吳澤隆胡良郭若彬戴榕賴維磊鄒昶孫志勇黃學(xué)平

(1.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.江西益潔環(huán)保技術(shù)有限公司，江西 南昌 330036；3.靖安縣環(huán)保局，江西 宜春 330600)

塑料因其輕便和耐用的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，給人們生活帶來很大的便利。但過度的塑料使用給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的“白色污染”。塑料在進(jìn)入環(huán)境后，在大自然的各種作用下被降解成小顆粒和碎屑，大小在5mm以下的被稱為微塑料(MPs)[1]。由于微塑料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難以降解，從而能夠長(zhǎng)期的累積在水生生態(tài)系統(tǒng)和土壤等陸地生態(tài)系統(tǒng)中。微塑料最早被發(fā)現(xiàn)在海洋之中，據(jù)資料顯示，全球每年向大海排放9.3～23.6t微塑料[2]，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅。在海洋中的微塑料污染得到普遍重視之后，土壤中的微塑料污染也逐漸引起了人們的注意。有學(xué)者推測(cè)，存在于陸地生態(tài)系統(tǒng)的微塑料豐度是海洋的4～23倍[3]。而微塑料進(jìn)入農(nóng)田后，不僅對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境和農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，還會(huì)通過污染食物鏈嚴(yán)重威脅人們的健康。因此，對(duì)于農(nóng)田土壤中的微塑料的研究是重中之重。

1 農(nóng)田土壤中微塑料的來源和種類

農(nóng)田土壤中微塑料的類型主要有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯等。按形態(tài)可分為薄膜、碎片、纖維和顆粒等，顏色以黑色和透明為主。不同地理環(huán)境下農(nóng)田土壤含有的微塑料種類比例有所差異。在農(nóng)田土壤環(huán)境中，微塑料的來源途徑主要包括地膜殘留、有機(jī)肥利用、污水灌溉、大氣沉降等，其中地膜殘留帶來的污染最為嚴(yán)重[4]。

1.1 地膜殘留

地膜覆蓋技術(shù)是中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要技術(shù)之一。我國(guó)每年都有將近2000萬hm2的農(nóng)作物覆膜面積，提高了農(nóng)作物30%以上的總產(chǎn)量，產(chǎn)生了1200億～1400億元的直接經(jīng)濟(jì)效益[5]。但隨之而來的是嚴(yán)重的地膜殘留問題。殘留的地膜在風(fēng)化、陽光照射等各種作用下被降解成微塑料累積在土壤中[4]，從而對(duì)農(nóng)田環(huán)境造成嚴(yán)重危害。王志超等[6]研究發(fā)現(xiàn)，殘留的地膜不僅會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，還嚴(yán)重阻礙了土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移。嚴(yán)昌榮等[7]研究發(fā)現(xiàn)，地膜在生產(chǎn)的過程中會(huì)添加一些增塑劑，這些物質(zhì)通過呼吸作用進(jìn)入植物體內(nèi)，抑制葉綠素的產(chǎn)生，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成嚴(yán)重危害。針對(duì)地膜殘留的問題，現(xiàn)在主要通過人工回收的方式來解決，但我國(guó)現(xiàn)有的殘膜治理技術(shù)較為落后，殘留的地膜回收難度較大[7]。因此，為了避免地膜殘存污染進(jìn)一步惡化，需要修改并健全相應(yīng)規(guī)范，強(qiáng)化質(zhì)量監(jiān)督；大力發(fā)展新的殘膜回收技術(shù)；尋找地膜的替代品，對(duì)可降解地膜進(jìn)行更深入的研究，從源頭上阻斷殘膜污染。

1.2 有機(jī)肥利用

有機(jī)肥也是造成農(nóng)田土壤微塑料污染的一大來源。在物理、化學(xué)和微生物的共同作用下，有機(jī)肥中的塑料會(huì)轉(zhuǎn)化成微塑料。德國(guó)有研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥中粒徑大于1mm的塑料碎片豐度達(dá)到14～895個(gè)·kg-1[8]。我國(guó)是有機(jī)肥生產(chǎn)和施用的大國(guó)，每年有高達(dá)50t的微塑料通過施用有機(jī)肥進(jìn)入農(nóng)田[4]。Zhang等[35]通過進(jìn)行小麥-玉米輪作田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期使用堆肥造成土壤微塑料的積累達(dá)到43.0%～75.9%，這說明有機(jī)肥的長(zhǎng)期施用會(huì)導(dǎo)致微塑料在土壤中逐年累積，含量越來越高。所以對(duì)于有機(jī)肥的使用和生產(chǎn)方面還需嚴(yán)格把關(guān)，限制微塑料進(jìn)入農(nóng)田土壤。

1.3 污水灌溉

目前污水處理廠去除微塑料的效率很高，但還是有大量的微塑料伴隨著污水和污泥排出，通過農(nóng)業(yè)施用進(jìn)入農(nóng)田土壤。據(jù)估算，歐洲和北美農(nóng)田每年從污泥中的微塑料總輸入量分別為6.3萬～43萬t和4.4萬～30萬t[3]。Li等[9]在調(diào)查我國(guó)28個(gè)污水處理廠中的污泥樣本發(fā)現(xiàn)，每千克污泥含微塑料1.60～56.4×103個(gè)。由此可見，需要用更加先進(jìn)的手段對(duì)污水進(jìn)行處理，減少污水中微塑料的含量，或從源頭上阻止微塑料排放進(jìn)水中。

1.4 大氣沉降

由于微塑料的體積和密度較小，很容易通過氣流進(jìn)入大氣。生活垃圾中的塑料可能未經(jīng)過妥善處理，在外界各種因素的綜合作用下風(fēng)化或降解成粒徑更小的顆粒和碎屑，從而進(jìn)入大氣。田媛等[10]研究發(fā)現(xiàn)，煙臺(tái)、天津和大連3個(gè)海岸城市大氣微塑料的沉降通量分別為35.7～154.4粒·m-2·d-1、119.0～327.1粒·m-2·d-1和98.4～391.4?！-2·d-1；法國(guó)巴黎[11]大氣微塑料沉降通量達(dá)2～355個(gè)·m-2·d-1。從這些不同地區(qū)的數(shù)據(jù)中可以看出，不同地理環(huán)境和不同氣候類型下的大氣微塑料沉通量差異較大。但目前對(duì)于大氣中微塑料污染的研究還是較少，對(duì)其污染特征的了解還不全面，未來還需加強(qiáng)探索。

2 農(nóng)田土壤中微塑料國(guó)內(nèi)外污染現(xiàn)狀

目前，對(duì)于農(nóng)田土壤微塑料的研究處于起步階段，通過查閱資料發(fā)現(xiàn)全球環(huán)境下不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、不同土地利用類型、不同地理環(huán)境的微塑料污染豐度存在顯著差異。如，瑞士[12]的洪泛平原土壤中的微塑料污染豐度為593個(gè)·kg-1；澳大利亞悉尼[13]的工業(yè)土壤中微塑料豐度為300～67500個(gè)·kg-1。我國(guó)自古以來就是農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上使用的塑料總量一直位居世界第1。在我國(guó)長(zhǎng)江下游區(qū)域[14]微塑料豐度為4.94～252.70個(gè)·kg-1；在西北地區(qū)，由于降水稀少，地膜的使用量和覆蓋面積居全國(guó)首位，從而導(dǎo)致微塑料含量較高，如陜西省[15]農(nóng)業(yè)區(qū)的微塑料豐度為1430～3410個(gè)·kg-1?？偠灾?，目前全球農(nóng)田土壤微塑料污染極其嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅到人類的生命健康。此外，微塑料在不同類型的土壤環(huán)境中均有出現(xiàn)且不同地區(qū)微塑料含量和分布有很大差別，我國(guó)農(nóng)田土壤中微塑料豐度總體上呈現(xiàn)出不均衡、區(qū)域性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。

3 農(nóng)田土壤中微塑料的遷移

農(nóng)田土壤中的微塑料會(huì)在各種因素的作用下發(fā)生遷移。如風(fēng)力、地表徑流、水土流失等，會(huì)引起微塑料在土壤中的橫向遷移；而人類的耕作，淋溶、重力等因素會(huì)引起微塑料的縱向遷移。Rezaei等[16]對(duì)伊朗不同用地的風(fēng)蝕沉積物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田與周邊的自然區(qū)含有相同成分的微塑料，說明風(fēng)力會(huì)導(dǎo)致微塑料的橫向遷移。王慧[17]發(fā)現(xiàn)，不同降雨強(qiáng)度及坡度下，表層土壤中微塑料濃度均低于較深層土壤，降雨強(qiáng)度越大，深層土壤的微塑料濃度越高；坡度越大，深層土壤微塑料濃度值越高，微塑料由較高端向較低端遷移的速度越快，說明微塑料在重力或徑流的作用下會(huì)發(fā)生垂向遷移。

土壤中的動(dòng)物和微生物也會(huì)導(dǎo)致微塑料發(fā)生遷移。Rillig等[18]對(duì)蚯蚓研究發(fā)現(xiàn)，在蚯蚓的活動(dòng)下粒徑小的微塑料被遷移到底層，粒徑大的在中間層，如果沒有蚯蚓，這些微塑料就會(huì)留在土壤表面。有學(xué)者對(duì)跳蟲進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤中的微塑料會(huì)在跳蟲的活動(dòng)下發(fā)生遷移，跳蟲的體型越大，微塑料的遷移越明顯[19]。

微塑料在農(nóng)田土壤中的遷移行為還受微塑料自身性質(zhì)、土壤類型、土壤環(huán)境條件等多種因素的影響。Wu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在沙土、黑土、紅土這3種不同類型的土壤中聚苯乙烯納米塑料的遷移特征不同，且在高pH和低Fe/Al氧化物含量的土壤中具有較強(qiáng)的遷移能力。

除了上述因素，植物也會(huì)對(duì)微塑料的遷移產(chǎn)生影響，植物的根系活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤中微塑料的遷移，但不同之處在于，微塑料只會(huì)向土壤上層遷移或是停留在原土層中[21]。

4 農(nóng)田土壤微塑料的分離和檢測(cè)技術(shù)

要探究微塑料在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和解決微塑料對(duì)土壤污染的難題，首先要對(duì)土壤中的微塑料進(jìn)行分離和檢測(cè)。

目前土壤微塑料的分離方法包括密度分離法、泡沫浮選法、油提法、加壓流體萃取等。其中密度分離法是最常用的分離方法。土壤環(huán)境中的微塑料經(jīng)長(zhǎng)期老化后表面粗糙不平，易與土壤有機(jī)質(zhì)附著，從而加大密度分離浮選的難度。因此，研究中常利用消解步驟去除微塑料表面雜質(zhì)，但往往消解步驟會(huì)對(duì)微塑料結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞。白潤(rùn)昊等[22]研究發(fā)現(xiàn)，超聲處理(40kHz、30min)對(duì)土壤地膜源微塑料表面雜質(zhì)具有良好的去除效果，可作為消解處理的替代選擇，但受限于浮選法原理、操作熟練度、儀器識(shí)別精度等因素，難以對(duì)納米級(jí)的微塑料實(shí)現(xiàn)分離檢測(cè)。

土壤微塑料檢測(cè)的常用方法有目測(cè)法、光學(xué)顯微鏡法、掃描電鏡法、光譜法、熱分析法等。目前應(yīng)用最為廣泛的微塑料檢測(cè)方法是傅里葉變換紅外光譜法和拉曼光譜法。傅里葉變換紅外光譜法不僅能夠表征微塑料顏色、尺寸大小，還能夠鑒別其組成成分，但缺陷在于不適合檢測(cè)尺寸較小的顆粒。拉曼光譜法是一種光子散射技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是空間分辨率高，不需要進(jìn)行干燥處理，不破壞樣品，缺點(diǎn)是難以檢測(cè)低濃度的物質(zhì)，易受外部因素干擾。在基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)上，有些學(xué)者開發(fā)出了更高效的檢測(cè)方法，如Yu等[23]將傅里葉變換紅外光譜儀與熱重分析技術(shù)有效結(jié)合，首先通過熱重分析技術(shù)進(jìn)行熱裂解、裂解氣，進(jìn)一步經(jīng)傅里葉變換紅外光譜儀鑒定分析，這種方式無需經(jīng)過繁瑣的預(yù)處理，但會(huì)對(duì)樣品造成破壞，而且不能得到關(guān)于微塑性材料的大小和形態(tài)等相關(guān)信息。

目前分離與檢測(cè)技術(shù)還不夠完善，方法具有局限性，沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法。對(duì)于小顆粒的微塑料分離方法還需要繼續(xù)探索實(shí)踐。

5 農(nóng)田土壤微塑料的生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)

農(nóng)田土壤中的微塑料，在經(jīng)過耕作后，由于其難以降解的特性，會(huì)在土壤中不斷累積，不僅會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，還會(huì)對(duì)農(nóng)田中的農(nóng)作物、土壤動(dòng)物、微生物等產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而危害到人類的健康。

5.1 對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由于微塑料的比表面積大、吸附能力強(qiáng)，其表面會(huì)吸附各種有害物質(zhì)，如重金屬、有毒物質(zhì)，進(jìn)入土壤環(huán)境后會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)和土壤理化特性[4]。如，楊曉庭[24]通過對(duì)覆膜耕作區(qū)和常規(guī)耕地區(qū)比較發(fā)現(xiàn)，覆膜區(qū)的土壤pH值明顯低于常規(guī)區(qū)，且不同深度土壤的pH值也有差異。此外，微塑料易與土壤團(tuán)聚體結(jié)合，對(duì)土壤容重、團(tuán)聚體造成影響。如，胡旭凱等[25]研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯微塑料能使土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量增加，但會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量降低。

5.2 對(duì)農(nóng)作物的影響

農(nóng)作物會(huì)通過根莖吸收土壤中的微塑料，從而導(dǎo)致微塑料向植物體內(nèi)向上遷移，干擾植物的正常生長(zhǎng)。劉鎣鎣等[26]發(fā)現(xiàn)，0.023～0.038mm的聚乙烯微塑料會(huì)明顯抑制綠豆苗的生長(zhǎng)，并影響其水分的吸收。李瑞靜[27]推測(cè)微塑料通過干擾黃瓜木質(zhì)素合成，改變植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，從而影響關(guān)鍵酶調(diào)控碳水化合物的能力，導(dǎo)致黃瓜幼苗光合作用能力下降，對(duì)黃瓜的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。由此可見，微塑料干擾了農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，應(yīng)加大對(duì)土壤中微塑料遷移行為的研究力度，提高微塑料污染的防控效率。

5.3 對(duì)土壤動(dòng)物的影響

土壤動(dòng)物在提高土壤質(zhì)量和提高農(nóng)作物產(chǎn)量方面具有十分重要的作用。微塑料及其攜帶的有毒物質(zhì)會(huì)對(duì)土壤中的動(dòng)物及微生物群體造成直接或間接的傷害。張書武等[28]通過研究微塑料對(duì)赤子愛勝蚓的毒性，發(fā)現(xiàn)聚乙烯和聚乳酸微塑料都能引起蚯蚓的重量下降，并有不同程度的死亡。而對(duì)跳蟲的研究表明[29]，微塑料通過食物鏈進(jìn)入跳蟲體內(nèi)，能抑制跳蟲的生長(zhǎng)率、繁殖率和降低成活率等。這說明土壤中的微塑料嚴(yán)重威脅土壤動(dòng)物的生存，可能導(dǎo)致土壤動(dòng)物數(shù)量減少，破壞農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

5.4 對(duì)土壤微生物的影響

微生物的調(diào)控對(duì)于動(dòng)植物的生長(zhǎng)以及土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的良性循環(huán)是必不可少的[4]。微塑料的吸附性會(huì)帶來有毒和有害物質(zhì)，對(duì)微生物群落產(chǎn)生危害。費(fèi)禹凡等[30]研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯型微塑料積累會(huì)使土壤中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成改變，某些種類細(xì)菌的相對(duì)豐度顯著上升，而另一些種類細(xì)菌相對(duì)豐度顯著下降，且微塑料會(huì)對(duì)細(xì)菌群落的恢復(fù)產(chǎn)生抑制作用。張浩等[31]發(fā)現(xiàn)，高密度聚乙烯微塑料會(huì)改變微生物群落，從而抑制棉花生長(zhǎng)，提高棉花枯萎病發(fā)病率。目前的研究主要局限在微塑料對(duì)微生物群落的作用上，微塑料和微生物群落共同作用對(duì)土壤環(huán)境的影響還有待進(jìn)一步探索。

6 農(nóng)田土壤的微塑料污染修復(fù)

微塑料對(duì)農(nóng)田土壤和人類健康造成了極大危害，對(duì)微塑料污染的修復(fù)刻不容緩。但由于微塑料本身難以降解的特性，微塑料污染的修復(fù)問題一直是一個(gè)難點(diǎn)。國(guó)際上對(duì)于土壤中微塑料污染修復(fù)的研究極少。目前從土壤中去除微塑料的手段有光催化、生物炭和微生物降解等。

光催化降解的原理是聚合物中的感光官能團(tuán)吸收光子，引發(fā)一系列化學(xué)變化導(dǎo)致高分子鏈的裂解，一般用添加光催化劑的方式加快微塑料的降解。謝孝勛等[36]用硬脂酸鐵(FeSt3)對(duì)低密度聚乙烯進(jìn)行了光催化，結(jié)果表明，F(xiàn)eSt3含量在0.2%～0.4%時(shí)，光催化效果最為顯著。Nabi等[37]將TiO2納米顆粒與聚乙二醇基苯基醚混合制備后對(duì)聚苯乙烯進(jìn)行降解，結(jié)果表明，粒徑為400nm的PS在紫外光催化12h后，其降解率可達(dá)到98.4%。雖然光催化降解的方法十分有效，但大部分都需要在紫外線光的照射下進(jìn)行，土壤較深處的微塑料無法被照射到且殘留的催化劑可能造成二次污染。

微塑料在土壤中的累積會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，而生物炭常常被用來改良土壤質(zhì)量。冉泰山等[32]發(fā)現(xiàn)，生物炭的施用可以提高被污染土地的pH值，改變了土壤中的細(xì)菌群落，增加了微塑料耐受菌的數(shù)量，從而減緩了微塑料的污染，改善了被污染土壤的質(zhì)量。李嘉等[38]將生物炭添加進(jìn)含有聚氯乙烯微塑料的生菜農(nóng)田，發(fā)現(xiàn)添加0.5%～2.5%的生物炭可以減輕聚氯乙烯對(duì)生菜的氧化損傷，且促進(jìn)了生菜生長(zhǎng)，而添加5%的生物炭則會(huì)加劇氧化損傷程度。說明適量的生物炭能緩解微塑料污染，降低微塑料的植物毒性。微塑料的污染不僅僅來自其本身，微塑料和其表面吸附的有害物質(zhì)共同污染危害更大。Ye等[33]制備了一種石墨化磁性生物炭通過活化PS的高級(jí)氧化反應(yīng)去除了微塑料附著的重金屬，減輕了微塑料作為載體運(yùn)輸有害物質(zhì)的潛在危害，減少共同污染。

微生物可以將有機(jī)聚合物分解成CO2、CH4、水和無機(jī)物，因此微生物是農(nóng)田土壤里分解微塑料最合適的選擇。Auta等[34]對(duì)紅樹林沉積物分離出的細(xì)菌研究發(fā)現(xiàn)，蠟樣芽孢桿菌對(duì)聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯的減重分別為1.6%、6.6%和7.4%，而芽孢桿菌為6.2%、3.0%和5.8%，說明這2種菌株能降解微塑料材料，具有修復(fù)微塑料污染環(huán)境的潛力。雖然微生物降解微塑料的方法既環(huán)保又有效，但這種方法受環(huán)境條件影響較大，因?yàn)椴煌奈⑸镞m宜生長(zhǎng)的環(huán)境不同。邢祥祥等[39]從10個(gè)樣品中篩選出了8株聚乙烯降解菌株，30d內(nèi)對(duì)聚乙烯的降解率在0.22%～8.76%，且在紫外線照射下降解率顯著增加。這給人們提供了一種新的思路：以往的研究只停留在單一降解方法的研究上，難以克服方法自身的缺陷?？梢詫⑸锝到夂凸饨到獾姆椒ńY(jié)合起來，篩選或制備出某種在紫外線照射下降解能力增強(qiáng)的菌株，可以很好地克服微生物降解速度慢和光催化降解有催化劑殘留的缺點(diǎn)。綜上所述，目前關(guān)于農(nóng)田土壤的微塑料污染修復(fù)的研究還不夠深入，不夠系統(tǒng)全面，還需從新的角度和方向上展開探索與研究，研究工作任重而道遠(yuǎn)。

7 總結(jié)與展望

目前對(duì)于農(nóng)田土壤微塑料的研究主要集中于來源、遷移機(jī)理、生態(tài)效應(yīng)、分析檢測(cè)等方面，但相關(guān)研究尚不充足，仍處于探索積累階段。此外對(duì)于源頭防治和污染修復(fù)的研究寥寥無幾。所以未來還需從以下幾個(gè)方面開展研究。

繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)微塑料來源、遷移特征、降解機(jī)制的研究，探明微塑料污染來源以便從源頭對(duì)微塑料進(jìn)行治理，進(jìn)一步揭示不同種類微塑料在不同類型土壤中的遷移特征，把握遷移規(guī)律，掌握微塑料在土壤中的降解機(jī)制。進(jìn)一步完善和統(tǒng)一微塑料分離和檢測(cè)方法，并建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法，在此基礎(chǔ)上，考慮土壤環(huán)境和微塑料的多樣性開展不同的分離和檢測(cè)研究，并制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。建立健全對(duì)塑料制品使用、廢棄塑料回收方面的法律法規(guī)，加大對(duì)塑料危害的宣傳力度，增加公眾的環(huán)保意識(shí)。加快可降解塑料的研發(fā)，或開發(fā)出可代替塑料的新型材料，從源頭上扼制塑料污染。對(duì)微塑料污染修復(fù)的研究還需進(jìn)一步深入，探索新的角度和開拓新的研究方向，尋找新型、高效、環(huán)境友好的修復(fù)手段。