微塑料通过改变土壤结构与水力特性调控喀斯特土壤中镉迁移的关键机制

本研究揭示了微塑料（MPs）通过改变土壤孔隙结构和水动力条件（而非传统认知的吸附-解吸作用）调控喀斯特土壤中镉（Cd）迁移的新机制。不同粒径MPs（850-1000μm与10-15μm）对Cd迁移呈现截然相反的生态效应，为评估喀斯特区MPs-Cd复合污染生态风险提供了关键理论依据。

　　

Highlights

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  MPs generally enhanced Cd migration ability compared with the control

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  MPs at smaller sizes (10–15 μm) and higher concentrations (3%) inhibited Cd migration

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  Soil pore structure and hydrodynamics are critical factors controlling Cd transport

Characteristics of MPs

聚乙烯（PE）微塑料作为农业地膜中最常见的塑料类型被选为本实验材料。实验前对MPs进行酸洗处理（5% HCl/10% HNO₃溶液浸泡24小时），随后用去离子水冲洗并风干。通过不锈钢筛网获得三种粒径规格（850–1000、53–63和10–15 μm）的MPs，该粒径范围的选择基于前期研究发现。

Leaching characteristics of Cd

通过短土柱淋溶实验，我们探究了不同实验条件下渗滤液中镉累积淋出量随时间的变化规律。结果显示：与对照组（CK）相比，MPs的添加显著改变了Cd在喀斯特土壤中的迁移能力（图2），且这种变化受MPs粒径和浓度的共同调控。总体而言，MPs对Cd迁移能力表现出"低浓度促进、高浓度抑制"的双重效应。特别值得注意的是，当MPs粒径为10–15 μm且浓度达到3%时，对Cd迁移的抑制效应最为显著。

The influence mechanism of microplastics on Cd migration in the karst soil

大量吸附-解吸动力学研究表明，MPs对Cd具有显著吸附能力。因此，Cd在MPs表面的动态吸附-解吸平衡是调控土壤中Cd迁移转化的关键控制因子。本研究的短土柱淋溶实验表明，大多数MPs处理提高了Cd在喀斯特土壤中的迁移能力，这与前人关于MPs作为重金属载体可促进其迁移的实验结果一致。然而有趣的是，当MPs粒径较小（10–15 μm）或浓度较高（3%）时，反而会抑制Cd的迁移。这一反常现象提示我们：除了吸附-解吸作用外，可能还存在其他更重要的调控机制。

通过相关性分析发现，Cd累积淋出量、土壤淋出速率与土壤孔隙度之间均存在显著正相关关系。这表明在土壤淋溶过程中，MPs主要通过改变土壤孔隙结构和水动力条件来影响Cd的迁移行为，而不仅仅是依靠其对Cd的吸附-解吸能力。具体而言：粗颗粒MPs（850–1000 μm）虽不能在土壤中向下迁移，但可通过扩大土壤孔隙、加速水流运动来增强Cd的淋溶，加剧深层土壤和地下水污染；而细颗粒MPs（10–15 μm）虽能通过土壤孔隙向下迁移，但不会作为载体增强Cd的移动性，反而会堵塞土壤孔隙、降低土壤水淋出速率，最终抑制Cd迁移，增加表层植被的Cd胁迫风险。

Conclusion

本研究以碳酸盐岩风化土壤为对象，通过短土柱淋溶实验探究了复合污染下MPs粒径与浓度对喀斯特土壤中Cd迁移能力的调控机制，并采用长土柱实验模拟了连续淋溶条件下MPs-Cd复合污染物在喀斯特表层土壤剖面中的纵向迁移过程，全面阐明了MPs-Cd复合污染物在喀斯特土壤中的迁移特征及主导机制。研究发现：MPs主要通过改变土壤孔隙结构和水动力条件（而非传统认为的吸附-解吸作用）来调控Cd的迁移行为；不同粒径MPs对Cd迁移产生截然不同的生态效应。这些发现为科学评估喀斯特地区MPs-Cd复合污染的生态风险提供了重要理论依据。