土壤微塑料污染管控对策研究

王伟平,李 欢,赵洋尘,姜晓旭,安立会①

(1.中国环境科学研究院国家环境基准与风险评估重点实验室,北京 100012;2.山东省潍坊生态环境监测中心,山东 潍坊 261061:3.中国环境监测总站国家环境保护环境监测质量控制重点实验室,北京 100012)

自20世纪50年代以来,全球塑料生产和使用呈爆发式增长,塑料年生产量从1950年的1.70×106t激增到2020年的3.67×108t,塑料累积产量更是高达96.00×108t[1]。塑料的广泛使用产生了大量塑料垃圾,不负责任的消费、不完善的废物回收体系和不健全的废物管理制度,导致大量塑料垃圾被丢弃而进入环境,造成日益严重的塑料污染[2]。有研究[3]报道,全球仅有不到9%的塑料垃圾被回收和有效利用,12%被焚烧,而绝大部分(79%)塑料垃圾则被填埋或进入环境和生态系统。与此同时,塑料垃圾在环境中不断被降解、破碎,导致更广泛的次生污染,即微塑料污染[4-5]。

土壤是陆地生态系统最重要构成部分,更是所有陆地生态系统存在和发展的基础。土壤,特别是农田土壤,也普遍存在来自农膜、农药包装、活性污泥土肥利用、污水灌溉和大气沉降等途径微塑料的污染[6-8]。有研究[9]指出,每年进入农田土壤的微塑料通量明显高于海洋,导致陆地微塑料丰度是海洋的4～23倍。然而,全球土壤微塑料丰度差异较大,每千克土壤中微塑料从几乎未检出至上万个颗粒,呈现明显的区域差异。调查显示,智利农田和牧场土壤中微塑料丰度分别为(306±360)和(184±266)个·kg-1[10],悉尼工业区土壤中微塑料丰度范围为300～6 900个·kg-1[11],而德国兰恩河冲击平原土壤中微塑料丰度则仅为(1.88±1.49)个·kg-1[12]。同样,我国土壤也普遍存在微塑料污染,如山东沿海土壤微塑料丰度范围为1.3～14 712.5个·kg-1[13],而新疆农田土壤中粒径为0.9～2.0 mm的微塑料丰度就高达40.35 mg·kg-1,并且微塑料丰度随农膜使用时间延长而明显升高[14]。越来越多的研究证实,微塑料不仅影响土壤pH、结构、肥力和微生物群落结构[15],还能够干扰植物光合作用,进而影响植物正常生长[16],而纳米塑料甚至可以进入植物体和果实,最终影响作物产量和农产品质量[17-18]。因此,及早关注土壤微塑料污染,防范土壤微塑料污染生态风险,确保农产品安全,是世界各国共同面临的重大环境挑战之一。

基于土壤微塑料污染防治方面存在的问题,提出我国土壤微塑料污染管控对策建议,以期为落实《新污染物治理行动方案》(国办发〔2022〕15号)“制定‘一品一策’管控措施”的要求提供思路,同时为我国土壤微塑料污染治理和风险管理提供有益借鉴。

1 土壤微塑料污染防治面临问题

微塑料作为一类新污染物,已有研究主要集中在海洋、河口、河流和湖泊等水体以及沉积物和生物体,并重点开展了微塑料赋存水平、分布规律、传输过程、来源解析和生态毒理效应等方面研究。与之相比,土壤微塑料污染状况受关注较晚,研究相对较少,在科学防治和精准治理方面仍面临较大压力,主要表现在3个方面。

(1)缺少土壤中微塑料的监测技术规范。当前有限的调查结果表明,土壤中微塑料赋存水平差异最大可达到8个数量级[19]。这不仅与调查区域土壤类型、生产生活强度和种植养殖方式等因素有关[20],还与不同的检测分析方法有关,导致调查结果之间缺少可比性。同时,现有研究采用数量丰度(个·kg-1)和质量浓度(mg·kg-1)表征土壤中微塑料丰度,也导致不同调查数据之间缺少可比性。土壤中微塑料分析过程主要包括样品前处理和颗粒材质鉴定。其中,样品前处理是为了将微塑料从土壤介质中有效分离出来,方法包括筛分、消解和浮选。筛分是利用不锈钢网筛去掉较大颗粒(粒径>5 mm)和杂质(如石块、树枝和杂草等),减少非塑料材质的干扰,同时也可以将目标颗粒进行初步分级,即根据不锈钢筛孔径将样品分成<0.5、0.5～1.0和>1.0～5.0 mm等不同粒径组分,提高后续对颗粒材质和粒径分析的效率。在此基础上,进一步利用过氧化氢和芬顿试剂、HNO3和KOH等酸碱溶液以及酶液[21]对待测样品进行消解,去除土壤基质中有机质,减少杂质对微塑料定性和定量分析的干扰。但由于强酸会破坏甚至溶解一些材质的微塑料[24],因此在现有研究中较少被使用。与此同时,不同研究在消解样品过程中采用的处置条件也不同,包括消解时间、温度、次数、是否持续搅拌以及土壤样品质量与消解液体积的固液比等,导致样品杂质的去除效果差异较大,最终会影响目标颗粒的精确定量。为有效提取土壤样品中微塑料,不同研究往往基于密度浮选原理利用高浓度盐溶液对消化后的土壤样品进行浮选,常用盐溶液包括氯化钠(NaCl,1.2 g·mL-1)、氯化锌(ZnCl2,1.5 g·mL-1)、甲酸钾(HCOOK,1.5～1.8 g·mL-1)和碘化钠(NaI,1.8 g·mL-1)溶液(表1[22-32]),利用微塑料密度较小而易漂浮在盐溶液表面的原理,进而实现分离。同时,用于浮选的装置不尽相同,不同装置对微塑料的分离效率也存在差异,如LIU等[26]利用循环分离装置分析土壤中微塑料的回收率为85%～100%,而LI等[33]利用分离浮选装置提取土壤中微塑料更是取得了92.0%～99.6%的高回收率。另外,有研究采用油提取方案分离土壤中微塑料,并得到较高回收率[34]。

表1 常用分离浮选微塑料盐溶液[22-32]

土壤微塑料检出丰度还与微塑料聚合物材质鉴定方法的灵敏度有直接关系。目前,常用检测方法有荧光染料法、傅里叶红外光谱法、拉曼光谱法、激光红外成像法和热解分析法[35],而目视法和显微镜直接观测等方法因无法判别微塑料材质而较少使用。通常情况下,光谱法需要先在显微镜下将待测颗粒逐一挑拣出来,然后利用傅里叶变换红外光谱仪或拉曼光谱仪进行鉴定,将所得光谱与标准谱库进行比对,根据设定的匹配度和基团特征峰最终确定目标颗粒材质。因受操作员经验和检测仪器条件限制,尽管傅里叶变换红外光谱仪的理论检测粒径下限为20 μm,甚至达10 μm[36],但更适用于50 μm以上的较大颗粒的分析,而拉曼光谱仪理论检测下限为1 μm,但易受荧光背景干扰而影响材质鉴定结果[37]。近年发展起来的激光红外成像仪分析微塑料粒径理论下限为5 μm,但具体操作时一般设置为10或20 μm以提高分析准确率。与光谱检测方法需要较复杂的前处理不同,采用热重分析质谱法(TGA-MS)分析土壤中PET颗粒时无需前处理,并且可以进行批量分析[38]。与热裂解质谱法(PY-GC/MS)相比,热脱附质谱法(TED-GC/MS)的分析效率更高[39],但易造成样品损失,且灵敏度也较低。另外,通过光谱法只能得到微塑料数量丰度,而热解法只能得到样品中微塑料质量浓度,并且无法得到微塑料形态、粒径和丰度等特征信息。更重要的是,微塑料对土壤的毒性不仅与聚合物类型有关,还与微塑料粒径、形状、老化程度、添加剂组分、表面吸附污染物甚至土壤微生物种类等多个因素有关,但当前采用的各种分析方法均无法同时给出这些关键信息。因此,土壤微塑料分析方法差异导致现有研究数据之间缺少可比性,从而降低现有研究数据的使用价值。

(2)缺少土壤中微塑料的环境质量标准。土壤环境质量标准和基准是土壤保护的基础,也是开展土壤污染防治的主要依据。目前,我国土壤环境质量标准执行的是适用于农田、果园、茶园和牧草地等农用地土壤环境质量评价与管理的GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》和适用于建设用地土壤环境质量管理的GB 36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》。其中,农用地土壤污染风险筛选值包括镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍和锌8个基本项目以及六六六、滴滴涕和苯并[a]芘3个其他项目,建设用地土壤污染风险筛选值和管制值包括砷、镉和铬等43个基本项目和锑、铍和石油烃等40个其他项目,但相关指标均未涉及大块塑料和微塑料。因此,农业用地和建设用地土壤中微塑料污染的监测和质量标准还处于空白状态,缺少评判土壤微塑料污染程度的统一标准,无法支撑土壤环境微塑料污染防治的管理要求。

(3)不同管理部门之间政策不协调。城市污水处理厂的活性污泥是农业用地微塑料的重要来源之一[8]。有研究[9]估算,瑞典、丹麦等欧洲国家每年因使用污泥肥料向农田土壤输入6.3万～43万t微塑料,而美国等北美国家每年通过活性污泥向农田土壤输入4.4万～30万t微塑料。我国污水厂活性污泥的农业资源化利用率接近污泥产生总量的10%,并呈上升趋势,但不同管理部门对活性污泥的资源化利用尤其是农业利用出台的政策互不协调[40]。我国现行的GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》由国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会于2018年正式批准发布并于2019年6月1日起开始实施,标准规定了城镇污水处理厂污泥在耕地、园地和牧草地农用时的污染物控制指标,包括总镉和多环芳烃等11项污染物指标,pH和有机质等4项理化指标,以及粪大肠杆菌和蛔虫卵死亡率2项卫生学指标,并且要求年累积使用量不应超过7.5 t·hm-2,且连续使用不应超过5 a,但未包括微塑料指标。2021年,农业农村部发布农业行业标准NY/T 525—2021《有机肥料》,明确提出污泥属于有机肥料的禁用类原料,即禁止污泥用于生产农业有机肥料,尽管该标准未提及微塑料,但这能从源头减少污泥中微塑料进入农用地。然而,同年国家发展和改革委员会及住房和城乡建设部联合印发《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》(发改环资〔2021〕827号),规划“污泥无害化处理满足相关标准后,可用于土地改良、荒地造林、苗木抚育、园林绿化和农业利用”,但没有明确指出“相关标准”是哪些标准,并且对污泥中存在的微塑料未提出具体管控要求。不同管理部门对污泥资源化利用尤其是农业利用政策之间的不协调,导致对污泥中微塑料的管理出现空白,在具体落实过程中易造成执行政策时的矛盾。

(4)科技支撑能力较弱。与水环境尤其是海洋环境开展了大量微塑料污染研究相比,土壤微塑料研究起步相对较晚,现有研究内容主要集中在土壤微塑料污染的环境调查、地域分布以及微塑料与土壤动植物之间的相互作用和潜在影响等[20,35]。然而,受监测方法和调查范围限制,目前研究对土壤微塑料污染底数、分布特征和迁移规律仍不清楚,与能准确解析不同污染源的贡献方面的需求相比还存在较大差距;同时,由于土壤微塑料污染的环境基准研究滞后,微塑料污染对土壤生产力尤其是农业生产带来的生态风险及其潜在健康风险仍缺少直接的科学证据,现有研究结果无法全面支撑土壤微塑料污染精准治污和科学治污的需求,也导致土壤微塑料污染防控进程与社会期望之间存在较大差距。

2 土壤微塑料污染管控对策建议

2022年3月第五届联合国环境大会(UNEA 5.2)续会一致通过了《终结塑料污染:迈向达成一项具有国际法律约束力的文书》决议,目标是在2024年底前制定一项具有法律约束力的国际公约以解决塑料污染(包括微塑料)这一全球重大环境问题,这被认为是自《巴黎协定》以来最重要的环境多边协议,意味着国际社会对塑料污染(包括微塑料污染)治理已达成共识。与此同时,各国均认识到环境微塑料污染治理的关键在于基于预防原则的源头控制,即除了减少对塑料制品的不合理使用、加强塑料垃圾分类并提高废旧塑料回收和再生利用水平、加大环境友好型替代材料研发和推广使用外,重点从源头减少和预防塑料与微塑料进入环境[41]。尽管至今各国尚未制定土壤微塑料污染治理修复的针对性措施,但基于目前土壤微塑污染所面临的关键问题和迫切挑战,在进一步落实《关于进一步加强塑料污染治理的意见》(发改环资〔2020〕80号)、《“十四五”塑料污染治理行动方案》(发改环资〔2021〕1298号)等现有政策基础上,还应从以下5个方面加大微塑料污染防控力度,推进土壤微塑料污染治理进程。

(1)科学制定土壤微塑料监测技术规范。在系统梳理当前调查和研究采用的各种分析方法基础上,结合对土壤理化性质和微塑料来源的已有认识,尽快制定土壤微塑料监测技术规范,包括土壤微塑料的定义、样品采集、干燥处理、消解条件、分离浮选、材质鉴定、粒径、数据表征方式以及质量控制等方面要求,不断丰富土壤微塑料监测获得信息,并逐步将微塑料纳入土壤环境监测指标体系,有序提升我国土壤微塑料污染的监测能力。

(2)通过土壤微塑料污染专项调查推动建立环境质量标准。在制定土壤微塑料监测技术规范的基础上,按照先农用地后建设用地和未利用土地、先农村后城镇、先重点后一般的原则,开展全国土壤微塑料污染现状专项调查,全面系统掌握我国土壤微塑料污染底数和时空动态变化,绘制全国土壤微塑料污染数据“一张图”。在此基础上,结合微塑料对土壤理化性质、动植物、农作物和土壤微生物的影响以及微塑料与土壤其他污染物相互作用等研究进展[42],制定土壤环境质量基准,推动建立土壤微塑料环境质量标准,不断补充完善GB 15618—2018标准。

(3)尽快形成污泥资源化利用的跨部门协调。以控制污泥中微塑料二次释放并进入土壤的风险为管理目标,提高污泥无害化处理处置的技术要求,将微塑料纳入污泥资源化利用评价指标,调查污泥在资源化利用过程中向土壤输入的微塑料总量,评估污泥中微塑料对土壤生态系统的潜在影响,完善污泥农用技术规范,对污泥资源化利用尤其是农业利用形成各参与部门共同认可并具有主动执行意愿的新政策或规则,推进制定源头预防政策。

(4)稳步提升土壤微塑料防治的科技支撑能力。加强土壤微塑料对陆地生态系统影响研究,探索微塑料对土壤动植物的毒理效应与粒径、老化程度、添加剂及表面吸附环境污染物之间的内在关系,揭示微塑料对动植物和微生物影响的作用机制,构建土壤微塑料污染风险评估框架,提高对土壤微塑料污染潜在生态危害和健康风险的认识。同时,利用同位素示踪、高光谱成像等技术开展土壤微塑料溯源分析,揭示微塑料在土壤环境中的迁移、转化和降解过程,全面支撑土壤微塑料污染防治的科技需求。

(5)不断提高公众环境保护意识。借助微信公众号、数字杂志和抖音平台等新媒体向社会广泛宣传土壤微塑料污染带来的环境问题,积极发展公民科学,引导社会公众对土壤微塑料污染危害的科学认知,提高全民对微塑料污染的理性认识,转变对一次性塑料包装制品的过度消费模式,鼓励全民参与塑料和微塑料污染防治,从根本上遏制塑料与微塑料污染发展态势。

3 展望

我国是人口大国,也是农业大国,“民以食为天,食以安为先”,粮食生产安全和农产品质量关乎社会稳定。因此,微塑料污染对土壤环境质量和农产品的影响不仅是亟待解决的环境科学问题,更是社会发展问题,这就要求以科学的方法揭示土壤微塑料污染过程和影响,科学评估土壤微塑料污染的生态风险和健康危害,以可靠的科学证据回应社会的关切并支撑管理决策,具体包括:

(1)有序推进土壤微塑料污染的环境基准研究。结合现有环境微塑料污染的毒理学研究成果,筛选敏感标志物,基于室内研究和田间试验建立微塑料污染对动植物的剂量-效应关系,积累微塑料自身、携带的塑料添加剂及吸附的环境污染物对动植物的毒理学数据,构建土壤微塑料污染毒理学数据库,制定土壤微塑料环境质量基准,不断完善土壤环境质量标准。

(2)科学部署土壤微塑料污染的源头治理。针对农膜与农药包装、污泥与有机肥、污水灌溉以及垃圾非法填埋等不同来源,结合当前塑料污染治理要求,以预防为原则,按照“一源一策”制定有针对性的塑料污染防治方案,科学评估防治效果,及时动态调整防治方案,切实消除土壤微塑料污染,确保农产品质量安全。

(3)积极探索无塑农业发展模式。将塑料与微塑料污染防治与农业绿色发展五大行动紧密结合[43],进一步加强对畜禽粪污无害化处置和资源化利用的管理,稳步提高废旧农膜回收率和循环利用率,推进环境友好型农膜替代材料研发和使用,探索“无塑”新型绿色农业发展模式,保障粮食安全。

(4)加快环境友好的塑料降解技术研究。基于塑料大分子间聚合键的化学结构和特征,充分利用分子对接、生物基因工程和纳米技术,加快环境友好的塑料降解技术研究,实现塑料全生命周期的闭合循环,推动塑料产业的绿色可持续发展。