不同地膜残留量对滴灌棉田土壤微塑料的影响

目录TOC\o"1-2"\h\u122731.引言 .引言地膜覆盖技术在滴灌棉田中广泛应用，显著提高了土壤保水性和作物产量。随着长期大规模使用，地膜残留问题逐渐显现，破碎后的地膜形成微塑料颗粒，成为土壤生态系统的潜在威胁。近年来，国内外学者对微塑料在海洋和淡水环境中的迁移转化已有较多研究，但农田土壤微塑料污染的关注度相对较低REF_Ref27634\r\h[1]。尤其在棉田系统中，地膜残留量与微塑料分布的关系尚未得到系统解析，缺乏定量化研究支持。粒径小于5mm的塑料颗粒通常被大部分学者定义为微塑料。它们来源广泛，包括塑料制品的分解、合成纤维脱落以及塑料生产过程中的废弃物等REF_Ref28094\r\h[2]。微塑料对土壤环境的影响具有复杂性，可能通过改变土壤结构、干扰微生物代谢等途径降低土壤健康水平。已有研究表明，微塑料的存在会抑制土壤酶活性、减少有机质含量，并导致微生物群落多样性下降REF_Ref28378\r\h[3]。在棉田中，微塑料还可能通过根系接触影响棉花生长，但具体作用机制仍不明确。现有研究多集中于单一残留量下的微塑料分布特征，而不同残留梯度对土壤微塑料数量、粒径及迁移行为的差异仍需深入探讨REF_Ref12433\r\h[4]。当前，针对棉田的地膜残留管理仍缺乏科学依据。尽管部分学者提出了地膜回收技术的改进方案。例如，天津再生资源研究所提出的测定方法虽能量化残留量，但未结合微塑料的环境效应进行综合评价REF_Ref12508\r\h[5]。对典型覆膜区域的研究表明，微塑料的空间分布与灌溉方式密切相关，但滴灌系统对微塑料垂直迁移的具体影响仍需进一步验证REF_Ref19215\r\h[6]。解决地膜残留引发的微塑料污染问题，是实现农业可持续发展的关键。聚焦棉田，系统分析地膜残留量与土壤微塑料的数量、类型、粒径特征及其对土壤理化性质的影响，明确不同残留量下微塑料的累积规律。2.材料与方法2.1研究区域与实验设计本研究在新疆乌鲁木齐市新疆农业科学院灰漠土试验站（43°95′26″N，87°46′45″E，海拔680-920m）开展。研究区域属于典型的干旱半干旱荒漠气候，气象观测数据显示，该地区年平均气温介于5至7摄氏度之间，年降水量180至250毫米，年蒸发量高达1600至2200毫米。充足的光照条件是当地农业生产的显著特征，年均日照时数达到2594小时，无霜期156天。设置6个水平的残膜等级，分别为CK（0kg/hm2）、A1（250kg/hm2）、A2（500kg/hm2）、A3（1000kg/hm2）、A4（1500kg/hm2）和A5（2000kg/hm2）。分别布设小区试验，通过添加不同残膜量处理，进行监测采样和室内测定。共18个实验小区，每个试验小区2m2（1m×2m），随机分布，采用1膜3管6行种植模式，膜宽2.05米，管理方式为大田常规管理。2.2样品采集与处理土壤样品采集于棉花成熟期采集，采样深度分为0-20cm，20-40cm。使用土钻取原状土，将各测点土样混匀后取200g装入布袋子，取样后，将待测土壤带回实验室，平铺在白纸上自然风干，风干后过5mm筛，并挑除植物根系及长边长度大于2cm的残留地膜。过筛后用于测微塑料的土壤样品用布袋保存。2.3微塑料的提取与分析将土壤样品过5mm筛，挑除植物根系、＞2cm残膜及生物炭颗粒等杂质后，称取50g干土置于150ml三角瓶；加入80-100ml30%NaClO・KOH混合液（高有机质土壤用100ml），60℃消解48h；再向消解后的样品加150ml饱和氯化钠溶液，震荡30min、静置3-5h，收集上清液至500ml三角瓶并重复3次；最后将上清液2000转离心10min，经0.45µm玻璃纤维素滤膜真空抽滤，滤膜加盖风干，完成从土壤样品预处理到目标物质分离提取的全过程。用体式显微镜对样品中的微塑料进行观察和计数（记录微塑料数量、颜色形状和粒径），利用土壤微塑料丰度计算公式计算微塑料丰度。土壤微塑料丰度计算公式：A=（N/V）×100式中：A为土壤中微塑料丰度（个/千克），N为电子显微镜计数（个），V为称取的土重（g）。2.4土壤理化性质测定pH使用PHSJ-4FpH计（水土比为5:1）测定；电导率使用电导仪测定；土壤含水量采用烘干法；有机质采用重铬酸钾氧化外加热法；速效氮采用碱解扩散法；速效磷采用碳酸氢钠浸提-硫酸钼锑抗比色法；速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度法。3.结果与分析3.1不同残膜处理下微塑料分布特征新疆地区不同残膜处理下滴灌棉田有六个不同土壤样品中都检测出了微塑料，其微塑料的丰度平均值范围在23.4-175个/千克，且试验区域内微塑料的丰度在不同处理下存在差异性。如图1所示，六个不同残膜处理：A1(45.2±7.8个/千克)、A2(68.9±10.2个/千克）、A3（97.4±14.5个/千克)、A4（132.1±19.8个/千克）、A5（152.6±22.4个/千克）和CK（28.7±5.3个/千克），其中A5处理最高，CK处理最低。根据丰度平均值波动范围可知六个处理样本间均存在含量差异，且A5和CK处理之间为显著差异。图1六个不同处理丰度分布图3.2不同残膜处理下微塑料颜色、粒径、形状特征微塑料颜色根据在体视显微镜观察下划分为：黑色，白色、黄色、红色、蓝色、粉色、棕色、绿色。不同处理下土壤微塑料颜色分布特征如图2所示，可知棉田中土壤微塑料的颜色主要以黑色为主，接近或超过70%，处于主导地位。白色在A1-A3组有一定占比，约在10%-20%间。黄色在A5组有少量占比。红色、蓝色、粉色、棕色、绿色在各组中占比普遍较低，多处于5%以下，在整体颜色分布中占比较小。粒径＜0.5mm的部分在A1-A5以及CK组中占比均较高，多在80%-95%之间，是主要组成部分。粒径0.5-1mm在各组也有一定占比，大致处于5%-20%。粒径1-2mm、2-3mm、3-5mm及＞5mm的部分在各组中占比普遍较低，大多不足5%，在整体粒径分布中占比较小。在棉田土壤中检测到的微塑料类型包括薄膜状、碎片状、纤维状、泡沫状和颗粒状。如图4所示，以薄膜状为主，纤维状次之。薄膜状在A1-A5以及CK组中占比最大，均在60%-80%左右，是主要形状类别。纤维状在各组也有一定占比，大致处于10%-30%。碎片状、泡沫状、颗粒状在各组中占比普遍较低，大多不足10%，在整体形状分布中占比较小。图2不同处理下颜色、粒径形状分布比例图3.3不同残膜处理下土壤理化性质差异对试验区域内滴灌棉田的6个不同处理主要研究了pH、电导率、碱解氮、全磷、速效钾、速效磷和有机质七个理化指标，图3所示，电导率在A1-A5及CK组占比均最高，普遍超过80%，是主要理化性质指标。pH占比极低，均在5%以下。碱解氮、全磷、速效钾占比处于中间范围，大多在5%-15%。速效磷和有机质占比也较低，多不足5%。图3不同处理下各理化性质分布比例图残膜处理（kg/hm²）CKA1A2A3A4A5pH值7.8±0.17.6±0.17.4±0.27.3±0.27.2±0.27.1±0.2电导率（dS/m）1.23±0.121.39±0.141.56±0.171.72±0.191.89±0.221.98±0.23表1不同残膜处理下土壤pH与电导率高残膜处理使土壤pH明显降低，电导率增加（表1）。与CK相比,A5处理的pH从7.8±0.1降至7.1±0.2（P<0.01），电导率从1.23±0.12dS/m升至1.98±0.23dS/m,增幅达61.0%。pH的降低可能与其表面酸性官能团的释放相关，电导率的上升反映土壤离子浓度的上升，提示微塑料对溶解性物质的吸附或者释放。残膜处理（kg/hm²）速效磷（mg/kg）速效钾（mg/kg）碱解氮（mg/kg）全磷（g/kg）全钾（g/kg）CK18.6±2.1205±2282.5±8.60.52±0.0612.8±1.4A1（250）16.2±1.9188±2075.3±7.80.51±0.0512.6±1.3A2（500）14.1±1.7169±1868.9±7.20.50±0.0512.5±1.2A3（1000）12.8±1.5153±1663.2±6.80.49±0.0412.3±1.1A4（1500）11.3±1.3141±1559.6±6.50.48±0.0412.1±1.0A5（2000）10.0±1.1136±1464.4±6.30.47±0.0412.0±1.0表2不同残膜处理下土壤养分含量速效磷，速效钾，碱解氮等随残膜量增加呈显著下降趋势。在A5处理中，速效磷、速效钾和碱解氮的含量分别是CK的66.7%、76.1%和78.0%，但全磷和全钾的含量之间并没有明显的差异（P>0.05）。说明微塑料对养分有效性的影响主要是吸附或者物理阻隔的作用，并不是改变土壤的总养分储量。图4微塑料与理化指标之间的相关性热图（皮尔逊相关系数）利用皮尔逊相关系数的方法分析不同处理下棉田微塑料与理化性质之间的相关性，并用相关性热体现pH和电导率(μs/cm)相关系数为-0.83，呈现较强的负相关。这可能意味着随着pH值的升高，溶液的导电能力会显著下降，推测在这种环境下，可能某些离子的活性或浓度受到pH的影响，从而导致电导率变化REF_Ref19538\r\h[7]。碱解氮(mg/kg)和速效钾(μg/mL)相关系数为0.87，呈较强的正相关。表明土壤中可被植物直接吸收利用的氮素含量与可被植物快速吸收的钾含量有同步变化的趋势，可能是因为在土壤的生态化学过程中，这两种养分的释放、迁移等过程受到相似因素的调控REF_Ref15516\r\h[8]。电导率(μs/cm)和全磷(g/kg)相关系数为0.92，呈很强的正相关。说明电导率很大程度上可以反映土壤中磷的总含量，电导率高时，土壤中磷的总含量也高，可能是因为土壤中的磷元素以某种离子形式存在，对电导率贡献较大。速效磷(mg/kg)和速效钾(μg/mL)相关系数为-0.30，呈现较弱的负相关，说明两者之间的关联较弱，它们在土壤中的存在和变化相对独立，受到不同因素的影响REF_Ref14435\r\h[9]。4.讨论4.1不同残膜下微塑料分布特征本研究在新疆乌鲁木齐市新疆农业科学院灰漠土试验站里，根据对数据的初步分析，在所有的处理中都检测到了微塑料，其丰度范围为23.4-175个/千克，且不同处理间存在显著差异。在六个不同处理中，A5处理最高，CK处理最低。数据表明，微塑料丰度随残膜量增加呈指数型增长，当残膜量从CK（0kg/hm2）升至A5（2000kg/hm2）时，丰度从28.7±5.3个/kg飙升至152.6±22.4个/kg,增幅达431.7%。在未受扰动的土壤中，0-20厘米表层往往是微塑料最集中的区域。这是因为残膜主要分布在耕作层，且机械耕作（如翻耕）会加速地膜破碎并使其在表层扩散。随着时间推移或人为扰动（如深耕），部分微塑料可能进入20-40厘米土层，但含量通常低于表层。微塑料的颜色、形状和粒径分布受其来源和土壤性质影响。不同处理中，棉田中所含微塑料颜色主要以黑色为主，接近或超过70%，处于主导地位，白色、黄色为其次，红色、蓝色、粉色、棕色、绿色在各组中占比普遍较低，在整体颜色分布中占比较小。处理间差异可能源于采样深度或局部环境因素，但整体颜色分布模式相似。各处理组中薄膜状的优势地位显著，纤维状和颗粒状次之，泡沫状和碎片状占比相对较小，反映出不同处理对样本形状组成的显著影响。微塑料粒径主要集中在0-5mm，小于0.5mm的微塑料普遍占主导，但不同处理及土层深度下粒径分布特征各异，部分处理深层出现大粒径分布差异或小粒径异常积累，显示处理条件对微塑料粒径分布具有显著影响。粒径分布呈现“残膜量愈多，小颗粒的比例愈大”的规律，反映出残膜破碎的粒径依赖性，机械耕作和光降解共同促进了微塑料的细化REF_Ref13661\r\h[10]。研究表明，深度在20-40cm下，大量微塑料可能填充土壤孔隙，降低渗透率，阻碍微塑料随水分下渗迁移。小粒径微塑料（尤其是＜0.5mm）可能因“胶体效应”随水流扩散更远REF_Ref14292\n\h[11]。深度在0-20cm下，土壤孔隙未被堵塞，微塑料（尤其是＞5mm）更易随重力或水流垂直迁移至深层土壤或地下水REF_Ref28221\n\h[12]。4.2理化性质对微塑料分布特征的影响利用皮尔逊相关系数分析数据，由相关性热图结果可知，pH和电导率较强的负相关关系。也就是说，随着pH值的升高，电导率μs/cm有较大可能会降低；反之，当pH值降低时，电导率μs/cm可能会升高。电导率与微塑料含量呈强正相关，可能因微塑料吸附离子或改变土壤孔隙结构，导致电导率升高REF_Ref14246\n\h[13]。电导率(μs/cm)和全磷(g/kg)呈很强的正相关。说明电导率很大程度上可以反映土壤中磷的总含量，电导率高时，土壤中磷的总含量也高，可能是因为土壤中的磷元素以某种离子形式存在，对电导率贡献较大REF_Ref14167\n\h[14]。通过查找资料表明，电导率(μs/cm)与全磷、pH呈强相关，高电导率可能对应高离子浓度，通过压缩微塑料表面双电层，增强其与土壤颗粒的吸附，抑制迁移REF_Ref14073\n\h[15]；反之，低电导率环境中微塑料可能更易悬浮迁移。高pH可能使土壤颗粒和微塑料表面带负电荷，静电排斥作用减弱吸附，促进微塑料随水迁移REF_Ref13965\n\h[16]。5.结论本试验分析了不同残留量对滴灌棉田土壤微塑料的分布特征及与土壤理化性质的关系。分析发现，不同残留量对滴灌棉田土壤中均存在微塑料，不同处理间微塑料丰度有显著差异，A5处理最高，CK处理最低。；微塑料颜色以黑色为主，形状主要为薄膜状，微塑料粒径主要集中在0-5mm，小于0.5mm的微塑料普遍占主导，但不同处理及土层深度下粒径分布特征各异。表明残膜破碎具有明显的粒径依赖性，机械耕作和紫外线辐射加速了地膜向小粒径微塑料的转化。土壤理化性质中，各处理pH值集中在8.5-8.7，呈弱碱性，处理间无显著差异。电导率在A1-A5及CK组占比均最高，普遍超过80%，是主要理化性质指标。碱解氮、全磷、速效钾占比处于中间范围，大多在5%-15%。速效磷和有机质占比也较低，多不足5%。pH和电导率较强的负相关关系。也就是说，随着pH值的升高，电导率μs/cm有较大可能会降低；反之，当pH值降低时，电导率μs/cm可能会升高。电导率(μs/cm)和全磷(g/kg)呈很强的正相关，电导率高时，土壤中磷的总含量也高.参考文献：郭雨鑫.土壤酶和微生物对农田残留地膜源微塑料的响应机制研究[D].哈尔滨师范大学,2023.农业机械化工程.基于优化识别方法的土壤微塑料微环境效应研究[D].2024.杜涛,罗思,田浩,等.农田地膜微塑料残留量的测定方法研究[J].再生资源与循环经济,2022,15(09):28-31.吴海淼.塑料地膜覆盖对农田不同空间微生物群落的影响[D].河北地质大学,2022.中华全国供销合作总社天津再生资源研究所.农田地膜源微塑料残留量的测定:GH/T1378-2022[S].中国标准出版社,2022.丁峰.土壤中地膜微塑料的分离与环境降解特性基础研究[D].西南科技大学,2021.曹俊豪.农田残膜与微塑料的分布特征及其对水土环境的影响研究[D].西北农林科技大学,2023.丁凡,李诗彤,王展,等.塑料和可降解地膜的残留与降解及对土壤健康的影响:进展与思考[J].湖南环境生物职业技术学院学报,2021,8(3):83-89.谭延龙.农田塑料残膜对土壤微生物群落构建的影响及塑料降解菌的挖掘[D].山东农业大学,2024丁凡,李诗彤,王展,等.塑料和可降解地膜的残留与降解及对土壤健康的影响:进展与思考[J].湖南生态科学学报,2021,8(3):7.徐征鑫.典型覆膜区域棉田土壤微塑料分布特征研究[D].塔里木大学,2023.丁峰.土壤中地膜微塑料的分离与环境降解特性基础研究[D].西南科技大学,2021.EbrahimiS,DoulgerisC,Kari