王琬,張少良,劉旭,王玖琪,閆鵬科,李傳寶

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030)

粒徑小于5 mm 的塑料顆粒、碎片、纖維等被定義為微塑料(microplastics,MPs)[1],MPs一旦進(jìn)入環(huán)境和生物體內(nèi),將改變環(huán)境中的物質(zhì)循環(huán),也可能對(duì)生物造成嚴(yán)重的危害,甚至威脅到人類的健康[2]。MPs粒徑小、密度小、比表面積大,較容易發(fā)生遷移和擴(kuò)散[3],且具有易吸附有機(jī)污染物和重金屬等特性[3],因此MPs的遷移行為進(jìn)一步增加了其對(duì)生態(tài)環(huán)境和生物的威脅。近年來(lái)關(guān)于MPs的遷移和時(shí)空分布特征的研究主要集中在水環(huán)境中,而有關(guān)土壤,尤其是耕地土壤中MPs遷移分布特征的研究還缺乏報(bào)道。

MPs在土壤中遷移受MPs自身性質(zhì)、土壤的理化性質(zhì)、氣候、土壤生物、人類活動(dòng)的影響[2,4]。不同粒徑的MPs表現(xiàn)出的遷移能力及遷移范圍不同[5],一般來(lái)說(shuō),MPs的粒徑越小越容易通過(guò)土壤微孔隙遷移,如＜850μm 的MPs顆粒在小于土壤孔隙時(shí)更容易發(fā)生垂直遷移[6-7],一些大粒徑MPs顆粒受重力和水流的作用也可沿土壤大縫隙運(yùn)移[2]。MPs自身理化性質(zhì)發(fā)生改變時(shí),其遷移能力也會(huì)發(fā)生改變,經(jīng)過(guò)紫外線、臭氧老化處理過(guò)的聚丙烯酰胺(PS)表面電負(fù)性增強(qiáng)、疏水性降低,其在砂質(zhì)壤土中的運(yùn)移能力顯著增強(qiáng)[8]。土壤的孔隙度、粗糙度、酸堿度等性質(zhì)會(huì)不同程度地影響MPs的遷移[5],MPs在孔隙較大(＞0.08 mm)的土壤中遷移范圍較大[9],在粗糙度較大的土壤中滯留量較大[10],在堿性土壤中的遷移距離較遠(yuǎn)[11]。此外,降雨引起的土壤干濕循環(huán)會(huì)促進(jìn)土壤裂縫的產(chǎn)生,能夠加速聚乙烯(PE)MP、聚丙烯(PP)MP 在砂土中垂直遷移[12],深層土壤中的低密度MPs一旦受到雨水沖刷而發(fā)生懸浮,將伴隨水土流失進(jìn)行遷移[13]。MPs在土壤中的遷移與生物活動(dòng)密切相關(guān),土壤生物(如蚯蚓、鞭毛蟲、纖毛蟲等)的運(yùn)動(dòng)和誤食會(huì)導(dǎo)致MPs 由表層向深層土壤的遷移[14-15]。同時(shí),人類活動(dòng)會(huì)嚴(yán)重干擾土壤MPs的遷移,整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程都會(huì)對(duì)土壤形成擾動(dòng),加速M(fèi)Ps在農(nóng)田中的遷移,改變耕地土壤MPs的分布。然而關(guān)于侵蝕過(guò)程土壤MPs的遷移過(guò)程和侵蝕后土壤中MPs空間分布特征還少見報(bào)道。

耕地土壤中的MPs主要來(lái)自農(nóng)膜覆蓋、污水灌溉、農(nóng)藥化肥包裝等,黃土高原耕地土壤MPs的平均豐度為475個(gè)/kg[16],部分黑土中MPs含量可達(dá)8 400個(gè)/kg[17]。研究發(fā)現(xiàn)墨西哥雨水徑流的MPs豐度為66～191個(gè)/L,其中小粒徑MPs在地表徑流中占比較大[18],這些MPs能夠通過(guò)徑流進(jìn)入地下水,這將對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)、自然生態(tài)安全造成威脅。黑龍江省緯度高,春季地溫低,農(nóng)膜被廣泛應(yīng)用在春季土壤增溫。據(jù)報(bào)道典型耕地黑土中MPs豐度范圍是0～800 個(gè)/kg,以LDPE 和LDPP為主[13]。同時(shí),東北典型黑土區(qū)也是我國(guó)主要的水蝕區(qū)之一,約25.6%的黑土受到水力侵蝕[19],其中坡耕地水土流失面積約占黑土區(qū)總水蝕面積的43.39%[20],水蝕過(guò)程也必然影響到土壤MPs的遷移和分布,而相關(guān)研究還缺乏報(bào)道。因此,本研究以典型黑土為研究對(duì)象,通過(guò)室內(nèi)模擬的方法,研究降雨對(duì)坡面土壤LDPE-MP和LDPP-MP水平運(yùn)移、垂直運(yùn)移,以及侵蝕后坡面表層土壤MPs的空間分布特征,目的為黑土MPs污染防控和相關(guān)模型構(gòu)建等提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)用裝置為長(zhǎng)100 cm、寬10 cm、高分別為20 cm(坡上)和5 cm(坡下)的矩形鐵槽(圖1),鐵槽末端設(shè)開口(Ⅲ口),用于收集地表徑流,鐵槽底部的中間(Ⅰ口)和末尾(Ⅱ口)設(shè)有兩個(gè)5 cm×10 cm 的開口,放置2 mm 孔徑鐵絲網(wǎng),用于收集入滲雨水。所有鐵槽放置坡度為5°的鐵架子臺(tái)面。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ口處放置漏斗和大燒杯,收集降雨過(guò)程中產(chǎn)生的泥沙和徑流。鐵槽的上方40 cm 處放置2個(gè)直徑為10 cm的噴頭模擬降雨,降雨覆蓋整個(gè)土槽子,降雨均勻度0.81,降雨強(qiáng)度為54 mm/30 min,降雨時(shí)長(zhǎng)30 min。

圖1 試驗(yàn)裝置模擬圖Fig.1 Simulation diagram of test equipment

試驗(yàn)選用未受塑料污染的黑土(試驗(yàn)前通過(guò)紅外光譜測(cè)定),取自哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)實(shí)習(xí)試驗(yàn)基地耕層土壤,充分混勻后過(guò)2 mm篩,土壤基本理化指標(biāo)見表1。低密度聚乙烯微塑料(LDPE-MP)、低密度聚丙烯微塑料(LDPP-MP)購(gòu)置于中國(guó)紅星增塑公司,將兩種MP按照1∶1的重量比均勻混合成MPs,其特性以及粒徑比例見表2。將100 g MPs分別與15,18 kg土壤反復(fù)過(guò)2 mm篩混合均勻,向鐵槽中填充土壤并制成容重(BD)為1.0 g/cm3(BD1.0),1.2 g/cm3(BD1.2)的土槽,其MPs濃度分別為5.5,6.6 g/kg,土層高度為15 cm,每個(gè)處理3次重復(fù)。

表1 試驗(yàn)土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of experimental soil

表2 MPs的密度和粒徑組成Table 2 Density and particle size composition of MPs

1.2 試驗(yàn)樣品的收集與處理

降雨過(guò)程中,每間隔5 min收集一次3個(gè)位點(diǎn)的雨水、土壤于鋁盒中。降雨結(jié)束,將鐵槽內(nèi)的土壤自然風(fēng)干,從坡上至坡下每間隔10 cm 均勻采樣,垂直方向由上至下每間隔5 cm 均勻采集土壤樣品。

1.3 微塑料的提取方法

將降雨過(guò)程用鋁盒收集的土壤樣品加入100 ml蒸餾水用玻璃棒反復(fù)攪拌均勻,再將鋁盒注滿水,靜置24 h,將含有MPs的上清液倒入100 ml燒杯中,再補(bǔ)加蒸餾水注滿燒杯,進(jìn)行浮選、過(guò)濾,重復(fù)4次。鐵槽內(nèi)的土壤充分混勻后,每個(gè)樣品稱取10 g于100 ml的燒杯中,利用浮選法提取MPs。MPs烘干后將其再次置于100 m L燒杯中,加入10 m L 硫酸亞鐵催化劑,再緩慢加入20 ml 30%(v/v)H2O2,反應(yīng)時(shí)間約2 h,待有機(jī)質(zhì)被去除后,將燒杯加滿蒸餾水,再次浮選MPs。提取的MPs樣品于烘箱60℃烘干,萬(wàn)分之一天平稱重。試驗(yàn)過(guò)程保持實(shí)驗(yàn)室清潔無(wú)MPs污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨入滲、地表徑流與土壤流失量的變化規(guī)律

降雨結(jié)束后,Ⅰ口高容重(BD 1.2 g/cm3)和低容重(BD 1.0 g/cm3)入滲量分別為1.62,4.17 L(表3)。高容重處理的入滲雨水流速在0～20 min迅速增加后趨于穩(wěn)定,低容重處理則在10 min后就達(dá)到穩(wěn)定。Ⅰ口降雨入滲深度隨著時(shí)間的增加先迅速增加而后趨于穩(wěn)定,高容重和低容重最終深度分別為3.80,8.53 mm。高容重處理在降雨20～25 min產(chǎn)生的降雨入滲深度是25～30 min的1.33倍(p＜0.05);低容重處理10～15 min 時(shí)段產(chǎn)生的降雨入滲深度最大,比25～30 min大7.42%。不同處理Ⅰ口處土壤流失量均隨著降雨時(shí)間的增加逐漸降低,Ⅰ口處高容重和低容重總流失量分別為1.12,4.02 g,低容重處理在0～5 min產(chǎn)生的土壤流失量占Ⅰ口總流失量的54.18%,高容重處理在降雨各時(shí)段的土壤流失量沒有顯著差異。

表3 降雨過(guò)程中地表雨水收集、降雨入滲、土壤流失量隨時(shí)間變化特征Table 3 Characteristics of surface rainwater collection,infiltration,and soil loss over time during the rainfall process

Ⅱ口處入滲雨水流速隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)(表3),高容重處理入滲雨水流速在15～20 min最大,為1.89 cm3/s,產(chǎn)生的降雨入滲深度為5.67 mm,是降雨30 min后深度的1.34倍;低容重處理收集的總流量為2.98 L,降雨0～10 min入滲雨水流速快速增加至最大,其中5～10 min入滲雨水流速是0～5 min的2.71倍,降雨入滲深度比降雨25～30 min大了21.02%。Ⅱ口處的土壤流失量總體較低,高容重和低容重處理分別占總流失量的0.061%,0.058%,隨著降雨時(shí)間的增加流失速率逐漸降低,高容重和低容重處理0～5 min產(chǎn)生的土壤流失量分別是25～30 min的5.83,5.11倍(p＜0.05)。土壤容重越大,入滲雨水流速、深度越小,土壤流失量越小。

降雨0～5 min后,土槽末端土壤塌方、侵蝕較嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)30 min的降水,Ⅲ口處高容重和低容重處理的總地表徑流量分別為51.55,46.28 L(表3),徑流量速隨著時(shí)間的增加而增大,高容重處理在降雨25～30 min的水流速度為33.66 cm3/s,是0～5 min的1.61倍(p＜0.05),25～30 min時(shí)段的水流深度比0～5 min大61.12%(p＜0.05);低容重處理在降雨25～30 min的水流速度是0～5 min的1.52倍(p＜0.05),降雨0～5 min產(chǎn)生的水流深度比25～30 min的深度小34.13%(p＜0.05)。由于地表徑流產(chǎn)生的土壤流失量顯著高于Ⅰ口、Ⅱ口,約為土壤總侵蝕量的99.81%,各時(shí)段的土壤流失量隨著降雨時(shí)間的增加而逐漸降低,在5 min時(shí)達(dá)到峰值,10 min后各時(shí)段的土壤流失量均趨于穩(wěn)定。0～5 min高容重和低容重處理的土壤流失量分別為0.80 kg,0.67 kg,分別占Ⅲ口總侵蝕量的41.26%,33.20%。

坡中位置降雨入滲強(qiáng)度及其隨之流失的土壤均大于坡下,單位時(shí)間內(nèi)的入滲量越小,土壤流失量越大。低容重處理在坡中、坡下的平均入滲量均大于高容重處理,而地表徑流強(qiáng)度小于高容重處理。低容重處理由于地表徑流產(chǎn)生的土壤流失量大于高容重處理。

2.2 地表徑流和流失泥沙中微塑料的流失規(guī)律

降雨過(guò)程中MPs伴隨地表水流、流失土壤進(jìn)行遷移(圖2),Ⅲ口處高容重和低容重處理由于雨水沖刷最終造成的MPs流失總量分別為10.59,14.71 g,分別占MPs總流失量的97.88%,98.66%。降雨0～5 min土壤侵蝕較嚴(yán)重,MPs在降雨初期伴隨泥沙大量流失,MPs流失量隨著降雨時(shí)間的增加而逐漸減少,15 min后隨著徑流和土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定達(dá)到平穩(wěn)。不同降雨時(shí)段的MPs流失濃度差距不顯著,高容重處理降水25～30 min收集的土壤中MPs濃度為7.44 g/kg,比土壤初始添加的MPs平均濃度高了33.81%;低容重處理在降雨25～30 min收集的MPs濃度為6.11 g/kg,比初始添加的MPs濃度低了8.40%。

圖2 Ⅲ口處不同降雨時(shí)段的MPs流失量、流失濃度Fig.2 Mass and concentration of MPs loss during different rainfall periods at entranceⅢ

同一降雨時(shí)段中,高容重處理MPs流失量與該時(shí)段徑流量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)、與該時(shí)段土壤流失量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.05);MPs流失濃度與該時(shí)段的徑流量呈正相關(guān)關(guān)系、與該時(shí)段土壤流失量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3)。高容重處理MPs伴隨泥沙在降雨初期大量流失,泥沙中的土壤越多,MPs流失量越大,泥沙中雨水量越大,MPs流失濃度越高。低容重處理每個(gè)降雨時(shí)段MPs流失量與其對(duì)應(yīng)的徑流量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01)、與土壤流失量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.01),每一時(shí)段收集到的土壤流失量越大MPs量也越大;MPs流失濃度與徑流量、土壤流失量無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。當(dāng)受到短時(shí)強(qiáng)降雨時(shí),MPs流失量受地表徑流的影響較大,易受泥沙攜帶沿坡表面從上向下進(jìn)行遷移;土壤容重越大時(shí),地表徑流造成的土壤流失量、MPs流失量相對(duì)較小,土壤容重越小,MPs向坡下的遷移程度越大。

圖3 Ⅲ口處MPs的流失情況與徑流量、土壤流失量的關(guān)系Fig.3 Relationship between the loss of MPs and runoff,soil loss mass at entranceⅢ

2.3 入滲雨水和流失泥沙中微塑料的流失規(guī)律

降雨過(guò)程雨水入滲影響土壤中MPs的垂直遷移。Ⅰ口處高容重和低容重處理MPs總流失量分別為0.12,0.11 g,分別占總流失量的1.08%,0.74%,高容重處理在Ⅰ口處的MPs流失量比低容重處理高了6.12%,高容重的MPs平均流失濃度是低容重處理的3.41倍(圖4)。降雨0～20 min內(nèi),高容重處理不同時(shí)段的MPs流失量和流失濃度變化比較平穩(wěn),20～30 min內(nèi)MPs流失濃度迅速增加;低容重處理MPs流失濃度隨降雨時(shí)間的增加緩慢增加。Ⅱ口處高容重和低容重處理MPs總流失量分別為0.11,0.089 g,平均流失濃度分別為197.45,100.53 g/kg,不同時(shí)段內(nèi)MPs流失量均沒有顯著差異(圖4)。高容重處理的MPs流失量隨降雨時(shí)間的增加顯著增加,25～30 min內(nèi)MPs流失量是0～5 min時(shí)段的1.18倍(p＜0.05)。

圖4 Ⅰ,Ⅱ口處不同降雨時(shí)段的MPs流失量、流失濃度Fig.4 Mass and concentration of MPs loss during different rainfall periods at entrancesⅠandⅡ

同一降雨時(shí)段中,高容重處理各時(shí)段MPs流失量與對(duì)應(yīng)時(shí)段Ⅰ口入滲量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05);MPs流失濃度與對(duì)應(yīng)時(shí)段土壤流失量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)、入滲量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)。各降雨時(shí)段低容重處理MPs流失量隨著入滲量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)(p＜0.05),與對(duì)應(yīng)時(shí)段土壤流失量呈正相關(guān)關(guān)系;各時(shí)段MPs流失濃度與對(duì)應(yīng)降雨時(shí)段入滲量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)、與土壤流失量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)。高容重處理各降雨時(shí)段MPs流失量與Ⅱ口入滲量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05);MPs流失濃度與對(duì)應(yīng)時(shí)段的降雨入滲量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系、與土壤流失量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)(圖6)。高容重處理的降雨入滲量越大,土壤流失量越大,MPs流失濃度越小。各降雨時(shí)段低容重處理MPs流失量與對(duì)應(yīng)時(shí)段的土壤流失量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)、與入滲量呈正相關(guān)關(guān)系,降雨入滲量越大,土壤流失量越大,MPs流失量越大;不同時(shí)段MPs流失濃度與對(duì)應(yīng)時(shí)段的入滲量呈正相關(guān)關(guān)系、與土壤流失量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。低容重處理的降雨入滲量越大,MPs流失濃度越大。高容重處理在Ⅰ口、Ⅱ口的MPs流失總量分別占MPs總流失量的1.08%,1.04%,分別比低處理高了6.12%,26.7%,其MPs平均流失濃度分別是低容重處理的3.41,1.96 倍。綜上,Ⅱ口處MPs平均流失濃度較高,MPs在坡下位置的垂直遷移程度大于坡中。

圖5 Ⅰ口處MPs的流失情況與降雨入滲量、土壤流失量的關(guān)系Fig.5 Relationship between the loss of MPs and rainfall infiltration and soil loss mass at entranceⅠ

圖6 Ⅱ口處MPs的流失情況與降雨入滲量、土壤流失量的關(guān)系Fig.6 Relationship between the loss of MPs and rainfall infiltration and soil loss mass at entranceⅡ

2.4 侵蝕對(duì)土壤中微塑料空間分布特征的影響

高容重處理土壤中MPs的平均濃度為4.24 g/kg,比初始添加的MPs濃度低了23.65%(圖7)。0—5 cm深度土層中(表層),MPs平均濃度沿坡上(距離坡頂10—40 cm)、坡中(距坡頂40—70 cm)、坡下(距坡頂70—100 cm)逐漸升高,距坡頂60—70 cm 處MPs濃度最高。5—10 cm(中層)深度土層中高容重處理MPs的分布呈現(xiàn)坡上、坡下少,坡中多的情況,在距坡頂50—60 cm處達(dá)到最高值,MPs濃度為4.86 g/kg,比最低值(距坡頂90—100 cm 處)高了25.84%。10—15 cm 深度土層(底層)中,高容重處理MPs的平均濃度沿坡上、坡中、坡下逐漸降低,在距坡頂60—70 cm 處達(dá)到最高值,為4.86 g/kg,比50—60 cm 處高了12.33%。高容重處理MPs濃度在距坡頂10—30 cm,60—70 cm 處隨著土層深度的增加而增加,其中距坡頂60—70 cm 處底層MPs濃度分別比表層、中層高11.01%,4.11%。

圖7 侵蝕結(jié)束后土壤中MPs的空間分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of MPs in soil after erosion

低容重處理土壤中MPs的平均濃度為5.14 g/kg,比初始添加的MPs濃度低了22.93%(圖7)。0—5 cm 深度土層中,低容重處理MPs在坡中處的平均濃度較高,在距坡頂60—70 cm 處達(dá)到最高值;坡底處MPs濃度低于坡上、坡中,其中距坡頂80—90 cm處MPs濃度為4.22 g/kg,比70—80 cm 低了6.27%(p＜0.05)。5—10 cm 深度土層MPs平均濃度沿坡上、坡中、坡下逐漸降低,在距坡頂90—100 cm 處MPs濃度為3.34 g/kg,比80—90 cm 處低了37.21%(p＜0.05)。10—15 cm 深度土層中,MPs的平均濃度沿坡上、坡中、坡下顯著降低,坡上MPs平均濃度是坡下的1.37倍(p＜0.05),距坡頂20—30 cm 處MPs濃度分別是80—90 cm,90—100 cm 處的1.46,1.76倍(p＜0.05)。低容重處理距坡頂10—30 cm,70—90 cm 處中間土層MPs濃度較高,表層MPs濃度最低;距坡頂70—80 cm 處中間土層MPs濃度分別是表層、底層的1.58,1.43倍,其他水平距離處中間土層MPs濃度均較低。

3 討論

降雨侵蝕初始階段發(fā)生了嚴(yán)重的塌方和水土流失,隨著降雨時(shí)間的增加坡面的水土流失情況趨于穩(wěn)定,形成了降雨入滲和地表徑流,水流會(huì)促進(jìn)土壤中MPs的遷移。通常降雨過(guò)程中坡面徑流流速具有“遞增—穩(wěn)定”的變化趨勢(shì)[21],而本試驗(yàn)中地表徑流流速隨著降雨時(shí)間的增加而增大,可能是降雨時(shí)間較短的緣故。Ⅲ口處各降雨時(shí)段MPs的流失量與對(duì)應(yīng)時(shí)段徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,各時(shí)段的MPs流失量隨著降雨時(shí)間的增加而降低,然而流速增大時(shí)較大的水流剪切力并不利于MPs在土壤中滯留,且土壤孔隙中水流流速越大MPs的遷移能力越強(qiáng)[22],MPs在水平方向上的遷移主要是受徑流水動(dòng)力的影響[23],本研究發(fā)現(xiàn)MPs更易受到土壤攜帶在水動(dòng)力的作用下發(fā)生遷移。Ⅲ口處各時(shí)段MPs流失量與對(duì)應(yīng)時(shí)段土壤流失量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,Ⅲ口處降雨0～5 min時(shí)發(fā)生了大量的土壤流失,高強(qiáng)度降雨會(huì)使土壤孔隙產(chǎn)生較高的水壓力[24],坡下位置易飽和從而先受到雨水侵蝕[25],坡下位置的MPs也受到雨水沖刷伴隨土壤大量流失。且有研究表明不同降雨強(qiáng)度下MPs的流失量及流失濃度均與地表徑流產(chǎn)沙量呈正相關(guān)關(guān)系[26],說(shuō)明降雨過(guò)程中MPs主要是伴隨泥沙沿坡表面從上向下遷移的。高容重、低容重處理的地表徑流MPs流失量分別占總流失量的97.88%,98.66%,土壤容重越小MPs從坡上向坡下的遷移程度越大,且當(dāng)土壤飽和后有更多的LDPE-MP和LDPP-MP(密度＜1 g/cm3)通過(guò)土壤孔隙向上懸浮到土壤表面,增加地表徑流中MPs濃度和流失量,這與土壤本身的孔隙度、粗糙度有關(guān),同時(shí)多孔介質(zhì)中孔隙水流速也可能是影響MPs在介質(zhì)表面的沉積與釋放的重要因素[27]。然而,高容重土壤孔隙較小,且土壤為MPs提供較多的吸附位點(diǎn)[28],從而導(dǎo)致MPs滯留于土壤中,雖然土壤飽和但是很難向上懸浮,MPs更容易受微小土壤顆粒吸附和一同運(yùn)移。因此,低容重土壤受到雨水侵蝕時(shí)更容易導(dǎo)致MPs上浮和向坡下遷移。

本試驗(yàn)中Ⅰ,Ⅱ口處MPs的流失量占總流失量的0.88%,0.78%,土壤和MPs的垂直遷移量較少,但Ⅰ口、Ⅱ口處MPs濃度顯著高于Ⅲ口,其中Ⅱ口處的MPs平均流失濃度最高。通常來(lái)說(shuō),壤中流所導(dǎo)致的物質(zhì)流失濃度至少是地表徑流的20倍[29],≤20 cm 深度土壤的MPs流失濃度主要受降雨強(qiáng)度的影響[26],壤中流MPs平均流失濃度遠(yuǎn)大于地表徑流,這是由于部分MPs被細(xì)小土壤顆粒吸附,受到強(qiáng)降雨沖刷通過(guò)土壤孔隙發(fā)生垂直遷移。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)低容重處理入滲雨水中MPs流失濃度與入滲量呈正相關(guān)關(guān)系,高容重處理入滲雨水中MPs流失濃度與入滲量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是因?yàn)榻涤瓿跏茧A段,低容重處理的大顆粒和小顆粒土壤同時(shí)向下遷移速度更快,導(dǎo)致土壤流失量較大,此階段也會(huì)使土壤更加緊實(shí)[30]。Ⅰ口處低容重處理MPs流失濃度與對(duì)應(yīng)時(shí)段的土壤流失量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,降雨過(guò)程小顆粒土壤的流失,可能會(huì)導(dǎo)致土壤大顆粒之間形成微小孔隙,甚至形成優(yōu)先流,結(jié)果導(dǎo)致土壤流失量隨著降雨時(shí)間的增加逐漸減小,但是小顆粒土壤和MPs仍然發(fā)生流失,因此MPs濃度會(huì)隨時(shí)間逐漸增加,而與土壤流失量呈負(fù)相關(guān)。高容重處理入滲雨水中MPs流失量、流失濃度大于低容重處理,這可能是因?yàn)榭紫抖刃〉耐寥辣砻嫖搅溯^多MPs[31],水蝕發(fā)生后由于重力原因MPs隨著流失土壤發(fā)生垂直遷移。降雨過(guò)程坡面MPs的垂直遷移會(huì)受到降雨入滲的影響,但受瞬時(shí)流量的影響較小,越接近坡底MPs垂直遷移程度越大,土壤容重越高M(jìn)Ps垂直遷移量越大。由于降雨入滲的運(yùn)動(dòng)及傳輸過(guò)程均在土壤內(nèi)部進(jìn)行,雖然隨雨水入滲而垂直遷移的MPs量有限,但是其濃度較高也不應(yīng)忽略。

降雨結(jié)束后,高容重處理表層、底層土壤中MPs濃度在距坡頂60—70 cm處達(dá)到最高值,中間土層在距坡頂50—60 cm處達(dá)到最高值;低容重處理表層、中層土壤中MPs濃度在距坡頂70—80 cm 處達(dá)到最高值。受重力和水動(dòng)力作用,降雨導(dǎo)致坡上MPs向坡中和坡下位置遷移,低容重處理受地表徑流的影響程度大,導(dǎo)致表層、中層MPs從坡上向坡下的遷移程度較大,故坡面中MPs濃度最高值分布的位置比高容重處理距離坡頂更遠(yuǎn)。低容重處理不同深度土層中MPs濃度均在距坡頂80—100 cm處達(dá)到最低值,這可能是因?yàn)檩^低容重坡面的坡下位置土壤更易受到徑流沖刷[25],攜帶MPs發(fā)生遷移,導(dǎo)致坡下位置MPs遷移量較大,殘留于土壤中的MPs減少。高容重處理坡上MPs平均濃度隨著土層深度的增加而增加,坡中、坡下位置中間土層MPs平均濃度較高;低容重處理坡上MPs平均濃度隨著土層深度的增加而增加,坡中表層MPs平均濃度較高,坡下中間土層MPs平均濃度較高。有研究發(fā)現(xiàn),與本試驗(yàn)相近的降雨強(qiáng)度下,底土層的MPs殘留濃度最高,這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)的降雨時(shí)間不足讓更多的MPs遷移至底層土壤[26]。同時(shí),坡中、坡下處MPs會(huì)受降雨入滲的影響而流失,越靠近坡底垂直遷移程度越大,底土層殘余MPs減少。此外,降雨過(guò)程中較細(xì)的土壤顆粒易被徑流沖走,而較粗的顆粒則被保留在坡面中,進(jìn)而改變了土壤孔隙的空間分布格局,也會(huì)影響MPs的垂直遷移[32],因此坡面,尤其是容重較低的坡面受到雨水侵蝕后為MPs的垂直遷移提供了更大的孔隙空間。

水蝕會(huì)導(dǎo)致坡面產(chǎn)生大量水土流失,土壤中的MPs易伴隨泥沙在水動(dòng)力的作用下沿坡面遷移,降雨入滲會(huì)使土壤中的MPs隨水流發(fā)生垂直遷移,低容重土壤中的MPs受到水蝕后遷移距離更遠(yuǎn)、遷移量更大,土壤MPs污染面積變大。土壤MPs流失的同時(shí),可能會(huì)攜帶環(huán)境中其他污染物進(jìn)行遷移[3],如泥水中PS-MPs受到高強(qiáng)度的水力擾動(dòng)下會(huì)吸附懸浮物后向下遷移[33],有些MPs還能吸附重金屬和有機(jī)污染物等[7],這些復(fù)合污染物甚至?xí)SMPs進(jìn)入地下水進(jìn)而污染水環(huán)境,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成更大的威脅。

4 結(jié)論

(1)黑土中MPs易隨泥沙沿坡面向下遷移。土壤容重越大,地表徑流造成的MPs流失量越小;土壤容重越小,MPs在土壤表層向坡下的遷移程度越大。

(2)降雨入滲會(huì)影響MPs的垂直遷移,坡下處的MPs垂直遷移程度較大。土壤容重越大,MPs垂直遷移量越大。

(3)高容重處理的降雨入滲量越大,土壤流失量越大,MPs流失濃度越小。低容重處理的降雨入滲量越大,MPs流失濃度越大。

(4)侵蝕結(jié)束后,低容重土壤水平方向坡中中間土層MPs顯著降低,坡下各土層MPs均顯著降低;高容重土壤水平方向只有坡下中間土層和底土層MPs濃度顯著降低。