微塑料对土壤中吡虫啉迁移的影响机制研究

作     者：焦清馨 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张婷婷

授予年度：2024年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理] 

主      题：新烟碱类农药 微塑料 迁移行为 环境影响因素 生物炭 

摘      要：农药不合理的施用导致其大量残留于土壤中,随着降雨、灌溉和大气循环等发生迁移,进而对土壤生态稳定性和地下水造成威胁。土壤是微塑料的“汇,长期残留在土壤中的微塑料可以作为污染物的载体,对农药在土壤中的迁移行为造成影响。近年来,关于微塑料影响土壤环境中有机污染物迁移的研究大多集中在纳米塑料与污染物的共迁移上,而对于土壤中流动性较低的微塑料如何影响亲水性污染物的归宿仍缺乏关注。 本文以典型的新烟碱类农药——吡虫啉作为目标污染物,开展了微塑料及土壤环境因素对吡虫啉的迁移行为的影响及机制的探究。本研究通过柱迁移实验,主要探究了微塑料类型、添加量、形状、环境p H、老化时间、冻融循环等因素对吡虫啉迁移的影响,并通过批量吸附实验及表征,进一步揭示了微塑料影响吡虫啉迁移的机制。此外,本文还研究了微塑料存在时,是否会干扰生物炭正常发挥其对吡虫啉迁移的抑制作用。并且还通过Spearman相关性分析和Mantel相关性分析,明确了各个影响因素与吡虫啉迁移行为之间的相关性。 本研究得到的主要结论如下: (1)不同类型、不同含量的微塑料对吡虫啉在石英砂柱中迁移行为的影响有明显区别。CA(醋酸纤维素)微塑料对吡虫啉的迁移具有最明显的抑制作用,且抑制效率与CA添加量呈正相关,吡虫啉的迁移率随着CA含量的增加由95.2%降低至55.3%。老化的CA微塑料(CA-3M和CA-6M)分别使吡虫啉的迁移率由72.9%(原始状态的CA)下降至64.3%和63.1%,这是由于老化作用使微塑料表面的含氧官能团增加。不同含量和老化时间的PE(聚乙烯)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)微塑料并未对吡虫啉的迁移行为造成明显影响。通过Spearman相关性分析可知,微塑料的吸附能力是影响吡虫啉迁移行为的决定性因素,相关系数的绝对值高达0.79。此外,微塑料在土壤中的存在形态对吡虫啉的迁移具有非常显著的影响。颗粒状CA微塑料可以明显抑制土壤柱中吡虫啉的迁移,吡虫啉在不同质地土壤中的迁移率均未超过54.0%;然而,纤维状CA微塑料可以促进吡虫啉在土壤中的迁移行为,吡虫啉最低迁移率超过72.0%。这是由于纤维状的CA微塑料在土壤中形成了孔道,使吡虫啉可以更快、更顺畅地从土壤柱中流出,减少了CA微塑料与土壤之间的反应时间。这说明迁移行为是一个动态吸附的过程,具有时效性,受多种因素共同影响。 (2)根据前文的研究结果,选择CA微塑料对吡虫啉在土壤环境中的迁移进行更深入的探究。Spearman相关性分析结果证明,吡虫啉在不同质地土壤中迁移能力的差异主要归因于土壤有机质含量,包括TOC和SOC,相关系数的绝对值分别为1.00和0.98。说明土壤有机质含量越高,就越容易与吡虫啉发生吸附作用,导致更多的吡虫啉滞留于土壤中。吡虫啉在完成冻融循环后的土壤及土壤微塑料混合物中迁移,迁移率轻微增加,变化范围在3.0-7.0%之间。这归因于冻融作用改变了多孔介质的孔隙率和土壤容重。介质孔隙结构的变化降低了介质孔隙曲折度和其对水流的保留程度,进而减少了吡虫啉在柱子中与CA微塑料和土壤颗粒的反应时间。而冻融循环并未影响CA微塑料对抑制吡虫啉迁移的主导作用,根据Mantel相关性分析,CA的存在是影响冻融土壤中吡虫啉迁移率最重要的因素。 (3)不同热解温度制备的秸秆生物炭对吡虫啉的迁移具有不同程度的抑制效果,且随着生物炭含量的增加,对吡虫啉迁移的抑制程度越明显。其中,BC-800对抑制吡虫啉迁移的效果最好,当添加量达到3.0%(w/w)时,吡虫啉的迁移率最低低至1.3%。CA微塑料的存在并不会抑制生物炭发挥其对吡虫啉的滞留作用,且当分别添加3.0%(w/w)的BC-600和BC-800时,吡虫啉迁移率为0,说明被生物炭完全截留于土壤柱中。根据Mantel相关性分析结果,生物炭自身的理化性质是影响吡虫啉在土壤中迁移的关键性因素。虽然BC-800对吡虫啉迁移的抑制作用最强,但是BC-600的稳定性最好。 综上所述,吡虫啉在土壤中的迁移行为不是受某种因素单独作用的结果。吡虫啉的迁移实验结果证明了污染物在环境中的迁移是一个动态吸附过程。这个过程很大程度依赖于反应时间是否充足,各种影响因素之间是否相互关联、相互制约。这再一次印证了土壤是一个复杂多变的环境体系,预测污染物在土壤中环境行为的难度也随之增强。本研究对微塑料如何影响土壤环境中吡虫啉迁移的机制进行了详细的探究,有助于加深对微塑料影响亲水性有机污染物在土壤环境中归宿的理解和认知,对于土壤中有机污染物的环境行为及其防治具有指导和启发意义。