丁凡，李詩彤，王展，馮良山，趙祥云，汪景寬

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧沈陽 110866；2.遼寧農(nóng)業(yè)科學院，遼寧沈陽 110161；3.石林縣鹿阜街道農(nóng)業(yè)綜合服務中心，云南昆明 652299）

塑料已經(jīng)成為現(xiàn)代人類生活必需的消耗品，人類已經(jīng)進入“塑料時代”。據(jù)統(tǒng)計顯示，全球每年塑料總使用量超過24億噸，其中絕大部分最終會被丟棄到環(huán)境中［1］；全球每年向海洋中排放480～1 270萬噸塑料［2］，對全球的海洋環(huán)境和生物造成了極大的影響，近些年，海洋塑料污染已受到前所未有的重視［2］，海洋中的塑料多數(shù)來自陸地，陸地上塑料的殘留總量要遠遠大于海洋。因此，陸地尤其是土壤中塑料污染也應該受到重視［3-4］。一項歐洲的研究表明，歐盟每年向陸地中釋放的塑料總量可能是往海洋中釋放總量的4～23倍［5］，僅農(nóng)田土壤中每年輸入的塑料就遠超過全球海洋表面漂浮的塑料總量［6］。我國農(nóng)田的塑料污染更為觸目驚心，隨風飄舞的塑料已經(jīng)成為北方一些農(nóng)村周圍“災難性”景觀。最近一項調(diào)查研究表明，我國長期覆膜農(nóng)田土壤中塑料殘留量為71.9～259.1 kg/hm2［7］。

地膜覆蓋是農(nóng)田土壤中塑料殘留最主要的來源之一。1979年我國從日本引進了地膜覆蓋栽培技術(shù)，極大地促進了我國旱作農(nóng)業(yè)的發(fā)展。地膜覆蓋可以提高地溫、減少水分蒸發(fā)、抗病防蟲、抑制雜草、充分利用有限的光、熱、水、和養(yǎng)分資源［8］。地膜覆蓋可以促進種子萌發(fā)，加速根系和植物地上部分生長，延長有效生育期，達到作物早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的良好效果［9-10］。因此，農(nóng)業(yè)地膜覆蓋已成為我國干旱、半干旱、低洼和鹽堿和寒冷等地區(qū)農(nóng)作物增產(chǎn)、節(jié)水、保溫和控草的重要措施。我國地膜用量從1982年0.6萬噸增加到2014年147.1萬噸，地膜覆蓋面積從1982年的11.7萬公頃迅速擴大到2016年的1840萬公頃［11］。當前，我國已成為世界地膜生產(chǎn)量和地膜覆蓋面積最大的國家。

然而，大量農(nóng)業(yè)地膜的使用使農(nóng)田中殘留了大量的塑料，給土壤和環(huán)境造成了嚴重的污染［12］。塑料地膜一般由聚乙烯制備而成，絕大多數(shù)降解很慢或不可降解。由于以往我國的農(nóng)用地膜非常?。ê穸纫话銥?.005～0.008 mm），回收困難，導致農(nóng)田地膜平均回收率不到60%［13］。長期地膜覆蓋的土壤中殘留塑料會越積越多，造成農(nóng)田的“白色污染”。地膜殘留會阻礙土壤毛管水和自然水的滲透，影響土壤吸濕性，降低土壤的通透性，影響微生物活動和土壤肥力水平，還可能導致地下水難以下滲，造成土壤次生鹽堿化，最終影響土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量［14］。此外，地膜的自然風化或受到人為影響（耕作、地膜回收等），會使其碎裂成更小的碎片，變成微塑料（粒徑小于5 mm）。微塑料的運移能力很強，可能運移到深層土壤或地下水中，進而對地下水質(zhì)量有負面影響，影響人類健康［15］。從2011年開始，微塑料污染被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)列為全球要面對的一個新的問題和挑戰(zhàn)［16］。

1 傳統(tǒng)塑料地膜在土壤中的殘留與微塑料提取方法

近十年，國內(nèi)科技工作者在農(nóng)用地膜殘留的定量化方面做了一些工作。嚴昌榮等［17］對新疆農(nóng)墾科學院連續(xù)20 a覆膜種植棉花的土壤殘膜進行監(jiān)測，結(jié)果顯示：研究區(qū)土壤中地膜平均殘留量高達300.6 kg/hm2，并且覆膜年限越久，殘留量越高，連續(xù)覆膜10 a和20 a棉田中地膜殘留量分別為259.65 kg/hm2和307.95 kg/hm2。馬輝等［18］調(diào)查了邯鄲市不同覆膜年限棉花田地膜殘留情況，發(fā)現(xiàn)連續(xù)覆膜2 a、5 a和10 a的棉田中地膜殘留量分別為59.1 kg/hm2、75.3 kg/hm2和103.4 kg/hm2。張丹等［19］采用問卷調(diào)查及樣方檢測方法對華北地區(qū)主要作物的地膜殘留狀況進行系統(tǒng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)土壤耕層地膜殘留數(shù)量分布范圍為0.2～82.2 kg/hm2，其平均值為26.8 kg/hm2。以上研究雖然監(jiān)測了長期地膜覆蓋土壤中殘膜的數(shù)量，但是研究中殘膜的收集均是靠人工撿拾，該方法只能收集比較大塊的殘膜（一般面積大于4 cm2），而漏掉了小的殘膜，更無法考慮微塑料的數(shù)量。

國際上學者對土壤中微塑料（粒徑小于5 mm）的定量化做了一些嘗試，但還存在很多問題。一般微塑料的密度值在0.8～1.4 g/cm3［20］。當前，最常用的微塑料提取的方法是用1.0～1.4 g/cm3的氯化鋅、氯化鈉、氯化鈣、碘化鈉或多鎢酸鈉溶液，通過密度浮選法去掉土壤中的礦質(zhì)相［21］。但是，這些方法都有其局限性［22］，比如，NaCl雖然便宜易獲得，且Na+有利于粒子的分散，但NaCl溶液的密度太低，飽和NaCl溶液的密度才1.2 g/cm3。ZnCl2溶液和NaI溶液密度均可達到最佳浮選密度［23］，但ZnCl2和NaI昂貴且有毒性［24］，且ZnCl2溶液的酸性可能會影響土壤樣品中的微塑料［25］。CaCl2溶液中Ca2+可以凝聚有機物質(zhì)，影響后續(xù)識別實驗。其次，微塑料提取后，土壤中密度小于1.4 g/cm3的游離態(tài)有機質(zhì)會與微塑料混在一起，從而影響其目視識別的效果。目前，學者嘗試了各種酸、堿、氧化劑（如H2O2）或酶去除土壤有機質(zhì)的方法，但是這些方法難以達到既去除有機質(zhì)又不對塑料產(chǎn)生影響的目的［26］。酸處理可能會降解塑料［27］。堿性處理可引起塑料表面降解［28］。雖然大多數(shù)微塑料不受H2O2的影響，但PE和PP塑料在接觸H2O2時形狀會發(fā)生輕微的變化［28-29］。酶催化在消除土壤有機質(zhì)方面的效力存在很大的不確定性，特別是考慮到土壤基質(zhì)的復雜組成和不同的理化性質(zhì)時［30］。此外，雖然目前有很多技術(shù)手段對微塑料進行識別和量化，包括視覺分類、光譜（如可見光-近紅外光譜，拉曼光譜、傅立葉紅外光譜）或熱分析技術(shù)（如熱萃取-解吸-氣相色譜-質(zhì)譜（TED-GCMS）及熱解氣相色譜-質(zhì)譜（Pyr-GC-MS）），但這些方法均存在一定的土壤有機質(zhì)干擾問題［26］。拉曼光譜和傅立葉紅外光譜易受到土壤有機質(zhì)自發(fā)熒光的干擾，且檢測過程耗時長；視覺分類存在高誤識率的問題，特別是對于較小的和纖維狀的物品［20］；Pyr-GC-MS、熱重分析-質(zhì)譜（TGA-MS）和TED-GCMS等熱分析技術(shù)無法提供有關所分析粒子數(shù)量和形態(tài)特性的信息?？偟膩碚f，在土壤這種復雜的、富含有機物的固體環(huán)境基質(zhì)中，目前土壤微塑料測定的方法（包括計量單位、時空變異模式、環(huán)境因素的影響、污染控制等）呈現(xiàn)多樣化，這導致不同研究之間數(shù)據(jù)無法進行比較，同時研究結(jié)果是否可以反映微塑性污染的真實水平也受到質(zhì)疑［31］。因此，目前亟需一種能被大家廣泛認可的土壤微塑料檢測方法，并制定統(tǒng)一的國家標準。

2 新型可降解地膜在土壤中的降解速率與及其參與的碳循環(huán)過程

可降解地膜替代塑料地膜是未來必然的選擇?？山到獾啬げ挥没厥?，可以直接犁進土壤中，也可以堆在田里。與普通塑料地膜相比，可降解地膜的使用可以減少清理和處理地膜的成本（包括勞動力，處理/回收費用等）?？山到獾啬た梢杂刹煌脑牧现瞥桑ㄌ烊簧镔|(zhì)和石油基兩大類。天然生物質(zhì)如淀粉、纖維素、甲殼素等，通過對這些原料改性、再合成形成可降解地膜的生產(chǎn)原料。以石油基為原材料生產(chǎn)的可降解地膜的主要成分是二元酸二元醇共聚酯（PBS、PBAT等）、聚羥基烷酸酯（PHA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚羥基丁酸酯（PHB）、二氧化碳共聚物-聚碳酸亞丙酯（PPC）。理想情況下，可降解地膜在自然界中能夠很快分解和被微生物利用，最終降解產(chǎn)物為二氧化碳和水。

弄清可降解地膜在土壤中的降解速率至關重要。如果可降解地膜降解過快，在作物生長階段就破碎化，導致生長后期不能有效控制雜草、增加地溫和保持水分，從而失去了地膜覆蓋的效果。相反，如果可降解地膜降解速率過慢，就可能與塑料地膜一樣對土壤產(chǎn)生負面影響。尤其是，在耕作過程中，可降解地膜被土壤掩埋在地下，下層土壤中的氧氣濃度較低，微生物活性較低，可降解地膜的降解速率可能大大地降低。

近些年，很多學者監(jiān)測了可降解地膜的降解速率，目前一種方法是采用地膜覆蓋安全期來進行評價，即某一作物在某一區(qū)域要求地膜覆蓋的最佳天數(shù)，也就是地膜覆蓋農(nóng)田土面能保持膜面完整的日數(shù)［32］，這種方法主要是評價降解地膜對作物產(chǎn)量和生長發(fā)育的影響效應。另一種方法是將可降解地膜剪成一定面積的形狀，放在野外或室內(nèi)培養(yǎng)一段時間后，通過膜面積或重量的減少來計算膜的降解率。例如，Barragán等［33］將5種不同材料的可降解地膜剪成7 cm×7 cm的正方形放在含有土的培養(yǎng)瓶中，在恒溫恒濕條件下培養(yǎng)6個月后，這些膜幾乎全部被降解。Li等［34］將可降解地膜剪成46 cm×61 cm的長方形，放入網(wǎng)帶中，埋入野外土壤24個月后，纖維素紙膜全部降解，而聚乳酸膜只降解了10%，淀粉膜降解了11%～98%。Rudnik and Briassoulis［35］將PLA和PHA材料的可降解地膜，剪成21 mm×15 mm的碎片，放入網(wǎng)帶中埋入10～15 cm的土層位置或放到地面上7個月后，發(fā)現(xiàn)PLA膜的降解速率比PHA膜慢很多。Wen and Lu［36］將5種不同配方的PHA地膜剪成10 mm×10 mm的碎片（重10 mg）埋入公園的土中，在室溫和20%的土壤水分條件下培養(yǎng)60 d后，膜的重量損失54%～93%。然而，以上研究中通過膜面積或重量的減少來計算膜的降解率，沒有考慮微米級或納米級地膜顆粒在土壤中的積累量（無法收集），他們的結(jié)果不是真實的膜降解速率，實際上只是膜的破碎速率。

可降解地膜既能被微生物降解，也能被微生物利用［37］，從而參與土壤中的碳循環(huán)過程。Moreno and Moreno［38］研究表明，與覆蓋傳統(tǒng)塑料地膜相比，覆蓋生物可降解地膜會增加土壤微生物量碳。Zumstein等［39］將13C標記的可降解地膜加入到土壤中培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)土壤真菌的菌絲體內(nèi)含有可降解地膜來源的碳信號，說明土壤真菌可以利用可降解地膜作為碳源供自身生物體生長。因此，可降解地膜碳，可能與作物秸稈碳一樣，能轉(zhuǎn)化成土壤有機質(zhì)（進入土壤團聚體被包裹起來或與土壤礦物結(jié)合形成有機無機復合體），和參與土壤碳循環(huán)過程。然而，關于可降解地膜碳能否轉(zhuǎn)化成土壤有機質(zhì)，是否能進入土壤團聚體或形成有機無機復合體（賦存狀況），目前尚不清楚。13C穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)可以用來研究可降解地膜來源的碳（如PBAT）在土壤中的去向［39］。14C也可以用來示蹤以石油為原材料生產(chǎn)的可降解地膜，如PBAT（己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯聚合物），PHA（羥基烷酸酯）、PCL（聚己內(nèi)酯）、PHB（聚羥基丁酸酯）等成分。14C具有放射性，半衰期為5 000多年，而石油在地下經(jīng)過了很長的地質(zhì)歷史（幾百萬年以上），因此，石油及其產(chǎn)物中幾乎不含14C，14C豐度為-1 000‰［40］。土壤有機質(zhì)中14C包含兩個信號來源，一個是不含14C的地質(zhì)歷史時期形成的有機碳（豐度為-1 000‰），另一個是現(xiàn)代大氣（CO2-C通過光合作用進入植物體再轉(zhuǎn)移到土壤中）。由于20世紀五、六十年代形成的核爆14C信號的干擾，現(xiàn)代大氣具有較高的14C豐度（+55‰）［41］。并且，越是表層土壤，有機質(zhì)的14C信號越接近于現(xiàn)代大氣［42］，這意味著表層土壤有機質(zhì)與石油及其產(chǎn)物的14C豐度有較大的差異。因此，一些研究結(jié)合自然豐度的14C示蹤技術(shù)和PLFA，示蹤石油或石油產(chǎn)物（多環(huán)芳烴）污染物在土壤中的分布以及被微生物同化利用情況［43-44］。因此，利用自然豐度的14C示蹤PBAT在土壤中的分布和轉(zhuǎn)化過程是可行的。雖然碳同位素示蹤技術(shù)已經(jīng)廣泛用于外源有機物料（如秸稈）在土壤中的碳周轉(zhuǎn)過程研究［45］，但是還沒有學者利用碳同位素技術(shù)研究可降解地膜在土壤中的降解速率與賦存狀況。因此，未來應探索利用13C和14C同位素技術(shù)來研究可降解地膜的降解速率，以及其在土壤團聚體或有機無機復合體中的賦存情況。

3 地膜覆蓋對土壤健康的影響

隨著人們就現(xiàn)有的土地管理實踐影響土壤物理、化學和生物學性質(zhì)認識的不斷提高，土壤健康(soil health)術(shù)語經(jīng)常在科技文獻和大眾媒體中使用。美國學者Doran and Parkin［46］把土壤健康定義為：土壤在生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)行使維持生物生產(chǎn)力、改善環(huán)境質(zhì)量和促進植物和動物健康機能的能力。后來，澳大利亞學者Pankhurst等［47］也采納了這一定義，并且指出土壤健康的定義應包括三個部分：持續(xù)的生物生產(chǎn)力、植物和動物健康水平的提高、環(huán)境質(zhì)量的維持。最近，Moebius-Clune等［48］在前人的基礎上，給土壤健康定義為：土壤作為一個生態(tài)系統(tǒng)來支撐植物、動物和人類的生存的可持續(xù)能力。根據(jù)康奈爾土壤健康綜合評價（CASH）系統(tǒng)，土壤健康包含土壤結(jié)構(gòu)、土壤水文、土壤生物學、土壤化學、土壤肥力以及土壤鹽分和堿度共6個方面的參數(shù)指標［43］。

傳統(tǒng)塑料地膜在土壤中殘留了大量的塑料，從多方面危害著土壤的健康。首先，塑料殘留會導致土壤性質(zhì)惡化，包括破壞團聚體結(jié)構(gòu)、降低土壤孔隙度和含水量、影響土壤溶質(zhì)運移和氣體交換、降低土壤通氣和透水性，因而會降低農(nóng)作物出芽率，影響根系的生長，阻隔對養(yǎng)分的吸收，會造成糧食減產(chǎn)［49-51］。其次，地膜碎裂成塑料顆粒后，吸附能力大大增加，會吸附重金屬離子和有機污染物（多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、殺蟲劑、除草劑和抗生素等），可能在環(huán)境中扮演著污染物遷移載體的角色，從而增加了土壤污染物治理的難度［15］。此外，土壤中微塑料可能成為致病菌等有害微生物的運輸載體，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康［15］。最后，土壤中微塑料可能影響土壤動物的生存，研究表明土壤動物（如蚯蚓、纖毛蟲、鞭毛蟲、和變形蟲）會誤食微塑料，從而造成它們成長、存活和造成腸道的損傷［54-55］。微塑料不僅存在于土壤表層，還可能運移到深層土壤中。Liu等［52］在研究上海郊外農(nóng)田土壤塑料污染的過程中發(fā)現(xiàn)，淺表層土壤中微（中）塑料的含量高于深層土壤，而且淺層土壤中微（中）塑料的尺寸也顯著大于深層土壤。Zhang等［53］發(fā)現(xiàn)蚯蚓能夠?qū)⑼寥辣韺拥乃芰贤弦分辽顚油寥溃球净蚶ハx也會通過攝取-排泄的方式將塑料帶入土壤內(nèi)部［54-55］。另外塑料還能夠通過土壤孔隙或孔洞垂直向下遷移，被運輸?shù)缴顚油寥溃?］。微塑料在土壤剖面上的垂直分布與蚯蚓和昆蟲等的行為有關［54-55］，也與微塑料自身物理特性和土壤環(huán)境有關［22,26］。

可降解地膜是否對土壤健康產(chǎn)生負面影響，關系到未來可降解地膜在農(nóng)業(yè)上的推廣和利用。目前，只有少數(shù)研究報道了可降解地膜覆蓋對土壤健康的影響。Li等［56］評估了不同材料的生物可降解地膜使用18個月后土壤健康的變化，結(jié)果顯示：土壤健康的變化很小。然而，考慮到土壤健康的變化較慢，18個月的時間太短，可能不足以觀察到土壤健康的改變。美國華盛頓州立大學Markus Flury教授和田納西大學Sean Schaeffer副教授在田納西州和華盛頓州開展了不同材料的生物可降解地膜（包括塑料地膜）試驗，評價了2015—2017年土壤健康的變化，結(jié)果顯示：可降解地膜對土壤健康的影響在兩個試驗站是不同的，在華盛頓州，覆膜會增加土壤水文健康指數(shù)（基于土壤孔隙度和可利用水含量等參數(shù)評價），塑料地膜會降低土壤生物的健康指數(shù)（基于土壤酶和土壤呼吸等參數(shù)評價）；而在田納西州，所有覆膜處理均不影響土壤水和生物的健康指數(shù)［57］。中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，與美國有著截然不同的氣候、土壤和種植制度，而可降解地膜覆蓋對土壤健康影響的研究目前較少，尤其缺乏長期的可降解地膜覆蓋試驗。因此，通過田間試驗，開展可降解地膜覆蓋對我國農(nóng)田土壤健康長期影響的研究是十分必要和緊迫的。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

傳統(tǒng)農(nóng)田塑料地覆蓋帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也引起了嚴重的土壤退化和污染，危害土壤健康。傳統(tǒng)塑料地膜覆蓋土壤中塑料的殘留數(shù)量巨大，覆膜20 a的農(nóng)田中大塑料(粒徑大于5 mm)的殘留最高能達到307.95 kg/hm2?，F(xiàn)有研究證明塑料殘留會破壞團聚體結(jié)構(gòu)、降低土壤孔隙度和含水量、影響土壤溶質(zhì)運移和氣體交換、降低土壤通氣和透水性，進而影響作物生長；土壤中微塑料也可能成為致病菌等有害微生物的運輸載體，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康，還會影響土壤動物的生存。同時，地膜碎裂成塑料顆粒后，吸附能力大大增加，會吸附重金屬離子和有機污染物，可能會增加土壤污染物治理難度。雖然目前生態(tài)環(huán)境中的塑料污染問題已達到人們前所未有的重視，但在土壤微顆粒定量測定方面還沒有一種公認的可靠方法，密度浮選法、顯微鏡技術(shù)，可見光-近紅外光譜，拉曼光譜、傅立葉紅外光譜、TED-GC-MS及Pyr-GC-MS熱解分析法等現(xiàn)有的方法，均存在土壤有機質(zhì)干擾等耗時或檢測不準確的問題。未來可探索利用13C或14C同位素技術(shù)來研究可降解地膜的降解速率，以及其在土壤團聚體或有機無機復合體中的賦存情況。

4.2 展望

（1）我國北方有大面積的長期塑料地膜覆蓋的農(nóng)田，這些田塊中殘留了大量的塑料殘體和微塑料。然而，目前還沒有一種可靠的塑料殘留量的檢測方法，特別是對微塑料的定量化。這極大地制約了全球或區(qū)域土壤塑料污染的評估和后續(xù)研究。應盡早完善或開發(fā)塑料殘留量測定的技術(shù)與方法，制定出統(tǒng)一的塑料殘留檢測標準。

（2）可降解地膜是一種土壤微生物可以利用的外源有機物料。但關于可降解地膜能否轉(zhuǎn)化成土壤有機質(zhì)，可降解地膜中的碳是否能進入土壤團聚體或形成有機無機復合體（賦存狀況），目前尚不清楚。未來應加強土壤中可降解地膜的碳循環(huán)過程研究。

（3）可降解地膜代替塑料地膜是未來必然的趨勢。目前可降解地膜的利用仍然存在一定障礙，這與可降解地膜對土壤健康的長期影響仍不清楚有一定的關系。未來應該通過田間定位試驗，開展可降解地膜覆蓋對農(nóng)田土壤健康長期影響的研究，為土地的可持續(xù)利用提供支撐。