2024, Vol. 45
2. 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司乡村振兴研究中心, 昆明 650051;
3. 山东正维勘察测绘有限公司, 济南 250100;
4. 武汉市蔡甸区农业技术推广服务中心, 武汉 430100
, XIONG Xing-jun2 , ZHANG Xiu-ling3 , SUN Wei4 , GAO Hua1 , ZHENG Yong2 , HU Rong-gui1 , LIN Shan1
2. Research Center for Rural Revitalization, Power China Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, China;
3. Shandong Zhengwei Survey and Mapping Corporation Limited, Jinan 250100, China;
4. Wuhan Caidian District Agricultural Technology Extension Center, Wuhan 430100, China
近年来, 地膜覆盖不仅在提高作物生产力方面表现突出, 在减少水土流失和调节地温等方面也有显著成效[1]. 21世纪初, 全球每年农用地膜用量近70万t, 且中国约占使用量的80%, 面积约2 000万hm2[2]. 有研究表明[3], 于作物周期使用地膜覆盖, 土壤会留有塑料残留物. 塑料残留物难降解完全, 经过风化、光照和辐射等一系列自然作用后形成小于5 mm的塑料碎片, 统称微塑料（microplastics, MPs）[4].
农业土壤是微塑料污染的重要场所[5], 然而随着土壤中微塑料丰度日渐增加, 微塑料污染风险的问题愈发突出, 因此探究微塑料对土壤养分循环的影响至关重要. 土壤中氮磷易以径流和淋溶等途径损失, 引起农业面源污染. 微塑料输入会降低土壤孔隙度, 且由于微塑料的疏水特性进而使得土壤的持水能力降低[6], 从而改变土壤环境影响土壤养分的淋溶与氮的迁移[7]. 微塑料对土壤有机碳、氮循环、土壤微生物活性和养分转移具有负面影响[8]. 牛清清等[9]研究表明, 不同的覆盖栽培模式中, 地膜覆盖的果园水土及养分流失量要显著高于秸秆覆盖. 连年进行塑料地膜覆盖造成了较为严重的果园土壤微塑料污染, 土壤中残留的地膜不仅会破坏原有土壤结构, 改变土壤水分入渗及持水性能, 而且严重阻碍土壤水分和溶质运移, 影响果树生长发育[10].
秸秆还田包括覆盖还田和翻埋还田等利用方式, 随着我国氮肥资源紧缺和环境污染问题加重, 农作物秸秆的利用备受关注. 农作物秸秆富含各种营养元素, 还田后可以提高土壤氮、磷和钾等养分含量并改善土壤理化特性, 对作物的增产增效具有重要意义[11]. Wang等[12]研究结果表明秸秆还田可通过改变土壤生物化学性质影响氮损失. Yang等[13]通过模拟降雨条件下秸秆还田对地表径流的影响表明, 秸秆还田能保持土壤水分并减缓降雨径流流速. 亦有研究表明[14], 秸秆还田可通过减少地表径流降低氮损失. 秸秆覆盖也由于可以调节土壤水热状况, 改良土壤, 促进根系生长, 在果园中得到了推广应用[15]. 有研究表明[16], 秸秆添加有效地提高了土壤含水量、果实产量和水分利用效率.
目前, 微塑料作为土壤污染物对土壤养分淋失的研究较少, 且在农作物秸秆还田下微塑料输入对土壤养分淋溶方面尚缺乏研究. 基于此, 本文以湖北省当阳市半月镇橘园土壤为研究对象, 模拟秸秆还田（秸秆覆盖还田）与微塑料输入对橘园土壤氮磷淋溶特征, 以期为农用地膜和秸秆应用的环境效应评价提供理论依据, 同时为减少鄂西南橘园土壤在淋溶过程中的氮磷淋失提供科学指导.
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤采自湖北省当阳市半月镇春光村的柑橘园（30°39′48″N, 111°48′24″E）, 属亚热带季风气候, 年平均气温16.4 ℃, 年平均降雨量936~1 048 mm. 供试土壤类型为黄棕壤, 于试验区按“S”形采集深度为0~20 cm的耕层土壤, 剔除有机残体及石头等杂物后风干过2 mm筛做培养试验. 本试验所用微塑料为过100目筛的聚丙烯（PP）粉末, 经去离子水冲洗3次烘干后备用；本试验所用秸秆为过1 mm筛的粉碎小麦秸秆, 其ω（TC）和ω（TN）分别为400.51 g·kg-1和6.57 g·kg-1. 供试土壤的基本理化性质如表 1所示.
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表 1 供试土壤基本性质 Table 1 Basic properties of tested soil |
1.2 试验设计
本试验选用底面直径11 cm, 高度30 cm, 且底部加盖的PVC圆柱管模拟淋滤土柱. 于土柱底盖侧边钻1个孔径为2 mm的小孔以放置硅胶管, 并在土柱下端铺2 cm厚的粒径为3 mm的石英砂（起过滤作用）, 于底部管口处垫上尼龙网（孔径0.2 mm）. 每个土柱按约1.15 g·cm-3的容重（质量含水率为20%）将土壤分两部分装, 先装15 cm, 然后将秸秆和微塑料与5 cm土壤混合后装入, 每个土柱干土质量为2.2 kg, 土柱上铺尼龙布和石英砂, 以减少淋溶水的侵蚀.
试验共设置8个处理：①空白对照组（不添加微塑料与秸秆, CK）；②仅添加少量微塑料（0.25%干土重, LPP）；③仅添加中量微塑料（2%干土重, MPP）；④仅添加高量微塑料（7%干土重, HPP）；⑤仅添加秸秆（全量还田, S）；⑥添加少量微塑料与秸秆（0.25%干土重的微塑料与秸秆混施, S+LPP）；⑦添加中量微塑料与秸秆（2%干土重的微塑料与秸秆混施, S+MPP）；⑧添加高量微塑料与秸秆（7%干土重的微塑料与秸秆混施, S+HPP）. 每个处理设置3个重复. 每个土柱按当地施肥量（371 kg·hm-2, 以N计）添加尿素, 即每个柱子0.77 g尿素；每个土柱的秸秆添加量按全量（9 000 kg·hm-2）还田, 即每个土柱加入8.55 g秸秆.
1.3 样品采集与测定方法于淋溶开始前先加200 mL去离子水使土壤水分达到饱和后平衡1 d, 并根据当地夏季平均降雨量480 mm左右, 通过蠕动泵模拟降雨, 采用间歇式淋溶法, 每隔7 d淋溶一次, 每次为40 mm（即380 mL去离子水）, 模拟的降雨强度为40 mm·h-1, 淋溶12次, 共84 d. 每次收集的淋溶液用洗净塑料瓶（500 mL）装好, 淋溶液的样品测定时间参考标准HJ 493-2009, 每次收集的淋溶液的pH、硝态氮和铵态氮于24 h内测定, 其余淋溶液保存至冰箱（-20 ℃）待测其它指标.
将每次收集的淋溶液混合均匀, 参照《土壤农业化学分析方法》[17]测定淋溶液体积以及TN、NH4+-N、NO3--N和TP浓度. 淋溶液体积用量筒测量；TN浓度采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法；淋溶液NH4+-N浓度采用水杨酸分光光度法；淋溶液NO3--N浓度采用紫外分光光度法；淋溶液TP浓度采用钼酸铵分光光度法.
土壤常规指标的测定方法参见《土壤农化分析》[18]. 于试验结束后, 采集土壤并测定土壤pH、土壤容重、含水率、NH4+-N和NO3--N含量. 土壤pH用去离子水浸提（土水比1∶2.5）, 酸度计电位法测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤含水率采用烘干法测定；土壤NH4+-N和NO3--N含量分别采用苯酚次氯酸盐法和双波长法测定；土壤可溶性有机碳（DOC）采用德国Elementer Vario TOC仪的液体模块测定；土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸法测定.
1.4 数据统计与分析橘园土壤TN、NH4+-N、NO3--N和TP累计淋失量分别为淋溶液中TN、NH4+-N、NO3--N和TP浓度与淋溶液体积乘积之和. 计算公式[19]如下：
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式中, L为TN、NH4+-N、NO3--N和TP累计淋失量（mg）, ci为第i次淋溶液中某种养分的浓度（mg·L-1）, Vi为第i次淋溶液体积（mL）.
采用Excel 2021对数据进行预处理, 利用SPSS 24进行单因素方差分析（One-way ANOVA）, 显著性水平设为0.05. 采用Canoco 5.0软件进行冗余分析. 采用R（4.2.2）的“corrplot”包进行不等列相关性分析；采用R（4.2.2）的“plspm”包进行偏最小二乘法结构方程模型分析（PLS-PM）.
2 结果与分析 2.1 淋溶后土壤理化性质分析土壤淋溶结束后, 采集各处理土壤样品测得土壤理化性质如表 2所示. 从中可以看出, 无论是否添加秸秆, 土壤容重、NO3--N与MBC含量均随着微塑料输入量的增加而明显降低, 土壤容重降低幅度达18.99%~34.20%；仅微塑料输入, 土壤NO3--N含量显著降低, HPP处理降低了46.81%, 而秸秆添加提高了S和S+LPP处理的NO3--N含量, 但S+MPP和S+HPP处理仍表现为明显降低；HPP处理的土壤MBC含量显著降低, 相较对照处理（CK）减少了30.54%, LPP处理略有提高, 而添加秸秆后土壤MBC含量均有所提高. 无论是否添加秸秆, 土壤pH和DOC显著提高, 提高幅度分别为3.80%~36.29%和41.90%~210.85%. 仅微塑料输入, 对土壤NH4+-N含量的影响未达显著性水平, 而添加秸秆后土壤NH4+-N含量显著提高, 且随着微塑料输入量的增加而增加.
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表 2 淋溶后土壤理化性质1） Table 2 Physical and chemical properties of soil after leaching |
2.2 微塑料输入与秸秆添加对土壤氮磷淋溶量的影响
土壤TN、NH4+-N、NO3--N和TP的累计淋溶量范围分别为123.66~302.61、5.65~18.79、92.65~217.82和0.08~0.19 mg（图 1）. 仅微塑料输入下, 土壤TN累计淋溶量表现为HPP > MPP > LPP > CK, 相比对照处理（CK）, LPP、MPP和HPP分别提高8.53%、15.13%和15.88%；土壤NH4+-N累计淋溶量大小表现为：HPP > MPP > CK > LPP, 其中LPP和CK差异不显著, 相比对照（CK）处理, MPP和HPP处理分别提高11.90%和32.92%；土壤NO3--N累计淋溶量表现为：MPP > HPP > LPP > CK, 相比对照处理（CK）, LPP、MPP和HPP分别提高12.38%、19.04%和15.14%, 与TN累计淋溶量趋势相似；土壤TP累计淋溶量表现为：HPP > MPP > LPP > CK, 其中LPP和MPP与CK差异不显著, LPP、MPP和HPP分别提高13.88%、19.30%和23.72%.
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1.CK, 2.LPP, 3.MPP, 4.HPP, 5.S, 6.S+LPP, 7.S+MPP, 8.S+HPP；不同小写字母表示不同处理间的差异显著性, P < 0.05 图 1 不同微塑料输入量与秸秆添加对土壤氮磷累计淋溶量的影响 Fig. 1 Effects of different microplastic inputs and straw addition on cumulative leaching loss of nitrogen and phosphorus in soil |
添加秸秆条件下, 与对照处理（CK）相比, 土壤TN、NH4+-N和NO3--N累计淋溶量均显著降低, S、S+LPP、S+MPP和S+HPP处理的TN累计淋溶量分别降低25.79%、33.37%、44.66%和50.37%, NH4+-N累计淋溶量分别降低26.98%、26.67%、13.82%和56.67%, NO3--N累计淋溶量分别降低17.44%、38.60%、45.43%和39.98%；而土壤TP累计淋溶量明显提高, 与对照处理（CK）相比, S、S+LPP、S+MPP和S+HPP处理的TP累计淋溶量分别提高8.79%、43.67%、73.70%和105.45%.
2.3 土壤氮磷淋溶量与土壤物理化学性质之间的相关性土壤氮磷淋溶量与土壤物理化学性质之间的相关性分析如图 2所示. 土壤TN和NO3--N淋溶量与土壤含水率呈显著正相关, 而与土壤pH、NH4+-N、NO3--N、DOC和MBC呈显著负相关；土壤NH4+-N淋溶量与土壤pH、NH4+-N、NO3--N、DOC和MBC均呈显著负相关；土壤TP淋溶量与土壤pH、NH4+-N和DOC呈显著正相关, 与土壤容重和含水率呈显著负相关. 由此可得, 土壤氮素淋溶主要受土壤pH、含水率、NH4+-N、NO3--N、DOC和MBC的影响, 磷素淋溶主要受pH、NH4+-N、DOC、土壤容重和含水率影响.
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1.pH, 2.土壤容重, 3.土壤含水率, 4.土壤NH4+-N, 5.土壤NO3--N, 6.土壤DOC, 7.土壤MBC；LTN表示TN淋溶量, LAN表示NH4+-N淋溶量, LNN表示NO3--N淋溶量, LTP表示TP淋溶量；***表示P < 0.001, **表示P < 0.01, *表示P < 0.05 图 2 土壤TN、NH4+-N、NO3--N和TP与土壤理化性质之间的相关关系 Fig. 2 Correlation between soil TN, NH4+-N, NO3--N, TP, and soil physicochemical properties |
为更好地了解土壤理化性质与土壤氮磷淋溶量的相互作用关系, 进行冗余分析（RDA）. 结果表明, 土壤氮磷淋溶量与土壤理化性质存在较强的约束关系, 其第一轴和第二轴共解释了氮磷淋溶量的92.07%, 且微塑料输入对氮磷淋溶的影响对是否添加秸秆的条件存在明显差异. 土壤氮磷淋溶量主要受pH、土壤容重、土壤MBC、土壤NH4+-N和土壤含水率的影响, 分别解释了方差变异的73.8%、6.5%、6.1%、3.5%和1.7%, 均达显著水平（图 3）.
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圆形表示无秸秆添加处理, 方形表示秸秆添加处理 图 3 土壤氮磷淋溶与土壤理化性质的冗余分析 Fig. 3 Redundancy analysis(RDA) of soil nitrogen and phosphorus leaching and soil physicochemical properties |
本研究通过PLS-PM构建微塑料输入量、是否添加秸秆影响土壤理化性质, 进而影响土壤氮磷淋溶量的路径模型（图 4）, 模型拟合优度（GoF）为0.709 5 > 0.7, 其中潜变量土壤碳氮含量（soil CN）用土壤铵态氮（soil NH4+-N）、土壤硝态氮（soil NO3--N）、土壤可溶性有机碳（soil DOC）和土壤微生物量碳（soil MBC）这4项可测变量表征；潜变量氮素淋溶量（LN）用全氮淋溶量（TN）、铵态氮淋溶量（NH4+-N）和硝态氮淋溶量（NO3--N）可测变量表征.
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红色实线表示路径系数为正, 蓝色实线表示路径系数为负, 虚线表示路径系数不显著, 绿色虚线框表示可测变量, 可测变量框外数值表示该观测变量对潜变量的贡献权重；*表示P < 0.05, **表示P < 0.01, ***表示P < 0.001 图 4 微塑料输入与秸秆添加影响土壤氮磷淋溶的偏最小二乘路径模型分析（PLS-PM） Fig. 4 Partial least squares path model(PLS-PM) analysis of microplastic input and straw addition affecting soil nitrogen and phosphorus leaching |
微塑料输入量对土壤容重、含水率和pH的影响较大, 其路径系数分别为-0.750 6、-0.420 0和0.268 8, 均达显著水平；是否添加秸秆对土壤碳氮含量、pH、含水率和容重影响较大, 其路径系数分别为0.937 3、0.928 9、-0.397 0和-0.320 6；土壤氮素淋溶主要受土壤容重（-0.356 5）和碳氮含量（-0.364 2）影响较大, 磷淋溶主要受土壤碳氮含量影响.
微塑料输入量与添加秸秆对土壤氮磷淋溶影响的间接效应系数如表 3所示. 微塑料输入量对土壤氮和磷淋溶的间接效应系数分别为0.203 5和-0.113 8, 其中微塑料输入量主要通过影响土壤容重影响氮和磷淋溶, 其间接效应系数为0.267 6, 而通过影响土壤pH、含水率和碳氮含量的效应系数均较低；添加秸秆对土壤氮磷淋溶的间接效应系数分别为-0.504 7和0.876 9, 其中添加秸秆主要通过影响土壤
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表 3 微塑料输入量与秸秆添加影响土壤氮磷淋溶的间接效应系数 Table 3 Indirect effect coefficient of microplastic input and straw addition affecting soil nitrogen and phosphorus leaching |
碳氮含量影响氮磷淋溶.
3 讨论微塑料输入不仅影响土壤物理性质, 也会改变土壤化学性质及养分循环, 且不同输入量的微塑料对土壤理化性质的影响存在明显差异[20]. 本试验结果表明, 随微塑料输入量的增加, 土壤TN、NH4+-N、NO3--N和TP的累计淋溶量明显增加（图 1）. 这可能是由于微塑料输入降低了土壤容重, 且累计淋溶量随着微塑料输入量的增加而增加（表 2）, 一定程度上是由于土壤孔隙度增加[21], 促进土壤水分运移；而氮磷于土壤的残留及累积是其淋溶损失的前提和物质基础[22], 且由于微塑料自身具有的疏水性会影响土壤水分的储存[23], 土壤内水分的垂直迁移也是氮磷淋溶发生的重要驱动力[24], 导致土壤的持水能力降低, 从而导致土壤氮磷淋溶量随微塑料输入量的增加而提高. 仅微塑料输入下, 随着输入量的增加土壤pH值提高, 可能是由于经多次淋溶后引起微塑料老化, 释放其他物质导致土壤pH提高[25]. 微塑料进入土壤后会明显降低土壤的物理功能和关键生态功能（例如土壤微生物活性及养分循环）[26]. 本研究多次淋溶后, 随微塑料输入量的增加, 土壤DOC含量增加, MBC含量降低（表 2）, 一定程度上表明微塑料输入影响了土壤微生物活性. 有研究表明[27], 塑料薄膜长期残留于土壤中会降低土壤无机氮含量, 影响土壤中与氮素循环相关的微生物活性, 从而降低相关酶活性. 也有研究表明[28], 土壤微塑料还可能影响微生物的养分循环、生物固氮及生物磷酸化等作用, 因此微塑料输入量的增加, 可能通过降低土壤微生物丰度, 从而降低土壤DOC利用率、生物固氮及磷酸化过程, 提高土壤氮磷淋溶损失的风险.
秸秆添加是改善土壤理化性质的重要农艺措施之一[29]. 本研究结果表明, 添加秸秆条件下, 随着微塑料输入量的增加, 土壤的TN、NH4+-N和NO3--N累计淋溶量明显减少（图 2）, 这表明秸秆添加在一定程度上能够减少由微塑料输入引起的氮素淋溶, 其主要是因为添加秸秆能够为微生物提供适宜的土壤环境, 促进土壤微生物的多样性及生长繁殖, 提高土壤氮素的吸收与利用效率, 从而减少氮素淋溶[30]. Chen等[31]研究表明, 秸秆添加可诱导微生物快速生长, 有利于土壤微生物固氮从而减少土壤氮损失. 虽然本试验中仅微塑料输入条件下（LPP、MPP和HPP）促进了土壤氮素淋溶, 但由于秸秆添加能够增加土壤表层的有机质含量, 改善土壤持水能力[32], 且添加秸秆还能增强土壤的固氮能力, 因此降低了土壤氮素损失[33]. 然而, 微塑料输入与秸秆添加处理明显提高了土壤磷素淋溶量（图 2）, 且随着微塑料输入量的增加而显著提高. 一方面可能是由于微塑料输入影响了土壤微生物的群落组成及多样性, 导致对磷素的循环及利用效率降低[34]；另一方面可能是由于施入秸秆后土壤有机碳源增加, 降低了土壤对磷素的吸附, 同时添加秸秆还可促进土壤微生物呼吸, 降低土壤对磷素的固定作用[35], 因而提高土壤总磷的淋溶量.
4 结论（1）微塑料输入提高了土壤氮磷淋溶量, 且随着微塑料输入量的增加而提高. 与对照处理（CK）相比, 3种梯度的微塑料输入下TN、NH4+-N、NO3--N和TP淋溶量增幅分别为8.53%~15.88%、11.90%~32.92%、12.38%~19.04%和13.88%~23.72%.
（2）秸秆添加条件下, 随微塑料输入量的增加, 土壤氮素淋溶量降低, 而土壤磷淋溶量提高；与对照处理相比TN、NH4+-N和NO3--N淋溶量分别降低25.79%~50.37%、13.82%~56.67%和17.44%~45.43%, TP淋溶量提高8.79%~105.45%.
（3）本研究各分析结果表明, 微塑料输入下氮磷淋溶量主要受土壤物理性质（土壤容重和含水率）的影响；添加秸秆条件下, 随着微塑料输入量的增加, 氮磷淋溶量主要受土壤碳氮含量的影响.
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