一种用于模拟降雨驱动的土壤-水系统中微塑料迁移的双路径建模框架

《Journal of Hazardous Materials》：A Dual-Pathway Modeling Framework for Rainfall-Driven Transport of Microplastics in Soil-Water Systems

本研究系统探究了聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料在砂质壤土中的吸附机制及迁移行为，结合DLVO理论、吸附动力学、等温实验及模拟降雨试验，揭示了降雨强度与持续时间对微塑料迁移路径的影响，建立了双路径定量模型。结果表明，微塑料吸附遵循伪二级动力学，Freundlich等温线拟合最优，其中PET吸附能力最强，PP横向迁移最显著，PE垂直渗透最深，迁移过程受降雨模式主导。

　　

赵晨瑞|侯磊|李成良|胡炳迪|张明谷|马亮

山东农业大学水利与土木工程学院，中国泰安271018

摘要

微塑料（MPs）在土壤-水系统中的污染及其环境归趋引起了越来越多的关注。本研究利用DLVO理论、吸附动力学、等温实验和模拟降雨测试，系统地研究了聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料在砂壤土中的吸附机制和迁移行为。我们开发了一种新的双路径定量模型，用于表征微塑料在降雨驱动下的水平和垂直迁移。结果表明，微塑料在土壤中的吸附遵循伪二级动力学规律，Freundlich等温线能够更好地拟合吸附行为。此外，DLVO理论和吸附实验均证实PET微塑料具有最强的土壤吸附能力。当总降雨量不变时，降雨强度增加且持续时间缩短会导致累积渗透量和关键微塑料迁移指标（包括水平通量、总垂直迁移距离和最大穿透深度）显著下降，这表明微塑料的迁移受到降雨模式的强烈影响。由于聚丙烯微塑料的浮力作用，其水平迁移能力最强；而聚乙烯微塑料则具有最深的垂直穿透能力。聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料因其对土壤颗粒的强亲和力而主要滞留在表层。我们还开发了修正的指数衰减模型，用于量化微塑料随径流时间的水平迁移（R2=0.81-0.99）和垂直迁移（R2=0.94-0.99）。这些发现为预测陆地环境中微塑料的迁移路径和制定有针对性的污染控制策略提供了可靠的定量框架。

引言

微塑料（MPs）已成为一类主要的环境污染物，在环境科学领域受到越来越多的关注。微塑料是通过物理、化学和生物过程将塑料废物转化为微小的塑料颗粒、纤维或碎片而形成的，这些物质分散在土壤系统中[1]、[2]。在全球农业系统中，由于塑料薄膜的使用、作物包装、污水和污泥的应用以及长期使用城市再生水进行灌溉，农田土壤中的微塑料含量不断增加。污水污泥中的微塑料浓度可达到10,000–30,000颗粒/千克干重，而用于长期灌溉的再生水中可能含有100–1,000颗粒/升[3]、[4]、[5]。因此，农业土壤中的微塑料浓度可高达7,000–43,000颗粒/千克[6]、[7]。这些微塑料主要以纤维状存在，尺寸大多在0.001–2毫米范围内[8]。其中，小于1毫米的微塑料占比最大。值得注意的是，深层土壤（10–25厘米）中的微塑料含量明显高于表层土壤（0–5厘米）[9]。因此，微塑料被认为是农业土壤中的重要非点源污染物。由于降雨的随机性和微塑料的扩散性，土壤-水环境中的微塑料污染更为严重，也更难以预防和控制[3]、[10]。 降雨是驱动微塑料迁移的主要力量。在降雨侵蚀、冲刷和地表径流的共同作用下，表层土壤中的微塑料被动员并发生长距离水平迁移，最终进入下游水体，导致水生环境中微塑料含量急剧增加[11]、[12]、[13]。强降雨后，河口水域中的微塑料含量从400颗粒/立方米增加到17,383颗粒/立方米。在重庆某地区，强降雨期间的微塑料损失明显高于中等降雨期间。在沿海地区，雨季沉积物中的微塑料含量为2.47毫克/千克，远高于旱季的0.02毫克/千克（P < 0.05）。在某个水体中，雨季地表微塑料含量为6.93颗粒/立方米，是旱季的21.5倍。因此，降雨是微塑料从土壤迁移到水体的主要驱动力[14]、[15]、[16]。 同时，降雨渗透也驱动微塑料向下移动，使其能够穿透更深的土壤层，可能进入地下水系统[18]。土壤中的微塑料表现出明显的垂直异质性，其含量随深度增加而减少，在0–10厘米、10–20厘米和20–30厘米深度层的比例分别为35.07%、33.43%和31.50%。微塑料的垂直迁移受到降雨模式和颗粒类型等因素的影响。在不同降雨强度和坡度条件下，微塑料的水平迁移率与降雨强度呈正相关，而垂直迁移率则呈现非单调递增趋势。总体而言，随着降雨强度的增加，迁移率持续上升[19]、[20]。 尽管降雨已被广泛认为是微塑料迁移的主要驱动力，但仍存在许多知识空白。现有文献中主要将微塑料的水平迁移和垂直迁移路径分开研究，忽略了降雨期间通过地表径流和土壤渗透同时发生的微塑料迁移的耦合动态。此外，微塑料的固有性质（如密度和表面电荷）对其环境行为起着关键作用，但不同类型微塑料之间的迁移模式及其背后的机制仍不够明确[21]、[22]、[23]。因此，全面理解降雨特征、微塑料的物理化学性质以及微塑料与土壤颗粒之间的相互作用如何共同调节其在土壤中的迁移机制仍然缺乏[24]、[25]、[26]。 农业用地占全球陆地面积的约38%，不同地区的农田中广泛检测到了各种形式的微塑料[27]、[28]。阐明微塑料的环境归趋需要对其在土壤系统中的迁移机制进行全面研究。本研究通过吸附动力学和等温实验，结合DLVO理论分析，研究了聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料与土壤基质之间的相互作用。此外，还进行了模拟降雨实验，以确定影响微塑料迁移的主要因素，并定量评估其通过地表径流的水平迁移和在土壤剖面中的垂直迁移。这些发现为评估微塑料的环境风险和制定有针对性的污染控制策略提供了重要的科学依据。

实验部分

土壤与微塑料

测试土壤取自中国泰安的上高种植园，该地区的土地利用类型为农业用地。为了减少空间异质性并确保样本代表性，采用了五点采样方案。使用不锈钢铲子从每个采样点采集0–20厘米深度的表土样本，并充分混合以获得复合样本。收集的土壤样本总质量为30千克。

DLVO相互作用

从界面相互作用能量的角度来看，随着负表面电荷的减小（从聚丙烯微塑料到聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料），总DLVO相互作用能量呈现出先减小后增大的趋势，最大能量障碍分别为2,888.6–3,374.6千巴。就最大能量障碍而言，排斥作用顺序为聚丙烯微塑料 > 聚乙烯微塑料 > 聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料，其值分别为3,374.6千巴、3,352.3千巴和2,888.6千巴。在5纳米的分离距离下，

微塑料-土壤相互作用对其迁移的影响

根据经典DLVO理论，总相互作用能量是范德华吸引力和静电排斥力的叠加。在本研究的氢化学环境中（pH 7.08，I = 9.63毫摩尔/升），砂壤土和微塑料都带有负Zeta电位[36]。这产生了强烈的静电排斥场，导致在主要吸附位点形成极高的能量障碍，阻碍了微塑料的固定[37]。

这一理论框架

局限性与展望

微塑料可以改变土壤的物理化学性质，影响土壤-水微生物群落的组成和酶活性，从而对陆地-水生生态系统构成潜在的环境风险[68]、[69]。本研究系统地研究了三种代表性微塑料在特定砂壤土中的吸附和迁移行为；然而，仍存在一些局限性。首先，仅使用了一种土壤类型（砂壤土），因此这些发现是否适用于其他类型的土壤尚不清楚。

结论

本研究通过吸附动力学、吸附等温线和DLVO理论，研究了聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料与砂壤土之间的相互作用。结合模拟降雨实验，系统地探讨了微塑料在砂壤土中的迁移机制。(1) 微塑料在土壤中的吸附遵循伪二级动力学规律，Freundlich等温线也符合这一规律，表明其吸附过程具有多层性。

环境意义

本研究表明，长期低强度降雨通过减少表面密封作用增强了微塑料的迁移，表明持续性降水是非点源污染的关键驱动因素。迁移轨迹受颗粒密度和土壤亲和力的影响，显示出不同的风险：低密度微塑料（如聚丙烯微塑料）主要污染地表水，中等亲和力的聚合物（如聚乙烯微塑料）威胁地下水，而高亲和力的类型（如聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料）则在土壤中积累。

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李成良：监督、研究。 胡炳迪：可视化、数据管理。 赵晨瑞：撰写初稿、可视化、软件应用、研究、数据管理。 侯磊：撰写、审稿与编辑、验证、方法学研究、资金申请、概念构思。 张明谷：监督、项目管理、方法学研究。 马亮：数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国山东省自然科学基金（项目编号ZR2025QC475）和中国国家重点研发计划（2024YFC3908500）的支持。