微塑料和鋅及其復合污染對土壤養分的影響

張志乾，陳漢乾，李慧珍，李良釗，于 攀，劉毓海

（1.海南大學 生態與環境學院，海南 ?？?570228；2.廣州大學 化學化工學院，廣東 廣州 510006；3.韓山師范學院 化學與環境工程學院，廣東 潮州 521041）

據2019 年調查，全球塑料產量已多達3.68 億t［1］.大量的塑料在沒有適當處置方式的情況下進入環境，其中79%的塑料垃圾被存入了垃圾填埋場［2］.隨著種植業的發展，塑料制品尤其地膜廣泛用于農業生產中，因其具有增溫保濕的特點，對作物產量的提高有重要作用.在光照和機械的雙重作用下，地膜破碎成微塑料（MPs，直徑小于5 mm 的顆粒）堆積在土壤中，從而形成塑料污染.微塑料不僅改變土壤的理化性質，如土壤結構［3］、土壤肥力［4］和土壤pH值［5］，還會影響到土壤酶活性，研究證實不同微塑料種類和大小對酶活性的影響不同［6］.

為了改變當前塑料污染的現狀，可降解塑料逐漸得到廣泛應用［7］.可降解塑料可以在自然條件下，通過微生物的作用最終分解為CO2和H2O.但由于其在自然條件下無法達到完全降解，因此，也會形成微塑料［8］，可降解塑料易降解，產生的微塑料可能比普通塑料產生得更多，可能對土壤環境造成更加嚴重的污染［9］.因此有必要對比不同種類的微塑料，探究可降解塑料是否對土壤產生負面影響.由于MPs 粒徑小，光降解能力弱，是環境中的良好載體［10］，因此，MPs 可以物理吸附或與其他污染物發生化學反應，生成復雜的二元污染物，從而產生更高的綜合毒性［11］.微塑料因在環境中風化破碎而形成電荷可以吸附金屬離子［12］.作為載體，MPs增加了陸地環境中重金屬吸附的潛力［13］.重金屬和MPs之間的相互作用可以改變其環境行為、生物有效性和潛在毒性，從而導致生態風險.例如MPs可通過提高Cd 的生物利用度來加重Cd對蚯蚓的毒性［14］，MPs與Cd、ZnO 等土壤污染物共同改變共生真菌的群落結構和植物生長，這在一定程度上歸因于MPs 的存在提高了Cd 和Zn 的有效性［15］.MPs 廣泛存在于各種土壤中，然而，在重金屬污染下，MPs如何影響土壤性質對于理解MPs與其他污染物共存的生態影響和風險具有重要意義.考慮到MPs和土壤中金屬污染物的共同污染，預計不同類型的MPs 將對金屬有效性有不同的改變，從而改變土壤微生物群落.

因此本文以鋅和兩種類型的微塑料—聚乙烯（PE）和可降解塑料聚己二酸/對甲酸丁二酯（PBAT）為研究對象，研究其單一及復合污染對土壤養分和酶活性的影響，旨在探究污染物共存對土壤的生態影響，旨在為后期評估微塑料污染對土壤的生態毒理效應提供理論依據.

1 材料和方法

1.1 實驗設計實驗地點位于海南大學儋州校區試驗種植基地（109°18＇E，19°27＇N），屬于熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫23.5 ℃，年均降水量1 815 mm.試驗中的三種微塑料原料顆粒平均尺寸150 μm，購自弘泰塑膠原料有限公司（中國廣東），PE的比重為0.954 g·cm-3，拉伸強度為13.8 MPa，伸長率為250%；PBAT的比重1.21 g·cm-3，拉伸強度為25 MPa，伸長率為400 %.生菜苗購自儋州綠風蔬菜種植合作社.用于生菜種植的土壤采自海南大學儋州校區實驗種植基地，清除碎屑和雜質，供試土壤為磚紅壤土，pH 為5.57，有機碳為11.86 g·kg-1，全氮為0.2 g·kg-1，全磷為0.29 g·kg-1.實驗原土中除人為添加未發現有微塑料.

采用兩種類型的微塑料（PE 和PBAT），MPs 的劑量設定依據土壤中MP 豐度的數據［16］和之前的研究［17-18］.鋅濃度根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018），人工模擬鋅污染土壤，鋅溶液的制備方法是將ZnSO4·7H2O溶解在水中，然后與土壤均勻混合.

單一添加實驗：在盆栽中分別加入劑量為0.1%、1%和10%（w/w）的兩種微塑料；200 mg·kg-1、400 mg·kg-1和800 mg·kg-1鋅溶液.所有處理重復3次.

復合添加實驗：在盆栽中分別加入1%的PE和PBAT及鋅（400 mg·kg-1和800 mg·kg-1）的復合溶液，所有處理重復3次，探究復合處理對土壤養分和酶活性的影響.

對照實驗（CK）：在其他條件相同下，不添加微塑料和鋅，處理重復3次.

種植盆栽為口徑49.5 cm 的長條塑料花盆，寬為18.5 cm 高15 cm 容量為14 L，本實驗土重9.0 kg.施肥同田間管理.每個處理重復3 次.在2022 年1 月14 日種植，第45 天收獲生菜后取土樣測定理化性質和土壤酶活性.

1.2 實驗方法土壤養分測定參考《土壤農化分析》［19］，土壤pH值用pH計測定，有機質用重鉻酸鉀外加熱法，堿解氮用堿解擴散法，土壤酶活性的測定依據《土壤酶及其研究法》［20］進行測定.土壤脲酶活性用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法，蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法，酸性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定.

1.3 統計分析用Excel2010 處理數據，使用SPSS26 進行方差分析，通過Duncan 多重比較分析，用Origin 2021繪圖.

2 結果與分析

2.1 不同處理對pH的影響由圖1a可知兩種微塑料相比，聚乙烯顯著降低土壤pH值，1%處理pH值最低為5.93.可降解處理中10%的添加量對pH 影響最明顯，為6.54.圖1b 可知不同鋅添加量對土壤pH 有顯著影響，其中400 mg·kg-1的添加量對pH 影響最大，pH 值為5.93.圖1c 可以看到復合處理均會降低土壤pH值，且表現出相同的趨勢.

圖1 不同處理土壤的pH

2.2 不同處理對有機質含量的影響圖2a可知不同種類的微塑料對土壤有機碳含量影響不同.兩種微塑料隨著添加量的增加都會使有機碳含量增加，但與對照相比，聚乙烯塑料變化不顯著，而可降解塑料變化極顯著，在添加量為10%時有機碳含量達到最大值43.92 g·kg-1，增量為164.26%.圖2b 不同鋅處理對有機碳含量有顯著影響，均表現為含量降低.在400 mg·kg-1時含量最低為（13.07±0.02）g·kg-1.而由圖2c可知可降解塑料復合處理顯著提高了土壤有機碳含量.與單一添加鋅對土壤養分影響結果對比可知，復合處理有機碳含量的增加是由于微塑料的影響.

圖2 不同處理土壤的有機質

2.3 不同處理對堿解氮含量的影響由圖3a可以看出，不同種類的微塑料對土壤堿解氮含量的影響表現為相反的趨勢.堿解氮含量隨著聚乙烯微塑料添加量的增加而降低的趨勢，而可降解塑料顯著增加了堿解氮含量且隨著添加的增加而遞增，添加量為10%下PE 處理含量最低為76.59 mg·kg-1，PBAT 處理含量最高為109.04 mg·kg-1.

圖3 不同處理土壤的堿解氮

圖3b 為單獨鋅添加對土壤堿解氮的影響，由圖可知，堿解氮含量有隨著鋅添加量的增加而增加的趨勢，添加量為800 mg·kg-1的處理堿解氮含量最高為（117.21±11.32）mg·kg-1.而在圖3c，于微塑料與鋅復合污染下聚乙烯和鋅復合處理對土壤堿解氮含量影響不顯著，而可降解復合處理顯著提高了堿解氮含量，在400 mg·kg-1處理下含量最高為（114.01±2.36）mg·kg-1.

2.4 不同處理對速效磷含量的影響由圖4a 可知不同種類和數量的增加均顯著降低了土壤速效磷含量，雖然隨著添加量的增加速效磷含量有升高的趨勢，但仍顯著低于對照.兩種微塑料在1%下含量均為最低，分別為31.88 mg·kg-1和64.03 mg·kg-1.圖4b 表明不同含量的鋅處理對土壤速效磷有顯著影響.呈現隨著添加量的增加速效磷含量降低的趨勢，在400 mg·kg-1時含量最低為（63.91±5.88）mg·kg-1.而由圖4c 可知兩種塑料復合處理均降低了土壤速效磷含量，且可降解處理下降更顯著，在400 mg·kg-1時含量最低為（39.59±5.78）mg·kg-1，降低了472.89%.

圖4 不同處理土壤的速效磷

2.5 不同處理對蔗糖酶活性的影響由圖5a可知與對照相比，蔗糖酶活性在不同種類和數量的微塑料添加下差異顯著.可以看出隨著聚乙烯微塑料添加量的增加蔗糖酶活性有下降的趨勢，而可降解塑料表現出相反的趨勢.圖5b 不同含量的鋅添加對土壤蔗糖酶無顯著影響，而由圖5c 可知，在復合污染中可降解微塑料處理顯著提升了蔗糖酶的活性，其中變化最顯著的為PBAT與鋅的復合污染.

圖5 不同處理土壤的蔗糖酶

2.6 不同處理對脲酶活性的影響圖6a 表明不同種類和數量的微塑料添加均顯著提高了土壤脲酶活性.與對照相比，雖然聚乙烯塑料提高了脲酶活性但是不同添加量之間無限制差異，然而隨著可降解塑料添加量的增加土壤中脲酶含量逐步遞增，在添加量為10%時含量最高，為（654.56±20.10）μg·g-1·d-1.圖6b 為鋅的不同添加量對土壤脲酶影響，與對照相比，200 mg·kg-1和800 mg·kg-1處理增加了脲酶活性，400 mg·kg-1表現為酶活性降低.而由圖6c 可知，在復合污染中，可降解塑料處理顯著提高了土壤脲酶活性，在800mg·kg-1時脲酶活性最高，與對照相比提高89.63%，而聚乙烯處理變化不顯著.

圖6 不同處理土壤的脲酶

2.7 不同處理對酸性磷酸酶活性的影響對于酸性磷酸酶，在圖7a單獨添加微塑料結果中可知聚乙烯塑料的添加雖然降低了酸性磷酸酶的活性，但與對照相比差異不顯著，而可降解塑料的添加顯著提高了酸性磷酸酶活性且與添加量呈正相關關系，在添加量為10%酶活性最高為（1.55±0.16）mg·g-1·12h-1.圖7b為單獨鋅添加，可以看到鋅添加顯著降低了酸性磷酸酶活性，但不同添加量之間無顯著差異，表明土壤中鋅含量對土壤酸性磷酸酶活性無影響.在圖7c微塑料與鋅復合污染中，酸性磷酸酶與蔗糖酶活性變化表現為相同的趨勢及在可降解塑料處理最顯著.

圖7 不同處理對土壤酸性磷酸酶的影響

2.8 不同處理對過氧化氫酶活性的影響過氧化氫酶而言，由圖8a可知聚乙烯微塑料的添加對過氧化氫酶活性無影響，但隨著可降解微塑料添加量的增加酶活性降低，但1%和10%之間無差異.圖8b表示不同含量的鋅添加對過氧化氫酶的影響，由圖可知過氧化氫酶活性與鋅添加量無顯著相關關系.由圖8c可知兩種微塑料均會對過氧化氫酶活性產生影響，且可降解塑料對酶活性影響更大，在鋅濃度為400 mg·kg-1時酶活性最低為（1.49±0.34）mL·g-1.與鋅單獨處理結果相比，復合處理對酶活性的影響大多是由微塑料添加導致.

圖8 不同處理土壤的過氧化氫酶

3 討 論

3.1 不同處理對土壤養分的影響對土壤養分的影響.微塑料不同種類對土壤養分的影響存在差異.兩種微塑料添加均提高了土壤pH值、有機碳、堿解氮的含量，這與Gao等［21］的研究結果一致.Yang等［22］同樣發現微塑料添加增加了土壤pH 值，可能的原因為微塑料較大的表面積吸附了大量的帶正電或帶負電的離子或膠體物質，從而改變土壤溶液中的離子交換，最終導致增加了土壤pH 值.而在微塑料與鋅復合污染中，pH呈降低趨勢，可能的原因為添加的硫酸鋅呈酸性，從而致使pH值降低.

有機碳是表征土壤質量的一個重要指標.研究發現MPs，尤其是生物MPs，本身或其中間產物可作為有機碳源［23］從而增加了有機碳含量.Meng 等人研究發現不同含量的聚乙烯微塑料添加46 d 后土壤中有機質含量無顯著差異，而生物可降解微塑料處理從46 d到105 d有機質含量顯著增加［24］.試驗結果與上述研究結果相似，生物可降解微塑料顯著提高了土壤有機碳含量.可能由于聚乙烯塑料結構穩定，在自然條件下很難降解.與聚乙烯微塑料相比，生物可降解微塑料更易降解，且當前研究中使用的生物MPs含有雜原子聚合物（PBAT 是脂肪族-芳香族聚合物），經分解后釋放更多的有機物質從而增加土壤有機碳含量.不同含量的鋅污染對土壤有機碳含量影響基本相同，由此可以說明復合污染中土壤有機碳含量的變化主要由微塑料造成.

實驗結果表明單獨污染和復合污染均會提高土壤堿解氮含量，此前有實驗表明有機質含量與堿解氮和速效鉀含量之間存在極顯著正相關關系［25］.因此研究中堿解氮含量的增加可能與土壤中有機碳含量的增加有關，需要進一步研究驗證.同時Huang 等［26］發現在稻麥區，土壤銨態氮鋅含量呈顯著正相關，本實驗結果與此一致.可能的原因為和Zn2+之間對土壤膠體交換位點的競爭，這可能導致Zn2+從吸附位點解吸由于PBAT 對土壤有機碳影響較PE 更大，因此在復合污染中，PBAT 與Zn 復合污染中堿解氮含量高于PE復合污染.

不同處理均降低了土壤速效磷含量，已有試驗結果表明微塑料濃度與土壤全氮（TN）、硝態氮（NO3-N）、水溶性總氮（TON）、微生物量氮（MBN）、全磷（TP）、速效磷（AP）呈顯著負相關性［27］，在黃艷等的研究中地膜添加同樣導致土壤速效磷含量下降［28］.此研究結果與本文實驗結果中速效磷含量降低相符.可能的原因為MPs通過改變微生物過程影響氮和磷的生物地球化學循環.微塑料通過改變微生物的豐度和活性以及抑制土壤酶活性來降低有效氮和磷的含量［29］.不同程度的鋅污染處理中速效磷含量降低的原因可能為鋅添加使得土壤中解磷微生物相對豐度降低，從而降低土壤中速效磷含量［30］.因此在兩種污染物復合作用下，使得速效磷含量進一步降低.

3.2 對酶活性的影響由于土壤酶對土壤脅迫反應敏感，常用作土壤健康變化的指標［30］.研究表明微塑料對酶活性的影響取決于微塑料的屬性和暴露條件［24］.從實驗結果可知隨著PE添加量的增加，蔗糖酶和酸性磷酸酶活性受到抑制，而脲酶活性增強，這一結果與馬云等人［31］的研究結果相一致，而PBAT 對蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響表現為與PE 添加相反的結果，這是因為PBAT 比PE 具有更高的生物降解性［24］.同時發現與對照相比，低濃度的鋅添加可以提高土壤中的酶活性，濃度太高會抑制酶活性，其原因可能是鋅作為輔助因子或活化劑可以提高酶的活性，然而，過量的鋅會通過與酶的蛋白質活性基團結合或與酶-底物復合物反應來抑制酶，王秀麗等［32］發現土壤酶活性與重金屬含量呈負相關.實驗中鋅添加顯著降低了土壤酶活性，這一結果與上述發現相符.土壤過氧化氫酶活性可用于表征土壤的總生物活性和肥力［33］，過氧化氫酶活性與需氧微生物和土壤有機質的豐度密切相關.MPs 可以改變土壤特性，如孔隙度、通氣性和水流［34］，這可能導致土壤微生物群落的變化，如好氧和厭氧微生物相對分布的變化［23］.實驗中過氧化氫酶的降低可能歸因于過量的可降解微塑料抑制了好氧微生物活性.復合污染處理中，除PBAT與Zn 復合處理顯著提高了酸性磷酸酶活性，且隨著Zn 添加量的增加而降低可以說明這一變化主要由PBAT主導.

4 結 論

微塑料添加未對土壤pH 值產生顯著影響，兩種類型不同的添加量均會增加土壤有機碳含量，且可降解類型隨著添加量的增加有機碳含量變化更為顯著.高濃度的鋅添加可以提高土壤堿解氮含量，而微塑料添加變化不顯著.土壤酶活性會隨微塑料的添加而產生變化，且可降解塑料對酶活性的影響顯著高于普通塑料.鋅添加會顯著降低土壤酸性磷酸酶活性外，對脲酶和蔗糖酶活性有不同程度的提高.