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2026 年 3 月 灌溉排水学报 第 45 卷 第 3 期 Mar 2026 Journal of Irrigation and Drainage No 3 Vol 45 75 生态环境工程 栏目主编 徐俊增 周蓓蓓 文章编号 1672 3317 2026 03 0075 07 微塑料种类 和 粒径对土壤水分入渗 的影响 杨振浩 才 璐 李宗遥 刘子涵 韩剑桥 西北农林科技大学 陕西 杨凌 712100 摘 要 目的 探究微塑料 种类 和粒径对土壤水分入渗 的影响 方法 采用 定水头 土柱 入渗 试验 研究 聚 乙烯 PE 聚丙烯 PP 聚氯乙烯 PVC 的 5 种粒径 0 05 0 5 1 2 4 mm 微塑料污染对土壤水分入渗湿润锋 累积 入渗量 累积入渗率 和土壤含水率的影响 结果 当 湿润锋 达 到 60 cm时 3 种 微塑料处理组所用时间均 随着粒径 的增大呈先增大后减小的变化特征 对于不同 微塑料 粒径 2 mm的 PE处理组所用时间 CK 粒径 2 mm的处理组 所用时间 CK PP 处理组所用时间均 CK 而 PVC 处理组所用时间均 CK 3 种 微塑料均增大了累积入渗量 但增 量较小 且各粒径间无显著差异 3 种微塑料 处理 均增大了土壤含水率的垂直差异 浅层土壤含水率升高 深 层降低 3 种 微塑料 处理 前期累积入渗率均 高于 CK 而后期 接 近 CK 结论 PVC PE PP 的疏水性依次 增大 疏 水性越大 水分在土壤中的运移速率越慢 微塑料 改变 了 孔隙结构 与基质势 使入渗路径 更为 复杂 从而 增大了 累 积 入渗量与土壤含水率的垂直差异 关 键 词 聚乙烯 聚丙烯 湿润锋 土壤含水率 中图分类号 S275 5 文献标 志 码 A doi 10 13522 ki ggps 2024356 杨振浩 才璐 李宗遥 等 微塑料种类和粒径对土壤水分入渗的影响 J 灌溉排水学报 2026 45 3 75 81 YANG Zhenhao CAI Lu LI Zongyao et al Effects of microplastic types and particle sizes on soil water infiltration J Journal of Irrigation and Drainage 2026 45 3 75 81 0 引 言 1 研究意义 1950 2015年 全球累计产生约 63 亿 t的 微 塑料垃圾 1 研究表明 微塑料会影响土 壤结构 体积质量 孔隙 度 pH值 以及有机质 量 2 4 进而影响土壤入渗过程 农业生产中广泛使用地膜覆 盖以提升产量 但地膜回收困难导致土壤微塑料不断 累积 5 因此 探究微塑料对土壤入渗的影响具有重 要理论与实际意义 研究进展 土柱试验是研究土 壤水分入渗的常用室内方法 De Souza 等 6 通过土柱 试验发现 微塑料显著改变砂土的渗透性与保水性 影响其蒸发特性 多项研究进一步揭示微塑料对入渗 影响的规律性 例如 聚乙烯 PE 微塑料 量 增加 湿润锋运移速率呈先减后增趋势 7 微塑料污染可增 强土壤导水性 8 随着微塑料浓度从 1 增加到 7 土壤水分入渗能力也随之提升 9 而王志超等 10 指出 收稿日期 2024 09 14 修回日期 2025 12 15 基金项目 中国科学院国际伙伴计划 项目 16146KYSB20200001 中国 电建西北工程有限公司平台支持项目资助 XBY PTKJ 2022 9 作者简介 杨振浩 2001 男 硕士研究生 研究方向为 黄土高原微 塑料污染 黄土高原淤地坝的建设潜力 E mail 1983299724 通信作者 韩剑桥 1987 男 副研究员 博士生导师 研究方向为 流域洪水泥沙 土壤侵蚀 E mail jqh 灌溉排水学报 编辑部 开放获取 CC BY NC ND 协议 微塑料浓度和粒径显著影响累积入渗时间 含水率及 湿润锋运移速率 延长入渗时间并抑制水分蒸发 宋 佃星等 11 从类型差异定性验证 微塑料累积会阻碍 水分入渗 影响溶质迁移 切入点 土壤入渗受微 塑料种类 形状 粒径及土壤质地 环境条件等多因 素 的 交互影响 需综合考虑其复合作用 拟解决的 关键问题 农用薄膜以 PE 聚丙烯 PP 和聚氯乙 烯 PVC 为主要成分 应用广泛 12 鉴于此 本研 究 以黄绵土为研究对象 采用定水头土柱入渗试验 系统分析不同粒径 0 05 0 5 1 2 4 mm 的 PE PP与 PVC对土壤入渗的影响 以期为微塑料污染区 土壤水分运移研究及水文建模提供依据 1 材料与方法 1 1 试验 材料 供试黄绵土采集自中国科学院水利部水土保持 研究所安塞水土保持综合试验站川地试验场 取土深 度为 10 40 cm 为受人为 扰动较小的原状土 样品 去除杂质 自然风干后过 2 mm筛备用 土壤基本理 化性质为 黏粒 0 002 mm 粉粒 0 002 0 02 mm 和砂粒 0 02 2 mm 量 分别为 16 3 61 6 和 22 1 灌溉排水学报 第 45卷 76 按国际制分级标准 属粉质黏壤土 土壤 体积质量 为 1 35 g cm3 pH值 为 8 16 有机质 量 为 8 73 g kg 初 始含水率 为 1 23 土壤总孔隙度 介于 37 77 44 2 并随深度增加而降低 13 供试微塑料为塑料颗粒 粒 径 为 0 05 0 5 1 2 4 mm 种类 为 PE PP PVC 均购自广东丰泰高分子材料公司 1 2 试验 设计与方法 1 2 1 试验 设计 试验共设 16个处理 包括 PP PE PVC 3种 微 塑料 各 包括 0 05 0 5 1 2 4 mm 5个粒径梯度 及 1个无添加空白对照 CK 各处理重复 3次 具 体编号见表 1 表 1 试验处理设计 Tab 1 Experimental treatment design 微塑料 种类 微塑料粒径 mm 0 05 0 5 1 2 4 PP 处理编号 P1 P2 P3 P4 P5 PE E1 E2 E3 E4 E5 PVC C1 C2 C3 C4 C5 1 2 2 试验 装置 土壤入渗试验采用定水头法 由马氏瓶供水系统 与试验土柱组成 马氏瓶 内径 15 cm 高 47 cm 外标刻度用于同步测定入渗水量 土柱 内径 20 cm 高 75 cm 装土高度为 60 cm 外 标 刻度读取 湿润锋 并沿柱体每 5 cm设 置 1个 取样孔 图 1 图 1 试验 装置 Fig 1 Experimental setup 1 2 3 试验 过程 为防止土样从玻璃柱底流失 试验 前 土柱底部铺 设 1层滤纸 并在柱体内壁均匀涂抹凡士林以规避优 势流影响 参考农田实际污染情况 微塑料添加浓度 设定为 0 1 14 试验土壤为同一批次处理 故忽略 初始含水 率 差异 体积质量 控制为 1 35 g cm3 每 10 cm 土层称取 4 24 kg土壤与 4 24 g微塑料 置于搅拌机 中以 100 r min转速混合 30 min 确保二者均匀混合 装填时采用分层填装方式 每 10 cm为 1层 层间打 毛以增强连贯性并减少压实效应 装土完成后 在土 柱顶部铺设 1 层滤纸 防止注水时表层土壤受冲刷 试验采用定水头积水垂直入渗法 保持土表积水深度 为 2 5 cm 进行连续入渗观测 试验过程中 按照 前密后疏 原则设定观测时 间 前 0 5 h分别于 1 3 5 7 10 15 20 30 min 进行观测 之后每 30 min 观测 1 次 记录马氏瓶水 位变化与土柱内湿润锋运移距离 当湿润锋到达 60 cm 深度时停止供水 并记录此时的时间 表层积水深度 及马氏瓶刻度 试验结束后 立即将土柱微倾以排除表层积水 避免影响累积入渗量计算 随后 分别于 5 15 25 35 45 55 cm深度采集土样 采用烘干法测定土壤 含水率 湿润锋运移距离与时间为直接观测数据 累 积入渗量则依据马氏瓶记录的累计水位变化计算 使用 Excel 整理数据 Origin 进行绘图 并借助 SPSS 25进行统计分析 分别采用单因素与双因素方 差分析 ANOVA 检验整体差异 对相同微塑料类 型下 不同粒径 以及相同粒径下不同微塑料类型对湿 润锋与累积入渗量的影响进行单因素方差分析 并使 用 Duncan多重比较检验评估组间显著性 2 结果与分析 2 1 不同 种类 及粒径微塑料对 湿润锋 的影响 由 图 2可知 当湿润锋运移至 60 cm时 3 种 微 塑料处理所需时间均随粒径增大呈先增后减的趋势 以 PVC 为例 随着粒径增大 所需时间依次为 412 406 418 415 404 min 其中 1 mm粒径处理所用时 间最长 当湿润锋运移深度达 60 cm时 不同种类微 塑料对其运移过程的影响存在显著差异 P 0 05 PE微塑料处理对湿润锋运移未表现出明显的抑制或促 进作用 除 E3处理组在部分观测节点运移较快外 其 余各粒径组与 CK 差异较小 运移曲线基本重合 PP 和 PVC微塑料处理对湿润锋运移分别具有抑制和促进 作用 在 PP处理中 P1组在 20 390 min内湿润锋运 移距离领先 但此后速率显著下降 最终被其他组超 越 整体上 CK的运移距离大于 PP其他粒径处理组 相比之下 PVC 处理普遍促进湿润锋运移 在多数观 测时间点 各粒径组的运移距离均大于 CK 第 3 期 杨振浩 等 微塑料种类和粒径对土壤水分入渗的影响 77 a PP b PE c PVC 注 图中数据为重复试验的平均值 误差棒代表标准差 图 2 不同 种类 微塑料对 湿润锋 运移距离的影响 Fig 2 Effects of different types of microplastics on the migration distance of the wetting front 双因素方差分析表明 微塑料类型与粒径对湿润 锋均具有显著影响 P 0 05 其中类型的影响更为 主要 F更大 类型与粒径的交互作用也显著 P 0 05 说明二者组合对湿润锋运移具有协同影响 部分特定组合会引起湿润锋的显著变化 单因素方差分析结果显示 微塑料种类对湿润锋 运移具有显著影响 P 0 05 其阻滞作用总体表现 为 PP PE PVC 进一步分析表明 当湿润锋运移 60 cm时 在 0 05 1 mm粒径范围内 PP的阻滞作用 显著强于 PE与 PVC P 0 05 而 PE与 PVC之间 无显著差异 在 2 mm粒径下 阻滞作用依次为 PP PE PVC P 0 05 在 4 mm 粒径下 PP 与 PE 的阻滞作用均显著高于 PVC P 0 05 但二者之 间无显著差异 P 0 905 PE处理中 0 05 1 mm 粒径与 2 4 mm粒径之间存在显著差异 P 0 05 PP处理各粒径间无显著差异 PVC处理中 0 5 mm 和 4 mm粒径与 0 05 1 2 mm粒径之间存在显著 差异 P 0 05 2 2 不同种类及粒径微塑料对 累积入渗率 的影响 由 图 3 和图 4 可知 不同微塑料处理的土壤入渗 率在前期差异较大 但后期均趋于平稳并接近一致 PE处理 E1组后期入渗率高于其他组及 CK 但前期并 非最快 E3 E4 E5 组 前期快于 CK 后期与 CK 相 近 PP处理 P1组前中期入渗率高于其他组及 CK 其 余组与 CK无显著差异 PVC处理前 200 min内各处 理 组 入渗率均高于 CK 后期趋于一致 从图 4 a 曲 线来看 不同类型微塑料前期入渗率均高于 CK 后期 逐渐趋近 其中 PVC 前期最快 PP与 PE次之 从 图 4 b 曲线来看 前期各粒径入渗率均高于 CK 后期逐渐接近 其中 0 05 mm粒径前期最快 0 5 mm 与 CK接近 a PE b PP 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 100 200 300 400 500 累积入渗率 m m mi n 1 时间 min E1 E2 E3 E4 E5 CK 处理 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 100 200 300 400 500 累积入渗率 m m mi n 1 时间 min P1 P2 P3 P4 P5 CK 处理 0 10 20 30 40 50 60 70 0 100 200 300 400 500 P1 P2 P3 P4 P5 CK 0 10 20 30 40 50 60 0 100 200 300 400 500 E1 E2 E3 E4 E5 CK 0 10 20 30 40 50 60 0 100 200 300 400 500 湿润峰深度 cm C1 C2 C3 C4 C5 CK 54 55 56 57 58 59 60 61 380 390 400 410 420 430 湿润峰深度 cm 时间 min 54 55 56 57 58 59 60 61 380 390 400 410 420 430 440 湿润峰深度 cm 时间 min 时间 min 时间 min 湿润峰深度 cm 54 55 56 57 58 59 60 61 380 390 400 410 420 430 湿润峰深度 cm 时间 min 湿润峰深度 cm 时间 min 处理 处理 处理 灌溉排水学报 第 45卷 78 c PVC 注 图中数据为重复试验的平均值 误差棒代表标准差 图 3 不同种类微塑料 各粒径 对 累积入渗率 的影响 Fig 3 Effects of particle size of different types of microplastics on the cumulative infiltration rate a 不同类型微塑料累积入渗率 b 不同粒径微塑料累积入渗率 注 图中数据均为 分类组 的平均值 图 4 不同种类 及不同粒径 微塑料对 累积入渗率 的影响 Fig 4 Effects of different types and sizes of microplastics on the cumulative infiltration rate 2 3 不同种类及粒径微塑料对累积入渗量的影响 由图 5可知 微塑料处理虽使累积入渗量有所增 加 但增幅有限 PE PP处理 和 PVC处理的平均累 积入渗量分别为 42 86 42 60 cm和 42 86 cm 较 CK 分别提高 1 38 0 76 和 1 38 双因素方差分析 结果表明 微塑料类型对累积入渗量无显著影响 粒 径的影响接近显著水平 P 0 069 类型与粒径的交 互作用不显著 单因素方差分析进一步显示 PE 与 PVC各粒径间无显著差异 PP处理中 P1组与其他 组存在显著差异 P 0 05 而在各粒径水平上 不 同微塑料类型间均未呈显著差异 注 图中 a b c d e分别代表粒径 0 05 4 mm重复组的平均值 CK 4个 点代表 CK的 4组重复试验 箱体内横线为中值线 曲线为正态分布曲线 图 5 不同 种类 及粒径微塑料对累积入渗量的影响 Fig 5 Effects of different types and particle sizes of microplastics on cumulative infiltration 2 4 不同 种类 及粒径微塑料对土壤含水率的影响 由图 6可知 CK在 5 cm深度处土壤含水率较高 0 31 随深度增加 含水率在 28 2 28 7 范围 内 缓慢下降 微塑料加剧了土壤含水率的垂 向 变异 表现为浅层含水率高于 CK 深层则低于 CK 在 PE 处理中 E1 E3组 和 E5组对增强垂直差异的作用较 为明显 与 CK相比 其在 5 cm深处的土壤含水率 分别提高 4 98 6 72 和 4 66 而在 55 cm深处则 分别降低 4 12 4 01 和 5 49 除 E2组外 其余 处理组土壤含水率均随深度增加逐渐降低 E2 组在 35 cm处出现峰值 在 PP处理中 P1 P2和 P4 组 显著增强了土壤含水率的垂直差异 P3 组在 35 cm 处出现含水率峰值 且高于 5 cm处的含水率 P5组 在 45 cm处亦出现峰值 但低于 5 cm处的含水率 所 有 PVC处理均增大了土壤含水率的垂直差异 各处理 土壤含水率随深度增加而逐渐降低 未观测到峰值 a PE 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 100 200 300 400 500 累积入渗率 m m mi n 1 时间 min C1 C2 C3 C4 C5 CK 处理 0 1 2 3 4 5 6 0 100 200 300 400 500 累积入渗率 m m mi n 1 时间 min PE PP PVC CK 处理 0 1 2 3 4 5 6 0 100 200 300 400 500 累积入渗率 m m mi n 1 时间 min 0 05 0 5 1 2 4 CK 粒径 mm 第 3 期 杨振浩 等 微塑料种类和粒径对土壤水分入渗的影响 79 b PP c PVC 图 6 不同深度土壤含水率的变化 Fig 6 Changes in soil moisture content at different depths 3 讨 论 土壤水分入渗过程受机械组成 体积质量 有机 质及水稳性团聚体 量 等因素影响 15 微塑料通过改变 土壤团聚体结构 体积质量 孔隙度 渗透性与持水 能力等理化性质 进而影响水分运移 16 研究表明 微塑料颗粒会占据土壤孔隙 减少孔隙数量 阻碍水 分运动 17 并通过替代原有孔隙中的空气显著改变土 壤水力特性 18 随着微塑料浓度增加 大孔隙数量减 少 连续性降低 导致入渗能力下降 并可能加速土 壤水分蒸发 19 然而 Wang等 20 指出 在不同类型 土壤中 相同粒径与浓度的微塑料可能对孔隙特征产 生相反影响 本研究以粉质粘壤土为对象 发现 3种 微塑料处 理均在一定程度上增加了土壤累积入渗量与含水率 的垂直差异 与刘子涵等 7 的研究结果一致 这可能 是由于微塑料改变了土壤 孔隙结构 使水分入渗路径 更为复杂 但新增路径的连通性普遍较低 从 而导致 累积入渗量增加 7 21 表 层土壤中 更多水分滞留于 复杂路径中 进一步加剧了含水率的垂直差异 尽管 微塑料处理使累积入渗量有所增大 但增幅有限 种 类与粒径的影响均不显著 这可能与试验设定 湿润 锋达 60 cm 时停止供水 以及微塑料添加量较低 0 1 有关 反映出微塑料 影响累积入渗量 的能力 在实际条件下较为有限 不同种类微塑料对湿润锋运 移的影响差异 可能与其表面能 22 非极性基团 23 及 表面粗糙度等因素有关 这些特性影响其疏水性与 吸附能力 从表面能来看 PP PE PVC的表面能依 次增大 疏水性逐渐减弱 通常疏水性较低的微塑料 更有利于水分运移 本研究结果与此规律相符 不同 粒径对于 湿润锋 运移的 结果 可能 与 粒径 对 土壤孔隙 和入渗路径的调控有关 7 21 土壤被微塑料污染 后 会 占用部分原始土壤空间 不仅堵塞孔隙 同时替换一 些原始的固体土壤颗粒 迫使土壤颗粒填充原始孔隙 并减小土壤孔隙的大小 24 Singh 等 25 表明疏水颗 粒与土壤水运动之间的相互作用强烈依赖于添加颗 粒的尺寸 湿润锋 到达 60 cm时 随微塑料粒径 增大 3种 微塑料所用时间均 先增大后减小 当微塑料粒径为 0 05 mm时 粒径更接近黄绵土颗粒大小 在低浓度 下对入渗的影响较小 26 对 改变 孔隙结构与 入渗路径 的能力较低 在连通的大孔隙中较 易运移 并 逐渐在 下层累积 对深层土壤 入渗产生一定的阻碍作用 27 这与 Guo等的研究相似 28 1 mm或 2 mm粒径易 堵 塞大孔隙 水分向四周扩散 由于 壤土具有一定的可 塑性 随着土柱水分的入渗 压力不断增加 很容易 打破土壤 原有的孔 隙 在微塑料的综合作用下 形成 新的片状孔隙和更小的孔隙从而使 入渗路径变得复 杂 24 当微塑料粒径为 4 mm时 相同质量分数下 4 mm微塑料的颗粒数更少 对于入渗的影响范围较 小 所用时间会降低 此外 粒径之间的差异 也 可能与 比表面积有关 小 粒径 通过增加土壤的比表面积来增 加土壤的持水能力 29 小 粒径 微塑性颗粒在增加土壤 比 表面积的同时 由于其较强的吸附能力 也可能增 加 土壤 微塑性 混合物的疏水表面积 28 土壤中 微塑性颗粒的斥水性和 混合颗粒 引起的延迟润湿 导致更多的空气取代水分子并滞留在孔隙空间中 30 这种 由 小粒径 吸附 作用 的影响 主要是对基质势的调 控 而大 粒径 比表面积相对小 主要是影响土壤的 孔 隙结构 土壤入渗前期受基质势的影响较大 而孔隙 结构影响贯穿整个入渗过程 所以 产生不同粒径的差 异 周等 研究 也 发现 微塑料 的积累对土壤孔隙度有 灌溉排水学报 第 45卷 80 显著影响 1 mm大 粒 径 微塑料 通过影响大孔和有效 孔隙降低土壤 含水率 而 25 m小 粒径 通过影响微小 孔隙增加土壤 含水率 31 4 结 论 1 不同种类微塑料对湿润锋运移影响显著 PE 对湿润锋运移无明显 影响 PP主要抑制湿润锋运移 PVC 则促进湿润锋运移 当湿润锋到达 60 cm 时 3种 微塑料所需时间均随粒径增大呈先增大后减小的 趋势 2 微塑料处理 提高前期累积入渗率 随着入渗 过程推进 逐渐趋近 CK 3 微塑料处理增 加 土壤的累积入渗量 但增量 较小 4 微塑料 处理 增 大 土壤含水率的垂直差异 浅 层含水率 较 CK高 深层含水率 较 CK低 作者声明本文无实际或潜在利益冲突 参考文献 1 杨光蓉 陈历睿 林敦梅 土壤微塑料污染现状 来源 环境命运及 生态效应 J 中国环境科学 2021 41 1 353 365 YANG Guangrong CHEN Lirui LIN Dunmei Status sources environmental fate and ecological consequences of microplastic pollution in soil J China Environmental Science 2021 41 1 353 365 2 MCKAY O POLD G MARTIN P et al Macroplastic fragment contamination of agricultural soils supports a distinct microbial hotspot J Frontiers in Environmental Science 2022 10 838 455 3 FENG X Y WANG Q L SUN Y H et al Microplastics change soil properties heavy metal availability and bacterial community in a Pb Zn contaminated soil J Journal of Hazardous Materials 2022 424 127 364 4 RILLIG M C DE SOUZA MACHADO A A LEHMANN A et al Evolutionary implications of microplastics for soil biota J Environmental Chemistry 2019 16 1 3 7 5 BRODHAGEN M GOLDBERGER J R HAYES D G et al Policy considerations for limiting unintended residual plastic in agricultural soils J Environmental Science columns packed with unamended soil served as the control CK The effects of microplastics on the infiltration process were assessed by comparing wetting front migration cumulative infiltration infiltration rate and spatial variations in soil water content among different treatments Result For all microplastic types the time required for the wetting front to reach the depth of 60 cm initially increased and then decreased with increasing particle size In PE amended soils infiltration was faster than that in CK when particle sizes were smaller than 2 mm but became slower when particle sizes exceeded 2 mm In contrast water infiltration in PP amended soils was consistently slower than that in CK while infiltration in PVC amended soils was generally faster than that in CK Although microplastic addition slightly increased cumulative infiltration differences among particle size treatments were not statistically significant Microplastic amendments enhanced the heterogeneity of soil water distribution increasing water content in the shallow layer while decreasing it in the deep layer relative to CK During the early stage of infiltration cumulative infiltration rates in microplastic amended soils were higher than those in CK however these rates gradually converged toward the control values at the later stage Conclusion Hydrophobicity of the microplastics followed the order PVC PE PP water infiltration in soil decreased with increasing microplastic hydrophobicity Microplastic incorporation alters soil pore structure and matrix potential leading to more complex infiltration dynamics Key words polyethylene polypropylene wetting front soil moisture content 责任编辑 韩 洋