吳為，張敏，繆明，武攀峰，於湘香，姚穎，劉媛媛

（1.南通市農(nóng)產(chǎn)品檢驗測試中心，江蘇南通 226002;2.江蘇省南通環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇南通 226006）

2004年微塑料作為新興污染物首次被提出，它主要是指粒徑小于5 mm的微小塑料顆粒［1］，很多微塑料粒徑可達微米乃至納米級，現(xiàn)在它已成為對全球環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的新興威脅［2-3］。塑料制品在我們的日常生活中頻繁使用，給我們帶來了極大方便，但同時它也帶來了大量的塑料制品垃圾，這些塑料垃圾進入環(huán)境后并不會消失，而是最終碎片化為更小的微塑料［3］，在生態(tài)系統(tǒng)中以初級微塑料或次級微塑料的形式存在，它具有不同的形狀，尺寸較小，疏水性強，性質(zhì)相對穩(wěn)定，可長期存在于環(huán)境中。近期研究證實，在全世界的海洋和淡水環(huán)境中普遍發(fā)現(xiàn)了微塑料［4-6］，甚至遙遠的深海［7］和北極地區(qū)［8］。全球海洋中約有5.25萬億件塑料垃圾，其中92%是粒徑小于5 mm的微塑料［9］。而土壤中的微塑料作為海洋塑料的主要來源，其污染問題需要被重視。土壤中的微塑料來源廣泛，不僅會對土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，而且它還容易隨著土壤環(huán)境不斷的遷移轉(zhuǎn)化。德國科學(xué)家Rilling［10］是較早地提出了研究微塑料在土壤當(dāng)中污染狀況的倡導(dǎo)者之一，他研究發(fā)現(xiàn)土壤中的微塑料會對土壤的理化性質(zhì)、功能及生物多樣性產(chǎn)生影響，隨著相關(guān)研究不斷深入，他們發(fā)現(xiàn)土壤中微塑料對種水生和陸地生物產(chǎn)生不利影響［11］，這不僅僅由于塑料自身含有有害添加劑，而且還因為它們小體積、大比表面積，容易從周圍環(huán)境中吸附其它有毒有害物質(zhì)，例如持久性有機污染物（POPs）［12］，重金屬和抗生素抗性基因等。微塑料可以作為污染物的有利載體，一旦被生物攝食，會釋放這些有毒化合物，從而影響動物生長、發(fā)育和繁殖［13-14］，甚至還會通過在動植物中的積累及其生物生態(tài)、食物鏈傳遞，影響人類健康［15］。面對解決微塑料污染在農(nóng)業(yè)上、區(qū)域土壤中刻不容緩的局面，本文總結(jié)了近年來發(fā)表的微塑料在農(nóng)田土壤中污染的研究論文，系統(tǒng)綜述了微塑料在土壤中的發(fā)生、分布、遷移、來源和生態(tài)環(huán)境影響，為開展土壤微塑料風(fēng)險評估及精準(zhǔn)防控提供支持。

1 土壤微塑料的發(fā)生和分布

當(dāng)前國內(nèi)外對于微塑料的研究主要集中在水體環(huán)境，土壤環(huán)境相對較少。由表1可見，微塑料在土壤環(huán)境中廣泛存在，但豐度水平差異較大。研究的土壤大致集中在農(nóng)業(yè)和非農(nóng)業(yè)兩種利用類型。

1.1 農(nóng)業(yè)土壤微塑料的發(fā)生

鑒于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事關(guān)人類健康，針對農(nóng)業(yè)土壤中的微塑料研究占大多數(shù)，尤其我國居多。這里所指的農(nóng)業(yè)土壤主要來自農(nóng)田、牧場、溫室、蔬菜、水果和草地等。由表1可知，農(nóng)業(yè)土壤中普遍存在微塑料污染，而且豐度水平比較高。一般來講，微塑料污染與人類活動強度有關(guān)［16］。比如我國經(jīng)濟發(fā)達的長江中下游地區(qū)，農(nóng)業(yè)土壤中均檢測出較高豐度的微塑料，Zhou等人［17］報道武漢農(nóng)田地區(qū)的微塑料豐度為43 000～620 000個/kg，江蘇農(nóng)田為420～1 290個/kg［18］，武漢蔬菜地為320～12 560個/kg［19］，從形態(tài)來看52%為碎片，14%為纖維，不同的形態(tài)類型反映出了不同的來源。然而值得我們關(guān)注的是，即使在經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，比如位于我國西南部的云南滇池流域，由于污泥農(nóng)用和污水灌溉，農(nóng)田土壤中測定出微塑料平均豐度也可達18 760個/kg，最高甚至達到42 960個/kg［20］。王志超等人［21］在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)田土壤中測得表層土微塑料含量最小值和最大值分別為678個/kg和2 133.50個/kg；Huang等人［22］報道了新疆長期使用塑料地膜的棉田中，土壤微塑料豐度1 075.6個/kg，形態(tài)以薄膜為主。由此不難看出，人類活動依然是土壤微塑料發(fā)生的重要影響因素，與海洋、河流等水體環(huán)境受經(jīng)濟發(fā)展和人口密度影響較大不同，土壤微塑料的發(fā)生更多與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式有直接關(guān)系，這決定了土壤污染的重要來源。

除我國外，其他國家也報告土壤微塑料污染（見表1）。在丹麥，Vollertsen和Hansen［23］研究了污水污泥施用對農(nóng)業(yè)土壤中微塑料的影響。他們發(fā)現(xiàn)，在施用污泥和未施用污泥的土壤中，微塑料的豐度分別為82000（0～165000）個/kg和236000（53000～528 000）個/kg。在智利，Corradini等人［24-25］報道了兩項研究。一項是在位于Mellipilla的農(nóng)田中，他們發(fā)現(xiàn)了600～10 400個/kg的微塑料［24］，其中超過97%是纖維類微塑料；另一項在首都大區(qū)的草地和牧場土壤微塑料分別為306個/kg和184個/kg［25］。在歐洲，Scheurer and Bigalk［26］發(fā)現(xiàn)瑞士沖積平原土壤中微塑料豐度為593個/kg，而德國某傳統(tǒng)農(nóng)田微塑料含量僅0.34（0～1.25）個/kg［27］，主要來自塑料廢棄物。

1.2 非農(nóng)業(yè)土壤微塑料的發(fā)生

非農(nóng)業(yè)土壤主要包括沿海、濕地、草坪、工業(yè)和住宅等土地利用型土壤（見表1），但研究數(shù)量相對較少。周倩等人［28］首次報道了河北省沿海土壤中MP含量為634個/kg，位于表層約2 cm深度。Duan等人［29］報道了山東省濕地土壤中的微塑料豐度136～2 060個/kg（深度2 cm）。在陜西省的沙質(zhì)土壤中發(fā)現(xiàn)MP含量為2 697（1 360～4 960）個/kg【30】。位于天津的校園草坪土壤中，在10 cm的深度處檢測到95個/kg的微塑料［31］。工業(yè)用地土壤也有報道，比如，澳大利亞研究人員Fuller和Gautam收集了悉尼某工業(yè)園區(qū)中87個土壤樣品，并在當(dāng)中檢測出微塑料豐度在300～67 500 mg/kg之間［32］。

表1 農(nóng)業(yè)土壤中微塑料的發(fā)生Table 1 Occurrences of MP contamination in agricultural soils

盡管一些國家尚未有相關(guān)數(shù)據(jù)報告，但很顯然微塑料在全球土壤中普遍存在。鑒于當(dāng)前調(diào)查和研究數(shù)量的碎片性和有限性，需要更多調(diào)查來了解土壤中微塑料污染水平。

1.3 土壤中的微塑料遷移

研究表明，影響微塑料在土壤中遷移的因素大致可歸結(jié)為4類：自身特性、土壤性質(zhì)、土壤中生物與機械的擾動和外界環(huán)境影響等。微塑料是一類由不同聚合物組成的高分子材料，由于組成成分不同，自身特性各異，從而影響了微塑料在土壤當(dāng)中的分布方式。比如，低密度的微塑料（聚乙烯、聚丙烯）會停留于土壤表面，而較高密度的微塑料會遷移到土壤更深層［33］。同時由于微塑料粒徑小、比表面積大，易于吸附土壤中的礦物質(zhì)、有機物和金屬氧化物等，這些吸附的物質(zhì)會改變微塑料的理化性質(zhì)，進而影響其在土壤中的分布深度。比如，吸附礦物質(zhì)能夠增加土壤中微塑料的密度；吸附金屬氧化物、有機物等能改變微塑料的表面電性和吸附點位，從而影響其在土壤當(dāng)中的遷移。不同成土母質(zhì)所形成的土壤，礦物、有機物組成有較大差異，進而影響微塑料的遷移行為［34］。此外，土壤生物區(qū)系和耕作方式等都會影響土壤中微塑料的遷移［35］。朱永官［36］等通過研究發(fā)現(xiàn)，植物生長和土壤中各種動物（如蚯蚓）的活動可以使微塑料在土壤中發(fā)生遷移。

微塑料在土壤的遷移過程除受本身性質(zhì)的影響外，還會受到天氣以及徑流等外界因素的影響。O'Connor團隊［37］經(jīng)過在微塑料在沙土柱中的滲透遷移模擬試驗后，觀察到在不同降水條件下，微塑料在土壤當(dāng)中的遷移深度隨土壤干-濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加。其中，較小尺寸的聚乙烯微塑料（21 μm）具有最大的遷移潛力，其最大深度達到了7.5 cm。Nizzetto等人［38］使用INCA污染物模型開發(fā)了一個模擬實驗，以確定從土壤轉(zhuǎn)移到泰晤士河的微塑料的比例，研究表明，土壤中60%以上的微塑料最終將遷移到河流中并污染水環(huán)境。

2 土壤中微塑料的來源

微塑料可以通過不同的來源和途徑進入土壤環(huán)境（見圖1）。這里我們主要綜述農(nóng)業(yè)土壤微塑料來源。農(nóng)業(yè)土壤中微塑料主要來源于廢水污泥和堆肥的有機肥料，農(nóng)用塑料覆蓋膜，農(nóng)田灌溉水，垃圾填埋和垃圾丟棄等［38-40］。

圖1 微塑料在自然環(huán)境中的來源、積累與歸趨[16]Fig.1 Sources,accumulations,and trends of MPs in the environment

2.1 直接來源

塑料制農(nóng)用物資使用殘留是農(nóng)業(yè)土壤中微塑料的直接來源，比如塑料薄膜［22］。薄膜覆蓋技術(shù)廣泛應(yīng)用于全球現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，它不僅能夠提高水和養(yǎng)分的資源利用效率，而且提供了隔熱和早期種植或收獲的作物［41-43］。這種薄膜一般由PE或PP塑料制成，其厚度較薄僅0.01～0.03 mm，大多數(shù)使用后很難從農(nóng)田中回收或去除，導(dǎo)致在土壤中不斷積累。在機械翻耕、紫外線輻射和生物降解等共同作用下進一步降解形成微塑料［28］。Huang等人［22］報道了新疆長期使用塑料地膜的棉田中，土壤微塑料含量高達1 075.6個/kg，其中大部分是塑料薄膜類型。他們進而對全國384個土壤樣本統(tǒng)計分析后指出，農(nóng)膜用量與土壤中微塑料含量之間存在線性關(guān)系。一項來自浙江杭州灣農(nóng)田的調(diào)查結(jié)果顯示，覆膜農(nóng)田土壤微塑料含量是非覆膜的2.2倍［44］。程萬莉［45］在我國地膜用量和覆蓋面積最大的西北地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，覆膜農(nóng)田土壤中存在數(shù)量較高的微塑料5.09（±1.21）×103個，而且隨著地膜覆蓋時間延長，農(nóng)田土壤中尺寸小于0.3 mm2/個的微塑料數(shù)量和面積占比均明顯增加，相反大于0.3 mm2/個的微塑料占比卻下降，預(yù)示著大顆粒會逐漸向小顆粒轉(zhuǎn)化，一定時期內(nèi)農(nóng)田土壤微塑料潛在污染將呈現(xiàn)出加重趨勢。據(jù)統(tǒng)計，我國2017年農(nóng)用塑料薄膜使用量與2000年相比增加了89.31%［46］。由此可見，加強對農(nóng)用塑料薄膜和地膜的規(guī)范使用和回收，是減少農(nóng)田土壤中微塑料污染來源的重要途徑之一。

2.2 間接來源

與直接來源不同的是，由于在利用有機肥、污泥等進行土壤改良過程中，無意中將微塑料引入土壤中［38］，統(tǒng)一歸為間接來源。正如西班牙施用污泥的土壤中微塑料含量高達3 060個/kg，是未施污泥土壤的近3倍［47］。這主要是因為在有機肥和污泥中存在微塑料。比如，Weithmann等人［48］研究發(fā)現(xiàn)由堆肥和生物廢棄物發(fā)酵形成的這些有機肥普遍都含有微塑料，其中粒徑大于1 mm的約有14～895個/kg；Mahon等人［49］對愛爾蘭7個污水處理廠的污泥樣品進行了微塑料含量鑒定，結(jié)果顯示在這些樣品當(dāng)中都檢測出了微塑料，其豐度范圍為4 196～815 385個/kg。大量的這些微塑料顆粒隨著污泥施用而進入農(nóng)業(yè)土壤，經(jīng)計算歐洲每年每百萬居民通過污泥排入到農(nóng)田土壤中的微塑料大約為125～850 t［50］。我國每年通過有機肥和污泥途徑進入農(nóng)田土壤的微塑料總量分別為1.56×1014個［51］和52.4～26 400 t［52］。因此，微塑料通過有機肥和污泥進入農(nóng)田土壤的途徑需要警惕。

地表水、地下水和凈化后的污水是我國農(nóng)業(yè)灌溉用水源。然而，近年來在我國長江流域和珠江流域不斷有微塑料被檢測出來的報道，尤其在太湖、珠江、長江三峽地區(qū)的微塑料污染比較嚴重，其表層水所含微塑料豐度達到500～25 800個/m3、8 902～19 860個/m3和0.55×105～342×105個/km2［53］。微塑料在青海湖和青藏高原等偏遠地區(qū)的河流也被檢測到［54］，由此說明微塑料在我國淡水資源當(dāng)中的污染形勢日益嚴峻。同樣地，由于受到地表徑流和土壤淋洗的影響，在一些地區(qū)的地下水當(dāng)中也檢測出了微塑料［55］。關(guān)于污水凈化，由于到目前為止國際上對微塑料在凈化出水中的含量沒有明確標(biāo)準(zhǔn)，不少研究表明處理后的污水當(dāng)中含有大量微塑料，比如Enfrin等人［56］估計單個污水處理廠每天處理達標(biāo)污水總量當(dāng)中最多可含1010個微塑料顆粒。隨著農(nóng)田灌溉，這些微塑料勢必會進入土壤系統(tǒng)。王志超等人［21］在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)發(fā)現(xiàn)不同灌溉類型會影響土壤微塑料豐度，其農(nóng)田土壤中測出單層土的微塑料含量最小值和最大值分別為678.00個/kg和2 133.50個/kg。

此外，農(nóng)業(yè)用化肥、農(nóng)藥等物資包裝廢棄物也常常在農(nóng)田中隨處可見。由于缺乏農(nóng)業(yè)用品包裝的回收意識，這些塑料廢棄物在外力作用下分解成微塑料，對土壤生態(tài)系統(tǒng)造成影響［26］。

3 微塑料對土壤健康的影響

進入土壤中的微塑料的分布、形狀及大小會因土壤運動、耕作行為或者動植物活動等而發(fā)生改變［57］，對土壤原生態(tài)系統(tǒng)造成干擾。微塑料不僅自身具有毒性，而且還會吸附周圍有毒有害物質(zhì)，在遷移、團聚過程中破壞土壤的物理性質(zhì)，也有可能因毒性效應(yīng)給土壤當(dāng)中的生物帶來危害。

3.1 微塑料對土壤理化的影響

由于缺少紫外線輻射和物理磨損，土壤中的塑料降解非常緩慢［58］。這些微塑料可以在土壤中不斷積累并長期存在，形成土壤的微塑料匯。由于被土粒包裹或結(jié)合于土壤團聚體，微塑料可能會影響土壤容重、滲透性、持水量以及水穩(wěn)性團聚等理化性質(zhì)［59］。De Souza MacHado等人［60］通過研究PP、PET等四種微塑料對沙質(zhì)土壤容重、持水量和水穩(wěn)性團聚的影響，指出只有PET對土壤的水穩(wěn)性團聚和土壤容重產(chǎn)生負相關(guān)，而其他類型的無影響。Zhang等人［61］觀察到一個不同的結(jié)果，即與對照實驗相比，PET對土壤容重?zé)o影響，但對其土壤的持水量產(chǎn)生了負面影響。這可能歸因于研究中所采用的不同土壤理化特性所致［59］。MPs還可能通過滲透影響土壤孔隙度，暴露于微塑料時會形成更密集的洞穴壁［62］。此外，MPs也可能改變土壤滲透性，進一步影響蒸發(fā)［60］。然而由于研究有限，這種影響還需要更多研究予以確認。

3.2 微塑料對土壤生物的影響

許多塑料在其生產(chǎn)過程中會添加增塑劑、抗氧化劑、熱穩(wěn)定劑以提高性能，這些添加劑會在塑料降解的過程當(dāng)中逐漸的釋放出［63］，干擾土壤生物的活動，進而改變土壤化學(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)，最終影響作物生長。Abel等人［57］研究了六種不同種類的微塑料（聚酯纖維，聚酰胺珠，聚乙烯，聚酯對苯二甲酸酯，聚丙烯和聚苯乙烯）對土壤和植物蔥的性能影響，觀察到植物生長、組織元素組成、根系性狀和土壤微生物活性都發(fā)生了顯著變化，特別是對植物性狀和功能有最顯著的影響。Qi等人［64］選用一種生物降解塑料膜和低密度聚乙烯塑料作為研究對象，將這些塑料的1%殘留物和沙土混合，進行相關(guān)的小麥盆栽試驗,結(jié)果表明小麥的營養(yǎng)和生殖生長都被抑制。此外，極小的微塑料還會進入農(nóng)作植物體內(nèi)，通過食物鏈對人類健康構(gòu)成威脅［65］。與此同時，土壤是微生物和動物的主要棲息地，殘留的微塑料同樣會對它們造成影響。現(xiàn)階段，微塑料對土壤微生物的毒性效應(yīng)研究還不多，但已有研究表明微塑料的存在會顯著改變土壤中微生物和細菌群落，并導(dǎo)致其多樣性降低［66］。Zhu等人［67］以普通土壤中的假絲酵母菌為研究對象，發(fā)現(xiàn)微塑料對土壤中彈尾目動物腸道菌群、生長、繁殖和同位素周轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響；能通過改變其微生物群，使暴露于其中的微生物的生長和繁殖受到影響。Lwanga等人［68］研究了陸正蚓在不同濃度梯度下的聚乙烯的存活性和適應(yīng)性，證明了高濃度的微塑料會顯著降低該物種的生長速度。這些研究結(jié)果表明，微塑料毒性可能對土壤生物存在一定負面影響，同時也需要進行更多的實驗來驗證。

除自身毒性外，微塑料還具有負載毒性效應(yīng)。由于微塑料粒徑小，具有較大的比表面積，可以作為載體吸附其他污染物，形成復(fù)合污染物，并轉(zhuǎn)移到不同的生物體中［69］。例如，微塑料能夠吸附環(huán)境中的持久性有機污染物（POPs）和重金屬，并將這些有毒有害污染物向小生物傳遞，這可能會產(chǎn)生嚴重的毒性作用［70］，從長遠來看其危害更大［59］。微塑料與其他污染物結(jié)合，甚至可能還會對生物起到聯(lián)合毒性的作用。然而，李貞霞［71］以聚氯乙烯微塑料及鎘為試材，發(fā)現(xiàn)微塑料能夠緩解鎘污染對黃瓜根系活力的影響。因此，微塑料與其他污染物的復(fù)合效應(yīng)還不明確，需要開展更多的研究。

4 研究展望

土壤環(huán)境中微塑料的研究相對于水體和沉積物等兩種介質(zhì)起步較晚，盡管相關(guān)文獻數(shù)量還較少，但從本文綜述的國內(nèi)外研究進展來看，當(dāng)前土壤環(huán)境中不僅廣泛存在微塑料，而且豐度水平也較高，人類生產(chǎn)活動是微塑料的主要來源。當(dāng)微塑料進入土壤后，土壤不僅成為了微塑料的歸宿地，還成為其它環(huán)境中微塑料的重要來源。微塑料通過遷移過程，會進入食物鏈中不斷富集，會進入河流和地下水中污染水環(huán)境，對生態(tài)系統(tǒng)造成影響。為此，可以看出微塑料已經(jīng)成為當(dāng)前土壤環(huán)境中重點關(guān)注的一類新污染物，但因剛剛起步，還需從以下幾個方面開展研究：

(1)對于土壤中微塑料，每個研究報告的定量值都有所不同，豐度水平存在較大的波動，除地域和來源不同外，分析方法不一致也是重要因素之一。而且土壤團聚性及自身有機雜質(zhì)的干擾對微塑料的分離和檢測造成了很大困難，為此急需統(tǒng)一檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)。

(2)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中釋放出大量農(nóng)用薄膜、地膜，以及農(nóng)藥和化肥等廢棄包裝物，因回收不當(dāng)，極易在田間的累積、破碎造成微塑料污染，應(yīng)引起高度重視。

(3)廣泛開展土壤中微塑料的檢測，形成有代表性的農(nóng)業(yè)、森林、濕地等不同土壤類型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進一步開展預(yù)測和評估土壤微塑料的生態(tài)風(fēng)險。

(4)開展土壤環(huán)境中微塑料的遷移與污染規(guī)律研究，評估傳輸途徑和釋放通量，建立微塑料防控技術(shù)體系和宏觀決策體系。