中國土壤微塑料污染

楊玲，張玉蘭，康世昌??，王兆清，吳辰熙

①中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學國家重點實驗室，蘭州 730000；②中國科學院大學，北京100049；③蘭州大學 資源環(huán)境學院，蘭州 730000；④中國科學院水生生物研究所 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430072

自1945年以來，塑料產(chǎn)量呈指數(shù)級增長，而且正被儲存到化石記錄中。在青銅和鐵器時代之后，人類迎來“塑料時代”[1]。塑料的材料特性，尤其是質(zhì)輕、耐腐蝕、價廉、生產(chǎn)方便等使塑料產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用，塑料產(chǎn)業(yè)因而得以迅速發(fā)展[2]。塑料的大量生產(chǎn)、快速消耗，塑料垃圾回收和管理不當，以及塑料自身非常緩慢的降解速率，使得塑料垃圾大量累積[3]。部分塑料垃圾以碎片的形式存在于環(huán)境中，少數(shù)大塑料碎片可以通過打撈、挑選等技術(shù)手段從環(huán)境中清除并進入回收過程，而粒徑較小的微塑料，幾乎無法從環(huán)境基質(zhì)中去除[4]。

微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒、纖維、薄膜、碎片等，包括原生微塑料和次生微塑料[5]。原生微塑料是指工業(yè)生產(chǎn)的小粒徑塑料產(chǎn)品，如化妝品等含有的塑料微珠以及作為工業(yè)原料的塑料顆粒和樹脂顆粒。次生微塑料是指大的塑料垃圾經(jīng)過物理、化學和生物風化過程造成分裂或體積減小而形成的粒徑較小的塑料。隨著塑料垃圾數(shù)量的增多，微塑料的數(shù)量也隨之遞增。微塑料具有尺寸小、比表面積大、疏水性強等特點，是眾多疏水性有機污染物和重金屬的理想載體[6]。微塑料性質(zhì)穩(wěn)定，進入環(huán)境中后很難被降解，并且可在風力、河流等外力作用下進行長時間、遠距離傳輸，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生廣泛、持久的影響[7]。

陸地作為塑料生產(chǎn)的源頭，同時也是重要的匯集區(qū)[8]。污水灌溉及污泥施用會將污水處理廠中匯集的多種來源的微塑料轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)土壤中[9-11]；裹挾著塑料和微塑料的有機肥的長期施用導致土壤微塑料污染[11]；農(nóng)用地膜殘留也會分解形成大量的微塑料[12]；不當處理的塑料垃圾[13]和大氣中微塑料的沉降[14]會造成土壤微塑料污染；灌溉可以將河流、湖泊及水庫中賦存的微塑料轉(zhuǎn)移至土壤中。越來越多的證據(jù)表明，微塑料可能會引起陸地系統(tǒng)的環(huán)境變化[15-16]，而高濃度的微塑料可能會影響土壤的性質(zhì)及功能。此外，由于尺寸較小，微塑料可以被植物吸收，并可以被生物攝食。向植物或生物轉(zhuǎn)移并累積的不僅包括微塑料，還包括其表面富集的多種污染物（重金屬及持久性有機污染物），并最終對人類構(gòu)成潛在的威脅。

我國是塑料生產(chǎn)和使用大國，其中多種塑料產(chǎn)品，如聚氯乙烯（PVC）、氨基模塑料等產(chǎn)量已位居全球首位，且進一步增長的潛力仍十分巨大。這些塑料的生產(chǎn)和使用構(gòu)成巨大的環(huán)境壓力。目前，我國土壤微塑料研究才剛起步，許多科學和管理問題亟待回答。本文總結(jié)了我國土壤微塑料的研究進展，分析了土壤環(huán)境中微塑料的污染來源和環(huán)境行為，探討了微塑料污染的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，以期為我國土壤微塑料污染防治提供參考。

1 土壤微塑料污染現(xiàn)狀

2016年，周倩等[17]發(fā)表的關(guān)于中國東海岸廢棄鹽場中微塑料污染的研究論文是我國第一篇土壤微塑料污染報道。隨后，我國土壤微塑料污染調(diào)查研究陸續(xù)展開。在杭州灣[18]、渤海和黃海等沿海地區(qū)的土壤中發(fā)現(xiàn)了高濃度的微塑料[18]，最高濃度可達14 712.5個/kg 。此外，在哈爾濱[19]、石河子[20]、武漢[21]、上海[22-23]、天津[24]、保定[25-26]以及黃土高原[27]等地區(qū)的農(nóng)田中檢測到了微塑料的存在，甚至青藏高原地區(qū)的土壤中也檢測到了微塑料[28]，說明我國土壤環(huán)境中微塑料污染的普遍性。其中，以在武漢農(nóng)田中檢測到的微塑料含量最高，微塑料含量高達1.6×105個/kg[29]，在云南滇池柴河流域的農(nóng)田中也檢測到不低的微塑料含量（18 760個/kg）[30]，可見我國土壤微塑料污染的嚴重性。武漢市郊區(qū)農(nóng)田微塑料調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型的土壤微塑料含量不同。林地中的微塑料含量（4.1×105個/kg）顯著高于菜地（1.6×105個/kg）和空地（1.2×105個/kg），并在微塑料中檢測到了多種重金屬，包括Cd、Cr、Pb、Ag、Cu、Sb、Hg、Fe和Mn等[29]。此外，在上海針對不同深度土壤微塑料含量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淺層土壤中微塑料含量高于深層土壤中微塑料的含量[22]。

2 土壤微塑料特征

土壤既是多種微塑料的“源”，同時又是多種微塑料的“匯”。土壤中發(fā)現(xiàn)的微塑料的特征可以反映局地人類活動及大氣沉降，為探究微塑料的來源提供可能[31]。此外，微塑料的形態(tài)特征直接關(guān)系到微塑料的環(huán)境行為和效應(yīng)[32]。微塑料常以不同形狀存在于土壤環(huán)境中[33]，最常見的塑料形狀是碎片和纖維，其中小于1 mm的微塑料更為常見[34]。圖1展示了土壤環(huán)境中典型微塑料的形貌特征。不同土壤中檢測到的微塑料類型均以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）為主，這與該類型的塑料用量較大有關(guān)[35]。微塑料的顏色多樣，不同區(qū)域微塑料的顏色差異大。對比水生環(huán)境（河流、海洋）與土壤環(huán)境中微塑料的特征發(fā)現(xiàn)，水生環(huán)境和土壤環(huán)境中微塑料的特征存在一定的相似性，表明陸地環(huán)境與水生環(huán)境微塑料的來源存在一定的相似性，且二者存在微塑料的交換[36-37]。

圖1 堆肥中的微塑料[34]

3 土壤環(huán)境中的微塑料來源

數(shù)量巨大卻又不易察覺的微塑料源源不斷地向土壤輸送，導致土壤中的微塑料積累。土壤環(huán)境中微塑料的來源廣泛，塑料垃圾破碎形成的次生微塑料以及農(nóng)用地膜殘留、污泥和有機肥的施用、大氣沉降和灌溉等都會構(gòu)成微塑料污染[38-39]（圖2）。

圖2 土壤中微塑料的主要來源（修改自[36]）

污泥作為污水處理廠的最終產(chǎn)品，通常富含有機物和微量元素，因而將污泥作為肥料施用于農(nóng)田的措施已得到廣泛的應(yīng)用。在歐洲和北美，約有50%的污泥被用于農(nóng)業(yè)，而在芬蘭和愛爾蘭，其比例甚至高達72%[39]。在某些水資源稀缺的地區(qū)，污水也被用于灌溉。微塑料進入污水處理系統(tǒng)后，由于其體積小，常規(guī)污水處理技術(shù)很難完全將其去除，這些微塑料就會在污泥中積累，而污泥的施用又將其中的微塑料轉(zhuǎn)移到土壤中[40]。此外，一些污泥和污水的不規(guī)范傾倒也會造成土壤微塑料污染[41]。

由PVC和PE制成的地膜，因其顯著的經(jīng)濟效益，在全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。2016年全球農(nóng)用塑料薄膜市場交易量為400萬t，并預(yù)計每年會以5.6萬t的速度增長[42]。塑料地膜厚度小，且長期暴露于紫外線下的塑料薄膜老化嚴重，因而在農(nóng)業(yè)活動的機械作用下易破碎，而且在凍融循環(huán)及生物作用下又會進一步破碎，最終構(gòu)成土壤微塑料污染[5]。研究人員發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田中大多數(shù)微塑料的表面強烈風化，且微塑料含量與塑料薄膜的覆蓋時間成正比，為這一結(jié)論提供了證據(jù)[20]。

堆肥也是微塑料進入土壤的重要途徑。以畜禽動物糞便、城市生活垃圾等有機廢物加工而成的有機肥施用于農(nóng)田，可以將其中的養(yǎng)分、微量元素和腐殖質(zhì)實現(xiàn)再利用，理論上是一種環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[39]。然而，由于處置不當和廢物分類不當，堆肥中往往含有塑料及微塑料[41]。對波恩的一個堆肥廠的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，堆肥中肉眼可見的微塑料碎片含量為2.38～180 mg/kg，這證實了有機堆肥中微塑料的存在[41]。

區(qū)域環(huán)境內(nèi)不當處理的塑料垃圾也是土壤中微塑料的重要來源。據(jù)估計，從1950年到2015年，全球大約產(chǎn)生了63億t塑料垃圾，其中49.7億t散落或堆積在自然環(huán)境中[34]。一方面，垃圾填埋場中塑料垃圾滲流構(gòu)成土壤微塑料來源[8]；另一方面，塑料垃圾在生物、物理和化學風化作用下逐漸破碎形成微塑料，也構(gòu)成土壤微塑料來源[43]。

河流、湖泊、水庫、地下水等灌溉用水中微塑料的存在已得到證實，因此通過灌溉，其中的微塑料會轉(zhuǎn)移到土壤中[34]，構(gòu)成土壤微塑料污染。除了灌溉外，大氣中微塑料的沉降也是土壤微塑料的來源之一。Dris等[14]首次報道并估算了微塑料的沉降通量，其中室外大氣微塑料沉降通量可達0.3～1.5個/m3（纖維）。周倩等[44]發(fā)現(xiàn)我國濱海城市大氣微塑料的沉降通量可達（1.30～6.24）×102個/（m2·d）。

4 土壤中微塑料的影響

現(xiàn)有研究表明，微塑料作為一種固體污染物進入土壤后，極易在干濕循環(huán)、土壤翻耕或生物擾動等作用下不同程度地整合到土壤團聚體中，引起土壤pH值、容重、持水能力、土壤結(jié)構(gòu)和生物量等生物物理特性的改變[39]。de Souza Machado等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加多種微塑料后，高密度聚乙烯（HDPE）和聚苯乙烯（PS）球（2～3 mm）、聚酯（PET）和PP纖維（5 mm）可使土壤容重顯著降低，聚酰胺（PA）和PET纖維可顯著降低土壤的持水能力，PS還會導致土壤生物量的改變。微塑料的積累也會破壞土壤結(jié)構(gòu)的完整性，導致土壤表面發(fā)生干裂[45]。在種植黑麥草的土壤中添加HDPE 30天后，土壤的pH值與對照組相比降低了0.62[46]。以上研究表明，微塑料對土壤理化性質(zhì)的影響較為復(fù)雜，微塑料的類型、形狀、濃度都可能是影響的因素[39]。

陸生植物具有的根系、木質(zhì)部等特殊結(jié)構(gòu)和膜電位、蒸騰作用等性質(zhì)有利于植物對微塑料的吸收[47]。模擬實驗表明，在0.1%聚乳酸（PLA）和HDPE纖維處理下，黑麥草的發(fā)芽率和發(fā)芽高度顯著降低[46]。在另一項研究中，Jiang等[48]研究了PS微塑料對蠶豆的生態(tài)毒性和遺傳毒性，發(fā)現(xiàn)當微塑料的濃度達到100 mg/L時，PS微塑料對蠶豆的生長具有顯著的抑制作用，這些微塑料可能會阻塞細胞連接或用于養(yǎng)分運輸?shù)募毎诳?。然而de Souza Machado等[15]的研究表明，存在HDPE的情況下，植物根部生物量更大?？梢?，微塑料對植物的影響是復(fù)雜的、多樣的。

在土壤微塑料研究中，由微塑料暴露引起的生態(tài)和健康風險是最令人關(guān)注的問題。微塑料作為一種復(fù)合性的污染物，其表面常富集其他污染物，包括重金屬、二噁英和持久性有機污染物[49]。此外，微塑料中常見的添加劑，例如阻燃劑、增塑劑、熱穩(wěn)定劑和抗氧化劑，也存在一定的健康風險。一項對墨西哥東南部家庭花園的調(diào)查研究表明，微塑料濃度在土壤（0.87±1.9個/g）、蚓糞（14.8±28.8個/g）和雞糞（129.8±82.3個/g）中逐級增加，這表明微塑料能夠進入陸生食物鏈并在其中累積[50]。Rillig等[51]也通過模擬實驗證實了蚯蚓可向土壤深層運輸PE微球。除蚯蚓外，模擬實驗表明跳蟲[52]、老鼠[53]、線蟲和蝸牛[54]均可攝食微塑料。最近，在成年人糞便和結(jié)腸切除標本中檢測到了微塑料，證實微塑料可以被人類攝食[55]。其來源和途徑可能是通過食物鏈轉(zhuǎn)移，也有可能通過其他來源和途徑，如吸入微塑料污染的空氣，攝入水及其他存在微塑料污染的食物等[56]。

5 研究展望

如果將微塑料視為環(huán)境污染物，那么與其他污染物（例如氣溶膠、重金屬）顯著不同的是，微塑料完全由人類活動產(chǎn)生，沒有自然背景值。已有研究表明，城市化水平和人口密度與微塑料污染程度顯著相關(guān)[28]。研究者基于塑料垃圾不當管理模型（MPW）和人類發(fā)展指數(shù)（HDI）的模型預(yù)測了河流對海洋的微塑料輸入量[57-59]。Feng等[28]基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)提出了微塑料排放預(yù)測公式，可以粗略預(yù)測土壤環(huán)境中的微塑料排放量。這些研究是對微塑料排放定量模擬的有益嘗試，但并不能實現(xiàn)模型與微塑料來源具體參量的耦合。為了更好地實現(xiàn)微塑料的管控，每一要素對于土壤環(huán)境匯中微塑料的貢獻需要被具體化，以確定管控的重點。如何建立微塑料的排放清單，定量評估微塑料的排放含量及增量是一個迫切需要解決的問題。

目前，微塑料的定量評估及來源解析研究已起步，但對一些關(guān)鍵過程的認識還不甚清楚，如微塑料在土壤中賦存的影響因素、遷移機制以及富集過程等。Huang等[30]研究發(fā)現(xiàn)土地利用類型影響微塑料的含量，而微塑料含量與土壤化學組成（pH值、有機質(zhì)含量、鐵含量）之間無顯著相關(guān)性。對于土壤微塑料含量的影響因素、遷移機制及富集過程還需要進一步確認。

除其他元素外，微塑料主要由碳組成。與其他有機物整合在土壤中的微塑料是一種獨立于光合作用和凈初級生產(chǎn)的碳[60]。盡管微塑料作為碳在土壤中似乎是“無形的”，但我們?nèi)钥梢酝ㄟ^測試土壤有機碳的方法將其檢測[61]。從根本上講，微塑料的碳大部分來源于化石燃料，而不是最近被大氣固定下來的。由于塑料不易被降解，其中的碳在土壤中得以積累。碳儲存作為生態(tài)系統(tǒng)的一個重要功能，這一部分碳在評估土壤碳儲量中也需要考慮。