農田土壤微塑料污染來源、分布、遷移、轉化、影響等
研究背景
微塑料是最大單邊粒徑小于5 mm塑料的總稱，分為初級微塑料和次級微塑料，其中初級微塑料主要指在生產中被制成微米級的塑料顆粒，作為原料用于工業制造或生活用品生產等，次級微塑料指環境中大塊塑料在物理、化學和生物的作用下破碎和降解成塑料碎屑。微塑料包括薄膜、碎片、顆粒、球形等不同形狀和聚乙烯、聚丙烯、聚酯等不同材質。在海洋、湖泊、河流等水生生態系統以及土壤等陸地生態系統中普遍存在。早期研究集中在海洋等水體生態系統，土壤作為農業生產活動最主要場所，對其微塑料研究卻剛剛起步。以關鍵詞“soil microplastic”“marine microplastic”“microplastic”檢索Web of Science數據庫發現（圖1）, 海洋微塑料的研究報道始于2004年，2011年后發展迅速，而2012年德國科學家Rillig才首次發文呼吁世界科學家加強對土壤微塑料的關注，2016年后逐漸受到重視，但直至2019年，土壤微塑料污染研究報道數量仍不足海洋微塑料的1/3，而研究推測土壤中微塑料污染豐度可能是海洋中的4~23倍，尤其農田土壤微塑料污染亟待開展深入系統研究。
圖1 基于Web of Science數據庫的微塑料污染研究情況統計
摘 要
微塑料是一種新的土壤污染物，對土壤環境與健康有嚴重的影響，已成為國內外研究的熱點。系統分析了農田土壤微塑料的污染現狀與分布特點，總結了不同農業生產方式對土壤微塑料污染豐度的影響及其在土壤中分布和遷移特征，闡述了不同微塑料的污染來源及其對土壤環境的危害，提出地膜覆蓋將成為農田土壤微塑料污染的一個重要來源，微塑料因粒徑、濃度及類型的不同對農田土壤理化性質和土壤生物會造成不同程度的影響，同時也比較分析了土壤微塑料的檢測分析方法與手段，并從土壤微塑料的溯源、遷移轉化、污染危害以及檢測分析手段4個方面對未來需要解決的科學問題和研究方向進行了展望，為農田土壤微塑料的研究以及微塑料污染防控提供參考。
01農田土壤微塑料污染現狀與特點
目前國內外農田土壤微塑料污染現狀研究處于起步階段，微塑料污染呈現空間上分布不均衡的現象，特別是我國農田土壤微塑料出現區域性污染嚴重的情況，與之相比，國外農田微塑料污染程度較輕。農業生產方式不同，土壤微塑料污染豐度也存在顯著差異，據已有文獻報道顯示（表1），設施農田微塑料污染豐度最高；城郊農業次之，且與設施農田相同，多為0~0.50 mm粒徑的微塑料；大田農業微塑料污染程度最低，粒徑0~1 mm的微塑料占主要。設施農田微塑料污染程度較高，與棚膜使用、農事勞作、肥料施用等多種因素有關，且處于封閉環境中，土壤中的微塑料不易流失；與設施農業土壤相比，城郊農業土壤中微塑料污染程度較低，造成這一現象的原因可能與人為活動和塑料制品的頻繁使用有關，較為發達的城市，人口密度大，其微塑料的污染可能也越嚴重；而大田農業土壤中微塑料污染最輕，地膜施用、污水灌溉、污泥農用等可能是其主要來源，且微塑料容易在土壤中遷移，甚至隨雨水等流失，最終匯入海洋、湖泊等環境中。
表1 農田土壤微塑料污染現狀
02農田土壤中微塑料污染主要來源
農田土壤微塑料污染的潛在來源包括灌溉水、污泥農用、施用有機肥、地膜覆蓋、大氣沉降等（表2）。1）灌溉水主要采用地表水、地下水、凈化后的污水等，其微塑料種類多樣，包括纖維、碎片、顆粒等不同形狀和聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯和聚乙烯醇等不同材質。2）污泥農用同樣也是農田土壤微塑料的主要來源，且其主要類型為纖維狀的聚丙烯、尼龍或透明熱塑性聚酰胺材料等。3）Weithmann等調查研究發現有機肥中微塑料主要為片狀的苯乙烯基聚合物，粒徑大部分在2~5 mm。4）最新研究顯示大氣中微塑料95%以上為纖維狀，而粒徑小于0.50 mm的微塑料占總量的50%以上，主要成分包括聚酯、聚氯乙烯、聚乙烯和聚苯乙烯等。城市聚集區受大氣微塑料沉降影響較為顯著，Dris等以巴黎市區為例研究發現每年通過大氣沉降進入該區域的纖維狀微塑料污染量達3~10 t。
此外，隨我國農業發展對地膜覆蓋技術依賴程度的不斷增加，農田土壤地膜源微塑料污染受到越來越廣泛的社會關注。大量地膜的殘留可能成為農田土壤微塑料污染的重要來源。
表2 農田土壤微塑料污染來源
03農田土壤微塑料的分布、遷移和轉化
微塑料在土壤中受多種因素作用進行遷移，且能在光、熱、氧等影響下發生自身的降解轉化。
土壤微塑料遷移過程受到土壤淋溶、動物擾動、農事作業等共同影響。1）Wang等研究發現<20 μm的微塑料能通過土壤孔隙淋溶進行遷移，且具有淺層地下水的潛育區土壤更利于微塑料遷移；2）Rillig等研究了蚯蚓對不同粒徑微塑料的遷移作用，結果發現受蚯蚓活動影響，最小粒徑范圍（710~850 μm）的微塑料被遷移至底層土壤（10 cm），較大粒徑富集于中間土層中，而沒有蚯蚓的情況下，微塑料顆粒停留在土壤表層，表明蚯蚓能促進微塑料在農田土壤中垂向遷移，且對其具有粒徑選擇性；3）耕作方式也是影響微塑料遷移深度的重要因素。傳統耕作方式作用下，微塑料能遷移到20~30 cm土層中；而在免耕土壤中，只影響最表層的微塑料。
土壤中的微塑料在光、熱、氧、物理侵蝕和生物降解等作用下會發生聚合物分子化學結構變化，進一步破碎和降解成粒徑更小的微塑料甚至納米塑料。當微塑料存在于表層或淺層土壤中，其長時間暴露在陽光下，在紫外線照射和空氣中氧的作用下會引發自由基鏈式反應，導致聚合物鏈斷裂和分子量降低，而風化作用、雨水沖刷等物理侵蝕也都能加快微塑料的進一步降解轉化。而在更深的土層中，微塑料處在無光、厭氧環境中，微塑料作為土壤微生物生長發育的碳源或能源，被其利用分解，但降解效率較低，導致更長時間的殘留。除此之外，土壤動物活動也能促進其降解轉化，土壤動物能攝食微塑料，在動物體內受各種酶的影響發生降解過程，隨后可能被動物排出體外，再次進入土壤中。
04微塑料對農田土壤環境與質量的影響
1.微塑料對農田土壤理化性質的影響
微塑料的存在能改變土壤結構，改變土壤水分循環，加劇土壤缺水。Wan等研究了不同粒徑和濃度的聚乙烯微塑料對土壤水分蒸發和干燥開裂的過程，結果顯示小粒徑高濃度（2 mm、1%）的微塑料提高土壤水分蒸發速率最快，使其蒸發速率提高25.90%~30.20%，表明微塑料在土壤中為水的流動創造了通道，加速土壤水分蒸發，加劇農田土壤水分短缺。
微塑料濃度的變化，也能顯著影響土壤中溶解性有機碳（DOC）的含量。高濃度的微塑料能刺激土壤酶活性，有利于有機碳、氮、磷在土壤中的溶解，導致可溶性有機質的積累。
2.微塑料對農田土壤微生物和動物的影響
微塑料的存在也會對土壤微生物多樣性產生顯著的影響。Wang等通過Illumina MiSeq技術對土壤樣品進行測序分析發現，低密度聚乙烯微塑料（2 mm）能改變土壤中的細菌群落，并隨培養時間延長，微生物群落在不斷變化，表明微塑料可以加快土壤細菌群落的多樣性演替。另有研究發現微塑料能抑制土壤微生物活性，因其含有添加劑，如鄰苯二甲酸鹽、雙酚A和吸附重金屬等，阻礙微生物體的繁殖發育；微塑料對土壤微生物的影響是復雜的過程，未來亟待更深入的研究。
微塑料對土壤動物生長、存活和繁殖均會產生影響，能使蚯蚓體重下降27.60%~29.80%，隨粒徑減小和濃度增加對蚯蚓產生更嚴重的毒害作用，甚至造成致死損傷。粒徑<1 mm的聚乙烯微塑料能被蚯蚓攝食進入腸和中腸道內，引起組織病理損傷及免疫應答。而58 μm濃度范圍在1%~2%的聚苯乙烯微塑料能抑制蚯蚓生長，使其死亡率達40%。此外，有研究發現低濃度（2.50×10-2%、0.05~0.10 μm）的聚苯乙烯微塑料能顯著增加蠕蟲的繁殖率，而較高濃度對蠕蟲繁殖無顯著作用。
3.微塑料對農作物的影響
微塑料可通過影響土壤水分蒸發等理化性質，影響植物的生長發育。Machado等研究發現聚對苯二甲酸乙二醇酯微塑料（5 mm、5%）能加速土壤水分蒸發，促進植物蒸發蒸騰，使其蒸騰量增加50%，導致植物根徑平均減少5%，抑制蔥的生長。微塑料還能隨粒徑和濃度的改變對幼苗生長產生影響，劉鎣鎣等研究發現小粒徑高濃度（2.30×10-2~3.80×10-2 mm、10%）的微塑料顯著降低幼苗的含水率，對幼苗生長表現出抑制作用，降低綠豆幼苗的干重、鮮重、根長和芽長，而較大粒徑（0.55~0.88、1.06×10-1~1.50×10-1 mm）的微塑料對其生長發育沒有顯著作用。
微塑料還能被作物吸收，進入作物體內，對作物生長產生不利影響。Bosker等研究顯示納米級微塑料（4800 nm、107 particles/mL）能堵塞種子囊孔，并在后期積累在根毛上，阻礙種子發芽，使種子發芽率從78%下降到17%。李連禎等研究還發現0.20 μm的聚苯乙烯微塑料（10 mg/mL）可被生菜根部大量吸收和富集，并可在根壓和蒸騰拉力的作用下，積累和分布在可被直接食用的莖葉之中。此外，納米微塑料（20 nm）還可通過內吞作用進入煙草細胞，這也表明小粒徑的納米級塑料可能通過植物根際吸收進入植物體內，造成不良效應。有研究顯示微塑料還能破壞水稻組織，誘導脂質過氧化，破壞細胞膜，抑制作物根活性，降低水稻凈光合速率，并使其葉綠素熒光和葉綠素a含量降低，從而降低水稻生物量。
表3 微塑料粒徑對其遷移轉化過程和污染危害的影響
05微塑料的檢測分析方法
土壤中微塑料的檢測評價方法有多種（表4），根據試驗需求和樣品特性采用適合的方法。
表4 土壤微塑料的檢測分析方法
06存在問題及未來研究展望
土壤微塑料污染作為新型環境問題逐漸引起社會廣泛關注，目前研究者們針對農田土壤微塑料污染的現狀與特點、來源與分布遷移特征、污染危害以及檢測分析方法等方面進行研究，但相關研究尚不充足，仍處于探索積累階段，未來還需要從以下幾方面開展深入研究：
1）需要明確土壤微塑料的來源，特別是地膜源微塑料污染貢獻率。土壤中微塑料來源廣泛，且不同土地類型微塑料污染豐度差異顯著，目前對于各地區土壤微塑料來源的檢測研究尚不充足，特別是地膜源微塑料的污染貢獻率仍未知，近些年來我國北方地膜投入量大，亟待加強對地膜源微塑料的檢測評價，土壤微塑料的來源與評價是未來研究的重點。
2）需要進一步探究土壤微塑料的遷移機制及地膜源微塑料降解轉化過程。土壤中微塑料能在農事勞作、土壤淋溶、動物擾動等因素下進行遷移，但目前對于土壤微塑料遷移機制及動力學過程研究仍缺乏，湖泊及海洋等是否最終會成為土壤微塑料的匯集地有待進一步研究，未來應探究土壤微塑料的歸趨，揭示地膜源微塑料的降解轉化過程，追溯地膜源微塑料發生、發展及衍化過程，預測農田土壤地膜源微塑料污染發展趨勢。
3）微塑料對農田生態系統、食物鏈及人體健康的風險還需要開展全面系統的分析評價。微塑料對農田土壤環境與質量均產生不利影響，而微塑料隨食物鏈傳遞以及在各個營養級間富集的研究剛剛起步，對人體的危害研究尚未十分充足，未來應重點研究微塑料的自身與負載毒性對食物鏈及人體健康的污染危害，重視微塑料隨粒徑和濃度改變對農田生態系統的影響。
4）需要建立完善的土壤微塑料的分離鑒定分析方法。土壤是個復雜的生態系統，土壤質地和土壤中的有機質等都可能影響微塑料的分離鑒定結果，與水體和沉積物中微塑料的分離、鑒定相比更為困難，隨研究技術的發展，農田土壤微塑料的檢測分析方法多樣，但仍存在局限性，且未考慮到不同性質土壤和不同類型微塑料對分離與鑒定的要求，未來應依據土壤性質和微塑料類型進行分離與鑒定的方法學研究，建立系統研究手段。
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