我國農田土壤微塑料和重金屬污染現狀與研究展望

仲子文 李冰 李彥 李德偉 劉延美 顏曉 劉賓緒 劉兆東 王艷芹 孫斌 薄錄吉

摘要：土壤是人類社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，健康的農田土壤不僅是食品安全的基本要求，也是人類健康的根本保障。目前關于農田土壤中微塑料的研究尚處于起步階段，由于缺乏統(tǒng)一的檢測標準，關于農田土壤微塑料豐度的報道差異較大。我國農田土壤重金屬含量總體上呈現明顯的南高北低、西高東低的分布規(guī)律，與微塑料污染有一定的耦合關系。微塑料對重金屬的吸附可使其產生富集效應，可能增加其生物有效性和毒性。重金屬被吸附后可隨著微塑料進行遷移轉化，通過解吸作用向環(huán)境中釋放，造成更大范圍的污染。由于農田土壤受人類活動影響較大，微塑料和重金屬在土壤中的遷移、轉化規(guī)律及耦合后的毒性效應需要進一步探究。本文對我國農田土壤中微塑料和重金屬的污染現狀、分布和遷移規(guī)律及兩者的作用關系進行綜述，并對未來的研究方向做了展望，為農田土壤中微塑料和重金屬污染防控提供一定參考。

關鍵詞：農田土壤；微塑料；重金屬；污染防控

中圖分類號：S154.4；X53 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2023）02-0165-08

土壤是人類社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，它不僅關系到食品安全，同時也對生態(tài)安全、經濟發(fā)展等具有重要影響。我國是世界人口大國，在嚴守耕地保護紅線不動搖的前提下，保障我國農田土壤質量安全具有十分重要的意義。有研究表明，微塑料已廣泛存在于世界各地的農田土壤，土壤微塑料污染問題已被列為環(huán)境與生態(tài)領域的第二大科學問題。微塑料是一種直徑小于5 mm的塑料微粒，具有比表面積大、吸附能力強等特性，其本身不僅是一種新型環(huán)境污染物，同時也是造成土壤污染的重要載體。此外，我國土壤重金屬污染問題也同樣突出，《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質量堪憂。我國每年因重金屬污染而減產糧食達1 000多萬噸，被重金屬污染的糧食每年多達1 200萬噸，合計經濟損失200億元以上。近年來，微塑料與重金屬的復合污染問題也日益凸顯，增加了土壤污染防控的難度。

本文以“土壤：微塑料”和“土壤：重金屬”為主題詞，在中國知網（CNKI）和Science Direct數據庫進行檢索和分析，由于Thompson等在2004年首次提出微塑料概念，所選文獻跨度為2004年1月1日-2022年12月31日（圖1），之前的研究大多集中在水環(huán)境中的微塑料污染，直到2014年各國科學家才陸續(xù)開展對土壤中微塑料污染的研究。土壤中的重金屬一直以來都是研究的熱點，兩者自2015年以來的研究勢頭發(fā)展迅速。

相較于水體和大氣污染，土壤污染具有一定的隱蔽性、滯后性、積累性和不可逆性。因此，農田土壤中重金屬和微塑料的污染現狀研究對于后續(xù)制定防控策略具有重要意義。本文在前人研究基礎上，系統(tǒng)總結我國農田土壤中微塑料和重金屬的污染現狀、遷移轉化規(guī)律及兩者相互作用，并對未來研究方向進行展望。

1農田土壤微塑料和重金屬污染現狀

1.1農田土壤微塑料污染現狀

目前農田土壤微塑料研究仍處于起步階段，資料相對有限?？傮w而言，我國農田土壤中微塑料豐度總體上呈現出不均衡、區(qū)域性強等特點（表1）：上海郊區(qū)、長江下游流域、哈爾濱市以及杭州灣沿海平原的農田土壤中微塑料污染狀況較輕，陜西省寶雞市及農業(yè)區(qū)、山西省汾河沿岸、山東省壽光市以及武漢市的農田土壤微塑料污染較重，這可能與人為農業(yè)活動有關。研究表明，農用地膜、有機肥和污泥的使用及農田灌溉對農田土壤中微塑料的產生具有重要影響。微塑料的組成也表現出不同差異，大多數微塑料以聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）等聚合物形態(tài)為主，微塑料的形狀主要以碎片、纖維和薄膜為主，少量顆粒和泡沫。

1.2農田土壤重金屬污染現狀

在參考陳文軒等收集的2002-2019年間我國農田土壤中7種重金屬含量數據的基礎上，以張小敏等總結的農田土壤中5種重金屬含量數據作為補充，對我國農田土壤中重金屬的分布特征進行了系統(tǒng)總結。發(fā)現重金屬含量較高的農田土壤主要集中在云南、貴州、湖南、四川、福建等省以及重慶市，7種重金屬總量最高可達256.47mg/kg；相比之下黑龍江、內蒙古和江蘇等地的農田土壤中重金屬含量相對較少。我國農田土壤中重金屬含量總體上呈現出南高北低、西高東低的規(guī)律，這與《全國土壤污染狀況調查公報》中公布的結果吻合。

通過對現有農田土壤重金屬數據與我國《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB15618-2018）進行對比后發(fā)現（表2），我國農田土壤中重金屬Cr的含量不超過80 mg/kg（圖2a），遠低于GB 15618-2018中農用地土壤污染風險篩選值（SRS，150 mg/kg），潛在生態(tài)風險低；有6個省份的農田土壤中Cd含量超過SRS值（圖2b），潛在生態(tài)風險較高，需進行關注；土壤中重金屬Pb的含量不超過55 mg／kg（圖2e），低于SRS值（70 mg/kg），潛在生態(tài)風險較低；土壤中重金屬Cu、Zn、As、Hg的含量均不超過SRS值（圖2d、e、f、g），潛在生態(tài)風險低?？傮w來看，在目前調查的7種重金屬中，有6種重金屬（Cr、Pb、Cu、Zn、As、Hg）的含量均低于SRS值，表明這幾種重金屬發(fā)生潛在生態(tài)風險的可能性均較低（除部分土壤過量富集外），而在部分農田土壤中Cd含量有所超標，可能存在潛在的生態(tài)風險，需要持續(xù)關注。

2農田土壤中微塑料和重金屬的分布和遷移

2.1微塑料在農田土壤中的分布和遷移

由于受農用地膜、灌溉水、大氣沉降、有機肥施用等因素的影響，表層土壤中的微塑料豐度往往高于深層土壤。加之微塑料的生物降解性差，可在土壤中長期存在，并隨著一系列的農業(yè)活動、土壤動物移動等方式在土壤中發(fā)生遷移。Yu等發(fā)現壽光市設施農田土壤微塑料含量隨著土層深度的增加而減少，但直徑小于1 mm的微塑料在10-25 cm土層中的含量高于0-10cm土層，這可能是由于長期耕作導致微塑料顆粒向下遷移的結果。微塑料在土壤中的遷移轉化與其粒徑大小有直接關系。有研究表明微塑料的粒徑大小與其在土壤中的滲透深度呈負相關關系，特別是在沙土中規(guī)律更為明顯。干濕循環(huán)可促進微塑料在土壤中的垂直遷移，并且其遷移深度與干濕循環(huán)的次數有顯著相關性，而滲透液體積和表面微塑料豐度對其滲透的影響不明顯。

微塑料體積小、表面積大，很容易被各種土壤生物（主要是蚯蚓和跳蟲）攜帶轉移，促進其在土壤中的垂直移動。有研究表明，蚯蚓和蚊子幼蟲可以吞食微塑料，微塑料會在蚯蚓糞中產生富集，并且會在動物體內長時間存在。蚯蚓洞還可能成為微塑料垂直遷移的重要通道。土壤中的螨蟲和彈尾蟲的刮擦和咀嚼等行為可能導致微塑料重分布。另外，植物的根系伸展也可能影響土壤中微塑料的遷移。Li等發(fā)現玉米根部的生長可能導致土壤中的微塑料顆粒向上移動，而黑麥草則對其有一定的保持作用，這可能是由于盆栽試驗中植物的根系比在自然條件下分布更密集。也有學者認為植物根系生長過程中一方面可以吸附攜帶微塑料移動，另一方面會為微塑料的遷移創(chuàng)造移動通道，使其往深層土壤遷移。

在農田土壤中，除了動植物影響微塑料在土壤中的遷移外，更應關注的是微塑料向植物體內的遷移轉化。已有研究表明，微米級的微塑料可以被植物根部分泌的粘液截留吸附，但無法滲透表皮組織進入根細胞內，而亞微米級和納米級的微塑料可以通過根系進入植物體，并運移到達植物的地上部分。有學者提出，直徑與植物細胞壁孔（5～50 nm）相近的微塑料顆粒更容易被吸附和進入植物體內，但目前有關這方面的研究較少。因此關于農田土壤中微塑料向植物體內遷移及其可能產生的生理毒性有待進一步深入研究。

2.2重金屬在農田土壤中的分布和遷移

重金屬在土壤中的遷移主要包括水平方向和垂直方向，在遷移過程中還可能存在自身價態(tài)的變化等。我國農田土壤中重金屬污染分布特征研究主要集中在表層土壤，而田間狀態(tài)下的重金屬垂直分布特征研究較少，但部分農作物，如玉米，其根系主要分布在0～50 cm土層中，但其根系長度可達60-80 cm，最高可達Im左右。因此，開展農田土壤重金屬垂直分布特征研究同樣重要。李沅蔚等研究發(fā)現黃河三角洲油田區(qū)0-50cm土層深度的農田土壤中重金屬沒有明顯的垂直分布規(guī)律，但不同點位、不同污染物的污染狀況各有特點。楊程程等研究發(fā)現遼河三角洲土壤中重金屬元素在0-60 cm土層的濕地土壤中具有不同的規(guī)律，Cd含量隨土層深度的增加先升高后降低，40-60 cm土層中含量最高，Cr和Zn表現出相反的規(guī)律，Pb含量隨土層深度增加而降低，Cu無明顯變化規(guī)律。屈吉鴻等發(fā)現鉛鋅產業(yè)區(qū)0-180 cm土層中Cd、As、Pb含量隨土壤深度增加而減少，其他元素無明顯變化規(guī)律。另外，0-20 cm土層中重金屬元素的超標率最高，這表明工廠的存在對土壤重金屬的含量和蓄積有一定的影響。

在土壤重金屬的遷移轉化方面，李曉曉等借助Citespace平臺發(fā)現土壤中遷移轉化的重金屬主要集中于Cr、Cu、Pb、Zn和As。上官宇先等發(fā)現土壤中的重金屬元素在自然淋溶狀態(tài)下會發(fā)生垂直方向上的遷移轉化，并且在不同類型土壤中遷移速率表現出不同特征，重金屬的碳酸鹽結合態(tài)和離子交換態(tài)等經過長時間淋溶后仍然具有較高的比例，這表明重金屬在土壤中的生物有效性不會隨著位置的遷移發(fā)生大的轉變。此外，還需要關注重金屬在土壤垂直方向上的遷移存在造成地下水和深層土壤污染的潛在風險。Yang等發(fā)現As、Cd和Pb可在污水灌溉區(qū)土壤發(fā)生垂直方向上的遷移，并導致深層土壤具有較高的生態(tài)風險，造成地下水污染：該研究還表明，由于該區(qū)域曾長期使用污水灌溉，雖然已經停止10年，但土壤中的重金屬殘留仍然可以造成小麥籽粒中重金屬含量超標。這表明土壤中的重金屬不僅可以在土壤中進行水平和垂直方向上的遷移，還可能被吸收利用向植物體內遷移。

盡管對土壤重金屬的遷移轉化已經做了大量研究，但其在土壤中遷移轉化機理的研究應繼續(xù)開展，而且要關注已經遷移到深層土壤中的重金屬元素形態(tài)和環(huán)境行為，探尋修復或阻隔措施，避免由于重金屬遷移而造成地下水污染。另外，要以降低重金屬在土壤中的生物有效性為目的，深入探究土壤重金屬的形態(tài)轉化機理，減少農作物對重金屬元素的吸收。

3微塑料與重金屬的相互作用

由于微塑料具有較大的比表面積、疏水性、表面官能團等，因此微塑料被認為是環(huán)境中有機污染物、重金屬、抗生素等物質的載體，且這些物質可在微塑料上富集。微塑料的物理形態(tài)（如表面積、粒徑等）和豐度、重金屬離子的形態(tài)和濃度等都可能是影響吸附量的因素。Gao等通過模擬海水環(huán)境，探究了聚氯乙烯（PVC）、PP、PE、聚酰胺（PA）和聚甲醛（POM）等微塑料材料在海水環(huán)境中對Pb、Cu、Cd的吸附特征，結果表明PVC和PP塑料微粒對重金屬的吸附率最高。吸附在微塑料上的重金屬還有可能通過解吸作用再次釋放到周圍環(huán)境中，一定程度上微塑料可被認為是重金屬的“匯”和“源”。

長期使用地膜的土壤中微塑料的豐度往往高于其他農田土壤，更容易對重金屬元素產生富集作用。Li等發(fā)現PE微塑料薄膜對重金屬Cu和Ni的吸附顯著增加土壤中兩種重金屬元素的生物有效性和毒性。Zhou等從土壤中的微塑料顆粒中提取出不同含量的Cu、Cd、Pb等重金屬元素，證明了微塑料對重金屬的吸附特性。

老化微塑料顯著增加對重金屬等污染物的吸附。Mao等研究了Ps在不同條件（空氣、純水和海水）下的紫外輻照老化機理以及老化對重金屬吸附的影響，結果表明老化可顯著增加微塑料對重金屬的吸附，Ps在紫外光照射下具有不同的特性，其中以在空氣中老化最為明顯，順序為紫外空氣>紫外海水>紫外純水。A曲ilinas-rollahabadi等發(fā)現風化可通過改變微塑料的表面形態(tài)來增加其對重金屬的吸附量，并且在雨水沖洗作用下，微塑料又可釋放出先前吸附的重金屬離子。Gao等發(fā)現經過海水老化后的Ps和PVC可增加對重金屬的吸附。

除此之外，溶液pH值、溫度、鹽度、溶解性有機質、顆粒物等也影響微塑料對重金屬的吸附。一般來說，在pH值<7的條件下，微塑料對重金屬的吸附量隨著pH值的增大而增加，而鹽度和pH值對微塑料吸附Cu離子無影響。溶液溫度對微塑料吸附重金屬的影響存在爭議，理論上取決于微塑料聚合物類型和目標污染物。溶解性有機質對微塑料吸附重金屬的影響相當復雜，可能與微塑料的類型、溶解性有機質的性質以及目標污染物有關。自然環(huán)境中顆粒物對微塑料吸附行為的影響尚不清楚。目前，關于微塑料與重金屬的互作研究主要基于水環(huán)境條件，由于土壤環(huán)境更為復雜，因此微塑料的吸附行為可能與在水中的吸附行為大不相同，需要進一步探究。

4問題與未來研究展望

土壤污染具有隱蔽性、累積性、滯后性和難治理等特點，這決定了土壤污染防治的艱巨性、復雜性和長期性。在農田土壤微塑料污染和治理方面，目前的研究主要集中在土壤微塑料的形態(tài)、來源、積累過程及毒性效應等方面。但相關研究并不充分：如土壤中微塑料的調查和檢測缺乏統(tǒng)一標準，土壤中不同來源的微塑料貢獻率不清楚等，且大多研究處在初步探索階段，內容相對分散、缺乏系統(tǒng)性思考，還有土壤微塑料污染防控技術和模式欠缺、宏觀決策體系空白。在農田土壤重金屬污染和治理方面，我國雖然發(fā)布了《全國土壤污染狀況調查公報》，也探索建立了一些科學的修復技術模式和措施，但仍存在農田土壤重金屬污染底數不清及修復技術實用性差等問題。在土壤微塑料和重金屬復合污染方面，土壤中微塑料與重金屬間的作用機理尚不清晰，土壤中微塑料與重金屬結合后的遷移轉化機制、生態(tài)風險和人體健康風險尚不完全明確?；诖?，未來需要開展如下研究：

（1）建立統(tǒng)一、規(guī)范的土壤微塑料采樣和分析方法。制定統(tǒng)一的采樣和分析方法是農田土壤微塑料研究的基礎，有利于更好地開展技術合作與交流。

（2）加強農田土壤中微塑料的溯源研究。明確農田土壤中微塑料的來源和貢獻，才能更好地從源頭上防控微塑料污染。

（3）加強農田土壤中微塑料和重金屬的遷移轉化規(guī)律研究。明確農田土壤中微塑料和重金屬的遷移轉化規(guī)律，能更好地預測微塑料和重金屬等污染物在土壤的歸趨，為土壤污染防控技術研發(fā)提供理論支撐。

（4）加強農田土壤中微塑料和重金屬的生態(tài)毒性效應和潛在生態(tài)風險研究。闡明土壤中微塑料與重金屬的相互作用機制，明確土壤中微塑料與重金屬結合后生態(tài)風險和人體健康風險，為政府制定農田土壤污染防控政策提供參考。

（5）加快制訂農田土壤微塑料和重金屬污染防治發(fā)展規(guī)劃。要以健康土壤培育為目標，構建土壤微塑料和重金屬污染防治體系，防治結合，消除微塑料和重金屬對農產品與食品安全的威脅。