土壤环境中微塑料的研究进展和展望

陈琢玉 文昌淑 李燕灵 吴冬霞 郭磊

（贵州水利水电职业技术学院，贵州贵阳 551416）

1 引言

微塑料通常指直径小于5 mm 的塑料颗粒［1］。环境中的塑料可以经过一系列物理化学、生物过程而降解为微塑料［2］，其在土壤、湖泊和海洋水体、生物和沉积物等多种环境介质中大量积累，在污染环境的同时对全球的经济造成了严重的影响［3］。土壤是构成陆地生态系统最基本的环境要素，是人类生存和发展的物质基础。土壤中微塑料的污染和迁移转化过程，对土壤生态系统起着至关重要的作用。因此，土壤生态系统的微塑料污染是全球微塑料污染亟待解决的核心问题［2］。

本文系统总结了近年全球土壤微塑料的研究进展，分析了土壤微塑料污染来源、污染现状、检测技术及其在土壤中的环境风险效应，阐明当前土壤微塑料研究的不足及问题，并提出未来土壤微塑料的研究重点和方向，为深入认识土壤微塑料的污染，统筹土壤微塑料污染治理工作提供理论依据。

2 土壤微塑料污染研究现状

2.1 国内土壤微塑料污染研究现状

目前，国内开展了不同土壤类型土壤微塑料的研究，见表1。由表1 可以看出，不同区域的土壤微塑料的丰度、粒径及其来源存在一定的差异。例如，Zhou 研究了武汉市郊区3 种不同土壤利用方式下的微塑料丰度，其丰度范围为2.2×104～6.9×105颗粒/kg，且土壤中81.4%的微塑料粒径范围在10～100 μm 之间。除此之外，他还发现了土壤中重金属浓度与微塑料密切相关，表明土壤中微塑料很可能是重金属迁移运输的载体，这两者的协同作用会对土壤环境构成巨大的危害［4］。海岸带土壤的微塑料丰度变化为1.3～14 712.5 个/kg，这主要是受到了海洋潮汐作用、河流排放和高强度人为活动的影响（旅游、海产品养殖等）［5-7］。Zhang 和Liu 发现云南滇池附近的农田土壤中的塑料颗粒与土壤聚集状态有关［8］。Ding 等研究发现，陕西省农田土壤中的微塑料丰度不仅受到农业活动的影响，也与土壤的种植类型和气候类型密切相关［9］。除此之外，农田土壤中微塑料丰度与土壤薄膜的使用时间长短呈现明显的相关性（R2＝0.89，p＜0.01），表明土壤微塑料的积累与薄膜的使用有直接关系［10］。

表1 国内土壤微塑料的丰度、粒径范围和来源

2.2 国外土壤微塑料污染研究现状

相比国内，国外目前开展相关土壤微塑料污染的研究较少（见表2）。例如，Scheurer 和Bigalke 发现瑞士洪泛平原土壤中微塑料最高丰度可达593 颗粒/kg，这主要受到了风化扩散过程的影响。德国传统农业土壤中微塑料的丰度仅有0.34±0.36 颗粒/kg，远远低于受人为影响的农业土壤（如墨西哥农用蔬菜地为870±1 900 颗粒/kg）。受污水污泥使用的影响，西班牙和智利农田土壤中的微塑料分别为930～3 060，600～10 400 颗粒/kg，也明显高于瑞士和德国土壤中微塑料的丰度。

3 土壤微塑料分析检测技术

3.1 样品采集、分离和提取

分离和提取土壤中的微塑料是厘清其在土壤环境中的行为关键的一步。样品采集时要依据研究目标和实际问题，采用不同的采样方法和采样工具。例如，根据研究区域的特点，可以采取简单、系统随机抽样方法，或者采用网格抽样等方法确定采样点位。表层土壤样品一般采集深度在10～20 cm，质量为1～2 kg。表层的土壤样品一般采用不锈钢勺、铲等工具，要采集土壤剖面则需要用到土壤剖面采样器、环形刀等工具［17］。采集的土壤样品装入玻璃瓶中低温（4 ℃）保存。

目前，相关的研究主要采用视觉检测、密度分离、过滤筛选等步骤来进行土壤中微塑料的分离和提取（见图1）［18］。视觉检测通过肉眼观察或者借助光学显微镜来对土壤中的微塑料特征、大小以及形态结构进行分类。在操作过程中偶然的人为因素影响可能导致分析结果存在很大的误差。密度分离是利用样品之间的密度差异来分离土壤中的微塑料（如微塑料密度一般为0.8～1.4 g/cm3，而土壤密度为2.6～2.8 g/cm3）。分离出来的微塑料再使用不同孔径的网眼和滤膜进行筛选和过滤，对土壤中微塑料大小进行分类［19］。

图1 土壤微塑料的分离、提取和检测分析流程示意

3.2 土壤微塑料的分析检测技术及相关仪器

当前，土壤微塑料的分析检测技术主要包括：视觉鉴定法（Visual Identification）；傅里叶红外光谱法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）；拉曼光谱法（Raman Spectroscopy）；液相色谱—质谱联用法（Liquid Chromatograph-Mass Spectroscopy，LC-MS）。目前尚没有快速便捷且高效的土壤微塑料监测方法，上述4 种方法都有一定的优缺点，且有一定的适用范围，详见表3。

表3 土壤中微塑料主要检测技术的优缺点

4 土壤微塑料的来源

土壤微塑料的来源主要可以分为4 个部分：农业活动；城市、道路地表径流；大气沉降；大颗粒塑料的分解。

在农业生产活动中，污泥常被用作农业肥料［20］。有关污水污泥中微塑料的研究指出，污水污泥能高效富集微塑料［21-22］。尽管污水处理系统对微塑料颗粒的去除效率很高，然而仍然有大部分微塑料颗粒存留在污泥中。例如，Mahon 等发现污泥的处理工艺过程（浓缩、脱水、稳定和干燥）并不足以去除污泥中的微塑料［23］。前人基于中国的污泥总产量发现，每年经过污泥而进入自然环境中的微塑料可达1.56×1014颗粒/kg［24］。此外，据估计，在欧洲和北美洲每年分别有63 000～430 000，44 000～300 000 t 的微塑料通过污泥而进入农田土壤中［25］。

薄膜覆盖也是土壤中微塑料积累的一个关键因素。目前，薄膜覆盖技术广泛用于现代农业生产活动中，可以有效促进农作物增产增收。薄膜覆盖会使大量的塑料薄膜残留和堆积在土壤中，在光照和微生物的作用下被分解为纳米微塑料［26-27］。Zhou 等研究发现，相比未使用薄膜的农田土壤（微塑料丰度263 颗粒/kg），薄膜覆盖会明显增加土壤中的微塑料丰度（571 颗粒/kg）［6］。Huang 等调查了中国19 个省份的土壤微塑料浓度，结果发现，土壤中微塑料的丰度与薄膜的用量和覆盖时间存在明显的正相关性［10］。

地表径流、大气沉降也是土壤中微塑料积累的重要因素。排放在大气中的小粒径的微塑料可以随着大气环流进行长距离传输，从而使偏远地区土壤中的微塑料增加。例如，周倩等指出，大气中的微塑料可能是中国沿海土壤环境中微塑料的一个关键来源［28］。

除了上述主要来源之外，大型塑料碎片（塑料袋、塑料瓶等）原地的降解过程也是土壤中微塑料积累的重要因素。事实上，微塑料的降解被普遍认为是环境中纳米微塑料积累的主要地球化学过程［29-30］。当然，有机肥料的使用、垃圾填埋场的填埋、垃圾的非法倾倒等也是土壤中微塑料积累的来源。

5 微塑料污染对土壤的环境生态风险效应

研究指出，微塑料不仅会影响土壤的理化性质，还会对土壤中的生命有机体繁衍和发育、农作物的生长产生显著的影响［31-34］。土壤中的生命有机体主要为蚯蚓、跳虫和螨虫等［35］。目前，有关微塑料对土壤中的生命有机体的健康效应的研究主要集中在蚯蚓和跳虫。蚯蚓通常生活在土壤中，以土壤中有机物为食，因此，蚯蚓可以直接摄取土壤中的微塑料。Lwanga 等发现，将蚯蚓暴露于微塑料中60 d，其体内产生了毒性，且蚯蚓会选择性地摄取土壤中微塑料，并会转移到土壤系统中的其他生命体中［36］。Rodriguez-seijo 等发现，较低的微塑料浓度会引起蚯蚓肠道组织发生变化，而高浓度的微塑料会明显抑制蚯蚓的生长并增加其死亡率［37］。跳虫在高浓度的微塑料作用下也有相似的规律［38］。

微塑料通过对土壤的作用也会间接影响农作物的生产和人类的健康。例如，土壤中的微塑料会抑制小麦和玉米等农作物的生长，导致其产量降低［39］。除了对主要农作物的影响外，微塑料还可以影响蚕豆和蔬菜等植物［40-43］。Zhou 等发现向土壤中添加聚丙烯微塑料，会严重影响大豆和花生的正常生长和产量［44］。Lwanga 等指出，在土壤—蚯蚓—鸡食物链之间，微塑料可以从土壤中传递到鸡体内。蚯蚓粪便的微塑料富集系数只有12.7，而鸡粪便中可高达105［15］。鸡作为人类的食材会导致微塑料进入到人体。目前，已经从人类的粪便中检测到微塑料，尽管尚未有研究指出多高的微塑料浓度会对人体健康造成威胁，但有研究指出，高浓度的微塑料会影响哺乳动物（老鼠）的生命健康［45-46］。有关微塑料通过食物链的方式对人体健康的影响和阈值还有待进一步研究。

6 未来土壤微塑料的研究展望

微塑料作为一种新型持久性的污染物，已经被国内外学者广泛关注。目前对土壤中微塑料的来源、迁移转化过程和影响因素，以及对微塑料的健康风险的认识还不是很清楚。本文通过对国内外土壤微塑料研究的相关文献的梳理，提出未来土壤微塑料研究的几点看法：

（1）建立统一、高效且方便的土壤微塑料分离、提取和分析检测方法，为快速且准确检测土壤中微塑料丰度提供技术支撑。

（2）开展全球或者区域不同土壤类型、不同土地利用方式下的土壤微塑料研究，量化不同土壤中微塑料的来源、分布及其迁移转化过程和关键影响因素，明晰土壤中微塑料的环境行为，为深入认识土壤中微塑料污染情况以及开展土壤中微塑料污染防治工作提供科学依据。

（3）开展微塑料在食物链中迁移富集传递的研究工作，对评估微塑料的环境健康风险有重大的指示意义。

（4）加强对农业用地塑料垃圾的回收工作，引导人们少使用塑料制品并减少塑料垃圾，制定区域和地区微塑料污染控制标准和规范，从源头上减少塑料的使用和排放是未来的重要方向。