中国土壤微塑料污染

杨玲，张玉兰，康世昌††，王兆清，吴辰熙

①中国科学院西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室，兰州 730000；②中国科学院大学，北京100049；③兰州大学 资源环境学院，兰州 730000；④中国科学院水生生物研究所 淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉 430072

自1945年以来，塑料产量呈指数级增长，而且正被储存到化石记录中。在青铜和铁器时代之后，人类迎来“塑料时代”[1]。塑料的材料特性，尤其是质轻、耐腐蚀、价廉、生产方便等使塑料产品得到广泛应用，塑料产业因而得以迅速发展[2]。塑料的大量生产、快速消耗，塑料垃圾回收和管理不当，以及塑料自身非常缓慢的降解速率，使得塑料垃圾大量累积[3]。部分塑料垃圾以碎片的形式存在于环境中，少数大塑料碎片可以通过打捞、挑选等技术手段从环境中清除并进入回收过程，而粒径较小的微塑料，几乎无法从环境基质中去除[4]。

微塑料是指粒径小于5 mm的塑料颗粒、纤维、薄膜、碎片等，包括原生微塑料和次生微塑料[5]。原生微塑料是指工业生产的小粒径塑料产品，如化妆品等含有的塑料微珠以及作为工业原料的塑料颗粒和树脂颗粒。次生微塑料是指大的塑料垃圾经过物理、化学和生物风化过程造成分裂或体积减小而形成的粒径较小的塑料。随着塑料垃圾数量的增多，微塑料的数量也随之递增。微塑料具有尺寸小、比表面积大、疏水性强等特点，是众多疏水性有机污染物和重金属的理想载体[6]。微塑料性质稳定，进入环境中后很难被降解，并且可在风力、河流等外力作用下进行长时间、远距离传输，对生态环境产生广泛、持久的影响[7]。

陆地作为塑料生产的源头，同时也是重要的汇集区[8]。污水灌溉及污泥施用会将污水处理厂中汇集的多种来源的微塑料转移到农业土壤中[9-11]；裹挟着塑料和微塑料的有机肥的长期施用导致土壤微塑料污染[11]；农用地膜残留也会分解形成大量的微塑料[12]；不当处理的塑料垃圾[13]和大气中微塑料的沉降[14]会造成土壤微塑料污染；灌溉可以将河流、湖泊及水库中赋存的微塑料转移至土壤中。越来越多的证据表明，微塑料可能会引起陆地系统的环境变化[15-16]，而高浓度的微塑料可能会影响土壤的性质及功能。此外，由于尺寸较小，微塑料可以被植物吸收，并可以被生物摄食。向植物或生物转移并累积的不仅包括微塑料，还包括其表面富集的多种污染物（重金属及持久性有机污染物），并最终对人类构成潜在的威胁。

我国是塑料生产和使用大国，其中多种塑料产品，如聚氯乙烯（PVC）、氨基模塑料等产量已位居全球首位，且进一步增长的潜力仍十分巨大。这些塑料的生产和使用构成巨大的环境压力。目前，我国土壤微塑料研究才刚起步，许多科学和管理问题亟待回答。本文总结了我国土壤微塑料的研究进展，分析了土壤环境中微塑料的污染来源和环境行为，探讨了微塑料污染的生态环境效应，以期为我国土壤微塑料污染防治提供参考。

1 土壤微塑料污染现状

2016年，周倩等[17]发表的关于中国东海岸废弃盐场中微塑料污染的研究论文是我国第一篇土壤微塑料污染报道。随后，我国土壤微塑料污染调查研究陆续展开。在杭州湾[18]、渤海和黄海等沿海地区的土壤中发现了高浓度的微塑料[18]，最高浓度可达14 712.5个/kg 。此外，在哈尔滨[19]、石河子[20]、武汉[21]、上海[22-23]、天津[24]、保定[25-26]以及黄土高原[27]等地区的农田中检测到了微塑料的存在，甚至青藏高原地区的土壤中也检测到了微塑料[28]，说明我国土壤环境中微塑料污染的普遍性。其中，以在武汉农田中检测到的微塑料含量最高，微塑料含量高达1.6×105个/kg[29]，在云南滇池柴河流域的农田中也检测到不低的微塑料含量（18 760个/kg）[30]，可见我国土壤微塑料污染的严重性。武汉市郊区农田微塑料调查发现，不同土地利用类型的土壤微塑料含量不同。林地中的微塑料含量（4.1×105个/kg）显著高于菜地（1.6×105个/kg）和空地（1.2×105个/kg），并在微塑料中检测到了多种重金属，包括Cd、Cr、Pb、Ag、Cu、Sb、Hg、Fe和Mn等[29]。此外，在上海针对不同深度土壤微塑料含量的调查发现，浅层土壤中微塑料含量高于深层土壤中微塑料的含量[22]。

2 土壤微塑料特征

土壤既是多种微塑料的“源”，同时又是多种微塑料的“汇”。土壤中发现的微塑料的特征可以反映局地人类活动及大气沉降，为探究微塑料的来源提供可能[31]。此外，微塑料的形态特征直接关系到微塑料的环境行为和效应[32]。微塑料常以不同形状存在于土壤环境中[33]，最常见的塑料形状是碎片和纤维，其中小于1 mm的微塑料更为常见[34]。图1展示了土壤环境中典型微塑料的形貌特征。不同土壤中检测到的微塑料类型均以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）为主，这与该类型的塑料用量较大有关[35]。微塑料的颜色多样，不同区域微塑料的颜色差异大。对比水生环境（河流、海洋）与土壤环境中微塑料的特征发现，水生环境和土壤环境中微塑料的特征存在一定的相似性，表明陆地环境与水生环境微塑料的来源存在一定的相似性，且二者存在微塑料的交换[36-37]。

图1 堆肥中的微塑料[34]

3 土壤环境中的微塑料来源

数量巨大却又不易察觉的微塑料源源不断地向土壤输送，导致土壤中的微塑料积累。土壤环境中微塑料的来源广泛，塑料垃圾破碎形成的次生微塑料以及农用地膜残留、污泥和有机肥的施用、大气沉降和灌溉等都会构成微塑料污染[38-39]（图2）。

图2 土壤中微塑料的主要来源（修改自[36]）

污泥作为污水处理厂的最终产品，通常富含有机物和微量元素，因而将污泥作为肥料施用于农田的措施已得到广泛的应用。在欧洲和北美，约有50%的污泥被用于农业，而在芬兰和爱尔兰，其比例甚至高达72%[39]。在某些水资源稀缺的地区，污水也被用于灌溉。微塑料进入污水处理系统后，由于其体积小，常规污水处理技术很难完全将其去除，这些微塑料就会在污泥中积累，而污泥的施用又将其中的微塑料转移到土壤中[40]。此外，一些污泥和污水的不规范倾倒也会造成土壤微塑料污染[41]。

由PVC和PE制成的地膜，因其显著的经济效益，在全球农业生产中得到广泛应用。2016年全球农用塑料薄膜市场交易量为400万t，并预计每年会以5.6万t的速度增长[42]。塑料地膜厚度小，且长期暴露于紫外线下的塑料薄膜老化严重，因而在农业活动的机械作用下易破碎，而且在冻融循环及生物作用下又会进一步破碎，最终构成土壤微塑料污染[5]。研究人员发现，农田中大多数微塑料的表面强烈风化，且微塑料含量与塑料薄膜的覆盖时间成正比，为这一结论提供了证据[20]。

堆肥也是微塑料进入土壤的重要途径。以畜禽动物粪便、城市生活垃圾等有机废物加工而成的有机肥施用于农田，可以将其中的养分、微量元素和腐殖质实现再利用，理论上是一种环境友好的农业生产方式[39]。然而，由于处置不当和废物分类不当，堆肥中往往含有塑料及微塑料[41]。对波恩的一个堆肥厂的调查发现，堆肥中肉眼可见的微塑料碎片含量为2.38～180 mg/kg，这证实了有机堆肥中微塑料的存在[41]。

区域环境内不当处理的塑料垃圾也是土壤中微塑料的重要来源。据估计，从1950年到2015年，全球大约产生了63亿t塑料垃圾，其中49.7亿t散落或堆积在自然环境中[34]。一方面，垃圾填埋场中塑料垃圾渗流构成土壤微塑料来源[8]；另一方面，塑料垃圾在生物、物理和化学风化作用下逐渐破碎形成微塑料，也构成土壤微塑料来源[43]。

河流、湖泊、水库、地下水等灌溉用水中微塑料的存在已得到证实，因此通过灌溉，其中的微塑料会转移到土壤中[34]，构成土壤微塑料污染。除了灌溉外，大气中微塑料的沉降也是土壤微塑料的来源之一。Dris等[14]首次报道并估算了微塑料的沉降通量，其中室外大气微塑料沉降通量可达0.3～1.5个/m3（纤维）。周倩等[44]发现我国滨海城市大气微塑料的沉降通量可达（1.30～6.24）×102个/（m2·d）。

4 土壤中微塑料的影响

现有研究表明，微塑料作为一种固体污染物进入土壤后，极易在干湿循环、土壤翻耕或生物扰动等作用下不同程度地整合到土壤团聚体中，引起土壤pH值、容重、持水能力、土壤结构和生物量等生物物理特性的改变[39]。de Souza Machado等[15]研究发现，在土壤中添加多种微塑料后，高密度聚乙烯（HDPE）和聚苯乙烯（PS）球（2～3 mm）、聚酯（PET）和PP纤维（5 mm）可使土壤容重显著降低，聚酰胺（PA）和PET纤维可显著降低土壤的持水能力，PS还会导致土壤生物量的改变。微塑料的积累也会破坏土壤结构的完整性，导致土壤表面发生干裂[45]。在种植黑麦草的土壤中添加HDPE 30天后，土壤的pH值与对照组相比降低了0.62[46]。以上研究表明，微塑料对土壤理化性质的影响较为复杂，微塑料的类型、形状、浓度都可能是影响的因素[39]。

陆生植物具有的根系、木质部等特殊结构和膜电位、蒸腾作用等性质有利于植物对微塑料的吸收[47]。模拟实验表明，在0.1%聚乳酸（PLA）和HDPE纤维处理下，黑麦草的发芽率和发芽高度显著降低[46]。在另一项研究中，Jiang等[48]研究了PS微塑料对蚕豆的生态毒性和遗传毒性，发现当微塑料的浓度达到100 mg/L时，PS微塑料对蚕豆的生长具有显著的抑制作用，这些微塑料可能会阻塞细胞连接或用于养分运输的细胞壁孔。然而de Souza Machado等[15]的研究表明，存在HDPE的情况下，植物根部生物量更大。可见，微塑料对植物的影响是复杂的、多样的。

在土壤微塑料研究中，由微塑料暴露引起的生态和健康风险是最令人关注的问题。微塑料作为一种复合性的污染物，其表面常富集其他污染物，包括重金属、二噁英和持久性有机污染物[49]。此外，微塑料中常见的添加剂，例如阻燃剂、增塑剂、热稳定剂和抗氧化剂，也存在一定的健康风险。一项对墨西哥东南部家庭花园的调查研究表明，微塑料浓度在土壤（0.87±1.9个/g）、蚓粪（14.8±28.8个/g）和鸡粪（129.8±82.3个/g）中逐级增加，这表明微塑料能够进入陆生食物链并在其中累积[50]。Rillig等[51]也通过模拟实验证实了蚯蚓可向土壤深层运输PE微球。除蚯蚓外，模拟实验表明跳虫[52]、老鼠[53]、线虫和蜗牛[54]均可摄食微塑料。最近，在成年人粪便和结肠切除标本中检测到了微塑料，证实微塑料可以被人类摄食[55]。其来源和途径可能是通过食物链转移，也有可能通过其他来源和途径，如吸入微塑料污染的空气，摄入水及其他存在微塑料污染的食物等[56]。

5 研究展望

如果将微塑料视为环境污染物，那么与其他污染物（例如气溶胶、重金属）显著不同的是，微塑料完全由人类活动产生，没有自然背景值。已有研究表明，城市化水平和人口密度与微塑料污染程度显著相关[28]。研究者基于塑料垃圾不当管理模型（MPW）和人类发展指数（HDI）的模型预测了河流对海洋的微塑料输入量[57-59]。Feng等[28]基于统计数据提出了微塑料排放预测公式，可以粗略预测土壤环境中的微塑料排放量。这些研究是对微塑料排放定量模拟的有益尝试，但并不能实现模型与微塑料来源具体参量的耦合。为了更好地实现微塑料的管控，每一要素对于土壤环境汇中微塑料的贡献需要被具体化，以确定管控的重点。如何建立微塑料的排放清单，定量评估微塑料的排放含量及增量是一个迫切需要解决的问题。

目前，微塑料的定量评估及来源解析研究已起步，但对一些关键过程的认识还不甚清楚，如微塑料在土壤中赋存的影响因素、迁移机制以及富集过程等。Huang等[30]研究发现土地利用类型影响微塑料的含量，而微塑料含量与土壤化学组成（pH值、有机质含量、铁含量）之间无显著相关性。对于土壤微塑料含量的影响因素、迁移机制及富集过程还需要进一步确认。

除其他元素外，微塑料主要由碳组成。与其他有机物整合在土壤中的微塑料是一种独立于光合作用和净初级生产的碳[60]。尽管微塑料作为碳在土壤中似乎是“无形的”，但我们仍可以通过测试土壤有机碳的方法将其检测[61]。从根本上讲，微塑料的碳大部分来源于化石燃料，而不是最近被大气固定下来的。由于塑料不易被降解，其中的碳在土壤中得以积累。碳储存作为生态系统的一个重要功能，这一部分碳在评估土壤碳储量中也需要考虑。