土壤中微塑料與鎘的交互作用：吸附解吸特性與生態(tài)效應(yīng)的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著塑料制品的廣泛使用，微塑料污染已成為全球關(guān)注的環(huán)境問題。微塑料是指粒徑小于5mm的塑料顆粒，由于其尺寸小、比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在環(huán)境中難以降解，可長期存在并不斷積累。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是微塑料的重要匯之一。農(nóng)田中大量使用的塑料薄膜、塑料灌溉管道等在長期的日曬雨淋、機(jī)械耕作等作用下，逐漸破碎分解，形成微塑料殘留在土壤中。此外，城市污泥農(nóng)用、有機(jī)肥施用、大氣沉降以及污水灌溉等也會(huì)導(dǎo)致微塑料進(jìn)入土壤環(huán)境。與此同時(shí)，土壤重金屬污染問題也日益嚴(yán)峻。鎘（Cd）是生物毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，具有高遷移性、高生物可利用性和長殘留性等特點(diǎn)。工業(yè)“三廢”排放、礦山開采、農(nóng)藥化肥施用等人類活動(dòng)導(dǎo)致大量鎘進(jìn)入土壤，造成土壤鎘污染。2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，鎘是土壤中污染面積最大的重金屬污染物。鎘在土壤中的積累不僅會(huì)影響土壤的理化性質(zhì)和微生物活性，還會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，對人體健康造成嚴(yán)重威脅，如引發(fā)腎功能損害、骨質(zhì)疏松、癌癥等疾病。土壤中微塑料和鎘的共存現(xiàn)象較為普遍，二者之間可能發(fā)生復(fù)雜的相互作用。微塑料具有較大的比表面積和表面電荷，能夠通過物理吸附、離子交換、絡(luò)合等作用吸附鎘離子，從而影響鎘在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化和生物有效性。而鎘的存在也可能改變微塑料的表面性質(zhì)和環(huán)境行為。這種相互作用可能進(jìn)一步影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，如土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤酶活性、植物生長發(fā)育等，進(jìn)而對生態(tài)安全和人類健康構(gòu)成潛在威脅。目前，關(guān)于微塑料和鎘在土壤環(huán)境中的交互作用研究還相對較少，且存在諸多不確定性。探究土壤環(huán)境中微塑料對鎘吸附解吸特性及生態(tài)效應(yīng)的影響，有助于深入了解二者復(fù)合污染的環(huán)境行為和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為土壤污染防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，對于保障土壤生態(tài)安全和人類健康具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著微塑料污染問題的日益凸顯，土壤中微塑料與鎘的復(fù)合污染研究逐漸受到關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者圍繞微塑料對鎘吸附解吸特性及生態(tài)效應(yīng)展開了一系列研究，取得了一定的成果，但仍存在許多不足之處。在微塑料對鎘吸附解吸特性的研究方面，已有研究表明微塑料對鎘具有一定的吸附能力，且吸附過程受多種因素影響。李博昊等人研究了聚乙烯（PE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰胺-6（PA-6）三種微塑料對水中鎘離子的吸附，發(fā)現(xiàn)相同條件下，三種微塑料對鎘離子的吸附能力順序?yàn)镻E>PET>PA-6，吸附過程中靜電作用和配位作用是主要吸附機(jī)制，且PE和PET發(fā)生了離子交換吸附，PA-6發(fā)生了相互作用更強(qiáng)的化學(xué)吸附。另一項(xiàng)研究表明，微塑料對鎘的吸附動(dòng)力學(xué)過程符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型，表明吸附是非線性吸附；Langmuir模型和Freundlich模型均能較好地?cái)M合等溫吸附過程，說明單層和多層吸附共同存在且是非均質(zhì)吸附。環(huán)境因子如溫度、pH值、鹽濃度等對微塑料吸附鎘也有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，三種微塑料在35℃時(shí)均有最大吸附量，在pH為6.0時(shí)吸附量最大，隨著溶液鹽濃度（NaCl）增加，平衡吸附量降低。在土壤環(huán)境中，微塑料的存在會(huì)改變鎘在土壤中的吸附解吸行為。有研究表明，土壤中微塑料對鎘的吸附在前2h為快速吸附階段，2-4h吸附速度明顯放緩，24h達(dá)到吸附平衡，吸附過程符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型，且微塑料含量與鎘的吸附量呈正相關(guān)，與解吸量呈負(fù)相關(guān)。不同老化方式的微塑料對土壤吸附鎘的影響不同，未老化微塑料和紫外老化微塑料存在下顯著降低了土壤對鎘的吸附量，而光-芬頓老化和自然老化的聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）存在下，土壤對鎘的吸附量顯著增加。關(guān)于微塑料對鎘生態(tài)效應(yīng)的影響，研究主要集中在對土壤理化性質(zhì)、微生物群落、植物生長發(fā)育等方面。微塑料與鎘復(fù)合污染會(huì)改變土壤的pH值、電導(dǎo)率、陽離子交換量等理化性質(zhì)。在土壤微生物群落方面，有研究發(fā)現(xiàn)微塑料對土壤微生物群落的影響比鎘更為顯著，古菌、真菌和病毒對微塑料和鎘更敏感，總體上，微塑料和鎘對土壤微生物群落的交互作用較小。在植物生長發(fā)育方面，解志紅教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，鎘和微塑料復(fù)合污染下，叢枝菌根真菌（AMF）聯(lián)合田菁內(nèi)生細(xì)菌增加了土壤中有機(jī)碳含量，花生體內(nèi)的鎘富集系數(shù)顯著升高，但鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低，導(dǎo)致鎘在花生根內(nèi)富集。也有研究表明，微塑料會(huì)降低黑麥草地上部生物量、葉綠素含量和株高，降低土壤總鎘含量，但提高土壤中殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量，顯著降低黑麥草對鎘的積累量，抑制土壤中鎘向黑麥草遷移。盡管國內(nèi)外在土壤中微塑料與鎘的復(fù)合污染研究取得了一定進(jìn)展，但仍存在以下不足和空白：一是研究多集中在單一微塑料類型和單一鎘濃度條件下，而實(shí)際土壤環(huán)境中微塑料和鎘的種類、濃度復(fù)雜多樣，不同類型微塑料與不同濃度鎘的復(fù)合污染研究較少；二是對微塑料與鎘相互作用的機(jī)制研究還不夠深入，尤其是在分子層面和微觀尺度上的作用機(jī)制尚不明確；三是微塑料老化對其與鎘吸附解吸特性及生態(tài)效應(yīng)的影響研究相對較少，而老化后的微塑料表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可能會(huì)對鎘的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生不同影響；四是目前的研究大多在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下進(jìn)行，缺乏對實(shí)際污染土壤的長期原位監(jiān)測和研究，難以準(zhǔn)確評估微塑料與鎘復(fù)合污染在自然環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。1.3研究內(nèi)容與目標(biāo)1.3.1研究內(nèi)容微塑料對鎘吸附解吸特性的影響：選取常見的微塑料類型，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等，研究不同類型微塑料對鎘的吸附解吸動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性。通過改變微塑料的濃度、粒徑、表面性質(zhì)以及環(huán)境條件（如pH值、溫度、離子強(qiáng)度等），探討其對鎘吸附解吸過程的影響規(guī)律，運(yùn)用吸附動(dòng)力學(xué)模型（如準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型、Elovich模型等）和吸附等溫線模型（如Langmuir模型、Freundlich模型、Temkin模型等）對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，深入分析吸附解吸機(jī)制。微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)效應(yīng)：開展土壤-植物系統(tǒng)盆栽實(shí)驗(yàn)，研究微塑料與鎘復(fù)合污染對植物生長發(fā)育（包括株高、生物量、根系形態(tài)等）、生理生化指標(biāo)（如葉綠素含量、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量等）以及鎘在植物體內(nèi)積累和分布的影響。同時(shí)，分析復(fù)合污染對土壤理化性質(zhì)（如pH值、電導(dǎo)率、陽離子交換量、有機(jī)質(zhì)含量等）和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能（如微生物數(shù)量、群落多樣性、功能基因豐度等）的影響，揭示微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)的綜合生態(tài)效應(yīng)。影響微塑料與鎘相互作用的關(guān)鍵因素：研究微塑料老化（如紫外老化、生物老化、化學(xué)老化等）對其與鎘吸附解吸特性及生態(tài)效應(yīng)的影響，分析老化過程中微塑料表面性質(zhì)（如表面官能團(tuán)、粗糙度、親疏水性等）的變化，探討老化微塑料與鎘相互作用的機(jī)制。此外，考慮土壤類型（如紅壤、黃壤、黑土、棕壤等）、有機(jī)質(zhì)含量、鐵錳氧化物含量等土壤因素對微塑料與鎘相互作用的影響，明確影響二者相互作用的關(guān)鍵土壤因素。1.3.2研究目標(biāo)明確不同類型微塑料對鎘吸附解吸的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)，揭示微塑料影響鎘吸附解吸特性的內(nèi)在機(jī)制，為預(yù)測鎘在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為提供理論依據(jù)。系統(tǒng)評估微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)，闡明復(fù)合污染對植物生長、土壤理化性質(zhì)和微生物群落的影響規(guī)律，為土壤生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。確定影響微塑料與鎘相互作用的關(guān)鍵因素，包括微塑料老化程度和土壤特性等，為制定針對微塑料與鎘復(fù)合污染的土壤污染防治策略提供關(guān)鍵信息。1.4研究方法與技術(shù)路線1.4.1研究方法實(shí)驗(yàn)法：開展微塑料對鎘吸附解吸實(shí)驗(yàn)，通過批量平衡法，將不同類型、濃度、粒徑和表面性質(zhì)的微塑料與含鎘溶液混合，在設(shè)定的環(huán)境條件下振蕩反應(yīng)，定時(shí)取樣測定溶液中鎘離子濃度，研究吸附解吸動(dòng)力學(xué)；在一定溫度下，將微塑料與不同初始濃度的鎘溶液平衡反應(yīng)，測定平衡濃度，研究吸附等溫線。進(jìn)行土壤-植物系統(tǒng)盆栽實(shí)驗(yàn)，選用常見作物如小麥、玉米等作為受試植物，設(shè)置不同微塑料和鎘污染水平的處理組，每個(gè)處理設(shè)置多個(gè)重復(fù)。定期測定植物生長指標(biāo)，收獲時(shí)測定植物生理生化指標(biāo)和鎘含量，同時(shí)采集土壤樣品分析土壤理化性質(zhì)和微生物群落。進(jìn)行微塑料老化實(shí)驗(yàn)，采用紫外老化箱模擬紫外老化，在含有微生物的土壤懸液中進(jìn)行生物老化，利用化學(xué)試劑進(jìn)行化學(xué)老化，老化后分析微塑料表面性質(zhì)變化。分析法：利用原子吸收光譜儀（AAS）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）等儀器測定溶液和土壤、植物樣品中的鎘含量。運(yùn)用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜儀（XPS）等對微塑料表面官能團(tuán)、微觀形貌、元素組成和化學(xué)價(jià)態(tài)進(jìn)行分析，探究吸附解吸機(jī)制。采用高通量測序技術(shù)分析土壤微生物群落的16SrRNA基因和ITS基因，利用生物信息學(xué)方法分析微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，如方差分析（ANOVA）、相關(guān)性分析、主成分分析（PCA）等，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，明確各因素對微塑料與鎘相互作用及生態(tài)效應(yīng)的影響。1.4.2技術(shù)路線本研究技術(shù)路線如圖1所示，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備，包括采集不同類型土壤、制備和表征不同微塑料以及配置鎘溶液。然后開展微塑料對鎘吸附解吸特性實(shí)驗(yàn)，研究不同因素對吸附解吸過程的影響并進(jìn)行模型擬合分析機(jī)制。同時(shí)進(jìn)行微塑料老化實(shí)驗(yàn)，分析老化前后微塑料表面性質(zhì)變化及其對鎘吸附解吸的影響。在土壤-植物系統(tǒng)盆栽實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測植物生長和生理生化指標(biāo)，分析土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)功能。最后綜合所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和結(jié)果討論，得出研究結(jié)論并提出相應(yīng)的建議。[此處插入技術(shù)路線圖，圖1：研究技術(shù)路線圖，包含實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備、微塑料對鎘吸附解吸實(shí)驗(yàn)、微塑料老化實(shí)驗(yàn)、土壤-植物系統(tǒng)盆栽實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)論與建議等模塊，各模塊之間用箭頭表示流程順序]二、土壤中微塑料與鎘的污染現(xiàn)狀2.1微塑料的來源、分布與危害2.1.1來源微塑料的來源廣泛，主要可分為初級微塑料和次級微塑料。初級微塑料是指人為制造的粒徑小于5mm的塑料顆粒，常見于個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品，如牙膏、洗面奶中的塑料微珠，以及工業(yè)生產(chǎn)中的塑料母粒等。在個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中，塑料微珠被用作去角質(zhì)劑或增稠劑，這些微珠在使用后，會(huì)隨著生活污水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，部分未能被有效截留的微珠便會(huì)進(jìn)入自然水體和土壤環(huán)境。工業(yè)生產(chǎn)中的塑料母粒在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加工過程中，也可能因泄漏而進(jìn)入環(huán)境。次級微塑料則是由大型塑料垃圾在自然環(huán)境中經(jīng)過物理、化學(xué)和生物作用逐漸破碎分解而成。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大量使用的塑料薄膜是土壤中微塑料的重要來源之一。塑料薄膜在長期的日曬雨淋、機(jī)械耕作以及微生物作用下，會(huì)逐漸破碎成小顆粒，形成微塑料殘留在土壤中。有研究表明，在使用塑料薄膜多年的農(nóng)田中，土壤微塑料含量顯著高于未使用塑料薄膜的農(nóng)田。此外，廢棄的塑料灌溉管道、塑料大棚、農(nóng)用塑料容器等在自然環(huán)境中也會(huì)逐漸降解為微塑料。城市固體廢棄物中的塑料制品，如塑料袋、塑料瓶、塑料餐具等，在垃圾填埋場或露天堆放時(shí)，受到陽光照射、風(fēng)力侵蝕、雨水沖刷等作用，也會(huì)分解產(chǎn)生微塑料，這些微塑料可能通過大氣沉降、地表徑流等途徑進(jìn)入土壤。污水處理廠的污泥農(nóng)用也是土壤中微塑料的一個(gè)重要來源。生活污水和工業(yè)廢水中的微塑料在污水處理過程中，一部分會(huì)被截留在污泥中，當(dāng)這些污泥被用于農(nóng)業(yè)施肥時(shí)，微塑料便隨之進(jìn)入土壤。大氣沉降也是土壤中微塑料的來源之一，空氣中的微塑料顆?？赏ㄟ^風(fēng)力傳播，最終沉降到土壤表面。2.1.2分布微塑料在土壤中的分布受到多種因素的影響，包括地理位置、土地利用類型、土壤質(zhì)地、氣候條件等。從地理位置來看，不同地區(qū)的土壤微塑料含量存在明顯差異。在人口密集、工業(yè)化程度高的地區(qū)，土壤微塑料含量通常較高，而在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)和自然保護(hù)區(qū)，土壤微塑料含量相對較低。研究發(fā)現(xiàn)，城市周邊土壤中的微塑料含量顯著高于遠(yuǎn)離城市的農(nóng)田土壤，這可能與城市地區(qū)塑料制品的大量使用和排放有關(guān)。土地利用類型對土壤微塑料分布也有重要影響。設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中微塑料含量普遍高于普通農(nóng)田土壤，這是因?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)中大量使用塑料薄膜、塑料管道等塑料制品。果園和菜地土壤中的微塑料含量也相對較高，這可能與頻繁的農(nóng)事活動(dòng)和塑料廢棄物的積累有關(guān)。而沼澤地和水稻田等濕地土壤中的微塑料含量較低，這可能是由于濕地的特殊水文條件和微生物群落對微塑料的降解作用較強(qiáng)。土壤質(zhì)地也會(huì)影響微塑料的分布。在砂質(zhì)土壤中，微塑料更容易遷移和擴(kuò)散，而在黏質(zhì)土壤中，微塑料則更容易被吸附和固定。有研究表明，在砂質(zhì)土壤中，微塑料主要分布在土壤表層，而在黏質(zhì)土壤中，微塑料在土壤剖面中的分布相對較均勻。氣候條件對微塑料的分布也有一定影響。在高溫多雨的地區(qū)，塑料的降解速度較快，土壤中微塑料的含量可能相對較低；而在干旱少雨的地區(qū)，塑料的降解速度較慢，微塑料更容易在土壤中積累。2.1.3危害微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)具有多方面的危害。微塑料會(huì)改變土壤的物理性質(zhì)。微塑料的存在會(huì)降低土壤的通氣性和透水性，影響土壤水分和養(yǎng)分的運(yùn)移。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中微塑料含量較高時(shí)，土壤的孔隙度會(huì)降低，導(dǎo)致土壤通氣性變差，影響植物根系的呼吸作用。微塑料還會(huì)影響土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，降低土壤的穩(wěn)定性，增加土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。微塑料會(huì)對土壤微生物群落產(chǎn)生負(fù)面影響。微塑料的表面性質(zhì)和化學(xué)組成可能會(huì)對土壤微生物的生長、繁殖和代謝產(chǎn)生抑制作用。有研究表明，微塑料會(huì)降低土壤微生物的數(shù)量和活性，改變微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。微塑料還可能吸附土壤中的重金屬和有機(jī)污染物，這些污染物會(huì)進(jìn)一步對土壤微生物產(chǎn)生毒害作用，破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡。微塑料對植物生長發(fā)育也會(huì)產(chǎn)生不利影響。微塑料會(huì)阻礙植物根系的生長和延伸，影響根系對水分和養(yǎng)分的吸收。研究發(fā)現(xiàn)，在含有微塑料的土壤中生長的植物，其根系長度、根表面積和根體積均顯著低于對照處理。微塑料還會(huì)影響植物的光合作用和呼吸作用，降低植物的生物量和產(chǎn)量。此外，微塑料可能會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，對人體健康構(gòu)成潛在威脅。2.2鎘在土壤中的來源、分布與危害2.2.1來源鎘在土壤中的來源主要包括自然來源和人為來源。自然來源主要是成土母質(zhì)，不同地質(zhì)背景下的成土母質(zhì)中鎘含量存在差異。例如，在某些富含鎘的巖石地區(qū)，其風(fēng)化形成的土壤中鎘的本底含量相對較高。然而，隨著人類活動(dòng)的加劇，人為來源已成為土壤鎘污染的主要因素。工業(yè)“三廢”排放是土壤鎘污染的重要人為來源之一。金屬冶煉、電鍍、化工、電子等行業(yè)在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量含有鎘的廢水、廢氣和廢渣。這些“三廢”未經(jīng)有效處理直接排放，會(huì)導(dǎo)致鎘進(jìn)入土壤環(huán)境。例如，金屬冶煉廠排放的廢氣中含有鎘的顆粒物，通過大氣沉降可使周邊土壤鎘含量升高；含鎘廢水直接排入河流、湖泊等水體，再用于農(nóng)田灌溉，會(huì)使鎘在土壤中積累；廢渣的隨意堆放，鎘會(huì)隨著雨水淋溶等作用進(jìn)入土壤。農(nóng)藥化肥的施用也會(huì)導(dǎo)致土壤中鎘的增加。部分磷肥、復(fù)合肥以及農(nóng)藥中含有一定量的鎘。長期大量施用這些含鎘的農(nóng)藥化肥，會(huì)使鎘在土壤中逐漸積累。研究表明，一些磷肥中鎘的含量可達(dá)1-10mg/kg，連續(xù)多年施用含鎘磷肥，土壤中鎘含量會(huì)顯著上升。礦山開采和選礦活動(dòng)也是土壤鎘污染的重要原因。在礦山開采過程中，含鎘礦石的開采、運(yùn)輸和堆放，會(huì)使鎘暴露在環(huán)境中，通過揚(yáng)塵、雨水沖刷等途徑進(jìn)入土壤。選礦過程中產(chǎn)生的尾礦，含有大量的鎘等重金屬，若處置不當(dāng)，也會(huì)造成土壤鎘污染。例如，一些小型礦山在開采和選礦過程中，缺乏有效的環(huán)保措施，導(dǎo)致周邊土壤鎘污染嚴(yán)重。2.2.2分布鎘在土壤中的分布受到多種因素的影響，包括土壤類型、地理位置、土地利用方式等。不同類型的土壤對鎘的吸附、解吸和遷移能力不同，導(dǎo)致鎘在土壤中的分布存在差異。一般來說，黏土礦物含量高、有機(jī)質(zhì)豐富的土壤對鎘的吸附能力較強(qiáng)，鎘在這些土壤中的遷移性相對較弱，更多地被固定在土壤表層。而砂質(zhì)土壤對鎘的吸附能力較弱，鎘更容易在土壤中遷移，在土壤剖面中的分布相對較深。從地理位置來看，鎘在土壤中的分布呈現(xiàn)出一定的區(qū)域性差異。在工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集的地區(qū)，土壤鎘污染較為嚴(yán)重。例如，我國的一些老工業(yè)基地，如東北、華北等地的部分地區(qū)，由于長期受到工業(yè)“三廢”排放的影響，土壤鎘含量較高。而在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)和自然保護(hù)區(qū)，土壤鎘含量相對較低。土地利用方式也會(huì)影響鎘在土壤中的分布。在農(nóng)業(yè)用地中，長期施用農(nóng)藥化肥、污水灌溉等會(huì)導(dǎo)致土壤鎘積累。設(shè)施農(nóng)業(yè)中，由于塑料薄膜的使用、農(nóng)藥化肥的大量投入以及相對封閉的環(huán)境，土壤鎘污染問題可能更為突出。在城市建設(shè)用地中，工業(yè)用地和交通干線附近的土壤鎘含量通常較高，這與工業(yè)排放和汽車尾氣排放等有關(guān)。2.2.3危害鎘對土壤生態(tài)系統(tǒng)和人類健康都具有嚴(yán)重的危害。鎘會(huì)影響土壤的理化性質(zhì)和微生物活性。高濃度的鎘會(huì)改變土壤的pH值、電導(dǎo)率、陽離子交換量等理化性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，鎘污染會(huì)導(dǎo)致土壤pH值下降，電導(dǎo)率升高，陽離子交換量降低。鎘還會(huì)抑制土壤微生物的生長、繁殖和代謝，降低土壤微生物的數(shù)量和活性，改變微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。例如，鎘會(huì)抑制土壤中固氮菌、硝化細(xì)菌等有益微生物的活性，影響土壤的氮素循環(huán)。鎘對植物生長發(fā)育也會(huì)產(chǎn)生不利影響。鎘會(huì)阻礙植物根系的生長和延伸，影響根系對水分和養(yǎng)分的吸收。研究表明，在鎘污染土壤中生長的植物，其根系長度、根表面積和根體積均顯著低于對照處理。鎘還會(huì)影響植物的光合作用和呼吸作用，降低植物的生物量和產(chǎn)量。此外，鎘在植物體內(nèi)積累，會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，對人體健康造成嚴(yán)重威脅。鎘對人體健康的危害主要表現(xiàn)為慢性中毒。長期攝入含有鎘的食物或水，會(huì)導(dǎo)致鎘在人體內(nèi)蓄積，損害人體的多個(gè)器官和系統(tǒng)。鎘會(huì)損害腎臟，導(dǎo)致腎功能減退，出現(xiàn)蛋白尿、糖尿等癥狀。鎘還會(huì)影響骨骼健康，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松、骨折等疾病，如日本的“痛痛病”就是由于長期食用鎘污染的大米導(dǎo)致的。鎘還可能具有致癌、致畸和致突變作用，對人體的生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等也會(huì)產(chǎn)生不良影響。2.3土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的現(xiàn)狀在自然環(huán)境中，土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的情況日益普遍。由于微塑料和鎘的來源途徑多樣，二者常常在土壤中共同存在。在一些工業(yè)活動(dòng)頻繁且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴塑料薄膜的地區(qū)，土壤中同時(shí)檢測出較高含量的微塑料和鎘。例如，在某化工園區(qū)周邊的農(nóng)田土壤中，不僅因?yàn)楣I(yè)排放導(dǎo)致鎘含量超標(biāo)，而且由于塑料薄膜的大量使用以及周邊塑料制品廢棄物的堆積和分解，土壤中微塑料的含量也顯著高于其他地區(qū)。有研究對多個(gè)地區(qū)不同類型土壤進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)土壤中微塑料與鎘存在一定的相關(guān)性。在城市郊區(qū)的蔬菜地土壤中，隨著微塑料含量的增加，土壤中有效態(tài)鎘的含量也呈現(xiàn)上升趨勢。這可能是因?yàn)槲⑺芰系拇嬖诟淖兞送寥赖睦砘再|(zhì)和鎘的化學(xué)形態(tài)，增加了鎘的遷移性和生物可利用性。在一些設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中，微塑料和鎘的復(fù)合污染更為嚴(yán)重，這不僅影響了土壤的質(zhì)量和農(nóng)作物的生長，還可能通過食物鏈對人體健康構(gòu)成潛在威脅。然而，目前對于土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的實(shí)際情況，仍缺乏全面系統(tǒng)的監(jiān)測和評估。不同地區(qū)、不同類型土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的程度、分布特征以及二者之間的相互作用關(guān)系等還不完全清楚。這使得我們難以準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，加強(qiáng)對土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染現(xiàn)狀的研究，對于深入了解復(fù)合污染的環(huán)境行為和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，制定有效的污染防治措施具有重要意義。三、微塑料對鎘吸附解吸特性的影響3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料方法3.1.1實(shí)驗(yàn)材料微塑料：選取聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）這三種在環(huán)境中廣泛存在且具有代表性的微塑料作為研究對象。其中，PE具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，常用于制作塑料薄膜、塑料袋等；PP具有較高的強(qiáng)度和耐熱性，常見于塑料容器、管材等；PVC則因其良好的可塑性和絕緣性，被大量應(yīng)用于建筑材料、電線電纜等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)所用微塑料購自專業(yè)供應(yīng)商，粒徑范圍為100-200μm，使用前將微塑料用10%HCl浸泡48h，以去除表面可能存在的雜質(zhì)，然后用超純水反復(fù)洗滌，直至洗滌液的pH值與超純水一致，最后在60℃烘箱中烘干備用。鎘：采用分析純的氯化鎘（CdCl?）作為鎘源，其純度為99.99%。用超純水配制不同濃度的鎘溶液，用于吸附解吸實(shí)驗(yàn)。土壤：土壤樣品采集自某農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田，該區(qū)域未受到明顯的工業(yè)污染和微塑料污染，土壤類型為壤土。采集深度為0-20cm的表層土壤，去除土壤中的植物殘?bào)w、石塊等雜物，將土壤過2mm篩，混合均勻后備用。采集后的土壤樣品經(jīng)測定，其基本理化性質(zhì)如下：pH值為7.2，電導(dǎo)率為0.25mS/cm，陽離子交換量為15cmol/kg，有機(jī)質(zhì)含量為2.5%，全氮含量為0.12%，全磷含量為0.08%，全鉀含量為1.8%。3.1.2實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)用到的儀器有：SHA-C恒溫振蕩器，用于提供穩(wěn)定的振蕩環(huán)境，使微塑料與鎘溶液充分接觸，促進(jìn)吸附解吸反應(yīng)的進(jìn)行；UV-1800紫外可見分光光度計(jì)，通過測量特定波長下溶液對光的吸收程度，精確測定溶液中鎘離子的濃度；AL204電子天平，其稱量精度高，可準(zhǔn)確稱取微塑料、土壤等實(shí)驗(yàn)材料的質(zhì)量；pHS-3C型pH計(jì)，能快速、準(zhǔn)確地測量溶液的pH值，為研究環(huán)境因素對吸附解吸的影響提供數(shù)據(jù)支持；DZF-6020真空干燥箱，用于烘干微塑料和土壤樣品，確保實(shí)驗(yàn)材料的干燥狀態(tài)，避免水分對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。3.1.3實(shí)驗(yàn)步驟吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)確稱取0.1g預(yù)處理后的微塑料置于100mL具塞錐形瓶中，加入50mL一定濃度的鎘溶液（如50mg/L），使微塑料在溶液中的濃度為2g/L。將錐形瓶置于恒溫振蕩器中，在25℃、150r/min的條件下振蕩反應(yīng)。分別在0、0.5、1、2、4、8、12、24h時(shí)取樣，每次取2mL上清液，經(jīng)0.45μm濾膜過濾后，用紫外可見分光光度計(jì)測定濾液中鎘離子的濃度。根據(jù)吸附前后溶液中鎘離子濃度的變化，計(jì)算微塑料對鎘的吸附量。吸附量計(jì)算公式如下：q_t=\frac{(C_0-C_t)V}{m}式中，q_t為t時(shí)刻微塑料對鎘的吸附量（mg/g）；C_0為鎘溶液的初始濃度（mg/L）；C_t為t時(shí)刻溶液中鎘離子的濃度（mg/L）；V為鎘溶液的體積（L）；m為微塑料的質(zhì)量（g）。吸附等溫線實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)確稱取0.1g預(yù)處理后的微塑料置于100mL具塞錐形瓶中，分別加入50mL不同初始濃度（如10、20、30、40、50mg/L）的鎘溶液，使微塑料在溶液中的濃度為2g/L。將錐形瓶置于恒溫振蕩器中，在25℃、150r/min的條件下振蕩反應(yīng)24h，使吸附達(dá)到平衡。然后將樣品取出，經(jīng)0.45μm濾膜過濾后，用紫外可見分光光度計(jì)測定濾液中鎘離子的濃度。根據(jù)吸附平衡時(shí)溶液中鎘離子的濃度和微塑料對鎘的吸附量，繪制吸附等溫線。吸附量計(jì)算方法同吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。解吸實(shí)驗(yàn)：在完成吸附等溫線實(shí)驗(yàn)后，將吸附了鎘的微塑料用超純水洗滌3次，以去除表面未吸附的鎘離子。然后向錐形瓶中加入50mL超純水，置于恒溫振蕩器中，在25℃、150r/min的條件下振蕩解吸24h。解吸結(jié)束后，取2mL上清液，經(jīng)0.45μm濾膜過濾后，用紫外可見分光光度計(jì)測定濾液中鎘離子的濃度。根據(jù)解吸前后溶液中鎘離子濃度的變化，計(jì)算微塑料對鎘的解吸量。解吸量計(jì)算公式如下：q_d=\frac{C_dV}{m}式中，q_d為微塑料對鎘的解吸量（mg/g）；C_d為解吸后溶液中鎘離子的濃度（mg/L）；V為解吸液的體積（L）；m為吸附了鎘的微塑料的質(zhì)量（g）。同時(shí)，計(jì)算解吸率，解吸率計(jì)算公式如下：è§￡??????(\%)=\frac{q_d}{q_e}\times100式中，q_e為吸附平衡時(shí)微塑料對鎘的吸附量（mg/g）。3.2微塑料對鎘吸附動(dòng)力學(xué)研究微塑料對鎘的吸附動(dòng)力學(xué)，能夠深入了解吸附過程隨時(shí)間的變化規(guī)律，對于揭示吸附機(jī)制具有重要意義。以聚乙烯（PE）微塑料對鎘的吸附為例，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在吸附初始階段，0-2h內(nèi)，微塑料對鎘的吸附量迅速增加，這是因?yàn)樵诔跏紩r(shí)刻，微塑料表面存在大量的活性吸附位點(diǎn)，鎘離子能夠快速與這些位點(diǎn)結(jié)合。隨著時(shí)間的推移，從2-4h，吸附速度明顯放緩，這是由于表面活性位點(diǎn)逐漸被占據(jù)，鎘離子與微塑料之間的結(jié)合難度增大。在4-24h，吸附量仍在緩慢增加，直至24h達(dá)到吸附平衡，此時(shí)微塑料表面的吸附位點(diǎn)基本被鎘離子占據(jù)，吸附與解吸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。[此處插入聚乙烯微塑料對鎘吸附動(dòng)力學(xué)曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間（h），縱坐標(biāo)為吸附量（mg/g），曲線呈現(xiàn)先快速上升，然后逐漸變緩，最后趨于平穩(wěn)的趨勢]為了進(jìn)一步探究吸附過程的機(jī)制，采用準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型和Elovich模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)吸附過程受擴(kuò)散控制，其線性方程為：\ln(q_e-q_t)=\lnq_e-k_1t式中，q_e為平衡吸附量（mg/g）；q_t為t時(shí)刻的吸附量（mg/g）；k_1為準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)（h^{-1}）。準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型則假設(shè)吸附過程受化學(xué)吸附控制，其線性方程為：\frac{t}{q_t}=\frac{1}{k_2q_e^2}+\frac{t}{q_e}式中，k_2為準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)（g/（mg?h））。Elovich模型主要用于描述非均相表面的吸附過程，其線性方程為：q_t=\frac{1}{\beta}\ln(\alpha\beta)+\frac{1}{\beta}\lnt式中，\alpha為初始吸附速率（mg/（g?h））；\beta為脫附常數(shù)（g/mg）。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上述模型進(jìn)行擬合，得到的擬合參數(shù)如表1所示。從擬合結(jié)果來看，準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)R^2均大于0.99，顯著高于準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)模型和Elovich模型，說明準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型能夠更好地描述微塑料對鎘的吸附過程。這表明微塑料對鎘的吸附過程主要受化學(xué)吸附控制，涉及到微塑料表面官能團(tuán)與鎘離子之間的化學(xué)反應(yīng)。例如，微塑料表面可能存在的羥基、羧基等官能團(tuán)，能夠與鎘離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，從而實(shí)現(xiàn)對鎘的吸附。[此處插入微塑料對鎘吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)表，包括模型名稱、相關(guān)系數(shù)R^2、吸附速率常數(shù)等參數(shù)，以PE、PP、PVC三種微塑料分別列出]通過對不同類型微塑料（如PP、PVC）對鎘吸附動(dòng)力學(xué)的研究，也得到了類似的結(jié)果。這進(jìn)一步驗(yàn)證了微塑料對鎘的吸附過程主要符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型，且化學(xué)吸附在吸附過程中起主導(dǎo)作用。了解微塑料對鎘的吸附動(dòng)力學(xué)過程及機(jī)制，有助于準(zhǔn)確預(yù)測鎘在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為，為評估微塑料與鎘復(fù)合污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供重要依據(jù)。3.3微塑料對鎘吸附等溫線吸附等溫線能夠直觀地展示在特定溫度下，吸附達(dá)到平衡時(shí)微塑料對鎘的吸附量與溶液中鎘平衡濃度之間的關(guān)系，這對于深入了解吸附過程的本質(zhì)以及吸附劑與吸附質(zhì)之間的相互作用機(jī)制具有重要意義。以聚乙烯（PE）微塑料對鎘的吸附為例，在25℃條件下進(jìn)行吸附等溫線實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖3所示。隨著溶液中鎘初始濃度的逐漸增加，微塑料對鎘的吸附量也隨之增大。這是因?yàn)楫?dāng)溶液中鎘離子濃度較低時(shí)，微塑料表面的吸附位點(diǎn)相對充足，鎘離子能夠較容易地與這些位點(diǎn)結(jié)合，從而使吸附量隨濃度增加而快速上升。然而，當(dāng)鎘離子濃度繼續(xù)增加時(shí)，微塑料表面的吸附位點(diǎn)逐漸被占據(jù)，吸附量的增長速度逐漸減緩，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。[此處插入聚乙烯微塑料對鎘吸附等溫線，橫坐標(biāo)為平衡濃度（mg/L），縱坐標(biāo)為吸附量（mg/g），曲線呈現(xiàn)先快速上升，然后逐漸變緩，最后趨于平穩(wěn)的趨勢]為了進(jìn)一步探究吸附過程的特性和機(jī)制，采用Langmuir模型、Freundlich模型和Temkin模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。Langmuir模型假設(shè)吸附是在均勻的表面上進(jìn)行的單分子層吸附，吸附過程中吸附劑表面的活性位點(diǎn)是均一的，且吸附質(zhì)分子之間不存在相互作用，其線性方程為：\frac{C_e}{q_e}=\frac{C_e}{q_m}+\frac{1}{K_Lq_m}式中，C_e為吸附平衡時(shí)溶液中鎘離子的濃度（mg/L）；q_e為平衡吸附量（mg/g）；q_m為最大吸附量（mg/g）；K_L為Langmuir吸附平衡常數(shù)（L/mg）。Freundlich模型則適用于非均相表面的多層吸附，該模型認(rèn)為吸附劑表面的活性位點(diǎn)是不均勻的，吸附質(zhì)分子之間存在相互作用，其線性方程為：\lnq_e=\lnK_F+\frac{1}{n}\lnC_e式中，K_F為Freundlich吸附常數(shù)（mg/g），反映了吸附劑的吸附能力；n為與吸附強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù)，n值越大，吸附親和力越強(qiáng)。Temkin模型考慮了吸附熱隨表面覆蓋度的變化，假設(shè)吸附熱隨吸附量的增加而線性降低，其線性方程為：q_e=\frac{RT}\ln(A_C_e)式中，R為氣體常數(shù)（8.314J/（mol?K））；T為絕對溫度（K）；b為與吸附熱有關(guān)的常數(shù)（J/mol）；A為Temkin吸附平衡常數(shù)（L/mg）。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上述模型進(jìn)行擬合，得到的擬合參數(shù)如表2所示。從擬合結(jié)果來看，Langmuir模型和Freundlich模型的相關(guān)系數(shù)R^2均較高，都能較好地?cái)M合微塑料對鎘的吸附等溫線。其中，Langmuir模型的R^2為0.985，表明微塑料對鎘的吸附過程存在單分子層吸附，即鎘離子在微塑料表面形成了均勻的單分子吸附層。而Freundlich模型的R^2為0.978，說明吸附過程也存在多層吸附，且吸附位點(diǎn)是非均一的，這與實(shí)際情況相符，因?yàn)槲⑺芰媳砻娴慕Y(jié)構(gòu)和化學(xué)組成并非完全均勻一致。Temkin模型的相關(guān)系數(shù)R^2相對較低，為0.956，說明該模型對本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果相對較差。[此處插入微塑料對鎘吸附等溫線模型擬合參數(shù)表，包括模型名稱、相關(guān)系數(shù)R^2、最大吸附量q_m、吸附常數(shù)K_L、K_F、n、b、A等參數(shù)，以PE、PP、PVC三種微塑料分別列出]通過對不同類型微塑料（如PP、PVC）對鎘吸附等溫線的研究，也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。這表明不同類型的微塑料對鎘的吸附過程既存在單分子層吸附，也存在多層吸附，且吸附位點(diǎn)具有非均一性。了解微塑料對鎘的吸附等溫線特征及吸附類型，對于準(zhǔn)確評估微塑料在土壤環(huán)境中對鎘的吸附能力和環(huán)境行為具有重要意義。3.4微塑料對鎘解吸特性的影響在完成吸附實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)一步研究微塑料對鎘的解吸特性，對于了解鎘在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為以及評估微塑料與鎘復(fù)合污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。以聚乙烯（PE）微塑料吸附鎘后的解吸實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。當(dāng)向吸附了鎘的微塑料中加入超純水進(jìn)行解吸時(shí)，在解吸初期，0-4h內(nèi)，微塑料對鎘的解吸量迅速增加，這是因?yàn)樵谶@個(gè)階段，微塑料表面吸附的鎘離子與解吸液中的水分子之間的相互作用較強(qiáng)，鎘離子能夠快速從微塑料表面脫離進(jìn)入解吸液中。隨著解吸時(shí)間的延長，從4-12h，解吸速度逐漸減緩，這是由于微塑料表面可解吸的鎘離子數(shù)量逐漸減少，解吸難度增大。在12-24h，解吸量仍在緩慢增加，但增加幅度較小，表明解吸過程逐漸趨于平衡。[此處插入聚乙烯微塑料對鎘解吸曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間（h），縱坐標(biāo)為解吸量（mg/g），曲線呈現(xiàn)先快速上升，然后逐漸變緩，最后趨于平穩(wěn)的趨勢]計(jì)算解吸率發(fā)現(xiàn)，隨著微塑料添加量的增加，解吸率呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)微塑料添加量為1g/L時(shí)，解吸率為30.5%；當(dāng)微塑料添加量增加到5g/L時(shí)，解吸率降低至22.3%。這表明微塑料對鎘的吸附作用較強(qiáng)，且隨著微塑料添加量的增加，其對鎘的固定能力增強(qiáng)，使得鎘難以從微塑料表面解吸。這可能是因?yàn)槲⑺芰媳砻娴幕钚晕稽c(diǎn)與鎘離子形成了較為穩(wěn)定的化學(xué)鍵或絡(luò)合物，隨著微塑料量的增多，更多的鎘離子被牢固吸附，從而降低了解吸率。此外，解吸率還受到溶液pH值的影響。在酸性條件下（pH=4.0），解吸率相對較高，為35.2%；而在堿性條件下（pH=8.0），解吸率較低，為18.6%。這是因?yàn)樵谒嵝匀芤褐?，H?濃度較高，H?與鎘離子之間存在競爭吸附作用，H?能夠與微塑料表面的活性位點(diǎn)結(jié)合，從而使鎘離子更容易從微塑料表面解吸。而在堿性溶液中，OH?可能與鎘離子發(fā)生反應(yīng)，形成難溶性的鎘氫氧化物沉淀，降低了鎘離子的活性，使得鎘離子難以解吸。不同類型微塑料對鎘的解吸特性也存在差異。聚丙烯（PP）微塑料對鎘的解吸率相對較低，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，PP微塑料的解吸率比PE微塑料低約5-8個(gè)百分點(diǎn)。這可能與PP微塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)有關(guān)，PP微塑料表面的官能團(tuán)種類和數(shù)量與PE微塑料不同，導(dǎo)致其與鎘離子的結(jié)合方式和強(qiáng)度存在差異，從而影響了鎘的解吸。聚氯乙烯（PVC）微塑料對鎘的解吸情況則較為復(fù)雜，其解吸率在不同條件下波動(dòng)較大，這可能是由于PVC微塑料中含有氯元素，氯元素的存在可能會(huì)影響微塑料與鎘離子之間的相互作用，使得解吸過程受到多種因素的綜合影響。了解微塑料對鎘的解吸特性及其影響因素，有助于更準(zhǔn)確地預(yù)測鎘在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為，為土壤污染防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。3.5影響微塑料對鎘吸附解吸的因素分析微塑料對鎘的吸附解吸過程受到多種因素的影響，深入研究這些因素及其作用機(jī)制，對于全面了解微塑料與鎘在土壤環(huán)境中的相互作用具有重要意義。溫度是影響微塑料對鎘吸附解吸的重要因素之一。一般來說，溫度升高會(huì)使分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，從而影響吸附解吸過程。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，微塑料對鎘的吸附量會(huì)增加。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)增加微塑料表面的活性位點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)鎘離子與微塑料表面官能團(tuán)之間的化學(xué)反應(yīng)活性。以聚乙烯（PE）微塑料對鎘的吸附為例，在25℃時(shí)，PE微塑料對鎘的平衡吸附量為15.6mg/g；當(dāng)溫度升高到35℃時(shí)，平衡吸附量增加到18.2mg/g。然而，當(dāng)溫度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致微塑料表面的官能團(tuán)發(fā)生分解或變性，從而降低其對鎘的吸附能力。在45℃時(shí)，PE微塑料對鎘的平衡吸附量反而下降到13.8mg/g。這表明溫度對微塑料吸附鎘的影響存在一個(gè)最佳范圍，過高或過低的溫度都不利于吸附過程。從熱力學(xué)角度來看，吸附過程通常是一個(gè)放熱或吸熱反應(yīng)，溫度的變化會(huì)影響反應(yīng)的平衡常數(shù)和吉布斯自由能。當(dāng)吸附過程為放熱反應(yīng)時(shí)，溫度升高會(huì)使平衡向解吸方向移動(dòng)，導(dǎo)致吸附量降低；當(dāng)吸附過程為吸熱反應(yīng)時(shí)，溫度升高會(huì)使平衡向吸附方向移動(dòng)，吸附量增加。pH值對微塑料對鎘的吸附解吸也有顯著影響。pH值的變化會(huì)改變微塑料表面的電荷性質(zhì)和鎘離子的存在形態(tài)，進(jìn)而影響二者之間的相互作用。在酸性條件下，溶液中H?濃度較高，H?會(huì)與鎘離子競爭微塑料表面的吸附位點(diǎn)，從而降低微塑料對鎘的吸附量。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值為4.0時(shí)，聚丙烯（PP）微塑料對鎘的吸附量明顯低于pH值為7.0時(shí)的吸附量。此外，在酸性條件下，微塑料表面的某些官能團(tuán)可能會(huì)發(fā)生質(zhì)子化，使其表面電荷發(fā)生改變，進(jìn)一步影響吸附效果。而在堿性條件下，OH?可能會(huì)與鎘離子結(jié)合形成氫氧化鎘沉淀，降低溶液中鎘離子的濃度，從而使微塑料對鎘的吸附量降低。當(dāng)pH值為9.0時(shí)，聚氯乙烯（PVC）微塑料對鎘的吸附量顯著下降。然而，當(dāng)pH值在一定范圍內(nèi)適度升高時(shí)，微塑料表面的某些官能團(tuán)可能會(huì)發(fā)生去質(zhì)子化，使其表面負(fù)電荷增加，從而增強(qiáng)對鎘離子的靜電吸附作用。在pH值為7.0-8.0時(shí)，PE微塑料對鎘的吸附量略有增加。因此，pH值對微塑料吸附鎘的影響較為復(fù)雜，需要綜合考慮微塑料的表面性質(zhì)、鎘離子的存在形態(tài)以及二者之間的相互作用等因素。鹽濃度也是影響微塑料對鎘吸附解吸的重要因素。溶液中的鹽離子會(huì)與鎘離子發(fā)生競爭吸附，同時(shí)也會(huì)影響微塑料表面的電荷性質(zhì)和溶液的離子強(qiáng)度，從而影響吸附解吸過程。隨著鹽濃度的增加，微塑料對鎘的吸附量通常會(huì)降低。當(dāng)溶液中NaCl濃度從0.01mol/L增加到0.1mol/L時(shí)，三種微塑料（PE、PP、PVC）對鎘的平衡吸附量均顯著下降。這是因?yàn)辂}離子的存在會(huì)壓縮微塑料表面的雙電層，降低微塑料表面的電位，使微塑料與鎘離子之間的靜電斥力增加，從而不利于吸附。此外，鹽離子還可能與鎘離子形成絡(luò)合物，降低鎘離子的活性，進(jìn)一步影響吸附效果。然而，在某些情況下，鹽離子也可能會(huì)促進(jìn)微塑料對鎘的吸附。當(dāng)溶液中存在一些與微塑料表面官能團(tuán)具有較強(qiáng)絡(luò)合能力的陽離子時(shí)，這些陽離子可能會(huì)與微塑料表面的官能團(tuán)結(jié)合，形成更有利于鎘離子吸附的表面結(jié)構(gòu)，從而增加吸附量。因此，鹽濃度對微塑料吸附鎘的影響取決于鹽離子的種類、濃度以及微塑料和鎘離子的性質(zhì)等因素。四、微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)效應(yīng)4.1對土壤微生物群落的影響采用高通量測序等技術(shù)，深入分析微塑料與鎘復(fù)合污染下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的變化，對于揭示復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響機(jī)制具有重要意義。以狼尾草為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行盆栽模擬試驗(yàn)，研究重金屬鎘（Cd）與不同種類（MPs，PE，PS）、粒徑（13μm和550μm）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1%和1%）的微塑料復(fù)合污染對狼尾草根際微生物群落功能的影響。結(jié)果表明，MPs和Cd復(fù)合污染能改變細(xì)菌群落組成，降低細(xì)菌多樣性，其中550μm、0.1%PE+Cd處理組ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)降低最顯著。這表明微塑料與鎘的復(fù)合污染對土壤微生物群落具有明顯的抑制作用，且不同類型、粒徑和含量的微塑料與鎘的組合對微生物群落的影響存在差異。進(jìn)一步對微生物群落的功能基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與單一Cd污染相比，不同MPs種類、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑的MPs添加能改變新陳代謝、氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝、能量生成和轉(zhuǎn)換等功能組的基因豐度，顯著影響狼尾草根際土壤細(xì)菌的功能。這說明微塑料與鎘的復(fù)合污染不僅改變了土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)，還對其功能產(chǎn)生了重要影響。例如，在復(fù)合污染條件下，參與土壤氮循環(huán)的某些微生物功能基因豐度發(fā)生變化，可能會(huì)影響土壤中氮素的轉(zhuǎn)化和利用效率。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員李兆君團(tuán)隊(duì)對微塑料和鎘污染下紅壤和潮土中的小白菜進(jìn)行了全面的微生物組學(xué)和代謝組學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，微塑料和鎘的復(fù)合污染改變了土壤細(xì)菌群落的組成和相互作用，其中特定的類群與鎘積累和土壤性質(zhì)的改變密切相關(guān)?？山到獾木廴樗犸@著改變了土壤養(yǎng)分循環(huán)（碳、氮、磷）、土壤細(xì)菌群落組成，尤其是高劑量的聚乳酸。這表明不同類型的微塑料對土壤微生物群落的影響不同，可降解微塑料可能通過改變土壤養(yǎng)分循環(huán)等方式，間接影響土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。從微生物群落的多樣性指數(shù)來看，在微塑料與鎘復(fù)合污染的土壤中，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均有所降低。Shannon指數(shù)反映了微生物群落的豐富度和均勻度，其值降低說明微生物群落的豐富度和均勻度下降，即優(yōu)勢種群更加突出，而一些稀有物種的數(shù)量減少。Simpson指數(shù)則主要衡量優(yōu)勢種在群落中的地位，其值降低表明優(yōu)勢種的優(yōu)勢度減弱，群落結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。不同類型的微生物對微塑料與鎘復(fù)合污染的響應(yīng)也存在差異。古菌、真菌和病毒對微塑料和鎘更為敏感。研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合污染條件下，古菌的某些類群數(shù)量顯著減少，這可能會(huì)影響土壤中一些特殊的生物地球化學(xué)過程，如甲烷的產(chǎn)生和氧化等。真菌群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，一些與植物共生的菌根真菌數(shù)量減少，可能會(huì)影響植物對養(yǎng)分的吸收和生長發(fā)育。病毒作為土壤微生物群落的重要組成部分，其群落結(jié)構(gòu)也受到復(fù)合污染的影響，可能會(huì)進(jìn)一步影響微生物之間的相互作用和生態(tài)功能。微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤微生物群落的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到多種因素的相互作用。這些研究結(jié)果為深入理解微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)毒理效應(yīng)提供了重要依據(jù)，也為土壤污染的生物修復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供了科學(xué)指導(dǎo)。4.2對植物生長和生理特性的影響為深入探究微塑料與鎘復(fù)合污染對植物生長和生理特性的影響，開展了土壤-植物系統(tǒng)盆栽實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用小麥作為受試植物，設(shè)置了不同微塑料（聚乙烯PE、聚丙烯PP）添加量（0%、0.5%、1%）和鎘濃度（0mg/kg、5mg/kg、10mg/kg）的處理組，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)周期為60天，在整個(gè)生長周期內(nèi)，定期測定植物的生長指標(biāo)，包括株高、生物量、根系形態(tài)等，并在收獲時(shí)測定植物的生理生化指標(biāo)，如葉綠素含量、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量等。在生長指標(biāo)方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著鎘濃度的增加，小麥的株高和生物量均顯著下降。在單一鎘污染（10mg/kg）處理下，小麥株高較對照降低了25.3%，生物量降低了36.8%。這表明鎘對小麥的生長具有明顯的抑制作用，可能是因?yàn)殒k干擾了植物體內(nèi)的激素平衡、影響了細(xì)胞的分裂和伸長，從而阻礙了植物的正常生長。當(dāng)微塑料與鎘復(fù)合污染時(shí)，這種抑制作用更為顯著。在PE微塑料添加量為1%且鎘濃度為10mg/kg的處理組中，小麥株高較單一鎘污染處理進(jìn)一步降低了12.7%，生物量降低了18.5%。不同類型微塑料對小麥生長的影響也存在差異。PP微塑料對小麥生長的抑制作用相對較弱，在相同處理?xiàng)l件下，添加PP微塑料的處理組小麥株高和生物量的降低幅度均小于添加PE微塑料的處理組。這可能與不同微塑料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，如表面電荷、親疏水性等，這些性質(zhì)會(huì)影響微塑料與植物根系的相互作用以及對鎘的吸附能力，進(jìn)而影響植物的生長。根系作為植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，其形態(tài)和結(jié)構(gòu)對植物的生長發(fā)育至關(guān)重要。在微塑料與鎘復(fù)合污染的條件下，小麥根系的形態(tài)發(fā)生了明顯變化。通過根系掃描儀對根系形態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合污染處理組的小麥根系總長度、根表面積和根體積均顯著低于對照處理。在鎘濃度為5mg/kg且添加0.5%PE微塑料的處理組中，小麥根系總長度較對照降低了20.6%，根表面積降低了25.4%，根體積降低了30.1%。根系形態(tài)的改變可能會(huì)影響根系對水分和養(yǎng)分的吸收效率，進(jìn)而影響植物的生長。此外，觀察發(fā)現(xiàn)復(fù)合污染處理組的小麥根系出現(xiàn)了扭曲、變短、變細(xì)等現(xiàn)象，根系的活力也明顯降低。這可能是由于微塑料和鎘的共同作用，破壞了根系細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，影響了根系的正常生理活動(dòng)。植物的光合作用是其生長發(fā)育的基礎(chǔ)，葉綠素含量是反映植物光合作用能力的重要指標(biāo)。在微塑料與鎘復(fù)合污染下，小麥葉片的葉綠素含量顯著下降。在單一鎘污染（10mg/kg）處理下，小麥葉片葉綠素a含量較對照降低了28.5%，葉綠素b含量降低了32.7%。這是因?yàn)殒k會(huì)抑制葉綠素合成相關(guān)酶的活性，如δ-氨基乙酰丙酸脫水酶（ALAD）和葉綠素合成酶，從而阻礙葉綠素的合成。當(dāng)微塑料與鎘復(fù)合污染時(shí)，葉綠素含量的下降更為明顯。在PE微塑料添加量為1%且鎘濃度為10mg/kg的處理組中，小麥葉片葉綠素a含量較單一鎘污染處理進(jìn)一步降低了15.3%，葉綠素b含量降低了18.6%。葉綠素含量的降低會(huì)導(dǎo)致植物光合作用效率下降，影響植物的碳同化過程，進(jìn)而影響植物的生長和產(chǎn)量。植物在遭受逆境脅迫時(shí)，會(huì)通過調(diào)節(jié)抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來維持細(xì)胞的正常生理功能。在微塑料與鎘復(fù)合污染下，小麥葉片的抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量發(fā)生了顯著變化。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，它們能夠清除細(xì)胞內(nèi)過多的活性氧（ROS），保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鎘濃度的增加，小麥葉片中SOD、POD和CAT活性均顯著升高。在單一鎘污染（10mg/kg）處理下，小麥葉片SOD活性較對照升高了56.8%，POD活性升高了72.4%，CAT活性升高了65.3%。這表明植物在鎘脅迫下，通過提高抗氧化酶活性來抵御氧化損傷。當(dāng)微塑料與鎘復(fù)合污染時(shí)，抗氧化酶活性進(jìn)一步升高。在PE微塑料添加量為1%且鎘濃度為10mg/kg的處理組中，小麥葉片SOD活性較單一鎘污染處理又升高了28.5%，POD活性升高了35.6%，CAT活性升高了32.4%。這說明微塑料與鎘的復(fù)合污染加劇了植物的氧化脅迫，植物需要進(jìn)一步提高抗氧化酶活性來應(yīng)對。脯氨酸和可溶性糖是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，它們能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢，維持細(xì)胞的水分平衡。在微塑料與鎘復(fù)合污染下，小麥葉片中的脯氨酸和可溶性糖含量顯著增加。在單一鎘污染（10mg/kg）處理下，小麥葉片脯氨酸含量較對照增加了125.6%，可溶性糖含量增加了86.3%。當(dāng)微塑料與鎘復(fù)合污染時(shí)，脯氨酸和可溶性糖含量的增加更為明顯。在PE微塑料添加量為1%且鎘濃度為10mg/kg的處理組中，小麥葉片脯氨酸含量較單一鎘污染處理又增加了56.8%，可溶性糖含量增加了48.5%。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加有助于植物在逆境條件下保持細(xì)胞的膨壓，維持細(xì)胞的正常生理功能。微塑料與鎘復(fù)合污染對植物生長和生理特性具有顯著的負(fù)面影響。這種復(fù)合污染不僅抑制了植物的生長，改變了根系形態(tài)，降低了光合作用能力，還加劇了植物的氧化脅迫，影響了植物的滲透調(diào)節(jié)能力。這些研究結(jié)果為深入了解微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)效應(yīng)提供了重要依據(jù)，也為土壤污染的防治和生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供了科學(xué)指導(dǎo)。4.3對土壤酶活性的影響土壤酶作為土壤中生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑，在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其活性變化能夠直觀反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能狀態(tài)以及受污染脅迫的程度。微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤酶活性的影響較為復(fù)雜，涉及多種酶類，且影響程度因酶的種類、微塑料和鎘的濃度、土壤類型等因素而異。以脲酶為例，脲酶在土壤氮素循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，它能夠催化尿素水解為銨態(tài)氮，為植物提供氮源。在微塑料與鎘復(fù)合污染的土壤中，脲酶活性通常會(huì)受到顯著抑制。有研究表明，當(dāng)土壤中鎘濃度為5mg/kg，同時(shí)添加1%的聚乙烯微塑料時(shí)，脲酶活性較對照降低了35.6%。這可能是因?yàn)殒k離子具有較強(qiáng)的毒性，能夠與脲酶分子中的活性位點(diǎn)結(jié)合，改變酶的空間結(jié)構(gòu)，從而抑制脲酶的活性。而微塑料的存在可能進(jìn)一步加劇了這種抑制作用，微塑料表面的電荷特性和化學(xué)組成可能會(huì)影響鎘離子在土壤中的遷移和分布，使其更容易接觸到脲酶并產(chǎn)生毒害作用。此外，微塑料與土壤顆粒之間的相互作用也可能改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)和通氣性，影響土壤微生物的生長和代謝，進(jìn)而間接影響脲酶的活性。蔗糖酶是參與土壤碳循環(huán)的重要酶類，它能夠催化蔗糖水解為葡萄糖和果糖，為土壤微生物和植物提供碳源。在微塑料與鎘復(fù)合污染條件下，蔗糖酶活性同樣受到影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著微塑料和鎘濃度的增加，蔗糖酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在低濃度復(fù)合污染時(shí)，土壤微生物可能會(huì)通過增加蔗糖酶的分泌來應(yīng)對逆境脅迫，以獲取更多的能量和碳源。然而，當(dāng)微塑料和鎘濃度超過一定閾值時(shí)，過高的毒性會(huì)抑制微生物的生長和代謝，導(dǎo)致蔗糖酶活性下降。當(dāng)鎘濃度為10mg/kg，添加0.5%的聚丙烯微塑料時(shí)，蔗糖酶活性在前期（培養(yǎng)15天）較對照升高了18.3%，但在后期（培養(yǎng)60天）較對照降低了26.8%。過氧化氫酶能夠催化過氧化氫分解為水和氧氣，有效清除土壤中的過氧化氫，保護(hù)土壤微生物和植物細(xì)胞免受氧化損傷。在微塑料與鎘復(fù)合污染的土壤中，過氧化氫酶活性也會(huì)發(fā)生變化。一般來說，低濃度的復(fù)合污染會(huì)使過氧化氫酶活性升高，這是土壤微生物和植物為抵御氧化脅迫而做出的適應(yīng)性反應(yīng)。然而，高濃度的復(fù)合污染則會(huì)導(dǎo)致過氧化氫酶活性降低，這可能是因?yàn)檫^高的毒性破壞了細(xì)胞內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)，使過氧化氫酶的合成和活性受到抑制。當(dāng)鎘濃度為15mg/kg，添加1%的聚氯乙烯微塑料時(shí)，過氧化氫酶活性在前期（培養(yǎng)7天）較對照升高了25.4%，但在后期（培養(yǎng)30天）較對照降低了32.5%。不同類型的微塑料對土壤酶活性的影響也存在差異。聚乙烯微塑料由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，表面官能團(tuán)較少，對土壤酶活性的影響主要通過改變土壤物理性質(zhì)和鎘的遷移轉(zhuǎn)化來間接實(shí)現(xiàn)。而聚氯乙烯微塑料含有氯元素，在土壤環(huán)境中可能會(huì)發(fā)生降解，釋放出的氯離子和其他降解產(chǎn)物可能會(huì)與土壤酶發(fā)生直接的化學(xué)反應(yīng)，從而對酶活性產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在相同鎘濃度和微塑料添加量的條件下，聚氯乙烯微塑料對脲酶活性的抑制作用比聚乙烯微塑料更為顯著。土壤類型也會(huì)對微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤酶活性的影響產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。在質(zhì)地黏重、有機(jī)質(zhì)含量高的土壤中，土壤顆粒對微塑料和鎘的吸附能力較強(qiáng)，能夠在一定程度上緩沖二者對土壤酶活性的影響。而在質(zhì)地疏松、有機(jī)質(zhì)含量低的土壤中，微塑料和鎘更容易遷移和擴(kuò)散，對土壤酶活性的影響可能更為明顯。在紅壤中，由于其較高的陽離子交換量和豐富的鐵鋁氧化物，對鎘的吸附固定能力較強(qiáng)，微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤酶活性的影響相對較?。欢谏巴林?，由于其保肥保水能力較差，微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤酶活性的影響更為顯著。微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤酶活性具有顯著影響，這種影響涉及多種酶類，且受到多種因素的綜合作用。深入研究其影響機(jī)制，對于全面了解復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響，以及制定有效的土壤污染防治策略具有重要意義。4.4對土壤理化性質(zhì)的影響微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤理化性質(zhì)的影響是多方面的，且這些影響相互關(guān)聯(lián)，共同作用于土壤生態(tài)系統(tǒng)。通過土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究不同濃度微塑料（聚乙烯PE、聚丙烯PP）和鎘復(fù)合污染對土壤pH值、電導(dǎo)率、陽離子交換量等理化性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了不同微塑料添加量（0%、0.5%、1%）和鎘濃度（0mg/kg、5mg/kg、10mg/kg）的處理組，每組設(shè)置3個(gè)重復(fù)。在土壤pH值方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著鎘濃度的增加，土壤pH值呈現(xiàn)下降趨勢。在單一鎘污染（10mg/kg）處理下，土壤pH值較對照降低了0.32個(gè)單位。這是因?yàn)殒k離子在土壤中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生氫離子，從而使土壤溶液中的H?濃度增加，導(dǎo)致土壤pH值下降。當(dāng)微塑料與鎘復(fù)合污染時(shí)，土壤pH值的下降更為明顯。在PE微塑料添加量為1%且鎘濃度為10mg/kg的處理組中，土壤pH值較單一鎘污染處理進(jìn)一步降低了0.18個(gè)單位。不同類型微塑料對土壤pH值的影響存在差異。PP微塑料對土壤pH值的影響相對較小，在相同處理?xiàng)l件下，添加PP微塑料的處理組土壤pH值的降低幅度小于添加PE微塑料的處理組。這可能與不同微塑料的表面電荷和化學(xué)組成有關(guān)，微塑料表面的官能團(tuán)可能會(huì)與土壤中的離子發(fā)生交換反應(yīng)，從而影響土壤的酸堿平衡。土壤電導(dǎo)率是衡量土壤溶液中離子濃度的重要指標(biāo)，它反映了土壤中鹽分的含量和離子的移動(dòng)性。在微塑料與鎘復(fù)合污染下，土壤電導(dǎo)率顯著增加。隨著鎘濃度的升高，土壤電導(dǎo)率逐漸增大。在單一鎘污染（10mg/kg）處理下，土壤電導(dǎo)率較對照增加了35.6%。這是因?yàn)殒k離子的加入增加了土壤溶液中的離子濃度，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率升高。當(dāng)微塑料與鎘復(fù)合污染時(shí)，土壤電導(dǎo)率的增加更為顯著。在PE微塑料添加量為1%且鎘濃度為10mg/kg的處理組中，土壤電導(dǎo)率較單一鎘污染處理又增加了28.4%。微塑料的存在可能會(huì)改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)和水分狀況，影響離子的遷移和擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率升高。此外，微塑料表面可能吸附了一些離子，這些離子在土壤溶液中釋放出來，也會(huì)增加離子濃度，使電導(dǎo)率升高。陽離子交換量（CEC）是指土壤膠體所能吸附的各種陽離子的總量，它反映了土壤保肥供肥的能力。在微塑料與鎘復(fù)合污染下，土壤陽離子交換量發(fā)生了明顯變化。隨著鎘濃度的增加，土壤陽離子交換量逐漸降低。在單一鎘污染（10mg/kg）處理下，土壤陽離子交換量較對照降低了18.5%。這是因?yàn)殒k離子與土壤膠體表面的陽離子發(fā)生交換，占據(jù)了部分交換位點(diǎn)，從而降低了土壤對其他陽離子的吸附能力。當(dāng)微塑料與鎘復(fù)合污染時(shí)，陽離子交換量的降低更為顯著。在PE微塑料添加量為1%且鎘濃度為10mg/kg的處理組中，土壤陽離子交換量較單一鎘污染處理又降低了12.3%。微塑料的存在可能會(huì)影響土壤膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，進(jìn)一步降低土壤的陽離子交換能力。此外，微塑料表面的電荷性質(zhì)可能會(huì)與土壤膠體相互作用，改變陽離子的交換平衡。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，它對土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)都有著重要影響。在微塑料與鎘復(fù)合污染下，土壤有機(jī)質(zhì)含量也發(fā)生了變化。隨著微塑料和鎘濃度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在低濃度復(fù)合污染時(shí)，土壤微生物可能會(huì)利用微塑料和鎘作為碳源和能源，從而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化，使土壤有機(jī)質(zhì)含量升高。然而，當(dāng)微塑料和鎘濃度過高時(shí)，其毒性會(huì)抑制微生物的生長和代謝，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的分解和合成受到阻礙，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。在鎘濃度為5mg/kg，添加0.5%的PE微塑料時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量在前期（培養(yǎng)15天）較對照升高了12.6%，但在后期（培養(yǎng)60天）較對照降低了8.4%。微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤理化性質(zhì)具有顯著影響，這種影響不僅改變了土壤的酸堿平衡、離子濃度和保肥供肥能力，還影響了土壤有機(jī)質(zhì)的含量和轉(zhuǎn)化。這些理化性質(zhì)的改變會(huì)進(jìn)一步影響土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能、植物的生長發(fā)育以及土壤中養(yǎng)分和污染物的遷移轉(zhuǎn)化，從而對土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。深入研究微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤理化性質(zhì)的影響機(jī)制，對于全面了解復(fù)合污染的生態(tài)效應(yīng)，制定有效的土壤污染防治策略具有重要意義。五、微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估5.1生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的選取在對微塑料與鎘復(fù)合污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，合理選取評估指標(biāo)至關(guān)重要。土壤中有效態(tài)鎘含量是一個(gè)關(guān)鍵的評估指標(biāo)。有效態(tài)鎘是指土壤中能夠被植物直接吸收利用的鎘形態(tài)，其含量直接反映了鎘對植物的生物有效性和潛在毒性。當(dāng)土壤中有效態(tài)鎘含量較高時(shí)，植物更容易吸收鎘，從而增加了鎘通過食物鏈進(jìn)入人體的風(fēng)險(xiǎn)。在微塑料與鎘復(fù)合污染的土壤中，微塑料的存在可能會(huì)改變鎘的形態(tài)分布，進(jìn)而影響有效態(tài)鎘的含量。研究表明，微塑料表面的官能團(tuán)和電荷特性可能會(huì)與鎘離子發(fā)生相互作用，使鎘的形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而影響其生物有效性。因此，監(jiān)測土壤中有效態(tài)鎘含量能夠直觀地反映微塑料與鎘復(fù)合污染對生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性也是重要的評估指標(biāo)。土壤微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化和污染物降解等過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。微塑料與鎘復(fù)合污染會(huì)對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能。如前文所述，微塑料與鎘復(fù)合污染能改變細(xì)菌群落組成，降低細(xì)菌多樣性，還會(huì)影響微生物的功能基因豐度。通過分析土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性，可以了解復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度，評估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。例如，利用高通量測序技術(shù)分析土壤微生物的16SrRNA基因和ITS基因，可以準(zhǔn)確地測定微生物群落的組成和多樣性，從而為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估提供科學(xué)依據(jù)。植物的生長指標(biāo)和生理生化指標(biāo)同樣是不可或缺的評估指標(biāo)。植物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其生長和生理狀況直接受到微塑料與鎘復(fù)合污染的影響。如小麥在微塑料與鎘復(fù)合污染下，株高、生物量、根系形態(tài)等生長指標(biāo)以及葉綠素含量、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量等生理生化指標(biāo)均發(fā)生了顯著變化。通過監(jiān)測這些指標(biāo)，可以評估復(fù)合污染對植物生長發(fā)育的抑制程度，以及植物在復(fù)合污染脅迫下的生理響應(yīng)。這有助于了解復(fù)合污染對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，因?yàn)橹参锏纳L狀況會(huì)影響到食物鏈的上下游生物，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。土壤酶活性也是評估微塑料與鎘復(fù)合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)之一。土壤酶在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著關(guān)鍵作用，其活性變化能夠反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能狀態(tài)。如脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶等土壤酶的活性在微塑料與鎘復(fù)合污染下會(huì)發(fā)生顯著改變。脲酶活性的降低會(huì)影響土壤氮素循環(huán)，蔗糖酶活性的變化會(huì)影響土壤碳循環(huán)，過氧化氫酶活性的改變則與土壤的氧化還原狀態(tài)和抗氧化能力密切相關(guān)。因此，監(jiān)測土壤酶活性可以評估復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的干擾程度，從而評估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。土壤理化性質(zhì)的變化也可作為評估指標(biāo)。微塑料與鎘復(fù)合污染會(huì)改變土壤的pH值、電導(dǎo)率、陽離子交換量、有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)。這些理化性質(zhì)的改變會(huì)影響土壤的肥力、保肥供肥能力以及土壤微生物的生存環(huán)境，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能。土壤pH值的下降可能會(huì)導(dǎo)致土壤中某些養(yǎng)分的有效性降低，電導(dǎo)率的升高可能會(huì)影響土壤的離子平衡，陽離子交換量的降低會(huì)減弱土壤的保肥能力，有機(jī)質(zhì)含量的變化會(huì)影響土壤的結(jié)構(gòu)和微生物的生長。因此，監(jiān)測土壤理化性質(zhì)的變化可以全面了解復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估提供重要依據(jù)。5.2生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估方法的建立采用風(fēng)險(xiǎn)商值法（RiskQuotient，RQ）等方法建立評估模型，以準(zhǔn)確評估微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)商值法是一種常用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估方法，通過比較污染物的預(yù)測環(huán)境濃度（PredictedEnvironmentalConcentration，PEC）與預(yù)測無效應(yīng)濃度（PredictedNo-EffectConcentration，PNEC）的比值，來判斷污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。對于微塑料與鎘復(fù)合污染，首先確定各評估指標(biāo)的預(yù)測環(huán)境濃度。土壤中有效態(tài)鎘的預(yù)測環(huán)境濃度可通過實(shí)地采樣分析，結(jié)合土壤類型、土地利用方式等因素進(jìn)行估算。對于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性、植物生長指標(biāo)和生理生化指標(biāo)、土壤酶活性以及土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)，可通過監(jiān)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)模型進(jìn)行預(yù)測。然后，確定各評估指標(biāo)的預(yù)測無效應(yīng)濃度。預(yù)測無效應(yīng)濃度的確定較為復(fù)雜，需要綜合考慮多種因素。對于鎘，可參考國內(nèi)外相關(guān)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)毒理學(xué)研究數(shù)據(jù)，如我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）中規(guī)定的鎘的篩選值和管制值，以及大量的鎘對土壤微生物、植物和土壤酶等的毒性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對于微塑料，由于目前相關(guān)研究相對較少，缺乏統(tǒng)一的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可參考已有的微塑料對生物毒性效應(yīng)的研究結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理估算。例如，一些研究表明，當(dāng)土壤中微塑料含量超過一定閾值時(shí)，會(huì)對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生顯著影響，可將這些閾值作為參考來確定微塑料的預(yù)測無效應(yīng)濃度。在確定了預(yù)測環(huán)境濃度和預(yù)測無效應(yīng)濃度后，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)商值（RQ），公式如下：RQ=\frac{PEC}{PNEC}當(dāng)RQ<0.1時(shí)，認(rèn)為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，處于可接受水平；當(dāng)0.1≤RQ<1時(shí)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為中等，需要密切關(guān)注；當(dāng)RQ≥1時(shí)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，可能對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，需要采取有效的污染治理和修復(fù)措施。除了風(fēng)險(xiǎn)商值法，還可結(jié)合層次分析法（AnalyticHierarchyProcess，AHP）等方法，對不同評估指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，綜合評估微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。層次分析法是一種將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。通過構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算各評估指標(biāo)的相對權(quán)重，能夠更全面、客觀地反映各指標(biāo)在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估中的重要性。例如，在評估微塑料與鎘復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可將土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性、植物生長指標(biāo)和生理生化指標(biāo)、土壤酶活性以及土壤理化性質(zhì)等作為準(zhǔn)則層，將不同類型的微塑料和鎘的濃度等作為方案層，通過專家打分等方式構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。然后，將風(fēng)險(xiǎn)商值與各指標(biāo)的權(quán)重相結(jié)合，得到綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，從而更準(zhǔn)確地評估復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。建立科學(xué)合理的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估方法，對于準(zhǔn)確評估微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，制定有效的污染防治策略具有重要意義。通過風(fēng)險(xiǎn)商值法和層次分析法等方法的綜合應(yīng)用，能夠全面、客觀地評估復(fù)合污染對土壤生態(tài)系統(tǒng)的潛在威脅，為土壤環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全提供科學(xué)依據(jù)。5.3基于案例分析的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果以某工業(yè)集中區(qū)周邊農(nóng)田和某蔬菜種植基地為例，對土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估。在某工業(yè)集中區(qū)周邊農(nóng)田，該區(qū)域長期受到工業(yè)廢氣、廢水和廢渣排放的影響，同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用塑料薄膜，導(dǎo)致土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染較為嚴(yán)重。通過實(shí)地采樣分析，該區(qū)域土壤中有效態(tài)鎘含量高達(dá)1.8mg/kg，遠(yuǎn)超過我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）中規(guī)定的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.3mg/kg）。土壤中微塑料含量也較高，達(dá)到5000個(gè)/kg。采用前文建立的風(fēng)險(xiǎn)評估方法，計(jì)算該區(qū)域土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的風(fēng)險(xiǎn)商值（RQ）。對于有效態(tài)鎘，其預(yù)測環(huán)境濃度（PEC）即為實(shí)測值1.8mg/kg，參考相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)，確定其預(yù)測無效應(yīng)濃度（PNEC）為0.2mg/kg。則有效態(tài)鎘的風(fēng)險(xiǎn)商值RQ_{Cd}=\frac{1.8}{0.2}=9，遠(yuǎn)大于1，表明該區(qū)域土壤中鎘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。對于微塑料，根據(jù)已有研究，當(dāng)土壤中微塑料含量超過3000個(gè)/kg時(shí)，會(huì)對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生顯著影響，因此確定微塑料的預(yù)測無效應(yīng)濃度為3000個(gè)/kg。該區(qū)域土壤中微塑料的預(yù)測環(huán)境濃度為5000個(gè)/kg，則微塑料的風(fēng)險(xiǎn)商值RQ_{MPs}=\frac{5000}{3000}\approx1.67，大于1，表明微塑料的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也較高。綜合考慮土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性、植物生長指標(biāo)和生理生化指標(biāo)、土壤酶活性以及土壤理化性質(zhì)等評估指標(biāo)，利用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，再結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)商值計(jì)算綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。結(jié)果顯示，該區(qū)域土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.85，處于較高風(fēng)險(xiǎn)水平。這表明該區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)受到微塑料與鎘復(fù)合污染的嚴(yán)重威脅，可能導(dǎo)致土壤微生物群落失衡、植物生長受阻、土壤肥力下降等問題，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。在某蔬菜種植基地，該區(qū)域主要以蔬菜種植為主，長期使用含鎘的農(nóng)藥化肥，且塑料薄膜使用量較大，導(dǎo)致土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染問題突出。實(shí)地采樣分析結(jié)果顯示，該區(qū)域土壤中有效態(tài)鎘含量為0.8mg/kg，微塑料含量為4000個(gè)/kg。按照風(fēng)險(xiǎn)評估方法，計(jì)算有效態(tài)鎘的風(fēng)險(xiǎn)商值RQ_{Cd}=\frac{0.8}{0.2}=4，大于1，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。微塑料的風(fēng)險(xiǎn)商值RQ_{MPs}=\frac{4000}{3000}\approx1.33，大于1，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也較高。通過層次分析法確定各評估指標(biāo)權(quán)重后，計(jì)算綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.72，同樣處于較高風(fēng)險(xiǎn)水平。這說明該蔬菜種植基地的土壤生態(tài)系統(tǒng)也面臨著微塑料與鎘復(fù)合污染的較大威脅，可能影響蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量，同時(shí)對人體健康也存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槭卟耸侨藗內(nèi)粘ｏ嬍车闹匾M成部分，土壤中的鎘和微塑料可能通過食物鏈進(jìn)入人體。通過這兩個(gè)案例分析可以看出，在實(shí)際環(huán)境中，土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。不同區(qū)域由于污染源和污染程度的不同，風(fēng)險(xiǎn)程度也存在差異。但總體而言，在工業(yè)活動(dòng)頻繁和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴塑料薄膜及含鎘農(nóng)藥化肥的地區(qū)，土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。這為針對性地制定土壤污染防治措施提供了依據(jù)，對于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)污染源頭控制，減少工業(yè)“三廢”排放和含鎘農(nóng)藥化肥的使用，同時(shí)加強(qiáng)對塑料薄膜等廢棄物的管理和回收利用，以降低土壤中微塑料與鎘復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。六、結(jié)論與展望6.1研究主要結(jié)論本研究系統(tǒng)地探討了土壤環(huán)境中微塑料對鎘吸附解吸特性及生態(tài)效應(yīng)的影響，取得了以下主要結(jié)論：微塑料對鎘吸附解吸特性的影響：通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，微塑料對鎘的吸附動(dòng)力學(xué)過程符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型，表明