農(nóng)田地膜微塑料殘留量的測(cè)定方法研究

杜濤，羅思，田浩，王晨，武曉燕

（中華全國(guó)供銷(xiāo)合作總社天津再生資源研究所，天津 300191）

微塑料（直徑小于5 mm 的塑料碎片和顆粒）作為新型污染物，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，而且關(guān)于土壤中的微塑料污染的研究也越來(lái)越多[1-2]。已有不少研究表明土壤中的微塑料可能會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤功能及生物多樣性產(chǎn)生影響，且有研究表明納米級(jí)（0.2 μm）甚至微米級(jí)（2 μm）的塑料顆粒，可以被農(nóng)作物根部裂縫吸收并傳播到可食用部分吸收；國(guó)外科學(xué)家也在胡蘿卜、生菜、西蘭花、土豆、蘋(píng)果和梨中，均發(fā)現(xiàn)了微小的塑料碎片。因此，土壤中微塑料不僅會(huì)污染環(huán)境，還會(huì)進(jìn)入人類(lèi)的食物鏈，危害人類(lèi)健康[3-4]。

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，地膜覆蓋種植面積超過(guò)2 000 萬(wàn)hm2，其中有30%的農(nóng)膜殘留在田地中，隨著時(shí)間的推移，殘留的地膜將破碎分解為體積更小的微塑料，所以土壤中微塑料的主要來(lái)源之一就是地膜殘留。

農(nóng)田土壤地膜殘留一直是我國(guó)特有的污染問(wèn)題，為加強(qiáng)社會(huì)對(duì)農(nóng)膜殘留污染問(wèn)題的關(guān)注，國(guó)務(wù)院、農(nóng)業(yè)部等部門(mén)印發(fā)了一系列相關(guān)的政策，如《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《全面農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016—2020）》《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018—2020）》《農(nóng)膜回收行動(dòng)方案》《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)用地膜污染防治的意見(jiàn)》《關(guān)于參與農(nóng)村人居環(huán)境整治的行動(dòng)方案》《農(nóng)用薄膜管理辦法》等，但土壤中地膜微小塑料數(shù)量的監(jiān)測(cè)基本上屬于空白，如何定量測(cè)量農(nóng)田土壤中地膜微塑料的數(shù)量，也將是評(píng)估地膜污染的一項(xiàng)重要工作。

目前，關(guān)于地膜殘留調(diào)查，我國(guó)制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)田地膜殘留量限值及測(cè)定》（GB/T 25413—2020），規(guī)定了地膜在農(nóng)田土壤中殘留量的限值、測(cè)定方法，但標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)定的殘留地膜是針對(duì)＞2 cm 的地膜塑料，不適用于5 mm 以下的地膜微小塑料。為彌補(bǔ)土壤中地膜微小塑料數(shù)量監(jiān)測(cè)的空白，研究建立了一種農(nóng)田土壤中0.5～5 mm 地膜微塑料殘留量的測(cè)定方法，對(duì)測(cè)定方法的技術(shù)路線進(jìn)行了闡述，并開(kāi)展了精密度、準(zhǔn)確度分析，旨在為土壤中地膜微塑料殘留量的定量分析，提供一種簡(jiǎn)單快速、準(zhǔn)確穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)方法。

1 方法原理

采集的土壤樣品經(jīng)過(guò)壓碎、粗篩后，首先經(jīng)過(guò)濕篩、消解、密度浮選、抽濾等預(yù)處理后，將待分析樣品收集到濾網(wǎng)上；然后通過(guò)肉眼和使用體式顯微鏡，挑選出地膜微塑料，并記錄顏色、大小、形狀和數(shù)量，稱(chēng)量其重量計(jì)算土壤中地膜微塑料的殘留量。

具體技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 土壤中地膜微塑料殘留量測(cè)定方法技術(shù)路線圖

2 儀器和藥品

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)所需的樣品、試劑和藥品。

2.1.1 氯化鈉（NaCl）浮選液（10%）：將氯化鈉（分析純，90%）和蒸餾水（10%）室溫下充分?jǐn)嚢枞芙猓?jīng)玻璃纖維濾膜（0.45 μm）過(guò)濾，收集過(guò)濾后的溶液，保存至試劑瓶中，現(xiàn)配現(xiàn)用；濃硝酸（分析純，65% HNO3）；過(guò)氧化氫（分析純，30% H2O2）蒸餾水；無(wú)水乙醇。

2.1.2 地膜微塑料：將地膜切碎成0.5～5 mm 的碎片。

2.1.3 空白土壤樣品：將采集的農(nóng)田土樣在800 ℃煅燒4 h，去除土壤中的干擾物質(zhì)。

2.1.4 實(shí)際土壤樣品：將采集的的土壤樣品平鋪在干凈的搪瓷盤(pán)或玻璃板上，去除石塊、樹(shù)枝、昆蟲(chóng)等雜質(zhì)，用鐵錘或瓷質(zhì)研磨棒壓碎后土塊，每天翻動(dòng)幾次，在15～25 ℃室溫環(huán)境下自然風(fēng)干。充分混勻風(fēng)干土壤，采用四分法，取其兩份，一份留存，一份壓碎至全部通過(guò)5 mm 土壤篩，混勻，待測(cè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)使用的主要儀器如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

3 分析方法簡(jiǎn)述

3.1 分析步驟

研究提供土壤中地膜微塑料殘留量測(cè)定方法，其主要分析步驟包括樣品前處理、分散過(guò)濾、消解過(guò)濾、浮選過(guò)濾、收集挑選和烘干稱(chēng)重。

具體分析步驟如圖2。

圖2 分析步驟流程圖

3.1.1 分散、過(guò)濾

稱(chēng)取100 g（精確至0.01 g）風(fēng)干、過(guò)篩的土壤樣品，置于250 mL 錐形瓶中，加入約150 mL 的蒸餾水，室溫下（25 ℃）攪拌（≥60 r/min）30 min 停止后，取出攪拌棒并用蒸餾水沖洗，沖洗液流入錐形瓶中。

加水分散后的樣品利用過(guò)濾器通過(guò)0.5 mm 孔徑的濾網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，完成過(guò)濾前應(yīng)多次反復(fù)使用蒸餾水沖洗錐形瓶和濾器內(nèi)壁，使目標(biāo)物全部聚集于濾網(wǎng)上。

3.1.2 消解、過(guò)濾

將濾網(wǎng)上收集的物質(zhì)和濾網(wǎng)全部轉(zhuǎn)移至潔凈的250 mL 錐形瓶中，加入足量的消解液加熱（不超過(guò)80 ℃）攪拌不少于2 h，直至錐形瓶中溶液澄清且無(wú)明顯有機(jī)質(zhì)。

中消解后的樣品在錐形瓶中加入蒸餾水稀釋后，利用過(guò)濾器通過(guò)0.5 mm 孔徑的濾網(wǎng)進(jìn)行抽濾，完成過(guò)濾前應(yīng)多次反復(fù)使用蒸餾水沖洗錐形瓶和濾器內(nèi)壁，使目標(biāo)物全部聚集于濾網(wǎng)上。

3.1.3 浮選、過(guò)濾

濾網(wǎng)上的物質(zhì)全部轉(zhuǎn)移至250 mL 錐形瓶中，加入約150 mL 的NaCl 浮選液（5.1），攪拌靜置后，沿瓶壁緩慢補(bǔ)充加入適量NaCl 浮選液于錐形瓶中，加至液面距瓶口約1 cm 處?kù)o置10 min。

提取錐形瓶中上層清液和漂浮物，利用過(guò)濾器通過(guò)0.5 mm 孔徑的濾網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾；提取過(guò)程中應(yīng)避免溶液灑漏至過(guò)濾器外。

重復(fù)上述步驟直至錐形瓶中上層溶液無(wú)漂浮物。

3.1.4 收集和挑選樣品

用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾器內(nèi)壁，沖洗后的溶液同樣進(jìn)行抽濾，使目標(biāo)物全部聚集于濾網(wǎng)上；并用蒸餾水反復(fù)沖洗濾網(wǎng)上的目標(biāo)物。

3.1.5 分析測(cè)定

在放大鏡和體視顯微鏡的協(xié)助下觀察待測(cè)濾網(wǎng)，挑選出地膜微塑料放置在干燥恒重（精確至0.000 01 g）后（105 ℃± 5 ℃）的培養(yǎng)皿中，并記錄地膜微塑料的數(shù)量、顏色和大小。

將挑選出的地膜微塑料干燥（105 ℃± 5 ℃）至恒重（精確至0.01 mg）后稱(chēng)量記錄。

3.2 結(jié)果表示與計(jì)算

本方法測(cè)定的農(nóng)田地膜微塑料的粒徑范圍為0.5～5 mm。農(nóng)田地膜微塑料的殘留量可由微塑料濃度和微塑料豐度兩種表示方法。

3.2.1 土壤樣品中地膜微塑料濃度

按公式（1）計(jì)算土壤樣品中地膜微塑料濃度：

式中：M—土壤樣品中地膜微塑料濃度，mg/kg；

M0—風(fēng)干土壤樣品質(zhì)量，g；

Wdm—風(fēng)干土壤樣品干物質(zhì)含量，%；

M1—干燥恒重后培養(yǎng)皿的質(zhì)量，g；

M2—干燥恒重后地膜微塑料和培養(yǎng)皿的質(zhì)量，g。

3.2.2 土壤樣品中地膜微塑料豐度計(jì)算

按公式（2）計(jì)算土壤樣品地膜微塑料豐度：

式中：A(0.5-5mm)—土壤樣品中地膜微塑料豐度，個(gè)/kg；

N—土壤樣品中目標(biāo)物總數(shù)，個(gè)；

M0—風(fēng)干土壤樣品質(zhì)量，g；

Wdm—風(fēng)干土壤樣品干物質(zhì)含量，%。

4 方法驗(yàn)證

4.1 微塑料回收率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定3 種不同濃度的空白加標(biāo)樣品（100 g空白土壤中分別加入了50 個(gè)、10 個(gè)、3 個(gè)0.5～5 mm 的地膜微塑料），每種濃度樣品測(cè)定7 個(gè)平行樣品，按上述分析方法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 土壤微塑料回收率實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同濃度樣品的微塑料回收率基本都在90%以上，且7 次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)偏差均小于20%，數(shù)據(jù)表明，該方法可以保證地膜微塑料較高的回收率，且重復(fù)性較好。

4.2 方法精密度和準(zhǔn)確度分析

測(cè)定3 種不同濃度的空白加標(biāo)樣品（100 g 空白土壤中分別加入了3 個(gè)、10 個(gè)/1 mg、20 mg 0.5～5 mm 的地膜微塑料），每種濃度樣品測(cè)定了7 個(gè)平行樣品，測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 土壤微塑料精密度和準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從3 種不同濃度的空白加標(biāo)樣品7 次測(cè)定結(jié)果可以看出，當(dāng)以微塑料豐度表示地膜微塑料殘留量時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于20%，加標(biāo)回收率大于90%；當(dāng)以微塑料濃度表示地膜微塑料殘留量時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于20%，加標(biāo)回收率大于80%。可見(jiàn)，本研究提出的地膜微塑料殘留量的分析方法精密度和準(zhǔn)確度滿足檢測(cè)要求，方法可行。

5 展望

本研究建立了土壤中地膜微小塑料（0.5～5 mm）的數(shù)量分析方法，其主要分析步驟包括樣品前處理、分散過(guò)濾、消解過(guò)濾、浮選過(guò)濾、收集挑選和分析測(cè)定；并進(jìn)行了方法的精密度和準(zhǔn)確度分析，驗(yàn)證了方法的可行性、重復(fù)性和準(zhǔn)確性。本方法通過(guò)微塑料濃度和微塑料豐度兩種表示方法，對(duì)農(nóng)田地膜微塑料的殘留量進(jìn)行計(jì)算，可增加方法的檢測(cè)范圍，進(jìn)一步提升方法適用性。

本研究提出的土壤中微塑料殘留量的測(cè)定方法，為開(kāi)展土壤中地膜微小塑料數(shù)量的監(jiān)測(cè)提供了一定的技術(shù)支持。但本研究提出的土壤中微塑料殘留量測(cè)定方法存在一定的局限性，分析僅適用于地膜微塑料，可測(cè)定的微塑料種類(lèi)有限；其次，對(duì)于粒徑更小的微塑料（＜0.5 mm），也無(wú)法進(jìn)行定量分析。后續(xù)的研究中，可進(jìn)一步對(duì)本方法進(jìn)行優(yōu)化和完善，可通過(guò)增加浮選液密度和濾網(wǎng)或?yàn)V膜的精度，分級(jí)回收更多種類(lèi)和不同粒徑范圍的微塑料，再利用不同的分析手段，如紅外ATR、顯微紅外、激光顯微紅外等方法，對(duì)回收的微塑料進(jìn)行定量和定性分析[5-8]，進(jìn)一步豐富土壤中微塑料含量測(cè)定的手段和方法。