陳榮龍, 陳延華, 黃 珊, 余 瑤, 陳榮桓, 薛 萐, 劉 瑩, 楊曉梅,**

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 楊凌 712100; 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所 北京 100097; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 楊凌 712100)

地膜覆蓋可以促進(jìn)種子萌發(fā), 加速根系和植物地上部分生長(zhǎng), 延長(zhǎng)有效生育期, 達(dá)到作物早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的良好效果。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐重要的耕作技術(shù), 農(nóng)膜及塑料大棚的使用及推廣, 極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力, 使干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)得到了顯著改善。然而, 長(zhǎng)期農(nóng)膜施用所產(chǎn)生的“白色污染”問題, 已成為土壤健康、生態(tài)環(huán)境安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙。據(jù)報(bào)道, 歐盟每年向陸地中釋放的塑料總量約為向海中釋放總量的4～23倍, 每年僅從農(nóng)田土壤中輸入的塑料就遠(yuǎn)超過全球海洋表面漂浮的塑料總量。而陸地生態(tài)系統(tǒng)作為海洋生態(tài)系統(tǒng)塑料污染的主要來源, 其污染現(xiàn)狀及歸趨特征直接威脅著海洋生態(tài)系統(tǒng)的安全。因此, 塑料污染及其所引起的環(huán)境問題越來越受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。

我國(guó)是世界上棚膜覆蓋率最高的國(guó)家之一, 地膜覆蓋面積近0.2億hm, 由于地理位置和氣候條件等因素, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)地膜及塑料制品的需求各異, 從而導(dǎo)致我國(guó)南北地區(qū)土壤中塑料殘片和微塑料的時(shí)空分布特征差異顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2014-2019年全國(guó)地膜用量基本穩(wěn)定在143萬(wàn)t左右, 主要集中在西北和華北平原地區(qū), 然而農(nóng)膜回收及其殘留累積問題已經(jīng)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。研究表明:我國(guó)農(nóng)田土壤中塑料薄膜累積達(dá)到(5.508×10±6.330×10) t, 地膜覆蓋農(nóng)田土壤中地膜殘留的負(fù)荷范圍為0.2～317.4 kg·hm, 由于使用的大部分地膜在作物季結(jié)束時(shí)未回收, 地膜殘留在農(nóng)田中不斷累積, 而殘留于土壤中的塑料經(jīng)氣候變化、紫外線照射、機(jī)械耕作力干擾進(jìn)一步老化或碎片化, 逐漸形成更加難以撿拾回收的小殘片、微塑料顆粒(＜5 mm)、甚至納米塑料顆粒, 而這些顆粒因其尺寸小、疏水性強(qiáng)、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn), 可長(zhǎng)期存在于土壤中, 并直接參與土壤演化及其水文學(xué)過程, 亦可能進(jìn)入植物(通過根系吸收或者裹挾)及人體(食用或食物鏈傳遞等方式), 從而威脅植物生長(zhǎng)及人類健康。研究表明: 微塑料不僅會(huì)影響土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、降低土壤肥力、改變土壤中微生物群落多樣性, 還會(huì)對(duì)土壤環(huán)境中植物和動(dòng)物造成危害, 影響作物生長(zhǎng)及糧食產(chǎn)量, 影響動(dòng)物生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖。還可能由于低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物被動(dòng)攝取微塑料, 通過食物鏈傳遞最終進(jìn)入人體, 嚴(yán)重危害人類健康。

近年來, 作為海洋塑料污染的主要來源, 土壤中塑料污染越來越受到關(guān)注, 特別是土壤中微塑料的環(huán)境行為及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 成為土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及生命科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。據(jù)報(bào)道, 我國(guó)滇池附近農(nóng)田及森林土壤中微塑料豐度為1.876×10個(gè)·kg, 最高達(dá)4.296×10個(gè)·kg, 且絕大多數(shù)微塑料尺寸都小于1 mm。Meng等研究發(fā)現(xiàn), 新疆及甘肅農(nóng)田中微塑料豐度最高達(dá)2.2×10個(gè)·kg;青藏高原南部地區(qū)土壤中微塑料豐度為0～260個(gè)·kg; 中國(guó)陜西地區(qū)農(nóng)田土壤中微塑料豐度為1.43×10～3.41×10個(gè)·kg。類似地, 歐洲農(nóng)田所施用的污泥肥料中微塑料含量高達(dá)1×10～4×10個(gè)·kg,澳大利亞某工業(yè)園區(qū)土壤中微塑料含量高達(dá)6.7%。然而, 長(zhǎng)期棚膜及其他塑料制品(如育苗培養(yǎng)缽等)的投入, 導(dǎo)致農(nóng)田土壤及周邊環(huán)境中塑料污染日趨嚴(yán)重, 并呈現(xiàn)典型的地帶性差異, 如農(nóng)膜施用區(qū)、大棚種植區(qū)以及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕種區(qū)(無(wú)覆膜種植)。然而,目前對(duì)不同棚膜施用所造成的塑料污染研究處于起步階段, 特別是對(duì)塑料殘片及微塑料在農(nóng)田土壤耕層的篩查研究仍相對(duì)缺乏。基于此, 本研究以陜西關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤為研究對(duì)象, 通過野外調(diào)研、采集不同作物種植農(nóng)田耕層土壤(0～30 cm), 研究長(zhǎng)期農(nóng)膜覆蓋蔬菜種植區(qū)與大棚(苗圃)種植區(qū)耕層土壤中塑料殘片和微塑料殘留及累積豐度特征, 以期為關(guān)中農(nóng)田土壤塑料污染研究及評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

關(guān)中平原位于陜西省中部, 又稱渭河平原, 關(guān)中盆地是由河流沖積和黃土堆積形成的, 地勢(shì)平坦, 土壤侵蝕較弱, 土壤肥沃, 水源豐富, 機(jī)耕、灌溉條件相對(duì)較好, 是陜西小麥()、玉米()、蔬菜及瓜果等作物重要的生產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候, 氣候多年平均氣溫13.1℃, 年平均降水量611.1 mm?；谝巴庹{(diào)研, 選擇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為集中且具有特色的渭河中段作為采樣區(qū)域(表1), 其中第1個(gè)采樣點(diǎn)是以傳統(tǒng)的蔬菜種植區(qū)蔡家坡鎮(zhèn)為核心, 主要覆膜作物為玉米和蔬菜類(以下簡(jiǎn)稱蔬菜地), 主要耕作措施為輪作和套種, 也有少許塑料大棚種植蘑菇()和辣椒()。綜合考慮種植系統(tǒng)及農(nóng)膜使用的情況, 從選定的13塊農(nóng)田土壤中, 將兩塊玉米地作為傳統(tǒng)的糧食種植地(無(wú)農(nóng)膜施用)當(dāng)作對(duì)照(S1-1), 將紅薯()地、馬鈴薯()地、辣椒地作為種植輪作系統(tǒng)歸為一類(S1-2), 將洋蔥()、青菜(var.)、豆角()和西瓜()作為蔬菜瓜果系統(tǒng)歸為一類(S1-3), 將核桃()地作為林地復(fù)合系統(tǒng)作為一類(S1-4), 將辣椒大棚和蘑菇廢棄棚作為塑料大棚和廢棄大棚各歸為一類(S1-5和S1-6)。第2個(gè)采樣點(diǎn)是以大棚(苗圃)種植為主的楊凌示范區(qū)(以下簡(jiǎn)稱大棚區(qū)), 該區(qū)是中國(guó)第一個(gè)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū), 屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候, 年均氣溫12.9 ℃, 年均降水量635.1 mm。生產(chǎn)蔬菜水果以及各種經(jīng)濟(jì)作物, 因大量使用塑料大棚以及塑料培養(yǎng)缽, 導(dǎo)致種植完成后塑料殘片及培養(yǎng)缽碎片大量殘留在土壤中。在該地區(qū)選定的9塊農(nóng)田土壤中, 將苦瓜()地作為傳統(tǒng)菜地(無(wú)農(nóng)膜施用, 對(duì)照, S2-1), 將中小灌木苗圃[金葉榆(), 芍藥()]作為一類(S2-2), 將小灌木苗圃[石楠(), 木雞()]作為一類(S2-3), 將葡萄()作為經(jīng)濟(jì)作物歸為一類(S2-4), 將大棚苗圃和廢棄大棚苗圃(空地, 整地旋地)各歸為一類(S2-5和S2-6)。

表1 采樣點(diǎn)基本信息Table 1 Basic information of sampling sites

1.2 樣品采集

在每個(gè)選定的地塊里, 選擇3個(gè)大小為10 m×10 m的樣地, 然后以中心點(diǎn)為核心, 在內(nèi)等邊三角形的中點(diǎn)選取1m×1m的樣方, 并在樣方中心進(jìn)行樣品采集,樣品深度主要為耕層30 cm土層, 樣品采集時(shí)挖取20 cm×20 cm×30 cm的土壤樣品, 采樣時(shí)可直接撿拾表層土壤中肉眼可見的塑料殘片, 作為表層土壤中(0～10 cm)殘片的一部分, 然后按0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm分層取樣, 按照每個(gè)樣方編號(hào)及土層編碼裝入樣品袋中, 共計(jì)采集土壤樣品198個(gè)。

1.3 土壤中塑料殘片及微塑料測(cè)定

土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后, 進(jìn)一步除去肉眼可見的塑料殘片、作物根系、石塊等雜質(zhì), 把每層土樣中挑出的塑料殘片分開裝袋, 進(jìn)行單獨(dú)處理,經(jīng)過自來水反復(fù)沖洗后裝入尼龍紗布于45℃烘箱烘至恒重, 最后進(jìn)行稱重并記錄殘片數(shù)量, 再根據(jù)土體質(zhì)量得出殘片含量。將塑料殘片在網(wǎng)格紙上鋪好,進(jìn)行大小測(cè)量并計(jì)數(shù)。為確定塑料殘片類型, 隨機(jī)抽取少許碎片進(jìn)行粉碎, 以微塑料相同的方式在顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè)鑒定。

采用密度浮選法提取土壤中的微塑料。具體步驟如下: 1)每個(gè)樣品稱取5.00 g土壤放入50 mL燒杯中, 加入飽和CaCl溶液50 mL, 室溫下用玻璃棒充分?jǐn)嚢杈鶆? 用蒸餾水把玻璃棒上的黏附物沖洗到燒杯中, 靜置10～12 h, 讓土壤顆粒沉淀, 得到均勻懸浮液; 2)用慢速定量濾紙(孔徑＜3 μm)過濾懸浮液到準(zhǔn)備好的錐形瓶中, 待過濾完畢后將錐形瓶中溶液倒回?zé)? 繼續(xù)用玻璃棒攪拌并用蒸餾水沖洗玻璃棒, 靜置10～12 h; 3)重復(fù)第2)步操作4～5次,使微塑料等物質(zhì)吸附到濾紙上, 直至原有燒杯上清液中無(wú)肉眼可見漂浮物; 4)將濾紙仔細(xì)折疊于45 ℃烘箱放置12～16 h烘至恒重, 然后將濾紙上的塑料轉(zhuǎn)入尼龍網(wǎng)布中。首先, 將尼龍網(wǎng)用橡皮筋固定; 然后將尼龍網(wǎng)布分別在HO和稀HSO中浸泡10 h,以消化有機(jī)雜質(zhì); 最后, 用蒸餾水沖洗干凈, 烘干, 將顆粒和其他物質(zhì)轉(zhuǎn)移到稱量紙中?；赯hang等的方法, 將稱量紙上的顆粒轉(zhuǎn)移到載玻片上, 在體視顯微鏡下進(jìn)行鑒定及統(tǒng)計(jì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)塑料顆粒的體積和密度計(jì)算懸浮物和土壤中塑性顆粒的重量。每個(gè)樣品的質(zhì)量由Adobe Photoshop CC 2018處理后, 再用Image J軟件測(cè)量的每個(gè)塑料氣泡的垂直面積計(jì)算得出。不同土層塑料殘片數(shù)量以中位值與標(biāo)準(zhǔn)差表示, 用透明托盤將殘片展開壓實(shí)放在5 mm方格紙上進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)算, 用數(shù)量百分比表示, 碎片大小分級(jí)參考Meng等研究方法進(jìn)行調(diào)整劃分, 殘片含量用中位值和標(biāo)準(zhǔn)差表示, 微塑料數(shù)量統(tǒng)計(jì)及質(zhì)量計(jì)算采用Zhang等方法, Excel 2019和SPSS 26.0用于數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。下面給出具體計(jì)算方法:

式中,、和分別是微塑料顆粒的重量(g)、密度(0.96 g·cm)和數(shù)量, S是塑料物體在130 ℃下熔化3～5 s后所占據(jù)可見區(qū)域的垂直視角(以像素為單位, 1像素=0.585/60 mm)。使用Image J計(jì)算S。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中塑料殘片分布及數(shù)量特征

研究表明(圖1), 蔬菜地主要以白色透明的塑料薄膜為主, 其次是黑色或藍(lán)色的殘片和纖維; 而大棚區(qū), 塑料殘片以黑色塑料為主, 為培養(yǎng)缽在土壤中老化分解后的殘留物, 其次是白色透明或紅色的塑料薄膜和纖維。

圖1 不同類型樣地土壤樣品中塑料殘片的形態(tài)大小及顏色特征Fig. 1 Shape, size, and color characteristics of plastic fragments in soil samples in different types of sample sites

從圖2可知, 隨著殘片面積增大, 殘片數(shù)量逐漸減小。在蔬菜地, 殘片面積在不同樣點(diǎn)中的數(shù)量占比 表 現(xiàn) 為: 0.25～2 cm＞2～10 cm＞10～25 cm＞25 cm(S1-3和S1-6除外), 其中0.25～2 cm占37.8%, 且殘片數(shù)量在S1-1、S1-2、S1-4、S1-5中所占比例最大,辣椒大棚(S1-5)達(dá)64.6%, 而S1-3和S1-6所占比例分別為19.6%和11.1%; 2～10 cm的殘片數(shù)量在S1-4中占比最大, 為38.0%; 10～25 cm的殘片數(shù)量在S1-3和S1-6處理中所占比例均最大, 分別為42.3%和44.4%;＞25 cm的殘片數(shù)量在廢棄大棚(S1-6)中占比最大,為33.3%, S1-2中占比最小, 僅為4.5%。在大棚區(qū),殘片面積在不同樣點(diǎn)中的數(shù)量占比表現(xiàn)與蔬菜地基本一致, 0.25～2 cm殘片占比最大, 平均為67.5%, 其中傳統(tǒng)菜地(S2-1)高達(dá)80.8%; 2～10 cm殘片在S2-2中占比最大, 為33.3%, S2-1中占比最小, 僅為3.8%;10～25 cm殘片在S2-5中占比最大, 為37.5%; 而＞25 cm的殘片在S2-3、S2-4和S2-5中未發(fā)現(xiàn), 在其他樣點(diǎn)中占比平均為4.3%。

圖2 蔬菜地(A)和大棚區(qū)(B)土壤中不同面積塑料殘片的構(gòu)成特征Fig. 2 Composition of plastic debris in different sizes in soil of vegetable field (A) and greenhouse area (B)

土壤中大部分的塑料殘片富集在0～10 cm表層土壤中, 隨著土層深度的增加, 殘片數(shù)量減少(圖3),但10～20 cm與20～30 cm土層間差異不顯著。在蔬菜地, 不同土層深度的殘片數(shù)量 (圖3A)和殘片含量(圖3C)表現(xiàn)一致。在0～10 cm土層, S1-4中殘片數(shù)量最多, S1-6中最少。相比糧食種植地(S1-1), 在S1-3和S1-6中殘片數(shù)量和含量均較低, 而在S1-4和S1-5中殘片數(shù)量和含量較高, 數(shù)量分別為27個(gè)和17個(gè),含量分別為52.78 μg·g和32.28 μg·g。在10～20 cm土層, S1-5中殘片數(shù)量最多, S1-3中最少。與S1-1對(duì)比可知, S1-2中殘片含量屬于S1中最大值, 為11.79 μg·g, 其他樣點(diǎn)的殘片含量均低于玉米地。在20～30 cm土層, S1-6中未發(fā)現(xiàn)殘片, S1-1中殘片數(shù)量除比S1-5低以外, 均高于其他樣點(diǎn), 且殘片含量除比S1-2低以外, 也高于其他樣點(diǎn)。在大棚區(qū), 不同土層深度的殘片數(shù)量和殘片含量表現(xiàn)與蔬菜地保持一致: 0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm (圖3B, D)。在不同土層, S2-3、S2-5和S2-6中殘片數(shù)量并無(wú)顯著差異。在0～10 cm土層, S2-4中殘片數(shù)量最多, S2-3中最少。相比傳統(tǒng)菜地(S2-1), 除S2-3中殘片含量較低外, 其余樣點(diǎn)均高于傳統(tǒng)菜地。在10～20 cm和20～30 cm土 層, S2-1、S2-3和S2-5中 未 發(fā) 現(xiàn) 殘 片,而S2-4中10～20 cm土層中殘片數(shù)量與含量均低于20～30 cm土層。

圖3 蔬菜地(S1)和大棚區(qū)(S2)土壤中塑料殘片數(shù)(A和B)和殘片含量(C和D)特征Fig. 3 Characteristics of number (A and B) and content (C and D) of large plastic debris in vegetable field and soil of greenhouse area

2.2 土壤中微塑料豐度及分布特征

在蔬菜地, 所有土壤樣品微塑料檢測(cè)量為100～1.8×10個(gè)·kg(表2), 在S1-1、S1-4、S1-6中均未檢出微塑料, 對(duì)應(yīng)的分別為玉米地、核桃地和廢棄蘑菇棚。在0～10 cm土層, 僅在S1-2和S1-5中檢出微塑料, 最大檢測(cè)量在S1-2中, 為1.8×10個(gè)·kg;在10～20 cm土層, 最大檢測(cè)量為400個(gè)·kg, 在S1-2中檢出; 而在20～30 cm土層, S1-3中最大檢測(cè)量達(dá)900個(gè)·kg。但在大棚區(qū), 所有選定的樣點(diǎn)中均檢出微塑料, 但不是在所有土層中均檢測(cè)到微塑料, 檢測(cè)量為100～500個(gè)·kg, 在0～10 cm土層, 最大檢測(cè)量在S2-2中, 為500個(gè)·kg, S2-1中未檢出。在10～20 cm土層, S2-1、S2-2和S2-4中未檢出微塑料。在20～30 cm土層, S2-1中檢出值最大, 為400個(gè)·kg。

表2 不同土層中微塑料豐度特征Table 2 Microplastics abundance in different soil layers (particle·kg-1)

2.3 塑料累積分異特征

如圖4A所示, S1-1、S1-4、S1-5和S1-6以塑料殘片為主體, 種植作物分別為玉米、核桃、辣椒和蘑菇。在S1-2中, 隨著土層深度的增加, 微塑料占比從8.3%到14.3%到30.0%。在S1-3中, 0～10 cm土層中只檢出塑料殘片, 未檢出微塑料, 而20～30 cm土層中只檢出微塑料, 未檢出塑料殘片。圖4B所示,在大棚區(qū), S2-1和S2-3中, 10～20 cm和20～30 cm土層中并未揀出塑料殘片, 但在S2-1的20～30 cm和S2-3的10～20 cm土層中檢出微塑料。S2-2中微塑料占比在0～10 cm土層中為10.2%, 10～20 cm土層中未檢出, 20～30 cm土層中為27.3%。根據(jù)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), 不同覆膜作物與塑料累積之間不存在顯著相關(guān)性(表3)。在S1中, 不同覆膜作物與塑料殘片和微塑料累積量之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系; 而在S2中, 不同覆膜作物與殘片累積量之間呈正相關(guān), 與微塑料累積量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 蔬菜地(A)和大棚區(qū)(B)土壤中塑料殘片與微塑料的數(shù)量占比Fig. 4 Proportions of plastic debris and microplastics in soils of vegetable field (A) and greenhouse area (B)

表3 塑料累積與覆膜作物相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between plastic accumulation and mulched crops

3 討論

3.1 農(nóng)膜與大棚使用對(duì)土壤中塑料殘片特征的影響

土壤中殘膜數(shù)量和大小是影響農(nóng)田土壤質(zhì)量的一個(gè)重要因素, 農(nóng)田土壤中殘膜數(shù)量與覆膜年限、殘膜量和土壤深度密切相關(guān), 淺層土壤中的殘膜多于深層土壤中的殘膜, 覆膜年限和作物類型對(duì)地膜殘留量空間分布的影響也與研究區(qū)氣候水文條件密不可分。馬輝等研究發(fā)現(xiàn)不同覆膜年限的棉田中殘膜在土壤各層中分布比較一致, 大部分殘膜分布在0～20 cm的表層土壤中, 20 cm以下的土層中殘膜較少, 土壤越深殘膜越少, 且隨著覆膜年限的增加同一土層中的殘膜量也相應(yīng)增加。由此表明, 在農(nóng)田環(huán)境中殘片不易向較深土層中遷移, 這可能是因?yàn)檎７绒r(nóng)業(yè)活動(dòng)在0～20 cm 表層土壤進(jìn)行, 以及一些土壤表面動(dòng)物的生命活動(dòng)等行為導(dǎo)致的。嚴(yán)昌榮等對(duì)我國(guó)典型農(nóng)區(qū)進(jìn)行調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)殘膜主要集中于0～30 cm耕作層, 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層殘膜分配比例分別為＞50%、10%～40%、＜10%。Meng等研究發(fā)現(xiàn), 不同采樣點(diǎn)0～10 cm土層中,殘片數(shù)量總體上沒有顯著差異或差異較小; 而10～20 cm土層中殘片含量(質(zhì)量)雖然低于0～10 cm土層, 但是殘片質(zhì)量差異性顯著(＜0.05)。據(jù)報(bào)道, 長(zhǎng)期耕作和機(jī)械翻耕可能使土壤均質(zhì)化, 尤其是在0～20 cm的表層土壤, 從而導(dǎo)致各采樣土層間殘片數(shù)量差異不顯著。本研究表明: 不同樣點(diǎn)中殘片數(shù)量總體表現(xiàn)為10～20 cm和20～30 cm土層沒有顯著性差異, 與0～10 cm土層差異性顯著, 殘片質(zhì)量與殘片數(shù)量結(jié)果相似, 這可能是與覆膜年限、耕作活動(dòng)以及不同作物輪作息息相關(guān)。

崔世榮等研究發(fā)現(xiàn), 在種植西瓜的大棚里, 質(zhì)量大于100 mg的殘膜主要分布在0～15 cm土層中,占比65%以上; 面積5～30 cm殘膜主要分布在0～15 cm耕作層中, 占比58%以上。這與本研究結(jié)果一致,即殘片主要集中在0～10 cm土層中, 而分布在0～10 cm土層中的殘片尺寸主要為0.25～2 cm的小殘片, 占比52%以上, 可能是因?yàn)檗r(nóng)膜長(zhǎng)期裸露在外, 加上西北地區(qū)一些極端天氣和頻繁的農(nóng)業(yè)活動(dòng), 導(dǎo)致農(nóng)膜損壞嚴(yán)重, 轉(zhuǎn)化為更小的殘片留在土壤中。大棚前期施用農(nóng)膜雖然對(duì)西瓜的產(chǎn)量具有極大的促進(jìn)作用,但是隨著土壤中殘膜累積量的增加, 極易破壞土壤結(jié)構(gòu), 阻礙西瓜根系下扎和對(duì)肥水養(yǎng)分的吸收, 影響西瓜根須的生長(zhǎng)發(fā)育, 容易造成減產(chǎn)。此外, 耕作方式也會(huì)影響土壤中殘片的積累, 不同的耕作方式會(huì)對(duì)殘膜產(chǎn)生不同程度的破壞, 導(dǎo)致土壤中塑料累積量和存在形式的差異。Meng等研究結(jié)果表明,輪作可能會(huì)影響土壤中殘片的積累, 并且長(zhǎng)時(shí)間農(nóng)膜覆蓋地比短期覆蓋農(nóng)田土壤中的殘片累積量多,而本研究輪作樣地中殘片累積差異并不顯著, 這可能與農(nóng)膜施用量及施用年限有關(guān), 同時(shí)也受區(qū)域氣候、光照強(qiáng)度、降水凍融條件等影響, 從而影響塑料老化的速度及其碎片化、顆粒化程度。

3.2 農(nóng)膜與大棚使用對(duì)土壤中微塑料豐度及累積的影響

西北地區(qū)作為我國(guó)地膜用量和覆蓋面積最大的地區(qū), 農(nóng)田土壤中微塑料含量很高, 而且地塊之間差 異 大, 0～30 cm土 層 微 塑 料 豐 度580～1.189×10個(gè)·kg, 而我們的研究結(jié)果顯示, 關(guān)中地區(qū)0～30 cm土層微塑料檢出豐度為100～1.8×10個(gè)·kg。這可能是由于種植不同類型作物, 根系生長(zhǎng)對(duì)于微塑料的吸收和裹挾能力不同, 因此對(duì)微塑料在土壤中的移動(dòng)起著重要作用, 并且隨著地膜覆蓋年限增加, 殘片在土壤中累積量增大, 老化破碎化程度加劇, 導(dǎo)致土壤中微塑料豐度增加, 土壤潛在污染加重。由于耕作的影響, 微塑料在土壤中的分布并不均勻, 如上海城郊淺表層(0～3 cm)和深表層(3～6 cm)土壤中, 發(fā)現(xiàn)粒徑為0.02～5.00 mm的微塑料豐度達(dá)78.0和62.5個(gè)·kg; 哈爾濱市周邊典型黑土覆膜耕地表層土壤中豐度均值達(dá)89個(gè)·kg, 部分下層土壤含量達(dá)400個(gè)·kg, 工業(yè)區(qū)則主要體現(xiàn)在表層土壤, 蔬菜區(qū)是由于廢水灌溉和地表徑流使微塑料向土壤深層移動(dòng)聚集。而在本研究中, 蔬菜地表層土壤中最大檢測(cè)值達(dá)1.8×10個(gè)·kg, 部分下層土壤中含量達(dá)900個(gè)·kg,這可能是由于灌溉使部分微塑料隨水分入滲遷移到30 cm以下土層, 而旱作區(qū)土壤水分不足且頻繁干濕交替致使微塑料移動(dòng)性較差, 或許也與土壤類型、耕作措施等有關(guān), 但目前這些尚缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)佐證, 亟待后續(xù)深入研究。

耕作方式可能影響土壤中微塑料的積累, 研究發(fā)現(xiàn)蔬菜種植區(qū)中輪作地(紅薯、馬鈴薯、辣椒)微塑料數(shù)量明顯高于其他樣點(diǎn), 這可能是由于每種作物收獲之后會(huì)對(duì)土地經(jīng)過翻耕, 并在大量廢水灌溉過程中使殘膜進(jìn)入土壤, 冬季可能加速了殘膜的風(fēng)化和老化, 這些都可能導(dǎo)致S1-2中的微塑料豐度高于其他樣點(diǎn)。程萬(wàn)莉等研究發(fā)現(xiàn): 大殘片逐漸向小殘片轉(zhuǎn)化, 甚至轉(zhuǎn)化為微塑料留在土壤較深層(10～30 cm), 而本研究關(guān)中地區(qū)土壤中主要為0.25～2 cm的小殘片(52%以上), 且在檢出微塑料的樣點(diǎn)中隨著土層深度增加微塑料占比增加, 這與上述研究結(jié)果一致。此外, 隨著覆膜年限增加, 殘片向微塑料轉(zhuǎn)化得越多, 且與大殘片相比, 微塑料進(jìn)入生物體的能力更強(qiáng), 將威脅土壤動(dòng)物和植物的正常生長(zhǎng)。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), 塑料殘留及微塑料累積與不同覆膜作物之間沒有顯著相關(guān)性, 這可能與塑料殘片及微塑料遷移的特征有關(guān), 也可能與耕作深度、耕作頻次、侵蝕沉積和土壤動(dòng)物運(yùn)動(dòng)等密切相關(guān)。因此,后續(xù)應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)塑料殘留破碎化過程以及微塑料在土壤中遷移轉(zhuǎn)化特征及其可能產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究, 為關(guān)中適宜地膜覆蓋區(qū)域土壤殘膜管理措施制定提供依據(jù)。

4 結(jié)論

通過研究關(guān)中農(nóng)田土壤中塑料碎片和微塑料殘留及其累積特征, 探討農(nóng)膜及大棚使用對(duì)土壤中(微)塑料累積特征的影響, 具體結(jié)果及結(jié)論如下:

1)研究區(qū)域塑料殘片顏色主要有紅色、黑色、白色、藍(lán)色等, 其中蔬菜地以白色農(nóng)膜殘片為主, 而大棚區(qū)主要以黑色培養(yǎng)缽殘片為主; 不同土層中, 塑料殘片集中在表層(0～10 cm)土壤中, 并隨著土層深度的增加而減少, 且殘片個(gè)數(shù)隨著殘片面積的增大而減小, 中等殘片和小殘片占據(jù)大部分, 大殘片殘留越來越少。在蔬菜地, 中等殘片(2～10 cm、10～25 cm)最多, 約占總量的50.2%; 小殘片(0.25～2 cm)次之,約占37.8%; 大殘片(＞25 cm)最少, 約占12%; 在大棚區(qū), 小殘片(0.25～2 cm)最多, 約占總量的67.5%; 大殘片(＞25 cm)最少, 僅占1.6%; 殘片含量隨土層深度增加而顯著減小(＜0.05), 0～10 cm土壤中殘片含量蔬菜地平均為26.2 μg·g, 大棚區(qū)平均為34.9 μg·g;而20～30 cm土層中蔬菜地與大棚區(qū)殘片含量最小,分別為2.48 μg·g和4.79 μg·g。

2)土壤中微塑料檢出率平均為31.7%, 微塑料最大檢測(cè)量均在表層0～10 cm土壤中檢出。在蔬菜地,微塑料檢出率為23.9%, 微塑料檢測(cè)量為100～1.8×10個(gè)·kg, 其中最大檢測(cè)量在種植輪作地(紅薯、馬鈴薯、辣椒) 0～10 cm土層中; 在大棚區(qū), 微塑料檢出率為39.5%, 微塑料檢測(cè)量為100～500個(gè)·kg, 其中最大檢測(cè)量在中小灌木苗圃(金葉榆、芍藥) 0～10 cm土層中。

綜上所述, 農(nóng)膜及塑料大棚長(zhǎng)期使用導(dǎo)致土壤中塑料殘片和微塑料殘留量不斷增加, 耕作和灌溉等農(nóng)業(yè)措施對(duì)于塑料的破碎和遷移也起著關(guān)鍵作用,特別是深層土壤中微塑料豐度的增加及累積, 不僅對(duì)土壤性質(zhì)及其質(zhì)量產(chǎn)生影響, 還會(huì)影響作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量。因此, 后續(xù)還應(yīng)進(jìn)一步對(duì)塑料殘留碎片化過程及微塑料在土體內(nèi)遷移和累積風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,以期為全面評(píng)估關(guān)中農(nóng)田塑料污染提供依據(jù)。