地膜源微塑料老化提高了草地和農(nóng)田土壤中鄰苯二甲酸酯含量并改變有機(jī)碳組分
農(nóng)用地膜是陸地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料（MPs）的主要來源，但關(guān)于地膜源MPs進(jìn)入自然和農(nóng)業(yè)土壤中的老化特性及其對(duì)鄰苯二甲酸酯（PAEs）和有機(jī)碳組分的影響尚不清楚。青藏高原是重要的碳庫(kù)，對(duì)高寒生態(tài)系統(tǒng)的碳源——碳庫(kù)的平衡起到調(diào)節(jié)作用；也是氣候變化最敏感、生態(tài)最脆弱的地區(qū)。青海省是青藏高原東部的主要農(nóng)業(yè)區(qū)，且擁有約三分之二的天然草地。本研究分析了在青海省草地和農(nóng)田土壤中不同微生物作用下的地膜（傳統(tǒng)聚乙烯（PE）和新型生物可降解（Bio）地膜）源微塑料的老化特征及其對(duì)塑化劑和有機(jī)碳組分的影響，為控制地膜源MPs污染和明確MPs對(duì)陸地碳庫(kù)的影響提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)青藏高原生態(tài)保護(hù)具有重要意義。
研究結(jié)果表明農(nóng)田土壤ACE和Shannon指數(shù)分別比草地高469.52和0.19（圖1a）。農(nóng)田中α-變形菌（Alphaproteobacteria）、γ-變形菌（Gammaproteobacteria）、酸微菌綱（Acidimicrobiia）和擬桿菌綱（Bacteroidia）的相對(duì)豐度是草地的1.3-1.8倍（圖1b, p<0.05）。
圖1 青海省河湟谷地草地和農(nóng)田土壤細(xì)菌多樣性及相對(duì)豐度
與原始MPs相比，經(jīng)過八周老化后，農(nóng)田中PE-MPs在2920、2850、1460和720 cm-1處的四個(gè)特征吸收峰（對(duì)應(yīng)于-CH2振動(dòng)）明顯變?nèi)酰▓D2a, b），在1020 cm-1處出現(xiàn)新的吸收峰，對(duì)應(yīng)于C-O官能團(tuán)。在草地和農(nóng)田中，Bio-MPs在2950、1715、1453和727 cm-1處的C-H、C=O、C=C和C-H官能團(tuán)的吸收峰減弱（圖2d, e）。
與原始MPs相比，黑色和白色PE-MPs的CI值在草地分別增加了0.13和0.022，在農(nóng)田分別提高了0.19和0.22 （圖2c, p<0.05）。黑色和白色Bio-MPs的CI值在草地（84%和69%）和農(nóng)田（91%和24%）土壤中顯著降低（圖2f）。
圖2 原始MPs和草地和農(nóng)田土壤中處理八周的MPs的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜和羰基指數(shù)（Carbonyl index, CI）
與對(duì)照處理相比，PE-MPs和Bio-MPs處理的草地和農(nóng)田土壤總PAEs含量顯著增加，PE-MPs處理的土壤中總PAEs含量是Bio-MPs處理的2-3倍（圖3）。鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）是MPs處理土壤PAEs總量的主要貢獻(xiàn)者（77.7%-93.4%）。MPs處理土壤中總PAEs含量隨PE-MPs CI值的增加而增加，隨Bio-MPs CI值的增加而降低（圖4）。
圖3 黑白PE-MPs和Bio-MPs處理的草地和農(nóng)田土壤中總鄰苯二甲酸酯含量和6種類型鄰苯二甲酸酯含量的變化
圖4 MPs處理土壤中總鄰苯二甲酸酯與PE-MPs和Bio-MPs的羰基指數(shù)（CI值）的關(guān)系擬合
與對(duì)照相比，所有MPs處理的草地土壤有機(jī)碳含量均降低（5.3%- 8.2%）（圖5, p<0.05）。黑色Bio-MPs處理使農(nóng)田土壤有機(jī)碳降低了11.6%（p<0.05）。在草地土壤中，MPs處理提高了礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MAOC）含量（12.2%-22.8%），降低了顆粒態(tài)有機(jī)碳（POC）含量（31.8%-41.6%）。MPs處理顯著降低了草地微生物生物量碳（MBC）含量。黑色MPs處理的草地和農(nóng)田土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）含量分別提高了約27%和14%（p<0.05）。
圖5 黑白PE-MPs和Bio-MPs處理的草地和農(nóng)田土壤中有機(jī)碳組分的變化
在草地土壤中，MPs顏色對(duì)土壤有機(jī)碳組分有顯著影響（表1, p<0.001），MPs類型和MPs顏色交互作用顯著影響MBC和DOC （p<0.05）。在農(nóng)田土壤中，MPs顏色對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響最為顯著（28.8%-71.7%）；MPs類型和MPs顏色交互作用顯著影響SOC、POC和MBC（p<0.05）。
表1 MPs類型和顏色對(duì)草地和農(nóng)田土壤POC、MAOC和SOC的影響力分析
PE-MPs老化增加了土壤PAEs含量（圖6a, p<0.05）。土壤微生物生物量受PAEs含量的影響，進(jìn)而影響SOC（p<0.01）。PE-MPs的老化程度與土壤養(yǎng)分直接相關(guān)（r?=-0.84, p<0.001）。土壤養(yǎng)分直接影響微生物生物量和酶活性，最終影響SOC（p<0.01）。此外，Bio-MPs的老化程度與土壤PAEs含量顯著相關(guān)（r?= 0.65, p<0.05, 圖6b）。土壤PAEs含量對(duì)土壤養(yǎng)分、微生物生物量和酶活性有顯著影響（p<0.01），進(jìn)而影響SOC。
圖6偏最小二乘路徑分析結(jié)果（PLS-PM），分析了MPs老化程度（老化MPs的CI值相對(duì)于原始MPs的變化率）與土壤酶活性、養(yǎng)分、鄰苯二甲酸酯、微生物生物量和土壤有機(jī)碳之間的關(guān)系。
綜上，與原始MPs相比，在草地和農(nóng)田土壤中培養(yǎng)八周后，MPs的特征吸收峰強(qiáng)度均降低。農(nóng)田中PE-MPs的老化程度最高（CI: 0.23-0.27），這是由于農(nóng)田土壤中的微生物多樣性和降解PE聚合物的細(xì)菌類群相對(duì)豐度較高。同時(shí)，炭黑母粒影響黑色MPs聚合物的力學(xué)性能，從而影響其老化程度。MP老化增加了土壤中PAEs濃度，減少了微生物生物量。地膜源MPs材料中的DOC浸出可促使草地（10%-28%）和農(nóng)田（9%-15%）土壤DOC含量增加。經(jīng)MPs處理的土壤POC和SOC含量均降低，且與MPs的顏色和類型有關(guān)。此外，MPs通過影響土壤的PAEs、養(yǎng)分、微生物生物量和胞外酶活性來改變SOC。因此，MPs的老化增加了土壤PAEs濃度，并影響草地和農(nóng)田土壤有機(jī)碳平衡（圖7）。
圖7 聚乙烯和生物可降解地膜源MPs對(duì)青海省草地和農(nóng)田土壤塑化劑及有機(jī)碳組分的影響過程
本研究以“Mulch-derived microplastic aging promotes phthalate esters and alters organic carbon fraction content in grassland and farmland soils”為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Journal of Hazardous Materials》。西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院張海鑫博士研究生為論文第一作者，黃懿梅教授為通訊作者。該研究工作得到了第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究任務(wù)六“土地利用變化及其環(huán)境效應(yīng)”專題（2019QZKK0603）的資助。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389423019027