农田土壤中微塑料的源汇现状及生态效应研究进展

后亚斌　代晓燕　刘灿　杨杰　张玉银　张铜津　陈培钰

摘要：全球微塑料（MPs）污染问题已经引起人们的普遍关注，微塑料对土壤生态环境的影响也越来越受到研究者的重视，并成为近年来环境污染的热点研究之一。本文通过总结当前有关农田土壤中微塑料的研究成果，概述了农田土壤中微塑料的来源、赋存特征（类型和丰度）及农田土壤微塑料的迁移规律，综合分析了微塑料对生态系统的影响，尤其是微塑料在植物中的富集及对植物生长发育的影响，详细介绍了微塑料与其他污染物所形成的复合污染对作物所带来的潜在风险。最后就日前农田土壤中微塑料的污染现状，总结了防控微塑料的相关技术措施，并对未来的研究方向做出展望。

关键词：农田土壤；微塑料（MPs）；来源；迁移；富集；生态效应

中图分类号：S-I：X53 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）03-0017-10

20世纪50年代塑料被发明以来，因其成本低、性质稳定而被广泛应用，全球每年生产塑料近4亿t，除少数被同收外，大部分塑料流入江河湖泊水体、土壤及空气中，并在这些环境中逐渐破碎分解，粒径变小。2004年Thompson等提出“微塑料”的概念，微塑料是指粒径＜5mm的塑料微粒。微塑料粒径范围从毫米到纳米不等，是形状多样的非均匀塑料颗粒混合体，肉眼很难分辨。环境中微塑料主要以初级微塑料和次级微塑料两种形式存在，初级微塑料大多来源于工业产品、个人护理品等包含的塑料微珠：次级微塑料是由大块的塑料制品经过物理磨损、化学分解、生物降解、紫外辐射等作用形成。研究表明，微塑料有较强的疏水性，易富集磷、氮等营养元素，其体积小、性质稳定，易吸附一些浮游微生物，这些微生物伴随着微塑料迁移至适宜环境就会大面积繁殖，使水质恶化，对水体环境造成污染。此外，微塑料会改变土壤理化性质，增加水分蒸发速率，改变土壤团聚体结构，影响土壤碳氮循环，对土壤动物及微生物群落产生不利影响，纳米级微塑料更易被植物根系吸收并在其体内迁移富集，间接或直接影响植物生长发育。微塑料进入动物体内，增加动物的饱腹感，阻碍进食，致使动物生长发育迟缓，繁殖率下降。此外，微塑料会沿着食物链传递，最终进入人体内，对人体健康造成威胁。已有研究发现，微塑料会危害人体淋巴系统、消化系统、生殖系统，杀死正常的细胞，损害蛋白质和DNA，诱发多种疾病。

近年来，关于微塑料对土壤环境影响的研究不断增加，并取得了重要进展，但对于农田土壤中微塑料生态效应的研究尚且不足，微塑料对农田土壤动物、植物、微生物的影响及沿着食物链传递的潜在风险有待更加深入的研究，且微塑料结构和性质的多样性，使得微塑料对农田土壤的综合效应更复杂。目前，以农田土壤为视角的相关微塑料环境效应的综述性文献并不多见，为了方便后续研究，本文系统、全面地综述了当前国内外农田土壤中微塑料污染的最新研究進展，主要包括农田土壤中微塑料的来源，微塑料的赋存特征和迁移富集，微塑料的生态效应及微塑料污染的防治措施，为开展农田土壤微塑料风险评估及精准防控提供支持，针对当前相关研究的不足，对未来的研究方向进行了展望。

1 农田微塑料的来源

农田中微塑料来源广泛，农用地膜的残留是其主要来源之一。覆膜栽培技术自20世纪70年代末引入我国以来，因其增温保墒、防病除草等效果明显，在作物栽培中广泛使用，对提高农产品产量和品质具有重要意义。我国地膜使用覆盖面积近2000万hm2，占世界地膜使用总量的75%，但地膜回收率低，残留量大是农业生产中普遍存在的问题，部分地区地膜残留量达100kg·hm2。残留地膜降低了土壤生产能力，污染环境，成为农田中微塑料的主要来源。

堆肥产品的使用成为农田微塑料另一个重要来源。在堆肥材料中，含有部分塑料，在破碎、机械筛分和翻堆等处理中易形成微塑料。我国预计每年生产2500×104t以上堆肥产品，每年堆肥的施用量预计在30-35t·hm2。当前堆肥处理技术不是很完善，难以有效去除其中存在的微塑料，从而使其随着产品被利用而进入土壤。

污水灌溉所带来的微塑料污染也不容忽视。合理灌溉是农作物增产增收的保障，但农田中灌溉用水的使用标准参差不齐，一些水资源匮乏的国家主要使用城市生活污水进行灌溉，生活污水中含有大量的初级微塑料，部分微塑料随灌溉用水进入农田，在农田中富集。研究显示，全球有将近7%的地区涉及50多个国家使用污水灌溉，我国污水灌溉农田面积有140万hm2，涉及海河、辽河、黄河和淮河四大流域。

大气沉降所引发的微塑料污染逐渐受到关注。大气中含有较高浓度的微塑料，如温州的大气微塑料浓度高达（224+70）n·m-3，且微塑料浓度表现为城市>郊区或者农村地区>偏远区。微塑料在大气中受风及重力等作用会进行跨地区运输和沉降，滨海、乌鲁木齐等地均发现大气沉降而来的微塑料，主要以纤维类为主，滨海微塑料沉降通量高达1.46×105个·m-2·a-1，空气中的这些污染物更容易通过沉降进入农田土壤。

有机肥的施用在一定程度上加剧了农田微塑料污染。有机肥能促进作物增产增收，改良土壤，缓解重茬危害，可以全面提供作物所需的氮、磷、钾以及多种微量元素，有效提高作物品质。如厨余垃圾、动物粪便、作物秸秆等都可作为生产有机肥的原料，但这些材料中大多含有微塑料，经有机肥生产厂加工处理之后，微塑料随有机肥的施用而进入农田土壤，并在农田土壤中富集。研究发现，有机肥中粒径>0.5mm的微塑料含量达到2.38-1200mg·kg-1，因此，有机肥的施用也是农田微塑料的来源之一。

2 微塑料在农田土壤中的赋存特征

2.1 土壤中微塑料的形态和类型

农田土壤中的微塑料种类多样，从形态上看主要有纤维、发泡、颗粒、薄膜、碎片类等。不同地区农田土壤中微塑料形态占比差异明显，对比陕西、山东寿光及巴基斯坦农田土壤微塑料发现，纤维在陕西农田中占比最大，碎片次之：山东寿光农田中主要以碎片和薄膜为主，占比分别为46.30%和25.40%：巴基斯坦农田土壤中微塑料以纤维为主，占比达64%。从类型上看，土壤中微塑料的主要聚合物类型包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙醇酯（PET）等。对比陕西、青藏高原及韩国农田土壤中微塑料聚合物类型发现，聚乙烯和聚丙烯是农田土壤中微塑料的主要聚合物类型，陕西和青藏高原农田土壤中聚丙烯占比超50%，聚乙烯占比仅次于聚丙烯：韩国农田土壤中聚乙烯占比高达68%，聚对苯二甲酸乙醇酯和聚丙烯占比较接近，分别为15%和11%。

2.2 土壤中微塑料的丰度

世界各地土壤中都已经检测出不同丰度（丰度指单位土壤质量中含有微塑料的个数，单位：个·kg-1）的微塑料，研究发现瑞士伯尔尼90%农田土壤中存在微塑料，澳大利亚某工业区土壤中也含有丰富的微塑料，我国云南省西南部滇池森林缓冲带中检测到微塑料丰度竟达到7100-42960个·kg-1。另有研究发现，不同农田利用类型下土壤中微塑料丰度差异明显，北京菜田土壤微塑料丰度范围在160-5220个·kg-1，湖北烟田中微塑料丰度范围在320-12560个·kg-1，广东果园中微塑料丰度范围为188-279个·kg-1，其中，烟田土壤中微塑料丰度明显高于菜田和果园，这可能是烟草常年覆膜栽培，地膜回收率不高所致。研究显示，农田土壤中微塑料丰度与地膜使用年限存在正相关性，即地膜覆盖时间越长，土壤中微塑料平均丰度越大，不同覆膜年限下（5、10、20a）土壤中微塑料平均丰度分别为2526.00、4352.80、6070.00个·kg-1。不仅如此，随着覆膜年限的延长，微塑料在外力作用下粒径会逐渐变小，小粒径微塑料数量占比显著增加，面积为0-0.05mm2·piece-1的微塑料丰度占比由覆膜Sa的32%增加到覆膜10a的45%及15a的50%。

3 农田土壤微塑料的迁移

微塑料在土壤中会受到多种外界因素的影响而发生迁移。土壤中动物活动会加剧微塑料迁移，如蚯蚓能将60%以上聚乙烯小球从表层土壤向下迁移10cm多，且小粒径微塑料更容易发生迁移。螨虫和弹尾虫通过咀嚼微塑料，促进土壤中微塑料的迁移和分布，地松鼠和鼹鼠也有类似的行为。蚊子中携带的微塑料会扩散到环境中。微塑料的迁移也受到微生物的影响，当土壤孔隙被真菌菌丝填充时可加强污染物降解菌的转移，促进微塑料的降解和迁移。植物根系运动、根系扩张、根系吸水对土壤颗粒的迁移有重大影响，当根部分解时，土壤中会留下与根部大小相近的空隙，从而加速土壤中微塑料的迁移。耕作活动，如翻土和开沟，使微塑料容易被带入土壤深处，同时可以翻动表层和深层土壤，从而直接促进微塑料的移动。此外，土壤中微塑料会在水流、降尘、风等动态驱动力的作用下进行迁移，质地较轻的微纤维类更易在沉降之前被风悬浮在大气中一段时间。图1显示了土壤中微塑料的来源及迁移途径。微塑料还通过地表径流进入沿海水域，这些迁移风险被认为是相对较高的，特别是在大量灌溉渠、沟渠和地表径流的耕地中。微塑料本身的特性也是影响其在土壤中迁移的重要因素，研究表明，微塑料的大小（特别是＜1mm）、形态和表面特性影响其迁移。微塑料老化过程引起吸附能力的变化也会影响其迁移。目前的研究表明，两种最常见的微塑料形状（球形和颗粒状）很容易迁移到较深的土壤中，而其他形状（如纤维和薄膜）与土壤团聚的交互作用不同，可能阻碍微塑料在土壤中的迁移，微纤维可以更有效地缠住土壤颗粒，形成凝块。微塑料质地的差异对其在土壤中的运输和沉积起着主要作用，低密度的微塑料难以向下渗透。土壤是一个复杂的多相系统，微塑料在水平和垂直方向中发生迁移运输受到多种因素影响，在这些方面存在很多问题，需要更深入的探究。

4 农田土壤中微塑料的生态效应

4.1 微塑料对土壤系统的影响

微塑料在土壤环境中积累且长期存在，因其被土粒包裹或与土壤团聚体相结合，土壤容重、土壤孔隙度、渗透性等物理性质会受到影响。研究显示，高密度聚乙烯和聚乳酸微塑料的加入会改变土壤的通气性和孔隙度，PET微塑料会降低土壤容重。另外，微塑料对土壤矿物颗粒及有机质存在成核和包络作用，土壤中部分孔隙被堵塞，从而影响土壤的渗透功能，甚至于微塑料会改变土壤中的水分循环，造成土壤缺水，并促进污染物沿裂缝向土壤深处迁移，土壤结构被破坏，造成土壤表面干裂，其程度随着微塑料丰度的增加而增强。微塑料不仅影响土壤物理性质和水分循环，土壤化学性质随着微塑料的添加也会发生改变。马文倩等研究发现，聚乙烯微塑料降低了土壤阳离子交换量及有机质、总磷和有效磷含量。不仅如此，土壤中微塑料的存在可能会导致对土壤碳库的误判，微塑料是高碳聚合物，塑料残留物会影响土壤中稳定有机碳库的大小。Boots等研究表明，一定时间内土壤中存在的高密度微塑料会降低土壤的pH值。此外，微塑料对具有高催化能力的土壤酶活性有影响，已经证明微塑料对过氧化氢酶、硝酸还原酶、土壤脲酶、苯酚氧化酶的活性有明显影响，这些酶参与土壤各种生化过程，在调节土壤养分循环方面发挥着重要作用。

土壤微生物在土壤的形成发育、物质循环及肥力演变中发挥着重要作用，长期受微塑料影响，土壤微生物将会受到明显的影响，进而可能影响土壤的生态平衡。随着微塑料的添加，微生物多样性发生改变，微塑料会刺激耐受微生物的生长，抑制敏感微生物，导致特殊微生物群落的形成。Huang等研究发现，聚乙烯微塑料处理减少了根瘤菌属微生物丰度，显著增加了反硝化细菌属丰度。此外，微塑料引起土壤结构的变化可能会改变土壤中氧气流动，从而改变厭氧和好氧微生物的相对分布。同时，微生物的代谢活动容易因微塑料的存在发生改变，de SouzaMachado等研究了多种微塑料对土壤微生物活性的影响，发现聚酰胺和聚乙烯可提高一般微生物的代谢活动，而聚苯乙烯和聚酯类则降低了其代谢活动。此外，微塑料对土壤动物产生的影响逐渐受到关注，Lwanga等研究了蚯蚓在不同浓度聚乙烯下的存活性和适应性，证明了高浓度的微塑料会显著降低该物种的生长速度。另有研究发现，聚苯乙烯微球可以增加秀丽线虫身体负担，限制线虫进食，进而影响其繁殖。由于土壤动物体系庞杂，动物个体大小不一，且在土壤中分布不均匀，目前关于土壤动物的相关研究十分有限。

4.2 微塑料在植物中的富集及对植物生长发育的影响

植物从土壤中获取生长所需的养分，土壤环境的优劣对植物生长发育至关重要。微塑料在农田土壤中迁移富集，会进一步转移到植物体内，特别是粒径小的微塑料容易被植物根部吸收运输。已有研究表明，生菜、小麦、拟南芥根部均可以吸收亚微米级或纳米级微塑料，并通过木质部导管输送到地上部或者通过质外体途径内化到维管柱附近，被植物吸收的微塑料在其体内迁移积聚，影响植物光合系统，扰乱各类代谢途径，进而影响植物的正常生长发育。目前，尚缺乏微塑料在植物中富集迁移的相关研究，有必要更加深入的探讨。

土壤中微塑料的存在会对植物种子萌发和生长产生影响，连加攀等用比较普遍的几类微塑料进行小麦种子发芽试验，发现在中低微塑料浓度（<500mg·L-1）时小麦种子发芽率抑制范围在2.86%-20.00%之间。张彦等也发现不同微塑料赋存环境下小麦种子发芽水平都有所降低。许学慧等研究显示，微塑料使大豆出苗率降低7.69%-64.91%，且微塑料浓度越高，抑制作用越强。不同粒径微塑料对作物生长发育影响差异显著，刘蓥蓥等发现聚乙烯微塑料粒径在0.023-0.038mm时，绿豆幼苗的生长被显著抑制，而粒径较大时，对芽长、根长、鲜重、干重等农艺性状均没有显示出抑制作用。此外，植物对不同微塑料的影响会表现出不同的响应。Qi等研究发现，小麦生长受到低密度聚乙烯和可生物降解塑料地膜碎片的影响，生物可降解塑料膜对其生长的影响更加显著。廉宇航等发现聚乙烯微塑料能增加大豆根部鲜重并上调叶片中氨基酸代谢，但0.1%聚乳酸微塑料则抑制根长增加，会引起有机酸以及糖类代谢下调。Zhou等研究发现，添加聚酯微塑料会顯著增加花生叶片的叶绿素含量、特定叶面积和转基因的可溶性糖，而聚丙烯微塑料对花生生长和质量有严重的负面影响。不仅如此，植物的抗氧化系统会受到微塑料的影响，安菁等研究发现，微塑料逆境胁迫激发了大豆自身的抗氧化体系，提高了过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性，而降低了丙二醛（MDA）含量。此外，Sun等研究表明，拟南芥在微塑料带正电荷时其根部会分泌草酸盐，带正电荷的微塑料在草酸盐作用下会聚集成为大尺寸的塑料颗粒吸附在植物根系表面，从而对拟南芥根系表皮细胞产生损伤，而带负电荷的微塑料不会聚集。Giorgetti等研究发现，洋葱根分生区细胞能吸收50nm聚苯乙烯塑料，在该逆境下引起氧化胁迫，从而产生细胞毒性（如有丝分裂异常）和基因毒性。

4.3 土壤中微塑料与其他污染物对作物的复合污染效应

土壤中微塑料性质稳定，疏水性强，比表面积大，表面易吸附一些有机污染物、重金属等。一方面，微塑料与重金属之间存在拮抗作用，降低环境中污染物的自由态，使其富集率减少，毒性效应被减弱。镉是土壤环境中比较普遍的一种重金属污染物，当前关于微塑料与镉复合污染对植物影响的研究比较多。冯天朕等研究发现，微塑料和镉复合对小麦种子发芽、根长、芽长的影响有一定拮抗作用。王泽正等分析发现，单一污染物对水稻种子的毒害作用更显著，而低浓度（100mg·L-1）微塑料和镉复合时对芽长、根长的生长有一定的促进作用。另一方面，微塑料与重金属联合会增加生物体内有毒物质的浓度，毒性作用增强影响到生物的生理功能。微塑料在自然环境中会受酸、碱侵蚀和紫外辐射等发生老化，老化后的微塑料表面结晶度显著降低，C=O和O-C=O等含氧官能团增加，这些性质的改变增强了微塑料对污染物的吸附，且微塑料老化时间与其吸附污染物的能力呈现正相关性。顾馨悦等研究发现，老化后的PVC微塑料和镉联合对小麦根生长的抑制作用更显著，这可能主要是由于老化的微塑料提高了镉在小麦体内的富集。微塑料与重金属之间的复合存在协同作用，其更容易破坏植物的健康状态。

研究发现，微塑料可成为多氯联苯（PCBs）、六氯环己烷（HCHs）、多环芳烃（PAHs）等有机污染物的载体，高亲和力和分配作用是微塑料与有机污染物的主要共存机制，从而减少水中游离的有机污染物，减弱有机污染物的毒性。通过分配作用微塑料能吸附水体中的8种农药，减少有机污染物的富集率和利用度，减轻了农药残留的危害。此外，微塑料与有机污染物联合时存在协同毒性效应，可增加生物体内有毒有害物质的浓度，进而影响生物生理功能。王成伟等研究表明，生菜的光合作用和糖代谢被聚苯乙烯（PS）和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）联合污染所抑制，从而降低生菜的品质。

5 农田土壤中微塑料防控措施

当前，微塑料污染问题日益严峻，但是对陆地微塑料污染的研究还不是很成熟，尤其是关于减缓微塑料污染的一些技术措施和相关政策还不完善，本文在此总结了一些防控措施及治理建议。

5.1 降解土壤中的微塑料

5.1.1 动物降解

昆虫将塑料制品作为唯一碳源，能够咀嚼和采食塑料制品，这将为微塑料的生物降解提供重要的生物资源。目前研究发现具有降解、采食塑料能力的昆虫有8种，研究主要集中在大麦虫、黄粉虫和蜡螟幼虫上。幼虫期的黄粉虫、蜡螟可以吞食塑料聚合物，并且这些微塑料可以在其体内被降解。

5.1.2 微生物降解

微生物降解是解决塑料污染问题的一种较为理想的方法（表1），最终将微塑料降解为对环境影响较小的物质。Yo-shida等研究了一类细菌对PET的降解，该细菌可以将PET作为唯一能源和碳源。李红羽等研究发现，从垃圾填埋场中分离的塑料降解菌可以降解微塑料，以微塑料为唯一碳源培养塑料降解菌50天后发现，微塑料重量有所下降，并且观察到微塑料表面有侵蚀。

5.2 研发生产可降解塑料

减少不可降解塑料的生产和使用，着重开发可降解塑料。日前，全世界研发的生物降解塑料品种已经比较多，但实现工业化生产的仍然很少。可降解塑料已应用在农业、食品包装、汽车等行业，可有效解决现在的塑料污染问题。

5.3 减缓微塑料污染的相关政策措施

（1）加强地膜回收力度，同时加强塑料地膜生产使用中的监管力度，部分农户使用的地膜厚度小于0.008mm，地膜易破碎，增加回收难度。政府应鼓励农民使用符合标准的农膜，同时予以相应的补贴，提高农民回收地膜的积极性。（2）完善法律法规，当前土壤微塑料污染控制方面的法律法规不够完善，缺乏针对性，不能满足微塑料污染防治的要求，应尽快建立健全法律法规，加强微塑料污染防治监管，强化法律的可执行性。

6 研究展望

关于微塑料对农田生态系统影响的研究起步较晚，现有研究成果还未能形成一套完整的体系，为了充分揭示微塑料污染在农田环境中的影响，本文总结以下几点，以期为后续研究提供思路。

（1）对土壤微塑料的检测、表示和分析方法统一标准。微塑料研究过程中采用不同方法，会影响到不同研究结果之间的可比性。当前已存在的微塑料分离和检测方法较多，应当建立统一的标准，以便在全球范围内更加高效、科学、系统的研究微塑料污染的分布和特征。

（2）重点关注环境中微塑料与其他有机污染物、重金属等所形成的复合污染。环境中存在多种污染物，与微塑料结合形成复合污染，但当前对形成复合污染物的作用机制还缺乏探究，今后应更加注重复合污染物对生态环境污染的研究。

（3）建立微塑料对土壤动物、植物及土壤微生物效应关系。土壤生物会受到存在于土壤环境中微塑料的影响，建立微塑料对土壤生物效应关系，以便于研究微塑料对土壤系统的影响。

（4）建立土壤中微塑料数据库。应广泛开展农业、森林、湿地等不同土壤中微塑料检测，建立不同类型土壤中微塑料基础数据库，更高效地监测土壤中微塑料污染，为预测和评估土壤微塑料的生态风险提供数据支撑。

基金项目：重庆中烟工业有限责任公司资助项目（YL202202）；河南省烟草公司洛阳市公司科技专项（2021410300270050）