韓麗花，李巧玲，徐笠，陸安祥，李冰茹，鞏文雯，田佳宇

1. 中北大學(xué)理學(xué)院，太原 030051 2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究中心，北京 100097 3. 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097

微塑料(microplastics)一詞最早由Andrady[1]提出，后經(jīng)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)將其定義為直徑<5 mm的塑料顆粒，主要來(lái)源于大尺寸塑料的風(fēng)化和降解產(chǎn)物、化纖紡織品的斷裂及個(gè)人護(hù)理品或工業(yè)原材料，即按其來(lái)源可分為初級(jí)微塑料和次級(jí)微塑料。微塑料具有粒徑小、比表面積大、疏水性強(qiáng)和難降解等特性，是眾多疏水性污染物和重金屬的理想載體[2]。微塑料不斷上升的環(huán)境濃度以及潛在的生態(tài)毒理效應(yīng)，引起了全球的日益關(guān)注[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微塑料污染的研究已取得了一定的成果。這些研究表明，微塑料廣泛存在于海洋[4-5]、淡水湖[6]、河流沉積物[7-10]和淡水生物[11]等中。而海洋和淡水中微塑料的一個(gè)重要來(lái)源是陸地塑料的使用[12]。據(jù)報(bào)道，土壤可能比海洋接收更多的塑料垃圾[13]。已有研究表明，微塑料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)化、老化過(guò)程，比表面積逐步增大，疏水性增強(qiáng)，在土壤鹽度、有機(jī)質(zhì)和pH等多種因素影響下，與土壤中的重金屬和有機(jī)污染物發(fā)生相互作用，引起土壤的物理化學(xué)性質(zhì)的改變[14]。此外，微塑料在被土壤中的動(dòng)物攝食后沿著土壤食物鏈傳遞，進(jìn)而影響各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的土壤動(dòng)物[15]。因此，對(duì)土壤中微塑料污染方面的研究迫在眉睫。

目前有部分研究證明了濱海潮灘土壤[16]、瑞士洪泛區(qū)土壤[17]、西南地區(qū)土壤[18]和濱海鹽場(chǎng)土壤[19]等均存在微塑料的污染，而流域土壤中的微塑料很可能隨著大風(fēng)、降雨等沖蝕進(jìn)入河流中，最終匯入海洋。目前對(duì)流域土壤中微塑料污染的認(rèn)識(shí)仍存在很大的空白。因此，本文以大遼河為研究對(duì)象，選取附近8個(gè)土壤樣品，進(jìn)行了微塑料的豐度與分布研究，以期更好地了解大遼河附近土壤中微塑料的污染狀況，為我國(guó)流域土壤中微塑料的評(píng)估和治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 研究區(qū)域概況

大遼河地處遼河下游沖積平原，系指渾河、太子河合流后由三岔河至營(yíng)口入?？诘暮佣?，河道全長(zhǎng)97 km，流域面積1 962 km2。兩岸土質(zhì)為壤土和亞粘土沉積，地勢(shì)平坦，河道蜿蜒曲折多變，屬?gòu)澢魏拥?。整個(gè)大遼河的流向是向西南，由三岔河經(jīng)下坎子、石佛、賞軍臺(tái)、田莊臺(tái)、水源至榮興農(nóng)場(chǎng)附近，流向折向東南，經(jīng)鴨島進(jìn)入營(yíng)口市，由營(yíng)口市區(qū)流入渤海遼東灣。土壤采自大遼河附近，采樣點(diǎn)分布如圖1所示，采樣時(shí)間為2018年9月。

圖1 研究區(qū)域概況Fig. 1 Overview of the study area

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑包括ZnCl2(分析純，購(gòu)自天津福晨化學(xué)試劑有限公司)、30% H2O2(分析純，購(gòu)自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)、超純水(實(shí)驗(yàn)室自制，用前過(guò)濾)。

實(shí)驗(yàn)儀器包括Magellan-MobleMapper 6手持GPS導(dǎo)航儀(美國(guó)麥哲倫導(dǎo)航定位公司)、FA2204電子天平(上海力辰儀器科技有限公司，中國(guó))、OLYMPUS SZ61體式顯微鏡(Olympus Corporation，日本)、DH-101電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司，中國(guó))、LC-DMS-H雙顯恒溫磁力攪拌器(上海力辰儀器科技有限公司，中國(guó))、DB-2EFS石墨電熱板(上海邦西儀器科技有限公司，中國(guó))、標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼篩(5 mm和2 mm)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 樣品采集

隨機(jī)選擇若干個(gè)50 cm×50 cm正方形采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)的位置分別由GPS定位器確定，采集表面約5 cm厚的土壤，去除大型石頭、樹枝等雜質(zhì)(>5 cm)，鋁箔包好，裝入聚乙烯(PE)自封袋，做好標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室，放置于4 ℃的冰箱內(nèi)，直至分析。

(2) 樣品處理

微塑料通常具有相對(duì)較低的密度(0.9～2.3 g·cm-3)[20]。對(duì)于具有高密度(2.6～2.7 g·cm-3)[21]的土壤，微塑料的提取常采用密度浮選法。飽和NaCl (1.2 g·cm-3)、ZnCl2(1.5～1.7 g·cm-3)、NaI (1.6～1.8 g·cm-3)、CaCl2(1.5 g·cm-3)和聚鎢酸鈉(SPT)常作為水體、沉積物、土壤中浮選微塑料的溶液[20,22-23]，特別是NaCl和CaCl2，因?yàn)樗鼈兊某杀镜颓覜](méi)有潛在的污染[24]。也有研究采用甲醇和二氯甲烷溶液有效提取了土壤中的微塑料，并可在高溫下蒸發(fā)至干燥后進(jìn)行稱重[25]。然而，這些萃取方法可能會(huì)高估微塑料的濃度，并導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)在180 ℃時(shí)溶解[26]。Zhang等[27]用去離子水重復(fù)超聲浮選，并用加熱法去除微塑料樣品中的雜質(zhì)，從不同類型的土壤中成功分離提取出了聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)，微塑料的回收率接近90%。Mani等[28]用蓖麻油結(jié)合雙氧水消解法，從土壤和沉積物中分離出PP、聚苯乙烯(polystyrene, PS)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate glycol, PET-G)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)微塑料，并將該方法應(yīng)用于萊茵河樣品。余構(gòu)彬等[29]用0.4 mol·L-1高錳酸鉀與1∶3硫酸酸度等量混合，常溫靜置氧化24 h，使得甘蔗地土壤有機(jī)質(zhì)的去除率達(dá)到90.90%，并結(jié)合飽和NaCl溶液浮選法，使得微塑料的檢出率達(dá)到74.50%。

本研究選擇較為常用的ZnCl2(ρ=1.5～1.7 g·cm-3)溶液作為密度浮選液，對(duì)采集的土壤樣品進(jìn)行微塑料的提取分離。具體步驟如下。每份土壤樣品混勻，取300 g于60 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干。將干燥后的土壤混勻取150 g，過(guò)5 mm和2 mm的不銹鋼篩[30]，去除大型石頭、樹枝等雜質(zhì)，將過(guò)篩樣品分為三等份。實(shí)驗(yàn)前將ZnCl2溶液(ρ=1.5～1.7 g·cm-3)通過(guò)直徑47 mm、孔徑0.45 μm的混合纖維素酯膜(MF-Millipore TM Membrane Filter)過(guò)濾。將50 g過(guò)篩土壤(干重計(jì))樣品(n=3)置于500 mL玻璃燒杯中，加入150 mL ZnCl2溶液，于恒溫磁力攪拌器上持續(xù)攪拌30 min，靜置過(guò)夜。固液分層后，將上清液用真空抽濾裝置進(jìn)行抽濾，濾膜采用直徑47 mm、孔徑5 μm的纖維素濾膜(Whatman AE 98)。用少量去離子水多次沖洗濾器內(nèi)壁，沖洗液一并過(guò)濾。將載有可疑微塑料的濾膜用不銹鋼鑷子轉(zhuǎn)移至玻璃培養(yǎng)皿中，待消解。重復(fù)上述密度浮選操作3次(ZnCl2溶液重復(fù)利用)，以期將上清液漂浮的物質(zhì)全部收集至濾膜上。

將濾膜上的物質(zhì)全部轉(zhuǎn)移至200 mL玻璃燒杯中，用少量超純水沖洗濾膜，沖洗液轉(zhuǎn)移至上述燒杯中。本研究中浮選得到的漂浮物中還含有一些其他的殘留雜質(zhì)，這與其他研究相似[20]。因此，本研究采用雙氧水消解法去除這些雜質(zhì)[31]。向上述裝有可疑微塑料的燒杯中加入100 mL 30%雙氧水，用鋁箔密封，在石墨電加熱板上于60 ℃下消解樣品中殘留的有機(jī)物3 d，將燒杯中消解液再次真空抽濾，完成過(guò)濾前，多次反復(fù)使用超純水淋洗濾器內(nèi)壁，使目標(biāo)物全部富集至濾膜上。用無(wú)齒不銹鋼鑷子將濾膜取下轉(zhuǎn)移至60 mm潔凈的玻璃培養(yǎng)皿中，室溫干燥，待分析。

(3) 微塑料的定性與定量

用無(wú)齒不銹鋼鑷子和解剖針在體式顯微鏡下挑揀，將挑出的可疑微塑料置于混合纖維素網(wǎng)格濾膜(Whatman WME WHGR ST 47 mm 0.45 μm ME 25)上，并做好標(biāo)記。按顏色和形貌特征分類，記錄在電子表格中。再將樣品單層平鋪拍照，以最長(zhǎng)一邊計(jì)，測(cè)量可疑微塑料的尺寸(圖2)。傅立葉顯微紅外光譜儀(Perkin Elmer Spotlight 400)工作條件：采用透射/反射模式，MCT檢測(cè)器，波數(shù)范圍4 000～750 cm-1，分辨率4.00 cm-1，掃描次數(shù)16次，光柵大小與累加次數(shù)隨樣品大小變化。采用顯微紅外光譜(μ-FTIR)的透射模式對(duì)所有粒徑在0～500 μm的可疑微塑料進(jìn)行測(cè)定；采用傅立葉衰減全反射(ATR-FTIR)對(duì)所有粒徑在500～5 000 μm的顆粒進(jìn)行聚合物成分的鑒定和官能團(tuán)的表征。將圖譜與購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)品譜庫(kù)(薩特勒譜庫(kù))進(jìn)行比對(duì)，規(guī)定匹配度達(dá)60%及以上的譜圖對(duì)應(yīng)的樣品為微塑料，以此確定微塑料的成分。

圖2 顯微鏡下的微塑料(放大倍數(shù)為20×)注：(a),(b)為碎片類；(c),(d)為薄膜類；(e)為泡沫類；(f)為顆粒類；(g),(h)為纖維類。Fig. 2 Microplastics under stereo microscope (magnification times 20×)Note: (a) and (b) are fragments; (c) and d are films; (e) is foam; (f) is particle; (g),(h) are fibers.

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，土壤中微塑料豐度以“個(gè)·kg-1”(干重)為單位，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在Microsoft Excell 2010中完成，繪圖采用Origin 9.0軟件進(jìn)行。采用IBM-SPSS 22.0對(duì)采樣區(qū)域微塑料豐度的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果(Results)

2.1 大遼河土壤中微塑料的形狀、粒徑及組成

2.1.1 大遼河土壤中微塑料的形狀特征

根據(jù)微塑料的形狀特征，將微塑料分為薄膜、纖維、顆粒、泡沫和碎片(圖2)。碎片類微塑料(圖2(a),2(b))邊緣整齊、有一定厚度、形狀多樣，有三角形、矩形和正方形等，質(zhì)地較硬。薄膜微塑料(圖2(c),2(d))質(zhì)地較軟而薄，顏色多種多樣，邊緣較不規(guī)則。泡沫類微塑料(圖2(e))為輕質(zhì)的、白色聚苯乙烯泡沫塑料。顆粒類(圖2(f))微塑料為質(zhì)地較硬的、規(guī)則的球狀或橢球狀的塑料顆粒。纖維類微塑料(圖2(g),2(h))呈細(xì)而長(zhǎng)的線狀或極細(xì)的條狀，較軟，部分呈卷曲狀或纏繞在一起。

由圖3可知，整體上看，各形狀的微塑料在微塑料總量中的占比由高到低順序依次為：薄膜(57.36%)、碎片(32.21%)、泡沫(6.75%)、纖維(2.15%)和顆粒(1.53%)。不同形狀的微塑料在各點(diǎn)的檢出情況不同。碎片類和薄膜類微塑料在各點(diǎn)土壤中均有檢出。而DL1檢出的纖維類和顆粒類微塑料是8個(gè)采樣點(diǎn)中最多的，在該點(diǎn)的微塑料數(shù)量中占比均為15.79%，分別占所有纖維類和顆粒類微塑料總量的42.86%和60.00%。DL8未檢測(cè)到纖維類微塑料，DL2中薄膜類微塑料占該點(diǎn)微塑料的91.84%，占所有薄膜類微塑料總量的72.19%。DL3中碎片類微塑料占該點(diǎn)微塑料的91.38%，占所有碎片類微塑料總量的50.48%。DL5中泡沫類微塑料占比最大(45.95%)，占泡沫類微塑料總量的77.27%。

圖3 大遼河土壤中微塑料的形狀Fig. 3 Shape of microplastics in soil of Daliao River

2.1.2 大遼河土壤中微塑料的粒徑特征

將所檢出的塑料粒徑分為0～100 μm、100～500 μm、500～1 000 μm、1 000～2 000 μm、2 000～5 000 μm、>5 000 μm共6個(gè)等級(jí)。如圖4所示，經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)，8個(gè)土壤樣品中各粒徑范圍內(nèi)的塑料碎片在所有塑料總量中占比最高的為500～1 000 μm(41.10%)，其次為1 000～2 000 μm(26.38%)、100～500 μm(19.33%)、2 000～5 000 μm(11.66%)、0～100 μm(0.92%)及5 000 μm以上(0.61%)。<1 000 μm的微塑料占微塑料總量的61.35%。其中，500～1 000 μm的微塑料占67.00%，其次是100～500 μm，占31.50%，0～100 μm的微塑料占比最小，為1.50%。各點(diǎn)不同粒徑微塑料的分布存在顯著差異(P=0.00)。DL1、DL6和DL7土壤微塑料粒徑以1 000～2 000 μm為主，占比范圍為46.15%～57.89%。DL2、DL3、DL4、DL5和DL8以500～1 000 μm為主，占比范圍為37.04%～72.97%。在本研究中所有粒徑為0～100 μm的微塑料僅在DL2、DL3中有分布。

2.1.3 大遼河土壤中微塑料的顏色特征

將檢測(cè)出的微塑料大致分為白色、藍(lán)色、黃色、綠色、紅色、透明、黑色及彩色等類型。其中含量最多的為藍(lán)色(43.87%)、其次為白色(32.82%)、綠色(11.04%)、黃色(6.13%)、彩色(3.07%)、透明(1.53%)、紅色(0.92%)和黑色(0.61%)(圖5)。不同顏色的微塑料在各采樣點(diǎn)的占比情況不同。除DL2以藍(lán)色為主，DL3以綠色為主外，2/3的土壤樣品中白色微塑料占比均最大，占比變化范圍為33.33%～83.78%。其中，DL5中白色微塑料在該點(diǎn)微塑料中占比最大，為83.78%，DL6中白色微塑料占比為33.33%。此外，DL1中僅觀察到白色、黃色和黑色的微塑料。DL2僅觀察到白色、藍(lán)色和綠色微塑料。DL3除透明和黑色微塑料未觀察到以外，其余顏色均有觀察到。DL4白色微塑料占比最大，為50%，其次為透明，占31.25%。DL5中藍(lán)色和黃色占比相同，均為8.11%。DL6中白色和綠色微塑料占比相同，均為33.33%。DL7中白色和黃色微塑料占比相同，均為38.46%。藍(lán)色、紅色和綠色微塑料占比相同，均為7.69%。DL8中白色微塑料占74.07%，其次為黃色(18.52%)、彩色(7.41%)。

2.1.4 大遼河土壤中微塑料的組成成分

對(duì)大遼河各采樣點(diǎn)的微塑料進(jìn)行紅外光譜分析，按匹配度為60%，確定了微塑料的組成成分。挑出384個(gè)顆粒，其中微塑料顆粒共326個(gè)，即FTIR鑒定后假陽(yáng)性的顆粒所占比例為15.10%。各聚合物類型(共20種)的微塑料中英文名稱、英文縮寫及在微塑料的總量中所占比例列于表1。由表1可知，大遼河土壤中微塑料的主要類型為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)。為便于統(tǒng)計(jì)分析，將聚11-溴代十一烷丙烯酸酯(PBA)、聚(N-甲基丙烯酰胺)(PMAA)、聚4-甲基己內(nèi)酰胺(PMCL)、聚丁二炔二酯(PALE)、聚11-溴代十一烷甲基丙烯酸酯(PBMA)、聚(乙烯/4-甲基-1-戊烯)(PE/PMP)、聚十八烯(PODE)和聚十八烷基異氰酸酯(PODC)歸于“其他”類型的聚合物中(圖6)。

圖4 大遼河土壤中塑料碎片的粒徑分布Fig. 4 Particle size distribution of debris plastics in soil of Daliao River

圖5 大遼河土壤中微塑料的顏色Fig. 5 Color of microplastics in soil of Daliao River

由表1和圖6可知，不同聚合物類型的微塑料在微塑料總量中所占比例不同。所有PE占50%，PP占24.23%，PS占7.67%，PA占2.15%，POA占3.07%，RY占3.25%，PODC占3.37%，其他微塑料占比<2.00%。各采樣點(diǎn)不同種類的微塑料所占比例也不同。DL2中的PE在微塑料總量中占比最大，為87.76%。DL3中PP微塑料在微塑料總量占比最大，為82.76%。DL1中PA占比最大，為15.79%。DL5中PS在微塑料總量中占比最大，為45.95%。但PE和PP類微塑料在8個(gè)土壤樣品中均有檢出，占比變化范圍分別為5.17%～87.76%和2.70%～82.76%。土壤中典型微塑料樣品及對(duì)應(yīng)微塑料標(biāo)準(zhǔn)品的紅外光譜如圖7所示。特別的，參考先前的研究將人造絲(Rayon)也歸為微塑料的研究范疇[1,32-35]。

圖6 大遼河土壤中微塑料的聚合物類型Fig. 6 Polymer types of microplastics in soil of Daliao River

表1 大遼河土壤中微塑料聚合物類型Table 1 The microplastic polymer types in soil of Daliao River

圖7 典型微塑料樣品的紅外光譜圖Fig. 7 Infrared spectra of typical microplastics samples

2.2 大遼河土壤中微塑料的豐度及空間分布

如圖8所示，在大遼河表層土壤中共檢測(cè)出326個(gè)微塑料顆粒，微塑料在8個(gè)采樣點(diǎn)的檢出率為100%。本研究土壤樣品中微塑料數(shù)量豐度介于(60±52.92)～(980.00±383.14) 個(gè)·kg-1(干重)之間，平均豐度為(273.33±327.65) 個(gè)·kg-1(干重)。各點(diǎn)豐度順序由高到低依次為DL2>DL3>DL5>DL8>DL1>DL4>DL7>DL6。即大洼區(qū)、大石橋、鞍山海城市玉米地土壤中微塑料豐度高于遼中區(qū)耕地和大洼區(qū)大遼河入河口草地土壤。但盤山縣、遼陽(yáng)縣柳壕鎮(zhèn)玉米地土壤中微塑料豐度低于上述耕地和草地。因此，本研究中微塑料豐度與土壤利用方式有相關(guān)性，且豐度有顯著性差異(P=0.001，<0.05)。將本研究中玉米地、草地、耕地的豐度進(jìn)行比較，可以看出玉米地土壤微塑料平均豐度最大，其次是耕地、草地。該研究區(qū)域的上中游為渾河和太子河至河口匯入處之間的河段，包括DL5、DL6、DL7和DL8。下游為河口匯入處至入?？谥g的河段，包括DL1、DL2、DL3和DL4。據(jù)此，大遼河流域土壤中微塑料的豐度順序?yàn)椋合掠?406.33±216.21) 個(gè)·kg-1>上中游(143.33±101.65) 個(gè)·kg-1。

圖8 大遼河土壤中微塑料的豐度Fig. 8 Abundance of microplastics in soil of Daliao River

3討論 (Discussion)

3.1 研究區(qū)域土壤微塑料的形狀、顏色、粒徑及組成

目前，已有的研究結(jié)果表明，不同區(qū)域土壤中微塑料的形狀有所差異。如渤海、黃海沿岸土壤中微塑料主要有泡沫、小球、碎片、薄片、纖維、薄膜和海綿等7種形態(tài)[16]；濱海潮灘土壤中微塑料的類型有顆粒、碎片、纖維和薄膜，其中顆粒類占總數(shù)的3/4[19]；上海蔬菜地農(nóng)田土壤中微塑料的形狀主要為碎片、薄膜和纖維[36]。福建漳浦近岸海域表層土壤中微塑料的形狀類型為碎片、纖維、顆粒、泡沫和薄膜[37]。本研究中顆粒類微塑料在各形狀的微塑料中占比最小(1.53%)，薄膜類微塑料占比最大(57.36%)，碎片類占32.21%，即碎片類和薄膜類微塑料占比之和超過(guò)85%。本研究中纖維類僅占2.15%，這一結(jié)果與渤海、黃海沿岸土壤中纖維類微塑料占1.0%[16]的結(jié)果相近，也與上海稻魚共養(yǎng)土壤[38]、中國(guó)西南滇池河岸森林緩沖帶及4種不同種植面積土壤[18]、智利邁珀河附近土壤[39]的結(jié)果形成了對(duì)比，這些區(qū)域中纖維類微塑料百分比均超過(guò)90%。存在這種差異的主要原因可能是微塑料的來(lái)源和材質(zhì)不同[40]。例如，顆粒類占比較小的原因可能是顆粒狀微塑料主要來(lái)自硬質(zhì)塑料的分解，而硬質(zhì)塑料分解需要較長(zhǎng)時(shí)間[41]。

本研究中粒徑<1 mm的微塑料占微塑料總量的61.35%。這一結(jié)果與渤海、黃海沿岸土壤粒徑<1 mm的微塑料(60%)[16]、上海蔬菜農(nóng)田深層土壤粒徑<1 mm的微塑料(59.81%)[36]占比結(jié)果很相近，比濱海潮灘土壤粒徑<1 mm的微塑料(49.8%)[19]、上海菜地農(nóng)田表層土壤粒徑<1 mm的微塑料(48.79%)[36]占比高，比墨西哥熱帶家庭花園土壤粒徑<50 μm的微塑料(93.7%)[42]、瑞士漫灘土壤粒徑<500 μm的微塑料(85%)[16]占比低。本研究中500～1 000 μm的微塑料占總數(shù)的41.10%，是所有粒徑范圍內(nèi)占比最大的區(qū)間。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)(圖9)，粒徑<1 mm的微塑料中，500～1 000 μm范圍內(nèi)的微塑料占比最大，為67.00%。且500～1 000 μm范圍內(nèi)的薄膜(66.00%)、泡沫(5.50%)和碎片類(26.50%)微塑料占比的高低順序與總體規(guī)律一致，而纖維類微塑料在粒徑<1 mm的微塑料中僅在100～500 μm內(nèi)有分布。在所有纖維類微塑料中，微塑料粒徑主要分布在1 000～2 000 μm(57.14%)。顆粒類微塑料在100～500和500～1 000 μm范圍中的占比相同，而所有顆粒類微塑料的粒徑主要集中在1 000～2 000 μm之間(60.00%)。Doyle等[43]的研究結(jié)果中也未發(fā)現(xiàn)<1 mm的纖維。在目前報(bào)道的研究中土壤微塑料的粒徑大部分以<1 mm為主[15-16,18,36,38-39,42]。在不同粒徑的微塑料中，<1 mm或微米級(jí)的微塑料更易進(jìn)入生物體內(nèi)[44-45]，這種尺寸范圍的微塑料與許多海洋生物的食物尺寸相近，很可能被它們誤食，進(jìn)而對(duì)這些生物群落產(chǎn)生潛在的威脅[46]。因此未來(lái)對(duì)豐度較高、顆粒更細(xì)的<1 mm的微塑料應(yīng)給予更高的關(guān)注。

圖9 大遼河土壤微塑料的形狀與粒徑分布Fig. 9 Shape and particle size distribution of microplastics in soil of Daliao River

當(dāng)前的報(bào)道中土壤中微塑料的成分各不相同。如渤海、黃海沿岸土壤[16]中微塑料的主要成分為PE、PP、PS、PE/PP和聚氨酯(PEU)。墨西哥熱帶家庭花園土壤中微塑料的主要組成為PE、PS[42]。Scheurer和Bigalke[17]的研究結(jié)果表明，瑞士漫灘土壤中微塑料的主要類型為PA、聚碳酸酯(PC)、PE、PP、聚氯乙烯(PVC)和丁苯橡膠(SBR)，其中最主要的是PE。澳大利亞悉尼工業(yè)區(qū)土壤中微塑料主要類型為PVC[25]。而本研究中微塑料的主要成分為PE和PP。這與上海菜地農(nóng)田土壤[36]、上海稻魚共養(yǎng)土壤[38]的結(jié)果相同。由圖10可知，本研究中微塑料的形狀與聚合物類型有關(guān)。薄膜類微塑料的主要成分為PE、PP和PA，其中PE占比最大，為77.54%，其顏色以藍(lán)色、白色為主，推測(cè)其來(lái)源主要是日常生活中的塑料制品如膜類食品包裝袋及魚飼料編織袋上的防水薄膜層[46]，此外，地膜在工程和農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也是潛在的來(lái)源[46-47]。碎片類微塑料的成分包括PE、PP和POA，其中PP占64.76%。其顏色以綠色、白色和藍(lán)色為主，推測(cè)其來(lái)自化肥、水泥的塑料編織包裝袋的破碎分解。顆粒類的組成有PE、PP、PEA和PS，占比最大的為PS(占微塑料總量的0.61%)。泡沫類微塑料的成分只有PS，顏色為白色，說(shuō)明了這2種材質(zhì)的微塑料有相同的來(lái)源，包括聚苯乙烯泡沫塑料和岸邊的緩沖材料、以及海水養(yǎng)殖中使用的泡沫浮標(biāo)及個(gè)人清潔護(hù)理品中的微珠等[48-50]。纖維類微塑料的主要成分包括PP、PA、PAN和SBS等，其中PA占比最大，為42.86%。其顏色以白色、黃色為主，它們可能來(lái)自于附近居民服裝和紡織行業(yè)的織物洗滌后的污水排放[51]。此外，漁具、大氣沉積和地表徑流也是塑料纖維的潛在來(lái)源[52-53]。而福建漳浦近岸海域表層土壤[37]中泡沫塑料均為聚乙烯(PE)，纖維塑料均為聚酯纖維(PES)，碎片塑料多為聚丁烯(PB)。這一結(jié)果與本研究結(jié)果存在差異。

圖10 大遼河土壤中不同形狀微塑料的聚合物類型Fig. 10 Polymer types of microplastics in different shapes in soil of Daliao River

3.2 研究區(qū)域土壤微塑料的豐度及空間分布特征

ANOVA統(tǒng)計(jì)分析可知，大遼河各采樣點(diǎn)土壤中微塑料的豐度存在顯著差異(P=0.001，<0.05)。本研究大遼河土壤中微塑料的豐度為(60±52.92)～(980.00±383.14) 個(gè)·kg-1(干重)，與渤海、黃海沿岸土壤微塑料的豐度值50～1 000 個(gè)·kg-1很相近[16]。低于中國(guó)西南滇池河岸森林緩沖帶及4種不同種植面積土壤的7 100～42 960 個(gè)·kg-1[18]、智利邁珀河附近土壤的18 000～41 000 個(gè)·kg-1[39]、墨西哥熱帶家庭花園土壤的(900±1 900) 個(gè)·kg-1[42]，高于濱海潮灘土壤的634 個(gè)·kg-1[19]、上海菜地農(nóng)田深層土壤的(62.50±12.9) 個(gè)·kg-1[36]、上海菜地農(nóng)田表層土壤的(78±13) 個(gè)·kg-1[36]、上海稻魚共養(yǎng)土壤(10.3±2.2) 個(gè)·kg-1[38]等。此外，澳大利亞悉尼工業(yè)區(qū)土壤[25]中微塑料豐度為0.03%～6.70%(300～67 500 mg·kg-1)。Ramos等[54]發(fā)現(xiàn)阿根廷土壤中PE膜殘留量為3 g·m2，平均尺寸為28 cm2，占采樣區(qū)域土壤表面積的10%。Scheurer和Bigalke[17]的研究結(jié)果表明，瑞士洪泛區(qū)土壤中的微塑料污染較輕(≤0.00555%，≤593個(gè)·kg-1)。國(guó)內(nèi)有關(guān)土壤(主要為農(nóng)田土壤)樣品中微塑料含量較低(≤320 個(gè)·kg-1)[36,38]。由此可知，大遼河土壤微塑料的豐度為(273.33±327.65) 個(gè)·kg-1處于中等偏低水平。

不同形狀的微塑料在不同利用方式的土壤中的空間分布情況也不同。薄膜類微塑料在草地、玉米地和耕地中均有檢出，主要分布在玉米地中(平均值556.67 個(gè)·kg-1；百分比89.30%)。其中，大洼區(qū)玉米地薄膜類微塑料占72.19%。顆粒類微塑料也主要分布在大洼區(qū)草地中(60 個(gè)·kg-1，60%)。泡沫類微塑料主要在鞍山海城市的玉米地檢出(340 個(gè)·kg-1，77.27%)，纖維類微塑料主要在大洼區(qū)草地檢出(60 個(gè)·kg-1，42.86%)，此外，2/3的玉米地也檢測(cè)到了纖維狀微塑料。碎片類微塑料在3種土壤類型中均有檢出(2 100 個(gè)·kg-1)，其中，大石橋玉米地碎片類微塑料最多(1 060 個(gè)·kg-1，50.48%)。造成這一結(jié)果的原因可能是為了輪作、倒茬、提早上市以及提高玉米的商品價(jià)值，該區(qū)域大多采用蓋拱膜或蓋地膜方式種植，這些留在土壤中的塑料薄膜在物理、化學(xué)和生物效應(yīng)的綜合作用下，可以慢慢地破碎成更小的塑料[55-56]，進(jìn)而導(dǎo)致微塑料污染。也可能是該區(qū)域的土壤有污泥改良和污水灌溉史[18]，包括衣物洗滌水、生活污水或個(gè)人護(hù)理品中微珠的排放等，使得微塑料含量較高。Majewsky等[31]也發(fā)現(xiàn)，廢水中PE和PP的總濃度為80～260 mg·m-3。這些塑料制品可能通過(guò)處理過(guò)的廢水或自然洪水灌溉進(jìn)入農(nóng)田土壤。此外，大氣沉積也可能是進(jìn)入表層土壤的微塑料的一個(gè)重要來(lái)源。如對(duì)偏遠(yuǎn)的高山地區(qū)土壤中微塑料的檢測(cè)結(jié)果表明，空氣沉積可能是某些地區(qū)的主要來(lái)源[17]。土壤采樣深度[36]、微塑料提取方法的不同等也可能是土壤微塑料豐度差異的原因。

綜上所述，大遼河流域土壤中微塑料的檢出率為100%。薄膜和碎片類微塑料百分比分別為57.36%、32.21%，是占比最大的2類微塑料。其次為泡沫(6.75%)、纖維(2.15%)和顆粒(1.53%)。該研究區(qū)域微塑料粒徑基本遵循粒徑越小，數(shù)量越多的規(guī)律。<1 mm的微塑料占微塑料總量的61.35%。其中，500～1 000 μm的微塑料占67.00%，其次是100～500 μm，為31.50%，0～100 μm的微塑料占比最小，為1.50%。>1 mm的微塑料中，1～2 mm的微塑料占68.25%，2～5 mm的占30.16%，>5 mm的塑料碎片占1.59%。大遼河流域土壤樣品中共檢測(cè)出20種微塑料，其主要類型有PP、PE、PS、POA、PA和RY等。其中，PE占50%，PP占24.23%，是占比最大的2類微塑料。微塑料的形狀類型與組成有關(guān)，薄膜類微塑料的主要成分為PE，碎片類微塑料的主要成分為PP。顆粒類、泡沫類微塑料的成分為PS。纖維類微塑料的主要成分為PA。各采樣點(diǎn)微塑料豐度具有顯著差異，其中，DL2(大洼區(qū)玉米地)微塑料豐度最大，為(980.00±383.14) 個(gè)·kg-1(干重)，DL6(遼陽(yáng)縣柳壕鎮(zhèn)玉米地)豐度最小，為(60±52.92) 個(gè)·kg-1(干重)。大遼河流域土壤中微塑料平均豐度為(273.33±327.65) 個(gè)·kg-1(干重)，與現(xiàn)有研究結(jié)果相比，大遼河流域土壤中微塑料污染狀況處于中等偏低水平。