Redistribution of plastic within soil column affecting soil hydraulic properties and leaching

Abstract

Plastic pollution is a global challenge due to its environmental persistence and negative impact on ecosystems. From 2022, ongoing negotiations for a global plastic treaty on plastic pollution are recognition of sustainable plastic production, use, and waste management. Plastic pollution is changing the soil ecosystem’s functioning and affecting ecosystem services. Their accurate assessment remains elusive due to the environmental complexity of plastic characteristics and experimental limitations. Likewise, tracing plastic is equally challenging in control laboratory experiments or fields. Soil physical processes serve as key indicators of soil health and land degradation, reflecting the overall functionality of the soil ecosystem. For instance, soil can transmit water, retain plant available water content, or achieve aggregate stability against water erosion. Research on the effects of plastic on soil physical properties and physical processes is scarce. This PhD thesis examines multiple physical processes to clarify the impact of plastic pollution with a combination of control laboratory setup, field experiments, and physical modeling. The impact of plastic on multiple soil physical processes was examined at different concentration levels (0.1, 0.5, 1.0, 3.0, and 5.0 % w/w) and polymer types, including biodegradable and conventional, by embracing the environmental complexity for holistic understanding. The impact of plastic on splash erosion, a basic phenomenon in soil water erosion, remains unreported. Redistribution of plastic is also studied under various physical processes, including tillage translocation and macropore flow. Macropore water flow is another overlooked factor of plastic distribution. Designcontrolled irrigation experiments against different pore sizes and particle sizes examined it. Tillage in arable is a worldwide practice, and its impact on plastic fate has remained unreported. The field experiment was designed to investigate the tillage-induced redistribution of plastic by considering the comparative translocation of soil and plastic with tillage implements (inversion and non-inversions) and the effect of plastic piece size. These physical processes are essential in soil hydrology, from pore to catchment scale, to understand the impact of plastic pollution on each domain. Plastic concentrations up to 5% (w/w) can change the soil's physical properties. For instance, saturated conductivity decreased to -53%, and water aggregate stability increased to 58 %. A comparative study of the soil water retention curve showed that the suction table showed less variability among replicates and illustrated the trend among treatments compared to Hyprop. Splash erosion increased up to 44% with plastic. Comparative study of biodegradable (70 % poly-butylene adipate terephthalate, PBAT, and 3 % polylactic acid, PLA) and conventional (low-density polyethylene, LDPE) plastic showed similar impacts on soil physical properties. Macropore water flow preferentially (up to 65 %) leached plastic under short rainfall simulation events (30 min, 60mm/hr). Plastic leaching enhances the detachment of soil particles from the macropore walls with an average enrichment ratio of 1.45. A method was introduced to trace the fate of plastic during tillage, revealing that the tillage process buried 74% of surface plastics into the tilled layer on level land. Inversion tillage drove the fragmentation of pristine plastic (LDPE) by over 70 % in the field. The mean macroplastics displacement per tillage pass was 0.36 ± 0.25 m with non-inversion chisel tillage and 0.15 ± 0.13 m with inversion disk tillage, like bulk soil displacement. The comparable effect of biodegradable and conventional plastic is a serious concern. Biodegradable plastic products are promoted to be environmentally friendly and their consumption as alternatives to conventional ones. Sandy loam soil can be resilient to plastic pollution effects in terms of physical properties to a certain extent, and this resilience disappears above or equal to 3 % concentration. However, current environmental concentrations in arable land are below this threshold level. Macropore flow can migrate plastic up to 65 % in a short irrigation period. Preferential migration of plastic in macropores can accelerate soil particle mobility. This is another concern for subsurface contamination of plastic and the vulnerability of the biopores network and its inhabitants. Tillage-induced 74 % burial of plastic can restrict UV exposure and initiate degradability. Buried plastic can potentially affect soil function, including soil physical and bioturbation processes, by creating a physical barrier for water flow or root growth. Tillage-induced fragmentation and redistribution of plastic indicate a major anthropogenic driver that can exacerbate the impact of plastic pollution. Plastic redistribution and leaching within soil columns can detrimentally affect the soil's physical processes.

La contaminación plástica es un desafío global debido a su persistencia ambiental y su impacto negativo en los ecosistemas. A partir de 2022, las negociaciones en curso para un tratado mundial sobre la contaminación plástica son el reconocimiento de la producción, el uso y la gestión de residuos de plástico sostenibles. La contaminación plástica está cambiando el funcionamiento del ecosistema del suelo y afectando a los servicios ecosistémicos. Su evaluación precisa sigue siendo difícil de alcanzar debido a la complejidad ambiental de las características del plástico y las limitaciones experimentales. Asimismo, rastrear el plástico es igualmente complicado en experimentos de laboratorio de control o de campo. El proceso físico del suelo se utiliza como indicador de la salud del suelo y la degradación de la tierra en el funcionamiento del ecosistema del suelo. Por ejemplo, el suelo puede transmitir agua, retener el contenido de agua disponible para las plantas o lograr estabilidad agregada contra la erosión hídrica. La investigación sobre los efectos del plástico en las propiedades físicas del suelo y los procesos físicos es escasa. Esta tesis doctoral examina múltiples procesos físicos para aclarar el impacto de la contaminación plástica con una combinación de configuración de laboratorio de control, experimentos de campo y modelado físico. Se examinó el impacto del plástico en múltiples procesos físicos del suelo en diferentes niveles de concentración (0,1, 0,5, 1,0, 3,0 y 5,0 % w/w) y tipos de polímeros, incluidos los biodegradables y convencionales, abarcando la complejidad ambiental para una comprensión holística. El impacto del plástico en la erosión por salpicadura, un fenómeno básico en la erosión hídrica del suelo, sigue sin informarse. La redistribución del plástico también se estudia bajo varios procesos físicos, incluida la translocación de labranza y el flujo de macroporos. El flujo de agua de macroporos es otro factor pasado por alto de la distribución del plástico. Los experimentos de riego controlado por diseño contra diferentes tamaños de poros y tamaños de partículas lo examinaron. La labranza en tierras cultivables es una práctica mundial, y su impacto en el destino del plástico no ha sido informado. El experimento de campo fue diseñado para investigar la redistribución del plástico inducida por la labranza considerando la translocación comparativa de suelo y plástico con implementos de labranza (inversión y no inversión) y el efecto del tamaño de la pieza de plástico. Estos procesos físicos son esenciales en la hidrología del suelo, desde la escala de poros hasta la de cuenca, para comprender el impacto de la contaminación plástica en cada dominio. Las concentraciones de plástico de hasta el 5 % (w/w) pueden cambiar las propiedades físicas del suelo. Por ejemplo, la conductividad saturada disminuyó a -53 % y la estabilidad de los agregados de agua aumentó a 58 %. Un estudio comparativo de la curva de retención de agua del suelo mostró que la tabla de succión mostró menos variabilidad entre réplicas e ilustró la tendencia entre los tratamientos en comparación con Hyprop. La erosión por salpicadura aumentó hasta un 44 % con el plástico. El estudio comparativo de plástico biodegradable (70 % tereftalato de adipato de polibutileno, PBAT, y 3 % ácido poliláctico, PLA) y convencional (polietileno de baja densidad, LDPE) mostró impactos similares en las propiedades físicas del suelo. El flujo de agua de macroporos lixivió preferentemente (hasta un 65 %) el plástico en eventos de simulación de lluvia cortos (30 min, 60 mm/h). La lixiviación de plásticos mejora el desprendimiento de partículas de suelo de las paredes de los macroporos con una relación de enriquecimiento promedio de 1,45. Se introdujo un método para rastrear el destino del plástico en el proceso de labranza. Se reveló que el proceso de labranza provocó el enterramiento del 74 % de la superficie de los plásticos en la capa labrada en terrenos sin pendiente. La labranza de inversión impulsó la fragmentación del plástico prístino (LDPE) en más del 70 % en el campo. El desplazamiento medio de macroplásticos por pasada de labranza fue de 0,36 ± 0,25 m con labranza de cincel sin inversión y de 0,15 ± 0,13 m con labranza de disco de inversión, como el desplazamiento de suelo a granel. El efecto comparable del plástico biodegradable y convencional es una preocupación seria. Se promueven los productos plásticos biodegradables como respetuosos con el medio ambiente y su consumo como alternativas a los convencionales. El suelo franco arenoso puede ser resistente a los efectos de la contaminación plástica en términos de propiedades físicas hasta cierto punto, y esta resistencia desaparece por encima o igual a una concentración del 3 %. Sin embargo, las concentraciones ambientales actuales en tierras cultivables están por debajo de este nivel umbral. El flujo de macroporos puede migrar plástico hasta un 65 % en un corto período de riego. La migración preferencial de plástico en macroporos puede acelerar la movilidad de partículas del suelo. Esta es otra preocupación por la contaminación del subsuelo por plástico y la vulnerabilidad de la red de bioporos y sus habitantes. El enterramiento del 74 % del plástico inducido por la labranza puede restringir la exposición a los rayos UV e iniciar la degradabilidad. El plástico enterrado puede afectar potencialmente la función del suelo, incluidos los procesos físicos y de bioturbación del suelo, al crear una barrera física para el flujo de agua o el crecimiento de las raíces. La fragmentación y redistribución del plástico inducidas por la labranza indican un importante impulsor antropogénico que puede exacerbar el impacto de la contaminación plástica. La redistribución y lixiviación del plástico dentro de las columnas de suelo pueden afectar negativamente los procesos físicos del suelo.