土壤微塑料計量技術現狀研究及建議策略

【摘要】土壤微塑料是目前全球關注的焦點之一。目前，對土壤微塑料的計量技術研究相對較少，無法更加精準測量土壤中的微塑料，進而無法準確評估土壤微塑料污染狀況。本文研究了土壤微塑料計量技術的現狀，并提出了土壤微塑料計量發展策略，以填補國內微塑料計量方法的空白，支撐打好凈土保衛戰。

【關鍵詞】土壤微塑料；計量；發展策略

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.04.068

【基金項目】江蘇省市場監督管理局科技項目（KJ2022073）：基于全生命周期的企業碳排放因子檢測、碳排放量模型構建以及不確定度分析。

Research on the Current Situation of Soil Microplastic’s Measurement Technology and Suggested Strategies

ZHANG Mingting， SHAO Weiwei， ZHU Peijuan， HUANG Jiayi

（Nanjing Institute of Measurement and Testing Technology， Nanjing 210000，China）

Abstract： Soil microplastics are currently one of the focuses of global attention. There is little research on the measurement technology of soil microplastics， which cannot accurately measure the microplastics in soil and evaluate the pollution status of soil microplastics. This paper proposes the development strategy of soil microplastics’ metrology based on the current research on soil microplastics’ metrology technology， filling the blank in domestic microplastics’ measurement methods and supporting the fight of our lands pollutionfree.

Keywords： soil microplastics； measurement； development strategy

0引言

塑料因成本低、重量輕、易于加工、耐用和靈活等特點而被廣泛用于生產生活中。2021年全球塑料產量為3.907億噸，其中90.2%為化石基塑料，8.3%為消費后再生塑料，1.5%為生物基/生物屬性塑料。隨著塑料的生產/消費量不斷增加，加之塑料廢物管理不足，導致廢棄的塑料對環境造成了嚴重的污染。全球每年生產的塑料總量超過4.3億噸，其中2/3是使用壽命較短的塑料制品。這些制品轉化為廢物被填入海洋，并最終進入人類的食物鏈中。塑料污染問題已成為全球關注的焦點。塑料在自然環境中經歷復雜的物理化學變化，如老化、降解、破碎等，會產生微塑料（MP），并可能產生納米塑料（NP）。研究發現，在人體的各個器官中，甚至在新生兒的胎盤中都發現了微塑料的痕跡。

微塑料污染與全球變暖、臭氧層破壞、酸雨、生物多樣性減少等問題并列為全球重大環境問題。據報道，土壤微塑料是全球關注的焦點之一，其中亞洲土壤微塑料含量最高，這不僅對土壤生態系統的結構和功能穩定性存在潛在威脅，也對農業生態系統、糧食安全和人類健康產生影響。2024年1月發布的《中共中央國務院關于全面推進美麗中國建設的意見》中提到，加強固體廢物綜合治理，限制商品過度包裝，全鏈條治理塑料污染。

土壤中的微塑料因其所處的土壤基質復雜，導致分離提取過程相對困難，而且相關研究仍處于初步階段。目前，國內外尚未建立統一的土壤微塑料提取、檢測、監測的計量方法。本文通過對土壤微塑料計量技術的現狀進行研究，并提出一套土壤微塑料計量方法的發展策略，以填補國內在該領域的空白，并為實施有效的土壤保護措施提供科學依據。

1土壤微塑料來源和危害

1.1微塑料

微塑料指的是直徑小于5 mm的塑料碎片和顆粒。實際上，微塑料的粒徑范圍從幾微米到幾毫米，是形狀多樣的非均勻塑料顆粒混合體。目前，在馬里亞納海溝、珠穆朗瑪峰頂部以及冰雪覆蓋的北極，科學家們都發現了微塑料的蹤跡，可見微塑料污染已經成為全球新的環境問題[1]。一些研究指出，由于微塑料的吸附能力很強，其可以成為重金屬或其他有毒化學物質在不同自然生態系統中運輸的載體。微塑料易通過水和風進行遷移，并存在于水、土壤、食物和空氣中。調查研究顯示，土壤中微塑料的濃度范圍為300～67500 mg/kg。由以上的研究我們可以發現，土壤是微塑料的重要匯集地。

1.2土壤微塑料的來源和危害

由于微塑料具有持久性強、比表面積大等特性，其表面很容易附著其他的污染物，如重金屬離子、有機污染物等。微塑料污染主要通過遷移方式進一步威脅人類健康。

劉雅宣[2]的一項研究表明，人們可能通過空氣和接觸受污染的物體后而感染新型冠狀病毒，并且這些病毒能夠在塑料上存在2～3天，土壤微塑料污染容易引發土壤生態風險。任欣偉[3]發現，不管是初生微塑料還是次級微塑料，都會對周圍環境造成一定的影響，并且微塑料污染持續時間較長。同時也有報道指出，土壤中微塑料的含量達到一定限度，就能改變土壤的物理性質（土壤質地、結構、容重、孔隙度等），影響土壤的功能和生物多樣性的水平，從而影響陸地的生態系統。另外微塑料具有吸附特性，其能夠作為載體將重金屬帶入土壤深層中。陳冠霖[4]基于土壤微塑料對微生物及溫室氣體影響效應開展研究，其研究結果表明，土壤中的微塑料對微生物多樣性和群落組成以及微生物降解與代謝活性有一定的改變。Bosen Zhao[5]研究表明，微塑料暴露可能導致消化、呼吸、心血管、免疫、生殖和內分泌系統的組織病理學病變和功能障礙，進而導致疾病。吳龍華[6]等研究指出，微塑料可以在食物鏈中積累進而威脅人類健康。Matthias C. Rillig[7]等提出，土壤塑料際，采用塑料際作為直接受塑料影響的環境（包括居住在該環境中的微生物群落），居住在塑料際內的群落是塑料際微生物群落，它不僅包括附著在塑料表面的微生物，還包括受塑料影響的土壤中的微生物群落等。劉國彬[8]團隊提出，微塑料污染和溶解有機質影響土壤質量和功能，但是目前微塑料對溶解有機質的影響及其潛在機制尚未闡明，這對保持土壤健康提出了相應的挑戰。

2土壤微塑料計量研究現狀

土壤生態系統與其他環境基質相比，其組分、微生物群落等更加復雜。一方面微塑料本身為新污染物，在土壤環境中能夠發生化學和生物化學反應過程；另一方面微塑料作為污染物載體，與土壤中的重金屬、抗生素等污染物產生作用，引發土壤生態風險，進而影響糧食安全，威脅人類健康。目前對土壤微塑料的計量技術研究較少，無法精準測量土壤中的微塑料含量，以評估土壤微塑料污染狀況。

歐洲啟動計量伙伴關系項目《從納米塑料到小型微塑料的測量數據的計量溯源》[9]。該項目將開發測量和表征小型微塑料和納米塑料的方法，進而精準測量微塑料。張向楠[10]提出了以質量為標準的微塑料的計量方式，建立了基于熱裂解質譜的微塑料計量定性和定量方法。延雨宸[11]指出，土壤環境中微塑料的提取和檢測技術目前沒有明確規定，無法實現精確計量。朱會會[12]等提出，土壤環境是一個相對復雜的環境基質，目前對土壤基質中微塑料提取技術并不是特別完善。趙淑韜[13]通過NIR光譜建立了土壤微塑料的檢測方法，并且利用遷移學習算法建立了不同土壤區域及不同NIR光譜儀器間的模型遷移方法，進而提高了微塑料檢測準確性。薛荔棟[14]等系統梳理了土壤微塑料全過程監測的技術路線和目前研究現狀，提出亟須對土壤微塑料相關術語，如微塑料的尺寸、形狀、大小、聚合物類型等進行統一規范。蔡慧文[15]提出了多樣化的大粒級微塑料監測方法，但是監測數據的質量不統一導致數據可比性較差，同時針對小粒級微塑料檢測的準確度亟須提高。賈濤[16]等提出，微塑料的豐度單位標準化工作亟待開展。劉李嵐[17]等提出，目前需要建立統一的土壤微塑料檢測方法，并進行統一規定。王偉平[18]等提出，要提高土壤微塑料鑒定方法的靈敏度。馮裕棟[19]提出，統一規范土壤中微/納塑料含量表征單位，使得計量數據具有可比性。徐晶[20]指出，目前有關土壤微塑料分析技術沒有可以直接參考的標準和規范。Wooscok Sim[21]等創建了一種宏觀尺度的高光譜拉曼方法，可以快速量化和特征化大量塑料，使用550 s內獲取了覆蓋面積為12.4 mm×12.4 mm的5種不同微塑料的拉曼光譜，并運用機器學習方法完美地對這些微塑料進行了分類。

土壤微塑料檢測主要流程為采樣、前處理、檢測。樣品采集和保存的器具一般為金屬材質，樣品保存時主要采用鋁箔袋和鋁盒，保存條件一般為常溫或不高于4℃；前處理方法主要包括篩分法、密度分離法、靜電分選法、泡沫浮選法、磁性分離法、油提法和加壓流體萃取法等；消解方法主要包括氧化法、酸消解以及堿消解；分析方法主要包括顯微鏡觀察法、傅里葉紅外光譜法（μFTIR）、拉曼光譜法、激光紅外光譜法（LDIR）、熱分析法以及液相色譜（串聯三重四級質譜）法等。相關儀器和計量技術規范見表1。

3現狀問題

隨著經濟社會的高質量發展，人類將不可避免地接觸到各種各樣的微納塑料，而目前微塑料樣品以不可降解微塑料為主。因此，對于評估人體健康的潛在風險而言，準確計量微納塑料顯得尤為重要。當前，微塑料與有機污染物的相互作用及其對環境中生物體的聯合毒性效應的研究越來越多，然而土壤微塑料計量研究還面臨一些問題。

1）微納塑料研究領域缺乏針對不同粒徑范圍和組分的標準參考物質，尤其是在不同土壤類型樣品中的應用。2）新興的微塑料分析技術，如激光紅外光譜法和太赫茲分析法，尚未建立統一的計量校準規范。3）土壤樣品的前處理過程缺乏快速、準確度高、精度高的技術方法。4）微塑料表征單位不統一。目前微塑料大多以數量濃度（個/kg）為單位進行表征，但是微塑料的老化破碎會導致數量濃度的變化，僅使用數量濃度或質量濃度單位無法全面評估微塑料的污染水平。因此，亟須開展計量單位和質量單位之間的相互轉化研究。

4建議策略

計量技術的研究是精準測量土壤微塑料的重要基礎和前提。本文通過分析土壤微塑料計量面臨的問題，對土壤微塑料計量技術的研究提出以下建議。

1）研究微納塑料量值溯源體系。開展微塑料量值溯源體系研究，探索適用于不同尺度微納塑料的計量方法，進一步為微納塑料精準測量提供技術支撐。

2）研制標準物質。鑒于土壤微塑料標準物質缺失，開展針對不同土壤類型樣品、不同粒徑范圍、不同組分的微納塑料標準物質研制工作，為微塑料治理工作提供有力的檢測技術支撐。

3）研究前處理和檢測方法的驗證對比。土壤樣品的前處理過程非常重要，對土壤基質中微塑料的提取、濃縮等處理方法進行深入研究比對，開發出高效、準確且精度高的技術方法，同時開展其他經濟高效的檢測方法驗證對比，探索適用于不同環境基質的微塑料前處理和檢測方法。

4）加強表征單位研究。針對微塑料表征單位無法統一問題，開展質量濃度單位和數量濃度單位溯源研究，以及單位相互轉化研究。

5）研究土壤微塑料環境行為計量機制。開展土壤微塑料環境行為計量機制的研究，旨在提高微塑料數據的一致性和可比性，進而為深入探索土壤中微塑料復合污染的互相作用規律及相關機理提供參考依據。這將有助于全面評估微塑料對土壤生態系統的影響，并為深入開展微塑料污染防治提供科學依據。

【參考文獻】

[1] LI J Y，LIU H H，CHEN J P.Microplastics in freshwater systems：A review on occurrence，environmental effects，and methods for microplastics detection[J].Water research：2018，137：362-374.

[2]劉雅宣，王蘭，師慶英，等.微塑料的人體暴露和健康風險研究進展[J].生態毒理學報，2022，17（3）：354-365.

[3]任欣偉，唐景春，于宸，等.土壤微塑料污染及生態效應研究進展[J].農業環境科學學報，2018，37（6）：1045-1058.

[4]陳冠霖，王蘭，唐景春.土壤微塑料對微生物及溫室氣體排放影響研究進展[J].生態與農村環境學報，2023，39（5）：653-660.

[5] ZHAO B S，REHATI P，YANG Z，et al. The potential toxicity of microplastics on human health[J].Science of the Total Environment，2023，912：16894.

[6] BI D，WANG B B，LI Z，et al.Occurrence and distribution of microplastics in coastal plain soils under three land-use types[J].Science of the Total Environment，2022，855：159023.

[7] RILLIG M C，KIM S W，ZHU Y G.The soil plastisphere[J]. Nature Reviews Microbiology，2024（22）：64-74.

[8] GUO Z Q，LI P，YANG X M，et al.Effects of microplastics on the transport of soil dissolved organic matter in the Loess Plateau of China[J]. Environmental Science Technology，2023，57（48）：20138-20147.

[9]佚名.歐洲計量伙伴關系項目致力于解決食品和環境中的微塑料問題[EB/OL].（2023-09-11）[2024-04-09].https：// roll.sohu.com/a/719507701_121123851.

[10]張向楠.熱裂解-質譜微塑料檢測技術開發及應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.

[11]延雨宸，楊忠芳，余濤.土壤中微塑料的來源、生態環境危害及治理技術[J].中國地質，2022，49（3）：770-788.

[12]朱會會，王凡梅，林肖月，等.土壤微塑料污染及生物降解研究進展[J].北方園藝，2022（10）：117-123.

[13]趙淑韜.土壤微塑料近紅外光譜檢測技術及遷移學習方法研究[D].杭州：浙江大學，2021.

[14]薛荔棟，張霖琳，于海斌，等.土壤微塑料監測技術現狀及方法標準化建議[J].中國環境監測，2022，38（5）：9-17.

[15]蔡慧文，杜方旎，張微微，等.環境微納塑料的分析方法進展[J].環境科學研究，2021，34（11）：2547-2555.

[16]賈濤，薛穎昊，靳拓，等.土壤中微塑料的來源、分布及其對土壤潛在影響的研究進展[J].生態毒理學報，2022，17（5）：202-216.

[17]劉李嵐，張濟陽，邱欽勤，等.土壤微塑料研究進展[J].應用與環境生物學報，2023，29（3）：765-774.

[18]王偉平，李歡，趙洋塵，等.土壤微塑料污染管控對策研究[J].生態與農村環境學報，2023，39（5）：685-690.

[19]馮裕棟，楊杰，涂晨，等.土壤中微/納塑料的生物健康效應和食物鏈傳遞風險[J].生態與農村環境學報，2023，39（5）：661-674.

[20]徐晶，田濤，王亞萍.基于激光紅外成像系統的土壤微塑料分析技術與研究進展[J].應用化工，2023，52（10）：2968-2971.

[21] SIM W，SONG S W，PARK S，et al.Unveiling microplastics with hyperspectral Raman imaging：From macroscale observationstoreal-worldapplications[J]. Journalof Hazardous Materials，2024，463：132861.

【作者簡介】

張明婷，女，1990年出生，工程師，碩士，研究方向為資源環境計量和碳計量。

（編輯：李加鵬）