PE微塑料对土壤水分入渗的影响及入渗模型适宜性评价

刘子涵,才 璐,董勤各,2,赵小丽,韩剑桥,2*

PE微塑料对土壤水分入渗的影响及入渗模型适宜性评价

刘子涵1,才 璐1,董勤各1,2,赵小丽1,韩剑桥1,2*

(1.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

为探究微塑料对土壤水分入渗过程的影响,通过室内土柱模拟试验,设置5组微塑料添加处理(0,1,2,4,6g/kg),研究了不同微塑料含量对湿润锋运移和累积入渗量的影响,并进一步评价了主要入渗模型在微塑料污染土壤中的适用性.结果表明,湿润锋运移速率随着微塑料含量的增加呈现出先减小后增加的特征,当含量达到T2时(微塑料含量2g/kg),湿润锋运移速度最低,为0.146cm/min,相比于CK处理降低了10.1% (<0.05).累积入渗量随微塑料含量的增加也呈现出先减小后增大的趋势,当含量达到T2时,累积入渗量最少,为14.68cm.原因可能是随微塑料含量增大,微塑料对土壤的通透性影响增加,在达到T2时影响最大;当含量继续增大时,虽然土壤通透性下降,但微塑料构成了新的入渗通道,加速入渗.湿润锋推进模型、Kostiakov模型和Philip模型的拟合效果好,决定系数2均大于0.99,其中湿润锋推进模型拟合效果最好.本研究结果可为微塑料对土壤水分入渗过程的影响,提高模型模拟效率提供参考.

水分入渗；微塑料；湿润锋；累积入渗量；拟合参数

微塑料具有体积小,自然降解力差,吸附污染能力强等特点.大量微塑料积存于水体、土壤和大气中,严重影响着生态环境[1],土壤中累积的微塑料会破坏土壤生物环境,降低土壤肥力,从而改变土壤生态功能,影响全球粮食生产[2].同时土壤中存在的微塑料污染还可通过食物网进入人体[3],严重危害人类健康.

农田土壤微塑料主要来源为污水灌溉、污泥农用、长期使用的农用地膜残留、有机肥施用以及大气沉降等[4].其中,地膜被认为是农业微塑料的主要来源之一[5].我国是世界上地膜使用量最大的国家,2017年中国农用地膜消耗量超过147万t[6-7].在旱作农田中的农业生产中,地膜覆盖作为改善干旱及半干旱地区的土壤环境,提高其水分利用效率的重要措施而被广泛应用[8].但由于对地膜的回收处理难度大,成本高,大量农膜残留于土壤,导致微塑料积存[9],同时在风力和水力的作用下,一部分微塑料还会被带到其它区域的水土环境中[2,10];在动植物作用下一些微塑料还会垂直进入深层土壤中[11],严重影响着土壤性质、植物性能和微生物活动[12].

土壤水文过程是陆地生态系统水分循环的重要组成部分,土壤入渗作为土壤水文过程的重要参数,与地表径流、土壤侵蚀紧密相关[13].大量微塑料积存于农田土壤中会破坏土壤结构,导致土壤表面干裂[14],同时还会引发土壤容重和持水能力的改变[12],加速土壤水分蒸发[14].微塑料污染对土壤入渗性能的影响,涉及到土壤质量、径流以及模型参数的改变.目前,对于农田微塑料的研究主要集中于微塑料空间分布与赋存特征,对土壤入渗影响的成果较少,只定性证明了微塑料会阻碍土壤水分运移[15].但是,微塑料对土壤入渗性能的影响大小如何,不同污染程度的影响存在何种变化规律,尚需结合具体土壤情况进行深入探讨.本文通过室内土柱模拟试验,研究微塑料对土壤水分入渗的影响,评价主要入渗模型的拟合程度,以期为揭示微塑料污染农田的水文循环新特征提供支撑.

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤于2021年5月22日采自陕西省延安市安塞区的中国科学院水利部水土保持研究所安塞水土保持综合试验站川地试验场.取耕作层0～40cm原状土,为避免土壤质地的影响,将不同质地土样混合,除去根系枯枝落叶等杂质后自然风干,碾压过2mm筛后备用.供试土壤黏粒含量为16.3%,粉砂粒为61.6%,砂粒为22.1%,质地为粉砂质黏壤土(依据国际制土壤质地分级标准).测定其土壤容重为1.35g/cm3,饱和含水率为23.78%,初始含水率为2.18%,田间持水率为20.99%.本文所述的含水率均为质量含水率.供试土壤pH值为8.16,有机质含量为8.73g/kg.供试微塑料原料为塑料粉末,材质与农用地膜材质一致为聚乙烯(Polyethene,PE),大小为25mm,其微塑料图如图1所示.

1.2 试验装置

土壤入渗试验装置如图2所示.主要由有机玻璃制成的马氏瓶供水装置和试验土柱组成.采用马氏瓶定水头供水,内径15cm,高度47cm,外标刻度用于读取入渗水量.试验土柱内径20cm,高度75cm,土柱自底部向上,每隔5cm设孔,用于取土分析,装土高度为60cm.土柱外标刻度用于记录湿润锋读数.

(a)供试微塑料样品图 (b)供试微塑料光谱图

图2 土壤水分入渗试验装置

1.3 试验设计与方法

试验于2021年5月22日在陕西省延安市安塞区安塞试验站进行.本文设置5个微塑料含量处理,分别为0,1,2,4,6g/kg,用 CK、T1、T2、T3和T4表示,各处理均重复3次.

1.3.1 微塑料土样准备 本研究按土壤容重1.35g/cm3填装土柱,每次装土厚度为10cm.考虑到初始含水率,每10cm土重4.334kg, CK、T1、T2、T3和T4处理所需微塑料质量分别为0、4.334、8.667、17.334和26.002g,每10cm分层取微塑料和土样,将两者的混合物放入搅拌机中进行搅拌,转速控制为100r/min,搅拌30min,使微塑料与土壤充分混合.

1.3.2 土壤水分入渗试验 装土前,在土柱内壁均匀涂抹凡士林以消除壁面优势流的影响.分别于装填前及装填后于土柱底部及土壤表面放置滤纸,防止供水时对土壤表面的冲刷.装土60cm,土柱填装完,进行定水头积水垂直入渗试验,入渗方式为连续入渗.设置马氏瓶的位置水头为0.63m,控制土柱入渗试验表层土壤积水深度为3.5cm.

试验过程中,观察马氏瓶内水位及土柱内湿润锋的距离,使用秒表计时.按前密后疏原则观测湿润锋运移,前0.5h观测时间分别是1, 3, 5, 7, 10, 15, 20和30min,0.5h后观测间隔为30min,同时记录马氏瓶刻度.当湿润锋运移至40cm时,停止供水.

1.4 入渗模型与评价指标

1.4.1 湿润锋推进模型湿润锋推进模型公式为[16]:

式中:F为湿润锋运移距离, cm;为第一个时间单位后的湿润锋运移距离, cm;为湿润锋运移的衰减程度.

1.4.2 累积入渗模型(1) Kostiakov入渗模型[17]:

式中:为累积入渗量, cm;,为拟合参数;为入渗时间, min.

(2) Philip入渗模型[18]:

式中:为土壤吸渗率, cm/min­0.5;为稳定入渗率, cm/min.

1.4.3 模型评价指标 使用相对均方根误差(RRMSE)、整群剩余系数(CRM)及效率系数(CE)作为模型的评价指标[17].计算式分别为:

若RRMSE值趋近于0,说明模型模拟效果好;反之,模型模拟效果差.CRM值越小,说明模型模拟效果越好.若CE值趋近于1,则说明模型拟合效率高;反之,模型拟合效率低.

1.5 数据处理与分析

本研究取3次重复试验的平均值,采用Office 2019进行数据处理,使用SPSS 17.0进行统计分析,利用Origin 2017进行模型参数拟合,通过SigmaPlot 12.5绘制数据曲线图,用AutoCAD 2013绘制装置图.

2 结果与分析

2.1 微塑料对土壤水分入渗湿润锋的影响

由图3(a)可知,入渗初期,各处理湿润锋运移情况无明显差异,随着入渗时间的推移,同一时刻T2处理湿润锋运移距离明显低于其它处理组,CK和T1的湿润锋运移距离无明显差异,T3和T4处理湿润锋运移距离也无显著差异但均低于CK.湿润锋运移至40cm时,CK、T1、T2、T3和T4所用时间分别为205.4, 201.0, 230.7, 206.2和212.8min.各处理湿润锋运移速率分别为0.243, 0.249, 0.217, 0.243和0.235cm/min.与CK相比,T2处理湿润锋运移至同一位置所需时间显著增加(<0.05),水分入渗的阻滞作用最强烈.除T2外,各处理湿润锋运移速率与CK接近,T1处理湿润锋运移速率略高于CK,而T3和T4处理略低于CK.分别对前中后3个时刻(60, 120和180min)的湿润锋运移距离进行了分析,如图3(b), (c), (d)所示,展现了不同时刻各处理湿润锋运移情况.不同时刻下T2处理均明显低于其它处理,而其它组湿润锋运移距离接近,说明各组湿润锋运移速率随微塑料含量的增加呈现出先减小后增大的趋势.

2.2 微塑料对累积入渗量的影响

由图4(a)可知,入渗初期,各处理累积入渗量变化情况无明显差异,变化趋势与湿润锋相似.随着入渗的进行,发现在同一时间T2处理的累积入渗量显著低于其它处理组.入渗结束时,CK,T1,T2,T3和T4处理的累积入渗量分别为14.94, 15.07, 14.68, 14.92和15.68cm.与CK相比,T1处理下累积入渗量增加.但当微塑料含量提高至T2时,累积入渗量显著降低.而后随着含量的继续增大,累积入渗量逐渐提升.分别对前中后3个时刻(60, 120和180min)的湿润锋运移距离进行了分析,如图4(b), (c), (d)所示,呈现了不同时刻各处理累积入渗量的变化情况.不同时刻下T2处理均明显低于其它处理,CK、T1和T3处理累积入渗量相近,T4累积入渗量高于其它处理,说明累积入渗量随微塑料含量的增加呈现先减小后增大的趋势.

图3 各处理湿润锋随入渗时间的动态变化过程

a. 湿润锋动态变化图 b. 60min时各处理湿润锋深度;c. 120min时各处理湿润锋深度;d. 180min时各处理湿润锋深度

图4 不同含量微塑料对累积入渗量的影响

a. 累积入渗量动态变化图;b. 60min时各处理累计入渗量深度;c. 120min时各处理累计入渗量深度;d. 180min时各处理累计入渗量深度

2.3 不同微塑料含量条件下入渗模型分析

2.3.1 湿润锋运移距离与入渗时间 根据湿润锋推进模型,湿润锋运移距离F(cm)与入渗时间(min)之间的函数关系符合幂函数关系,拟合参数及变化趋势如表1和图5所示.由表1可知,各处理的拟合参数决定系数2均大于0.99.RRMSE和CRM均趋于0,CE均趋近于1,模型模拟效果好.由图5可知,随着微塑料含量的增加,幂函数中参数变化趋势与同一时刻各处理间湿润锋运移位置变化的规律一致,参数则呈先下降后上升的趋势,与湿润锋运移至同一位置时速率的变化规律一致,均在T2处理时发生明显变化.

表1 湿润锋运移距离与入渗时间的拟合参数

注:表中同一列字母不同表示参数差异显著(<0.05),下同.

图5 不同含量微塑料对湿润锋运移参数的影响

2.3.2 累积入渗量与入渗时间 土壤累积入渗量(mm)与入渗时间(min)之间的函数关系可用Kostiakov模型和Philip模型表示,拟合参数分别如表2和图6及表3和图7所示.

由表2可知,Kostiakov模型下除T2处理组外,其它处理组的参数均显著高于CK组,参数均显著小于CK组.各处理的2值均大于0.99.RRMSE和CRM均趋于0,CE均趋近于1,模型模拟效果好.由图6可知,除T2处理为突变点外,随着微塑料含量的增加,Kostiakov模型中参数整体呈上升趋势,参数整体呈下降趋势.

表2 Kostiakov模型拟合参数

图6 不同含量微塑料对Kostiakov模型参数的影响

表3 Philip模型拟合参数

由表3可知,各处理的2均大于0.99.除T2处理外,其它处理组的Philip模型中土壤吸渗率均显著高于CK组,稳定入渗率均显著低于CK组.但T4处理的稳定入渗率出现负值,与实际入渗速率不符,不同微塑料含量处理的2值均低于或等于CK.但各处理2均大于0.99,RRMSE和CRM均趋于0,CE均趋近于1,模型模拟效果好.由图7可知,除T2处理为突变点外,随着微塑料含量的增加, Philip模型中参数整体呈上升趋势,参数整体呈下降趋势.

图7 不同含量微塑料对Philip模型参数的影响

3 讨论

3.1 微塑料对土壤入渗的影响及原因

土壤水分入渗过程主要受土壤机械组成,土壤容重,有机质含量,水稳性团聚体含量等土壤性质影响[13].研究表明,残膜在土壤中累积后破坏了土体构型和质地均匀性,所形成的孔隙结构与土壤不同,会改变土壤水动力学性能,导致土壤水分入渗能力下降[17].本文中,入渗初期各处理湿润锋运移类似,但随着入渗时间的推移,各处理的运移情况发生改变.这可能由于入渗初期土壤表面干燥,湿润锋面的水势梯度和非饱和度大,入渗速率快[19],不同处理对湿润锋影响较小.随着入渗的进行,微塑料的作用逐渐显现.有研究显示,黄土中优先流入渗时会携带土粒,这些土粒不仅能够侵蚀原来的孔隙结构使之拓展,还会对下部孔隙产生淤堵[20].而实验所用黄土其孔喉中的土粒大小与微塑料粉末粒径大小相近,因此优先流也会携带微塑料.微塑料改变土壤水分入渗过程主要归因于其对土壤孔隙和入渗通道的影响.土壤中的微塑料改变了土壤孔隙的分布,降低了土壤通透性[21].此外根据孔隙网络模型和已有研究可知,随着土体含水量增加,水压力集聚会不断产生新的裂隙,导致更多潜在的优先流路径被激活[20].还有研究表明,淋滤作用能促进微塑料在土壤中的垂向运移[22-23],因此随着微塑料含量增加和入渗的进行,大量微塑料粉末进入孔喉及裂隙中,由微塑料所构成的潜在优先路径也会被激活.由于黄土是松散沉积物,有较大的比表面积,入渗时与水分的接触面积大,阻滞水分流动的能力也较强[20],因此水分在“微塑料通道”中水分流动较快,即微塑料改变了水的入渗通道,最终反映到土壤水分在土壤中的运移过程.

微塑料对土壤通透性的影响起抑制土壤水分入渗的作用,简称抑制作用,“微塑料通道”起促进土壤水分入渗的作用,简称促进作用.微塑料是促进还是抑制土壤水分入渗主要取决于哪种作用占优势.本研究表明当微塑料的含量较低时,即T1处理时,微塑料对入渗速率的影响较弱,这可能是由于当含量较低时,微塑料颗粒数量不足以改变土壤孔隙分布,即水分入渗通道和CK组基本一致,此时既不促进也不抑制土壤水分入渗.但此时土壤孔隙数量可能会增加,这些孔隙不与下部孔隙连通,使水分损失增大,导致累积入渗量升高.当含量增加到T2处理时,土壤中水分运移速度显著减小(<0.05),这可能是因为土壤颗粒构成的入渗通道部分被微塑料堵塞,此时“微塑料通道”尚未形成,即抑制作用占优势,导致土壤入渗能力降低,土壤中水的运移速度减缓,微塑料阻滞土壤水分入渗.但水分在入渗过程中与疏水性微塑料接触,减少了水分入渗损失,因此在同一深度下T2处理的累积入渗量较低.随着微塑料含量的继续增加,水分入渗速率逐渐提升,直至趋于CK组,这可能是由于“微塑料通道”形成,此时促进作用占优势,故入渗速率提升,但始终趋近于CK处理组,表明促进作用有上限.微塑料浓度较大时,如T4处理组,由微塑料和土壤共同作用形成的孔隙网络结构复杂,“微塑料通道”与优先流通道错综复杂,使入渗水分损失增大,累积入渗量增大.

3.2 入渗模型适宜性评价

土壤中残存的地膜在各种物理化学作用下进一步分解成地膜微塑料,已有研究表明,土壤中的残膜会影响土壤入渗性能,改变土壤入渗模型参数[17].本研究中,对Kostiakov和Philip模型进行拟合,结果表明微塑料对模型参数的影响无显著规律,模型模拟效果较好,2均大于0.99,均可较好地模拟微塑料土壤的水分入渗过程.其中湿润锋运移距离与入渗时间的幂函数中参数和参数无规律性变化.与CK相比,除T2处理外,Kostiakov模型中参数和 Philip模型中参数均显著高于CK组, Kostiakov模型中参数和Philip模型中参数均小于CK组.但T4处理的稳定入渗率出现负值,与实际入渗速率不符合.通过各个模型的拟合程度评价指标结果可知,湿润锋运移模型适用性最好.对不同微塑料含量下的土壤拟合效果,湿润锋运移模型均优于Philip和Kostiakov模型.此外,通过各模型参数变化趋势可知,T2处理的突变与湿润锋和累积入渗量随时间的变化规律一致,进一步表明当微塑料含量达到2g/kg时会导致土壤入渗性能衰退.

3.3 对微塑料污染治理的启示意义

在农业生产中,尤其是旱作农田中,为改善干旱及半干旱地区的土壤环境,常常使用地膜覆盖[8],但缺乏地膜的有效回收处理,导致大量残膜成为微塑料的重要来源.本文结果表明微塑料含量达到一定值时,会降低土壤水分的入渗性能,进而导致土壤水分入渗受阻.这会影响着土壤中动植物的生长发育,同时也会导致坡面径流系数的增加,提高土壤侵蚀发生概率,造成养分流失,加重土壤贫瘠,最终导致农作物减产等一系列危害.当含量越来越高时,虽不影响入渗过程,但会加重农业生态系统污染.一方面微塑料通过作物根系进入作物中,进而通过食物链危害人类健康.另一方面,高含量的微塑料会对土壤动物产生毒害[22].因此在今后的农业生产中应加强对地膜的回收处理,研发可降解的非塑料新型地膜,以减少不可降解地膜的污染.此外加强对农田灌溉用水的管理,如废水经处理后返田使用,以减少微塑料颗粒进入农田.

本文根据已有成果推测了PE微塑料结构对水分运移的影响,在随后的试验中需要进行微观土体结构试验研究,更加深入探究PE微塑料对土壤水分入渗过程的影响机理.

4 结论

4.1 随着PE微塑料含量的增加,湿润锋运移速度呈现先减小后增加的趋势.而累积入渗量随着PE微塑料含量的增加呈先减小再增大的趋势.

4.2 3种模型拟合效果较好,能较精确地模拟水分入渗过程.模型的拟合效率也较高,其中湿润锋推进模型的模拟效果最好.

4.3 当土壤中PE微塑料污染到一定程度时,入渗速率低,累积入渗量少,易产生地表径流,造成土壤侵蚀,使土壤中的营养物质流失.

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Effect of PE microplastics on soil water infiltration and suitability evaluation of infiltration model.

LIU Zi-han1, CAI Lu1, DONG Qing-ge1,2, ZHAO Xiao-li1, HAN Jian-qiao1,2*

(1.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy and Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)., 2022,42(4)：1795～1802

In order to explore theeffect of microplastics(MPs) on soil water infiltration, five groups of MPs addition treatments (0,1,2,4,6g/kg) were set to study the effects of different MPs contents on wet front transport and cumulative infiltration volume through indoor soil column simulation, and evaluate the applicability of the main infiltration models in MPs contaminated soil. The results showed that the migration rate of wet front decreased first and then increased with the increase of MPs content. When the content reached T2 (MPs content was 2g/kg), the migration rate of wet front was the lowest, which was 0.146cm/min. Compared to CK treatment, the migration rate of T2treatment was 10.1% lower (<0.05). The cumulative infiltration volume also decreased first and then increased with the increase of MPs content. When the content reached T2, the cumulative infiltration volume was the least, which was 14.68cm. The reason may be that with the increase of MPs content, the influence of MPs on soil permeability increases, and the influence is the greatest when it reaches T2; When the content continues to increase, a new infiltration channel is formed by the MPs to accelerate the infiltration although the soil permeability decreases. The wet front propulsion model, Kostiakov model and Philip model have good fitting effects, and the determination coefficient2are greater than 0.99, among which the wet front propulsion model has the best fitting effect. This study can provide a reference for the effect of MPs on soil water infiltration process and improve the simulation efficiency of the model.

water infiltration；microplastics；wet front；cumulative infiltration volume；fitting parameters

X503

A

1000-6923(2022)04-1795-08

刘子涵(1996-),男,江西赣州人,西北农林科技大学硕士研究生,主要从事流域水沙环境方面的研究.

2021-09-06

国家自然科学基金资助项目(42177327,41807067);中国科协青年人才托举工程项目(2019-2021QNRC001)

*责任作者, 副研究员, hjq13@163.com