含有球狀微塑料的黃綿土在各降雨條件下的鹽分運移規律研究

陳 亮,徐燦瑋,司朋舉

(1.河海大學 土木與交通學院,江蘇 南京 210098;2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098;3.西藏農牧學院,西藏 林芝 860000)

改革開放以來,我國農業有了長足的發展,但仍存在諸多缺陷,農業精細化程度低,農藥化肥使用量高,地膜等塑料制品回收率低,導致農田土壤中存在大量的污染物[1]。據生態環境部統計[2],2011年我國廢棄塑料總量近2×108t,回收量為1.5×107t,回收率不到10%。全球的塑料產量從2005年的2.30×108t到2019年增長為3.48×108t[3],大部分塑料被填埋或丟棄在土壤環境中,危害生態環境。微塑料(Microplastics)主要是指粒徑<5 mm的塑料顆粒[4]。微塑料在生態系統中以初級微塑料(人造微材料)或次級微塑料(由較大的塑料垃圾分解而產生)的形式存在[5]。有關研究指出,陸地中存在的微塑料豐度可能是海洋的4～23倍,土壤中的微塑料越來越受到關注,土壤中微塑料污染問題已被列為環境與生態領域的第二大科學問題[6-7]。

微塑料污染以及其對土壤理化性質產生影響的問題,目前已有許多專家學者開展過深入研究。德國科學家Rillig[8]是世界上最早關注土壤中微塑料的研究者之一,其研究認為微塑料對土壤微生物活性不利。Wang等[9]研究發現隨著薄膜碎片的增加,土壤中微生物含量與碳、氮的含量顯著下降。Liu等[10]的研究表明,少量微塑料能提高土壤酶活性,過量則會造成負面影響。Ramos等[11]發現微塑料自身會累積農藥,從而導致土壤理化性質發生改變。

土壤降雨入滲與鹽分運移的問題,前人也進行了深入的研究。降雨入滲方面,覃小華等[12]研發的一維土柱垂直入滲模型試驗裝置能夠模擬降雨條件;李達等[13]在一維垂直滲透試驗的基礎上使用土體瞬時滲透特性測試儀,在各降雨強度條件下對非飽和砂質土進行試驗。土壤鹽分運移方面,例如Heuer等[14]研究了馬鈴薯在缺乏生理反應下土壤中水分和鹽分的運移情況;史文娟[15]通過室內土柱模擬試驗,研究了水分和鹽分在土壤中的運動規律以及覆砂條件下水分和鹽分的遷移機理。

目前關于微塑料對土壤理化性質變化的影響相對較成熟。但是針對含有微塑料的農田土壤中鹽分運移的研究相對匱乏,特別是陜北干旱、半干旱地區的黃綿土相關研究更少。因此研究被微塑料污染的黃綿土的可溶性無機物的運移以此探索微塑料影響可溶性無機物的遷移規律有利于黃綿土地區的農業生產。因此,本文設計降雨入滲試驗儀器以及試驗方案,選取NaCl作為可溶性污染物,研究不同降雨條件下含有球狀微塑料的黃綿土可溶性無機物運移規律。

1 試驗儀器與方案

1.1 降雨入滲試驗儀器

本試驗所用的儀器見圖1,一維垂直槽用于裝填試驗土柱,材質為透明有機玻璃,高295 mm,槽壁厚5 mm,內徑為140 mm,底部正中為排水口。降雨系統分為蠕動泵和降雨器,蠕動泵調節出水量,降雨器將蠕動泵的出水轉換為均勻降雨。

圖1 降雨入滲室內儀器圖Fig.1 Schematic diagram of rainfall infiltration test device

如圖1(a)所示,土壤電導率傳感器用于測量土壤鹽分,每個傳感器間隔50 mm,編號從下到上依次為1#、2#、3#、4#。試驗土柱高250 mm,頂部留有約45 mm空間,側邊貼上刻度尺用于觀察土壤積水情況。

試驗中采用電導率傳感器來檢測土壤中鹽分的運移情況,通過測量土壤電導率值的大小來反應土壤中鹽分濃度的大小,二者為線性正比關系,即土壤電導率值越大,土壤含鹽量也就越高。

1.2 降雨入滲試驗材料

1.2.1 試驗土樣

此次試驗選取陜北用于耕種的黃綿土,并采用密度浮選法濕洗土樣,以排除土樣中的雜質對實驗結果的影響。所選黃綿土土壤顆粒組成為黏粒5.53%、粉砂粒19.32%、細砂粒71.97%、粗砂粒3.18%。

1.2.2 試驗微塑料

本試驗所用微塑料為科邁新材料有限公司生產的分選性、穩定性較好的球狀聚苯乙烯(ps)微球,微球的粒徑偏差<10%,聚苯乙烯微球具體規格信息見表1所示。

表1 聚苯乙烯微球產品規格Tab.1 Specifications of polystyrene microspheres products

1.3 降雨入滲試驗方案

為研究不同降雨條件下,微塑料含量與粒徑對黃綿土鹽分運移的變化規律。選取微塑料含量為0.00 %、0.05 %、0.10 %、0.25 %和0.50 %,微塑料粒徑為3、5、8 μm,NaCl溶液濃度為45 g/200 g(NaCl質量/水質量)。

1.3.1 均勻降雨條件

在均勻降雨條件下,試驗開始時先將傳感器清零,再將NaCl溶液通過降雨器均勻地入滲到土體內部,直至雨水入滲到土柱底部停止試驗,即1#探頭檢測到電導率峰值時停止試驗,具體的試驗組別如表2所示。

表2 均勻降雨條件試驗方案Tab.2 Test plan under uniform rainfall conditions

如表2所示,組別1—5研究的是均勻降雨條件下微塑料含量對黃綿土鹽分運移的影響,組別6—8研究的是均勻降雨條件下微塑料粒徑對黃綿土鹽分運移的影響。

1.3.2 間歇降雨條件

為研究間歇降雨條件下不同降雨間歇比、微塑料含量與粒徑對含有微塑料的黃綿土鹽分運移的影響,選取降雨間歇比為1∶2(降雨30 min∶停歇60 min)、1∶1(降雨30 min∶停歇30 min)和2∶1(降雨60 min∶停歇30 min),微塑料含量g=0.25%、微塑料粒徑d=5 μm,NaCl溶液濃度為45 g/200 g(NaCl質量/水質量),試驗開始先將傳感器清零,再將NaCl溶液通過降雨器按照降雨間歇比控制降雨時間,直至雨水入滲到土柱底部試驗停止,具體試驗組別如表3所示。

表3 間歇降雨條件試驗方案Tab.3 Test plan under intermittent rainfall conditions

如表3所示,組別9—11研究的是降雨間歇比對黃綿土鹽分運移的影響,組別12—16研究的是間歇降雨條件下微塑料含量對黃綿土鹽分運移的影響,組別17—19研究的是間歇降雨條件下微塑料粒徑對黃綿土鹽分運移的影響。

2 降雨入滲試驗結果與分析

2.1 均勻降雨條件下黃綿土鹽分運移研究

2.1.1 均勻降雨條件下微塑料含量對黃綿土鹽分運移的影響

根據上述組別1—5的試驗方案,在均勻降雨條件下含有不同微塑料含量的黃綿土NaCl溶液的入滲試驗如圖2所示。

圖2 均勻降雨條件下各微塑料含量土柱入滲電導率隨時間變化散點圖Fig.2 Scatter plot of time-dependent electrical conductivity of soil column infiltration with different microplastic contents under uniform rainfall conditions

如圖2所示,由于土體電導率和土體鹽分濃度為正線性相關,所以土體電導率的變化可以反映土體鹽濃度的變化。歸納可知不同微塑料含量下NaCl溶液的入滲試驗有如下規律:從單一測點來看,NaCl在土壤中的運移呈現出濃度先增大后減小的特點,且隨著測點深度的增加,NaCl濃度峰值逐漸降低。觀察五組試驗NaCl溶液運移到土柱底部的時間,即記錄1#探頭檢測電導率達到峰值的時間。將其從快到慢排序,微塑料含量分別為0.05%、0.00%、0.10%、0.25%和0.50%。從入滲時間來看,低含量微塑料NaCl溶液入滲到土柱底部的時間最短,可知低含量微塑料促進黃綿土中的鹽分運移;高含量微塑料阻滯黃綿土中的鹽分運移,且隨著微塑料含量的增大阻滯效果越強。

記錄各個測點NaCl溶液峰值濃度持續時間,即記錄電導率浮動在其峰值相差5%以內的持續時間。歸納為表4。

表4 不同微塑料含量下各測點峰值濃度持續時間表 (單位:min)Tab.4 Duration of peak concentration at each measuring point under different microplastic contents(unit:min)

不同微塑料含量土柱試驗同一測點的峰值濃度如圖3所示。

圖3 不同微塑料含量同一測點電導率峰值Fig.3 Conductivity peaks at the same measuring point with different microplastic contents

由表4、圖3可知,黃綿土含有不同微塑料含量時,同一測點的電導率峰值和峰值持續時間不同。將電導率峰值和持續時間從高到低排序,微塑料含量依次為0.50%、0.25%、0.10%、0.00%和0.05%,且隨著入滲深度的增加,差異逐漸增大。這是由于低含量微塑料促進黃綿土的鹽分入滲,雨水入滲的速率較快,雨水量下滲得較多,鹽分從上層快速向下滲透到土柱底層,導致傳感器處的NaCl溶液峰值濃度持續時間較短且峰值較低。當微塑料含量超過臨界值時,隨著微塑料含量的增大,其峰值電導率值也增大。這是由于高微塑料含量阻礙了黃綿土的鹽分入滲,NaCl被稀釋程度較低,所以NaCl溶液峰值濃度持續時間增長,峰值電導率值較高。

此現象驗證了聚苯乙烯微塑料具有極強的疏水性。將其加入到土壤中,一方面可以填充土壤顆粒骨架間的孔隙,降低孔隙率,發揮黏性顆粒的阻水作用,另一方面又可以利用其自身的疏水特性。這兩種效應相互矛盾,且隨微塑料含量的增加,其疏水性逐漸減弱,阻水性逐漸增強。

各個測點的峰值濃度持續時間擬合曲線,采用指數函數y=a×bx,對各微塑料含量的峰值濃度持續時間進行擬合,可得圖4。

圖4 各個觀測點的電導率峰值濃度持續時間擬合曲線Fig.4 Fitting curve of peak concentration duration time at each observation point

由圖4可知,參數b與微塑料粒徑無關,故參數b取五種微塑料粒徑下的平均值b=(1.015+1.031+1.034+1.018+1.018)/5=1.023,參數a值需要根據微塑料的粒徑進行室內試驗測得。該曲線反應了不同含量微塑料的農耕土的鹽分運移規律。曲線越平緩表明土壤的鹽分入滲性能越強;反之,越陡峭表明其鹽分入滲性能越弱。

2.1.2 均勻降雨條件下微塑料的粒徑對黃綿土鹽分運移的影響

根據組別6—8的試驗方案,在均勻降雨條件下含有不同微塑料粒徑的黃綿土NaCl溶液的入滲試驗如圖5所示。

圖5 均勻降雨條件下各微塑料粒徑的土柱入滲電導率隨時間變化散點圖Fig.5 Scatter plot of time-dependent electrical conductivity of soil column infiltration with different microplastic particle sizes under uniform rainfall conditions

由圖5分析可知,不同微塑料粒徑下NaCl溶液的入滲試驗有如下規律:從單一測點來看,NaCl在土壤中的運移呈現出濃度先增大后減小的特點,且隨著測點深度的增加NaCl濃度峰值逐漸降低。觀察三組試驗NaCl溶液運移到土柱底部的時間,從低到高排序,微塑料粒徑d為3、8、5 μm。相較于空白對照組來說,稍小粒徑微塑料(d=3 μm)顯著促進黃綿土中的鹽分運移下滲,稍大粒徑微塑料(d=5、8 μm)阻滯NaCl的入滲,其微塑料粒徑為5μm時阻滯效果更顯著。

由表5、圖6可知,黃綿土含有不同微塑料粒徑時,同一測點的電導率峰值和峰值持續時間不同,從高到低排序,微塑料粒徑d依次為5、8和3 μm。其中微塑料粒徑d=3 μm的試驗土樣電導率峰值和峰值持續時間最低,這是由于相同質量百分比下其顆粒數較多,土體的基質吸力較大,越有利于水分和鹽分在土體內部遷移。當微塑料粒徑d=5、8 μm,由于其阻滯雨水和鹽分的入滲,入滲速率低,入滲水量小,所以其峰值電導率峰值和持續時間較大。其次隨著入滲深度的增加,相同測點的電導率峰值差異逐漸增大。

表5 不同微塑料粒徑下不同測點峰值濃度持續時間表

圖6 不同微塑料粒徑同一測點電導率峰值Fig.6 Conductivity peaks at the same measuring point with different microplastic contents

各個測點的峰值濃度持續時間擬合曲線,采用指數函數y=a×bx,對各微塑料粒徑的峰值濃度持續時間進行擬合,可得圖7。

圖7 各個觀測點的峰值濃度持續時間擬合Fig.7 Fitting curve of peak concentration duration time for each observation point

由圖7可知,參數b基本不隨微塑料粒徑的變化而變化,因此參數b取三種微塑料粒徑下的平均值b=(1.015+1.018+1.028)/3=1.02,參數a的值需要根據微塑料粒徑進行室內試驗測得。該曲線反應了不同粒徑微塑料的農耕土的鹽分運移規律。曲線越平緩表明土壤的鹽分入滲性能越強;反之,越陡峭表明其鹽分入滲性能越弱。

2.2 間歇降雨條件下黃綿土鹽分運移研究

2.2.1 不同降雨間歇比λ對黃綿土鹽分運移的影響

根據上述組別9—11的試驗方案,選取降雨間歇比λ為1∶2(降雨30 min:停歇60 min)、1∶1(降雨30 min:停歇30 min)和2∶1(降雨60 min:停歇30 min),在不同降雨間歇比條件下含有微塑料的黃綿土NaCl溶液的入滲試驗如圖8所示:

圖8 不同降雨間歇比的土柱入滲電導率隨時間變化散點圖Fig.8 Scatter plot of time-dependent electrical conductivity of soil column infiltration with different rain interval ratios

由圖8可知不同降雨間歇比下NaCl溶液的入滲試驗有如下規律:

從單一測點電導率的變化來看,NaCl溶液在土壤中的運移規律呈現先增大后減小的趨勢,同時隨著入滲深度的增加,NaCl溶液濃度峰值逐漸降低,且各個測點之間降低的幅度逐漸減小。與均勻降雨條件下的電導率變化基本一致。

第一個測點(4#探頭)的電導率時程曲線會明顯表現出對降雨條件變化的響應(曲線會出現起伏波動)。而在降雨間歇比λ=1∶2時,第二個測點(3#探頭)也有輕微的降雨響應。隨著測點深度的增加,NaCl溶液達到峰值后的持續時間逐漸增加?？傮w表現為隨著降雨間歇比比值的增大,峰值濃度持續時間逐漸增加。4#測點由于距離土體表面較近,水分的入滲率和入滲水量相同,此測點的峰值濃度持續時間幾乎相同。

不同降雨間歇比下,同一測點電導率峰值不一致。電導率峰值從高到低降雨間歇比依次為1∶2、1∶1和2∶1,且隨著入滲深度的增加,差異逐漸增大。

2.2.2 間歇降雨條件下不同微塑料含量對黃綿土鹽分運移的影響

根據上述組別12—16的試驗方案,在降雨間歇比為1∶1的條件下含有不同微塑料含量的黃綿土NaCl溶液的入滲試驗如圖9所示。

圖9 間歇降雨條件下各微塑料含量土柱入滲電導率隨時間變化散點圖Fig.9 Scatter plot of time-dependent electrical conductivity of soil column infiltration with different microplastic contents under intermittent rainfall conditions

由圖9可知,間歇降雨條件下不同微塑料含量下NaCl溶液的入滲試驗有如下規律。從單一測點來看,NaCl在土壤中的運移整體上呈現濃度先增大后減小的趨勢,且隨著測點深度的增加,NaCl溶液的峰值濃度逐漸降低,且各個測點之間降低的幅度逐漸減小。

在間歇降雨條件下,土體NaCl溶液的入滲在4#測點處均表現出對降雨條件變化的響應。低含量微塑料,由于NaCl入滲速度較快,在3#測點電導率上升階段也表現出對降雨條件變化的響應,但是響應不顯著。而高含量微塑料,3#測點對降雨條件變化無響應。

NaCl溶液在土壤中的下滲時間,由快到慢排序,微塑料含量分別為0.05%、0.10%、0.00%、0.25%和0.50%。結果可知在間歇降雨條件下,低含量微塑料促進鹽分下滲,高含量微塑料抑制鹽分下滲的規律不變。從微塑料含量g=0.10%下滲速度快于空白對照組的數據可知,間歇降雨條件下促進鹽分下滲的微塑料臨界含量對比均勻降雨條件下的微塑料臨界含量有所上升。這說明間歇降雨條件使得聚苯乙烯微塑料的疏水性更充分發揮,抵消了自身阻水性的作用。

間歇降雨條件下黃綿土含有不同微塑料含量時,同一測點電導率峰值不一樣,電導率峰值從高到低排序,微塑料含量依次為0.50%、0.25%、0.00%、0.05%和0.10%,且隨著入滲深度的增加,差異逐漸增大。間歇降雨條件下,各個測點峰值電導率的值均比均勻降雨條件下的高,且隨著測點深度的增加,差距越來越大。

2.2.3 間歇降雨條件下不同微塑料粒徑對黃綿土鹽分運移的影響

根據上述組別17—19的試驗方案,在降雨間歇比為1∶1的條件下,含有不同微塑料粒徑的黃綿土NaCl溶液的入滲試驗如圖10所示。

圖10 間歇降雨條件下各微塑料粒徑的土柱入滲電導率隨時間變化散點圖Fig.10 Scatter plot of time-dependent electrical conductivity of soil column infiltration with different microplastic particle sizes under intermittent rainfall conditions

由圖10可知,間歇降雨條件下含有不同微塑料粒徑的黃綿土NaCl溶液的入滲試驗有如下規律。從單一測點電導率的變化趨勢來看,NaCl溶液在土壤中的運移趨勢整體上呈現出濃度先增大后減小的趨勢。同時隨著測點深度的增加,NaCl峰值濃度逐漸降低,各個測點之間降低幅度逐漸減小。與均勻降雨條件下的電導率變化基本一致。

NaCl溶液到達土柱底部的時間從高到低排序,微塑料粒徑分別為8、5、3 μm。從總的入滲時間來看,間歇降雨條件下微塑料粒徑越小,NaCl溶液入滲到土柱底部的時間越短,越促進NaCl溶液在黃綿土中的下滲運移。

間歇降雨條件下,三種微塑料粒徑下黃綿土土柱不同測點電導率對降雨條件的變化表現出不同程度的響應。其中稍小粒徑微塑料(d=3 μm)的土柱試驗,四個測點的電導率時程曲線均捕捉到對降雨條件變化的響應,且隨著測點距離土體表面的距離越近,這種響應越劇烈,響應延遲越小。稍大粒徑微塑料(d=5、8 μm),只有上面兩個測點(4#和3#測點)捕捉到這種響應,下面兩個測點(2#和1#測點)沒有捕捉到。

同一測點在不同微塑料粒徑下,電導率峰值和持續時間不一樣。從高到低排序,微塑料粒徑依次為8、5和3 μm,且隨著入滲深度的增加,差異逐漸增大。這與其雨水入滲的速率緊密相關,微塑料粒徑為3 μm時,顯著促進雨水的入滲,NaCl溶液被嚴重稀釋,故其峰值濃度較低。反之,則雨水入滲的速率較慢,入滲水量較少,NaCl溶液被稀釋程度較低,故其峰值電導率較高。

3 結論

1)在各降雨條件下,同一深度的NaCl溶液的運移規律呈現先增大,達到峰值后逐漸降低的規律。且隨著深度增加,NaCl溶液的峰值濃度逐漸降低,而峰值濃度持續時間逐漸增加。

2)在各降雨條件下,低含量微塑料顯著促進NaCl溶液的入滲,高含量微塑料阻滯NaCl溶液的入滲。且在間歇降雨條件下促進溶液入滲的微塑料臨界含量相對于均勻降雨條件下的微塑料臨界含量會有所上升。

3)稍小粒徑微塑料(d=3 μm)顯著促進NaCl溶液入滲,稍大粒徑微塑料(d=5、8 μm)阻滯NaCl溶液的入滲。

4)在間歇降雨條件下,低含量和小粒徑微塑料由于入滲性能更好,對降雨響應更靈敏,深度更深。降雨間歇比越大,各測點的電導率峰值逐漸降低,峰值持續時間逐漸增加,且隨著入滲深度增大,差異逐漸增大。