1994—2020年中國農(nóng)用薄膜使用量變化與農(nóng)膜微塑料污染現(xiàn)狀分析

劉明宇，鄭旭，強(qiáng)麗媛，李魯華，張若宇*，王家平*

1. 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；3. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；4. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000

塑料是由石油和天然氣等非可再生資源制成，在元素層面上主要是碳和氫，在其生命周期的每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放（FAO，2021）。據(jù)預(yù)測，1950—2050 年期間，全球累計(jì)塑料產(chǎn)量將達(dá)到340 億噸（UNEP，2021），對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大壓力。大塊塑料經(jīng)紫外線照射、碰撞磨損或工業(yè)生產(chǎn)等方式，形成粒徑小于5 mm 的固體顆粒被稱為微塑料，根據(jù)微塑料粒徑差異，可分為大微塑料（3—5 mm）、中微塑料（1—3 mm）和小微塑料（＜1 mm）（戚瑞敏，2021）。長期存在于土壤中的微塑料可進(jìn)一步分解形成納米塑料（＜1 μm），一定環(huán)境條件下，單個(gè)微塑料顆?？善扑槌?014個(gè)的納米塑料（Shen et al.，2019）。以微塑料污染為主題的科研活動(dòng)首先聚焦在水生生態(tài)系統(tǒng)開展，因其小尺寸、吸附性和持久性致使極易被水生生物攝食，且在食物鏈中積累，從而受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。農(nóng)用薄膜簡稱農(nóng)膜，主要是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地膜、棚膜和其他農(nóng)用專業(yè)膜。塑料制品大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，同時(shí)也導(dǎo)致農(nóng)田土壤面臨嚴(yán)重塑料污染，研究發(fā)現(xiàn)在陸地生態(tài)系統(tǒng)尤其是農(nóng)田土壤中微塑料含量較高（徐湘博等，2021），對(duì)土壤健康和生態(tài)環(huán)境存在的潛在威脅引起了人們的廣泛關(guān)注。中國是亞洲最大的農(nóng)業(yè)塑料生產(chǎn)國和使用國，年消費(fèi)量約為520 萬噸，其中包括300 萬噸薄膜（FAO，2021）。因此，探明中國農(nóng)用薄膜使用量的時(shí)空變化情況及微塑料污染現(xiàn)狀，對(duì)于評(píng)估農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)健康狀況至關(guān)重要。

1 中國農(nóng)用薄膜1994—2020年利用現(xiàn)狀及分布

1.1 農(nóng)用薄膜近30年使用量變化

中國農(nóng)用薄膜使用量自上世紀(jì)七十年代以來持續(xù)擴(kuò)大，從1994 年的88.7 萬噸增長到2020 年的239 萬噸，增長近3 倍，年均增長率為6.51%，覆膜對(duì)提高中國農(nóng)作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)巨大，持續(xù)快速的增長態(tài)勢(shì)使中國已成為亞洲地區(qū)農(nóng)用薄膜使用量最大的國家?？傮w而言，中國農(nóng)用薄膜使用量在2015年到達(dá)峰值，達(dá)到260 萬噸。之后逐漸下降，這可能與國家相關(guān)文件和政策陸續(xù)出臺(tái)有關(guān)。農(nóng)用薄膜的使用主要以地膜為主，可達(dá)其總量的50.0%以上。地膜使用量持續(xù)上升的趨勢(shì)在2016 年后得到相對(duì)控制，2020 年中國地膜使用量為136 萬噸，較2016年降低了11.3 萬噸。同期，棚膜及其他塑料薄膜使用量也呈小幅度降低（圖1）。目前，地膜作為繼種子、化肥、農(nóng)藥后的第四大農(nóng)資產(chǎn)品應(yīng)用廣泛（嚴(yán)昌榮，2019），在使用區(qū)域上，從東北冷涼區(qū)、西北干旱半干旱地區(qū)擴(kuò)展到西南高寒地區(qū)、東南沿海等全國大部分地區(qū)。在應(yīng)用作物上，從蔬菜、水果等經(jīng)濟(jì)作物擴(kuò)展到棉花、玉米、花生等大宗糧棉油作物（湯秋香等，2016）。隨著2021 年《“十四五”塑料污染治理行動(dòng)方案》印發(fā)，明確了地膜的最小厚度下限（0.010 mm）。地膜厚度的提高可能使得中國地膜用量將小幅度增加，但其更易保持完整性增加殘膜回收率，減少田間殘留，持續(xù)在糧食生產(chǎn)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

圖1 1994—2020年中國農(nóng)用薄膜、地膜和棚膜使用量變化Figure 1 Changes in the usage of agricultural film,plastic film, and greenhouse film in China from 1994 to 2020

1.2 近30年各省市地膜使用量變化及分布

地膜覆蓋顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，在中國得到廣泛應(yīng)用。1997—2020 年間各省市統(tǒng)計(jì)表明，新疆、山東和甘肅是農(nóng)用地膜的使用大?。▍^(qū)），約占全國地膜使用總量的三分之一（圖2）。1997 年是中國“農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣年”，由于農(nóng)作物良種、地膜覆蓋種植玉米和科學(xué)施肥等主要技術(shù)的推廣，各地區(qū)地膜使用量連年增加。其中，山東地膜使用量為7.50 萬噸，主要應(yīng)用于蔬菜栽培、棉花、花生和糧食作物種植。新疆地膜使用量為7.32 萬噸，主要應(yīng)用于棉花種植，且新疆棉區(qū)種植面積持續(xù)擴(kuò)大。甘肅為4.40 萬噸，主要應(yīng)用于蔬菜栽培和小麥、玉米種植。至2013 年，地膜覆蓋技術(shù)在各省市得到廣泛應(yīng)用，地膜使用量大幅度提高，用單位播種面積的地膜使用量來表示各省市的地膜使用強(qiáng)度（圖3），除黑龍江地膜使用強(qiáng)度有所下降，其余均較1997年不同程度的增加1.40—127 倍。中國糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了新中國成立以來首次連續(xù)十年增產(chǎn)，總量供應(yīng)充足。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整受政策因素的影響逐漸減小，受需求和資源約束的程度逐步加深，生產(chǎn)資本替代勞動(dòng)的進(jìn)程不斷加快。2014 年中央“一號(hào)文件”明確提出了“中國特色新型農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路”政策目標(biāo)，糧食生產(chǎn)的重心逐漸向北移動(dòng)，經(jīng)濟(jì)作物表現(xiàn)為集中式轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散式轉(zhuǎn)移兩大特征。就棉花生產(chǎn)而言，逐漸從東部、中部地區(qū)退出，向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移，蔬菜、果園、茶園在原有基礎(chǔ)上表現(xiàn)出明顯的擴(kuò)張趨勢(shì)，新疆逐漸成為新的瓜果優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)區(qū)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式與種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整過程中，2020年，新疆地區(qū)耕地面積的增加導(dǎo)致農(nóng)用地膜使用量持續(xù)上升，使用量達(dá)23.9 萬噸，使用強(qiáng)度為38.0 kg·hm-2，超過山東位居全國首位，甘肅次之，使用量和使用強(qiáng)度分別為11.3 萬噸和28.7 kg·hm-2。因此西北干旱綠洲區(qū)尤其是新疆、甘肅地區(qū)更應(yīng)該重視對(duì)農(nóng)用地膜的管理與殘膜的污染治理。

圖2 1994—2020年不同省份地膜施用量及分布Figure 2 Application amount and distribution of plastic film in different provinces from 1994 to 2020

圖3 1997、2013和2020年中國各省地膜使用強(qiáng)度及2020年播種面積情況Figure 3 Intensity of Plastic Film Use and Sowing Area in Various Provinces of China in 1997, 2013, and 2020

1.3 農(nóng)用薄膜的殘留情況

中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所使用的農(nóng)用薄膜主要是指地膜和棚膜，對(duì)于農(nóng)田土壤微塑料貢獻(xiàn)強(qiáng)度主要取決于其投入使用量、農(nóng)膜厚度等特性和殘留狀況。從長遠(yuǎn)看，農(nóng)用薄膜的大規(guī)模應(yīng)用和低回收率將導(dǎo)致農(nóng)田土壤中殘膜塑料在農(nóng)田中大量積累，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國農(nóng)田地膜殘留量約占總使用量的1/3—1/4，耕作層土壤平均殘留量為60.0 kg·hm-2（梁榮慶等，2019）。以2017 年為例，中國地膜的使用量是明顯高于棚膜的（表1）。從地膜使用特征來看，北方旱田高于南方水田，糧食作物高于經(jīng)濟(jì)作物，厚度較薄，壽命周期短，而棚膜多應(yīng)用于集約農(nóng)區(qū)，棚膜厚度和壽命周期較地膜大幅度增加（李文婷等，2022）。地膜使用基數(shù)大且應(yīng)用廣泛，加之本身厚度較薄易老化，回收更加困難，這就使得地膜所產(chǎn)生面源污染范圍遠(yuǎn)高于棚膜。

表1 中國農(nóng)用薄膜使用規(guī)格及壽命基本情況Table 1 Basic information on the usage specifications and lifespan of agricultural films in China

地膜應(yīng)用區(qū)域的廣泛性決定了殘膜污染區(qū)的延展性（王亮，2017），據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，甘肅地區(qū)覆膜15 年農(nóng)田殘留量為137 kg·hm-2（嚴(yán)昌榮等，2014），新疆地區(qū)覆膜農(nóng)田平均達(dá)206 kg·hm-2（胡燦等，2019），對(duì)比《農(nóng)田地膜殘留量限值及測定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 25413—2010）中農(nóng)田地膜殘留量限值為75.0 kg·hm-2（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2010），其殘留量遠(yuǎn)高于該限值標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)田殘膜污染嚴(yán)重。殘膜塑料進(jìn)一步破碎成為微塑料，微塑料豐度與農(nóng)膜殘留量呈正相關(guān)，隨著覆膜年限的增加而增多。在連續(xù)覆蓋地膜5、15和24 年的農(nóng)田中，微塑料豐度分別為80.3、3.08×102和1.08×103ind·kg-1（Huang et al.，2020），地膜覆蓋顯著加劇了土壤中微塑料的豐度，這與張宇愷等人的研究結(jié)果一致（Li et al.，2022；張宇愷，2021）。陜西關(guān)中農(nóng)田土壤中研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)膜覆蓋蔬菜地與大棚苗圃種植區(qū)含量平均分別為26.2、34.9 μg·g-1（陳榮龍等，2022）。而劉亞菲研究表明，不同設(shè)施栽培時(shí)間條件下的農(nóng)田土壤中微塑料含量較低，約占微塑料總量的5.00%，可能與污水灌溉有關(guān)（劉亞菲，2018）。在中國設(shè)施溫室大棚使用過程中，地膜覆蓋種植作為常用的措施，土壤微塑料來源相對(duì)復(fù)雜，研究相對(duì)較少。

2 中國農(nóng)用薄膜微塑料污染現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)用薄膜微塑料賦存特征

微塑料在土壤中的賦存受氣候與灌溉條件、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和利用類型等綜合因素影響，土壤微塑料在不同的背景下的賦存特征變化明顯（王亮，2017；Ding et al.，2020）。截至目前，土壤微塑料污染研究報(bào)道數(shù)量仍不足海洋微塑料的1/3，研究發(fā)現(xiàn)土壤中微塑料污染豐度可能是海洋中的4.00—23.0 倍（楊揚(yáng)等，2021）。表2 總結(jié)了部分農(nóng)田土壤的微塑料研究概況，可以看出，中國農(nóng)田土壤中微塑料是普遍存在的，且地區(qū)之間呈現(xiàn)顯著的豐度差異性。整體而言，西北長期種植區(qū)及華北、華東和西南集約農(nóng)區(qū)是中國微塑料污染較嚴(yán)重區(qū)域，最高可達(dá)4.83×104ind·kg-1，遠(yuǎn)高于中國其他地區(qū)。

表2 中國表層農(nóng)田土壤中微塑料賦存特征Table 2 Distribution characteristics of microplastics in surface farmland soil in China

不同種植條件下農(nóng)田土壤中微塑料豐度存在明顯區(qū)別，總體上，設(shè)施種植＞常規(guī)覆膜＞未覆膜。中國設(shè)施種植以溫室和塑料大棚為主，覆蓋材料中聚烯烴達(dá)98%，同時(shí)部分也進(jìn)行地膜覆蓋，推測可能是設(shè)施種植條件下種植茬次和多層覆蓋使得塑料殘留加大造成的。其中，青藏高原南部地區(qū)（馮三三等，2021）調(diào)查結(jié)果有所不同，其常規(guī)覆膜地塊微塑料豐度高于設(shè)施種植地塊，這可能是由于該地區(qū)紫外光照較強(qiáng)，加速了地膜的破碎化使得其豐度更高。同時(shí)，在陜西寶雞（宋佃星等，2021）和新疆石河子（Huang et al.，2020）研究表明，隨覆膜時(shí)間增加顆粒變小、豐度增加，土壤微塑料污染加劇。此外，在不同土層微塑料豐度分布來看，須根系作物玉米和獼猴桃在0—10 cm 最高，而直根系作物辣椒在10—20 cm 最高，推測與作物莖、根系生長范圍及殘茬滯留、農(nóng)藝翻耕和灌溉等農(nóng)業(yè)活動(dòng)密切相關(guān)。

在常規(guī)覆膜農(nóng)田土壤中，聚乙烯占據(jù)主導(dǎo)，這與長期覆蓋聚乙烯地膜有關(guān)，殘留地膜的進(jìn)一步降解或碎片化是其主要來源。而溫室大棚種植條件下土壤微塑料以聚乙烯和聚丙烯為主，且聚丙烯和聚苯乙烯顯著高于常規(guī)覆膜，主要原因是兩者均廣泛應(yīng)用于設(shè)施溫室或大棚，而常規(guī)覆膜農(nóng)田較少使用。同時(shí)，農(nóng)田土壤中微塑料的形狀也有所差異，多以薄膜狀、碎片狀及纖維類為主。薄膜狀主要為聚乙烯，碎片狀以聚丙烯和聚乙烯為主，纖維類以聚酰胺為主（費(fèi)禹凡等，2021；時(shí)馨竹等，2021），表明微塑料主要來源于塑料棚膜或者地膜、塑料包裝袋等。在杭州灣沿岸（費(fèi)禹凡等，2021）和柴達(dá)木盆地（Zhang et al.，2022a）等農(nóng)田土壤中發(fā)現(xiàn)未覆膜農(nóng)田也有微塑料存在，不同形狀的微塑料可能來自于不同的污染源，形成原因較為復(fù)雜，取決于耕作、污水灌溉和施肥方式等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、地理位置及周邊環(huán)境影響等多種因素的共同作用（費(fèi)禹凡等，2021；徐湘博等，2021）。

2.2 農(nóng)用薄膜微塑料的生成途徑

農(nóng)用薄膜微塑料的生成途徑主要是指殘留農(nóng)膜經(jīng)過風(fēng)化、氧化、老化和破碎等變化導(dǎo)致塑料的表面形態(tài)、形狀、尺寸和其他物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化造成其粒徑減小形成次生微塑料的過程，主要包括自然、農(nóng)業(yè)和生物三大途徑（圖4）。分解過程中，隨著顆粒尺寸的減小，其平均分子量、表面粗糙度和比表面積增加，對(duì)其他污染物的吸附增強(qiáng)，從而對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的潛在風(fēng)險(xiǎn)（Brandon et al.，2016；Xue et al.，2021）。

圖4 農(nóng)田微塑料生成及轉(zhuǎn)移途徑Figure 4 Microplastics formation and transfer pathways in farmland

2.2.1 農(nóng)業(yè)途徑

由于高勞動(dòng)強(qiáng)度和移除成本，部分地膜通常在作物收獲后殘留在田間，翻耕、收割和灌溉等農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)加速了殘留地膜的破碎化，是農(nóng)田土壤中微塑料的重要生成途徑。作物種植和收割導(dǎo)致大塊地膜塑料發(fā)生物理磨損分解成小的塑料碎片，灌溉促進(jìn)其遷移和擴(kuò)散到更深的土層，翻耕又使得土壤中塑料碎片進(jìn)一步破碎化，在自然條件下可長久存留累積從而造成農(nóng)田土壤微塑料污染。此外，地膜生成微塑料的進(jìn)程還與耕作制度和方法有關(guān)。棉花單作種植方式下小尺寸殘膜數(shù)量顯著高于輪作（嚴(yán)昌榮等，2008），高強(qiáng)度機(jī)械耕作使得殘膜更易碎片化且進(jìn)入較深的土層（Meng et al.，2020）。據(jù)估算，在地膜持續(xù)覆蓋后的耕作層土壤中殘膜年累計(jì)率為15.7 kg·hm-2，小的塑料碎片（＜25.0 mg）在覆蓋19 年后可占總數(shù)的65.0%（He et al.，2018）?？梢姡B續(xù)覆蓋不僅造成更高的殘膜累積，還增加了農(nóng)業(yè)耕作的頻次促進(jìn)了殘膜碎片化生成微塑料的進(jìn)程。

2.2.2 自然途徑

地膜生成微塑料的自然途徑主要包括陽光紫外線輻射、雨水和風(fēng)力侵蝕、土壤機(jī)械摩擦等，這些過程是在沒有人為干擾的情況下發(fā)生的，不需要?jiǎng)趧?dòng)力和能量消耗，但需要相對(duì)較長的時(shí)間。風(fēng)力侵蝕使得小尺寸塑料碎片和微塑料從土壤團(tuán)聚體的束縛中脫離，經(jīng)過長距離輸送后逐漸變小甚至富集在懸浮粉塵中，研究表明，覆膜農(nóng)田風(fēng)沙（塵）中微塑料富集率達(dá)0.220%—16.6%（Tian et al.，2022）。建立了陽光紫外線輻射和風(fēng)力侵蝕因素的微塑料模型表明（Ren et al.，2022）：中國農(nóng)業(yè)土壤中微塑料的排放量主要受到風(fēng)力侵蝕和紫外線輻射的影響，風(fēng)力侵蝕約為5.00×104—6.80×104t，紫外線輻射約為6.50×103（2018 年）。其中，山東、新疆和甘肅的農(nóng)業(yè)土壤微塑料排放量較高，西藏最低，其差異與地區(qū)內(nèi)農(nóng)用薄膜使用量有關(guān)。與風(fēng)力侵蝕相比，紫外線輻射對(duì)微塑料衍生的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，也與塑料類型密切相關(guān)。在紫外線高劑量（3.60×103mJ·cm-2）照射下，聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯觀察到明顯的形態(tài)學(xué)改變，而聚乙烯等光惰性塑料變化微?。↙in et al.，2020）。此外，土壤機(jī)械摩擦也進(jìn)一步促進(jìn)了塑料的老化和破碎，這與土壤的機(jī)械組成、酸堿等性質(zhì)有關(guān)（于慶鑫等，2023），具體效應(yīng)還需要進(jìn)一步探究。同時(shí)，微塑料的生成進(jìn)程還會(huì)受到風(fēng)力、濕度、溫度和pH 等環(huán)境條件強(qiáng)度的影響，強(qiáng)風(fēng)、低溫和低pH 使得微塑料更易破碎，高溫會(huì)促進(jìn)微塑料的氧化分解，均可加速微塑料生成的進(jìn)程（Liu et al.，2022；Wang et al.，2022b）。

2.2.3 生物途徑

與農(nóng)業(yè)途徑和自然途徑不同，生物途徑更偏向于將小的塑料碎片和微塑料生成為中小型微塑料甚至是納米塑料。植物根系的伸長生長使得進(jìn)入土壤中的塑料碎片和微塑料進(jìn)一步破碎，節(jié)肢動(dòng)物和蚯蚓等土壤動(dòng)物會(huì)直接從環(huán)境中攝取小型微塑料在消化系統(tǒng)微生物的幫助下分解微塑料，并通過排便使得微塑料在土壤環(huán)境中擴(kuò)散或沿食物鏈轉(zhuǎn)移到其他生物體內(nèi)（Huerta Lwanga et al.，2017）。例如，百只蠟蛾幼蟲可在12 h 內(nèi)導(dǎo)致聚乙烯塑料袋（92.0 mg）的質(zhì)量損失（Bombelli et al.，2017），蜜蜂吞食聚苯乙烯微塑料14 d 后在腸道真菌作用下導(dǎo)致微塑料表面形態(tài)發(fā)生改變（Wang et al.，2021）。目前，已成功分離得到了多種細(xì)菌、霉菌、真菌等微生物，它們與微塑料之間的相互作用主要包括降解、吸附、定殖和攝取等，能夠降解聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯等塑料制品，例如，“Ideonellasakainesis201-F6”是一種能夠降解和同化聚對(duì)苯二甲酸乙二酯的細(xì)菌，在30 ℃下6 周后幾乎完全降解（Yoshida et al.，2016）。孫超岷對(duì)數(shù)百個(gè)與塑料垃圾相關(guān)的樣品進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)了一種能夠有效定植和降解聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和聚乙烯的海洋細(xì)菌群落（Gao et al.，2021），并進(jìn)一步研究提出了一個(gè)完整的聚乙烯生物降解過程（Gao et al.，2022），與光降解和氧降解相比，生物降解更加安全、環(huán)保，有利于增強(qiáng)土壤環(huán)境對(duì)污染的自潔能力（劉鑫蓓等，2022），這為農(nóng)田微塑料污染的原位生物修復(fù)提供了可能。

2.3 農(nóng)田土壤微塑料對(duì)土壤、生物和人體潛在影響

土壤的多孔特性使小顆粒微塑料通過重力沉降和降水滲透發(fā)生遷移（Li et al.，2021），造成土壤微塑料污染及其攜帶的其他污染物的遷移擴(kuò)散。不僅會(huì)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，對(duì)土壤環(huán)境中植物和動(dòng)物造成危害，影響作物生長及糧食產(chǎn)量，還可能通過食物鏈傳遞最終進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人類健康（陳榮龍等，2022）。

2.3.1 對(duì)土壤的影響

微塑料會(huì)影響土壤容重、導(dǎo)水率和有機(jī)碳等理化參數(shù)的變化，影響程度取決于微塑料的豐度和類型。由于顆粒大小不一且密度低于土壤顆粒，微塑料的賦存會(huì)降低土壤的容重（Machado et al.，2019），當(dāng)聚乙烯微塑料（PE-MPs，1 mm）添加量為50.0 g·kg-1時(shí)，土壤濕度顯著下降，降幅達(dá)29.0%—60.1%（周薇，2021）。微塑料還能抑制土壤水分入滲和蒸發(fā)效率（王志超等，2022），改變土壤含水率，進(jìn)而影響作物水分利用效率和產(chǎn)量。此外，殘留微塑料可使可溶性有機(jī)碳和土壤總氮含量分別降低9.00%和7.00%（Zhang et al.，2022b），因元素的形態(tài)以及微塑料的組分和形狀的不同而有所差異。同時(shí)，微塑料引起的土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分的變化直接影響著土壤中微生物群落的健康。

2.3.2 生物影響

微塑料對(duì)土壤微生物群落的豐富度和多樣性的影響因種類而異。在根際土壤中，PE-MPs 僅改變了放線菌門（Actinobacteriota）的細(xì)菌豐度，而聚乳酸（PLA-MPs）還改變了擬桿菌門（Bacteroidota）和綠彎菌門（Chloroflexi）的細(xì)菌豐度（Lian et al.，2022），可能是由于PLA-MPs 較PE-MPs 更易降解，可以誘導(dǎo)土壤細(xì)菌群落發(fā)生更大的變化。PEMPs 和高水平的聚氯乙烯（PVC-MPs）的加入顯著增加了β 變形菌目（Betaproteobacteriales）和假單胞菌目（Pseudomonadales）的相對(duì)豐度，而低水平PVC-MPs 的加入則降低了其相對(duì)豐度（Fei et al.，2020）?？傮w而言，微塑料對(duì)不同種類的微生物群落影響效應(yīng)不同，主要取決于其類型和濃度。

植物可以吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累和轉(zhuǎn)化微塑料顆粒，間接對(duì)農(nóng)田土地生產(chǎn)力和糧食安全產(chǎn)生潛在影響。特定類型、特定尺寸和一定濃度的微塑料不僅會(huì)抑制植物的發(fā)芽，還影響幼苗的株高、分蘗、根長、生物量和結(jié)實(shí)率等（紀(jì)紅等，2021）。例如，低中濃度微塑料抑制了小麥種子的發(fā)芽（連加攀等，2019），聚苯乙烯微球（PS-MPs）可以在生菜根部大量吸收和富集，并遷移和積累在可被直接食用的莖葉之中（李連禎等，2019），聚丙烯微塑料（PPMPs）降低了玉米根系生長（恩特馬克，2021）。極少數(shù)亞微米微塑料和納米塑料還可以通過葉子或根系進(jìn)入到植物的脈管系統(tǒng)，并迅速轉(zhuǎn)移到植物的根、莖、葉甚至果實(shí)（連加攀等，2019），對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的健康風(fēng)險(xiǎn)仍需進(jìn)一步探究。

塑料的攝入會(huì)對(duì)動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生物理損傷、生理變化以及生長、繁殖等多種影響，與大塑料不同，微塑料對(duì)于土壤中動(dòng)物更有可能發(fā)揮慢性致死作用。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，研究發(fā)現(xiàn)PS-MPs 可在線蟲腸道內(nèi)蓄積，導(dǎo)致線蟲存活率、體長和生殖能力下降甚至死亡（Li et al.，2020）。馬志峰（2021）研究也表明PVC-MPs 對(duì)蚯蚓溶酶體膜產(chǎn)生嚴(yán)重毒害作用，引起腸道損傷，且田間老化PE-MPs 的毒性效應(yīng)更高（程亞莉，2021）。蚯蚓作為土壤中重要的棲息生物，有助于改善土壤質(zhì)量，微塑料對(duì)于其的毒害作用有可能會(huì)引起土壤生態(tài)系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)。

2.3.3 人體潛在影響

微塑料會(huì)通過飲水、飲食和呼吸的方式進(jìn)入人體（Liu et al.，2019），與患癌風(fēng)險(xiǎn)、呼吸系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病的增加有關(guān)（Hu et al.，2022；Ragusa et al.，2022）。Cox et al.（2019）評(píng)估了食品、日用品和空氣中的微塑料人均攝入量：海鮮約1.48 ind·g-1，糖約0.440 ind·g-1，蜂蜜約0.100 ind·g-1，鹽約0.110 ind·g-1，瓶裝水約94.4 ind·L-1，自來水約4.23 ind·L-1，空氣約9.80 ind·m-3。最近在人體內(nèi)的微塑料蹤跡研究發(fā)現(xiàn)，最小的顆粒（＜0.1 μm）可能能夠進(jìn)入所有器官，穿過細(xì)胞膜、胎盤和大腦（Vethaak et al.，2021），2019 年9 月和2020 年12月，分別首次在人類糞便和胎盤中發(fā)現(xiàn)了微塑料（Schwabl et al.，2019；Ragusa et al.；2021），2022年3 月，首次在人類血液中發(fā)現(xiàn)了微塑料，平均每毫升血液中有1.60 μg（Leslie et al.，2022）。2022年9 月，首次在人體血栓樣本中發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量和不同類型的微塑料和染料顆粒并提供了血栓中微粒的第一張照片和拉曼光譜證據(jù)，其數(shù)量和血小板水平之間存在顯著的正相關(guān)性（Wu et al.，2022）。通過模型研究建立了人體壽命模型評(píng)估微塑料的暴露風(fēng)險(xiǎn)（Mohamed et al.，2021）：當(dāng)兒童成長到18 歲時(shí)，攝入量預(yù)計(jì)累積到8.32×103個(gè)，成人活到70 歲增加到5.01×104個(gè)。目前，微塑料毒理研究仍停留在體外實(shí)驗(yàn)或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，效應(yīng)主要表現(xiàn)為細(xì)胞毒性、免疫反應(yīng)、氧化應(yīng)激和屏障屬性（Danopoulos et al.，2021），對(duì)于植物體或動(dòng)物體內(nèi)的微塑料是否會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體并累積，微塑料對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)來源及其大小方面的研究仍是匱乏的，有關(guān)暴露和危害的關(guān)鍵數(shù)據(jù)空白阻礙了其健康風(fēng)險(xiǎn)的深入評(píng)估。此外，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）大流行期間口罩和手套的大量使用也加劇了環(huán)境中微塑料的釋放（De-La-Torre et al.，2022），環(huán)境中的懸浮顆粒物作為人體暴露于小粒徑微塑料的重要媒介，可通過呼吸進(jìn)入人體，造成潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于環(huán)境中尤其是城市環(huán)境中微塑料的健康風(fēng)險(xiǎn)也需要進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)查和評(píng)估。同時(shí)，微塑料與大氣顆粒物的相似性也為收集其潛在風(fēng)險(xiǎn)提供了充足的參考。

3 中國農(nóng)用薄膜污染防治現(xiàn)狀

3.1 中國農(nóng)業(yè)“禁/限塑”政策與農(nóng)膜標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展歷程

近年來，農(nóng)田“白色污染”問題日益突出。2012年8 月24 日，國家發(fā)布了《廢塑料加工利用污染防治管理規(guī)定》，規(guī)范了農(nóng)膜等塑料廢棄物的回收利用。2016 年5 月1 日，新疆作為農(nóng)膜使用大省，首先出臺(tái)了農(nóng)業(yè)“禁/限塑”政策：《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)田地膜管理?xiàng)l例》，設(shè)定了地膜的厚度下限，全面禁止超薄農(nóng)用地膜的使用。農(nóng)田“白色污染”屬于面源污染，防治工作涉及到耕地土壤、農(nóng)膜生產(chǎn)技術(shù)、覆膜栽培工藝、回收機(jī)具和處理利用方式等多方面。隨后，國家出臺(tái)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《農(nóng)膜回收行動(dòng)方案》、《農(nóng)用薄膜管理辦法》、《農(nóng)業(yè)面源污染治理與監(jiān)督指導(dǎo)實(shí)施方案 (試行)》等一系列政策文件（圖5）多方面綜合施策，因地制宜采取治理措施，推進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染防治，遵循全鏈條監(jiān)督管理的思路構(gòu)建了監(jiān)管體系。其中，《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》擴(kuò)大了塑料污染治理的范圍和力度，首次提出了開展微塑料污染防治及其生態(tài)環(huán)境影響與人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的任務(wù)。中國塑料污染防治工作正在從禁止向分領(lǐng)域治理轉(zhuǎn)型，對(duì)于緩解農(nóng)田“白色污染”問題具有重大意義。此外，由圖5 可以看出，對(duì)于新污染物微塑料的標(biāo)準(zhǔn)化制定多處于水生生態(tài)環(huán)境層面，土壤樣品尚未有標(biāo)準(zhǔn)化方法的建立。土壤中微塑料測定方法的不統(tǒng)一，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果上的差異較大，且對(duì)結(jié)果之間的比較帶來了困難。目前，越來越需要對(duì)小粒徑微塑料甚至納米尺寸的微塑料進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析，以評(píng)估其對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和人體健康的風(fēng)險(xiǎn)，這就需要建立統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化的方法以及開發(fā)新的技術(shù)來檢測和量化樣品中的微塑料。

圖5 中國農(nóng)業(yè)薄膜歷年相關(guān)政策及規(guī)定要求Figure 5 Relevant policies and regulations for agricultural film in China over the years

關(guān)于農(nóng)膜的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2017 年修訂的《聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜覆蓋薄膜》（GB 13735—2017）提高了地膜的厚度下限，厚度最低不小于0.010 mm（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2017）。在此之前，推廣使用的是0.008 mm 以下的農(nóng)用地膜，容易老化破碎且難以回收。提高最低厚度下限可以最大限度地降低離田過程中地膜被撕裂的風(fēng)險(xiǎn)以及微塑料碎片在環(huán)境中的累積量，但有研究指出這種變化仍有可能在土壤中留下約68.0%的塑料（FAO，2021）。近年來，全生物降解塑料受到了極大關(guān)注，與傳統(tǒng)塑料相比，全生物降解塑料能夠短時(shí)間內(nèi)降低塑料在土壤環(huán)境中的殘留累積率和持久性，為減輕塑料對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響提供了一條潛在途徑。近年，中國相繼發(fā)布了《全生物降解農(nóng)用地面覆蓋薄膜》（GB/T 35795—2017）、《生物降解塑料與制品降解性能及標(biāo)識(shí)要求》（GB/T 41010—2021）和《全生物降解地膜土壤環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》等生物降解塑料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2017；國家市場監(jiān)督管理總局等2021；中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部，2021），規(guī)范了生物降解農(nóng)用地膜的生產(chǎn)、檢驗(yàn)、標(biāo)志、包裝和運(yùn)輸?shù)纫?。其中，《全生物降解地膜土壤環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》是國內(nèi)第一部全面的包括對(duì)土壤動(dòng)物、植物、微生物的土壤安全評(píng)價(jià)，填補(bǔ)了中國全生物降解地膜土壤環(huán)境安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的空白。

3.2 農(nóng)用地膜污染的防治與利用途徑

地膜污染屬于農(nóng)業(yè)面源污染的種類之一，目前尚缺乏專門針對(duì)農(nóng)田土壤中地膜微塑料污染的防治措施和評(píng)價(jià)方法。為了改善農(nóng)業(yè)塑料的循環(huán)性和健全管理，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO，2021）在報(bào)告中提出了基于6R 模型（拒絕、重新設(shè)計(jì)、減少、再利用、回收和修復(fù)）的替代方案和干預(yù)措施。從源頭到末端處置，在整個(gè)生命周期的角度去考慮地膜塑料殘留污染的問題。首先，從源頭上預(yù)防和減少塑料制品的使用和排放是控制微塑料在土壤環(huán)境中累積的重要途徑，遏制非標(biāo)準(zhǔn)地膜的進(jìn)田使用，強(qiáng)化監(jiān)督全面推行國家標(biāo)準(zhǔn)地膜，為可回收性奠定基礎(chǔ)。加強(qiáng)地膜的科學(xué)合理利用，淘汰過寬地膜，拒絕農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的無效使用。其次，及時(shí)回收和利用，推廣適時(shí)揭膜技術(shù)，開展專項(xiàng)收集計(jì)劃，在地膜老化破碎前回收，可有效減少農(nóng)田殘膜的進(jìn)一步累積。盡管中國甘肅、新疆和內(nèi)蒙古部分地區(qū)2018年地膜回收率高達(dá)80.0%（靳拓等，2020），但地膜廢棄物回收后如何處置是一個(gè)挑戰(zhàn)和問題，與溫室棚膜不同，壽命周期極短的地膜回收物價(jià)值低且其終端市場相當(dāng)有限，缺乏有效的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制和監(jiān)管激勵(lì)機(jī)制，目前尚沒有完善的處理方案可避免產(chǎn)生二次污染。

對(duì)于地膜而言，其回收物存在不同程度的臟污污染導(dǎo)致重復(fù)使用較難實(shí)現(xiàn)，但從循環(huán)再生角度出發(fā)，地膜塑料回收再利用加工生產(chǎn)滴灌帶等產(chǎn)品是可發(fā)展的途徑之一，未來還需要進(jìn)一步挖掘擴(kuò)大回收物的無害化處置途徑和加速向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。最后，發(fā)展新材料替代和修復(fù)，使用可重復(fù)使用或可循環(huán)再生的地膜產(chǎn)品，是解決塑料污染問題重要途徑。即使生物降解地膜在實(shí)際應(yīng)用條件下并不總是能夠?qū)崿F(xiàn)完全的生物降解，但可能是長久存在的傳統(tǒng)地膜的一個(gè)更優(yōu)替代品。此外，傳統(tǒng)地膜做到100%的回收率也很困難，因此，面對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生殘膜微塑料高污染的農(nóng)田區(qū)域，還應(yīng)采取措施對(duì)存量量化并進(jìn)行降解清除。

近年，生物降解塑料的產(chǎn)業(yè)化已進(jìn)入初期階段，主要包括聚乳酸、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚羥基鏈烷酸酯、聚碳酸亞丙酯等。在替代農(nóng)用塑料薄膜方面具有很好的發(fā)展前景，是防治塑料污染的新途徑。但生物降解地膜替代傳統(tǒng)地膜是有一定條件的，其降解需要在特定環(huán)境和特定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，在應(yīng)用領(lǐng)域、降解可控性和經(jīng)濟(jì)成本高還有待解決，可優(yōu)先推動(dòng)具備降解環(huán)境條件的高污染農(nóng)田區(qū)域和無法開發(fā)大規(guī)模地膜機(jī)械回收地區(qū)的降解塑料替代工作。同時(shí)，從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度來看，生物降解塑料無法被回收意味著其始終采用原生材料制造，因而其循環(huán)效益將低于傳統(tǒng)塑料的回收利用。值得注意的是，有研究表明，與傳統(tǒng)塑料相比，生物降解塑料對(duì)植物生長風(fēng)險(xiǎn)仍然存在（Iqbal et al.，2020）。因此，除了考慮生物降解地膜的功能適用性，還亟需開展田間條件下生物降解地膜的全生命周期環(huán)境安全性評(píng)價(jià)，了解其可能造成的負(fù)面效應(yīng)，為未來規(guī)?；瘧?yīng)用和推廣提供參考。

4 總結(jié)與展望

中國農(nóng)用薄膜使用量一直位居世界前列，以農(nóng)用地膜為主，近年以來持續(xù)增長的態(tài)勢(shì)直至2016 年才有所緩解。西北干旱綠洲區(qū)尤其是新疆、甘肅地區(qū)是中國地膜使用量最大的區(qū)域，地膜覆蓋所產(chǎn)生的殘留及面源污染范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于棚膜，農(nóng)田微塑料污染嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了耕地可持續(xù)發(fā)展。自然、農(nóng)業(yè)和生物3 種途徑的協(xié)同效應(yīng)使得地膜生成微塑料甚至是納米塑料，通過食物鏈傳遞在動(dòng)植物和人體中累積，對(duì)生物的影響主要表現(xiàn)在自我毒性和負(fù)載毒性效應(yīng)兩個(gè)方面。目前，關(guān)于微塑料的研究也從海洋、大氣、土壤等環(huán)境介質(zhì)擴(kuò)展到動(dòng)植物、微生物群落和人體健康中，但在很大程度上具有未知性，對(duì)于作物產(chǎn)量與土壤中微塑料豐度是否呈線性相關(guān)，在哪個(gè)閾值會(huì)對(duì)土壤肥力和作物產(chǎn)量產(chǎn)生顯著負(fù)面影響，土壤中微塑料的去除和檢測技術(shù)，生物體與非生物體間的傳遞機(jī)制等問題尚缺乏廣泛深入的研究。近年，國家相繼出臺(tái)了多項(xiàng)“禁/限塑”政策和標(biāo)準(zhǔn)以預(yù)防和控制土壤中（微）塑料污染，受政策驅(qū)動(dòng)，降解塑料在中國迎來了一輪高速發(fā)展階段，但在實(shí)際應(yīng)用上還有待評(píng)價(jià)與解決，這為農(nóng)用薄膜產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與升級(jí)提供了基礎(chǔ)。由于中國農(nóng)業(yè)塑料垃圾防治工作起步較晚，雖然在農(nóng)膜管理和回收方面取得了一定成效，但還面臨一些困難和問題，防治工作依然艱巨，未來還需要借助技術(shù)升級(jí)來提高地膜回收率以及可降解清潔材料的進(jìn)步與發(fā)展，以全面治理農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的塑料污染與防治工作。關(guān)于（微）塑料污染對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，未來可就以下主題進(jìn)行深入研究：

1）建立土壤微塑料標(biāo)準(zhǔn)化提取和檢測技術(shù)方法，評(píng)估中國農(nóng)田土壤中微塑料的賦存和生態(tài)閾值。目前，微塑料研究在中國仍處于起步階段，土壤中微塑料的量化大多是依靠質(zhì)量或數(shù)量豐度進(jìn)行量化的，不同的方法在提取率、粒徑、形態(tài)等存在著很大的差異，難以將現(xiàn)有研究進(jìn)行微塑料的比較、統(tǒng)計(jì)和分析，因此建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的微塑料分離和檢測方法體系對(duì)中國微塑料研究至關(guān)重要。

2）構(gòu)建預(yù)防與減量-回收和利用-循環(huán)再生與無害化處置閉環(huán)監(jiān)督機(jī)制，從整個(gè)生命周期的角度去管理農(nóng)用薄膜污染的防治工作。在農(nóng)用薄膜污染防治過程中，薄膜進(jìn)入土壤或大氣環(huán)境后，在外力環(huán)境條件下降解形成微米級(jí)甚至納米級(jí)顆粒，對(duì)生態(tài)毒害作用加強(qiáng)且治理難度增大。因此，遵循源頭預(yù)防原則，加快突破農(nóng)業(yè)塑料的回收處置和循環(huán)利用等技術(shù)難點(diǎn)，在薄膜使用源頭環(huán)節(jié)加強(qiáng)管理農(nóng)業(yè)塑料的污染防治工作。

3）開展微（納米）塑料在生物體-陸地-大氣-水生系統(tǒng)中的累積潛力和效應(yīng)研究，探明各“源”的轉(zhuǎn)移機(jī)制與貢獻(xiàn)。盡管我們?cè)谏矬w和非生物體中均發(fā)現(xiàn)微塑料存在，但對(duì)于兩者之間的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制和累積潛力尚不明確，對(duì)比微塑料更小的納米塑料知之甚少，特別是谷物、蔬菜等動(dòng)植物體中的微（納米）塑料是否會(huì)沿食物鏈傳遞累積對(duì)人體健康影響，亟需進(jìn)一步探究并明確其機(jī)理。

4）評(píng)價(jià)生物降解塑料薄膜的環(huán)境效應(yīng)，尋找到最佳的綠色解決方案。生物降解塑料較傳統(tǒng)塑料更易降解破碎化形成微塑料，對(duì)農(nóng)田土壤健康及作物生產(chǎn)力的影響仍是未知的，開展其環(huán)境安全評(píng)價(jià)關(guān)系到今后開展規(guī)模化推廣的關(guān)鍵。此外，創(chuàng)新理念和研發(fā)新的替代技術(shù)，變革性的科學(xué)措施和相關(guān)政策的制定也是至關(guān)重要的。