不同微塑料对水稻土性质、镉有效性及其形态的影响.pdf
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1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023,42(8):1721-17282023年8月胡榆杰,伍钧,杨刚,等.不同微塑料对水稻土性质、镉有效性及其形态的影响J.农业环境科学学报,2023,42(8):1721-1728.HU Y J,WU J,YANG G,et al.Effects of different microplastics on soil properties and Cd availability and fraction in paddy soil J.Journal of Agro-Environment Science,
2、2023,42(8):1721-1728.不同微塑料对水稻土性质、镉有效性及其形态的影响胡榆杰,伍钧,杨刚,徐敏*(四川农业大学环境学院,成都 611130)Effects of different microplastics on soil properties and Cd availability and fraction in paddy soilHU Yujie,WU Jun,YANG Gang,XU Min*(College of Environmental Sciences,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China)
3、Abstract:Co-contamination of soil with heavy metals and microplastics(MPs)is becoming more widespread.However,it is still unclearhow microplastics affect the availability and fractions of heavy metals.In this study,a soil incubation experiment was conducted usingcadmium(Cd)-contaminated paddy soil t
4、o determine the effects of different microplastic types polyethylene microplastics,PE-MPs;poly(butylene adipate-co-butylene terephthalate)microplastics,PBAT-MPs and varying microplastic dosages(0.5%,1%,and 2%,m/m)onsoil properties and enzyme activity.In addition,the change in and potential mechanism
5、 of the availability and fraction of Cd in soil inducedby MPs were investigated.Results showed that 1%and 2%PBAT-MPs addition significantly increased the soil pH,dissolved organiccarbon(DOC),ammonium nitrogen,urease,dehydrogenase,and catalase,and reduced total dissolved nitrogen(TDN),nitrate nitroge
6、n,andavailable phosphorus.However,PE-MPs reduced the DOC but increased soil TDN.Both PBAT-MPs and PE-MPs altered soil properties,which was more prominent in PBAT-MPs-treated soil than in PE-MPs-treated soil.The intervention of PE-MPs and PBAT-MPssignificantly reduced the content of CaCl2-Cd by 4.6%-
7、8.7%and 4.3%-22.4%,respectively.Compared to the control,0.5%,1%,and 2%PE-MPs treatments increased the proportion of acid extraction Cd by 1.0%-1.8%,and decreased the proportion of oxidizable Cd by 1.0%-收稿日期:2023-02-27录用日期:2023-04-13作者简介:胡榆杰(1998),男,四川成都人,硕士研究生,研究方向为土壤污染治理。E-mail:*通信作者:徐敏E-mail:xumin
8、_基金项目:四川省科技计划项目(2022YFN0025);成都市科技项目(2020-YF09-00023-SN,2020-YF09-00012-SN);大学生创新训练计划项目Project supported:Sichuan Science and Technology Program(2022YFN0025);The Key Program of Chengdu Science and Technology Bureau(2020-YF09-00023-SN,2020-YF09-00012-SN);College Students Innovation and Entrepreneurshi
9、p Training Program摘要:土壤中重金属与微塑料(MPs)复合污染越来越普遍,然而关于MPs对土壤中重金属的有效性和形态的影响及其机制尚不清楚。本文以镉(Cd)污染水稻土为研究对象,通过土培试验探究不同MPs类型聚乙烯微塑料(PE-MPs)、聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯微塑料(PBAT-MPs)及不同添加量(0.5%、1%、2%,m/m)对土壤理化性质和酶活性的影响,并分析MPs对土壤Cd有效性及形态的影响及其机制。结果表明,1%、2%PBAT-MPs处理能显著提高土壤pH、溶解性有机碳(DOC)含量、铵态氮含量、脲酶活性、脱氢酶活性和过氧化氢酶活性,并显著降低总溶解性氮(TDN)
10、、硝态氮和速效磷含量;而PE-MPs处理降低了土壤DOC含量,增加了土壤TDN含量。可见,PBAT-MPs对土壤理化性质及酶活性的影响比PE-MPs更显著。PE-MPs和PBAT-MPs均能显著降低CaCl2-Cd含量,分别降低了4.6%8.7%和4.3%22.4%。与空白相比,0.5%、1%和2%PE-MPs处理下酸溶态Cd占比增加了1.0%1.8%,可氧化态Cd占比降低了1.0%1.3%;1%和2%PBAT-MPs处理下酸溶态Cd占比分别增加了6.6%和9.5%,同时可还原态Cd分别降低了6.6%和9.2%。这表明两种MPs均能影响Cd生物有效性及形态。冗余分析显示,土壤DOC与酸溶态Cd
11、呈显著正相关,与可还原态Cd呈显著负相关;土壤pH与酸溶态Cd呈显著正相关,表明MPs可通过影响DOC、pH来改变土壤中Cd形态。研究表明,两种MPs均能影响Cd污染水稻土的理化性质及Cd形态,且PBAT-MPs对土壤的影响更显著,对土壤中Cd的活化作用更强。关键词:微塑料;重金属形态;有效态镉;可生物降解塑料;酶活性中图分类号:X53文献标志码:A文章编号:1672-2043(2023)08-1721-08doi:10.11654/jaes.2023-0145农业环境科学学报第42卷第8期微塑料(MPs)是指尺寸小于 5 mm的塑料,是环境中普遍存在的新型污染物,近年来受到国内外学者的广泛关
12、注1-2。MPs可通过多种途径进入农田生态系统,如农膜残留、废水灌溉、有机肥施用、大气沉降等3。当前,MPs已在农田土壤中大量累积。Ding等4对陕西省农田土壤研究发现 MPs 丰度达到 1 4303 410个 kg-1;武汉郊区某菜地中MPs的丰度为32012 560个 kg-1 5;于庆鑫等6研究发现,哈尔滨某农田土壤中MPs丰度范围为198.321 002.6个kg-1,且有农用膜覆盖的土壤中 MPs 丰度是无农用膜覆盖的1.69倍。聚乙烯(PE)是农膜的主要成分,而农膜在物理、化学等作用下破碎形成的MPs是农田MPs的主要来源之一7。累积在土壤中的MPs可改变土壤理化性质,进而影响微生
13、物群落和植物生长8-11,对农田生态系统功能及农田产出造成不利影响。Ren等9研究发现MPs可改变土壤微生物群落结构,对陆地生物地球化学循环有潜在影响。Wan等10研究发现MPs可通过加剧土壤水蒸发而增加水分流失;Zhang等11报道塑料残膜会降低土壤的透水性,并影响土壤有机质和速效磷含量。Wang等12研究发现 MPs可使土壤 pH和阳离子交换量显著降低,但可显著提高土壤溶解性有机碳(DOC)含量。为了缓解环境中塑料累积的问题,可生物降解塑料(BPs)因其可通过微生物作用转化为CO2、CH4和微生物基质,被作为传统塑料的代替品13,逐渐在生产生活中使用。聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)
14、是一种含有芳香环和脂肪链段的典型热塑性BPs,具有良好的延展性和断裂伸长率,常被用于替代PE地膜14。然而,BPs能否完全降解取决于其自身性质和环境条件15。事实上BPs会因为在自然环境中不能完全降解而与传统塑料一样可产生 MPs,并且由于BPs对微生物更为敏感,在相同时间内BPs会比传统塑料产生更多的MPs16。因此,PE-MPs与PBAT-MPs对土壤环境的影响值得进一步研究。除了MPs污染以外,重金属也是农业土壤中常见的污染物。我国耕地正受到不同程度重金属污染,其中镉(Cd)污染最为严重,因其环境风险高且难以从土壤中去除一直受到国内外研究者的广泛关注17-18。重金属在土壤中的化学形态不
15、同会表现出不同的环境行为与生物有效性19,所以重金属的危害程度不仅受总量的影响还受到其化学形态的影响。重金属的形态与土壤理化性质密切相关20。如DOC可降低土壤对重金属的吸附,当DOC提高时可增加重金属的生物有效性21-22。也有研究发现pH可影响碳酸盐的形成与溶解,当pH升高时土壤中碳酸盐结合态的重金属含量会随之增加23。事实上,MPs与重金属Cd广泛存在于土壤环境中,二者在土壤环境中共同暴露已不可避免24。然而,关于MPs进入土壤后如何影响土壤性质及Cd的有效性及其影响机制还不清楚。目前关于MPs与Cd等重金属相互作用的研究主要集中在溶液环境中,MPs对土壤中Cd影响的研究仍处于早期阶段2
16、5-26,有待进一步研究。因此,本研究以 PE 与 PBAT 两种 MPs 为研究对象,分别设置不同剂量的MPs处理,采用土壤培养试验,研究MPs对Cd污染土壤的有机质、DOC、铵态氮、硝态氮含量等理化性质,酶活性,Cd有效性及其赋存形态的影响,以期为有效管理MPs与重金属复合污染土壤提供理论依据及数据支撑。1材料与方法1.1 供试材料供试土壤采自四川省成都市某稻田(304141N,1034702E),采样深度为020 cm。采集土壤剔除石块与植物残体,风干、磨细,过20目尼龙筛备用。土壤类型为水稻土,土壤基本理化性质:pH 7.68、有机质含量22.68 gkg-1、全氮含量1.64 gkg
17、-1、总Cd含量0.26 mgkg-1。供试地膜购自浙江某农膜生产公司,两种地膜主要成分分别是PBAT和PE,厚度为0.01 mm。将两种1.3%.Treatments of 1%and 2%PBAT-MPs increased the proportion of acid extraction Cd by 6.6%and 9.5%,and decreased thereducible Cd by 6.6%and 9.2%.The results indicated that both PE-MPs and PBAT-MPs affected the availability and frac
18、tions of Cd insoil.Redundancy analysis showed that DOC was positively correlated with acid extraction Cd but had a negative correlation with reducibleCd.Moreover,pH was positively correlated with acid extraction Cd.This indicated that MPs affected the fraction of Cd in soil via soil DOCand pH.The re
19、sults show that both MPs could affect the properties and Cd fraction of Cd-contaminated paddy soil,and that PBAT-MPshas the more significant effect on soil and has a stronger activation effect on Cd in soil.Keywords:microplastic;heavy metal speciation;available cadmium;biodegradable plastic;enzyme a
20、ctivity1722胡榆杰,等:不同微塑料对水稻土性质、镉有效性及其形态的影响2023年8月塑料地膜剪切为13 mm小块获得MPs,经稀硝酸溶液(5%)浸泡24 h后用去离子水反复清洗至中性,避光风干后装入自封袋备用。1.2 试验设置Cd污染土壤制备:将硝酸镉Cd(NO3)24H2O,分析纯以溶液的形式加入供试土壤中,混合搅拌均匀,向土壤添加去离子水,以保持75%最大田间持水量。使用称量法每5 d补充一次去离子水。在室温下稳定60 d后风干,磨细过20目尼龙筛,备用。最终使土壤总Cd含量为1.45 mgkg-1。试验共设置7个处理,分别是:CK(空白对照)、B1(0.5%PBAT-MPs)、
21、B2(1%PBAT-MPs)、B3(2%PBAT-MPs)、N1(0.5%PE-MPs)、N2(1%PE-MPs)、N3(2%PE-MPs),MPs 的添加剂量参照文献27-28设置,每个处理3次重复。具体操作步骤为:称取1 kg上述Cd污染土壤于烧杯中,将两种MPs按照0.5%、1%、2%(m/m)的剂量添加至土壤,充分混合后,添加去离子水,以保持75%最大田间持水量。随后封上带孔滤纸,移入251恒温培养箱中避光培养。培养期间使用称重法每3 d补充一次去离子水,培养55 d后进行取样。分别将每个烧杯中的土壤样品倒出,充分混合后进行自然风干,分别过 10 目和100目筛后装袋,备用。1.3 样
22、品测定土壤基本理化性质参照 土壤农化分析 进行测定29。采用电位法测定土壤pH;采用硫酸-重铬酸钾氧化法测定有机碳含量;采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量;采用靛酚蓝比色法测定铵态氮含量;采用双波长比色法测定硝态氮含量;采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量。脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定,过氧化氢酶采用KMnO4滴定法测定,土壤脱氢酶采用2,3,5-三苯基四氮唑氯化物还原法测定30。DOC与总溶解性氮(TDN)采用水土比5 1浸提31,用总碳分析仪(vario TOC,Elementar,德国)测定。采用 0.1 molL-1CaCl2提取土壤有效 Cd(CaCl2-Cd)32。
23、采用改进的BCR法连续提取土壤Cd形态33,Cd形态分为酸溶态(可交换态和碳酸盐结合态)、可还原态(铁锰氧化物结合态)、可氧化态(有机物结合态)和残渣态。所有提取液中的Cd用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,NexION300X,PerkinElmer,美国)进行测定。1.4 数据处理采用Excel 2016及SPSS 26.0进行数据处理及统计分析。单因素方差分析(One-wayANOVA)检测差异,处理间多重比较采用Duncan检验,当P值小于0.05时认为差异显著。使用Canoco5.0进行冗余分析(RDA)。2结果与分析2.1 不同类型及剂量MPs对土壤理化性质的影响不同MPs处理
24、下土壤理化性质如表1所示。由表 1 可知,不同类型 MPs 对土壤理化性质的影响不同。与CK相比,B1、B2、B3处理下土壤pH分别提高了0.01、0.20、0.30个单位,而N1、N2、N3处理对土壤pH均无显著影响。与CK相比,B1、B2、B3处理下,有机质含量分别提高了0.1%、4.7%、9.0%,DOC含量分别提高了 10.3%、54.2%、80.2%;而 N1、N2、N3 处理下,有机质含量分别降低了2.5%、2.8%、2.9%,DOC含量分别降低了 9.1%、9.2%、6.6%。与 CK 相比,B1、B2、B3 处理下 TDN 含量分别降低了 0.2%、42.5%、处理Treatm
25、entCKB1B2B3N1N2N3pH7.700.02c7.710.01c7.900.03b8.000.03a7.700.01c7.700.03c7.680.02c有机质Organic matter/(gkg-1)22.350.37c22.370.07c23.400.28b24.360.14a21.790.26cd21.720.5d21.700.45d溶解性有机碳Dissolved organiccarbon/(mgkg-1)194.47.7d214.46.7c299.88.5b350.41.4a176.75.6e176.55.7e181.67.7e全氮Total nitrogen/(gkg-
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