農田土壤中的微塑料研究進展

吳澤隆胡良郭若彬戴榕賴維磊鄒昶孫志勇黃學平

(1.南昌工程學院水利與生態工程學院，江西 南昌 330099；2.江西益潔環保技術有限公司，江西 南昌 330036；3.靖安縣環保局，江西 宜春 330600)

塑料因其輕便和耐用的優點，廣泛應用于各行各業，給人們生活帶來很大的便利。但過度的塑料使用給環境帶來了嚴重的“白色污染”。塑料在進入環境后，在大自然的各種作用下被降解成小顆粒和碎屑，大小在5mm以下的被稱為微塑料(MPs)[1]。由于微塑料的化學性質穩定，難以降解，從而能夠長期的累積在水生生態系統和土壤等陸地生態系統中。微塑料最早被發現在海洋之中，據資料顯示，全球每年向大海排放9.3～23.6t微塑料[2]，對海洋生態環境造成了嚴重的威脅。在海洋中的微塑料污染得到普遍重視之后，土壤中的微塑料污染也逐漸引起了人們的注意。有學者推測，存在于陸地生態系統的微塑料豐度是海洋的4～23倍[3]。而微塑料進入農田后，不僅對農田土壤環境和農作物生長產生影響，還會通過污染食物鏈嚴重威脅人們的健康。因此，對于農田土壤中的微塑料的研究是重中之重。

1 農田土壤中微塑料的來源和種類

農田土壤中微塑料的類型主要有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等。按形態可分為薄膜、碎片、纖維和顆粒等，顏色以黑色和透明為主。不同地理環境下農田土壤含有的微塑料種類比例有所差異。在農田土壤環境中，微塑料的來源途徑主要包括地膜殘留、有機肥利用、污水灌溉、大氣沉降等，其中地膜殘留帶來的污染最為嚴重[4]。

1.1 地膜殘留

地膜覆蓋技術是中國農業生產的重要技術之一。我國每年都有將近2000萬hm2的農作物覆膜面積，提高了農作物30%以上的總產量，產生了1200億～1400億元的直接經濟效益[5]。但隨之而來的是嚴重的地膜殘留問題。殘留的地膜在風化、陽光照射等各種作用下被降解成微塑料累積在土壤中[4]，從而對農田環境造成嚴重危害。王志超等[6]研究發現，殘留的地膜不僅會對土壤結構造成破壞，還嚴重阻礙了土壤水分和溶質運移。嚴昌榮等[7]研究發現，地膜在生產的過程中會添加一些增塑劑，這些物質通過呼吸作用進入植物體內，抑制葉綠素的產生，對植物的生長發育造成嚴重危害。針對地膜殘留的問題，現在主要通過人工回收的方式來解決，但我國現有的殘膜治理技術較為落后，殘留的地膜回收難度較大[7]。因此，為了避免地膜殘存污染進一步惡化，需要修改并健全相應規范，強化質量監督；大力發展新的殘膜回收技術；尋找地膜的替代品，對可降解地膜進行更深入的研究，從源頭上阻斷殘膜污染。

1.2 有機肥利用

有機肥也是造成農田土壤微塑料污染的一大來源。在物理、化學和微生物的共同作用下，有機肥中的塑料會轉化成微塑料。德國有研究發現，有機肥中粒徑大于1mm的塑料碎片豐度達到14～895個·kg-1[8]。我國是有機肥生產和施用的大國，每年有高達50t的微塑料通過施用有機肥進入農田[4]。Zhang等[35]通過進行小麥-玉米輪作田間試驗，發現長期使用堆肥造成土壤微塑料的積累達到43.0%～75.9%，這說明有機肥的長期施用會導致微塑料在土壤中逐年累積，含量越來越高。所以對于有機肥的使用和生產方面還需嚴格把關，限制微塑料進入農田土壤。

1.3 污水灌溉

目前污水處理廠去除微塑料的效率很高，但還是有大量的微塑料伴隨著污水和污泥排出，通過農業施用進入農田土壤。據估算，歐洲和北美農田每年從污泥中的微塑料總輸入量分別為6.3萬～43萬t和4.4萬～30萬t[3]。Li等[9]在調查我國28個污水處理廠中的污泥樣本發現，每千克污泥含微塑料1.60～56.4×103個。由此可見，需要用更加先進的手段對污水進行處理，減少污水中微塑料的含量，或從源頭上阻止微塑料排放進水中。

1.4 大氣沉降

由于微塑料的體積和密度較小，很容易通過氣流進入大氣。生活垃圾中的塑料可能未經過妥善處理，在外界各種因素的綜合作用下風化或降解成粒徑更小的顆粒和碎屑，從而進入大氣。田媛等[10]研究發現，煙臺、天津和大連3個海岸城市大氣微塑料的沉降通量分別為35.7～154.4粒·m-2·d-1、119.0～327.1粒·m-2·d-1和98.4～391.4粒·m-2·d-1；法國巴黎[11]大氣微塑料沉降通量達2～355個·m-2·d-1。從這些不同地區的數據中可以看出，不同地理環境和不同氣候類型下的大氣微塑料沉通量差異較大。但目前對于大氣中微塑料污染的研究還是較少，對其污染特征的了解還不全面，未來還需加強探索。

2 農田土壤中微塑料國內外污染現狀

目前，對于農田土壤微塑料的研究處于起步階段，通過查閱資料發現全球環境下不同農業生產方式、不同土地利用類型、不同地理環境的微塑料污染豐度存在顯著差異。如，瑞士[12]的洪泛平原土壤中的微塑料污染豐度為593個·kg-1；澳大利亞悉尼[13]的工業土壤中微塑料豐度為300～67500個·kg-1。我國自古以來就是農業大國，我國在農業生產上使用的塑料總量一直位居世界第1。在我國長江下游區域[14]微塑料豐度為4.94～252.70個·kg-1；在西北地區，由于降水稀少，地膜的使用量和覆蓋面積居全國首位，從而導致微塑料含量較高，如陜西省[15]農業區的微塑料豐度為1430～3410個·kg-1。總而言之，目前全球農田土壤微塑料污染極其嚴重，嚴重威脅到人類的生命健康。此外，微塑料在不同類型的土壤環境中均有出現且不同地區微塑料含量和分布有很大差別，我國農田土壤中微塑料豐度總體上呈現出不均衡、區域性強等特點[4]。

3 農田土壤中微塑料的遷移

農田土壤中的微塑料會在各種因素的作用下發生遷移。如風力、地表徑流、水土流失等，會引起微塑料在土壤中的橫向遷移；而人類的耕作，淋溶、重力等因素會引起微塑料的縱向遷移。Rezaei等[16]對伊朗不同用地的風蝕沉積物進行研究，發現農田與周邊的自然區含有相同成分的微塑料，說明風力會導致微塑料的橫向遷移。王慧[17]發現，不同降雨強度及坡度下，表層土壤中微塑料濃度均低于較深層土壤，降雨強度越大，深層土壤的微塑料濃度越高；坡度越大，深層土壤微塑料濃度值越高，微塑料由較高端向較低端遷移的速度越快，說明微塑料在重力或徑流的作用下會發生垂向遷移。

土壤中的動物和微生物也會導致微塑料發生遷移。Rillig等[18]對蚯蚓研究發現，在蚯蚓的活動下粒徑小的微塑料被遷移到底層，粒徑大的在中間層，如果沒有蚯蚓，這些微塑料就會留在土壤表面。有學者對跳蟲進行了研究，發現土壤中的微塑料會在跳蟲的活動下發生遷移，跳蟲的體型越大，微塑料的遷移越明顯[19]。

微塑料在農田土壤中的遷移行為還受微塑料自身性質、土壤類型、土壤環境條件等多種因素的影響。Wu等[20]研究發現，在沙土、黑土、紅土這3種不同類型的土壤中聚苯乙烯納米塑料的遷移特征不同，且在高pH和低Fe/Al氧化物含量的土壤中具有較強的遷移能力。

除了上述因素，植物也會對微塑料的遷移產生影響，植物的根系活動也會導致農田土壤中微塑料的遷移，但不同之處在于，微塑料只會向土壤上層遷移或是停留在原土層中[21]。

4 農田土壤微塑料的分離和檢測技術

要探究微塑料在土壤中的遷移轉化規律和解決微塑料對土壤污染的難題，首先要對土壤中的微塑料進行分離和檢測。

目前土壤微塑料的分離方法包括密度分離法、泡沫浮選法、油提法、加壓流體萃取等。其中密度分離法是最常用的分離方法。土壤環境中的微塑料經長期老化后表面粗糙不平，易與土壤有機質附著，從而加大密度分離浮選的難度。因此，研究中常利用消解步驟去除微塑料表面雜質，但往往消解步驟會對微塑料結構造成一定程度的破壞。白潤昊等[22]研究發現，超聲處理(40kHz、30min)對土壤地膜源微塑料表面雜質具有良好的去除效果，可作為消解處理的替代選擇，但受限于浮選法原理、操作熟練度、儀器識別精度等因素，難以對納米級的微塑料實現分離檢測。

土壤微塑料檢測的常用方法有目測法、光學顯微鏡法、掃描電鏡法、光譜法、熱分析法等。目前應用最為廣泛的微塑料檢測方法是傅里葉變換紅外光譜法和拉曼光譜法。傅里葉變換紅外光譜法不僅能夠表征微塑料顏色、尺寸大小，還能夠鑒別其組成成分，但缺陷在于不適合檢測尺寸較小的顆粒。拉曼光譜法是一種光子散射技術，優點是空間分辨率高，不需要進行干燥處理，不破壞樣品，缺點是難以檢測低濃度的物質，易受外部因素干擾。在基礎的檢測技術上，有些學者開發出了更高效的檢測方法，如Yu等[23]將傅里葉變換紅外光譜儀與熱重分析技術有效結合，首先通過熱重分析技術進行熱裂解、裂解氣，進一步經傅里葉變換紅外光譜儀鑒定分析，這種方式無需經過繁瑣的預處理，但會對樣品造成破壞，而且不能得到關于微塑性材料的大小和形態等相關信息。

目前分離與檢測技術還不夠完善，方法具有局限性，沒有統一的評價方法。對于小顆粒的微塑料分離方法還需要繼續探索實踐。

5 農田土壤微塑料的生態健康風險

農田土壤中的微塑料，在經過耕作后，由于其難以降解的特性，會在土壤中不斷累積，不僅會改變土壤的理化性質，還會對農田中的農作物、土壤動物、微生物等產生不利影響，進而危害到人類的健康。

5.1 對土壤理化性質的影響

由于微塑料的比表面積大、吸附能力強，其表面會吸附各種有害物質，如重金屬、有毒物質，進入土壤環境后會改變土壤結構和土壤理化特性[4]。如，楊曉庭[24]通過對覆膜耕作區和常規耕地區比較發現，覆膜區的土壤pH值明顯低于常規區，且不同深度土壤的pH值也有差異。此外，微塑料易與土壤團聚體結合，對土壤容重、團聚體造成影響。如，胡旭凱等[25]研究發現，聚乙烯微塑料能使土壤團聚體穩定性和團聚體總有機碳含量增加，但會導致團聚體活性有機碳含量降低。

5.2 對農作物的影響

農作物會通過根莖吸收土壤中的微塑料，從而導致微塑料向植物體內向上遷移，干擾植物的正常生長。劉鎣鎣等[26]發現，0.023～0.038mm的聚乙烯微塑料會明顯抑制綠豆苗的生長，并影響其水分的吸收。李瑞靜[27]推測微塑料通過干擾黃瓜木質素合成，改變植物細胞壁結構，從而影響關鍵酶調控碳水化合物的能力，導致黃瓜幼苗光合作用能力下降，對黃瓜的正常生長產生不利影響。由此可見，微塑料干擾了農作物的正常生長，應加大對土壤中微塑料遷移行為的研究力度，提高微塑料污染的防控效率。

5.3 對土壤動物的影響

土壤動物在提高土壤質量和提高農作物產量方面具有十分重要的作用。微塑料及其攜帶的有毒物質會對土壤中的動物及微生物群體造成直接或間接的傷害。張書武等[28]通過研究微塑料對赤子愛勝蚓的毒性，發現聚乙烯和聚乳酸微塑料都能引起蚯蚓的重量下降，并有不同程度的死亡。而對跳蟲的研究表明[29]，微塑料通過食物鏈進入跳蟲體內，能抑制跳蟲的生長率、繁殖率和降低成活率等。這說明土壤中的微塑料嚴重威脅土壤動物的生存，可能導致土壤動物數量減少，破壞農田土壤生態系統的穩定。

5.4 對土壤微生物的影響

微生物的調控對于動植物的生長以及土壤中的營養物質的良性循環是必不可少的[4]。微塑料的吸附性會帶來有毒和有害物質，對微生物群落產生危害。費禹凡等[30]研究發現，聚乙烯型微塑料積累會使土壤中的細菌群落結構組成改變，某些種類細菌的相對豐度顯著上升，而另一些種類細菌相對豐度顯著下降，且微塑料會對細菌群落的恢復產生抑制作用。張浩等[31]發現，高密度聚乙烯微塑料會改變微生物群落，從而抑制棉花生長，提高棉花枯萎病發病率。目前的研究主要局限在微塑料對微生物群落的作用上，微塑料和微生物群落共同作用對土壤環境的影響還有待進一步探索。

6 農田土壤的微塑料污染修復

微塑料對農田土壤和人類健康造成了極大危害，對微塑料污染的修復刻不容緩。但由于微塑料本身難以降解的特性，微塑料污染的修復問題一直是一個難點。國際上對于土壤中微塑料污染修復的研究極少。目前從土壤中去除微塑料的手段有光催化、生物炭和微生物降解等。

光催化降解的原理是聚合物中的感光官能團吸收光子，引發一系列化學變化導致高分子鏈的裂解，一般用添加光催化劑的方式加快微塑料的降解。謝孝勛等[36]用硬脂酸鐵(FeSt3)對低密度聚乙烯進行了光催化，結果表明，FeSt3含量在0.2%～0.4%時，光催化效果最為顯著。Nabi等[37]將TiO2納米顆粒與聚乙二醇基苯基醚混合制備后對聚苯乙烯進行降解，結果表明，粒徑為400nm的PS在紫外光催化12h后，其降解率可達到98.4%。雖然光催化降解的方法十分有效，但大部分都需要在紫外線光的照射下進行，土壤較深處的微塑料無法被照射到且殘留的催化劑可能造成二次污染。

微塑料在土壤中的累積會改變土壤的理化性質，而生物炭常常被用來改良土壤質量。冉泰山等[32]發現，生物炭的施用可以提高被污染土地的pH值，改變了土壤中的細菌群落，增加了微塑料耐受菌的數量，從而減緩了微塑料的污染，改善了被污染土壤的質量。李嘉等[38]將生物炭添加進含有聚氯乙烯微塑料的生菜農田，發現添加0.5%～2.5%的生物炭可以減輕聚氯乙烯對生菜的氧化損傷，且促進了生菜生長，而添加5%的生物炭則會加劇氧化損傷程度。說明適量的生物炭能緩解微塑料污染，降低微塑料的植物毒性。微塑料的污染不僅僅來自其本身，微塑料和其表面吸附的有害物質共同污染危害更大。Ye等[33]制備了一種石墨化磁性生物炭通過活化PS的高級氧化反應去除了微塑料附著的重金屬，減輕了微塑料作為載體運輸有害物質的潛在危害，減少共同污染。

微生物可以將有機聚合物分解成CO2、CH4、水和無機物，因此微生物是農田土壤里分解微塑料最合適的選擇。Auta等[34]對紅樹林沉積物分離出的細菌研究發現，蠟樣芽孢桿菌對聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯的減重分別為1.6%、6.6%和7.4%，而芽孢桿菌為6.2%、3.0%和5.8%，說明這2種菌株能降解微塑料材料，具有修復微塑料污染環境的潛力。雖然微生物降解微塑料的方法既環保又有效，但這種方法受環境條件影響較大，因為不同的微生物適宜生長的環境不同。邢祥祥等[39]從10個樣品中篩選出了8株聚乙烯降解菌株，30d內對聚乙烯的降解率在0.22%～8.76%，且在紫外線照射下降解率顯著增加。這給人們提供了一種新的思路：以往的研究只停留在單一降解方法的研究上，難以克服方法自身的缺陷。可以將生物降解和光降解的方法結合起來，篩選或制備出某種在紫外線照射下降解能力增強的菌株，可以很好地克服微生物降解速度慢和光催化降解有催化劑殘留的缺點。綜上所述，目前關于農田土壤的微塑料污染修復的研究還不夠深入，不夠系統全面，還需從新的角度和方向上展開探索與研究，研究工作任重而道遠。

7 總結與展望

目前對于農田土壤微塑料的研究主要集中于來源、遷移機理、生態效應、分析檢測等方面，但相關研究尚不充足，仍處于探索積累階段。此外對于源頭防治和污染修復的研究寥寥無幾。所以未來還需從以下幾個方面開展研究。

繼續加強對微塑料來源、遷移特征、降解機制的研究，探明微塑料污染來源以便從源頭對微塑料進行治理，進一步揭示不同種類微塑料在不同類型土壤中的遷移特征，把握遷移規律，掌握微塑料在土壤中的降解機制。進一步完善和統一微塑料分離和檢測方法，并建立統一的評價方法，在此基礎上，考慮土壤環境和微塑料的多樣性開展不同的分離和檢測研究，并制定相應的技術規范。建立健全對塑料制品使用、廢棄塑料回收方面的法律法規，加大對塑料危害的宣傳力度，增加公眾的環保意識。加快可降解塑料的研發，或開發出可代替塑料的新型材料，從源頭上扼制塑料污染。對微塑料污染修復的研究還需進一步深入，探索新的角度和開拓新的研究方向，尋找新型、高效、環境友好的修復手段。