微塑料在表层土壤中的迁移及其影响因素研究

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塑料污染是全球关注的重要环境问题之一。土壤是塑料废弃物的主要沉积地,土壤表面的塑料会经环境作用力破碎成尺寸<5 mm的微塑料。表层土壤中的微塑料可能迁移转运到土壤深层,对土壤生态系统及地下水系统构成威胁。微塑料在土壤中的迁移行为影响其环境归趋和可能生态环境危害程度。目前,对于实际农田土壤中微塑料的迁移并没有全面深入的研究报道,关于微塑料在表层土壤中的迁移及其影响因素尚未清楚。针对这一问题,本文结合室内模拟淋溶实验、室外土箱实验和动物培养实验,对微塑料在土壤中迁移行为进行了系统研究。首先通过激光粒度仪、体式显微镜和傅里叶变换红外光谱仪仪器表征分析实验用微塑料的不同尺寸、形态和种类。然后,设计了一套模拟降雨装置,通过21天土箱淋溶实验和后续分层采样分析,研究了不同降雨量和土壤坡度条件下不同尺寸、形态和类型的微塑料的迁移行为。而后,在上海地区于夏季进行了相同实验周期的土箱实验,观察投加在土壤表面的微塑料向土壤深层迁移和径流情况,结合气象因素分析在实际自然条件下微塑料的迁移规律及其影响因素。最后,基于常见的土壤动物陆正蚓(Lumbricus terrestris)的土箱培养实验,研究其摄食排泄、体表粘附等活动对微塑料迁移的影响。主要结果如下:(1)在日均5、15和25 mm降雨量模拟淋溶作用下,土壤表面微塑料的总迁移率分别为0.74±0.03%、3.79±0.17%和4.85±0.13%,与降雨量呈显著正相关(p<0.05)。微塑料颗粒在土壤垂直方向上迁移最大深度为4-7 cm。模拟降雨会导致微塑料水平迁移到箱体外的径流水体中,3组不同降雨量作用后,收集的径流水体中的微塑料为0%、0.3±0.01%和2.41±0.07%,呈增加趋势。(2)15 mm/d模拟降雨条件下,微塑料颗粒在0%、8%和15%三种坡度土壤中迁移率分别为2.72±0.03%、3.79±0.17%和3.83±0.33%,总迁移率与土壤坡度呈显著正相关(p<0.05)。其中,坡度为8%时微塑料最大迁移深度为7 cm,坡度为15%和0%的土壤微塑料的最大迁移深度则降到6 cm和5 cm,且分布数量具有明显差异。(3)模拟降雨(15 mm/d)21天后,1 mm微塑料颗粒在表层土壤水平方向上的迁移距离最短,迁移距离为12 cm,<0.3 mm的微塑料在土壤垂直方向上迁移最深,为7 cm。泡沫在土壤表层水平方向上的迁移率最高,为2.08±0.42%,其次是颗粒。纤维和薄膜微塑料更容易径流入水体中,总量分别达到1.93±0.65%和2.07±0.69%;而颗粒和纤维微塑料在土壤剖面迁移率相对较高,分别为0.60±0.12%和0.52±0.31%。(4)在室外平均3.1mm/d降雨量作用下,PET微塑料颗粒总迁移率为2.37±0.07%。其中,在土壤表层水平方向、原位土壤剖面以及径流水体中微塑料的相对迁移率分别为1.28±0.04%、1.13±0.02%和0.18±0.03%。在土壤中的最大迁移深度为5cm。三种范围粒径微塑料中,0.3-1 mm微塑料的总迁移率最高,为3.09±0.28%,粒径为1-5 mm微塑料总迁移率最低,为1.37±0.07%。四种形态微塑料中,纤维总迁移率最高,其次是薄膜,泡沫最低,分别为2.54±0.14%,2.20±0.34%和0.56±0.07%。(5)在设定平均密度分别为8.55、28.49、45.58条/m~2的蚯蚓土箱培养实验中,微塑料在土壤剖面的总迁移率分别为8.42±3.81%,61.80±12.43和72.43±4.19%。蚯蚓作用下小尺寸微塑料颗粒总迁移率高于大尺寸微塑料颗粒,分别为92.01±2.82%和61.80±12.43%;分析培养后蚯蚓排泄物中的微塑料,结果显示小粒径和纤维状微塑料居多,膜状和球状微塑料较少。通过模拟蚯蚓体表的粘附实验,结果显示PVC颗粒在蚯蚓体表粘附率最高,PP次之,PE最少;就不同微塑料形状而言,对薄膜粘附率高于颗粒,其次是纤维。以上结果表明:(1)降雨是导致微塑料在土壤中迁移的关键驱动因素。随着降雨量的增加,土壤表面微塑料颗粒流向水平方向和径流水中的量均明显增加,但向土壤剖面深层迁移相对减少。而一定的坡度土壤坡度会促进微塑料的迁移转运。(2)微塑料密度、尺寸和形态会影响其在土壤迁移,其中尺寸越小微塑料越易迁移,密度较大的微塑料向土壤深层迁移相对容易,微纤维和薄膜微塑料更易流向径流水体中。(3)与室内模拟降雨比较,类似的室外自然降雨条件下微塑料在土壤垂直方向上迁移更深,在水平方向上迁移更远。这反映在自然气候环境中温度、降雨强度和频率等多种因素会影响微塑料在土壤中的环境行为。(4)土壤动物的扰动、摄食与排泄、体表粘附等行为会加速微塑料在土壤中转运,促使其向土壤深层分布。本文采用农田实际土壤,通过模拟淋溶实验、室外土箱实验和土壤动物培养实验,探究了多种类型微塑料在土壤中迁移行为,分析了土壤中微塑料迁移的驱动因子和影响因素。研究结果为农田环境中微塑料的环境归趋分析提供了重要依据,为土壤微塑料污染管控和治理提供了参考。
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