微塑料和锌及其复合污染对土壤养分的影响

张志乾，陈汉乾，李慧珍，李良钊，于 攀，刘毓海

（1.海南大学 生态与环境学院，海南 海口 570228；2.广州大学 化学化工学院，广东 广州 510006；3.韩山师范学院 化学与环境工程学院，广东 潮州 521041）

据2019 年调查，全球塑料产量已多达3.68 亿t［1］.大量的塑料在没有适当处置方式的情况下进入环境，其中79%的塑料垃圾被存入了垃圾填埋场［2］.随着种植业的发展，塑料制品尤其地膜广泛用于农业生产中，因其具有增温保湿的特点，对作物产量的提高有重要作用.在光照和机械的双重作用下，地膜破碎成微塑料（MPs，直径小于5 mm 的颗粒）堆积在土壤中，从而形成塑料污染.微塑料不仅改变土壤的理化性质，如土壤结构［3］、土壤肥力［4］和土壤pH值［5］，还会影响到土壤酶活性，研究证实不同微塑料种类和大小对酶活性的影响不同［6］.

为了改变当前塑料污染的现状，可降解塑料逐渐得到广泛应用［7］.可降解塑料可以在自然条件下，通过微生物的作用最终分解为CO2和H2O.但由于其在自然条件下无法达到完全降解，因此，也会形成微塑料［8］，可降解塑料易降解，产生的微塑料可能比普通塑料产生得更多，可能对土壤环境造成更加严重的污染［9］.因此有必要对比不同种类的微塑料，探究可降解塑料是否对土壤产生负面影响.由于MPs 粒径小，光降解能力弱，是环境中的良好载体［10］，因此，MPs 可以物理吸附或与其他污染物发生化学反应，生成复杂的二元污染物，从而产生更高的综合毒性［11］.微塑料因在环境中风化破碎而形成电荷可以吸附金属离子［12］.作为载体，MPs增加了陆地环境中重金属吸附的潜力［13］.重金属和MPs之间的相互作用可以改变其环境行为、生物有效性和潜在毒性，从而导致生态风险.例如MPs可通过提高Cd 的生物利用度来加重Cd对蚯蚓的毒性［14］，MPs与Cd、ZnO 等土壤污染物共同改变共生真菌的群落结构和植物生长，这在一定程度上归因于MPs 的存在提高了Cd 和Zn 的有效性［15］.MPs 广泛存在于各种土壤中，然而，在重金属污染下，MPs如何影响土壤性质对于理解MPs与其他污染物共存的生态影响和风险具有重要意义.考虑到MPs和土壤中金属污染物的共同污染，预计不同类型的MPs 将对金属有效性有不同的改变，从而改变土壤微生物群落.

因此本文以锌和两种类型的微塑料—聚乙烯（PE）和可降解塑料聚己二酸/对甲酸丁二酯（PBAT）为研究对象，研究其单一及复合污染对土壤养分和酶活性的影响，旨在探究污染物共存对土壤的生态影响，旨在为后期评估微塑料污染对土壤的生态毒理效应提供理论依据.

1 材料和方法

1.1 实验设计实验地点位于海南大学儋州校区试验种植基地（109°18＇E，19°27＇N），属于热带湿润季风气候，年均气温23.5 ℃，年均降水量1 815 mm.试验中的三种微塑料原料颗粒平均尺寸150 μm，购自弘泰塑胶原料有限公司（中国广东），PE的比重为0.954 g·cm-3，拉伸强度为13.8 MPa，伸长率为250%；PBAT的比重1.21 g·cm-3，拉伸强度为25 MPa，伸长率为400 %.生菜苗购自儋州绿风蔬菜种植合作社.用于生菜种植的土壤采自海南大学儋州校区实验种植基地，清除碎屑和杂质，供试土壤为砖红壤土，pH 为5.57，有机碳为11.86 g·kg-1，全氮为0.2 g·kg-1，全磷为0.29 g·kg-1.实验原土中除人为添加未发现有微塑料.

采用两种类型的微塑料（PE 和PBAT），MPs 的剂量设定依据土壤中MP 丰度的数据［16］和之前的研究［17-18］.锌浓度根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018），人工模拟锌污染土壤，锌溶液的制备方法是将ZnSO4·7H2O溶解在水中，然后与土壤均匀混合.

单一添加实验：在盆栽中分别加入剂量为0.1%、1%和10%（w/w）的两种微塑料；200 mg·kg-1、400 mg·kg-1和800 mg·kg-1锌溶液.所有处理重复3次.

复合添加实验：在盆栽中分别加入1%的PE和PBAT及锌（400 mg·kg-1和800 mg·kg-1）的复合溶液，所有处理重复3次，探究复合处理对土壤养分和酶活性的影响.

对照实验（CK）：在其他条件相同下，不添加微塑料和锌，处理重复3次.

种植盆栽为口径49.5 cm 的长条塑料花盆，宽为18.5 cm 高15 cm 容量为14 L，本实验土重9.0 kg.施肥同田间管理.每个处理重复3 次.在2022 年1 月14 日种植，第45 天收获生菜后取土样测定理化性质和土壤酶活性.

1.2 实验方法土壤养分测定参考《土壤农化分析》［19］，土壤pH值用pH计测定，有机质用重铬酸钾外加热法，碱解氮用碱解扩散法，土壤酶活性的测定依据《土壤酶及其研究法》［20］进行测定.土壤脲酶活性用苯酚钠—次氯酸钠比色法，蔗糖酶活性用3，5-二硝基水杨酸比色法，酸性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定.

1.3 统计分析用Excel2010 处理数据，使用SPSS26 进行方差分析，通过Duncan 多重比较分析，用Origin 2021绘图.

2 结果与分析

2.1 不同处理对pH的影响由图1a可知两种微塑料相比，聚乙烯显著降低土壤pH值，1%处理pH值最低为5.93.可降解处理中10%的添加量对pH 影响最明显，为6.54.图1b 可知不同锌添加量对土壤pH 有显著影响，其中400 mg·kg-1的添加量对pH 影响最大，pH 值为5.93.图1c 可以看到复合处理均会降低土壤pH值，且表现出相同的趋势.

图1 不同处理土壤的pH

2.2 不同处理对有机质含量的影响图2a可知不同种类的微塑料对土壤有机碳含量影响不同.两种微塑料随着添加量的增加都会使有机碳含量增加，但与对照相比，聚乙烯塑料变化不显著，而可降解塑料变化极显著，在添加量为10%时有机碳含量达到最大值43.92 g·kg-1，增量为164.26%.图2b 不同锌处理对有机碳含量有显著影响，均表现为含量降低.在400 mg·kg-1时含量最低为（13.07±0.02）g·kg-1.而由图2c可知可降解塑料复合处理显著提高了土壤有机碳含量.与单一添加锌对土壤养分影响结果对比可知，复合处理有机碳含量的增加是由于微塑料的影响.

图2 不同处理土壤的有机质

2.3 不同处理对碱解氮含量的影响由图3a可以看出，不同种类的微塑料对土壤碱解氮含量的影响表现为相反的趋势.碱解氮含量随着聚乙烯微塑料添加量的增加而降低的趋势，而可降解塑料显著增加了碱解氮含量且随着添加的增加而递增，添加量为10%下PE 处理含量最低为76.59 mg·kg-1，PBAT 处理含量最高为109.04 mg·kg-1.

图3 不同处理土壤的碱解氮

图3b 为单独锌添加对土壤碱解氮的影响，由图可知，碱解氮含量有随着锌添加量的增加而增加的趋势，添加量为800 mg·kg-1的处理碱解氮含量最高为（117.21±11.32）mg·kg-1.而在图3c，于微塑料与锌复合污染下聚乙烯和锌复合处理对土壤碱解氮含量影响不显著，而可降解复合处理显著提高了碱解氮含量，在400 mg·kg-1处理下含量最高为（114.01±2.36）mg·kg-1.

2.4 不同处理对速效磷含量的影响由图4a 可知不同种类和数量的增加均显著降低了土壤速效磷含量，虽然随着添加量的增加速效磷含量有升高的趋势，但仍显著低于对照.两种微塑料在1%下含量均为最低，分别为31.88 mg·kg-1和64.03 mg·kg-1.图4b 表明不同含量的锌处理对土壤速效磷有显著影响.呈现随着添加量的增加速效磷含量降低的趋势，在400 mg·kg-1时含量最低为（63.91±5.88）mg·kg-1.而由图4c 可知两种塑料复合处理均降低了土壤速效磷含量，且可降解处理下降更显著，在400 mg·kg-1时含量最低为（39.59±5.78）mg·kg-1，降低了472.89%.

图4 不同处理土壤的速效磷

2.5 不同处理对蔗糖酶活性的影响由图5a可知与对照相比，蔗糖酶活性在不同种类和数量的微塑料添加下差异显著.可以看出随着聚乙烯微塑料添加量的增加蔗糖酶活性有下降的趋势，而可降解塑料表现出相反的趋势.图5b 不同含量的锌添加对土壤蔗糖酶无显著影响，而由图5c 可知，在复合污染中可降解微塑料处理显著提升了蔗糖酶的活性，其中变化最显著的为PBAT与锌的复合污染.

图5 不同处理土壤的蔗糖酶

2.6 不同处理对脲酶活性的影响图6a 表明不同种类和数量的微塑料添加均显著提高了土壤脲酶活性.与对照相比，虽然聚乙烯塑料提高了脲酶活性但是不同添加量之间无限制差异，然而随着可降解塑料添加量的增加土壤中脲酶含量逐步递增，在添加量为10%时含量最高，为（654.56±20.10）μg·g-1·d-1.图6b 为锌的不同添加量对土壤脲酶影响，与对照相比，200 mg·kg-1和800 mg·kg-1处理增加了脲酶活性，400 mg·kg-1表现为酶活性降低.而由图6c 可知，在复合污染中，可降解塑料处理显著提高了土壤脲酶活性，在800mg·kg-1时脲酶活性最高，与对照相比提高89.63%，而聚乙烯处理变化不显著.

图6 不同处理土壤的脲酶

2.7 不同处理对酸性磷酸酶活性的影响对于酸性磷酸酶，在图7a单独添加微塑料结果中可知聚乙烯塑料的添加虽然降低了酸性磷酸酶的活性，但与对照相比差异不显著，而可降解塑料的添加显著提高了酸性磷酸酶活性且与添加量呈正相关关系，在添加量为10%酶活性最高为（1.55±0.16）mg·g-1·12h-1.图7b为单独锌添加，可以看到锌添加显著降低了酸性磷酸酶活性，但不同添加量之间无显著差异，表明土壤中锌含量对土壤酸性磷酸酶活性无影响.在图7c微塑料与锌复合污染中，酸性磷酸酶与蔗糖酶活性变化表现为相同的趋势及在可降解塑料处理最显著.

图7 不同处理对土壤酸性磷酸酶的影响

2.8 不同处理对过氧化氢酶活性的影响过氧化氢酶而言，由图8a可知聚乙烯微塑料的添加对过氧化氢酶活性无影响，但随着可降解微塑料添加量的增加酶活性降低，但1%和10%之间无差异.图8b表示不同含量的锌添加对过氧化氢酶的影响，由图可知过氧化氢酶活性与锌添加量无显著相关关系.由图8c可知两种微塑料均会对过氧化氢酶活性产生影响，且可降解塑料对酶活性影响更大，在锌浓度为400 mg·kg-1时酶活性最低为（1.49±0.34）mL·g-1.与锌单独处理结果相比，复合处理对酶活性的影响大多是由微塑料添加导致.

图8 不同处理土壤的过氧化氢酶

3 讨 论

3.1 不同处理对土壤养分的影响对土壤养分的影响.微塑料不同种类对土壤养分的影响存在差异.两种微塑料添加均提高了土壤pH值、有机碳、碱解氮的含量，这与Gao等［21］的研究结果一致.Yang等［22］同样发现微塑料添加增加了土壤pH 值，可能的原因为微塑料较大的表面积吸附了大量的带正电或带负电的离子或胶体物质，从而改变土壤溶液中的离子交换，最终导致增加了土壤pH 值.而在微塑料与锌复合污染中，pH呈降低趋势，可能的原因为添加的硫酸锌呈酸性，从而致使pH值降低.

有机碳是表征土壤质量的一个重要指标.研究发现MPs，尤其是生物MPs，本身或其中间产物可作为有机碳源［23］从而增加了有机碳含量.Meng 等人研究发现不同含量的聚乙烯微塑料添加46 d 后土壤中有机质含量无显著差异，而生物可降解微塑料处理从46 d到105 d有机质含量显著增加［24］.试验结果与上述研究结果相似，生物可降解微塑料显著提高了土壤有机碳含量.可能由于聚乙烯塑料结构稳定，在自然条件下很难降解.与聚乙烯微塑料相比，生物可降解微塑料更易降解，且当前研究中使用的生物MPs含有杂原子聚合物（PBAT 是脂肪族-芳香族聚合物），经分解后释放更多的有机物质从而增加土壤有机碳含量.不同含量的锌污染对土壤有机碳含量影响基本相同，由此可以说明复合污染中土壤有机碳含量的变化主要由微塑料造成.

实验结果表明单独污染和复合污染均会提高土壤碱解氮含量，此前有实验表明有机质含量与碱解氮和速效钾含量之间存在极显著正相关关系［25］.因此研究中碱解氮含量的增加可能与土壤中有机碳含量的增加有关，需要进一步研究验证.同时Huang 等［26］发现在稻麦区，土壤铵态氮锌含量呈显著正相关，本实验结果与此一致.可能的原因为和Zn2+之间对土壤胶体交换位点的竞争，这可能导致Zn2+从吸附位点解吸由于PBAT 对土壤有机碳影响较PE 更大，因此在复合污染中，PBAT 与Zn 复合污染中碱解氮含量高于PE复合污染.

不同处理均降低了土壤速效磷含量，已有试验结果表明微塑料浓度与土壤全氮（TN）、硝态氮（NO3-N）、水溶性总氮（TON）、微生物量氮（MBN）、全磷（TP）、速效磷（AP）呈显著负相关性［27］，在黄艳等的研究中地膜添加同样导致土壤速效磷含量下降［28］.此研究结果与本文实验结果中速效磷含量降低相符.可能的原因为MPs通过改变微生物过程影响氮和磷的生物地球化学循环.微塑料通过改变微生物的丰度和活性以及抑制土壤酶活性来降低有效氮和磷的含量［29］.不同程度的锌污染处理中速效磷含量降低的原因可能为锌添加使得土壤中解磷微生物相对丰度降低，从而降低土壤中速效磷含量［30］.因此在两种污染物复合作用下，使得速效磷含量进一步降低.

3.2 对酶活性的影响由于土壤酶对土壤胁迫反应敏感，常用作土壤健康变化的指标［30］.研究表明微塑料对酶活性的影响取决于微塑料的属性和暴露条件［24］.从实验结果可知随着PE添加量的增加，蔗糖酶和酸性磷酸酶活性受到抑制，而脲酶活性增强，这一结果与马云等人［31］的研究结果相一致，而PBAT 对蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影响表现为与PE 添加相反的结果，这是因为PBAT 比PE 具有更高的生物降解性［24］.同时发现与对照相比，低浓度的锌添加可以提高土壤中的酶活性，浓度太高会抑制酶活性，其原因可能是锌作为辅助因子或活化剂可以提高酶的活性，然而，过量的锌会通过与酶的蛋白质活性基团结合或与酶-底物复合物反应来抑制酶，王秀丽等［32］发现土壤酶活性与重金属含量呈负相关.实验中锌添加显著降低了土壤酶活性，这一结果与上述发现相符.土壤过氧化氢酶活性可用于表征土壤的总生物活性和肥力［33］，过氧化氢酶活性与需氧微生物和土壤有机质的丰度密切相关.MPs 可以改变土壤特性，如孔隙度、通气性和水流［34］，这可能导致土壤微生物群落的变化，如好氧和厌氧微生物相对分布的变化［23］.实验中过氧化氢酶的降低可能归因于过量的可降解微塑料抑制了好氧微生物活性.复合污染处理中，除PBAT与Zn 复合处理显著提高了酸性磷酸酶活性，且随着Zn 添加量的增加而降低可以说明这一变化主要由PBAT主导.

4 结 论

微塑料添加未对土壤pH 值产生显著影响，两种类型不同的添加量均会增加土壤有机碳含量，且可降解类型随着添加量的增加有机碳含量变化更为显著.高浓度的锌添加可以提高土壤碱解氮含量，而微塑料添加变化不显著.土壤酶活性会随微塑料的添加而产生变化，且可降解塑料对酶活性的影响显著高于普通塑料.锌添加会显著降低土壤酸性磷酸酶活性外，对脲酶和蔗糖酶活性有不同程度的提高.