可降解地膜使用过程中微塑料的形成及其对土壤—植物系统的影响

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微塑料(Microplastic,简称MPs)指粒径<5mm的塑料,在地球环境中广泛存在。微塑料的来源之一是老化破碎的塑料制品。我国在农业生产过程中,使用大量地膜,随着农田地膜的老化和破碎,残膜及其产生的微塑料可能对土壤-植物系统产生不利影响乃至污染地下水,这一问题已引起了大家的关注。随着我国“白色污染”问题日益严重,可降解地膜的研发和使用受到重视,已在部分地区展开使用。可降解地膜老化、降解速率快于普通地膜,可能在更短时间内形成残膜甚至微塑料,并改变现有污染物的环境行为,从而危及土壤和地下水安全,但目前这方面的研究还非常少。本论文通过室内和田间原位实验,研究了某可降解地膜使用过程中的降解动态及微塑料形成的可能性,分析了可降解地膜使用过程中的形态结构变化;研究了可降解地膜残膜及微塑料对土壤水分运移和植物根系生长分布的影响;通过大型土柱实验,研究了可降解地膜形成的微塑料在土壤的迁移及影响因素,评估了微塑料对地下水污染的风险。主要实验结果如下:(1)可降解地膜使用过程中MPs的形成实验:田间原位实验表明,夏季自然光照对可降解地膜老化、降解影响最大,无外力作用下照射87d后可形成少量微塑料;施加少许外力如手揉搓,95.5%的残膜达到微塑料级别。室内模拟光照(120d)、室内外土壤微生物作用(270d和120d)虽然使可降解地膜有一定程度的降解,膜表面和官能团发生变化,但是无论有无外力残膜都达不到微塑料级别。这些结果表明可降解地膜田间应用过程中具有形成大量微塑料的可能性。(2)残膜/MPs对土壤-植物系统影响实验结果表明:残膜/MPs对土壤水分迁移、植物根系分布有不利影响,且残膜产生的负面影响比MPs大。残膜/MPs对土壤细菌群落结构有明显影响,随着接触时间增加,土壤细菌中的变形菌门(Proteobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)丰度呈现上升趋势。残膜/MPs还导致土壤脲酶活性升高,随接触时间增加土壤脲酶活性呈现出先升高后降低再升高的趋势。(3)MPs在土壤中的迁移实验结果表明:在红壤、黑土和棕壤中,MPs在土柱中的含量随其在土壤中数量的增加而增加,且MPs添加量增加时,渗滤液中收集到的MPs数量也增加;与中性雨水相比,酸雨降低MPs在三种土壤中的迁移,且酸雨条件下渗滤液中MPs含量减少;降雨量增加导致MPs在棕土中的迁移增加。从不同粒径MPs迁移来看(<0.33mm、0.33~0.46mm、>0.46mm),>0.46mm的MPs在土柱迁移距离最大,0.33~0.46mm的MPs迁移距离最短;从总MPs在三种土壤中的迁移距离来看,整体呈现出黑土>棕土>红土的趋势。从对地下水污染风险看,棕壤渗滤液中<0.33mm的MPs数量最多,黑土渗滤液中>0.46mm的MPs最多,表明三种土壤中红壤地下水受MPs污染的可能性较小。
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