我國(guó)59個(gè)長(zhǎng)期覆膜樣地的表層土壤中鄰苯二甲酸酯污染狀況分析

靳拓，許丹丹，薛穎昊，習(xí)斌，孫建鴻，彭可為，張杰，金德才

1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125 3. 湖南省花垣縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湘西土家族苗族自治州 416499 4. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，塑料類制品得到廣泛使用。鄰苯二甲酸酯(PAEs)作為塑化劑被大量應(yīng)用于食品包裝、裝修材料、醫(yī)療器械、化妝品和玩具等各種日用產(chǎn)品中，也作為地膜被廣泛用于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)中[1]。由于PAEs和塑料制品間非緊密結(jié)合，PAEs很容易游離到周邊環(huán)境當(dāng)中[2]。目前，塑化劑已經(jīng)成為全球性的環(huán)境污染物，在河流、湖泊、土壤和空氣等環(huán)境介質(zhì)中檢均能測(cè)出不同程度的塑化劑污染[3-4]。由于塑化劑可通過吸入、攝入或皮膚吸收進(jìn)入人體，在人的血清、尿液、母乳以及其他生物組織中均檢測(cè)到塑化劑的存在[5]。PAEs作為一類環(huán)境激素類化合物，在人體內(nèi)具有類似于雌性激素作用，不但可導(dǎo)致內(nèi)分泌紊亂，而且具有胚胎毒性、生殖毒性和遺傳毒性[6]，同時(shí)生活在PAEs污染水平高的環(huán)境中會(huì)增加人們患病的概率，如Yang等[7]發(fā)現(xiàn)PAEs暴露是促進(jìn)肌肉減少癥發(fā)生的一個(gè)重要因子；Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)室內(nèi)灰塵中的PAEs濃度和兒童哮喘癥狀呈正相關(guān)，尤其在女孩當(dāng)中更為顯著。目前鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)和鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)6種PAEs已被美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(US EPA)列為優(yōu)先控制污染物，我國(guó)也將其中的3種鄰苯二甲酸酯類化合物(DMP、DBP和DNOP)列為優(yōu)先控制的有毒污染物[9]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年塑料地膜使用面積高達(dá)1 500萬hm2左右，是世界上塑料地膜使用量最多的國(guó)家，地膜覆蓋在農(nóng)田保溫保濕、促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮了重要作用，然而其中的添加成分如塑化劑也對(duì)農(nóng)田環(huán)境造成了污染。近年來關(guān)于覆膜農(nóng)田土壤的PAEs污染調(diào)查較多，如鄭順安等[10]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在西北地膜高投入的5個(gè)典型縣，土壤中6種優(yōu)先控制的PAEs含量為0.103～1.117 mg·kg-1，均值為(0.532±0.175) mg·kg-1。易鴛鴦等[11]采集了新疆五家渠地區(qū)不同地膜使用年限的棉田土壤樣品，對(duì)6種優(yōu)先控制的PAEs含量進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，土壤樣品中6種PAEs總量范圍為1.360～4.490 mg·kg-1，均值為(2.770±0.919) mg·kg-1。然而，目前對(duì)我國(guó)不同覆膜年限的農(nóng)田土壤的PAEs污染狀況研究仍然很少，或者僅集中于一個(gè)地點(diǎn)的樣品分析。本文選擇我國(guó)59個(gè)不同覆膜年限的農(nóng)田作為研究對(duì)象，采集農(nóng)田土壤樣品并采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用方法對(duì)土壤中6種PAEs化合物進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)對(duì)其含量水平、組成情況及分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)其污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，旨在為我國(guó)覆膜農(nóng)田土壤污染管控工作提供參考依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 土壤樣品采集

在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇我國(guó)28個(gè)省份/自治區(qū)的長(zhǎng)期覆膜農(nóng)田，布設(shè)表層土壤采樣點(diǎn)59個(gè)，具體采樣點(diǎn)位信息如表1所示。2019年5月采樣，先對(duì)采樣點(diǎn)表層進(jìn)行清掃，采用五點(diǎn)法采集土壤樣品，混合成一個(gè)樣品，每樣點(diǎn)所采土樣約1 kg，記下樣點(diǎn)實(shí)際地理位置和種植作物等基本信息。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干，除去小石子、雜草等外源物質(zhì)，過1 mm的不銹鋼篩，處理好后，置于棕色玻璃瓶中保存，等待實(shí)驗(yàn)室分析。同時(shí)，通過走訪交談、問卷調(diào)查等手段，獲得農(nóng)田土壤覆膜信息。

表1 59個(gè)樣點(diǎn)的采樣分布Table 1 Distribution of 59 sampling points

1.2 儀器與試劑

Thermo Scientific ITQ 900氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó))；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠，中國(guó))；KQ-100KDE超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司，中國(guó))；Mixplus旋渦混合器(合肥艾本森科學(xué)儀器有限公司，中國(guó))。

6種鄰苯二甲酸酯類化合物混合標(biāo)液(壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司，北京，中國(guó))，濃度為1 000 μg·mL-1，包括DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP和DNOP；正己烷、乙酸乙酯和二氯甲烷等均為色譜純(ThermoFisher Scientific，美國(guó))；固相萃取柱為PSA/Silica復(fù)合填料玻璃柱(1 000 mg，6 mL)(廣州信譜徠科學(xué)儀器有限公司，中國(guó))。

1.3 樣品前處理

取2 g干燥過篩后的土壤樣品，攪拌均勻，加入10 mL乙酸乙酯，超聲振蕩40 min，重復(fù)3次，靜置至少30 min，收集2 mL上層清液，待凈化。采用固相萃取法對(duì)提取液進(jìn)行凈化，固相萃取小柱為PSA/Silica復(fù)合填料玻璃柱。依次向柱中加入10 mL二氯甲烷、6 mL乙酸乙酯，棄去流出液；將待凈化液加入柱中，控制流速1 滴·s-1，收集2 mL流出液，后進(jìn)行溶劑置換，正己烷準(zhǔn)確定容至2 mL，過0.22 μm的有機(jī)相濾膜，供色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析。

利用GC-MS進(jìn)行樣品分析。色譜條件：DB-5 MS石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；載氣為高純氦氣(純度>99.999%)，載氣流量1.5 mL·min-1；進(jìn)樣方式為不分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量為1.0 μL；進(jìn)樣口溫度280 ℃；柱溫為程序升溫(初始柱溫60 ℃，保持1 min；以20 ℃·min-1升溫至220 ℃，保持1 min；再以5 ℃·min-1升溫至280 ℃，保持5 min)。質(zhì)譜條件：電子轟擊電離源(EI)；電離能量70 eV；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；采用SIM模式進(jìn)行質(zhì)譜全掃描。采用0.5、1、2、3、4和5 mg·L-1濃度的6種PAEs做工作曲線。土壤中添加6種PAEs用以計(jì)算回收率，回收率均>77%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Pearson方法分析覆膜年限、比例等與土壤中PAEs含量之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果(Results)

2.1 鄰苯二甲酸酯工作曲線的繪制

根據(jù)上述GC-MS檢測(cè)條件，6種PAEs混合標(biāo)準(zhǔn)液中各單體能夠完全分離(圖1)。將6種PAEs標(biāo)準(zhǔn)樣品配制成6個(gè)濃度，分別為0.5、1、2、3、4和5 mg·L-1，以PAEs標(biāo)樣濃度為橫坐標(biāo)，以峰面積為縱坐標(biāo)，儀器自動(dòng)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并計(jì)算測(cè)試樣品的濃度。

圖1 6種鄰苯二甲酸酯(PAEs)標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖(2 mg·L-1)注: 1為鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)；2為鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)；3為鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)；4為鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)；5為鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)；6為鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)。Fig. 1 Chromatogram of 6 phthalates (PAEs) mixed standard solution (2 mg·L-1)Note: 1 represents dimethyl phthalate (DMP); 2 represents diethyl phthalate (DEP); 3 represents dibutyl phthalate (DBP); 4 represents benzyl butyl phthalate (BBP); 5 represents di-(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP); 6 represents di-n-octyl phthalate (DNOP).

2.2 土壤中PAEs化合物的總含量(Σ6PAEs)分析

表2中的檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，在59個(gè)樣地土壤中6種鄰苯二甲酸酯類塑化劑的總濃度(∑6PAEs)從最低的0.221 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計(jì))至最高的4.304 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計(jì))，最高濃度的土壤采自廣西壯族自治區(qū)梧州市的農(nóng)田土壤，其次為采自重慶市黔江區(qū)和云南省昭通市的農(nóng)田土壤，分別為0.614 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計(jì))和0.611 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計(jì))，最低的為安徽省淮南市的農(nóng)田土壤。所測(cè)試的59個(gè)樣地中6種PAEs的含量均值為0.433 mg·kg-1，其中僅有1個(gè)樣品>1 mg·kg-1。

表2 59個(gè)樣地土壤中的PAEs含量Table 2 Concentration of PAEs in the 59 soil samples (mg·kg-1)

2.3 土壤中PAEs化合物單體的含量特征

按照PAEs種類來說，DEHP、DBP和BBP為主要的3種檢出類型，平均濃度分別達(dá)到0.162、0.133和0.101 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計(jì))(表3)，濃度最高的分別為廣西壯族自治區(qū)梧州市、重慶市黔江區(qū)和云南省昭通市的農(nóng)田土壤，濃度最低的為采集于安徽省淮南市的農(nóng)田土壤。本研究檢測(cè)的6種單體中，DEP的檢出率為0，其余單體的檢出率均為100%。這6種化合物在土壤中的平均含量依為：DEHP>DBP>BBP>DNOP>DMP，其中DEHP占總的PAEs濃度比為8.349%～63.43%，DBP占∑6PAEs濃度比為9.702%～86.494%，BBP占∑6PAEs濃度比為3.095%～44.721%。

表3 59個(gè)土壤樣地中單個(gè)PAEs的檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of single PAEs pollution in the 59 soil samples

2.4 土壤PAEs種類和∑6PAEs與地膜用量、年限和覆膜比例的相關(guān)性分析

對(duì)59個(gè)樣地土壤中6種PAEs含量及∑6PAEs與地膜用量、覆膜年限、覆膜比例進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。不考慮土壤性質(zhì)和采樣地點(diǎn)等差異，未發(fā)現(xiàn)6種優(yōu)控PAEs化合物和∑6PAEs的含量與地膜用量等存在顯著相關(guān)。

表4 土壤PAEs濃度與地膜使用之間的Pearson相關(guān)性分析Table 4 Pearson correlation coefficients of PAEs concentration and mulch film application

2.5 土壤中PAEs的超標(biāo)情況

由于我國(guó)還沒出臺(tái)農(nóng)田PAEs控制標(biāo)準(zhǔn)，故與美國(guó)紐約州土壤中6種PAEs化合物控制和治理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較(表5)，DMP只有1個(gè)點(diǎn)位超標(biāo)，而DBP超標(biāo)率是35.60%，其他4種PAEs的污染情況均未超過控制標(biāo)準(zhǔn)。所有的樣品中PAEs含量均未超過土壤治理標(biāo)準(zhǔn)。其中廣西壯族自治區(qū)梧州市農(nóng)田土壤中的DBP污染超標(biāo)最嚴(yán)重，達(dá)到了45.96倍。其次為來源于河南省駐馬店市的農(nóng)田土壤，DBP超標(biāo)3.010倍。

表5 美國(guó)紐約州土壤PAEs化合物控制標(biāo)準(zhǔn)與治理標(biāo)準(zhǔn)[12]Table 5 Soil allowable concentration and cleanup objective of PAEs compounds in New York State, USA[12]

3 討論(Discussion)

目前關(guān)于農(nóng)田土壤中的PAEs污染水平的研究較多，但是對(duì)于長(zhǎng)期覆膜的農(nóng)田土壤關(guān)注相對(duì)較少。

本研究的檢測(cè)結(jié)果表明，59個(gè)樣地土壤中6種優(yōu)控PAEs化合物總含量(∑6PAEs)為最低的0.221 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計(jì))至最高的4.304 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計(jì))，均值為0.433 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計(jì))。長(zhǎng)期覆膜的6種PAEs含量與其他文獻(xiàn)的結(jié)果相比，并沒有顯著差異，如李國(guó)秀等[13]調(diào)查了西安市楊凌區(qū)設(shè)施蔬菜基地土壤中PAEs的污染狀況，結(jié)果顯示，在分析的土壤樣品中檢測(cè)出12種PAEs化合物，總含量為0.005～3.524 mg·kg-1，平均值為0.060 mg·kg-1。陳佳祎等[14]采集了北京市的10個(gè)典型設(shè)施蔬菜基地60個(gè)大棚的土壤樣品，15種PAEs總的濃度范圍為0.05～2.02 mg·kg-1，平均濃度為0.98 mg·kg-1。趙勝利等[15]對(duì)珠江三角洲城市群中的典型中小城市的菜園和果園表層土壤中的16種PAEs進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示，東莞土壤的16種PAEs總含量最高，平均達(dá)3.710 mg·kg-1；最低的為惠州土壤，為0.600 mg·kg-1。周斌[16]對(duì)黃淮海地區(qū)設(shè)施菜地土壤和大田土壤中16種PAEs的污染情況及農(nóng)業(yè)投入品開展了調(diào)查，結(jié)果顯示PAEs在黃淮海地區(qū)農(nóng)田土壤的檢出率為100%，16種PAEs濃度范圍在0.066～3.646 mg·kg-1之間，平均值為0.912 mg·kg-1。馮艷紅等[17]發(fā)現(xiàn)江蘇省設(shè)施菜地土壤樣品中6種PAEs范圍為0.042～0.276 mg·kg-1，平均值為0.117 mg·kg-1，檢出率為100%。吳山等[18]采用GC-FID檢測(cè)了汕頭市蔬菜產(chǎn)區(qū)的63個(gè)表層土壤樣品，結(jié)果顯示，汕頭市蔬菜產(chǎn)區(qū)土壤樣品中6種PAEs化合物總濃度范圍為0.018～9.303 mg·kg-1，平均含量為0.721 mg·kg-1。李玉雙等[19]分析了土壤中US EPA優(yōu)控的6種PAEs在沈陽市新民蔬菜基地設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的分布特征，結(jié)果顯示6種PAEs濃度范圍為0.52～1.73 mg·kg-1，平均值為0.94 mg·kg-1，∑6PAEs含量超過1 mg·kg-1占比32%。相對(duì)于我國(guó)國(guó)內(nèi)在塑化劑污染狀況的大量調(diào)查，國(guó)外在農(nóng)田土壤塑化劑污染方面開展的工作較少，Tran等[20]在法國(guó)豐特奈萊布里伊的農(nóng)業(yè)土壤中檢測(cè)到9種PAEs污染物，其中DMP和DNOP未檢出，DEP、DBP、BBP和DEHP的總濃度為0.260 mg·kg-1。Rhind等[21]調(diào)查發(fā)現(xiàn)蘇格蘭表土中DEHP的污染水平為0.025～1.596 mg·kg-1，平均值為0.258 mg·kg-1。由此可見，本研究中的我國(guó)59個(gè)樣地的表層土壤中檢測(cè)到的PAEs總量相較于其他農(nóng)業(yè)功能區(qū)，處在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于城市土壤，廖健等[9]分析了杭州西湖景區(qū)土壤環(huán)境中PAEs的污染情況，西湖景區(qū)6種PAEs濃度范圍為0.597～7.360 mg·kg-1，均值為2.963 mg·kg-1；張文娟等[22]在西安市三環(huán)內(nèi)采集了62個(gè)表層土壤，發(fā)現(xiàn)其中6種PAEs總濃度為1.54～153.17 mg·kg-1，平均值為10.95 mg·kg-1。從平均值來比較，59個(gè)長(zhǎng)期覆膜農(nóng)田土壤的6種PAEs濃度顯著低于城市表層土壤。

59個(gè)長(zhǎng)期覆膜農(nóng)田表層土壤中PAEs的構(gòu)成主要以DBP和DEHP為主，二者約占∑6PAEs的43.508%～94.843%，主要的PAEs種類和其他的文獻(xiàn)報(bào)道也基本一致，如陳佳祎等[14]發(fā)現(xiàn)DBP在10個(gè)典型設(shè)施蔬菜基地的土壤中含量最高，其次為DEHP。戴華鑫等[23]發(fā)現(xiàn)DBP和DEHP是河南植煙土壤中的主要PAEs污染物，均值分別達(dá)到了0.348 mg·kg-1和0.131 mg·kg-1。在江蘇省不同設(shè)施菜地土壤中，DBP和DEHP同樣是占比前2位的PAEs種類[17]。張小紅等[24]發(fā)現(xiàn)DEHP、DBP和鄰苯二甲酸二異丁酯(DIBP)是寧夏回族自治區(qū)6種不同土地利用類型共87個(gè)土壤樣品中最主要的3種污染單體，分別占6種優(yōu)控PAEs污染物的58.3%、13.9%和11.8%。吳山等[18]發(fā)現(xiàn)汕頭市蔬菜土壤樣品中檢測(cè)到的6種PAEs污染物以DBP(50.1%)和DEHP(21.8%)為主。在筆者檢測(cè)的59個(gè)樣地土壤中，DEHP是最重要的污染物，其次為DBP。DBP和DEHP在農(nóng)田土壤中的污染及其風(fēng)險(xiǎn)，需要引起廣泛關(guān)注。

長(zhǎng)期使用塑料薄膜可增加土壤中PAEs的污染程度。李瑾等[25]發(fā)現(xiàn)土壤中PAEs含量累積與地膜使用年限成正比。易鴛鴦等[11]發(fā)現(xiàn)覆膜前5年，PAEs殘留隨著時(shí)間增長(zhǎng)不斷增加，5年后土壤PAEs總量和覆膜年限的增長(zhǎng)并非呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于我們研究的樣地分布在不同的地理位置，土壤性質(zhì)差異很大。同時(shí)，PAEs在土壤中能被微生物降解或者被作物吸收，因此它的含量是動(dòng)態(tài)變化的，Kong等[26]發(fā)現(xiàn)DBP在不同類型土壤中的降解存在著顯著差異，而微生物在DBP的降解速度方面起著重要的作用，暗示著土壤中的PAEs殘留量與不同土壤中微生物種群差異顯著相關(guān)，而微生物的演替又受土壤理化性質(zhì)的影響，尤其是pH[27]。而pH被認(rèn)為與土壤的PAEs含量成顯著負(fù)相關(guān)[23]。本研究結(jié)果暗示著在更大的區(qū)域尺度，土壤性質(zhì)對(duì)PAEs殘留量影響更大。對(duì)PAEs的風(fēng)險(xiǎn)管控的同時(shí)，應(yīng)考慮地區(qū)土壤與環(huán)境的差異。

陳佳祎等[14]在60個(gè)北京設(shè)施蔬菜基地土壤中，檢測(cè)到有57個(gè)樣品DBP超過控制標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率95%，最高超標(biāo)14倍。戴華鑫等[23]調(diào)查發(fā)現(xiàn)DBP在河南植煙土壤中超標(biāo)率超過97%。李國(guó)秀等[13]在對(duì)西安市楊凌區(qū)蔬菜基地土壤檢測(cè)分析中發(fā)現(xiàn)，DBP的平均含量超過控制標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率為50%。本研究中，59個(gè)長(zhǎng)期覆膜農(nóng)田土壤樣品中6種PAEs含量與美國(guó)優(yōu)控的6種PAEs化合物的控制標(biāo)準(zhǔn)相比，21個(gè)樣地土壤中的DBP含量均超過控制標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率35.60%。由此可見，全國(guó)各地農(nóng)業(yè)土壤中的DBP均有超標(biāo)現(xiàn)象，亟待重視。