塑料污染對紅壤團聚體結構及碳氮磷化學計量特征的影響目前尚無系統報道。【擬解決的關鍵問題】本文通過添加鐵和微塑料分別模擬紅壤富鐵程度和微塑料污染水平,探究不同富鐵紅壤條件下微塑料污染對其團聚體穩定性和碳氮磷化學計量特征的影響及其內在關系,以期為指導紅壤地區土壤質量提升和污染管理提供理論依據[13]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自廣東省韶關市新江縣水稻種植區(113°48′37″ E,24°27′12″ N)表層土壤(0～20 cm),屬亞熱帶季風氣候,海拔110 m,年平均溫度20.6 ℃,年平均降雨量1650 mm,土壤類型為紅壤。試驗前土壤基本理化性質:pH 5.45,有機碳含量18.33 g/kg,全氮含量1.00 g/kg,全磷含量0.82 g/kg,土壤游離鐵含量17.52 g/kg,土壤質地為黏壤土。微塑料購自上海溯溪塑化有限公司的低密度聚乙烯(MPs),FeCl3試劑(分析純)購自上海麥克林公司。

1.2 試驗設計

試驗為雙因素3×3完全隨機設計,因素一為微塑料添加量,分別是M0(不添加MPs)、M1(添加0.1%干土重量的MPs)和M2(添加1.0%干土重量的MPs)。因素二為鐵添加量,分別為Fe0(不添加鐵)、Fe1(添加10 g/kg干土的鐵)、Fe2(添加20 g/kg干土的鐵)。試驗共設9個處理,包括Fe0M0、Fe0M1、Fe0M2、Fe1M0、Fe1M1、Fe1M2、Fe2M0、Fe2M1、Fe2M2,每個處理3次重復,每盆裝土5 kg,瓷盆規格為28 cm×20 cm(高×內徑),供試土壤風干磨碎過5 mm篩。在添加微塑料之前,采用紫外線燈殺菌30 min,以最大限度減少微生物污染,然后充分與土壤混合均勻。Fe0、Fe1、Fe2處理分別模擬原狀、相對輕富鐵和相對高富鐵紅壤[14]。添加的鐵為水合鐵礦,用1 mol/L NaOH滴定0.4 mol/L FeCl3·H2O溶液至pH 7制成水合鐵礦,然后以溶液形式加入土壤中,進行30 d的陳化處理以保證土壤與鐵混合以及土壤微生物與鐵的相互作用(在添加溶液時遵循少量多次的原則)[15]。最后于2021年8月正式開始為期60 d的土壤培養,在此期間,通過稱重法維持土壤60%的田間持水量狀態。

1.3 測定方法

土壤團聚體采用團聚體篩分儀(TPF-100,上海托莫斯科學儀器有限公司)進行濕篩處理,篩出粒級大小為>2、2～1、1～0.5、0.5～0.25和<0.25 mm的團聚體;有機碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定;全氮含量采用凱氏定氮法測定;全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定。

1.4 數據分析

土壤團聚體穩定性評價指標采用>0.25 mm水穩性團聚體含量(WSA)、團聚體平均重量直徑(MWD, mm)、幾何平均直徑(GMD, mm)、可蝕性K值和分形維數D值進行綜合評價[16-17]。

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(4)

采用Excel 2013進行數據整理,采用SPSS 25.0 進行方差分析和相關性分析,利用Origin 9.0軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 微塑料對不同富鐵程度紅壤水穩性團聚體分布特征的影響

由表1可知,在Fe0條件下,微塑料處理對粒級>2、2～1、1～0.5 mm的團聚體無顯著性影響(P<0.05,下同),M1能顯著降低粒級0.5～0.25 mm團聚體含量,粒級< 0.25 mm的團聚體則為M1顯著大于M2。在Fe1條件下,微塑料處理對粒級>2、1～0.5和<0.25 mm的團聚體含量無顯著性影響(P>0.05,下同),M2能顯著降低粒級2～1 mm團聚體含量,M1和M2則能顯著降低0.5～0.25 mm團聚體含量。在Fe2條件下,微塑料處理可顯著降低粒徑>2、2～1、1～0.5 mm的團聚體含量(僅Fe2M2對1～0.5 mm的團聚體影響除外),對粒級0.25～0.5 mm團聚體無顯著性影響,M1可顯著增加< 0.25 mm團聚體含量,但M2無顯著性作用。對于粒徑>0.25 mm的團聚體而言,Fe0條件下,M2顯著大于M1,但與M0無顯著性差異。在Fe1條件下,微塑料處理之間均無顯著性差異。在Fe2條件下,M0顯著大于M1,但是與M2無顯著性差異。分析同等微塑料不同鐵濃度添加情況下團聚體的分布情況可知,M0和M2條件下不同鐵處理> 0.25 mm的團聚體含量之間無顯著性差異,M1條件下則為Fe1顯著大于Fe0和Fe2。

表1 不同處理土壤水穩定性團聚體的組成

2.2 微塑料對不同富鐵程度紅壤團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑的影響

由圖1可知,Fe0條件下,M1可以降低土壤團聚體的MWD和GMD,但和M0相比無顯著性差異,M2則可以顯著增加土壤團聚體的GMD。Fe1條件下,不同微塑料處理的土壤團聚體MWD和GMD彼此之間均無顯著性差異。Fe2條件下,M1和M2均可顯著降低土壤團聚體的MWD和GMD。但同等微塑料不同鐵處理的MWD和GMD顯示,M1和M2在Fe0、Fe1和Fe2三者之間無顯著性差異(Fe0M1的MWD除外),僅M1條件下為Fe1顯著大于Fe0和Fe2。

圖1 不同處理土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和平均幾何直徑(GMD)Fig.1 Average weight diameter (MWD) and average geometric diameter (GMD) of soil aggregates under different treatments

2.3 微塑料對不同富鐵程度紅壤團聚體可蝕性K值和分形維數D值的影響

土壤可蝕性K值和分形維數D值是評價土壤結構分布的綜合指標,由圖2可知,Fe0條件下,M1的K值顯著高于M2,D值則無顯著性差異。Fe1條件下,K值和D值的結果均為各微塑料處理之間無顯著性差異。Fe2條件下,M1和M2均可顯著增大K值和D值。同等微塑料比較不同鐵處理K值可得,僅M1條件下的Fe1顯著小于Fe0和Fe2,而M0和M2條件下不同鐵處理之間則沒有顯著性差異。D值則顯示M1和M2的不同鐵處理之間沒有顯著性差異,僅M0的Fe2處理可以顯著降低D值。

圖2 不同處理土壤團聚體的可蝕性K值和分形維數D值Fig.2 Erodibility K value and fractal dimension D value of soil aggregates under different treatments

2.4 微塑料對不同富鐵程度紅壤碳氮磷含量及其化學計量特征的影響

由表2可知,Fe0條件下M1和M2均可顯著提高土壤SOC;Fe1和Fe2條件下不同微塑料處理對土壤SOC沒有顯著影響。土壤TN結果顯示,Fe0和Fe1條件下M1和M2均可顯著降低土壤TN,但在Fe2條件下,M1和M2均對土壤TN無顯著性影響。土壤TP結果則顯示,無論在何種鐵添加條件下,TP均表現為M0>M1>M2。對于C/N而言,在Fe0和Fe1條件下,M1和M2均可顯著提高其比值,而Fe2條件下,微塑料處理則對其沒有顯著性影響。對于C/P而言,任何鐵條件下均為M2>M1>M0。N/P則為在Fe0和Fe1條件下僅M2可顯著提高其比值,但在Fe2條件下M1和M2均可顯著提高其比值。

表2 不同處理土壤碳氮磷含量及其化學計量特征

2.5 各指標之間的相互關系

由圖3-a可知,粒徑<0.25 mm的土壤團聚體含量與WSA、MWD和GMD呈顯著負相關,與K值呈顯著正相關,粒徑2～1、1～0.5 mm的團聚體含量與WSA、MWD、GMD呈顯著正相關,與K值和D值呈顯著負相關,粒徑2～1 mm團聚體含量與TN含量呈顯著正相關,與C/N呈顯著負相關。而C/P和N/P則與SOC含量呈顯著正相關,與TP含量呈顯著負相關;C/N則與TN含量呈顯著負相關。由圖3-b可知,紅壤SOC含量主要與粒級>2 mm和0.25～0.5 mm的團聚體含量密切相關;TN含量則主要與粒級<0.25、0.5～0.1、1～2、>5 mm的團聚體含量有關,TP含量主要受到粒級0.25～0.5 mm的影響。

圖3 各指標之間的Pearson相關分析和主成分分析Fig.3 Pearson correlation analysis and principal component analysis between various indicators

3 討 論

3.1 微塑料對不同富鐵程度紅壤團聚體水穩性的影響

團聚體是土壤的基本結構單元,對于調控土壤的可蝕性和滲透性有重要作用[18]。眾多研究表明,有機碳和鐵的氧化物是土壤顆粒團聚的重要膠結劑,對團聚體的形成和穩定具有重要影響[19-20]。微塑料作為人造高分子有機物,其對土壤團聚體影響是雙重效應綜合作用的結果[8]。首先,微塑料因其表面張力大而具有較強的吸附性,能富集較多的有機質和微生物,使之成為土壤有機質分解轉化的“聚集區”,可形成較多的有機膠結物,有利于土壤團聚體形成和穩定。其次,微塑料因其本身具有疏水性且帶負電,與土壤顆粒間具有一定的排斥性,不利于形成穩定的團聚體。馬文倩等[20]研究發現聚乙烯微塑料可以顯著增加土壤微團聚體比例,但不利于大團聚體的形成,導致土壤穩定性降低。胡旭凱等[8]則發現,5%～25%質量濃度的聚乙烯微塑料短期內能夠增強土壤團聚體穩定性。而本研究結果與上述并不完全一致,試驗證明,在原狀紅壤條件下,M1可以降低土壤團聚體的穩定性,M2則可以增高土壤團聚體的穩定性。原因可能是少量微塑料添加增加了土壤微團聚體的數量,微團聚體數量增加導致土壤團聚體的穩定性降低,但是當微塑料添加量增大時,以微塑料有機碳為基礎形成的微團聚體數量足夠多,容易克服微團聚體內聚力形成大團聚體,進而增加土壤團聚體的穩定性[21]。當在原狀土壤同時添加鐵和微塑料時,此時土壤團聚體不僅受到微塑料的影響,也會顯著受到鐵及其氧化物產物的作用。首先,鐵氧化物可作為團聚體的基本骨架,為團聚體形成提供基礎;其次,鐵氧化物是土壤顆粒團聚的重要膠結劑,對微團聚體形成和穩定過程起著重要作用[18]。研究發現,在Fe1條件下,各微塑料處理并不能引起土壤團聚體穩定性發生變化,原因可能是微塑料和鐵離子之間彼此絡合吸附,致使它們各自對土壤團聚體的影響弱化,從而導致各微塑料處理之間土壤團聚體穩定性無顯著性差異[22]。在Fe2條件下,M1和M2均可降低土壤團聚體穩定性,且M1作用效果更加顯著。此現象的產生原因可能是當土壤中的鐵含量較多時,微塑料只能結合部分鐵離子,剩余部分在環境中易被氧化,氧化產生的鐵氧化物是團聚體的重要膠結劑,有利于微團聚體的形成,微團聚體增多會降低土壤團聚體的穩定性,且因為M1結合的鐵離子較少,剩余的鐵氧化物就更多,所以M1對土壤團聚體穩定性的降低效果更明顯[18,21]。

3.2 微塑料對不同富鐵程度紅壤碳氮磷含量的影響

SOC、TN、TP含量可以反映土壤養分狀況,也影響土壤團聚體的分布特征,而土壤團聚體分布特征又可反過來影響土壤SOC、TN、TP含量及其生態化學計量特征[23]。本研究發現,微塑料作為一種人造高分子有機物加入到紅壤中,僅在Fe0條件下可顯著提高土壤SOC含量,在Fe1和Fe2條件下其對土壤SOC并沒有顯著作用。原因可能與不同耦合條件下土壤團聚體形成機制有關,在無鐵添加的條件下(Fe0),微塑料碳可能作為主要的膠結物質參與團聚體的形成,但當土壤相對富鐵時(Fe1),鐵氧化物會替代微塑料碳在團聚體形成過程中的膠結作用,致使SOC更加不利于貯存在土壤中[17]。Fe0和Fe1條件下M1和M2均可顯著降低土壤TN含量,但在Fe2條件下,M1和M2均對土壤TN含量無顯著性影響。結合主成分分析結果可知,TN主要與粒級<0.25 mm的團聚體含量呈顯著負相關,與其它粒級的團聚體含量呈正相關。Fe0M1、Fe1M1和Fe1M2均可以顯著降低粒級0.5～0.25 mm團聚體含量,Fe0M2則可顯著增加粒級<0.25 mm團聚體含量,這可能是造成Fe0和Fe1條件下微塑料處理TN含量下降的主要原因,至于Fe2M1顯著增加了<0.25 mm團聚體含量,但是沒有引起TN含量變化的原因有待進一步研究[24]。土壤TP含量結果則顯示,無論在何種鐵添加條件下,TP含量均表現為M0>M1>M2。分析可知,TP含量主要與粒級0.5～0.25 mm的團聚體含量呈正相關,與粒級<0.25 mm團聚體含量呈負相關。研究發現,Fe1條件下M1和M2處理可顯著減少0.5～0.25 mm團聚體含量,并且在Fe2條件下,M1和M2處理還可以增加<0.25mm團聚體含量,這可能是引起TP含量隨微塑料增多不斷降低的主要原因[25]。

3.3 微塑料對不同富鐵程度紅壤碳氮磷化學計量特征的影響

C/N、C/P和N/P可反映土壤有機碳分解狀況、碳氮磷循環特征和土壤養分供應限制類型等。C/N是指示土壤碳氮礦化能力的重要指標,決定有機碳的分解速率,較低的C/N意味著土壤有機碳礦化快,養分周期短,不利于土壤碳氮養分的固存[26]。本研究發現,在Fe0和Fe1條件下,M1和M2均可顯著提高C/N,但Fe2條件下微塑料處理對C/N沒有顯著性影響。造成差異的主要原因是Fe0和Fe1條件下微塑料處理可顯著降低土壤TN含量,而Fe2的微塑料處理并不能引起土壤TN含量發生變化,而TN含量的差異是主要由團聚體粒徑組成發生變化造成。C/P可以反映土壤吸收固持磷的潛在能力,研究發現Fe0、Fe1、Fe23種富鐵紅壤的C/P均為M2>M1>M0,最主要的原因是TP含量隨著微塑料添加量增加而不斷減少,并且這主要與0.5～0.25 mm團聚體含量的顯著減少和<0.25 mm團聚體含量的增多有關[27]。土壤N/P可表示土壤養分的相對平衡程度,常被用于預測土壤養分限制類型。土壤N/P低,說明為氮養分限制類型,反之則為磷養分限制類型。本研究中所有的M2處理均可顯著增高N/P,主要原因是微塑料添加可以致使TP含量減少,最終導致紅壤向磷養分限制類型發生轉變[28-29]。

4 結 論

(1)微塑料對不同處理紅壤團聚體穩定性的影響效果不盡相同。在當前原狀紅壤條件下,低、高微塑料污染對土壤團聚體穩定性的影響效果恰好相反;在相對輕富鐵條件下均無顯著性影響;在相對高富鐵的紅壤條件下均可降低土壤團聚體穩定性。

(2)低、高污染可顯著提高原狀紅壤條件下的SOC含量;但會造成Fe0和Fe1條件下土壤TN含量和任意鐵條件下TP含量顯著降低,且TP含量隨微塑料添加濃度增加呈遞減趨勢。

(3)不同程度富鐵條件下微塑料污染可顯著提升紅壤的C/N、C/P、N/P。