微塑料对亚热带不同富铁程度红壤团聚体稳定性及碳氮磷化学计量特征的影响

2024-03-13张晓龙刘科学杨倩楠

西南农业学报 2024年1期

张晓龙,刘科学,王超,陈静,张池,赵理,杨倩楠

(1.广州新华学院资源与城乡规划学院,广州 510520;2.广东省华南城乡经济社会发展研究院,广州 510642;3.华南农业大学资源环境学院,广州 510642;4.中水珠江规划勘测设计有限公司,广州 510610)

【研究意义】塑料是一种难以降解的人造高分子材料,其发明为人类生产生活带来极大便利的同时也造成了大量污染[1]。据统计,2019年全球塑料总生产量为3.68×108t,其中,中国占比31%[2]。全球生产的塑料中仅9%左右能够实现回收利用,剩余的直接或间接进入环境中,经过不断的风化、磨损和紫外线照射,最终分解成粒径<5 mm的微塑料[3-4]。微塑料在土壤环境中的大量聚集可能会对土壤结构稳定性和养分循环等产生重要影响[5-6]。【前人研究进展】目前,关于微塑料对土壤团聚体结构稳定性的研究结果并不一致,胡旭凯等[7]研究发现微塑料可以增加土壤团聚体稳定性,而陈荣桓等[8]则认为微塑料对团聚体的影响效果存在阈值,当超过阈值时土壤团聚体稳定性随着微塑料浓度增加而降低,但低于阈值时则无显著影响。李淑洁等[9]证实土壤有机碳含量是导致团聚体稳定性响应机制产生分化的重要因素,在有机碳含量较少的土壤中,微塑料会降低土壤团聚体的稳定性;但在有机碳含量较高的土壤中,结果恰好相反。由此可得,团聚体稳定性变化趋势受到土壤性质和微塑料浓度的双重影响,不同土壤条件微塑料的作用效果可能不尽相同,进而造成土壤中碳氮磷循环发生差异,致使土壤肥力特征发生改变[10]。【本研究切入点】红壤作为东南亚热带地区分布最广泛的土壤类型之一,土壤贫瘠,且脱硅富铁化作用显著[11-12]。在这种特殊的土壤条件下,微塑料污染对红壤团聚体结构及碳氮磷化学计量特征的影响目前尚无系统报道。【拟解决的关键问题】本文通过添加铁和微塑料分别模拟红壤富铁程度和微塑料污染水平,探究不同富铁红壤条件下微塑料污染对其团聚体稳定性和碳氮磷化学计量特征的影响及其内在关系,以期为指导红壤地区土壤质量提升和污染管理提供理论依据[13]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤取自广东省韶关市新江县水稻种植区(113°48′37″ E,24°27′12″ N)表层土壤(0～20 cm),属亚热带季风气候,海拔110 m,年平均温度20.6 ℃,年平均降雨量1650 mm,土壤类型为红壤。试验前土壤基本理化性质:pH 5.45,有机碳含量18.33 g/kg,全氮含量1.00 g/kg,全磷含量0.82 g/kg,土壤游离铁含量17.52 g/kg,土壤质地为黏壤土。微塑料购自上海溯溪塑化有限公司的低密度聚乙烯(MPs),FeCl3试剂(分析纯)购自上海麦克林公司。

1.2 试验设计

试验为双因素3×3完全随机设计,因素一为微塑料添加量,分别是M0(不添加MPs)、M1(添加0.1%干土重量的MPs)和M2(添加1.0%干土重量的MPs)。因素二为铁添加量,分别为Fe0(不添加铁)、Fe1(添加10 g/kg干土的铁)、Fe2(添加20 g/kg干土的铁)。试验共设9个处理,包括Fe0M0、Fe0M1、Fe0M2、Fe1M0、Fe1M1、Fe1M2、Fe2M0、Fe2M1、Fe2M2,每个处理3次重复,每盆装土5 kg,瓷盆规格为28 cm×20 cm(高×内径),供试土壤风干磨碎过5 mm筛。在添加微塑料之前,采用紫外线灯杀菌30 min,以最大限度减少微生物污染,然后充分与土壤混合均匀。Fe0、Fe1、Fe2处理分别模拟原状、相对轻富铁和相对高富铁红壤[14]。添加的铁为水合铁矿,用1 mol/L NaOH滴定0.4 mol/L FeCl3·H2O溶液至pH 7制成水合铁矿,然后以溶液形式加入土壤中,进行30 d的陈化处理以保证土壤与铁混合以及土壤微生物与铁的相互作用(在添加溶液时遵循少量多次的原则)[15]。最后于2021年8月正式开始为期60 d的土壤培养,在此期间,通过称重法维持土壤60%的田间持水量状态。

1.3 测定方法

土壤团聚体采用团聚体筛分仪(TPF-100,上海托莫斯科学仪器有限公司)进行湿筛处理,筛出粒级大小为>2、2～1、1～0.5、0.5～0.25和<0.25 mm的团聚体;有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定;全氮含量采用凯氏定氮法测定;全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定。

1.4 数据分析

土壤团聚体稳定性评价指标采用>0.25 mm水稳性团聚体含量(WSA)、团聚体平均重量直径(MWD, mm)、几何平均直径(GMD, mm)、可蚀性K值和分形维数D值进行综合评价[16-17]。

(1)

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(4)

采用Excel 2013进行数据整理,采用SPSS 25.0 进行方差分析和相关性分析,利用Origin 9.0软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 微塑料对不同富铁程度红壤水稳性团聚体分布特征的影响

由表1可知,在Fe0条件下,微塑料处理对粒级>2、2～1、1～0.5 mm的团聚体无显著性影响(P<0.05,下同),M1能显著降低粒级0.5～0.25 mm团聚体含量,粒级< 0.25 mm的团聚体则为M1显著大于M2。在Fe1条件下,微塑料处理对粒级>2、1～0.5和<0.25 mm的团聚体含量无显著性影响(P>0.05,下同),M2能显著降低粒级2～1 mm团聚体含量,M1和M2则能显著降低0.5～0.25 mm团聚体含量。在Fe2条件下,微塑料处理可显著降低粒径>2、2～1、1～0.5 mm的团聚体含量(仅Fe2M2对1～0.5 mm的团聚体影响除外),对粒级0.25～0.5 mm团聚体无显著性影响,M1可显著增加< 0.25 mm团聚体含量,但M2无显著性作用。对于粒径>0.25 mm的团聚体而言,Fe0条件下,M2显著大于M1,但与M0无显著性差异。在Fe1条件下,微塑料处理之间均无显著性差异。在Fe2条件下,M0显著大于M1,但是与M2无显著性差异。分析同等微塑料不同铁浓度添加情况下团聚体的分布情况可知,M0和M2条件下不同铁处理> 0.25 mm的团聚体含量之间无显著性差异,M1条件下则为Fe1显著大于Fe0和Fe2。

表1 不同处理土壤水稳定性团聚体的组成

2.2 微塑料对不同富铁程度红壤团聚体平均重量直径和几何平均直径的影响

由图1可知,Fe0条件下,M1可以降低土壤团聚体的MWD和GMD,但和M0相比无显著性差异,M2则可以显著增加土壤团聚体的GMD。Fe1条件下,不同微塑料处理的土壤团聚体MWD和GMD彼此之间均无显著性差异。Fe2条件下,M1和M2均可显著降低土壤团聚体的MWD和GMD。但同等微塑料不同铁处理的MWD和GMD显示,M1和M2在Fe0、Fe1和Fe2三者之间无显著性差异(Fe0M1的MWD除外),仅M1条件下为Fe1显著大于Fe0和Fe2。

图1 不同处理土壤团聚体平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)Fig.1 Average weight diameter (MWD) and average geometric diameter (GMD) of soil aggregates under different treatments

2.3 微塑料对不同富铁程度红壤团聚体可蚀性K值和分形维数D值的影响

土壤可蚀性K值和分形维数D值是评价土壤结构分布的综合指标,由图2可知,Fe0条件下,M1的K值显著高于M2,D值则无显著性差异。Fe1条件下,K值和D值的结果均为各微塑料处理之间无显著性差异。Fe2条件下,M1和M2均可显著增大K值和D值。同等微塑料比较不同铁处理K值可得,仅M1条件下的Fe1显著小于Fe0和Fe2,而M0和M2条件下不同铁处理之间则没有显著性差异。D值则显示M1和M2的不同铁处理之间没有显著性差异,仅M0的Fe2处理可以显著降低D值。

图2 不同处理土壤团聚体的可蚀性K值和分形维数D值Fig.2 Erodibility K value and fractal dimension D value of soil aggregates under different treatments

2.4 微塑料对不同富铁程度红壤碳氮磷含量及其化学计量特征的影响

由表2可知,Fe0条件下M1和M2均可显著提高土壤SOC;Fe1和Fe2条件下不同微塑料处理对土壤SOC没有显著影响。土壤TN结果显示,Fe0和Fe1条件下M1和M2均可显著降低土壤TN,但在Fe2条件下,M1和M2均对土壤TN无显著性影响。土壤TP结果则显示,无论在何种铁添加条件下,TP均表现为M0>M1>M2。对于C/N而言,在Fe0和Fe1条件下,M1和M2均可显著提高其比值,而Fe2条件下,微塑料处理则对其没有显著性影响。对于C/P而言,任何铁条件下均为M2>M1>M0。N/P则为在Fe0和Fe1条件下仅M2可显著提高其比值,但在Fe2条件下M1和M2均可显著提高其比值。

表2 不同处理土壤碳氮磷含量及其化学计量特征

2.5 各指标之间的相互关系

由图3-a可知,粒径<0.25 mm的土壤团聚体含量与WSA、MWD和GMD呈显著负相关,与K值呈显著正相关,粒径2～1、1～0.5 mm的团聚体含量与WSA、MWD、GMD呈显著正相关,与K值和D值呈显著负相关,粒径2～1 mm团聚体含量与TN含量呈显著正相关,与C/N呈显著负相关。而C/P和N/P则与SOC含量呈显著正相关,与TP含量呈显著负相关;C/N则与TN含量呈显著负相关。由图3-b可知,红壤SOC含量主要与粒级>2 mm和0.25～0.5 mm的团聚体含量密切相关;TN含量则主要与粒级<0.25、0.5～0.1、1～2、>5 mm的团聚体含量有关,TP含量主要受到粒级0.25～0.5 mm的影响。

图3 各指标之间的Pearson相关分析和主成分分析Fig.3 Pearson correlation analysis and principal component analysis between various indicators

3 讨论

3.1 微塑料对不同富铁程度红壤团聚体水稳性的影响

团聚体是土壤的基本结构单元,对于调控土壤的可蚀性和渗透性有重要作用[18]。众多研究表明,有机碳和铁的氧化物是土壤颗粒团聚的重要胶结剂,对团聚体的形成和稳定具有重要影响[19-20]。微塑料作为人造高分子有机物,其对土壤团聚体影响是双重效应综合作用的结果[8]。首先,微塑料因其表面张力大而具有较强的吸附性,能富集较多的有机质和微生物,使之成为土壤有机质分解转化的“聚集区”,可形成较多的有机胶结物,有利于土壤团聚体形成和稳定。其次,微塑料因其本身具有疏水性且带负电,与土壤颗粒间具有一定的排斥性,不利于形成稳定的团聚体。马文倩等[20]研究发现聚乙烯微塑料可以显著增加土壤微团聚体比例,但不利于大团聚体的形成,导致土壤稳定性降低。胡旭凯等[8]则发现,5%～25%质量浓度的聚乙烯微塑料短期内能够增强土壤团聚体稳定性。而本研究结果与上述并不完全一致,试验证明,在原状红壤条件下,M1可以降低土壤团聚体的稳定性,M2则可以增高土壤团聚体的稳定性。原因可能是少量微塑料添加增加了土壤微团聚体的数量,微团聚体数量增加导致土壤团聚体的稳定性降低,但是当微塑料添加量增大时,以微塑料有机碳为基础形成的微团聚体数量足够多,容易克服微团聚体内聚力形成大团聚体,进而增加土壤团聚体的稳定性[21]。当在原状土壤同时添加铁和微塑料时,此时土壤团聚体不仅受到微塑料的影响,也会显著受到铁及其氧化物产物的作用。首先,铁氧化物可作为团聚体的基本骨架,为团聚体形成提供基础;其次,铁氧化物是土壤颗粒团聚的重要胶结剂,对微团聚体形成和稳定过程起着重要作用[18]。研究发现,在Fe1条件下,各微塑料处理并不能引起土壤团聚体稳定性发生变化,原因可能是微塑料和铁离子之间彼此络合吸附,致使它们各自对土壤团聚体的影响弱化,从而导致各微塑料处理之间土壤团聚体稳定性无显著性差异[22]。在Fe2条件下,M1和M2均可降低土壤团聚体稳定性,且M1作用效果更加显著。此现象的产生原因可能是当土壤中的铁含量较多时,微塑料只能结合部分铁离子,剩余部分在环境中易被氧化,氧化产生的铁氧化物是团聚体的重要胶结剂,有利于微团聚体的形成,微团聚体增多会降低土壤团聚体的稳定性,且因为M1结合的铁离子较少,剩余的铁氧化物就更多,所以M1对土壤团聚体稳定性的降低效果更明显[18,21]。

3.2 微塑料对不同富铁程度红壤碳氮磷含量的影响

SOC、TN、TP含量可以反映土壤养分状况,也影响土壤团聚体的分布特征,而土壤团聚体分布特征又可反过来影响土壤SOC、TN、TP含量及其生态化学计量特征[23]。本研究发现,微塑料作为一种人造高分子有机物加入到红壤中,仅在Fe0条件下可显著提高土壤SOC含量,在Fe1和Fe2条件下其对土壤SOC并没有显著作用。原因可能与不同耦合条件下土壤团聚体形成机制有关,在无铁添加的条件下(Fe0),微塑料碳可能作为主要的胶结物质参与团聚体的形成,但当土壤相对富铁时(Fe1),铁氧化物会替代微塑料碳在团聚体形成过程中的胶结作用,致使SOC更加不利于贮存在土壤中[17]。Fe0和Fe1条件下M1和M2均可显著降低土壤TN含量,但在Fe2条件下,M1和M2均对土壤TN含量无显著性影响。结合主成分分析结果可知,TN主要与粒级<0.25 mm的团聚体含量呈显著负相关,与其它粒级的团聚体含量呈正相关。Fe0M1、Fe1M1和Fe1M2均可以显著降低粒级0.5～0.25 mm团聚体含量,Fe0M2则可显著增加粒级<0.25 mm团聚体含量,这可能是造成Fe0和Fe1条件下微塑料处理TN含量下降的主要原因,至于Fe2M1显著增加了<0.25 mm团聚体含量,但是没有引起TN含量变化的原因有待进一步研究[24]。土壤TP含量结果则显示,无论在何种铁添加条件下,TP含量均表现为M0>M1>M2。分析可知,TP含量主要与粒级0.5～0.25 mm的团聚体含量呈正相关,与粒级<0.25 mm团聚体含量呈负相关。研究发现,Fe1条件下M1和M2处理可显著减少0.5～0.25 mm团聚体含量,并且在Fe2条件下,M1和M2处理还可以增加<0.25mm团聚体含量,这可能是引起TP含量随微塑料增多不断降低的主要原因[25]。

3.3 微塑料对不同富铁程度红壤碳氮磷化学计量特征的影响

C/N、C/P和N/P可反映土壤有机碳分解状况、碳氮磷循环特征和土壤养分供应限制类型等。C/N是指示土壤碳氮矿化能力的重要指标,决定有机碳的分解速率,较低的C/N意味着土壤有机碳矿化快,养分周期短,不利于土壤碳氮养分的固存[26]。本研究发现,在Fe0和Fe1条件下,M1和M2均可显著提高C/N,但Fe2条件下微塑料处理对C/N没有显著性影响。造成差异的主要原因是Fe0和Fe1条件下微塑料处理可显著降低土壤TN含量,而Fe2的微塑料处理并不能引起土壤TN含量发生变化,而TN含量的差异是主要由团聚体粒径组成发生变化造成。C/P可以反映土壤吸收固持磷的潜在能力,研究发现Fe0、Fe1、Fe23种富铁红壤的C/P均为M2>M1>M0,最主要的原因是TP含量随着微塑料添加量增加而不断减少,并且这主要与0.5～0.25 mm团聚体含量的显著减少和<0.25 mm团聚体含量的增多有关[27]。土壤N/P可表示土壤养分的相对平衡程度,常被用于预测土壤养分限制类型。土壤N/P低,说明为氮养分限制类型,反之则为磷养分限制类型。本研究中所有的M2处理均可显著增高N/P,主要原因是微塑料添加可以致使TP含量减少,最终导致红壤向磷养分限制类型发生转变[28-29]。