降解与常规微塑料对土壤水力性质、团聚体稳定性及溅蚀影响的相似性

《Geoderma》：Similar impact of biodegradable and conventional microplastics on soil hydraulic properties, aggregate stability, and splash erosion

为评估生物可降解微塑料是否比常规微塑料对土壤更友好，研究人员以农用地膜碎片为材料，系统研究了聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）和低密度聚乙烯（LDPE）微塑料在五种浓度下对土壤饱和导水率（Ks）、土壤水分特征曲线（SWRC）、水稳性团聚体（WSA）及溅蚀过程等关键物理性质的影响。结果表明，当浓度达到或超过3%（w/w）时，两种微塑料均显著降低Ks、增加WSA和土壤水分保持力，并加剧溅蚀，且两者影响程度相似。这挑战了生物可降解塑料是“绿色替代品”的传统认知，为制定土壤微塑料污染阈值和可持续农业管理策略提供了关键数据。

　　

在当今的农业生产中，塑料地膜覆盖技术被广泛用于保温、保墒和抑制杂草，被誉为“白色革命”。然而，随着地膜在土壤中的残留、破碎和老化，它们逐渐变成了难以被肉眼察觉的微塑料颗粒（尺寸小于5毫米），悄无声息地渗透到土壤的每一个角落。这些微塑料污染正成为一个日益严重的全球性环境问题。传统上，人们寄希望于生物可降解塑料，认为它们能在环境中分解，从而避免长期污染。但事实真的如此吗？生物可降解微塑料进入土壤后，其行为和对土壤健康的影响是否真的与传统（常规）微塑料不同？还是说，它们只是“换汤不换药”，同样会对土壤的关键物理性质和功能构成威胁？这正是这项发表于土壤科学知名期刊《Geoderma》上的研究所要探索的核心谜题。

研究团队认为，要回答这个问题，需要一个全面的评估框架。以往的研究往往只关注微塑料对一两种土壤性质的影响，且使用的微塑料粒径和形状较为单一，难以反映真实环境中复杂多样的微塑料混合物。更重要的是，对于微塑料如何影响降雨驱动的土壤侵蚀初期关键过程——溅蚀（splash erosion），以及如何改变土壤微地形，人们的了解还非常有限。因此，本研究旨在建立一个机制性的评估框架，系统地探究在环境相关粒径分布和动态条件（如干湿循环、全湿度范围、重复降雨）下，不同浓度的生物可降解与常规微塑料对土壤水力性质、团聚体稳定性和溅蚀动力学的综合影响。

为了系统回答上述问题，研究人员开展了一项严谨的对照实验。主要技术方法包括：1）土壤-微塑料混合样品制备：从西班牙南部橄榄园采集典型土壤（Petrocalcic Palexeralf），与由市售黑色PBAT和LDPE地膜经低温研磨制成的微塑料按五种浓度（0.1%， 0.5%， 1.0%， 3.0%， 5.0%， w/w）混合，并模拟环境中的粒径分布（从<50 μm到4000 μm）。2）土壤物理性质测定：使用KSAT系统测定饱和导水率（K_s），采用HYPROP系统和吸力板法测定土壤水分特征曲线（SWRC）和导水率曲线（SHCC），用水滴穿透时间法评估土壤斥水性（WDPT），并通过湿筛法测定水稳性团聚体（WSA）。3）溅蚀与微地形模拟：利用降雨模拟器对土壤样品进行两次20分钟的模拟降雨（强度50 mm h^-1），测量溅蚀流失质量，并采用运动恢复结构-多视图立体摄影测量法量化降雨前后的土壤表面粗糙度和压实度。4）数据分析与建模：使用主成分分析和线性回归分析数据，并将测得的溅蚀数据代入土壤微地形衰减模型，估算微地形半衰期。

研究结果

3.1. 土壤水力性质

结果显示，即使微塑料浓度高达5%，也未诱导土壤产生斥水性（WDPT < 5秒）。然而，饱和导水率（K_s）随微塑料浓度增加而显著降低，在3%和5%浓度下，K_s相较于对照组分别下降了约42-44%（常规）和41-53%（生物可降解）。通过吸力板法测得的土壤水分特征曲线表明，在1至500 hPa吸力范围内，土壤水分保持力（SWR）随微塑料浓度增加而增加，这种趋势在3%和5%浓度下尤为明显。两种微塑料类型的影响无显著差异。

3.2. 团聚体稳定性与容重

水稳性团聚体（WSA）随微塑料浓度增加而显著增加。在5%浓度下，WSA较对照组分别增加了58%（常规）和53%（生物可降解）。在整个实验期间，所有处理的土壤容重均降低了约2.4%。

3.3. 溅蚀

随着微塑料浓度增加，第一次降雨模拟中的溅蚀流失质量从2.10克（对照组）增至3.03克（5%处理）。在5%浓度下，溅蚀量显著增加（常规增加39%，生物可降解增加44%）。土壤压实度也随微塑料浓度增加而显著增加，但表面粗糙度未受显著影响。基于溅蚀数据计算的侵蚀扩散系数（D）在5%浓度下显著增加，导致模拟的土壤微地形半衰期（t_1/2）缩短，表明微塑料加速了降雨对土壤表面的平滑作用。

3.4. 探索性与多变量分析

主成分分析显示，两种微塑料的PCA得分点紧密聚集，表明聚合物类型对土壤物理性质的影响差异很小。线性回归分析进一步确认，微塑料浓度是影响K_s、土壤空气容量（AC_FC）、田间持水量（θ_FC）、WSA和溅蚀质量的关键因素，且呈单调响应关系。

结论与重要意义

本研究的核心结论挑战了一个普遍假设：生物可降解微塑料（PBAT）和常规微塑料（LDPE）对土壤关键物理性质、水力性质和溅蚀过程产生了相似的影响。当浓度达到或超过3% (w/w) 时，两种微塑料均会显著降低土壤饱和导水率、增加水分保持力和水稳性团聚体，并加剧降雨溅蚀。这意味着，在当前推广生物可降解塑料作为环保替代品的背景下，其进入土壤后，在物理影响层面可能并未展现出预期的环境友好优势。研究建立的机制性框架，将微塑料引起的土壤结构变化与更广泛的土壤-植物及地表系统过程联系起来，揭示了微塑料通过改变孔隙连通性、增加小孔隙结构以及影响土壤团聚和分离过程来发挥作用的潜在途径。

这项研究的重要意义在于，它首次系统比较并量化了生物可降解与常规微塑料在环境相关条件下的综合土壤物理效应，并确定了关键的浓度阈值。研究结果警告，尽管当前农田土壤中的微塑料平均浓度普遍低于0.1%，但来自地膜残留、堆肥和污水污泥的持续输入，加上耕作和降雨的再分配作用，可能导致微塑料在土壤中逐渐累积并超过这一阈值。一旦超过，土壤的水分传输、结构稳定性和抗侵蚀能力等关键功能可能受到不可逆的损害，进而威胁农业可持续性和生态系统服务。因此，这项研究不仅为评估微塑料的土壤生态风险提供了关键科学依据，也强调了在推广生物可降解塑料产品前，必须进行全面的长期环境效应评估，并呼吁制定基于科学证据的土壤微塑料管理策略和浓度限值。