我国农田土壤微塑料和重金属污染现状与研究展望

仲子文 李冰 李彦 李德伟 刘延美 颜晓 刘宾绪 刘兆东 王艳芹 孙斌 薄录吉

摘要：土壤是人类社会发展的重要战略资源，健康的农田土壤不仅是食品安全的基本要求，也是人类健康的根本保障。目前关于农田土壤中微塑料的研究尚处于起步阶段，由于缺乏统一的检测标准，关于农田土壤微塑料丰度的报道差异较大。我国农田土壤重金属含量总体上呈现明显的南高北低、西高东低的分布规律，与微塑料污染有一定的耦合关系。微塑料对重金属的吸附可使其产生富集效应，可能增加其生物有效性和毒性。重金属被吸附后可随着微塑料进行迁移转化，通过解吸作用向环境中释放，造成更大范围的污染。由于农田土壤受人类活动影响较大，微塑料和重金属在土壤中的迁移、转化规律及耦合后的毒性效应需要进一步探究。本文对我国农田土壤中微塑料和重金属的污染现状、分布和迁移规律及两者的作用关系进行综述，并对未来的研究方向做了展望，为农田土壤中微塑料和重金属污染防控提供一定参考。

关键词：农田土壤；微塑料；重金属；污染防控

中图分类号：S154.4；X53 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2023）02-0165-08

土壤是人类社会发展的重要战略资源，它不仅关系到食品安全，同时也对生态安全、经济发展等具有重要影响。我国是世界人口大国，在严守耕地保护红线不动摇的前提下，保障我国农田土壤质量安全具有十分重要的意义。有研究表明，微塑料已广泛存在于世界各地的农田土壤，土壤微塑料污染问题已被列为环境与生态领域的第二大科学问题。微塑料是一种直径小于5 mm的塑料微粒，具有比表面积大、吸附能力强等特性，其本身不仅是一种新型环境污染物，同时也是造成土壤污染的重要载体。此外，我国土壤重金属污染问题也同样突出，《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧。我国每年因重金属污染而减产粮食达1 000多万吨，被重金属污染的粮食每年多达1 200万吨，合计经济损失200亿元以上。近年来，微塑料与重金属的复合污染问题也日益凸显，增加了土壤污染防控的难度。

本文以“土壤：微塑料”和“土壤：重金属”为主题词，在中国知网（CNKI）和Science Direct数据库进行检索和分析，由于Thompson等在2004年首次提出微塑料概念，所选文献跨度为2004年1月1日-2022年12月31日（图1），之前的研究大多集中在水环境中的微塑料污染，直到2014年各国科学家才陆续开展对土壤中微塑料污染的研究。土壤中的重金属一直以来都是研究的热点，两者自2015年以来的研究势头发展迅速。

相较于水体和大气污染，土壤污染具有一定的隐蔽性、滞后性、积累性和不可逆性。因此，农田土壤中重金属和微塑料的污染现状研究对于后续制定防控策略具有重要意义。本文在前人研究基础上，系统总结我国农田土壤中微塑料和重金属的污染现状、迁移转化规律及两者相互作用，并对未来研究方向进行展望。

1农田土壤微塑料和重金属污染现状

1.1农田土壤微塑料污染现状

目前农田土壤微塑料研究仍处于起步阶段，资料相对有限。总体而言，我国农田土壤中微塑料丰度总体上呈现出不均衡、区域性强等特点（表1）：上海郊区、长江下游流域、哈尔滨市以及杭州湾沿海平原的农田土壤中微塑料污染状况较轻，陕西省宝鸡市及农业区、山西省汾河沿岸、山东省寿光市以及武汉市的农田土壤微塑料污染较重，这可能与人为农业活动有关。研究表明，农用地膜、有机肥和污泥的使用及农田灌溉对农田土壤中微塑料的产生具有重要影响。微塑料的组成也表现出不同差异，大多数微塑料以聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）等聚合物形态为主，微塑料的形状主要以碎片、纖维和薄膜为主，少量颗粒和泡沫。

1.2农田土壤重金属污染现状

在参考陈文轩等收集的2002-2019年间我国农田土壤中7种重金属含量数据的基础上，以张小敏等总结的农田土壤中5种重金属含量数据作为补充，对我国农田土壤中重金属的分布特征进行了系统总结。发现重金属含量较高的农田土壤主要集中在云南、贵州、湖南、四川、福建等省以及重庆市，7种重金属总量最高可达256.47mg/kg；相比之下黑龙江、内蒙古和江苏等地的农田土壤中重金属含量相对较少。我国农田土壤中重金属含量总体上呈现出南高北低、西高东低的规律，这与《全国土壤污染状况调查公报》中公布的结果吻合。

通过对现有农田土壤重金属数据与我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618-2018）进行对比后发现（表2），我国农田土壤中重金属Cr的含量不超过80 mg/kg（图2a），远低于GB 15618-2018中农用地土壤污染风险筛选值（SRS，150 mg/kg），潜在生态风险低；有6个省份的农田土壤中Cd含量超过SRS值（图2b），潜在生态风险较高，需进行关注；土壤中重金属Pb的含量不超过55 mg／kg（图2e），低于SRS值（70 mg/kg），潜在生态风险较低；土壤中重金属Cu、Zn、As、Hg的含量均不超过SRS值（图2d、e、f、g），潜在生态风险低。总体来看，在目前调查的7种重金属中，有6种重金属（Cr、Pb、Cu、Zn、As、Hg）的含量均低于SRS值，表明这几种重金属发生潜在生态风险的可能性均较低（除部分土壤过量富集外），而在部分农田土壤中Cd含量有所超标，可能存在潜在的生态风险，需要持续关注。

2农田土壤中微塑料和重金属的分布和迁移

2.1微塑料在农田土壤中的分布和迁移

由于受农用地膜、灌溉水、大气沉降、有机肥施用等因素的影响，表层土壤中的微塑料丰度往往高于深层土壤。加之微塑料的生物降解性差，可在土壤中长期存在，并随着一系列的农业活动、土壤动物移动等方式在土壤中发生迁移。Yu等发现寿光市设施农田土壤微塑料含量随着土层深度的增加而减少，但直径小于1 mm的微塑料在10-25 cm土层中的含量高于0-10cm土层，这可能是由于长期耕作导致微塑料颗粒向下迁移的结果。微塑料在土壤中的迁移转化与其粒径大小有直接关系。有研究表明微塑料的粒径大小与其在土壤中的渗透深度呈负相关关系，特别是在沙土中规律更为明显。干湿循环可促进微塑料在土壤中的垂直迁移，并且其迁移深度与干湿循环的次数有显著相关性，而渗透液体积和表面微塑料丰度对其渗透的影响不明显。

微塑料体积小、表面积大，很容易被各种土壤生物（主要是蚯蚓和跳虫）携带转移，促进其在土壤中的垂直移动。有研究表明，蚯蚓和蚊子幼虫可以吞食微塑料，微塑料会在蚯蚓粪中产生富集，并且会在动物体内长时间存在。蚯蚓洞还可能成为微塑料垂直迁移的重要通道。土壤中的螨虫和弹尾虫的刮擦和咀嚼等行为可能导致微塑料重分布。另外，植物的根系伸展也可能影响土壤中微塑料的迁移。Li等发现玉米根部的生长可能导致土壤中的微塑料颗粒向上移动，而黑麦草则对其有一定的保持作用，这可能是由于盆栽试验中植物的根系比在自然条件下分布更密集。也有学者认为植物根系生长过程中一方面可以吸附携带微塑料移动，另一方面会为微塑料的迁移创造移动通道，使其往深层土壤迁移。

在农田土壤中，除了动植物影响微塑料在土壤中的迁移外，更应关注的是微塑料向植物体内的迁移转化。已有研究表明，微米级的微塑料可以被植物根部分泌的粘液截留吸附，但无法渗透表皮组织进入根细胞内，而亚微米级和纳米级的微塑料可以通过根系进入植物体，并运移到达植物的地上部分。有学者提出，直径与植物细胞壁孔（5～50 nm）相近的微塑料颗粒更容易被吸附和进入植物体内，但目前有关这方面的研究较少。因此关于农田土壤中微塑料向植物体内迁移及其可能产生的生理毒性有待进一步深入研究。

2.2重金属在农田土壤中的分布和迁移

重金属在土壤中的迁移主要包括水平方向和垂直方向，在迁移过程中还可能存在自身价态的变化等。我国农田土壤中重金属污染分布特征研究主要集中在表层土壤，而田间状态下的重金属垂直分布特征研究较少，但部分农作物，如玉米，其根系主要分布在0～50 cm土层中，但其根系长度可达60-80 cm，最高可达Im左右。因此，开展农田土壤重金属垂直分布特征研究同样重要。李沅蔚等研究发现黄河三角洲油田区0-50cm土层深度的农田土壤中重金属没有明显的垂直分布规律，但不同点位、不同污染物的污染状况各有特点。杨程程等研究发现辽河三角洲土壤中重金属元素在0-60 cm土层的湿地土壤中具有不同的规律，Cd含量随土层深度的增加先升高后降低，40-60 cm土层中含量最高，Cr和Zn表现出相反的规律，Pb含量随土层深度增加而降低，Cu无明显变化规律。屈吉鸿等发现铅锌产业区0-180 cm土层中Cd、As、Pb含量随土壤深度增加而减少，其他元素无明显变化规律。另外，0-20 cm土层中重金属元素的超标率最高，这表明工厂的存在对土壤重金属的含量和蓄积有一定的影响。

在土壤重金属的迁移转化方面，李晓晓等借助Citespace平台发现土壤中迁移转化的重金属主要集中于Cr、Cu、Pb、Zn和As。上官宇先等发现土壤中的重金属元素在自然淋溶状态下会发生垂直方向上的迁移转化，并且在不同类型土壤中迁移速率表现出不同特征，重金属的碳酸盐结合态和离子交换态等经过长时间淋溶后仍然具有较高的比例，这表明重金属在土壤中的生物有效性不会随着位置的迁移发生大的转变。此外，还需要关注重金属在土壤垂直方向上的迁移存在造成地下水和深层土壤污染的潜在风险。Yang等发现As、Cd和Pb可在污水灌溉区土壤发生垂直方向上的迁移，并导致深层土壤具有较高的生态风险，造成地下水污染：该研究还表明，由于该区域曾长期使用污水灌溉，虽然已经停止10年，但土壤中的重金属残留仍然可以造成小麦籽粒中重金属含量超标。这表明土壤中的重金属不仅可以在土壤中进行水平和垂直方向上的迁移，还可能被吸收利用向植物体内迁移。

尽管对土壤重金属的迁移转化已经做了大量研究，但其在土壤中迁移转化机理的研究应继续开展，而且要关注已经迁移到深层土壤中的重金属元素形态和环境行为，探寻修复或阻隔措施，避免由于重金属迁移而造成地下水污染。另外，要以降低重金属在土壤中的生物有效性为目的，深入探究土壤重金属的形态转化机理，减少农作物对重金属元素的吸收。

3微塑料与重金属的相互作用

由于微塑料具有较大的比表面积、疏水性、表面官能团等，因此微塑料被认为是环境中有机污染物、重金属、抗生素等物质的载体，且这些物质可在微塑料上富集。微塑料的物理形态（如表面积、粒径等）和丰度、重金属离子的形态和浓度等都可能是影响吸附量的因素。Gao等通过模拟海水环境，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环境中对Pb、Cu、Cd的吸附特征，结果表明PVC和PP塑料微粒对重金属的吸附率最高。吸附在微塑料上的重金属还有可能通过解吸作用再次释放到周围环境中，一定程度上微塑料可被认为是重金属的“汇”和“源”。

长期使用地膜的土壤中微塑料的丰度往往高于其他农田土壤，更容易对重金属元素产生富集作用。Li等发现PE微塑料薄膜对重金属Cu和Ni的吸附显著增加土壤中两种重金属元素的生物有效性和毒性。Zhou等从土壤中的微塑料顆粒中提取出不同含量的Cu、Cd、Pb等重金属元素，证明了微塑料对重金属的吸附特性。

老化微塑料显著增加对重金属等污染物的吸附。Mao等研究了Ps在不同条件（空气、纯水和海水）下的紫外辐照老化机理以及老化对重金属吸附的影响，结果表明老化可显著增加微塑料对重金属的吸附，Ps在紫外光照射下具有不同的特性，其中以在空气中老化最为明显，顺序为紫外空气>紫外海水>紫外纯水。A曲ilinas-rollahabadi等发现风化可通过改变微塑料的表面形态来增加其对重金属的吸附量，并且在雨水冲洗作用下，微塑料又可释放出先前吸附的重金属离子。Gao等发现经过海水老化后的Ps和PVC可增加对重金属的吸附。

除此之外，溶液pH值、温度、盐度、溶解性有机质、颗粒物等也影响微塑料对重金属的吸附。一般来说，在pH值<7的条件下，微塑料对重金属的吸附量随着pH值的增大而增加，而盐度和pH值对微塑料吸附Cu离子无影响。溶液温度对微塑料吸附重金属的影响存在争议，理论上取决于微塑料聚合物类型和目标污染物。溶解性有机质对微塑料吸附重金属的影响相当复杂，可能与微塑料的类型、溶解性有机质的性质以及目标污染物有关。自然环境中颗粒物对微塑料吸附行为的影响尚不清楚。目前，关于微塑料与重金属的互作研究主要基于水环境条件，由于土壤环境更为复杂，因此微塑料的吸附行为可能与在水中的吸附行为大不相同，需要进一步探究。

4问题与未来研究展望

土壤污染具有隐蔽性、累积性、滞后性和难治理等特点，这决定了土壤污染防治的艰巨性、复杂性和长期性。在农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态、来源、积累过程及毒性效应等方面。但相关研究并不充分：如土壤中微塑料的调查和检测缺乏统一标准，土壤中不同来源的微塑料贡献率不清楚等，且大多研究处在初步探索阶段，内容相对分散、缺乏系统性思考，还有土壤微塑料污染防控技术和模式欠缺、宏观决策体系空白。在农田土壤重金属污染和治理方面，我国虽然发布了《全国土壤污染状况调查公报》，也探索建立了一些科学的修复技术模式和措施，但仍存在农田土壤重金属污染底数不清及修复技术实用性差等问题。在土壤微塑料和重金属复合污染方面，土壤中微塑料与重金属间的作用机理尚不清晰，土壤中微塑料与重金属结合后的迁移转化机制、生态风险和人体健康风险尚不完全明确。基于此，未来需要开展如下研究：

（1）建立统一、规范的土壤微塑料采样和分析方法。制定统一的采样和分析方法是农田土壤微塑料研究的基础，有利于更好地开展技术合作与交流。

（2）加强农田土壤中微塑料的溯源研究。明确农田土壤中微塑料的来源和贡献，才能更好地从源头上防控微塑料污染。

（3）加强农田土壤中微塑料和重金属的迁移转化规律研究。明确农田土壤中微塑料和重金属的迁移转化规律，能更好地预测微塑料和重金属等污染物在土壤的归趋，为土壤污染防控技术研发提供理论支撑。

（4）加强农田土壤中微塑料和重金属的生态毒性效应和潜在生态风险研究。阐明土壤中微塑料与重金属的相互作用机制，明确土壤中微塑料与重金属结合后生态风险和人体健康风险，为政府制定农田土壤污染防控政策提供参考。

（5）加快制订农田土壤微塑料和重金属污染防治发展规划。要以健康土壤培育为目标，构建土壤微塑料和重金属污染防治体系，防治结合，消除微塑料和重金属对农产品与食品安全的威胁。