陜西關(guān)中農(nóng)田土壤中塑料碎片和微塑料殘留及其累積特征研究*

陳榮龍, 陳延華, 黃 珊, 余 瑤, 陳榮桓, 薛 萐, 劉 瑩, 楊曉梅,**

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院 楊凌 712100; 2.北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所 北京 100097; 3.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室 楊凌 712100)

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。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐重要的耕作技術(shù), 農(nóng)膜及塑料大棚的使用及推廣, 極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力, 使干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展及當?shù)亟?jīng)濟得到了顯著改善。然而, 長期農(nóng)膜施用所產(chǎn)生的“白色污染”問題, 已成為土壤健康、生態(tài)環(huán)境安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙。據(jù)報道, 歐盟每年向陸地中釋放的塑料總量約為向海中釋放總量的4～23倍, 每年僅從農(nóng)田土壤中輸入的塑料就遠超過全球海洋表面漂浮的塑料總量。而陸地生態(tài)系統(tǒng)作為海洋生態(tài)系統(tǒng)塑料污染的主要來源, 其污染現(xiàn)狀及歸趨特征直接威脅著海洋生態(tài)系統(tǒng)的安全。因此, 塑料污染及其所引起的環(huán)境問題越來越受到國際社會的關(guān)注。

我國是世界上棚膜覆蓋率最高的國家之一, 地膜覆蓋面積近0.2億hm, 由于地理位置和氣候條件等因素, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對地膜及塑料制品的需求各異, 從而導致我國南北地區(qū)土壤中塑料殘片和微塑料的時空分布特征差異顯著。據(jù)統(tǒng)計, 2014-2019年全國地膜用量基本穩(wěn)定在143萬t左右, 主要集中在西北和華北平原地區(qū), 然而農(nóng)膜回收及其殘留累積問題已經(jīng)嚴重影響農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。研究表明:我國農(nóng)田土壤中塑料薄膜累積達到(5.508×10±6.330×10) t, 地膜覆蓋農(nóng)田土壤中地膜殘留的負荷范圍為0.2～317.4 kg·hm, 由于使用的大部分地膜在作物季結(jié)束時未回收, 地膜殘留在農(nóng)田中不斷累積, 而殘留于土壤中的塑料經(jīng)氣候變化、紫外線照射、機械耕作力干擾進一步老化或碎片化, 逐漸形成更加難以撿拾回收的小殘片、微塑料顆粒(＜5 mm)、甚至納米塑料顆粒, 而這些顆粒因其尺寸小、疏水性強、性質(zhì)穩(wěn)定等特點, 可長期存在于土壤中, 并直接參與土壤演化及其水文學過程, 亦可能進入植物(通過根系吸收或者裹挾)及人體(食用或食物鏈傳遞等方式), 從而威脅植物生長及人類健康。研究表明: 微塑料不僅會影響土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、降低土壤肥力、改變土壤中微生物群落多樣性, 還會對土壤環(huán)境中植物和動物造成危害, 影響作物生長及糧食產(chǎn)量, 影響動物生長、發(fā)育和繁殖。還可能由于低營養(yǎng)級生物被動攝取微塑料, 通過食物鏈傳遞最終進入人體, 嚴重危害人類健康。

近年來, 作為海洋塑料污染的主要來源, 土壤中塑料污染越來越受到關(guān)注, 特別是土壤中微塑料的環(huán)境行為及其環(huán)境風險, 成為土壤科學、環(huán)境科學以及生命科學領(lǐng)域關(guān)注的熱點。據(jù)報道, 我國滇池附近農(nóng)田及森林土壤中微塑料豐度為1.876×10個·kg, 最高達4.296×10個·kg, 且絕大多數(shù)微塑料尺寸都小于1 mm。Meng等研究發(fā)現(xiàn), 新疆及甘肅農(nóng)田中微塑料豐度最高達2.2×10個·kg;青藏高原南部地區(qū)土壤中微塑料豐度為0～260個·kg; 中國陜西地區(qū)農(nóng)田土壤中微塑料豐度為1.43×10～3.41×10個·kg。類似地, 歐洲農(nóng)田所施用的污泥肥料中微塑料含量高達1×10～4×10個·kg,澳大利亞某工業(yè)園區(qū)土壤中微塑料含量高達6.7%。然而, 長期棚膜及其他塑料制品(如育苗培養(yǎng)缽等)的投入, 導致農(nóng)田土壤及周邊環(huán)境中塑料污染日趨嚴重, 并呈現(xiàn)典型的地帶性差異, 如農(nóng)膜施用區(qū)、大棚種植區(qū)以及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕種區(qū)(無覆膜種植)。然而,目前對不同棚膜施用所造成的塑料污染研究處于起步階段, 特別是對塑料殘片及微塑料在農(nóng)田土壤耕層的篩查研究仍相對缺乏?；诖? 本研究以陜西關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象, 通過野外調(diào)研、采集不同作物種植農(nóng)田耕層土壤(0～30 cm), 研究長期農(nóng)膜覆蓋蔬菜種植區(qū)與大棚(苗圃)種植區(qū)耕層土壤中塑料殘片和微塑料殘留及累積豐度特征, 以期為關(guān)中農(nóng)田土壤塑料污染研究及評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

關(guān)中平原位于陜西省中部, 又稱渭河平原, 關(guān)中盆地是由河流沖積和黃土堆積形成的, 地勢平坦, 土壤侵蝕較弱, 土壤肥沃, 水源豐富, 機耕、灌溉條件相對較好, 是陜西小麥()、玉米()、蔬菜及瓜果等作物重要的生產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫚敫珊荡箨懶约撅L氣候, 氣候多年平均氣溫13.1℃, 年平均降水量611.1 mm。基于野外調(diào)研, 選擇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為集中且具有特色的渭河中段作為采樣區(qū)域(表1), 其中第1個采樣點是以傳統(tǒng)的蔬菜種植區(qū)蔡家坡鎮(zhèn)為核心, 主要覆膜作物為玉米和蔬菜類(以下簡稱蔬菜地), 主要耕作措施為輪作和套種, 也有少許塑料大棚種植蘑菇()和辣椒()。綜合考慮種植系統(tǒng)及農(nóng)膜使用的情況, 從選定的13塊農(nóng)田土壤中, 將兩塊玉米地作為傳統(tǒng)的糧食種植地(無農(nóng)膜施用)當作對照(S1-1), 將紅薯()地、馬鈴薯()地、辣椒地作為種植輪作系統(tǒng)歸為一類(S1-2), 將洋蔥()、青菜(var.)、豆角()和西瓜()作為蔬菜瓜果系統(tǒng)歸為一類(S1-3), 將核桃()地作為林地復合系統(tǒng)作為一類(S1-4), 將辣椒大棚和蘑菇廢棄棚作為塑料大棚和廢棄大棚各歸為一類(S1-5和S1-6)。第2個采樣點是以大棚(苗圃)種植為主的楊凌示范區(qū)(以下簡稱大棚區(qū)), 該區(qū)是中國第一個農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū), 屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候, 年均氣溫12.9 ℃, 年均降水量635.1 mm。生產(chǎn)蔬菜水果以及各種經(jīng)濟作物, 因大量使用塑料大棚以及塑料培養(yǎng)缽, 導致種植完成后塑料殘片及培養(yǎng)缽碎片大量殘留在土壤中。在該地區(qū)選定的9塊農(nóng)田土壤中, 將苦瓜()地作為傳統(tǒng)菜地(無農(nóng)膜施用, 對照, S2-1), 將中小灌木苗圃[金葉榆(), 芍藥()]作為一類(S2-2), 將小灌木苗圃[石楠(), 木雞()]作為一類(S2-3), 將葡萄()作為經(jīng)濟作物歸為一類(S2-4), 將大棚苗圃和廢棄大棚苗圃(空地, 整地旋地)各歸為一類(S2-5和S2-6)。

表1 采樣點基本信息Table 1 Basic information of sampling sites

1.2 樣品采集

在每個選定的地塊里, 選擇3個大小為10 m×10 m的樣地, 然后以中心點為核心, 在內(nèi)等邊三角形的中點選取1m×1m的樣方, 并在樣方中心進行樣品采集,樣品深度主要為耕層30 cm土層, 樣品采集時挖取20 cm×20 cm×30 cm的土壤樣品, 采樣時可直接撿拾表層土壤中肉眼可見的塑料殘片, 作為表層土壤中(0～10 cm)殘片的一部分, 然后按0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm分層取樣, 按照每個樣方編號及土層編碼裝入樣品袋中, 共計采集土壤樣品198個。

1.3 土壤中塑料殘片及微塑料測定

土壤樣品在實驗室自然風干后, 進一步除去肉眼可見的塑料殘片、作物根系、石塊等雜質(zhì), 把每層土樣中挑出的塑料殘片分開裝袋, 進行單獨處理,經(jīng)過自來水反復沖洗后裝入尼龍紗布于45℃烘箱烘至恒重, 最后進行稱重并記錄殘片數(shù)量, 再根據(jù)土體質(zhì)量得出殘片含量。將塑料殘片在網(wǎng)格紙上鋪好,進行大小測量并計數(shù)。為確定塑料殘片類型, 隨機抽取少許碎片進行粉碎, 以微塑料相同的方式在顯微鏡下進行觀測鑒定。

采用密度浮選法提取土壤中的微塑料。具體步驟如下: 1)每個樣品稱取5.00 g土壤放入50 mL燒杯中, 加入飽和CaCl溶液50 mL, 室溫下用玻璃棒充分攪拌均勻, 用蒸餾水把玻璃棒上的黏附物沖洗到燒杯中, 靜置10～12 h, 讓土壤顆粒沉淀, 得到均勻懸浮液; 2)用慢速定量濾紙(孔徑＜3 μm)過濾懸浮液到準備好的錐形瓶中, 待過濾完畢后將錐形瓶中溶液倒回燒杯中, 繼續(xù)用玻璃棒攪拌并用蒸餾水沖洗玻璃棒, 靜置10～12 h; 3)重復第2)步操作4～5次,使微塑料等物質(zhì)吸附到濾紙上, 直至原有燒杯上清液中無肉眼可見漂浮物; 4)將濾紙仔細折疊于45 ℃烘箱放置12～16 h烘至恒重, 然后將濾紙上的塑料轉(zhuǎn)入尼龍網(wǎng)布中。首先, 將尼龍網(wǎng)用橡皮筋固定; 然后將尼龍網(wǎng)布分別在HO和稀HSO中浸泡10 h,以消化有機雜質(zhì); 最后, 用蒸餾水沖洗干凈, 烘干, 將顆粒和其他物質(zhì)轉(zhuǎn)移到稱量紙中?；赯hang等的方法, 將稱量紙上的顆粒轉(zhuǎn)移到載玻片上, 在體視顯微鏡下進行鑒定及統(tǒng)計。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)塑料顆粒的體積和密度計算懸浮物和土壤中塑性顆粒的重量。每個樣品的質(zhì)量由Adobe Photoshop CC 2018處理后, 再用Image J軟件測量的每個塑料氣泡的垂直面積計算得出。不同土層塑料殘片數(shù)量以中位值與標準差表示, 用透明托盤將殘片展開壓實放在5 mm方格紙上進行計數(shù)計算, 用數(shù)量百分比表示, 碎片大小分級參考Meng等研究方法進行調(diào)整劃分, 殘片含量用中位值和標準差表示, 微塑料數(shù)量統(tǒng)計及質(zhì)量計算采用Zhang等方法, Excel 2019和SPSS 26.0用于數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。下面給出具體計算方法:

式中,、和分別是微塑料顆粒的重量(g)、密度(0.96 g·cm)和數(shù)量, S是塑料物體在130 ℃下熔化3～5 s后所占據(jù)可見區(qū)域的垂直視角(以像素為單位, 1像素=0.585/60 mm)。使用Image J計算S。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中塑料殘片分布及數(shù)量特征

研究表明(圖1), 蔬菜地主要以白色透明的塑料薄膜為主, 其次是黑色或藍色的殘片和纖維; 而大棚區(qū), 塑料殘片以黑色塑料為主, 為培養(yǎng)缽在土壤中老化分解后的殘留物, 其次是白色透明或紅色的塑料薄膜和纖維。

圖1 不同類型樣地土壤樣品中塑料殘片的形態(tài)大小及顏色特征Fig. 1 Shape, size, and color characteristics of plastic fragments in soil samples in different types of sample sites

從圖2可知, 隨著殘片面積增大, 殘片數(shù)量逐漸減小。在蔬菜地, 殘片面積在不同樣點中的數(shù)量占比 表 現(xiàn) 為: 0.25～2 cm＞2～10 cm＞10～25 cm＞25 cm(S1-3和S1-6除外), 其中0.25～2 cm占37.8%, 且殘片數(shù)量在S1-1、S1-2、S1-4、S1-5中所占比例最大,辣椒大棚(S1-5)達64.6%, 而S1-3和S1-6所占比例分別為19.6%和11.1%; 2～10 cm的殘片數(shù)量在S1-4中占比最大, 為38.0%; 10～25 cm的殘片數(shù)量在S1-3和S1-6處理中所占比例均最大, 分別為42.3%和44.4%;＞25 cm的殘片數(shù)量在廢棄大棚(S1-6)中占比最大,為33.3%, S1-2中占比最小, 僅為4.5%。在大棚區(qū),殘片面積在不同樣點中的數(shù)量占比表現(xiàn)與蔬菜地基本一致, 0.25～2 cm殘片占比最大, 平均為67.5%, 其中傳統(tǒng)菜地(S2-1)高達80.8%; 2～10 cm殘片在S2-2中占比最大, 為33.3%, S2-1中占比最小, 僅為3.8%;10～25 cm殘片在S2-5中占比最大, 為37.5%; 而＞25 cm的殘片在S2-3、S2-4和S2-5中未發(fā)現(xiàn), 在其他樣點中占比平均為4.3%。

圖2 蔬菜地(A)和大棚區(qū)(B)土壤中不同面積塑料殘片的構(gòu)成特征Fig. 2 Composition of plastic debris in different sizes in soil of vegetable field (A) and greenhouse area (B)

土壤中大部分的塑料殘片富集在0～10 cm表層土壤中, 隨著土層深度的增加, 殘片數(shù)量減少(圖3),但10～20 cm與20～30 cm土層間差異不顯著。在蔬菜地, 不同土層深度的殘片數(shù)量 (圖3A)和殘片含量(圖3C)表現(xiàn)一致。在0～10 cm土層, S1-4中殘片數(shù)量最多, S1-6中最少。相比糧食種植地(S1-1), 在S1-3和S1-6中殘片數(shù)量和含量均較低, 而在S1-4和S1-5中殘片數(shù)量和含量較高, 數(shù)量分別為27個和17個,含量分別為52.78 μg·g和32.28 μg·g。在10～20 cm土層, S1-5中殘片數(shù)量最多, S1-3中最少。與S1-1對比可知, S1-2中殘片含量屬于S1中最大值, 為11.79 μg·g, 其他樣點的殘片含量均低于玉米地。在20～30 cm土層, S1-6中未發(fā)現(xiàn)殘片, S1-1中殘片數(shù)量除比S1-5低以外, 均高于其他樣點, 且殘片含量除比S1-2低以外, 也高于其他樣點。在大棚區(qū), 不同土層深度的殘片數(shù)量和殘片含量表現(xiàn)與蔬菜地保持一致: 0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm (圖3B, D)。在不同土層, S2-3、S2-5和S2-6中殘片數(shù)量并無顯著差異。在0～10 cm土層, S2-4中殘片數(shù)量最多, S2-3中最少。相比傳統(tǒng)菜地(S2-1), 除S2-3中殘片含量較低外, 其余樣點均高于傳統(tǒng)菜地。在10～20 cm和20～30 cm土 層, S2-1、S2-3和S2-5中 未 發(fā) 現(xiàn) 殘 片,而S2-4中10～20 cm土層中殘片數(shù)量與含量均低于20～30 cm土層。

圖3 蔬菜地(S1)和大棚區(qū)(S2)土壤中塑料殘片數(shù)(A和B)和殘片含量(C和D)特征Fig. 3 Characteristics of number (A and B) and content (C and D) of large plastic debris in vegetable field and soil of greenhouse area

2.2 土壤中微塑料豐度及分布特征

在蔬菜地, 所有土壤樣品微塑料檢測量為100～1.8×10個·kg(表2), 在S1-1、S1-4、S1-6中均未檢出微塑料, 對應的分別為玉米地、核桃地和廢棄蘑菇棚。在0～10 cm土層, 僅在S1-2和S1-5中檢出微塑料, 最大檢測量在S1-2中, 為1.8×10個·kg;在10～20 cm土層, 最大檢測量為400個·kg, 在S1-2中檢出; 而在20～30 cm土層, S1-3中最大檢測量達900個·kg。但在大棚區(qū), 所有選定的樣點中均檢出微塑料, 但不是在所有土層中均檢測到微塑料, 檢測量為100～500個·kg, 在0～10 cm土層, 最大檢測量在S2-2中, 為500個·kg, S2-1中未檢出。在10～20 cm土層, S2-1、S2-2和S2-4中未檢出微塑料。在20～30 cm土層, S2-1中檢出值最大, 為400個·kg。

表2 不同土層中微塑料豐度特征Table 2 Microplastics abundance in different soil layers (particle·kg-1)

2.3 塑料累積分異特征

如圖4A所示, S1-1、S1-4、S1-5和S1-6以塑料殘片為主體, 種植作物分別為玉米、核桃、辣椒和蘑菇。在S1-2中, 隨著土層深度的增加, 微塑料占比從8.3%到14.3%到30.0%。在S1-3中, 0～10 cm土層中只檢出塑料殘片, 未檢出微塑料, 而20～30 cm土層中只檢出微塑料, 未檢出塑料殘片。圖4B所示,在大棚區(qū), S2-1和S2-3中, 10～20 cm和20～30 cm土層中并未揀出塑料殘片, 但在S2-1的20～30 cm和S2-3的10～20 cm土層中檢出微塑料。S2-2中微塑料占比在0～10 cm土層中為10.2%, 10～20 cm土層中未檢出, 20～30 cm土層中為27.3%。根據(jù)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), 不同覆膜作物與塑料累積之間不存在顯著相關(guān)性(表3)。在S1中, 不同覆膜作物與塑料殘片和微塑料累積量之間均呈負相關(guān)關(guān)系; 而在S2中, 不同覆膜作物與殘片累積量之間呈正相關(guān), 與微塑料累積量呈負相關(guān)關(guān)系。

圖4 蔬菜地(A)和大棚區(qū)(B)土壤中塑料殘片與微塑料的數(shù)量占比Fig. 4 Proportions of plastic debris and microplastics in soils of vegetable field (A) and greenhouse area (B)

表3 塑料累積與覆膜作物相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between plastic accumulation and mulched crops

3 討論

3.1 農(nóng)膜與大棚使用對土壤中塑料殘片特征的影響

土壤中殘膜數(shù)量和大小是影響農(nóng)田土壤質(zhì)量的一個重要因素, 農(nóng)田土壤中殘膜數(shù)量與覆膜年限、殘膜量和土壤深度密切相關(guān), 淺層土壤中的殘膜多于深層土壤中的殘膜, 覆膜年限和作物類型對地膜殘留量空間分布的影響也與研究區(qū)氣候水文條件密不可分。馬輝等研究發(fā)現(xiàn)不同覆膜年限的棉田中殘膜在土壤各層中分布比較一致, 大部分殘膜分布在0～20 cm的表層土壤中, 20 cm以下的土層中殘膜較少, 土壤越深殘膜越少, 且隨著覆膜年限的增加同一土層中的殘膜量也相應增加。由此表明, 在農(nóng)田環(huán)境中殘片不易向較深土層中遷移, 這可能是因為正常翻耕等農(nóng)業(yè)活動在0～20 cm 表層土壤進行, 以及一些土壤表面動物的生命活動等行為導致的。嚴昌榮等對我國典型農(nóng)區(qū)進行調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)殘膜主要集中于0～30 cm耕作層, 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層殘膜分配比例分別為＞50%、10%～40%、＜10%。Meng等研究發(fā)現(xiàn), 不同采樣點0～10 cm土層中,殘片數(shù)量總體上沒有顯著差異或差異較小; 而10～20 cm土層中殘片含量(質(zhì)量)雖然低于0～10 cm土層, 但是殘片質(zhì)量差異性顯著(＜0.05)。據(jù)報道, 長期耕作和機械翻耕可能使土壤均質(zhì)化, 尤其是在0～20 cm的表層土壤, 從而導致各采樣土層間殘片數(shù)量差異不顯著。本研究表明: 不同樣點中殘片數(shù)量總體表現(xiàn)為10～20 cm和20～30 cm土層沒有顯著性差異, 與0～10 cm土層差異性顯著, 殘片質(zhì)量與殘片數(shù)量結(jié)果相似, 這可能是與覆膜年限、耕作活動以及不同作物輪作息息相關(guān)。

崔世榮等研究發(fā)現(xiàn), 在種植西瓜的大棚里, 質(zhì)量大于100 mg的殘膜主要分布在0～15 cm土層中,占比65%以上; 面積5～30 cm殘膜主要分布在0～15 cm耕作層中, 占比58%以上。這與本研究結(jié)果一致,即殘片主要集中在0～10 cm土層中, 而分布在0～10 cm土層中的殘片尺寸主要為0.25～2 cm的小殘片, 占比52%以上, 可能是因為農(nóng)膜長期裸露在外, 加上西北地區(qū)一些極端天氣和頻繁的農(nóng)業(yè)活動, 導致農(nóng)膜損壞嚴重, 轉(zhuǎn)化為更小的殘片留在土壤中。大棚前期施用農(nóng)膜雖然對西瓜的產(chǎn)量具有極大的促進作用,但是隨著土壤中殘膜累積量的增加, 極易破壞土壤結(jié)構(gòu), 阻礙西瓜根系下扎和對肥水養(yǎng)分的吸收, 影響西瓜根須的生長發(fā)育, 容易造成減產(chǎn)。此外, 耕作方式也會影響土壤中殘片的積累, 不同的耕作方式會對殘膜產(chǎn)生不同程度的破壞, 導致土壤中塑料累積量和存在形式的差異。Meng等研究結(jié)果表明,輪作可能會影響土壤中殘片的積累, 并且長時間農(nóng)膜覆蓋地比短期覆蓋農(nóng)田土壤中的殘片累積量多,而本研究輪作樣地中殘片累積差異并不顯著, 這可能與農(nóng)膜施用量及施用年限有關(guān), 同時也受區(qū)域氣候、光照強度、降水凍融條件等影響, 從而影響塑料老化的速度及其碎片化、顆?；潭取?/p>

3.2 農(nóng)膜與大棚使用對土壤中微塑料豐度及累積的影響

西北地區(qū)作為我國地膜用量和覆蓋面積最大的地區(qū), 農(nóng)田土壤中微塑料含量很高, 而且地塊之間差 異 大, 0～30 cm土 層 微 塑 料 豐 度580～1.189×10個·kg, 而我們的研究結(jié)果顯示, 關(guān)中地區(qū)0～30 cm土層微塑料檢出豐度為100～1.8×10個·kg。這可能是由于種植不同類型作物, 根系生長對于微塑料的吸收和裹挾能力不同, 因此對微塑料在土壤中的移動起著重要作用, 并且隨著地膜覆蓋年限增加, 殘片在土壤中累積量增大, 老化破碎化程度加劇, 導致土壤中微塑料豐度增加, 土壤潛在污染加重。由于耕作的影響, 微塑料在土壤中的分布并不均勻, 如上海城郊淺表層(0～3 cm)和深表層(3～6 cm)土壤中, 發(fā)現(xiàn)粒徑為0.02～5.00 mm的微塑料豐度達78.0和62.5個·kg; 哈爾濱市周邊典型黑土覆膜耕地表層土壤中豐度均值達89個·kg, 部分下層土壤含量達400個·kg, 工業(yè)區(qū)則主要體現(xiàn)在表層土壤, 蔬菜區(qū)是由于廢水灌溉和地表徑流使微塑料向土壤深層移動聚集。而在本研究中, 蔬菜地表層土壤中最大檢測值達1.8×10個·kg, 部分下層土壤中含量達900個·kg,這可能是由于灌溉使部分微塑料隨水分入滲遷移到30 cm以下土層, 而旱作區(qū)土壤水分不足且頻繁干濕交替致使微塑料移動性較差, 或許也與土壤類型、耕作措施等有關(guān), 但目前這些尚缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)和文獻佐證, 亟待后續(xù)深入研究。

耕作方式可能影響土壤中微塑料的積累, 研究發(fā)現(xiàn)蔬菜種植區(qū)中輪作地(紅薯、馬鈴薯、辣椒)微塑料數(shù)量明顯高于其他樣點, 這可能是由于每種作物收獲之后會對土地經(jīng)過翻耕, 并在大量廢水灌溉過程中使殘膜進入土壤, 冬季可能加速了殘膜的風化和老化, 這些都可能導致S1-2中的微塑料豐度高于其他樣點。程萬莉等研究發(fā)現(xiàn): 大殘片逐漸向小殘片轉(zhuǎn)化, 甚至轉(zhuǎn)化為微塑料留在土壤較深層(10～30 cm), 而本研究關(guān)中地區(qū)土壤中主要為0.25～2 cm的小殘片(52%以上), 且在檢出微塑料的樣點中隨著土層深度增加微塑料占比增加, 這與上述研究結(jié)果一致。此外, 隨著覆膜年限增加, 殘片向微塑料轉(zhuǎn)化得越多, 且與大殘片相比, 微塑料進入生物體的能力更強, 將威脅土壤動物和植物的正常生長。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), 塑料殘留及微塑料累積與不同覆膜作物之間沒有顯著相關(guān)性, 這可能與塑料殘片及微塑料遷移的特征有關(guān), 也可能與耕作深度、耕作頻次、侵蝕沉積和土壤動物運動等密切相關(guān)。因此,后續(xù)應該進一步對塑料殘留破碎化過程以及微塑料在土壤中遷移轉(zhuǎn)化特征及其可能產(chǎn)生的生態(tài)風險進行研究, 為關(guān)中適宜地膜覆蓋區(qū)域土壤殘膜管理措施制定提供依據(jù)。

4 結(jié)論

通過研究關(guān)中農(nóng)田土壤中塑料碎片和微塑料殘留及其累積特征, 探討農(nóng)膜及大棚使用對土壤中(微)塑料累積特征的影響, 具體結(jié)果及結(jié)論如下:

1)研究區(qū)域塑料殘片顏色主要有紅色、黑色、白色、藍色等, 其中蔬菜地以白色農(nóng)膜殘片為主, 而大棚區(qū)主要以黑色培養(yǎng)缽殘片為主; 不同土層中, 塑料殘片集中在表層(0～10 cm)土壤中, 并隨著土層深度的增加而減少, 且殘片個數(shù)隨著殘片面積的增大而減小, 中等殘片和小殘片占據(jù)大部分, 大殘片殘留越來越少。在蔬菜地, 中等殘片(2～10 cm、10～25 cm)最多, 約占總量的50.2%; 小殘片(0.25～2 cm)次之,約占37.8%; 大殘片(＞25 cm)最少, 約占12%; 在大棚區(qū), 小殘片(0.25～2 cm)最多, 約占總量的67.5%; 大殘片(＞25 cm)最少, 僅占1.6%; 殘片含量隨土層深度增加而顯著減小(＜0.05), 0～10 cm土壤中殘片含量蔬菜地平均為26.2 μg·g, 大棚區(qū)平均為34.9 μg·g;而20～30 cm土層中蔬菜地與大棚區(qū)殘片含量最小,分別為2.48 μg·g和4.79 μg·g。

2)土壤中微塑料檢出率平均為31.7%, 微塑料最大檢測量均在表層0～10 cm土壤中檢出。在蔬菜地,微塑料檢出率為23.9%, 微塑料檢測量為100～1.8×10個·kg, 其中最大檢測量在種植輪作地(紅薯、馬鈴薯、辣椒) 0～10 cm土層中; 在大棚區(qū), 微塑料檢出率為39.5%, 微塑料檢測量為100～500個·kg, 其中最大檢測量在中小灌木苗圃(金葉榆、芍藥) 0～10 cm土層中。

綜上所述, 農(nóng)膜及塑料大棚長期使用導致土壤中塑料殘片和微塑料殘留量不斷增加, 耕作和灌溉等農(nóng)業(yè)措施對于塑料的破碎和遷移也起著關(guān)鍵作用,特別是深層土壤中微塑料豐度的增加及累積, 不僅對土壤性質(zhì)及其質(zhì)量產(chǎn)生影響, 還會影響作物生長及產(chǎn)量。因此, 后續(xù)還應進一步對塑料殘留碎片化過程及微塑料在土體內(nèi)遷移和累積風險進行研究,以期為全面評估關(guān)中農(nóng)田塑料污染提供依據(jù)。