农田土壤中的微塑料研究进展

吴泽隆胡良郭若彬戴榕赖维磊邹昶孙志勇黄学平

(1.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西 南昌 330099；2.江西益洁环保技术有限公司，江西 南昌 330036；3.靖安县环保局，江西 宜春 330600)

塑料因其轻便和耐用的优点，广泛应用于各行各业，给人们生活带来很大的便利。但过度的塑料使用给环境带来了严重的“白色污染”。塑料在进入环境后，在大自然的各种作用下被降解成小颗粒和碎屑，大小在5mm以下的被称为微塑料(MPs)[1]。由于微塑料的化学性质稳定，难以降解，从而能够长期的累积在水生生态系统和土壤等陆地生态系统中。微塑料最早被发现在海洋之中，据资料显示，全球每年向大海排放9.3～23.6t微塑料[2]，对海洋生态环境造成了严重的威胁。在海洋中的微塑料污染得到普遍重视之后，土壤中的微塑料污染也逐渐引起了人们的注意。有学者推测，存在于陆地生态系统的微塑料丰度是海洋的4～23倍[3]。而微塑料进入农田后，不仅对农田土壤环境和农作物生长产生影响，还会通过污染食物链严重威胁人们的健康。因此，对于农田土壤中的微塑料的研究是重中之重。

1 农田土壤中微塑料的来源和种类

农田土壤中微塑料的类型主要有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。按形态可分为薄膜、碎片、纤维和颗粒等，颜色以黑色和透明为主。不同地理环境下农田土壤含有的微塑料种类比例有所差异。在农田土壤环境中，微塑料的来源途径主要包括地膜残留、有机肥利用、污水灌溉、大气沉降等，其中地膜残留带来的污染最为严重[4]。

1.1 地膜残留

地膜覆盖技术是中国农业生产的重要技术之一。我国每年都有将近2000万hm2的农作物覆膜面积，提高了农作物30%以上的总产量，产生了1200亿～1400亿元的直接经济效益[5]。但随之而来的是严重的地膜残留问题。残留的地膜在风化、阳光照射等各种作用下被降解成微塑料累积在土壤中[4]，从而对农田环境造成严重危害。王志超等[6]研究发现，残留的地膜不仅会对土壤结构造成破坏，还严重阻碍了土壤水分和溶质运移。严昌荣等[7]研究发现，地膜在生产的过程中会添加一些增塑剂，这些物质通过呼吸作用进入植物体内，抑制叶绿素的产生，对植物的生长发育造成严重危害。针对地膜残留的问题，现在主要通过人工回收的方式来解决，但我国现有的残膜治理技术较为落后，残留的地膜回收难度较大[7]。因此，为了避免地膜残存污染进一步恶化，需要修改并健全相应规范，强化质量监督；大力发展新的残膜回收技术；寻找地膜的替代品，对可降解地膜进行更深入的研究，从源头上阻断残膜污染。

1.2 有机肥利用

有机肥也是造成农田土壤微塑料污染的一大来源。在物理、化学和微生物的共同作用下，有机肥中的塑料会转化成微塑料。德国有研究发现，有机肥中粒径大于1mm的塑料碎片丰度达到14～895个·kg-1[8]。我国是有机肥生产和施用的大国，每年有高达50t的微塑料通过施用有机肥进入农田[4]。Zhang等[35]通过进行小麦-玉米轮作田间试验，发现长期使用堆肥造成土壤微塑料的积累达到43.0%～75.9%，这说明有机肥的长期施用会导致微塑料在土壤中逐年累积，含量越来越高。所以对于有机肥的使用和生产方面还需严格把关，限制微塑料进入农田土壤。

1.3 污水灌溉

目前污水处理厂去除微塑料的效率很高，但还是有大量的微塑料伴随着污水和污泥排出，通过农业施用进入农田土壤。据估算，欧洲和北美农田每年从污泥中的微塑料总输入量分别为6.3万～43万t和4.4万～30万t[3]。Li等[9]在调查我国28个污水处理厂中的污泥样本发现，每千克污泥含微塑料1.60～56.4×103个。由此可见，需要用更加先进的手段对污水进行处理，减少污水中微塑料的含量，或从源头上阻止微塑料排放进水中。

1.4 大气沉降

由于微塑料的体积和密度较小，很容易通过气流进入大气。生活垃圾中的塑料可能未经过妥善处理，在外界各种因素的综合作用下风化或降解成粒径更小的颗粒和碎屑，从而进入大气。田媛等[10]研究发现，烟台、天津和大连3个海岸城市大气微塑料的沉降通量分别为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；法国巴黎[11]大气微塑料沉降通量达2～355个·m-2·d-1。从这些不同地区的数据中可以看出，不同地理环境和不同气候类型下的大气微塑料沉通量差异较大。但目前对于大气中微塑料污染的研究还是较少，对其污染特征的了解还不全面，未来还需加强探索。

2 农田土壤中微塑料国内外污染现状

目前，对于农田土壤微塑料的研究处于起步阶段，通过查阅资料发现全球环境下不同农业生产方式、不同土地利用类型、不同地理环境的微塑料污染丰度存在显著差异。如，瑞士[12]的洪泛平原土壤中的微塑料污染丰度为593个·kg-1；澳大利亚悉尼[13]的工业土壤中微塑料丰度为300～67500个·kg-1。我国自古以来就是农业大国，我国在农业生产上使用的塑料总量一直位居世界第1。在我国长江下游区域[14]微塑料丰度为4.94～252.70个·kg-1；在西北地区，由于降水稀少，地膜的使用量和覆盖面积居全国首位，从而导致微塑料含量较高，如陕西省[15]农业区的微塑料丰度为1430～3410个·kg-1。总而言之，目前全球农田土壤微塑料污染极其严重，严重威胁到人类的生命健康。此外，微塑料在不同类型的土壤环境中均有出现且不同地区微塑料含量和分布有很大差别，我国农田土壤中微塑料丰度总体上呈现出不均衡、区域性强等特点[4]。

3 农田土壤中微塑料的迁移

农田土壤中的微塑料会在各种因素的作用下发生迁移。如风力、地表径流、水土流失等，会引起微塑料在土壤中的横向迁移；而人类的耕作，淋溶、重力等因素会引起微塑料的纵向迁移。Rezaei等[16]对伊朗不同用地的风蚀沉积物进行研究，发现农田与周边的自然区含有相同成分的微塑料，说明风力会导致微塑料的横向迁移。王慧[17]发现，不同降雨强度及坡度下，表层土壤中微塑料浓度均低于较深层土壤，降雨强度越大，深层土壤的微塑料浓度越高；坡度越大，深层土壤微塑料浓度值越高，微塑料由较高端向较低端迁移的速度越快，说明微塑料在重力或径流的作用下会发生垂向迁移。

土壤中的动物和微生物也会导致微塑料发生迁移。Rillig等[18]对蚯蚓研究发现，在蚯蚓的活动下粒径小的微塑料被迁移到底层，粒径大的在中间层，如果没有蚯蚓，这些微塑料就会留在土壤表面。有学者对跳虫进行了研究，发现土壤中的微塑料会在跳虫的活动下发生迁移，跳虫的体型越大，微塑料的迁移越明显[19]。

微塑料在农田土壤中的迁移行为还受微塑料自身性质、土壤类型、土壤环境条件等多种因素的影响。Wu等[20]研究发现，在沙土、黑土、红土这3种不同类型的土壤中聚苯乙烯纳米塑料的迁移特征不同，且在高pH和低Fe/Al氧化物含量的土壤中具有较强的迁移能力。

除了上述因素，植物也会对微塑料的迁移产生影响，植物的根系活动也会导致农田土壤中微塑料的迁移，但不同之处在于，微塑料只会向土壤上层迁移或是停留在原土层中[21]。

4 农田土壤微塑料的分离和检测技术

要探究微塑料在土壤中的迁移转化规律和解决微塑料对土壤污染的难题，首先要对土壤中的微塑料进行分离和检测。

目前土壤微塑料的分离方法包括密度分离法、泡沫浮选法、油提法、加压流体萃取等。其中密度分离法是最常用的分离方法。土壤环境中的微塑料经长期老化后表面粗糙不平，易与土壤有机质附着，从而加大密度分离浮选的难度。因此，研究中常利用消解步骤去除微塑料表面杂质，但往往消解步骤会对微塑料结构造成一定程度的破坏。白润昊等[22]研究发现，超声处理(40kHz、30min)对土壤地膜源微塑料表面杂质具有良好的去除效果，可作为消解处理的替代选择，但受限于浮选法原理、操作熟练度、仪器识别精度等因素，难以对纳米级的微塑料实现分离检测。

土壤微塑料检测的常用方法有目测法、光学显微镜法、扫描电镜法、光谱法、热分析法等。目前应用最为广泛的微塑料检测方法是傅里叶变换红外光谱法和拉曼光谱法。傅里叶变换红外光谱法不仅能够表征微塑料颜色、尺寸大小，还能够鉴别其组成成分，但缺陷在于不适合检测尺寸较小的颗粒。拉曼光谱法是一种光子散射技术，优点是空间分辨率高，不需要进行干燥处理，不破坏样品，缺点是难以检测低浓度的物质，易受外部因素干扰。在基础的检测技术上，有些学者开发出了更高效的检测方法，如Yu等[23]将傅里叶变换红外光谱仪与热重分析技术有效结合，首先通过热重分析技术进行热裂解、裂解气，进一步经傅里叶变换红外光谱仪鉴定分析，这种方式无需经过繁琐的预处理，但会对样品造成破坏，而且不能得到关于微塑性材料的大小和形态等相关信息。

目前分离与检测技术还不够完善，方法具有局限性，没有统一的评价方法。对于小颗粒的微塑料分离方法还需要继续探索实践。

5 农田土壤微塑料的生态健康风险

农田土壤中的微塑料，在经过耕作后，由于其难以降解的特性，会在土壤中不断累积，不仅会改变土壤的理化性质，还会对农田中的农作物、土壤动物、微生物等产生不利影响，进而危害到人类的健康。

5.1 对土壤理化性质的影响

由于微塑料的比表面积大、吸附能力强，其表面会吸附各种有害物质，如重金属、有毒物质，进入土壤环境后会改变土壤结构和土壤理化特性[4]。如，杨晓庭[24]通过对覆膜耕作区和常规耕地区比较发现，覆膜区的土壤pH值明显低于常规区，且不同深度土壤的pH值也有差异。此外，微塑料易与土壤团聚体结合，对土壤容重、团聚体造成影响。如，胡旭凯等[25]研究发现，聚乙烯微塑料能使土壤团聚体稳定性和团聚体总有机碳含量增加，但会导致团聚体活性有机碳含量降低。

5.2 对农作物的影响

农作物会通过根茎吸收土壤中的微塑料，从而导致微塑料向植物体内向上迁移，干扰植物的正常生长。刘蓥蓥等[26]发现，0.023～0.038mm的聚乙烯微塑料会明显抑制绿豆苗的生长，并影响其水分的吸收。李瑞静[27]推测微塑料通过干扰黄瓜木质素合成，改变植物细胞壁结构，从而影响关键酶调控碳水化合物的能力，导致黄瓜幼苗光合作用能力下降，对黄瓜的正常生长产生不利影响。由此可见，微塑料干扰了农作物的正常生长，应加大对土壤中微塑料迁移行为的研究力度，提高微塑料污染的防控效率。

5.3 对土壤动物的影响

土壤动物在提高土壤质量和提高农作物产量方面具有十分重要的作用。微塑料及其携带的有毒物质会对土壤中的动物及微生物群体造成直接或间接的伤害。张书武等[28]通过研究微塑料对赤子爱胜蚓的毒性，发现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。而对跳虫的研究表明[29]，微塑料通过食物链进入跳虫体内，能抑制跳虫的生长率、繁殖率和降低成活率等。这说明土壤中的微塑料严重威胁土壤动物的生存，可能导致土壤动物数量减少，破坏农田土壤生态系统的稳定。

5.4 对土壤微生物的影响

微生物的调控对于动植物的生长以及土壤中的营养物质的良性循环是必不可少的[4]。微塑料的吸附性会带来有毒和有害物质，对微生物群落产生危害。费禹凡等[30]研究发现，聚乙烯型微塑料积累会使土壤中的细菌群落结构组成改变，某些种类细菌的相对丰度显著上升，而另一些种类细菌相对丰度显著下降，且微塑料会对细菌群落的恢复产生抑制作用。张浩等[31]发现，高密度聚乙烯微塑料会改变微生物群落，从而抑制棉花生长，提高棉花枯萎病发病率。目前的研究主要局限在微塑料对微生物群落的作用上，微塑料和微生物群落共同作用对土壤环境的影响还有待进一步探索。

6 农田土壤的微塑料污染修复

微塑料对农田土壤和人类健康造成了极大危害，对微塑料污染的修复刻不容缓。但由于微塑料本身难以降解的特性，微塑料污染的修复问题一直是一个难点。国际上对于土壤中微塑料污染修复的研究极少。目前从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团吸收光子，引发一系列化学变化导致高分子链的裂解，一般用添加光催化剂的方式加快微塑料的降解。谢孝勋等[36]用硬脂酸铁(FeSt3)对低密度聚乙烯进行了光催化，结果表明，FeSt3含量在0.2%～0.4%时，光催化效果最为显著。Nabi等[37]将TiO2纳米颗粒与聚乙二醇基苯基醚混合制备后对聚苯乙烯进行降解，结果表明，粒径为400nm的PS在紫外光催化12h后，其降解率可达到98.4%。虽然光催化降解的方法十分有效，但大部分都需要在紫外线光的照射下进行，土壤较深处的微塑料无法被照射到且残留的催化剂可能造成二次污染。

微塑料在土壤中的累积会改变土壤的理化性质，而生物炭常常被用来改良土壤质量。冉泰山等[32]发现，生物炭的施用可以提高被污染土地的pH值，改变了土壤中的细菌群落，增加了微塑料耐受菌的数量，从而减缓了微塑料的污染，改善了被污染土壤的质量。李嘉等[38]将生物炭添加进含有聚氯乙烯微塑料的生菜农田，发现添加0.5%～2.5%的生物炭可以减轻聚氯乙烯对生菜的氧化损伤，且促进了生菜生长，而添加5%的生物炭则会加剧氧化损伤程度。说明适量的生物炭能缓解微塑料污染，降低微塑料的植物毒性。微塑料的污染不仅仅来自其本身，微塑料和其表面吸附的有害物质共同污染危害更大。Ye等[33]制备了一种石墨化磁性生物炭通过活化PS的高级氧化反应去除了微塑料附着的重金属，减轻了微塑料作为载体运输有害物质的潜在危害，减少共同污染。

微生物可以将有机聚合物分解成CO2、CH4、水和无机物，因此微生物是农田土壤里分解微塑料最合适的选择。Auta等[34]对红树林沉积物分离出的细菌研究发现，蜡样芽孢杆菌对聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯的减重分别为1.6%、6.6%和7.4%，而芽孢杆菌为6.2%、3.0%和5.8%，说明这2种菌株能降解微塑料材料，具有修复微塑料污染环境的潜力。虽然微生物降解微塑料的方法既环保又有效，但这种方法受环境条件影响较大，因为不同的微生物适宜生长的环境不同。邢祥祥等[39]从10个样品中筛选出了8株聚乙烯降解菌株，30d内对聚乙烯的降解率在0.22%～8.76%，且在紫外线照射下降解率显著增加。这给人们提供了一种新的思路：以往的研究只停留在单一降解方法的研究上，难以克服方法自身的缺陷。可以将生物降解和光降解的方法结合起来，筛选或制备出某种在紫外线照射下降解能力增强的菌株，可以很好地克服微生物降解速度慢和光催化降解有催化剂残留的缺点。综上所述，目前关于农田土壤的微塑料污染修复的研究还不够深入，不够系统全面，还需从新的角度和方向上展开探索与研究，研究工作任重而道远。

7 总结与展望

目前对于农田土壤微塑料的研究主要集中于来源、迁移机理、生态效应、分析检测等方面，但相关研究尚不充足，仍处于探索积累阶段。此外对于源头防治和污染修复的研究寥寥无几。所以未来还需从以下几个方面开展研究。

继续加强对微塑料来源、迁移特征、降解机制的研究，探明微塑料污染来源以便从源头对微塑料进行治理，进一步揭示不同种类微塑料在不同类型土壤中的迁移特征，把握迁移规律，掌握微塑料在土壤中的降解机制。进一步完善和统一微塑料分离和检测方法，并建立统一的评价方法，在此基础上，考虑土壤环境和微塑料的多样性开展不同的分离和检测研究，并制定相应的技术规范。建立健全对塑料制品使用、废弃塑料回收方面的法律法规，加大对塑料危害的宣传力度，增加公众的环保意识。加快可降解塑料的研发，或开发出可代替塑料的新型材料，从源头上扼制塑料污染。对微塑料污染修复的研究还需进一步深入，探索新的角度和开拓新的研究方向，寻找新型、高效、环境友好的修复手段。