農田土壤中微塑料的源匯現狀及生態效應研究進展

后亞斌　代曉燕　劉燦　楊杰　張玉銀　張銅津　陳培鈺

摘要：全球微塑料（MPs）污染問題已經引起人們的普遍關注，微塑料對土壤生態環境的影響也越來越受到研究者的重視，并成為近年來環境污染的熱點研究之一。本文通過總結當前有關農田土壤中微塑料的研究成果，概述了農田土壤中微塑料的來源、賦存特征（類型和豐度）及農田土壤微塑料的遷移規律，綜合分析了微塑料對生態系統的影響，尤其是微塑料在植物中的富集及對植物生長發育的影響，詳細介紹了微塑料與其他污染物所形成的復合污染對作物所帶來的潛在風險。最后就日前農田土壤中微塑料的污染現狀，總結了防控微塑料的相關技術措施，并對未來的研究方向做出展望。

關鍵詞：農田土壤；微塑料（MPs）；來源；遷移；富集；生態效應

中圖分類號：S-I：X53 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）03-0017-10

20世紀50年代塑料被發明以來，因其成本低、性質穩定而被廣泛應用，全球每年生產塑料近4億t，除少數被同收外，大部分塑料流入江河湖泊水體、土壤及空氣中，并在這些環境中逐漸破碎分解，粒徑變小。2004年Thompson等提出“微塑料”的概念，微塑料是指粒徑＜5mm的塑料微粒。微塑料粒徑范圍從毫米到納米不等，是形狀多樣的非均勻塑料顆粒混合體，肉眼很難分辨。環境中微塑料主要以初級微塑料和次級微塑料兩種形式存在，初級微塑料大多來源于工業產品、個人護理品等包含的塑料微珠：次級微塑料是由大塊的塑料制品經過物理磨損、化學分解、生物降解、紫外輻射等作用形成。研究表明，微塑料有較強的疏水性，易富集磷、氮等營養元素，其體積小、性質穩定，易吸附一些浮游微生物，這些微生物伴隨著微塑料遷移至適宜環境就會大面積繁殖，使水質惡化，對水體環境造成污染。此外，微塑料會改變土壤理化性質，增加水分蒸發速率，改變土壤團聚體結構，影響土壤碳氮循環，對土壤動物及微生物群落產生不利影響，納米級微塑料更易被植物根系吸收并在其體內遷移富集，間接或直接影響植物生長發育。微塑料進入動物體內，增加動物的飽腹感，阻礙進食，致使動物生長發育遲緩，繁殖率下降。此外，微塑料會沿著食物鏈傳遞，最終進入人體內，對人體健康造成威脅。已有研究發現，微塑料會危害人體淋巴系統、消化系統、生殖系統，殺死正常的細胞，損害蛋白質和DNA，誘發多種疾病。

近年來，關于微塑料對土壤環境影響的研究不斷增加，并取得了重要進展，但對于農田土壤中微塑料生態效應的研究尚且不足，微塑料對農田土壤動物、植物、微生物的影響及沿著食物鏈傳遞的潛在風險有待更加深入的研究，且微塑料結構和性質的多樣性，使得微塑料對農田土壤的綜合效應更復雜。目前，以農田土壤為視角的相關微塑料環境效應的綜述性文獻并不多見，為了方便后續研究，本文系統、全面地綜述了當前國內外農田土壤中微塑料污染的最新研究進展，主要包括農田土壤中微塑料的來源，微塑料的賦存特征和遷移富集，微塑料的生態效應及微塑料污染的防治措施，為開展農田土壤微塑料風險評估及精準防控提供支持，針對當前相關研究的不足，對未來的研究方向進行了展望。

1 農田微塑料的來源

農田中微塑料來源廣泛，農用地膜的殘留是其主要來源之一。覆膜栽培技術自20世紀70年代末引入我國以來，因其增溫保墑、防病除草等效果明顯，在作物栽培中廣泛使用，對提高農產品產量和品質具有重要意義。我國地膜使用覆蓋面積近2000萬hm2，占世界地膜使用總量的75%，但地膜回收率低，殘留量大是農業生產中普遍存在的問題，部分地區地膜殘留量達100kg·hm2。殘留地膜降低了土壤生產能力，污染環境，成為農田中微塑料的主要來源。

堆肥產品的使用成為農田微塑料另一個重要來源。在堆肥材料中，含有部分塑料，在破碎、機械篩分和翻堆等處理中易形成微塑料。我國預計每年生產2500×104t以上堆肥產品，每年堆肥的施用量預計在30-35t·hm2。當前堆肥處理技術不是很完善，難以有效去除其中存在的微塑料，從而使其隨著產品被利用而進入土壤。

污水灌溉所帶來的微塑料污染也不容忽視。合理灌溉是農作物增產增收的保障，但農田中灌溉用水的使用標準參差不齊，一些水資源匱乏的國家主要使用城市生活污水進行灌溉，生活污水中含有大量的初級微塑料，部分微塑料隨灌溉用水進入農田，在農田中富集。研究顯示，全球有將近7%的地區涉及50多個國家使用污水灌溉，我國污水灌溉農田面積有140萬hm2，涉及海河、遼河、黃河和淮河四大流域。

大氣沉降所引發的微塑料污染逐漸受到關注。大氣中含有較高濃度的微塑料，如溫州的大氣微塑料濃度高達（224+70）n·m-3，且微塑料濃度表現為城市>郊區或者農村地區>偏遠區。微塑料在大氣中受風及重力等作用會進行跨地區運輸和沉降，濱海、烏魯木齊等地均發現大氣沉降而來的微塑料，主要以纖維類為主，濱海微塑料沉降通量高達1.46×105個·m-2·a-1，空氣中的這些污染物更容易通過沉降進入農田土壤。

有機肥的施用在一定程度上加劇了農田微塑料污染。有機肥能促進作物增產增收，改良土壤，緩解重茬危害，可以全面提供作物所需的氮、磷、鉀以及多種微量元素，有效提高作物品質。如廚余垃圾、動物糞便、作物秸稈等都可作為生產有機肥的原料，但這些材料中大多含有微塑料，經有機肥生產廠加工處理之后，微塑料隨有機肥的施用而進入農田土壤，并在農田土壤中富集。研究發現，有機肥中粒徑>0.5mm的微塑料含量達到2.38-1200mg·kg-1，因此，有機肥的施用也是農田微塑料的來源之一。

2 微塑料在農田土壤中的賦存特征

2.1 土壤中微塑料的形態和類型

農田土壤中的微塑料種類多樣，從形態上看主要有纖維、發泡、顆粒、薄膜、碎片類等。不同地區農田土壤中微塑料形態占比差異明顯，對比陜西、山東壽光及巴基斯坦農田土壤微塑料發現，纖維在陜西農田中占比最大，碎片次之：山東壽光農田中主要以碎片和薄膜為主，占比分別為46.30%和25.40%：巴基斯坦農田土壤中微塑料以纖維為主，占比達64%。從類型上看，土壤中微塑料的主要聚合物類型包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚對苯二甲酸乙醇酯（PET）等。對比陜西、青藏高原及韓國農田土壤中微塑料聚合物類型發現，聚乙烯和聚丙烯是農田土壤中微塑料的主要聚合物類型，陜西和青藏高原農田土壤中聚丙烯占比超50%，聚乙烯占比僅次于聚丙烯：韓國農田土壤中聚乙烯占比高達68%，聚對苯二甲酸乙醇酯和聚丙烯占比較接近，分別為15%和11%。

2.2 土壤中微塑料的豐度

世界各地土壤中都已經檢測出不同豐度（豐度指單位土壤質量中含有微塑料的個數，單位：個·kg-1）的微塑料，研究發現瑞士伯爾尼90%農田土壤中存在微塑料，澳大利亞某工業區土壤中也含有豐富的微塑料，我國云南省西南部滇池森林緩沖帶中檢測到微塑料豐度竟達到7100-42960個·kg-1。另有研究發現，不同農田利用類型下土壤中微塑料豐度差異明顯，北京菜田土壤微塑料豐度范圍在160-5220個·kg-1，湖北煙田中微塑料豐度范圍在320-12560個·kg-1，廣東果園中微塑料豐度范圍為188-279個·kg-1，其中，煙田土壤中微塑料豐度明顯高于菜田和果園，這可能是煙草常年覆膜栽培，地膜回收率不高所致。研究顯示，農田土壤中微塑料豐度與地膜使用年限存在正相關性，即地膜覆蓋時間越長，土壤中微塑料平均豐度越大，不同覆膜年限下（5、10、20a）土壤中微塑料平均豐度分別為2526.00、4352.80、6070.00個·kg-1。不僅如此，隨著覆膜年限的延長，微塑料在外力作用下粒徑會逐漸變小，小粒徑微塑料數量占比顯著增加，面積為0-0.05mm2·piece-1的微塑料豐度占比由覆膜Sa的32%增加到覆膜10a的45%及15a的50%。

3 農田土壤微塑料的遷移

微塑料在土壤中會受到多種外界因素的影響而發生遷移。土壤中動物活動會加劇微塑料遷移，如蚯蚓能將60%以上聚乙烯小球從表層土壤向下遷移10cm多，且小粒徑微塑料更容易發生遷移。螨蟲和彈尾蟲通過咀嚼微塑料，促進土壤中微塑料的遷移和分布，地松鼠和鼴鼠也有類似的行為。蚊子中攜帶的微塑料會擴散到環境中。微塑料的遷移也受到微生物的影響，當土壤孔隙被真菌菌絲填充時可加強污染物降解菌的轉移，促進微塑料的降解和遷移。植物根系運動、根系擴張、根系吸水對土壤顆粒的遷移有重大影響，當根部分解時，土壤中會留下與根部大小相近的空隙，從而加速土壤中微塑料的遷移。耕作活動，如翻土和開溝，使微塑料容易被帶入土壤深處，同時可以翻動表層和深層土壤，從而直接促進微塑料的移動。此外，土壤中微塑料會在水流、降塵、風等動態驅動力的作用下進行遷移，質地較輕的微纖維類更易在沉降之前被風懸浮在大氣中一段時間。圖1顯示了土壤中微塑料的來源及遷移途徑。微塑料還通過地表徑流進入沿海水域，這些遷移風險被認為是相對較高的，特別是在大量灌溉渠、溝渠和地表徑流的耕地中。微塑料本身的特性也是影響其在土壤中遷移的重要因素，研究表明，微塑料的大小（特別是＜1mm）、形態和表面特性影響其遷移。微塑料老化過程引起吸附能力的變化也會影響其遷移。目前的研究表明，兩種最常見的微塑料形狀（球形和顆粒狀）很容易遷移到較深的土壤中，而其他形狀（如纖維和薄膜）與土壤團聚的交互作用不同，可能阻礙微塑料在土壤中的遷移，微纖維可以更有效地纏住土壤顆粒，形成凝塊。微塑料質地的差異對其在土壤中的運輸和沉積起著主要作用，低密度的微塑料難以向下滲透。土壤是一個復雜的多相系統，微塑料在水平和垂直方向中發生遷移運輸受到多種因素影響，在這些方面存在很多問題，需要更深入的探究。

4 農田土壤中微塑料的生態效應

4.1 微塑料對土壤系統的影響

微塑料在土壤環境中積累且長期存在，因其被土粒包裹或與土壤團聚體相結合，土壤容重、土壤孔隙度、滲透性等物理性質會受到影響。研究顯示，高密度聚乙烯和聚乳酸微塑料的加入會改變土壤的通氣性和孔隙度，PET微塑料會降低土壤容重。另外，微塑料對土壤礦物顆粒及有機質存在成核和包絡作用，土壤中部分孔隙被堵塞，從而影響土壤的滲透功能，甚至于微塑料會改變土壤中的水分循環，造成土壤缺水，并促進污染物沿裂縫向土壤深處遷移，土壤結構被破壞，造成土壤表面干裂，其程度隨著微塑料豐度的增加而增強。微塑料不僅影響土壤物理性質和水分循環，土壤化學性質隨著微塑料的添加也會發生改變。馬文倩等研究發現，聚乙烯微塑料降低了土壤陽離子交換量及有機質、總磷和有效磷含量。不僅如此，土壤中微塑料的存在可能會導致對土壤碳庫的誤判，微塑料是高碳聚合物，塑料殘留物會影響土壤中穩定有機碳庫的大小。Boots等研究表明，一定時間內土壤中存在的高密度微塑料會降低土壤的pH值。此外，微塑料對具有高催化能力的土壤酶活性有影響，已經證明微塑料對過氧化氫酶、硝酸還原酶、土壤脲酶、苯酚氧化酶的活性有明顯影響，這些酶參與土壤各種生化過程，在調節土壤養分循環方面發揮著重要作用。

土壤微生物在土壤的形成發育、物質循環及肥力演變中發揮著重要作用，長期受微塑料影響，土壤微生物將會受到明顯的影響，進而可能影響土壤的生態平衡。隨著微塑料的添加，微生物多樣性發生改變，微塑料會刺激耐受微生物的生長，抑制敏感微生物，導致特殊微生物群落的形成。Huang等研究發現，聚乙烯微塑料處理減少了根瘤菌屬微生物豐度，顯著增加了反硝化細菌屬豐度。此外，微塑料引起土壤結構的變化可能會改變土壤中氧氣流動，從而改變厭氧和好氧微生物的相對分布。同時，微生物的代謝活動容易因微塑料的存在發生改變，de SouzaMachado等研究了多種微塑料對土壤微生物活性的影響，發現聚酰胺和聚乙烯可提高一般微生物的代謝活動，而聚苯乙烯和聚酯類則降低了其代謝活動。此外，微塑料對土壤動物產生的影響逐漸受到關注，Lwanga等研究了蚯蚓在不同濃度聚乙烯下的存活性和適應性，證明了高濃度的微塑料會顯著降低該物種的生長速度。另有研究發現，聚苯乙烯微球可以增加秀麗線蟲身體負擔，限制線蟲進食，進而影響其繁殖。由于土壤動物體系龐雜，動物個體大小不一，且在土壤中分布不均勻，目前關于土壤動物的相關研究十分有限。

4.2 微塑料在植物中的富集及對植物生長發育的影響

植物從土壤中獲取生長所需的養分，土壤環境的優劣對植物生長發育至關重要。微塑料在農田土壤中遷移富集，會進一步轉移到植物體內，特別是粒徑小的微塑料容易被植物根部吸收運輸。已有研究表明，生菜、小麥、擬南芥根部均可以吸收亞微米級或納米級微塑料，并通過木質部導管輸送到地上部或者通過質外體途徑內化到維管柱附近，被植物吸收的微塑料在其體內遷移積聚，影響植物光合系統，擾亂各類代謝途徑，進而影響植物的正常生長發育。目前，尚缺乏微塑料在植物中富集遷移的相關研究，有必要更加深入的探討。

土壤中微塑料的存在會對植物種子萌發和生長產生影響，連加攀等用比較普遍的幾類微塑料進行小麥種子發芽試驗，發現在中低微塑料濃度（<500mg·L-1）時小麥種子發芽率抑制范圍在2.86%-20.00%之間。張彥等也發現不同微塑料賦存環境下小麥種子發芽水平都有所降低。許學慧等研究顯示，微塑料使大豆出苗率降低7.69%-64.91%，且微塑料濃度越高，抑制作用越強。不同粒徑微塑料對作物生長發育影響差異顯著，劉鎣鎣等發現聚乙烯微塑料粒徑在0.023-0.038mm時，綠豆幼苗的生長被顯著抑制，而粒徑較大時，對芽長、根長、鮮重、干重等農藝性狀均沒有顯示出抑制作用。此外，植物對不同微塑料的影響會表現出不同的響應。Qi等研究發現，小麥生長受到低密度聚乙烯和可生物降解塑料地膜碎片的影響，生物可降解塑料膜對其生長的影響更加顯著。廉宇航等發現聚乙烯微塑料能增加大豆根部鮮重并上調葉片中氨基酸代謝，但0.1%聚乳酸微塑料則抑制根長增加，會引起有機酸以及糖類代謝下調。Zhou等研究發現，添加聚酯微塑料會顯著增加花生葉片的葉綠素含量、特定葉面積和轉基因的可溶性糖，而聚丙烯微塑料對花生生長和質量有嚴重的負面影響。不僅如此，植物的抗氧化系統會受到微塑料的影響，安菁等研究發現，微塑料逆境脅迫激發了大豆自身的抗氧化體系，提高了過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性，而降低了丙二醛（MDA）含量。此外，Sun等研究表明，擬南芥在微塑料帶正電荷時其根部會分泌草酸鹽，帶正電荷的微塑料在草酸鹽作用下會聚集成為大尺寸的塑料顆粒吸附在植物根系表面，從而對擬南芥根系表皮細胞產生損傷，而帶負電荷的微塑料不會聚集。Giorgetti等研究發現，洋蔥根分生區細胞能吸收50nm聚苯乙烯塑料，在該逆境下引起氧化脅迫，從而產生細胞毒性（如有絲分裂異常）和基因毒性。

4.3 土壤中微塑料與其他污染物對作物的復合污染效應

土壤中微塑料性質穩定，疏水性強，比表面積大，表面易吸附一些有機污染物、重金屬等。一方面，微塑料與重金屬之間存在拮抗作用，降低環境中污染物的自由態，使其富集率減少，毒性效應被減弱。鎘是土壤環境中比較普遍的一種重金屬污染物，當前關于微塑料與鎘復合污染對植物影響的研究比較多。馮天朕等研究發現，微塑料和鎘復合對小麥種子發芽、根長、芽長的影響有一定拮抗作用。王澤正等分析發現，單一污染物對水稻種子的毒害作用更顯著，而低濃度（100mg·L-1）微塑料和鎘復合時對芽長、根長的生長有一定的促進作用。另一方面，微塑料與重金屬聯合會增加生物體內有毒物質的濃度，毒性作用增強影響到生物的生理功能。微塑料在自然環境中會受酸、堿侵蝕和紫外輻射等發生老化，老化后的微塑料表面結晶度顯著降低，C=O和O-C=O等含氧官能團增加，這些性質的改變增強了微塑料對污染物的吸附，且微塑料老化時間與其吸附污染物的能力呈現正相關性。顧馨悅等研究發現，老化后的PVC微塑料和鎘聯合對小麥根生長的抑制作用更顯著，這可能主要是由于老化的微塑料提高了鎘在小麥體內的富集。微塑料與重金屬之間的復合存在協同作用，其更容易破壞植物的健康狀態。

研究發現，微塑料可成為多氯聯苯（PCBs）、六氯環己烷（HCHs）、多環芳烴（PAHs）等有機污染物的載體，高親和力和分配作用是微塑料與有機污染物的主要共存機制，從而減少水中游離的有機污染物，減弱有機污染物的毒性。通過分配作用微塑料能吸附水體中的8種農藥，減少有機污染物的富集率和利用度，減輕了農藥殘留的危害。此外，微塑料與有機污染物聯合時存在協同毒性效應，可增加生物體內有毒有害物質的濃度，進而影響生物生理功能。王成偉等研究表明，生菜的光合作用和糖代謝被聚苯乙烯（PS）和鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）聯合污染所抑制，從而降低生菜的品質。

5 農田土壤中微塑料防控措施

當前，微塑料污染問題日益嚴峻，但是對陸地微塑料污染的研究還不是很成熟，尤其是關于減緩微塑料污染的一些技術措施和相關政策還不完善，本文在此總結了一些防控措施及治理建議。

5.1 降解土壤中的微塑料

5.1.1 動物降解

昆蟲將塑料制品作為唯一碳源，能夠咀嚼和采食塑料制品，這將為微塑料的生物降解提供重要的生物資源。目前研究發現具有降解、采食塑料能力的昆蟲有8種，研究主要集中在大麥蟲、黃粉蟲和蠟螟幼蟲上。幼蟲期的黃粉蟲、蠟螟可以吞食塑料聚合物，并且這些微塑料可以在其體內被降解。

5.1.2 微生物降解

微生物降解是解決塑料污染問題的一種較為理想的方法（表1），最終將微塑料降解為對環境影響較小的物質。Yo-shida等研究了一類細菌對PET的降解，該細菌可以將PET作為唯一能源和碳源。李紅羽等研究發現，從垃圾填埋場中分離的塑料降解菌可以降解微塑料，以微塑料為唯一碳源培養塑料降解菌50天后發現，微塑料重量有所下降，并且觀察到微塑料表面有侵蝕。

5.2 研發生產可降解塑料

減少不可降解塑料的生產和使用，著重開發可降解塑料。日前，全世界研發的生物降解塑料品種已經比較多，但實現工業化生產的仍然很少。可降解塑料已應用在農業、食品包裝、汽車等行業，可有效解決現在的塑料污染問題。

5.3 減緩微塑料污染的相關政策措施

（1）加強地膜回收力度，同時加強塑料地膜生產使用中的監管力度，部分農戶使用的地膜厚度小于0.008mm，地膜易破碎，增加回收難度。政府應鼓勵農民使用符合標準的農膜，同時予以相應的補貼，提高農民回收地膜的積極性。（2）完善法律法規，當前土壤微塑料污染控制方面的法律法規不夠完善，缺乏針對性，不能滿足微塑料污染防治的要求，應盡快建立健全法律法規，加強微塑料污染防治監管，強化法律的可執行性。

6 研究展望

關于微塑料對農田生態系統影響的研究起步較晚，現有研究成果還未能形成一套完整的體系，為了充分揭示微塑料污染在農田環境中的影響，本文總結以下幾點，以期為后續研究提供思路。

（1）對土壤微塑料的檢測、表示和分析方法統一標準。微塑料研究過程中采用不同方法，會影響到不同研究結果之間的可比性。當前已存在的微塑料分離和檢測方法較多，應當建立統一的標準，以便在全球范圍內更加高效、科學、系統的研究微塑料污染的分布和特征。

（2）重點關注環境中微塑料與其他有機污染物、重金屬等所形成的復合污染。環境中存在多種污染物，與微塑料結合形成復合污染，但當前對形成復合污染物的作用機制還缺乏探究，今后應更加注重復合污染物對生態環境污染的研究。

（3）建立微塑料對土壤動物、植物及土壤微生物效應關系。土壤生物會受到存在于土壤環境中微塑料的影響，建立微塑料對土壤生物效應關系，以便于研究微塑料對土壤系統的影響。

（4）建立土壤中微塑料數據庫。應廣泛開展農業、森林、濕地等不同土壤中微塑料檢測，建立不同類型土壤中微塑料基礎數據庫，更高效地監測土壤中微塑料污染，為預測和評估土壤微塑料的生態風險提供數據支撐。

基金項目：重慶中煙工業有限責任公司資助項目（YL202202）；河南省煙草公司洛陽市公司科技專項（2021410300270050）