我国59个长期覆膜样地的表层土壤中邻苯二甲酸酯污染状况分析

靳拓，许丹丹，薛颖昊，习斌，孙建鸿，彭可为，张杰，金德才

1. 湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128 2. 农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125 3. 湖南省花垣县农业农村局，湘西土家族苗族自治州 416499 4. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085

随着我国经济的发展，塑料类制品得到广泛使用。邻苯二甲酸酯(PAEs)作为塑化剂被大量应用于食品包装、装修材料、医疗器械、化妆品和玩具等各种日用产品中，也作为地膜被广泛用于农业的生产活动中[1]。由于PAEs和塑料制品间非紧密结合，PAEs很容易游离到周边环境当中[2]。目前，塑化剂已经成为全球性的环境污染物，在河流、湖泊、土壤和空气等环境介质中检均能测出不同程度的塑化剂污染[3-4]。由于塑化剂可通过吸入、摄入或皮肤吸收进入人体，在人的血清、尿液、母乳以及其他生物组织中均检测到塑化剂的存在[5]。PAEs作为一类环境激素类化合物，在人体内具有类似于雌性激素作用，不但可导致内分泌紊乱，而且具有胚胎毒性、生殖毒性和遗传毒性[6]，同时生活在PAEs污染水平高的环境中会增加人们患病的概率，如Yang等[7]发现PAEs暴露是促进肌肉减少症发生的一个重要因子；Zhang等[8]发现室内灰尘中的PAEs浓度和儿童哮喘症状呈正相关，尤其在女孩当中更为显著。目前邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)和邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)6种PAEs已被美国环境保护局(US EPA)列为优先控制污染物，我国也将其中的3种邻苯二甲酸酯类化合物(DMP、DBP和DNOP)列为优先控制的有毒污染物[9]。

据统计，我国每年塑料地膜使用面积高达1 500万hm2左右，是世界上塑料地膜使用量最多的国家，地膜覆盖在农田保温保湿、促进农作物产量等方面发挥了重要作用，然而其中的添加成分如塑化剂也对农田环境造成了污染。近年来关于覆膜农田土壤的PAEs污染调查较多，如郑顺安等[10]调查发现，在西北地膜高投入的5个典型县，土壤中6种优先控制的PAEs含量为0.103～1.117 mg·kg-1，均值为(0.532±0.175) mg·kg-1。易鸳鸯等[11]采集了新疆五家渠地区不同地膜使用年限的棉田土壤样品，对6种优先控制的PAEs含量进行了检测，结果表明，土壤样品中6种PAEs总量范围为1.360～4.490 mg·kg-1，均值为(2.770±0.919) mg·kg-1。然而，目前对我国不同覆膜年限的农田土壤的PAEs污染状况研究仍然很少，或者仅集中于一个地点的样品分析。本文选择我国59个不同覆膜年限的农田作为研究对象，采集农田土壤样品并采用气相色谱质谱联用方法对土壤中6种PAEs化合物进行检测，重点对其含量水平、组成情况及分布特点进行了分析，并对其污染风险进行了评估，旨在为我国覆膜农田土壤污染管控工作提供参考依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 土壤样品采集

在实地调研的基础上，选择我国28个省份/自治区的长期覆膜农田，布设表层土壤采样点59个，具体采样点位信息如表1所示。2019年5月采样，先对采样点表层进行清扫，采用五点法采集土壤样品，混合成一个样品，每样点所采土样约1 kg，记下样点实际地理位置和种植作物等基本信息。土壤样品带回实验室后自然风干，除去小石子、杂草等外源物质，过1 mm的不锈钢筛，处理好后，置于棕色玻璃瓶中保存，等待实验室分析。同时，通过走访交谈、问卷调查等手段，获得农田土壤覆膜信息。

表1 59个样点的采样分布Table 1 Distribution of 59 sampling points

1.2 仪器与试剂

Thermo Scientific ITQ 900气相色谱质谱联用仪(美国)；RE-52AA旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂，中国)；KQ-100KDE超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司，中国)；Mixplus旋涡混合器(合肥艾本森科学仪器有限公司，中国)。

6种邻苯二甲酸酯类化合物混合标液(坛墨质检科技股份有限公司，北京，中国)，浓度为1 000 μg·mL-1，包括DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP和DNOP；正己烷、乙酸乙酯和二氯甲烷等均为色谱纯(ThermoFisher Scientific，美国)；固相萃取柱为PSA/Silica复合填料玻璃柱(1 000 mg，6 mL)(广州信谱徕科学仪器有限公司，中国)。

1.3 样品前处理

取2 g干燥过筛后的土壤样品，搅拌均匀，加入10 mL乙酸乙酯，超声振荡40 min，重复3次，静置至少30 min，收集2 mL上层清液，待净化。采用固相萃取法对提取液进行净化，固相萃取小柱为PSA/Silica复合填料玻璃柱。依次向柱中加入10 mL二氯甲烷、6 mL乙酸乙酯，弃去流出液；将待净化液加入柱中，控制流速1 滴·s-1，收集2 mL流出液，后进行溶剂置换，正己烷准确定容至2 mL，过0.22 μm的有机相滤膜，供色谱质谱联用仪(GC-MS)分析。

利用GC-MS进行样品分析。色谱条件：DB-5 MS石英毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；载气为高纯氦气(纯度>99.999%)，载气流量1.5 mL·min-1；进样方式为不分流进样，进样量为1.0 μL；进样口温度280 ℃；柱温为程序升温(初始柱温60 ℃，保持1 min；以20 ℃·min-1升温至220 ℃，保持1 min；再以5 ℃·min-1升温至280 ℃，保持5 min)。质谱条件：电子轰击电离源(EI)；电离能量70 eV；传输线温度280 ℃；离子源温度230 ℃；采用SIM模式进行质谱全扫描。采用0.5、1、2、3、4和5 mg·L-1浓度的6种PAEs做工作曲线。土壤中添加6种PAEs用以计算回收率，回收率均>77%。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和SPSS 22.0进行统计分析，使用Pearson方法分析覆膜年限、比例等与土壤中PAEs含量之间的相关性。

2 结果(Results)

2.1 邻苯二甲酸酯工作曲线的绘制

根据上述GC-MS检测条件，6种PAEs混合标准液中各单体能够完全分离(图1)。将6种PAEs标准样品配制成6个浓度，分别为0.5、1、2、3、4和5 mg·L-1，以PAEs标样浓度为横坐标，以峰面积为纵坐标，仪器自动绘制标准曲线，并计算测试样品的浓度。

图1 6种邻苯二甲酸酯(PAEs)标准溶液的色谱图(2 mg·L-1)注: 1为邻苯二甲酸二甲酯(DMP)；2为邻苯二甲酸二乙酯(DEP)；3为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)；4为邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)；5为邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)；6为邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)。Fig. 1 Chromatogram of 6 phthalates (PAEs) mixed standard solution (2 mg·L-1)Note: 1 represents dimethyl phthalate (DMP); 2 represents diethyl phthalate (DEP); 3 represents dibutyl phthalate (DBP); 4 represents benzyl butyl phthalate (BBP); 5 represents di-(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP); 6 represents di-n-octyl phthalate (DNOP).

2.2 土壤中PAEs化合物的总含量(Σ6PAEs)分析

表2中的检测数据表明，在59个样地土壤中6种邻苯二甲酸酯类塑化剂的总浓度(∑6PAEs)从最低的0.221 mg·kg-1(以土壤干质量计)至最高的4.304 mg·kg-1(以土壤干质量计)，最高浓度的土壤采自广西壮族自治区梧州市的农田土壤，其次为采自重庆市黔江区和云南省昭通市的农田土壤，分别为0.614 mg·kg-1(以土壤干质量计)和0.611 mg·kg-1(以土壤干质量计)，最低的为安徽省淮南市的农田土壤。所测试的59个样地中6种PAEs的含量均值为0.433 mg·kg-1，其中仅有1个样品>1 mg·kg-1。

表2 59个样地土壤中的PAEs含量Table 2 Concentration of PAEs in the 59 soil samples (mg·kg-1)

2.3 土壤中PAEs化合物单体的含量特征

按照PAEs种类来说，DEHP、DBP和BBP为主要的3种检出类型，平均浓度分别达到0.162、0.133和0.101 mg·kg-1(以土壤干质量计)(表3)，浓度最高的分别为广西壮族自治区梧州市、重庆市黔江区和云南省昭通市的农田土壤，浓度最低的为采集于安徽省淮南市的农田土壤。本研究检测的6种单体中，DEP的检出率为0，其余单体的检出率均为100%。这6种化合物在土壤中的平均含量依为：DEHP>DBP>BBP>DNOP>DMP，其中DEHP占总的PAEs浓度比为8.349%～63.43%，DBP占∑6PAEs浓度比为9.702%～86.494%，BBP占∑6PAEs浓度比为3.095%～44.721%。

表3 59个土壤样地中单个PAEs的检测数据统计Table 3 Statistics of single PAEs pollution in the 59 soil samples

2.4 土壤PAEs种类和∑6PAEs与地膜用量、年限和覆膜比例的相关性分析

对59个样地土壤中6种PAEs含量及∑6PAEs与地膜用量、覆膜年限、覆膜比例进行了相关性分析，结果如表4所示。不考虑土壤性质和采样地点等差异，未发现6种优控PAEs化合物和∑6PAEs的含量与地膜用量等存在显著相关。

表4 土壤PAEs浓度与地膜使用之间的Pearson相关性分析Table 4 Pearson correlation coefficients of PAEs concentration and mulch film application

2.5 土壤中PAEs的超标情况

由于我国还没出台农田PAEs控制标准，故与美国纽约州土壤中6种PAEs化合物控制和治理标准进行了比较(表5)，DMP只有1个点位超标，而DBP超标率是35.60%，其他4种PAEs的污染情况均未超过控制标准。所有的样品中PAEs含量均未超过土壤治理标准。其中广西壮族自治区梧州市农田土壤中的DBP污染超标最严重，达到了45.96倍。其次为来源于河南省驻马店市的农田土壤，DBP超标3.010倍。

表5 美国纽约州土壤PAEs化合物控制标准与治理标准[12]Table 5 Soil allowable concentration and cleanup objective of PAEs compounds in New York State, USA[12]

3 讨论(Discussion)

目前关于农田土壤中的PAEs污染水平的研究较多，但是对于长期覆膜的农田土壤关注相对较少。

本研究的检测结果表明，59个样地土壤中6种优控PAEs化合物总含量(∑6PAEs)为最低的0.221 mg·kg-1(以土壤干质量计)至最高的4.304 mg·kg-1(以土壤干质量计)，均值为0.433 mg·kg-1(以土壤干质量计)。长期覆膜的6种PAEs含量与其他文献的结果相比，并没有显著差异，如李国秀等[13]调查了西安市杨凌区设施蔬菜基地土壤中PAEs的污染状况，结果显示，在分析的土壤样品中检测出12种PAEs化合物，总含量为0.005～3.524 mg·kg-1，平均值为0.060 mg·kg-1。陈佳祎等[14]采集了北京市的10个典型设施蔬菜基地60个大棚的土壤样品，15种PAEs总的浓度范围为0.05～2.02 mg·kg-1，平均浓度为0.98 mg·kg-1。赵胜利等[15]对珠江三角洲城市群中的典型中小城市的菜园和果园表层土壤中的16种PAEs进行了测定，结果显示，东莞土壤的16种PAEs总含量最高，平均达3.710 mg·kg-1；最低的为惠州土壤，为0.600 mg·kg-1。周斌[16]对黄淮海地区设施菜地土壤和大田土壤中16种PAEs的污染情况及农业投入品开展了调查，结果显示PAEs在黄淮海地区农田土壤的检出率为100%，16种PAEs浓度范围在0.066～3.646 mg·kg-1之间，平均值为0.912 mg·kg-1。冯艳红等[17]发现江苏省设施菜地土壤样品中6种PAEs范围为0.042～0.276 mg·kg-1，平均值为0.117 mg·kg-1，检出率为100%。吴山等[18]采用GC-FID检测了汕头市蔬菜产区的63个表层土壤样品，结果显示，汕头市蔬菜产区土壤样品中6种PAEs化合物总浓度范围为0.018～9.303 mg·kg-1，平均含量为0.721 mg·kg-1。李玉双等[19]分析了土壤中US EPA优控的6种PAEs在沈阳市新民蔬菜基地设施农业土壤的分布特征，结果显示6种PAEs浓度范围为0.52～1.73 mg·kg-1，平均值为0.94 mg·kg-1，∑6PAEs含量超过1 mg·kg-1占比32%。相对于我国国内在塑化剂污染状况的大量调查，国外在农田土壤塑化剂污染方面开展的工作较少，Tran等[20]在法国丰特奈莱布里伊的农业土壤中检测到9种PAEs污染物，其中DMP和DNOP未检出，DEP、DBP、BBP和DEHP的总浓度为0.260 mg·kg-1。Rhind等[21]调查发现苏格兰表土中DEHP的污染水平为0.025～1.596 mg·kg-1，平均值为0.258 mg·kg-1。由此可见，本研究中的我国59个样地的表层土壤中检测到的PAEs总量相较于其他农业功能区，处在同一个数量级。对于城市土壤，廖健等[9]分析了杭州西湖景区土壤环境中PAEs的污染情况，西湖景区6种PAEs浓度范围为0.597～7.360 mg·kg-1，均值为2.963 mg·kg-1；张文娟等[22]在西安市三环内采集了62个表层土壤，发现其中6种PAEs总浓度为1.54～153.17 mg·kg-1，平均值为10.95 mg·kg-1。从平均值来比较，59个长期覆膜农田土壤的6种PAEs浓度显著低于城市表层土壤。

59个长期覆膜农田表层土壤中PAEs的构成主要以DBP和DEHP为主，二者约占∑6PAEs的43.508%～94.843%，主要的PAEs种类和其他的文献报道也基本一致，如陈佳祎等[14]发现DBP在10个典型设施蔬菜基地的土壤中含量最高，其次为DEHP。戴华鑫等[23]发现DBP和DEHP是河南植烟土壤中的主要PAEs污染物，均值分别达到了0.348 mg·kg-1和0.131 mg·kg-1。在江苏省不同设施菜地土壤中，DBP和DEHP同样是占比前2位的PAEs种类[17]。张小红等[24]发现DEHP、DBP和邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)是宁夏回族自治区6种不同土地利用类型共87个土壤样品中最主要的3种污染单体，分别占6种优控PAEs污染物的58.3%、13.9%和11.8%。吴山等[18]发现汕头市蔬菜土壤样品中检测到的6种PAEs污染物以DBP(50.1%)和DEHP(21.8%)为主。在笔者检测的59个样地土壤中，DEHP是最重要的污染物，其次为DBP。DBP和DEHP在农田土壤中的污染及其风险，需要引起广泛关注。

长期使用塑料薄膜可增加土壤中PAEs的污染程度。李瑾等[25]发现土壤中PAEs含量累积与地膜使用年限成正比。易鸳鸯等[11]发现覆膜前5年，PAEs残留随着时间增长不断增加，5年后土壤PAEs总量和覆膜年限的增长并非呈现线性增长趋势。由于我们研究的样地分布在不同的地理位置，土壤性质差异很大。同时，PAEs在土壤中能被微生物降解或者被作物吸收，因此它的含量是动态变化的，Kong等[26]发现DBP在不同类型土壤中的降解存在着显著差异，而微生物在DBP的降解速度方面起着重要的作用，暗示着土壤中的PAEs残留量与不同土壤中微生物种群差异显著相关，而微生物的演替又受土壤理化性质的影响，尤其是pH[27]。而pH被认为与土壤的PAEs含量成显著负相关[23]。本研究结果暗示着在更大的区域尺度，土壤性质对PAEs残留量影响更大。对PAEs的风险管控的同时，应考虑地区土壤与环境的差异。

陈佳祎等[14]在60个北京设施蔬菜基地土壤中，检测到有57个样品DBP超过控制标准，超标率95%，最高超标14倍。戴华鑫等[23]调查发现DBP在河南植烟土壤中超标率超过97%。李国秀等[13]在对西安市杨凌区蔬菜基地土壤检测分析中发现，DBP的平均含量超过控制标准，超标率为50%。本研究中，59个长期覆膜农田土壤样品中6种PAEs含量与美国优控的6种PAEs化合物的控制标准相比，21个样地土壤中的DBP含量均超过控制标准，超标率35.60%。由此可见，全国各地农业土壤中的DBP均有超标现象，亟待重视。