地膜源微塑料老化提高了草地和农田土壤中邻苯二甲酸酯含量并改变有机碳组分
农用地膜是陆地生态系统中微塑料（MPs）的主要来源，但关于地膜源MPs进入自然和农业土壤中的老化特性及其对邻苯二甲酸酯（PAEs）和有机碳组分的影响尚不清楚。青藏高原是重要的碳库，对高寒生态系统的碳源——碳库的平衡起到调节作用；也是气候变化最敏感、生态最脆弱的地区。青海省是青藏高原东部的主要农业区，且拥有约三分之二的天然草地。本研究分析了在青海省草地和农田土壤中不同微生物作用下的地膜（传统聚乙烯（PE）和新型生物可降解（Bio）地膜）源微塑料的老化特征及其对塑化剂和有机碳组分的影响，为控制地膜源MPs污染和明确MPs对陆地碳库的影响提供数据支撑，对青藏高原生态保护具有重要意义。
研究结果表明农田土壤ACE和Shannon指数分别比草地高469.52和0.19（图1a）。农田中α-变形菌（Alphaproteobacteria）、γ-变形菌（Gammaproteobacteria）、酸微菌纲（Acidimicrobiia）和拟杆菌纲（Bacteroidia）的相对丰度是草地的1.3-1.8倍（图1b, p<0.05）。
图1 青海省河湟谷地草地和农田土壤细菌多样性及相对丰度
与原始MPs相比，经过八周老化后，农田中PE-MPs在2920、2850、1460和720 cm-1处的四个特征吸收峰（对应于-CH2振动）明显变弱（图2a, b），在1020 cm-1处出现新的吸收峰，对应于C-O官能团。在草地和农田中，Bio-MPs在2950、1715、1453和727 cm-1处的C-H、C=O、C=C和C-H官能团的吸收峰减弱（图2d, e）。
与原始MPs相比，黑色和白色PE-MPs的CI值在草地分别增加了0.13和0.022，在农田分别提高了0.19和0.22 （图2c, p<0.05）。黑色和白色Bio-MPs的CI值在草地（84%和69%）和农田（91%和24%）土壤中显著降低（图2f）。
图2 原始MPs和草地和农田土壤中处理八周的MPs的傅里叶变换红外（FTIR）光谱和羰基指数（Carbonyl index, CI）
与对照处理相比，PE-MPs和Bio-MPs处理的草地和农田土壤总PAEs含量显著增加，PE-MPs处理的土壤中总PAEs含量是Bio-MPs处理的2-3倍（图3）。邻苯二甲酸二甲酯（DMP）是MPs处理土壤PAEs总量的主要贡献者（77.7%-93.4%）。MPs处理土壤中总PAEs含量随PE-MPs CI值的增加而增加，随Bio-MPs CI值的增加而降低（图4）。
图3 黑白PE-MPs和Bio-MPs处理的草地和农田土壤中总邻苯二甲酸酯含量和6种类型邻苯二甲酸酯含量的变化
图4 MPs处理土壤中总邻苯二甲酸酯与PE-MPs和Bio-MPs的羰基指数（CI值）的关系拟合
与对照相比，所有MPs处理的草地土壤有机碳含量均降低（5.3%- 8.2%）（图5, p<0.05）。黑色Bio-MPs处理使农田土壤有机碳降低了11.6%（p<0.05）。在草地土壤中，MPs处理提高了矿物结合态有机碳（MAOC）含量（12.2%-22.8%），降低了颗粒态有机碳（POC）含量（31.8%-41.6%）。MPs处理显著降低了草地微生物生物量碳（MBC）含量。黑色MPs处理的草地和农田土壤溶解性有机碳（DOC）含量分别提高了约27%和14%（p<0.05）。
图5 黑白PE-MPs和Bio-MPs处理的草地和农田土壤中有机碳组分的变化
在草地土壤中，MPs颜色对土壤有机碳组分有显著影响（表1, p<0.001），MPs类型和MPs颜色交互作用显著影响MBC和DOC （p<0.05）。在农田土壤中，MPs颜色对土壤有机碳组分的影响最为显著（28.8%-71.7%）；MPs类型和MPs颜色交互作用显著影响SOC、POC和MBC（p<0.05）。
表1 MPs类型和颜色对草地和农田土壤POC、MAOC和SOC的影响力分析
PE-MPs老化增加了土壤PAEs含量（图6a, p<0.05）。土壤微生物生物量受PAEs含量的影响，进而影响SOC（p<0.01）。PE-MPs的老化程度与土壤养分直接相关（r∂=-0.84, p<0.001）。土壤养分直接影响微生物生物量和酶活性，最终影响SOC（p<0.01）。此外，Bio-MPs的老化程度与土壤PAEs含量显著相关（r∂= 0.65, p<0.05, 图6b）。土壤PAEs含量对土壤养分、微生物生物量和酶活性有显著影响（p<0.01），进而影响SOC。
图6偏最小二乘路径分析结果（PLS-PM），分析了MPs老化程度（老化MPs的CI值相对于原始MPs的变化率）与土壤酶活性、养分、邻苯二甲酸酯、微生物生物量和土壤有机碳之间的关系。
综上，与原始MPs相比，在草地和农田土壤中培养八周后，MPs的特征吸收峰强度均降低。农田中PE-MPs的老化程度最高（CI: 0.23-0.27），这是由于农田土壤中的微生物多样性和降解PE聚合物的细菌类群相对丰度较高。同时，炭黑母粒影响黑色MPs聚合物的力学性能，从而影响其老化程度。MP老化增加了土壤中PAEs浓度，减少了微生物生物量。地膜源MPs材料中的DOC浸出可促使草地（10%-28%）和农田（9%-15%）土壤DOC含量增加。经MPs处理的土壤POC和SOC含量均降低，且与MPs的颜色和类型有关。此外，MPs通过影响土壤的PAEs、养分、微生物生物量和胞外酶活性来改变SOC。因此，MPs的老化增加了土壤PAEs浓度，并影响草地和农田土壤有机碳平衡（图7）。
图7 聚乙烯和生物可降解地膜源MPs对青海省草地和农田土壤塑化剂及有机碳组分的影响过程
本研究以“Mulch-derived microplastic aging promotes phthalate esters and alters organic carbon fraction content in grassland and farmland soils”为题发表于国际知名期刊《Journal of Hazardous Materials》。西北农林科技大学资源环境学院张海鑫博士研究生为论文第一作者，黄懿梅教授为通讯作者。该研究工作得到了第二次青藏高原综合科学考察研究任务六“土地利用变化及其环境效应”专题（2019QZKK0603）的资助。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389423019027