摘要 為探究微塑料污染對(duì)水稻秸稈還田下土壤有機(jī)碳礦化的影響，采集3 種典型農(nóng)田土壤（水稻土、紅壤和潮土），進(jìn)行70 d 室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，每種土壤設(shè)置對(duì)照（control check，CK）、添加微塑料（polyethylene，PE）、添加水稻秸稈（rice straw，RS）、添加微塑料和水稻秸稈（rice straw-polyethylene， RS-PE）4 個(gè)處理，測(cè)定各處理土壤理化性質(zhì)、CO2 釋放量、可溶性有機(jī)碳（soluble organic carbon，DOC）和微生物生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）含量。結(jié)果顯示：3 種土壤中PE 和RS-PE 處理下70 d 內(nèi)CO2累積釋放量大小為潮土gt; 稻土gt; 紅壤。與CK 處理相比，RS 處理后3 種土壤CO2累積釋放量均顯著增加，PE 處理后紅壤和潮土中CO2累積釋放量顯著增加。添加微塑料和水稻秸稈提高了3 種土壤DOC 和MBC 含量，促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化。3 種土壤中平均相對(duì)分子質(zhì)量（E2/E3）值依次為水稻土gt;紅壤gt;潮土；且添加微塑料和水稻秸稈提高了土壤DOC 平均相對(duì)分子質(zhì)量、芳香性和疏水性。3 種土壤有機(jī)碳礦化均與DOC E2/E3 呈顯著負(fù)相關(guān)，且水稻土和潮土有機(jī)碳礦化與DOC 芳香性（SUVA254）和疏水性（SUVA260）呈顯著正相關(guān)。研究結(jié)果表明，微塑料和水稻秸稈還田顯著影響土壤有機(jī)碳的礦化。

關(guān)鍵詞 微塑料； 土壤； 水稻秸稈； 有機(jī)碳礦化； CO2排放

中圖分類號(hào) S154 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-2421（2024）06-0219-10

土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫［1］，其礦化是土壤中重要的生物地球化學(xué)過程［2-3］，與土壤有機(jī)碳穩(wěn)定和溫室氣體排放密切相關(guān)。開展土壤固碳減排研究，對(duì)調(diào)控溫室效應(yīng)和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

據(jù)歐洲塑料協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2020 年全球塑料產(chǎn)量達(dá)到3.67 億 t，且預(yù)測(cè)仍將呈上漲趨勢(shì)［4］。大部分廢棄塑料進(jìn)入環(huán)境后經(jīng)過光照、高溫氧化、物理風(fēng)化和生物降解等作用形成粒徑小于5 mm 的塑料顆?；蛩槠?，即微塑料（microplastics，MPs）［5-6］。土壤中的MPs 來源廣泛，與人類活動(dòng)關(guān)系密切，主要包括塑料廢棄物、地膜覆蓋、污泥堆肥、污灌和大氣沉降等［7-8］。MPs 進(jìn)入土壤后改變土壤結(jié)構(gòu)和通氣透水能力 ［9-10］，且進(jìn)入土壤孔隙的MPs 可能被土壤微生物作為潛在的碳源，進(jìn)而影響碳轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物的數(shù)量和群落［11-12］，最終可能影響土壤有機(jī)碳組分和溫室氣體如CO2的排放。

水稻秸稈還田作為資源高效和可持續(xù)利用方式，能有效改善土壤環(huán)境、增加土壤固碳量及土壤養(yǎng)分，降低稻區(qū)溫室效應(yīng)和溫室氣體排放［13］。Wang等［14］的Meta 分析結(jié)果顯示，秸稈還田可使土壤有機(jī)碳含量增加13.97%。與不還田相比，秸稈還田顯著提高土壤中可溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量［15］，進(jìn)而影響有機(jī)碳分解與礦化過程。微塑料與水稻秸稈進(jìn)入土壤后，可能對(duì)土壤碳循環(huán)產(chǎn)生一定影響。基于此，本研究將微塑料污染與秸稈還田相結(jié)合，通過對(duì)3 種典型農(nóng)田土壤添加聚乙烯微塑料和水稻秸稈，探究微塑料對(duì)秸稈添加下土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化及CO2排放特征，以期為明確微塑料污染和秸稈還田對(duì)土壤碳排放影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取水稻土、紅壤和潮土為供試土壤，分別取自湖北省荊門市（30° 49′N、112° 9′E）、咸寧市（30° 01′N， 114° 21′E） 和武漢市（30° 38′N、114°15′E）。采集耕作層（0～20 cm）土壤，去除可見的礫石和動(dòng)植物殘?bào)w，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后通風(fēng)陰干。一部分土壤過孔徑2 mm 和0.149 mm 篩，用于土壤理化性質(zhì)（表1）的測(cè)定，剩余土壤過過孔徑2 mm 篩用于培養(yǎng)試驗(yàn)。

供試聚乙烯微塑料（PE）購自中誠塑化有限公司，粒徑小于0.149 mm。供試水稻秸稈（RS）在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地水稻成熟期采集，風(fēng)干后粉碎，過0.25 mm 篩備用。使用pH 計(jì)和元素分析儀測(cè)定3 種土壤、聚乙烯微塑料和水稻秸桿的基本性質(zhì)，結(jié)果如表1 所示。

1.2 培養(yǎng)試驗(yàn)

各土壤樣品在恒溫恒濕、黑暗條件下預(yù)培養(yǎng)7 d，以激活土壤微生物活性。3 種土壤（水稻土、紅壤和潮土）分別設(shè)置4 個(gè)處理：對(duì)照組（不添加任何材料，CK）；微塑料組（添加0.5% 微塑料，PE）；秸稈組（添加0.25% 水稻秸稈，RS）；水稻秸稈+塑料組（添加0.25% 水稻秸稈和0.5% 微塑料，RS-PE），每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。

稱取預(yù)培養(yǎng)土壤60 g 于500 mL 培養(yǎng)瓶中，分別按上述處理添加試驗(yàn)材料，調(diào)節(jié)含水量為田間含水量（WHC）的60%，培養(yǎng)瓶口用帶小孔的保鮮膜密封，25 ℃黑暗條件下好氣培養(yǎng)70 d，按稱質(zhì)量法定期補(bǔ)充水分。分別在培養(yǎng)的第1、3、7、15、30、50、70 天時(shí)采集氣體，用于測(cè)定CO2濃度。培養(yǎng)結(jié)束后將培養(yǎng)瓶內(nèi)樣品混勻、風(fēng)干、過篩，用于其他理化性質(zhì)分析。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1）基本理化性質(zhì)分析。稱取過孔徑2 mm 篩的土樣于50 mL 帶蓋離心管，按照土水比1∶2.5（m/V）向離心管中加入去CO2 的蒸餾水，震蕩后靜置30min，用pH 計(jì)（FiveEasy Plus FE28）測(cè)定懸液的pH值［16］。稱取一定量土壤，用元素分析儀（Isoprime100）測(cè)定各土壤全氮、全碳含量，計(jì)算碳氮比（C/N）。

2）CO2釋放量的測(cè)定。采集的氣體用氣相色譜儀（Agilent，G8890A）測(cè)定CO2濃度。

3）可溶性有機(jī)碳和微生物量碳的測(cè)定。土壤可溶性有機(jī)碳（soluble organic carbon，DOC）含量和結(jié)構(gòu)的測(cè)定參照Xu 等［17］的方法。土樣按1∶5（m/V）的比例加入超純水，室溫下振蕩1 h 后以10 000 r/min離心5 min，懸液過0.45 μm 濾膜。用總有機(jī)碳分析儀（德國Elementer Vario）測(cè)定浸提液有機(jī)碳濃度，計(jì)算DOC 含量。

用紫外-可見分光光度計(jì)（UV-1500，日本Shimadzu）測(cè)定DOC 的紫外吸收光譜。計(jì)算254 nm（SUVA254）和260 nm（SUVA260）處的紫外吸光度，分別表示DOC 的芳香度和疏水性。250 nm（E2）和365nm（E3）處吸光度的比值表示DOC 的平均相對(duì)分子質(zhì)量大小［18］。

使用熒光光譜儀（F-7100，日本Hitachi）測(cè)定DOC 的三維熒光光譜（fluorescence excitation emissionmatrix， EEM）［ 17］。

微生物生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）含量用氯仿熏蒸-K2SO4 浸提法［16］，熏蒸與未熏蒸樣品DOC 含量之差，除以轉(zhuǎn)換系數(shù)（Kc=0.45）而得。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù) Murphy 等［19］的方法，采用 MATLAB（MathWorks，美國Natick）中的 drEEM 0.6.0 工具箱進(jìn)行平行因子分析（PARAFAC）。經(jīng)過拉曼歸一化、去拉曼散射和瑞利散射［20］、殘差分析、半分檢驗(yàn)［21］后，最終經(jīng)反復(fù)迭代確定DOC 的最佳組分為三組分模型（命名為 C1、C2、C3）。最佳組分的相對(duì)含量根據(jù)PARAFAC 獲得的最大熒光強(qiáng)度（Fmax）得出。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及方差分析采用SPSS 2021 軟件完成，用Microsoft Excel 2021 和Origin 2021 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪圖。雙因素方差分析結(jié)合Duncan’s 檢驗(yàn)比較土壤類型和外源材料添加對(duì)測(cè)試指標(biāo)影響的差異。用Pearson 相關(guān)評(píng)估指標(biāo)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 微塑料和秸稈添加對(duì)土壤二氧化碳排放量的影響

在70 d 培養(yǎng)期間，水稻土和潮土中CO2 累積釋放量呈前期（0～30 d）迅速增加、后期（30～70 d）增加較緩的趨勢(shì)（圖1 A、C）；而在紅壤中PE 和RS-PE 處理CO2 累積釋放量在整個(gè)培養(yǎng)期間快速增加（圖1B）。在70 d 培養(yǎng)期內(nèi)，水稻土CK、PE、RS、RS-PE處理中CO2 累積排放量分別為265.2、295.8、541.1、478.7 mg/kg，單獨(dú)秸稈施用使水稻土中CO2 累積排放量增加了104%，微塑料在不施用秸稈時(shí)使水稻土中CO2 累積排放量增加了12%，但在施用秸稈時(shí)使水稻土中CO2累積排放量減少了12%。

在70 d 培養(yǎng)期內(nèi)，紅壤CK、PE、RS、RS-PE 處理中CO2 累積排放量分別為110.3、154.2、265.3、414.0mg/kg，單獨(dú)秸稈施用使紅壤中CO2累積排放量增加141%，微塑料在不施用和施用秸稈時(shí)使紅壤中CO2累積排放量分別增加了40% 和56%。在70 d 的培養(yǎng)期內(nèi)，潮土CK、PE、RS、RS-PE 處理中CO2累積排放量分別為241.6、358.5、425.5、563.6 mg/kg，單獨(dú)秸稈施用使潮土中CO2 累積排放量增加了76%，微塑料在不施用和施用秸稈時(shí)使潮土中CO2累積排放量分別增加了48% 和32%。

3 種土壤中PE 和RS-PE 處理下70 d 的CO2 累積釋放量為潮土gt;水稻土gt;紅壤（圖1 D）。土壤類型、添加材料和兩者交互作用對(duì)70 d 內(nèi)CO2 累積釋放量影響顯著（圖1 D）。單獨(dú)秸稈施用增加了供試3種土壤的CO2累積排放量，但增幅以紅壤中最高，而潮土中最低；微塑料在不施用秸稈時(shí)也均增加供試3種土壤的CO2 累積排放量，但增幅均遠(yuǎn)小于相應(yīng)單獨(dú)秸稈施用的處理，且增幅在水稻土中最低；微塑料在施用秸稈時(shí)增加了紅壤和潮土中的CO2累積排放量，但減少了水稻土中的CO2累積排放量，這可能與水稻土的固碳能力強(qiáng)有關(guān)。

2.2 微塑料和秸稈添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

在3 種土壤中，與CK 相比，除紅壤添加秸稈處理外，微塑料和秸稈添加均顯著增加TOC 含量，且土壤類型和外源材料添加及其交互作用對(duì)TOC 的影響顯著（表2）。無論是否添加水稻秸稈，在3 種土壤中添加微塑料均增加土壤碳氮比（C/N），且土壤類型和外源材料添加的交互作用對(duì)C/N 影響極顯著（P lt; 0.001）。土壤pH 值高低為潮土gt;水稻土gt;紅壤，與外源材料添加無關(guān)。

2.3 微塑料和秸稈添加對(duì)土壤DOC和MBC含量的影響

3 種土壤同一處理下可溶性有機(jī)碳（DOC）和微生物量碳（MBC）含量由高到低為水稻土gt;紅壤gt;潮土（圖2），且MBC 含量差異較大。水稻土、紅壤和潮土中添加水稻秸稈后，DOC 含量相比對(duì)照分別增加19.11、8.88 和4.51 mg/kg，均大于添加微塑料比對(duì)照的增加量4.04 、2.76 和2.55 mg/kg。水稻土不加秸稈時(shí)，微塑料的加入使土壤MBC 含量增加12.15%；添加秸稈后，微塑料對(duì)土壤MBC 含量影響不顯著。紅壤不添加秸稈時(shí)，微塑料的加入使土壤MBC 含量增加38.03%；添加秸稈后，微塑料對(duì)土壤MBC 含量影響不顯著。潮土在未添加秸稈時(shí)，微塑料的加入使土壤MBC 含量增加17.69%；添加秸稈后，微塑料的加入使土壤MBC 含量增加30.88%。

微塑料組與對(duì)照組相比，水稻土、紅壤和潮土的DOC 和MBC 含量增加；RS-PE 與RS 相比，水稻土的DOC 和MBC 含量降低，紅壤、潮土的DOC 和MBC 含量增加。由于土壤自身TOC 含量的差異和外源碳的輸入，土壤類型和外源材料對(duì)DOC 和MBC含量影響顯著，但兩者交互作用僅對(duì)DOC 含量影響顯著（圖2）。

2.4 微塑料和秸稈添加對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響

紫外可見吸收光譜中獲得的SUVA254、SUVA260和E2/E3 可以表征可溶性有機(jī)碳的化學(xué)特性。結(jié)果顯示，3 種土壤中微塑料組SUVA254和SUVA260值略有增加，RS 和RS-PE 增加顯著，且RS-PE 處理最大（紅壤除外）（表3），表明添加微塑料和水稻秸稈均增加了可溶性有機(jī)碳的芳香性和疏水性。

各土壤中E2/E3 值大小順序?yàn)樗就羐t;紅壤gt;潮土，不同土壤的DOC 相對(duì)分子質(zhì)量差異顯著（Plt;0.001）。但各土壤中添加外源材料后，E2/E3值的大小為CKgt;PEgt;RSgt;RS-PE，表明外源材料添加后DOC 相對(duì)分子質(zhì)量增加，且RS-PE 處理的DOC 相對(duì)分子質(zhì)量最大。所以，微塑料和水稻秸稈的添加有助于大分子、高芳香性和疏水性DOC 組分的產(chǎn)生和積累（表3）。3 種土壤中SUVA254與SUVA260呈顯著正相關(guān)，而與E2/E3呈負(fù)相關(guān)（表4）

三維熒光光譜-平行因子分析被用于識(shí)別和表征DOC 的組分。如圖3 所示，在土壤樣品中鑒定出3種腐殖質(zhì)類化合物（C1、C2、C3）［22］。組分C1 的特征峰位于Ex（excitation wavelength） 280 nm、Em（emissionwavelength） 420 nm 處，其相對(duì)分子質(zhì)量較大，相對(duì)穩(wěn)定［23］；組分2 的特征峰位于Ex 275 nm、Em475 nm 處，主要為類富里酸和胡敏酸，其結(jié)構(gòu)中有高相對(duì)分子質(zhì)量和高芳香度基團(tuán)的存在［24］；組分C3 的特征峰位于Ex 325 nm、Em 385 nm 處，熒光特性簡單，易被氧化分解［25］。

DOC 的3 種熒光組分的熒光強(qiáng)度顯示，類富里酸（C1、C3）和類胡敏酸（C2）分別占69.92%～76.06% 和23.94%～30.08%，表明類富里酸組分是供試土壤DOC 中的主要物質(zhì)。3 種土壤中相同處理下各組分熒光強(qiáng)度大小為潮土gt; 水稻土gt; 紅壤（圖4）。與CK 相比，僅添加微塑料或水稻秸稈的處理，在潮土中3 個(gè)組分的含量均顯著增加，紅壤中顯著增加C2 和C3 組分，而水稻土中C1 和C2 組分無顯著變化。同時(shí)添加微塑料和水稻秸稈，在水稻土和潮土中RS-PE 組熒光強(qiáng)度最高且增加顯著，而紅壤中不顯著。土壤中添加微塑料和水稻秸稈均會(huì)使C1、C2、C3 組分熒光強(qiáng)度增加，且土壤類型和外源材料添加及兩者交互作用對(duì)DOC 各組分影響顯著（圖4）。

2.5 土壤CO2累積釋放量與DOC、MBC含量及紫外光譜指數(shù)的關(guān)系

土壤CO2累積釋放量與DOC、MBC 含量及紫外光譜指數(shù)的相關(guān)系數(shù)見表4，3 種土壤CO2累積釋放量均與DOC 和MBC 含量呈顯著正相關(guān)，與E2/E3呈顯著負(fù)相關(guān)，表明微生物易利用小分子的可溶性有機(jī)碳，而土壤中留存的DOC 相對(duì)分子質(zhì)量較大。水稻土和潮土中CO2 累積釋放量與SUVA254 和 SUVA260呈顯著正相關(guān)，紅壤中則不顯著。水稻土和潮土中DOC 含量與SUVA254 和 SUVA260 呈顯著正相關(guān)，與E2/E3 呈顯著負(fù)相關(guān)，表明水稻土和潮土的DOC 主要由大分子的高芳香性和疏水性組分構(gòu)成。

3 討論

3.1 添加微塑料和水稻秸稈對(duì)土壤性質(zhì)及活性有機(jī)碳的影響

本研究結(jié)果表明，微塑料進(jìn)入土壤后顯著增加TOC 含量和C/N 比；添加水稻秸稈后，潮土和水稻土的TOC 含量均顯著增加。土壤類型和添加外源材料及兩者交互作用對(duì)TOC 和C/N 比影響顯著（表2）。微塑料和水稻秸稈有機(jī)碳含量較高（表1），添加后增加了土壤TOC 和C/N。與CK 相比，微塑料增加了3 種土壤的DOC 和MBC 含量，與Gao 等［26］研究結(jié)果一致；RS-PE 與RS 相比，紅壤、潮土的DOC 和MBC 含量增加（圖2），這是因?yàn)槲⑺芰暇哂袕?qiáng)疏水性，不僅增加DOC 組分芳香性和疏水性（表3），還改變土壤容重、持水能力和通氣性［9， 25］，進(jìn)而影響土壤中微生物的活性，這與Yu 等［27］的研究相反，他們發(fā)現(xiàn)，在摻入秸稈的條件下，微塑料的存在降低了MBC含量，可能是因?yàn)樗麄冊(cè)囼?yàn)中微塑料含量為10%，濃度較高，起到了抑制作用。

與微塑料相比，水稻秸稈具有更多易分解的半纖維素和纖維素，相比于CK，土壤中DOC 和MBC的增加量在添加秸稈組比添加微塑料組更大（圖2），表明秸稈作為碳源，比微塑料給微生物生長活動(dòng)提供能量多，可加速微生物繁殖［28］。

各土壤中添加微塑料和水稻秸稈后，DOC 相對(duì)分子質(zhì)量均增大，且RS-PE 處理的DOC 相對(duì)分子質(zhì)量最大，表明水稻秸稈的分解與微塑料存在一定的拮抗作用，能緩解微塑料的毒害，維持土壤健康［29-30］。

3.2 添加微塑料和水稻秸稈對(duì)土壤CO2累積礦化量的影響

有機(jī)碳礦化是碳循環(huán)的重要部分，本試驗(yàn)中培養(yǎng)初期（0～30 d），各處理的CO2釋放速率較快，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長逐漸減緩，在培養(yǎng)后期趨于平穩(wěn)。培養(yǎng)初期土壤中存在較多活性有機(jī)碳和營養(yǎng)物質(zhì)，且添加的外源材料中易分解組分較多，微生物活性強(qiáng)且增殖快，有機(jī)碳分解速率較快；隨培養(yǎng)時(shí)間延長，土壤中活性有機(jī)碳及易分解組分含量降低，微生物增殖減弱，礦化速率逐漸減弱。

本試驗(yàn)中土壤類型、添加材料和兩者交互作用對(duì)70 d 內(nèi) CO2累積釋放量影響顯著（圖1 D）。除RS處理外，3 種土壤中PE 和RS-PE 處理下70 d 內(nèi)CO2累積釋放量大小為潮土gt;水稻土gt;紅壤，與培養(yǎng)結(jié)束后pH 變化趨勢(shì)一致。表明土壤性質(zhì)（土壤TOC含量、pH、C/N）和外源C 輸入均影響CO2 累積釋放量［31-32］。微塑料和水稻秸稈對(duì)CO2累積釋放量影響有差異，添加秸稈會(huì)增加土壤TOC 和有效養(yǎng)分，為微生物生長繁殖提供豐富的基質(zhì)和良好的環(huán)境，促進(jìn)有機(jī)碳的礦化［33］；添加微塑料可能增加土壤碳含量，增加土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤透氣性，降低土壤容重，加快土壤有機(jī)質(zhì)礦化［9］。

有機(jī)碳礦化是土壤中活性有機(jī)碳在微生物作用下分解釋放CO2的過程，土壤DOC 含量直接影響土壤微生物活性，從而影響CO2的排放。本試驗(yàn)中3 種土壤CO2累積釋放量均與DOC 和MBC 含量呈顯著正相關(guān)（表4），即DOC 和MBC 含量增加有利于有機(jī)碳的礦化，這與郝瑞軍等［34］的研究結(jié)果一致。3 種土壤CO2累積釋放量均與E2/E3呈顯著負(fù)相關(guān)，水稻土和潮土中CO2累積釋放量與SUVA254和SUVA260呈顯著正相關(guān)，且水稻土和潮土中DOC 含量與SUVA254和SUVA260呈顯著正相關(guān)，表明水稻土和潮土有機(jī)碳礦化同時(shí)受DOC 含量和化學(xué)組成的影響，微生物優(yōu)先分解相對(duì)分子質(zhì)量小、低芳香性和疏水性的簡單有機(jī)碳而產(chǎn)生CO2。

致謝：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院朱俊副教授、石磊博士在試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析方面提供了幫助，特此致謝！

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（責(zé)任編輯：張志鈺）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（22106041）