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农田土壤微塑料污染来源、分布、迁移、转化、影响等


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行业新闻

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发布时间:2021-07-28 09:52

杨 扬    何文清

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 农业农村部农膜污染防控重点实验室)

研究背景

微塑料是最大单边粒径小于5 mm塑料的总称,分为初级微塑料和次级微塑料,其中初级微塑料主要指在生产中被制成微米级的塑料颗粒,作为原料用于工业制造或生活用品生产等,次级微塑料指环境中大块塑料在物理、化学和生物的作用下破碎和降解成塑料碎屑。微塑料包括薄膜、碎片、颗粒、球形等不同形状和聚乙烯、聚丙烯、聚酯等不同材质。在海洋、湖泊、河流等水生生态系统以及土壤等陆地生态系统中普遍存在。早期研究集中在海洋等水体生态系统,土壤作为农业生产活动最主要场所,对其微塑料研究却刚刚起步。以关键词“soil microplastic”“marine microplastic”“microplastic”检索Web of Science数据库发现(图1), 海洋微塑料的研究报道始于2004年,2011年后发展迅速,而2012年德国科学家Rillig才首次发文呼吁世界科学家加强对土壤微塑料的关注,2016年后逐渐受到重视,但直至2019年,土壤微塑料污染研究报道数量仍不足海洋微塑料的1/3,而研究推测土壤中微塑料污染丰度可能是海洋中的4~23倍,尤其农田土壤微塑料污染亟待开展深入系统研究。

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图1 基于Web of Science数据库的微塑料污染研究情况统计

摘  要

微塑料是一种新的土壤污染物,对土壤环境与健康有严重的影响,已成为国内外研究的热点。系统分析了农田土壤微塑料的污染现状与分布特点,总结了不同农业生产方式对土壤微塑料污染丰度的影响及其在土壤中分布和迁移特征,阐述了不同微塑料的污染来源及其对土壤环境的危害,提出地膜覆盖将成为农田土壤微塑料污染的一个重要来源,微塑料因粒径、浓度及类型的不同对农田土壤理化性质和土壤生物会造成不同程度的影响,同时也比较分析了土壤微塑料的检测分析方法与手段,并从土壤微塑料的溯源、迁移转化、污染危害以及检测分析手段4个方面对未来需要解决的科学问题和研究方向进行了展望,为农田土壤微塑料的研究以及微塑料污染防控提供参考。

 

01

农田土壤微塑料污染现状与特点

目前国内外农田土壤微塑料污染现状研究处于起步阶段,微塑料污染呈现空间上分布不均衡的现象,特别是我国农田土壤微塑料出现区域性污染严重的情况,与之相比,国外农田微塑料污染程度较轻。农业生产方式不同,土壤微塑料污染丰度也存在显著差异,据已有文献报道显示(表1),设施农田微塑料污染丰度最高;城郊农业次之,且与设施农田相同,多为0~0.50 mm粒径的微塑料;大田农业微塑料污染程度最低,粒径0~1 mm的微塑料占主要。设施农田微塑料污染程度较高,与棚膜使用、农事劳作、肥料施用等多种因素有关,且处于封闭环境中,土壤中的微塑料不易流失;与设施农业土壤相比,城郊农业土壤中微塑料污染程度较低,造成这一现象的原因可能与人为活动和塑料制品的频繁使用有关,较为发达的城市,人口密度大,其微塑料的污染可能也越严重;而大田农业土壤中微塑料污染最轻,地膜施用、污水灌溉、污泥农用等可能是其主要来源,且微塑料容易在土壤中迁移,甚至随雨水等流失,最终汇入海洋、湖泊等环境中。

表1  农田土壤微塑料污染现状

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农田土壤中微塑料污染主要来源

农田土壤微塑料污染的潜在来源包括灌溉水、污泥农用、施用有机肥、地膜覆盖、大气沉降等(表2)。1)灌溉水主要采用地表水、地下水、净化后的污水等,其微塑料种类多样,包括纤维、碎片、颗粒等不同形状和聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯和聚乙烯醇等不同材质。2)污泥农用同样也是农田土壤微塑料的主要来源,且其主要类型为纤维状的聚丙烯、尼龙或透明热塑性聚酰胺材料等。3)Weithmann等调查研究发现有机肥中微塑料主要为片状的苯乙烯基聚合物,粒径大部分在2~5 mm。4)最新研究显示大气中微塑料95%以上为纤维状,而粒径小于0.50 mm的微塑料占总量的50%以上,主要成分包括聚酯、聚氯乙烯、聚乙烯和聚苯乙烯等。城市聚集区受大气微塑料沉降影响较为显著,Dris等以巴黎市区为例研究发现每年通过大气沉降进入该区域的纤维状微塑料污染量达3~10 t。

此外,随我国农业发展对地膜覆盖技术依赖程度的不断增加,农田土壤地膜源微塑料污染受到越来越广泛的社会关注。大量地膜的残留可能成为农田土壤微塑料污染的重要来源。

表2  农田土壤微塑料污染来源

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农田土壤微塑料的分布、迁移和转化

微塑料在土壤中受多种因素作用进行迁移,且能在光、热、氧等影响下发生自身的降解转化。
土壤微塑料迁移过程受到土壤淋溶、动物扰动、农事作业等共同影响。1)Wang等研究发现<20 μm的微塑料能通过土壤孔隙淋溶进行迁移,且具有浅层地下水的潜育区土壤更利于微塑料迁移;2)Rillig等研究了蚯蚓对不同粒径微塑料的迁移作用,结果发现受蚯蚓活动影响,最小粒径范围(710~850 μm)的微塑料被迁移至底层土壤(10 cm),较大粒径富集于中间土层中,而没有蚯蚓的情况下,微塑料颗粒停留在土壤表层,表明蚯蚓能促进微塑料在农田土壤中垂向迁移,且对其具有粒径选择性;3)耕作方式也是影响微塑料迁移深度的重要因素。传统耕作方式作用下,微塑料能迁移到20~30 cm土层中;而在免耕土壤中,只影响最表层的微塑料。
土壤中的微塑料在光、热、氧、物理侵蚀和生物降解等作用下会发生聚合物分子化学结构变化,进一步破碎和降解成粒径更小的微塑料甚至纳米塑料。当微塑料存在于表层或浅层土壤中,其长时间暴露在阳光下,在紫外线照射和空气中氧的作用下会引发自由基链式反应,导致聚合物链断裂和分子量降低,而风化作用、雨水冲刷等物理侵蚀也都能加快微塑料的进一步降解转化。而在更深的土层中,微塑料处在无光、厌氧环境中,微塑料作为土壤微生物生长发育的碳源或能源,被其利用分解,但降解效率较低,导致更长时间的残留。除此之外,土壤动物活动也能促进其降解转化,土壤动物能摄食微塑料,在动物体内受各种酶的影响发生降解过程,随后可能被动物排出体外,再次进入土壤中。

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微塑料对农田土壤环境与质量的影响

1.微塑料对农田土壤理化性质的影响

 
 
 
微塑料的存在能改变土壤结构,改变土壤水分循环,加剧土壤缺水。Wan等研究了不同粒径和浓度的聚乙烯微塑料对土壤水分蒸发和干燥开裂的过程,结果显示小粒径高浓度(2 mm、1%)的微塑料提高土壤水分蒸发速率最快,使其蒸发速率提高25.90%~30.20%,表明微塑料在土壤中为水的流动创造了通道,加速土壤水分蒸发,加剧农田土壤水分短缺。

微塑料浓度的变化,也能显著影响土壤中溶解性有机碳(DOC)的含量。高浓度的微塑料能刺激土壤酶活性,有利于有机碳、氮、磷在土壤中的溶解,导致可溶性有机质的积累。

2.微塑料对农田土壤微生物和动物的影响

 
 
 
微塑料的存在也会对土壤微生物多样性产生显著的影响。Wang等通过Illumina MiSeq技术对土壤样品进行测序分析发现,低密度聚乙烯微塑料(2 mm)能改变土壤中的细菌群落,并随培养时间延长,微生物群落在不断变化,表明微塑料可以加快土壤细菌群落的多样性演替。另有研究发现微塑料能抑制土壤微生物活性,因其含有添加剂,如邻苯二甲酸盐、双酚A和吸附重金属等,阻碍微生物体的繁殖发育;微塑料对土壤微生物的影响是复杂的过程,未来亟待更深入的研究。

微塑料对土壤动物生长、存活和繁殖均会产生影响,能使蚯蚓体重下降27.60%~29.80%,随粒径减小和浓度增加对蚯蚓产生更严重的毒害作用,甚至造成致死损伤。粒径<1 mm的聚乙烯微塑料能被蚯蚓摄食进入肠和中肠道内,引起组织病理损伤及免疫应答。而58 μm浓度范围在1%~2%的聚苯乙烯微塑料能抑制蚯蚓生长,使其死亡率达40%。此外,有研究发现低浓度(2.50×10-2%、0.05~0.10 μm)的聚苯乙烯微塑料能显著增加蠕虫的繁殖率,而较高浓度对蠕虫繁殖无显著作用。

3.微塑料对农作物的影响

 
 
 
微塑料可通过影响土壤水分蒸发等理化性质,影响植物的生长发育。Machado等研究发现聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料(5 mm、5%)能加速土壤水分蒸发,促进植物蒸发蒸腾,使其蒸腾量增加50%,导致植物根径平均减少5%,抑制葱的生长。微塑料还能随粒径和浓度的改变对幼苗生长产生影响,刘蓥蓥等研究发现小粒径高浓度(2.30×10-2~3.80×10-2 mm、10%)的微塑料显著降低幼苗的含水率,对幼苗生长表现出抑制作用,降低绿豆幼苗的干重、鲜重、根长和芽长,而较大粒径(0.55~0.88、1.06×10-1~1.50×10-1 mm)的微塑料对其生长发育没有显著作用。
微塑料还能被作物吸收,进入作物体内,对作物生长产生不利影响。Bosker等研究显示纳米级微塑料(4800 nm、107 particles/mL)能堵塞种子囊孔,并在后期积累在根毛上,阻碍种子发芽,使种子发芽率从78%下降到17%。李连祯等研究还发现0.20 μm的聚苯乙烯微塑料(10 mg/mL)可被生菜根部大量吸收和富集,并可在根压和蒸腾拉力的作用下,积累和分布在可被直接食用的茎叶之中。此外,纳米微塑料(20 nm)还可通过内吞作用进入烟草细胞,这也表明小粒径的纳米级塑料可能通过植物根际吸收进入植物体内,造成不良效应。有研究显示微塑料还能破坏水稻组织,诱导脂质过氧化,破坏细胞膜,抑制作物根活性,降低水稻净光合速率,并使其叶绿素荧光和叶绿素a含量降低,从而降低水稻生物量。

表3 微塑料粒径对其迁移转化过程和污染危害的影响

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微塑料的检测分析方法

土壤中微塑料的检测评价方法有多种(表4),根据试验需求和样品特性采用适合的方法。

表4   土壤微塑料的检测分析方法

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存在问题及未来研究展望

土壤微塑料污染作为新型环境问题逐渐引起社会广泛关注,目前研究者们针对农田土壤微塑料污染的现状与特点、来源与分布迁移特征、污染危害以及检测分析方法等方面进行研究,但相关研究尚不充足,仍处于探索积累阶段,未来还需要从以下几方面开展深入研究:

1)需要明确土壤微塑料的来源,特别是地膜源微塑料污染贡献率。土壤中微塑料来源广泛,且不同土地类型微塑料污染丰度差异显著,目前对于各地区土壤微塑料来源的检测研究尚不充足,特别是地膜源微塑料的污染贡献率仍未知,近些年来我国北方地膜投入量大,亟待加强对地膜源微塑料的检测评价,土壤微塑料的来源与评价是未来研究的重点。

2)需要进一步探究土壤微塑料的迁移机制及地膜源微塑料降解转化过程。土壤中微塑料能在农事劳作、土壤淋溶、动物扰动等因素下进行迁移,但目前对于土壤微塑料迁移机制及动力学过程研究仍缺乏,湖泊及海洋等是否最终会成为土壤微塑料的汇集地有待进一步研究,未来应探究土壤微塑料的归趋,揭示地膜源微塑料的降解转化过程,追溯地膜源微塑料发生、发展及衍化过程,预测农田土壤地膜源微塑料污染发展趋势。

3)微塑料对农田生态系统、食物链及人体健康的风险还需要开展全面系统的分析评价。微塑料对农田土壤环境与质量均产生不利影响,而微塑料随食物链传递以及在各个营养级间富集的研究刚刚起步,对人体的危害研究尚未十分充足,未来应重点研究微塑料的自身与负载毒性对食物链及人体健康的污染危害,重视微塑料随粒径和浓度改变对农田生态系统的影响。

4)需要建立完善的土壤微塑料的分离鉴定分析方法。土壤是个复杂的生态系统,土壤质地和土壤中的有机质等都可能影响微塑料的分离鉴定结果,与水体和沉积物中微塑料的分离、鉴定相比更为困难,随研究技术的发展,农田土壤微塑料的检测分析方法多样,但仍存在局限性,且未考虑到不同性质土壤和不同类型微塑料对分离与鉴定的要求,未来应依据土壤性质和微塑料类型进行分离与鉴定的方法学研究,建立系统研究手段。

来源:杨扬, 何文清.农田土壤微塑料污染现状与进展[J].环境工程.

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