土壤环境中微塑料的发生、来源及影响研究进展

吴为，张敏，缪明，武攀峰，於湘香，姚颖，刘媛媛

（1.南通市农产品检验测试中心，江苏南通 226002;2.江苏省南通环境监测中心,江苏南通 226006）

2004年微塑料作为新兴污染物首次被提出，它主要是指粒径小于5 mm的微小塑料颗粒［1］，很多微塑料粒径可达微米乃至纳米级，现在它已成为对全球环境生态系统的新兴威胁［2-3］。塑料制品在我们的日常生活中频繁使用，给我们带来了极大方便，但同时它也带来了大量的塑料制品垃圾，这些塑料垃圾进入环境后并不会消失，而是最终碎片化为更小的微塑料［3］，在生态系统中以初级微塑料或次级微塑料的形式存在，它具有不同的形状，尺寸较小，疏水性强，性质相对稳定，可长期存在于环境中。近期研究证实，在全世界的海洋和淡水环境中普遍发现了微塑料［4-6］，甚至遥远的深海［7］和北极地区［8］。全球海洋中约有5.25万亿件塑料垃圾，其中92%是粒径小于5 mm的微塑料［9］。而土壤中的微塑料作为海洋塑料的主要来源，其污染问题需要被重视。土壤中的微塑料来源广泛，不仅会对土壤生态系统产生影响，而且它还容易随着土壤环境不断的迁移转化。德国科学家Rilling［10］是较早地提出了研究微塑料在土壤当中污染状况的倡导者之一，他研究发现土壤中的微塑料会对土壤的理化性质、功能及生物多样性产生影响，随着相关研究不断深入，他们发现土壤中微塑料对种水生和陆地生物产生不利影响［11］，这不仅仅由于塑料自身含有有害添加剂，而且还因为它们小体积、大比表面积，容易从周围环境中吸附其它有毒有害物质，例如持久性有机污染物（POPs）［12］，重金属和抗生素抗性基因等。微塑料可以作为污染物的有利载体，一旦被生物摄食，会释放这些有毒化合物，从而影响动物生长、发育和繁殖［13-14］，甚至还会通过在动植物中的积累及其生物生态、食物链传递，影响人类健康［15］。面对解决微塑料污染在农业上、区域土壤中刻不容缓的局面，本文总结了近年来发表的微塑料在农田土壤中污染的研究论文，系统综述了微塑料在土壤中的发生、分布、迁移、来源和生态环境影响，为开展土壤微塑料风险评估及精准防控提供支持。

1 土壤微塑料的发生和分布

当前国内外对于微塑料的研究主要集中在水体环境，土壤环境相对较少。由表1可见，微塑料在土壤环境中广泛存在，但丰度水平差异较大。研究的土壤大致集中在农业和非农业两种利用类型。

1.1 农业土壤微塑料的发生

鉴于农产品质量安全事关人类健康，针对农业土壤中的微塑料研究占大多数，尤其我国居多。这里所指的农业土壤主要来自农田、牧场、温室、蔬菜、水果和草地等。由表1可知，农业土壤中普遍存在微塑料污染，而且丰度水平比较高。一般来讲，微塑料污染与人类活动强度有关［16］。比如我国经济发达的长江中下游地区，农业土壤中均检测出较高丰度的微塑料，Zhou等人［17］报道武汉农田地区的微塑料丰度为43 000～620 000个/kg，江苏农田为420～1 290个/kg［18］，武汉蔬菜地为320～12 560个/kg［19］，从形态来看52%为碎片，14%为纤维，不同的形态类型反映出了不同的来源。然而值得我们关注的是，即使在经济欠发达地区，比如位于我国西南部的云南滇池流域，由于污泥农用和污水灌溉，农田土壤中测定出微塑料平均丰度也可达18 760个/kg，最高甚至达到42 960个/kg［20］。王志超等人［21］在内蒙古河套灌区农田土壤中测得表层土微塑料含量最小值和最大值分别为678个/kg和2 133.50个/kg；Huang等人［22］报道了新疆长期使用塑料地膜的棉田中，土壤微塑料丰度1 075.6个/kg，形态以薄膜为主。由此不难看出，人类活动依然是土壤微塑料发生的重要影响因素，与海洋、河流等水体环境受经济发展和人口密度影响较大不同，土壤微塑料的发生更多与农业生产方式有直接关系，这决定了土壤污染的重要来源。

除我国外，其他国家也报告土壤微塑料污染（见表1）。在丹麦，Vollertsen和Hansen［23］研究了污水污泥施用对农业土壤中微塑料的影响。他们发现，在施用污泥和未施用污泥的土壤中，微塑料的丰度分别为82000（0～165000）个/kg和236000（53000～528 000）个/kg。在智利，Corradini等人［24-25］报道了两项研究。一项是在位于Mellipilla的农田中，他们发现了600～10 400个/kg的微塑料［24］，其中超过97%是纤维类微塑料；另一项在首都大区的草地和牧场土壤微塑料分别为306个/kg和184个/kg［25］。在欧洲，Scheurer and Bigalk［26］发现瑞士冲积平原土壤中微塑料丰度为593个/kg，而德国某传统农田微塑料含量仅0.34（0～1.25）个/kg［27］，主要来自塑料废弃物。

1.2 非农业土壤微塑料的发生

非农业土壤主要包括沿海、湿地、草坪、工业和住宅等土地利用型土壤（见表1），但研究数量相对较少。周倩等人［28］首次报道了河北省沿海土壤中MP含量为634个/kg，位于表层约2 cm深度。Duan等人［29］报道了山东省湿地土壤中的微塑料丰度136～2 060个/kg（深度2 cm）。在陕西省的沙质土壤中发现MP含量为2 697（1 360～4 960）个/kg【30】。位于天津的校园草坪土壤中，在10 cm的深度处检测到95个/kg的微塑料［31］。工业用地土壤也有报道，比如，澳大利亚研究人员Fuller和Gautam收集了悉尼某工业园区中87个土壤样品，并在当中检测出微塑料丰度在300～67 500 mg/kg之间［32］。

表1 农业土壤中微塑料的发生Table 1 Occurrences of MP contamination in agricultural soils

尽管一些国家尚未有相关数据报告，但很显然微塑料在全球土壤中普遍存在。鉴于当前调查和研究数量的碎片性和有限性，需要更多调查来了解土壤中微塑料污染水平。

1.3 土壤中的微塑料迁移

研究表明，影响微塑料在土壤中迁移的因素大致可归结为4类：自身特性、土壤性质、土壤中生物与机械的扰动和外界环境影响等。微塑料是一类由不同聚合物组成的高分子材料，由于组成成分不同，自身特性各异，从而影响了微塑料在土壤当中的分布方式。比如，低密度的微塑料（聚乙烯、聚丙烯）会停留于土壤表面，而较高密度的微塑料会迁移到土壤更深层［33］。同时由于微塑料粒径小、比表面积大，易于吸附土壤中的矿物质、有机物和金属氧化物等，这些吸附的物质会改变微塑料的理化性质，进而影响其在土壤中的分布深度。比如，吸附矿物质能够增加土壤中微塑料的密度；吸附金属氧化物、有机物等能改变微塑料的表面电性和吸附点位，从而影响其在土壤当中的迁移。不同成土母质所形成的土壤，矿物、有机物组成有较大差异，进而影响微塑料的迁移行为［34］。此外，土壤生物区系和耕作方式等都会影响土壤中微塑料的迁移［35］。朱永官［36］等通过研究发现，植物生长和土壤中各种动物（如蚯蚓）的活动可以使微塑料在土壤中发生迁移。

微塑料在土壤的迁移过程除受本身性质的影响外，还会受到天气以及径流等外界因素的影响。O'Connor团队［37］经过在微塑料在沙土柱中的渗透迁移模拟试验后，观察到在不同降水条件下，微塑料在土壤当中的迁移深度随土壤干-湿循环次数的增加而增加。其中，较小尺寸的聚乙烯微塑料（21 μm）具有最大的迁移潜力，其最大深度达到了7.5 cm。Nizzetto等人［38］使用INCA污染物模型开发了一个模拟实验，以确定从土壤转移到泰晤士河的微塑料的比例，研究表明，土壤中60%以上的微塑料最终将迁移到河流中并污染水环境。

2 土壤中微塑料的来源

微塑料可以通过不同的来源和途径进入土壤环境（见图1）。这里我们主要综述农业土壤微塑料来源。农业土壤中微塑料主要来源于废水污泥和堆肥的有机肥料，农用塑料覆盖膜，农田灌溉水，垃圾填埋和垃圾丢弃等［38-40］。

图1 微塑料在自然环境中的来源、积累与归趋[16]Fig.1 Sources,accumulations,and trends of MPs in the environment

2.1 直接来源

塑料制农用物资使用残留是农业土壤中微塑料的直接来源，比如塑料薄膜［22］。薄膜覆盖技术广泛应用于全球现代农业生产，它不仅能够提高水和养分的资源利用效率，而且提供了隔热和早期种植或收获的作物［41-43］。这种薄膜一般由PE或PP塑料制成，其厚度较薄仅0.01～0.03 mm，大多数使用后很难从农田中回收或去除，导致在土壤中不断积累。在机械翻耕、紫外线辐射和生物降解等共同作用下进一步降解形成微塑料［28］。Huang等人［22］报道了新疆长期使用塑料地膜的棉田中，土壤微塑料含量高达1 075.6个/kg，其中大部分是塑料薄膜类型。他们进而对全国384个土壤样本统计分析后指出，农膜用量与土壤中微塑料含量之间存在线性关系。一项来自浙江杭州湾农田的调查结果显示，覆膜农田土壤微塑料含量是非覆膜的2.2倍［44］。程万莉［45］在我国地膜用量和覆盖面积最大的西北地区的研究发现，覆膜农田土壤中存在数量较高的微塑料5.09（±1.21）×103个，而且随着地膜覆盖时间延长，农田土壤中尺寸小于0.3 mm2/个的微塑料数量和面积占比均明显增加，相反大于0.3 mm2/个的微塑料占比却下降，预示着大颗粒会逐渐向小颗粒转化，一定时期内农田土壤微塑料潜在污染将呈现出加重趋势。据统计，我国2017年农用塑料薄膜使用量与2000年相比增加了89.31%［46］。由此可见，加强对农用塑料薄膜和地膜的规范使用和回收，是减少农田土壤中微塑料污染来源的重要途径之一。

2.2 间接来源

与直接来源不同的是，由于在利用有机肥、污泥等进行土壤改良过程中，无意中将微塑料引入土壤中［38］，统一归为间接来源。正如西班牙施用污泥的土壤中微塑料含量高达3 060个/kg，是未施污泥土壤的近3倍［47］。这主要是因为在有机肥和污泥中存在微塑料。比如，Weithmann等人［48］研究发现由堆肥和生物废弃物发酵形成的这些有机肥普遍都含有微塑料，其中粒径大于1 mm的约有14～895个/kg；Mahon等人［49］对爱尔兰7个污水处理厂的污泥样品进行了微塑料含量鉴定，结果显示在这些样品当中都检测出了微塑料，其丰度范围为4 196～815 385个/kg。大量的这些微塑料颗粒随着污泥施用而进入农业土壤，经计算欧洲每年每百万居民通过污泥排入到农田土壤中的微塑料大约为125～850 t［50］。我国每年通过有机肥和污泥途径进入农田土壤的微塑料总量分别为1.56×1014个［51］和52.4～26 400 t［52］。因此，微塑料通过有机肥和污泥进入农田土壤的途径需要警惕。

地表水、地下水和净化后的污水是我国农业灌溉用水源。然而，近年来在我国长江流域和珠江流域不断有微塑料被检测出来的报道，尤其在太湖、珠江、长江三峡地区的微塑料污染比较严重，其表层水所含微塑料丰度达到500～25 800个/m3、8 902～19 860个/m3和0.55×105～342×105个/km2［53］。微塑料在青海湖和青藏高原等偏远地区的河流也被检测到［54］，由此说明微塑料在我国淡水资源当中的污染形势日益严峻。同样地，由于受到地表径流和土壤淋洗的影响，在一些地区的地下水当中也检测出了微塑料［55］。关于污水净化，由于到目前为止国际上对微塑料在净化出水中的含量没有明确标准，不少研究表明处理后的污水当中含有大量微塑料，比如Enfrin等人［56］估计单个污水处理厂每天处理达标污水总量当中最多可含1010个微塑料颗粒。随着农田灌溉，这些微塑料势必会进入土壤系统。王志超等人［21］在内蒙古河套灌区发现不同灌溉类型会影响土壤微塑料丰度，其农田土壤中测出单层土的微塑料含量最小值和最大值分别为678.00个/kg和2 133.50个/kg。

此外，农业用化肥、农药等物资包装废弃物也常常在农田中随处可见。由于缺乏农业用品包装的回收意识，这些塑料废弃物在外力作用下分解成微塑料，对土壤生态系统造成影响［26］。

3 微塑料对土壤健康的影响

进入土壤中的微塑料的分布、形状及大小会因土壤运动、耕作行为或者动植物活动等而发生改变［57］，对土壤原生态系统造成干扰。微塑料不仅自身具有毒性，而且还会吸附周围有毒有害物质，在迁移、团聚过程中破坏土壤的物理性质，也有可能因毒性效应给土壤当中的生物带来危害。

3.1 微塑料对土壤理化的影响

由于缺少紫外线辐射和物理磨损，土壤中的塑料降解非常缓慢［58］。这些微塑料可以在土壤中不断积累并长期存在，形成土壤的微塑料汇。由于被土粒包裹或结合于土壤团聚体，微塑料可能会影响土壤容重、渗透性、持水量以及水稳性团聚等理化性质［59］。De Souza MacHado等人［60］通过研究PP、PET等四种微塑料对沙质土壤容重、持水量和水稳性团聚的影响，指出只有PET对土壤的水稳性团聚和土壤容重产生负相关，而其他类型的无影响。Zhang等人［61］观察到一个不同的结果，即与对照实验相比，PET对土壤容重无影响，但对其土壤的持水量产生了负面影响。这可能归因于研究中所采用的不同土壤理化特性所致［59］。MPs还可能通过渗透影响土壤孔隙度，暴露于微塑料时会形成更密集的洞穴壁［62］。此外，MPs也可能改变土壤渗透性，进一步影响蒸发［60］。然而由于研究有限，这种影响还需要更多研究予以确认。

3.2 微塑料对土壤生物的影响

许多塑料在其生产过程中会添加增塑剂、抗氧化剂、热稳定剂以提高性能，这些添加剂会在塑料降解的过程当中逐渐的释放出［63］，干扰土壤生物的活动，进而改变土壤化学和生物化学性质，最终影响作物生长。Abel等人［57］研究了六种不同种类的微塑料（聚酯纤维，聚酰胺珠，聚乙烯，聚酯对苯二甲酸酯，聚丙烯和聚苯乙烯）对土壤和植物葱的性能影响，观察到植物生长、组织元素组成、根系性状和土壤微生物活性都发生了显著变化，特别是对植物性状和功能有最显著的影响。Qi等人［64］选用一种生物降解塑料膜和低密度聚乙烯塑料作为研究对象，将这些塑料的1%残留物和沙土混合，进行相关的小麦盆栽试验,结果表明小麦的营养和生殖生长都被抑制。此外，极小的微塑料还会进入农作植物体内，通过食物链对人类健康构成威胁［65］。与此同时，土壤是微生物和动物的主要栖息地，残留的微塑料同样会对它们造成影响。现阶段，微塑料对土壤微生物的毒性效应研究还不多，但已有研究表明微塑料的存在会显著改变土壤中微生物和细菌群落，并导致其多样性降低［66］。Zhu等人［67］以普通土壤中的假丝酵母菌为研究对象，发现微塑料对土壤中弹尾目动物肠道菌群、生长、繁殖和同位素周转产生影响；能通过改变其微生物群，使暴露于其中的微生物的生长和繁殖受到影响。Lwanga等人［68］研究了陆正蚓在不同浓度梯度下的聚乙烯的存活性和适应性，证明了高浓度的微塑料会显著降低该物种的生长速度。这些研究结果表明，微塑料毒性可能对土壤生物存在一定负面影响，同时也需要进行更多的实验来验证。

除自身毒性外，微塑料还具有负载毒性效应。由于微塑料粒径小，具有较大的比表面积，可以作为载体吸附其他污染物，形成复合污染物，并转移到不同的生物体中［69］。例如，微塑料能够吸附环境中的持久性有机污染物（POPs）和重金属，并将这些有毒有害污染物向小生物传递，这可能会产生严重的毒性作用［70］，从长远来看其危害更大［59］。微塑料与其他污染物结合，甚至可能还会对生物起到联合毒性的作用。然而，李贞霞［71］以聚氯乙烯微塑料及镉为试材，发现微塑料能够缓解镉污染对黄瓜根系活力的影响。因此，微塑料与其他污染物的复合效应还不明确，需要开展更多的研究。

4 研究展望

土壤环境中微塑料的研究相对于水体和沉积物等两种介质起步较晚，尽管相关文献数量还较少，但从本文综述的国内外研究进展来看，当前土壤环境中不仅广泛存在微塑料，而且丰度水平也较高，人类生产活动是微塑料的主要来源。当微塑料进入土壤后，土壤不仅成为了微塑料的归宿地，还成为其它环境中微塑料的重要来源。微塑料通过迁移过程，会进入食物链中不断富集，会进入河流和地下水中污染水环境，对生态系统造成影响。为此，可以看出微塑料已经成为当前土壤环境中重点关注的一类新污染物，但因刚刚起步，还需从以下几个方面开展研究：

(1)对于土壤中微塑料，每个研究报告的定量值都有所不同，丰度水平存在较大的波动，除地域和来源不同外，分析方法不一致也是重要因素之一。而且土壤团聚性及自身有机杂质的干扰对微塑料的分离和检测造成了很大困难，为此急需统一检测方法和标准。

(2)农业生产活动中释放出大量农用薄膜、地膜，以及农药和化肥等废弃包装物，因回收不当，极易在田间的累积、破碎造成微塑料污染，应引起高度重视。

(3)广泛开展土壤中微塑料的检测，形成有代表性的农业、森林、湿地等不同土壤类型基础数据，进一步开展预测和评估土壤微塑料的生态风险。

(4)开展土壤环境中微塑料的迁移与污染规律研究，评估传输途径和释放通量，建立微塑料防控技术体系和宏观决策体系。