地膜源微塑料老化提高了草地和農田土壤中鄰苯二甲酸酯含量并改變有機碳組分
農用地膜是陸地生態系統中微塑料（MPs）的主要來源，但關于地膜源MPs進入自然和農業土壤中的老化特性及其對鄰苯二甲酸酯（PAEs）和有機碳組分的影響尚不清楚。青藏高原是重要的碳庫，對高寒生態系統的碳源——碳庫的平衡起到調節作用；也是氣候變化最敏感、生態最脆弱的地區。青海省是青藏高原東部的主要農業區，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田土壤中不同微生物作用下的地膜（傳統聚乙烯（PE）和新型生物可降解（Bio）地膜）源微塑料的老化特征及其對塑化劑和有機碳組分的影響，為控制地膜源MPs污染和明確MPs對陸地碳庫的影響提供數據支撐，對青藏高原生態保護具有重要意義。
研究結果表明農田土壤ACE和Shannon指數分別比草地高469.52和0.19（圖1a）。農田中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田土壤細菌多樣性及相對豐度
與原始MPs相比，經過八周老化后，農田中PE-MPs在2920、2850、1460和720 cm-1處的四個特征吸收峰（對應于-CH2振動）明顯變弱（圖2a, b），在1020 cm-1處出現新的吸收峰，對應于C-O官能團。在草地和農田中，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%）和農田（91%和24%）土壤中顯著降低（圖2f）。
圖2 原始MPs和草地和農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（Carbonyl index, CI）
與對照處理相比，PE-MPs和Bio-MPs處理的草地和農田土壤總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（CI值）的關系擬合
與對照相比，所有MPs處理的草地土壤有機碳含量均降低（5.3%- 8.2%）（圖5, p<0.05）。黑色Bio-MPs處理使農田土壤有機碳降低了11.6%（p<0.05）。在草地土壤中，MPs處理提高了礦物結合態有機碳（MAOC）含量（12.2%-22.8%），降低了顆粒態有機碳（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處理的草地和農田土壤溶解性有機碳（DOC）含量分別提高了約27%和14%（p<0.05）。
圖5 黑白PE-MPs和Bio-MPs處理的草地和農田土壤中有機碳組分的變化
在草地土壤中，MPs顏色對土壤有機碳組分有顯著影響（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）。在農田土壤中，MPs顏色對土壤有機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類型和顏色對草地和農田土壤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，進而影響SOC（p<0.01）。PE-MPs的老化程度與土壤養分直接相關（r?=-0.84, p<0.001）。土壤養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（r?= 0.65, p<0.05, 圖6b）。土壤PAEs含量對土壤養分、微生物生物量和酶活性有顯著影響（p<0.01），進而影響SOC。
圖6偏最小二乘路徑分析結果（PLS-PM），分析了MPs老化程度（老化MPs的CI值相對于原始MPs的變化率）與土壤酶活性、養分、鄰苯二甲酸酯、微生物生物量和土壤有機碳之間的關系。
綜上，與原始MPs相比，在草地和農田土壤中培養八周后，MPs的特征吸收峰強度均降低。農田中PE-MPs的老化程度最高（CI: 0.23-0.27），這是由于農田土壤中的微生物多樣性和降解PE聚合物的細菌類群相對豐度較高。同時，炭黑母粒影響黑色MPs聚合物的力學性能，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%）和農田（9%-15%）土壤DOC含量增加。經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。此外，MPs通過影響土壤的PAEs、養分、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，并影響草地和農田土壤有機碳平衡（圖7）。
圖7 聚乙烯和生物可降解地膜源MPs對青海省草地和農田土壤塑化劑及有機碳組分的影響過程
本研究以“Mulch-derived microplastic aging promotes phthalate esters and alters organic carbon fraction content in grassland and farmland soils”為題發表于國際知名期刊《Journal of Hazardous Materials》。西北農林科技大學資源環境學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考察研究任務六“土地利用變化及其環境效應”專題（2019QZKK0603）的資助。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389423019027