土壤质地决定了不同微塑料对土壤水力特性的影响

《Vadose Zone Journa》：Soil texture governs the influence of different microplastics on soil hydraulic properties

土壤孔隙结构对植物生长至关重要，但微塑料（MPs）的加入会显著改变土壤的水力学特性。本研究选取三种土壤类型（粘壤土、砂质粘壤土、黑钙土）和四种微塑料（低密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯纤维），在0.4%质量浓度下，通过测量饱和水力传导率（K_sat）和近饱和水力传导率（K_ns）等参数，分析MPs对土壤孔隙结构和水保持能力的影响。结果显示，聚酯纤维在粘壤土中增加孔隙率和空气孔隙体积，显著提升K_sat；但在砂质粘壤土中则降低K_sat和K_ns，主要因纤维与土壤颗粒结合形成堵塞。聚苯乙烯和聚丙烯颗粒在不同土壤中均减少孔隙率，影响水分渗透。黑钙土中聚酯纤维虽未改变总孔隙率，但显著减少植物可用水分（PAW），可能与纤维干扰土壤团聚体结构有关。研究表明，土壤质地与MP类型、形态的交互作用对水力学特性影响显著，需结合具体土壤条件评估MP污染效应。

　　土壤中水分的可用性对于植物的健康生长至关重要，然而，即使是微量的微塑料（MPs）也可能干扰土壤的孔隙结构，从而影响水分保持能力和水力传导性，最终影响植物可利用的水分。本研究探讨了不同类型的微塑料对三种土壤类型（Luvisol、Albic Luvisol 和 Chernozem）的土壤水分可用性及水力特性的影响。研究中测试了四种聚合物类型——低密度聚乙烯（LDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）颗粒和聚酯（PET）微纤维，它们的添加浓度为0.4%质量比。研究结果显示，微塑料对土壤水力特性的影响因土壤质地和饱和含水量而异。

在Luvisol（粉砂壤土）中，PET微纤维增强了孔隙度，创造了更多的空气填充孔隙体积和大孔隙，并提高了水分保持能力和饱和水力传导性。相反，PS和PP颗粒减少了Luvisol的孔隙度，提高了接近饱和状态下的水力传导性，这可能是因为减少了孔隙的曲折度。在Albic Luvisol（砂质土壤）中，PET微纤维增加了孔隙度和植物可利用水分，但微纤维和颗粒都对饱和和接近饱和状态下的水力传导性产生了负面影响，PS颗粒和PET微纤维可能堵塞了土壤孔隙。而在Chernozem（粉砂壤土）中，PET微纤维显著增加了空气填充孔隙体积，但没有改变整体孔隙度，同时对水分保持能力和植物可利用水分产生了负面影响。饱和水力传导性的增加可能是由于形成了优先流动通道，而在干燥条件下接近饱和水力传导性下降，可能是由于孔隙的曲折度增加。

土壤中的微塑料污染已成为全球关注的焦点，尤其是在农业生态系统中。微塑料通过多种途径进入土壤，如塑料农膜、污水处理厂的污泥、道路和轮胎磨损、垃圾以及不当的废弃物处理等。研究表明，在德国的农业土壤中，通过污泥施肥和污水排放是微塑料积累的主要途径。微塑料颗粒和纤维的广泛存在对土壤结构和水分特性产生了深远的影响。例如，PET微纤维由于其线性结构、能够缠绕土壤颗粒、疏水性和灵活性，可能促进或减少土壤团聚体的形成。无论是哪种影响，这种土壤孔隙结构的重新排列都会对土壤的水力特性产生影响，如孔隙体积的改变和水分保持能力的变化。

土壤健康通常通过评估水分的移动和储存来衡量。饱和和接近饱和状态下的水力传导性（Ksat 和 Kns）是评估土壤水分流动的重要指标，而田间持水量（θFC）和永久萎蔫点（θWP）则决定了土壤中植物可利用的水分含量。此外，水分保持特性还与土壤孔隙尺寸分布密切相关。总体土壤孔隙度可以通过大孔隙度（Pmac）来区分，它反映了大于0.03毫米的孔隙体积。这些参数对维持植物根系的生理功能至关重要。

微塑料在土壤中的积累可能会改变多种土壤参数，包括孔隙结构、水力特性、容重、团聚体分布和持水能力。特别是微纤维，由于其线性形状和缠绕能力，可能对土壤团聚体产生显著影响。在某些土壤类型中，微纤维可能促进土壤结构的形成，而在其他土壤中则可能破坏其结构。这种结构变化对土壤水力特性产生了重要影响，例如，更大的孔隙允许更好的排水，而较小的孔隙则有助于更好的水分保持。因此，对土壤水力特性的精确测定对于理解土壤健康和植物根系生长具有重要意义。

研究还发现，微塑料对土壤水力特性的影响依赖于土壤类型。例如，在Chernozem中，PET微纤维显著增加了空气填充孔隙体积，但没有改变整体孔隙度，同时对水分保持能力和植物可利用水分产生了负面影响。而在Luvisol中，PET微纤维的添加提高了孔隙度和水分保持能力，但对接近饱和状态下的水力传导性没有显著影响。此外，PS颗粒在Luvisol中减少了孔隙度和空气填充孔隙体积，这可能是由于它们堵塞了土壤孔隙，而PP颗粒则对水力传导性产生了不同的影响。

研究中采用的实验设计包括三种具有不同质地的土壤类型（Luvisol、Albic Luvisol 和 Chernozem）和四种不同的微塑料类型（LDPE、PP、PS 和 PET微纤维），并在固定浓度（0.4%质量比）下测试它们对土壤水力特性的影响。通过测量完整的土壤水分保持和水力传导特性，而不是仅测量单一参数如Ksat，研究人员能够更全面地评估微塑料对土壤的影响。此外，由于微塑料通常具有疏水性，还测量了接近饱和状态下的水力传导性（Kns）。

研究结果表明，微塑料对土壤水力特性的影响因土壤类型和微塑料类型而异。在Luvisol中，PET微纤维显著提高了饱和水力传导性（Ksat）和接近饱和水力传导性（Kns），而在Albic Luvisol中，PET微纤维则显著降低了这些参数。PS颗粒和PP颗粒在不同土壤类型中表现出不同的影响，例如，在Luvisol中PS颗粒减少了孔隙度和空气填充孔隙体积，而在Albic Luvisol中，PS颗粒对Kns产生了更大的影响。此外，LDPE颗粒在Luvisol中对Kns产生了显著影响，而对Ksat的影响较小。

研究还发现，微塑料对土壤孔隙体积的影响在不同土壤类型中存在显著差异。例如，在Chernozem中，PET微纤维显著增加了空气填充孔隙体积，但在接近饱和状态下的水力传导性却显著下降。这表明，虽然PET微纤维增加了土壤孔隙体积，但对水分保持能力产生了负面影响。此外，PS颗粒在Chernozem中显著降低了水力传导性，而PP颗粒则减少了土壤孔隙体积。

为了更深入地理解微塑料对土壤水力特性的影响，研究通过分析不同土壤类型和微塑料类型之间的相互作用，揭示了微塑料对土壤孔隙结构的改变。这些改变可能影响水分保持能力、水力传导性以及土壤的通气性。例如，PET微纤维可能通过改变土壤结构，促进水分的优先流动，从而影响水力传导性。而PS颗粒可能通过堵塞土壤孔隙，减少水分流动的路径，从而降低水力传导性。

此外，研究还通过计算土壤的水力特性参数，如土壤水分保持曲线和水力传导函数，来评估微塑料对土壤水力特性的影响。这些参数能够帮助理解土壤如何在不同含水量下储存和释放水分，以及微塑料如何改变这些过程。例如，通过计算水力传导函数，研究人员能够分析不同微塑料类型对土壤水分流动的影响。

研究还探讨了微塑料对土壤结构的潜在影响。在某些土壤类型中，微塑料可能促进土壤团聚体的形成，从而改变土壤的孔隙分布。而在其他土壤类型中，微塑料可能破坏土壤结构，导致孔隙减少和水分保持能力下降。这些变化对土壤的通气性和水分保持能力产生了显著影响，进而影响植物根系的生长和土壤微生物的活动。

综上所述，微塑料对土壤水力特性的影响是复杂且多样的，具体取决于土壤类型、微塑料类型及其相互作用。在某些土壤类型中，微塑料可能通过改变孔隙结构，促进水分的保持和流动，而在其他土壤类型中，它们可能堵塞孔隙，降低水力传导性。因此，为了全面评估微塑料对土壤生态系统的影响，需要综合考虑土壤类型和微塑料类型之间的相互作用。此外，研究还指出，微塑料的浓度和土壤质地对水力特性的影响可能存在显著差异，因此在实际应用中，需要根据具体土壤条件来评估微塑料的潜在影响。