新疆棉田微塑料污染现状、影响及治理技术

师勇强，王琼，董栋，李威，郭笑盈，张若宇，马雄风*

（1.棉花生物育种与综合利用全国重点实验室郑州大学基地/ 郑州大学生态与环境学院，郑州450000；2.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物育种与综合利用全国重点实验室/棉花生物育种及产业技术国家工程研究中心，河南 安阳455000；3.中国农业科学院西部农业研究中心，新疆 昌吉831100；4.融通农业发展（麦盖提）有限责任公司，新疆 喀什844600；5.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子832061）

20 世纪70 年代， 中国引入地膜覆盖栽培技术，通过改善土壤水分和温度条件，增强微生物活性，进而增加土壤肥力，并有效地抑制了杂草和病虫害，使得作物产量显著提高[1-2]。地膜引进后，由于其独特优势被广泛应用，目前中国的地膜使用量高居全球之首。 截至2019 年，中国农作物地膜覆盖面积达2 000 万hm2以上， 地膜年使用量超过150万t，占全球年地膜使用总量的90%左右[3-4]。 新疆作为中国的棉花主产区，2021 年植棉面积达250.61 万hm2， 占全国棉花种植面积 （302.81 万hm2）的82.76%[5-7]。早在20 世纪80 年代，新疆便开始将使用农膜覆盖作为棉花增产的手段，随着农膜逐步推广，其使用量日渐增多，目前新疆的地膜使用量和覆盖量位居全国首位[8]。 常用农膜主要是化工合成的高分子聚合物， 如聚乙烯（polyethylene,PE）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC）、聚丙烯（polypropylene,PP）、聚苯乙烯（polystyrene,PS）等，在土壤中约需200～400 年才能降解[9-12]。由于长年使用地膜，新疆棉田土壤中累积了大量残膜[5，13]，残膜在物理、化学、生物因素等作用下进一步破碎、氧化与分解，进而产生了大量的新型污染物——微塑料[14]，污染持续加剧。

微塑料主要是指在环境中粒径小于5 mm 的微小塑料颗粒[15-16]。近年来，陆地系统中农业土壤的微塑料污染逐渐受到关注。 研究表明，中国不同地域、不同种类作物农田的微塑料丰度、尺寸、形态、优势种类存在较大差异， 其中PE 和PP 是主要成分[17-20]。微塑料存在于农业土壤中，会改变土壤的理化性质[21-22]，并对作物种子萌发出苗和生长产生不利影响[17，23]。 由于新疆棉田长期覆膜、回收率低，微塑料在棉田土壤中积累，导致目前新疆棉田环境微塑料污染严重， 其对土壤与作物的危害逐渐凸显，从多尺度威胁土壤- 植物生态系统的健康[5，24-25]，制约着绿色农业的健康发展。 基于此背景，对新疆棉田农膜源微塑料污染现状进行论述，总结分析农膜源微塑料污染对棉田土壤和棉花生长的影响和危害，归纳目前土壤微塑料的提取分离、检测分析和治理技术，以期为解决全国农膜源微塑料污染问题提供参考。

1 新疆棉田微塑料污染现状

2019 年，新疆地膜使用量达24.27 万t，已成为全国地膜使用量、覆盖量最大的地区，但地膜回收率不高，残留污染极为严重[5，13]。 由于地膜的特性和低回收率，土壤中长期存在的大量残膜不断老化和断裂，导致新疆棉田微塑料增加[26-27]。

1.1 棉田微塑料的形态、类型分布

微塑料以多种种类、形态、颜色和尺寸存在于棉田土壤中。根据现有研究结果，新疆棉田微塑料主要来源于地膜碎片[28]，主要类型为PE 和PP[24-25，28-30]，还有少量的PS 和PVC 等[29]。 棉田中微塑料的形态有薄膜状[5，24-25，28]、碎片状[5，29-30]、纤维状[5，25，28，30]、颗 粒状[30]和 发 泡 类[5]等，颜 色 大 多 为 白 色 透 明[5，25，28-29]，黑色[5]、黄色[5]、蓝色[25]、红色[25]和其他颜色[5]占比较小。棉田微塑料大多粒径较小。例如：苟燕如[5]和Li等[29]分别对玛纳斯河植棉区和新疆其他主要农区（包括植棉区） 的微塑料分析发现， 粒径＜0.5 mm的微塑料占比最大；类似地，Li 等[28]调查发现，乌鲁木齐周边农田（包括棉田）土壤中微塑料的主要尺寸＜1 mm（0.2～＜1.0 mm）。 Hu 等[30]对新疆阿拉尔市棉田微塑料的分析结果显示，碎片和颗粒状微塑料的平均尺寸分别为1.63 mm 和0.14 mm，纤维状微塑料的宽度为5～20 μm，长度可达0.2 ～2.0 mm。 此外，多项研究表明，微塑料的尺寸与覆膜年限有显著的负相关关系，即随着覆膜年限的增加，微塑料的尺寸逐渐减小。例如，Zhang 等[24]的研究结果表明尺寸为1～5 mm 和0.2～0.5 mm 的微塑料分别在连续覆膜少于10 年和超过10 年的棉田土壤中占主导地位。 Liu 等[25]调查了新疆干旱地区不同覆膜年份（0、7、17 和32 年）的棉田微塑料，发现覆膜7、17 和32 年的棉田中微塑料的平均尺寸分别为1.47±0.20 mm、1.28±0.06 mm 和1.08±0.07 mm。 综上， 新疆棉田微塑料主要源于地膜碎片，主导类型为PE 和PP，大多以小尺寸（＜1 mm）的薄膜、碎片、纤维、颗粒的形态存在，颜色以白色透明的占比最大。 此外，微塑料的尺寸与覆膜年限存在显著的负相关关系。

1.2 棉田微塑料的丰度和地域分布

1.2.1棉田微塑料的丰度。 随着残膜破碎分解，土壤中微塑料的丰度逐渐增加。 苟燕如[5]对新疆玛纳斯河棉田土壤调查发现， 微塑料丰度范围为1 565.94～3 560.66 个·kg－1。 Li 等[29]对新疆主要农区（包括棉区）微塑料的调查结果表明，微塑料丰度范围为288～1 452 个·kg－1，平均丰度为899 个·kg－1。 Meng 等[31]调查新疆石河子市棉田微塑料丰度发现，0 ～30 cm 耕层中微塑料数量范围为4.61×106～20.16×106个·hm－2， 质 量 范 围 为43.5～148.0 kg·hm－2；戚瑞敏[32]的调查结果显示，新疆长期种植农区（包括棉区）土壤中微塑料的丰度为33 195±7 796 个·kg－1。 Xu 等[33]调查新疆覆膜30 年的棉田发现，深度为0～60 cm 土壤中的微塑料平均丰度为7 851±2.57 个·kg－1。

1.2.2棉田微塑料的垂直分布。微塑料的垂直分布可能由于作物轮作、浸出、径流或生物和机械干扰等出现差异[28]，新疆棉田微塑料主要集中在0～30 cm 耕层，例如Li 等[28]对乌鲁木齐周边农田（包括棉田） 微塑料的调查结果显示，0～＜10 cm（1 822±1 345 个·kg－1）、10～＜20 cm （1 566±1 139 个·kg－1）和20～30 cm（1 309±1 028 个·kg－1）土层中的微塑料丰度没有显著差异，表明微塑料可能受到耕作扰动而迁移到更深的土层。同样地，Hu等[30]对新疆阿拉尔市棉田微塑料的分析发现，长期覆盖棉田的微塑料主要集中在0～30 cm 土层，平均丰度为1 615.0±5.2 个·kg－1。 Zhang 等[24]对新疆棉田各土层的微塑料调查发现， 覆膜不到5 年的0～＜25、25～＜35 和35～60 cm 土层中微塑料的平均丰度分别为586、557 和471 个·kg－1，覆膜5～10 年的分别为1 767、1 433 和1 252 个·kg－1，覆膜10～20 年的分别为8 583、6 667 和2 187 个·kg－1，覆膜超过20 年的分别为12 500、10 500 和6 125个·kg－1。 该结果表明，棉田中的微塑料含量随着土层的加深而显著减少，主要是由于耕作深度集中在较浅的土层（0～＜25 cm），这与上述Li 等[28]和Hu等[30]的结果基本相同。

1.2.3覆膜年限与微塑料丰度的关系。除微塑料的垂直分布显示出差异外，Zhang 等[24]的研究结果表明随覆膜年限的增加，微塑料在各耕层中的丰度也逐渐增加。 同样地，Huang 等[34]通过调查新疆石河子市棉田中的微塑料发现， 随地膜使用年限的增加，农田土壤中微塑料的丰度也呈倍数增长，连续使用地膜15 年、24 年检测出的微塑料丰度分别是连续使用地膜5 年的3.84 倍、13.39 倍。孙霞等[35]发现北疆典型植棉区土壤中微塑料丰度范围为1 565～3 560 个·kg－1， 微塑料丰度随着覆膜年限的增加呈现升高趋势，土壤微塑料污染指数也随覆膜年限的增加而增加， 微塑料污染等级已达重度。以上结果表明，新疆棉田微塑料的丰度随着覆膜年限的增加而增加，甚至呈倍数增长，微塑料污染指数也与覆膜年限呈显著正相关。

1.2.4棉田微塑料的地域分布。与中国其他典型农业地区相比，新疆主要农区土壤中微塑料丰度处于中等水平，而与世界其他地区相比，则处于较高水平[29]。 胡佳妮[36]的调查结果显示，华北、华中、华东和西北的新疆地区土壤微塑料丰度普遍较高，而西南地区总体丰度较低。 据调查，北疆区域0～30 cm耕层中平均残膜量为233.45 kg·hm－2，而南疆区域平均残膜量为219.15 kg·hm－2， 南疆比北疆 低14.30 kg·hm－2[37]，由于残膜是微塑料的主要来源，因此推测北疆的微塑料丰度比南疆大。Li 等[29]对新疆30 个农田区微塑料的调查结果证实了这一点。此外，Li 等[28]的研究也发现乌鲁木齐北部地区土壤微塑料的丰度高于南部，平均丰度高达5 358±3 232 个·kg－1，约为南部（995±549 个·kg－1）的5倍， 其中北部棉田微塑料丰度最高达9 520±75 个·kg－1。

综上，诸多研究结果表明，随着覆膜年限增加，微塑料逐年积累， 已在新疆棉田中达到较高的丰度，尤其是北疆，微塑料造成的农业环境危害将逐年加重。

2 微塑料对棉田环境的影响和危害

2.1 微塑料对土壤的影响

由于具有高稳定性和难降解性，农膜能长期存在于棉田土壤，破坏土壤结构，改变土壤的理化性质[38]。 此外，农膜经过长时间耕作、紫外光照射、风化、微生物分解等途径降解形成微塑料，将加剧对棉田土壤的危害。 由于微塑料比表面积大、疏水性强、具备吸附能力，会对土壤孔隙、结构、容重、持水能力等产生影响[39]。 de Souza 等[40]发现聚酯类微塑料可显著降低土壤水稳性团聚体含量，进而降低土壤微生物多样性；根据Wan 等[41]的研究，粒径为2 mm、5 mm 的PE 可加快水分蒸发， 降低土壤的持水能力， 且蒸发率随微塑料剂量的升高而增加；Liu 等[42]研究发现微塑料添加水平较高时，对土壤可溶性有机质的影响较明显；Wang 等[43]发现随着薄膜碎片的增加， 土壤碳、 氮的生物量显著下降；Yu 等[44]研究显示微塑料会降低土壤营养元素（N、P、K）和可溶性有机碳、有效磷、有机氮等营养成分的含量；Liu 等[45]应用13C 标记技术研究发现，1%（质量分数，下同）和5%的PE 微塑料处理显著降低了植物-土壤系统中的净固定13C， 且1%PE 微塑料降低了土壤氮的有效性（无机氮和有机氮含量）。除改变土壤理化性质外，释放到土壤环境中的微塑料因含有大量增塑剂、阻燃剂等，还会降低微生物活性和多样性[46]。 例如，Xing 等[47]关于不同覆盖年限残膜对新疆棉田土壤微生物多样性影响的调查结果显示，当覆膜年限增加到25 年时，农膜和微塑料的残留量增加，减少了土壤细菌群落的多样性，降低了变形杆菌和弯曲杆菌的相对丰度；同样地，Liu 等[45]发现5%PE 微塑料处理降低了土壤微生物群落多样性，改变了微生物群落结构。

综上，残留在棉田中的微塑料会对土壤产生各种危害，影响其理化性质、微生物群落多样性和水分、养分输送，降低其保水保肥能力，进而对棉花生长造成不良影响。

2.2 微塑料对棉花生长的危害

由于残膜碎片影响， 棉花种子萌发出苗缓慢，出现弱苗、残苗甚至无法出苗等现象。 碎片与土壤混杂，致使根系下扎困难，造成棉花根茎弯曲生长，降低其对水分和养分的吸收[48]。 残膜通过降低出苗质量、影响根系正常发育，从而抑制后期棉花植株的生长，造成棉花花铃减少、脱落增加，降低棉花产量水平[49]。 例如，Wen 等[50]关于棉田残膜含量对棉花影响的研究得出，残留塑料膜抑制棉花根系生长，减少植物生物量积累，降低籽棉产量，削弱棉田碳汇，且这些指标与残膜含量呈显著负相关。 随覆膜年限增加，残膜产生的微塑料在棉田中达到较高丰度时势必会对棉花产生危害作用。 根据张浩等[51]的研究，添加1%高密度聚乙烯（high density polyethylene,HDPE） 微塑料致使棉花枯萎病的发病率达到33.3%， 与对照组相比发病率提高了33.2%；HDPE 降低了棉花根际土壤细菌在门和属水平上的组成数量，显著抑制了棉花生长，表明HDPE 通过改变棉花根际细菌群落、相互作用与功能代谢进而抑制棉花生长，导致枯萎病加重发生。 He 等[52]研究了粒径分别为450～600 μm 和＜355 μm 的可生物降解微塑料聚乳酸（polylactic acid,PLA）＋聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯 （polybutylene adipate terephthalate,PBAT） 的渗滤液对于棉花种子萌发的影响，发现氧化物含量（如丙二醛和过氧化氢）和酶活性（如过氧化氢酶）出现波动，但波动较轻微，表明在萌发过程中棉花种子对微塑料渗滤液产生了轻微的氧化应激。 另外，地膜降解过程中会释放增塑剂双酚A、邻苯二甲酸酯和重金属等有毒有害物质，直接作用于棉花，或通过改变土壤理化性质、增加有害微生物数量间接对棉花造成危害，阻碍其正常的生长发育[12]。

目前关于微塑料对棉花影响的相关研究甚少，未来可从微塑料对棉花种子萌发、幼苗生长、根系发育、产量等的影响方面开展深入研究，并探讨微塑料对棉花的毒害机理。

3 微塑料分离检测与治理技术

3.1 分离与检测技术

微塑料的分离与检测是监测棉田微塑料的必要技术，为其有效治理提供基础信息。

3.1.1分离技术。当前微塑料分离技术主要有筛分法[53-54]、密度浮选分离法、加压流体萃取法。 筛分法操作简单，无需对土壤样品进行前处理；但该法得到的微塑料纯度不高，且回收率较低。 密度浮选分离法是最常用的土壤微塑料分离方法[53，55]，利用微塑料、土壤和水或盐溶液的密度差实现分离[18，56]；但该法也存在一些不足，如分离过程较复杂、耗费时间长，且对高密度微塑料的回收率不高。 加压流体萃取法是指在亚临界温度和压力下[56]，将处理后的土壤样品加入密闭萃取仪中，使其中的有机溶剂与土壤充分接触并将土壤中的有机污染物提取到有机溶剂中。 该法适用于萃取粒径在30 μm 以下的微塑料，但可能会改变微塑料的形态结构，影响微塑料的检测分析。 综上，已有的微塑料提取分离方法均具有一定弊端，目前还未建立土壤微塑料提取分离的统一方法和标准， 未来仍需寻求更高效、经济的微塑料分离方法。

3.1.2检测技术。当前的微塑料检测分析主要方法有目视检测法、光谱分析法、热分析方法。

目视检测法指通过肉眼观察大粒径微塑料（1～5 mm） 以及借助显微镜或扫描电镜等鉴定小尺寸微塑料（＜1 mm）。 该法可获得微塑料的表面形貌、结构等特征，但得到的有效信息较少，难以对微塑料进行定性和定量分析；因此，建议将其与其他检测分析方法联用，以更有效地对微塑料进行检测分析。

光谱分析法中的傅里叶变换红外光谱（Fourier transforminfraredspectrum,FTIR）和拉曼光谱（Raman spectrum）法是最常见的微塑料检测方法，能够对微塑料的形态特征、类型、丰度等进行鉴定[57]。FTIR的尺寸分辨率较低， 但其光谱质量不受荧光的影响，更适于土壤微塑料的识别[58]。将FTIR 得到的微塑料光谱与标准图谱进行比对，可识别特定的微塑料。 FTIR 包括衰减全反射模式（attenuated total reflection-FTIR,ATR-FTIR）、漫反射模式和透射模式[59]。 ATR-FTIR 适合厚度不均匀样品，主要分析500 μm 以上的微塑料； 漫反射模式适于不透明微塑料；透射模式则适合检测薄膜状微塑料[59]。 FTIR分析法也有弊端，例如结果会受到微塑料形状和颜色的影响，且只能分析20 μm 以上的微塑料。 拉曼光谱法将得到的微塑料特征光谱与标准图谱比较，可高效准确地识别微塑料的成分。 与FTIR 相比，拉曼光谱不受颗粒形状、大小的影响，但分析时间较长，且容易受到荧光的干扰，导致识别困难[60]。此外，这2 种方法均易受到土壤中有机质含量的干扰，因此在鉴定前须对样品进行纯化前处理[61]。

热分析方法主要包括3 种： 热解- 气相色谱-质谱（pyrolysis-gas chromatography-mass spectrum,Py-GC-MS）、 热重分析- 质谱（thermogravimetric analysis-MS,TGA-MS）和热萃取解吸- 气相色谱-质谱（thermal extraction-desorption-GC-MS, TEDGC-MS）[62]。 Py-GC-MS 是先将微塑料热解，再通过GC 分离热解后的微塑料， 最后利用MS 进行鉴定和定量分析[56]。TGA-MS 是通过不同微塑料的质量损失与温度或时间的关系对微塑料进行识别。TED-GC-MS 则是将TGA 与固相萃取热解吸相结合，快速对微塑料进行定性和定量分析[63]。 然而，这3 种方法均需热解， 可能会破坏微塑料的结构，导致无法鉴定微塑料的形态结构等物理特征。

单一的检测分析方法往往不能很好地对微塑料进行鉴定，因此目前多采用2 种或多种鉴定方法联用，以获得更多的有效信息。

3.2 治理技术

3.2.1微塑料的生物降解。虽然棉田中的微塑料能在土壤中长期存在，但仍能被某些细菌、真菌、酶、动物降解，且由于生物降解的环境效益高，所以具有较好的发展前景。微塑料的微生物降解主要分为表面降解、解聚、同化和矿化4 个阶段[64]，发挥作用的微生物首先在微塑料表面聚集， 进行表面降解，改变微塑料的物理化学性质，接下来分泌酶等物质将微塑料解聚成低聚物或单体，再经过同化和矿化作用最终将微塑料转化为CO2、水和其他无害的产物。 Auta 等[65]用芽孢杆菌和红球菌降解PP 微塑料40 d 后，能使其质量分别减少6.4%和4.0%，并且其表面出现明显的孔隙和裂纹；Navinchandra 等[66]利用铜绿假单胞菌降解PS-PLA 纳米复合材料，降解率最高可达10%；Wufuer 等[67]从棉田中分离出的冷孢杆菌（Peribacillus frigoritoleransS2313）能够有效降解PBAT 膜，在氮源、pH 和接种量的优化条件下， 该菌株在8 周内对PBAT 膜的降解率可达12.45%；此外，Idowu 等[68]的研究显示，在无添加剂的情况下，2 种真菌（黄曲霉MCP5 和黄曲霉MMP10）可以使用低密度PE 作为氮和碳源。

近年来有研究发现，一些昆虫能够吞食降解微塑料，例如黄粉虫、黑粉虫、大麦虫、大蜡螟、弹尾虫和印度谷螟等[69]，这些土壤动物是通过体内的微生物降解微塑料。 一些研究也显示，可以将某些动物肠道内具有微塑料降解能力的微生物分离出来，例如从蜡螟肠道内分离出了能够降解HDPE 微塑料的黄曲霉菌[70]，从粉虫的肠道可分离得到降解PS微塑料的微杆菌[71]。

土壤中微生物种类繁多， 且存在相互作用，因此可将2 种或多种微生物混合达到共同降解微塑料的目的。目前的研究也多倾向于利用微生物群落降解微塑料[72]。 综上，通过生物降解治理微塑料污染已取得一定进展， 但目前发现的微生物对微塑料的降解率仍然较低，未来仍需探索高降解率的生物降解新技术。

3.2.2微塑料的植物富集和吸收。 连加攀[73]采用激光共聚焦显微镜观察到40 nm 的PS 塑料小球被小麦根部吸收，并向上转移。 类似地，李连祯等[74]研究证明，生菜不仅能吸收微塑料，还可将其运输、积累和分布在茎叶之中；Jiang 等[75]通过激光共聚焦扫描显微镜观察证实，100 nm PS 纳米塑料进入蚕豆根部，可能堵塞细胞连接或细胞壁孔隙，并破坏营养物质的运输，导致毒性效应。不同电荷、不同粒径的纳米塑料对作物的作用部位不同，例如孙晓东[76]使用共聚焦显微镜发现带负电的PS 纳米塑料被吸收到成熟区的木质部和中柱附近， 而带正电的PS纳米塑料大多分布在根表面和根毛上，主要原因是带正电的纳米塑料能使植物分泌更多的黏液，以捕获吸附纳米颗粒使其不容易被转移至植物根内部，而带负电荷的纳米颗粒诱导植物分泌黏液的作用不强，更易被植物吸收至内部[77]。 Vera 等[78]发现纳米塑料可进入烟草细胞内部，粒径为20 nm 和40 nm的PS 纳米塑料会被植物根部吸收，而较大粒径（100 nm）的PS 纳米塑料未被吸收，说明小粒径的微塑料更易被植物摄取。

根据先前研究， 环境中的微塑料尤其是小粒径、带负电的颗粒可能会被植物吸收，因此推测棉田土壤中含有微塑料时，棉株具有吸收并富集微塑料的可能性。 如果是这样，那么将吸收微塑料的棉株从土壤中分离，并对棉秆进行资源化利用，可以达到减少棉田土壤微塑料的目的。例如：在工业上，采用棉秆造纸、木板、高密度纤维板、隔音板等；在能源方面，将棉秆进行热解，并利用热解产物生产乙醇和生物发电等[79]；还可将棉秆压制成草砖，用于调节室内湿度，起到保温节能的作用[80]。 这一可能性为降低土壤环境中微塑料的丰度、治理微塑料污染提供了1 种新思路。

4 展望

关于农膜源微塑料的相关研究，未来可从以下几个方面展开探索：（1） 开展农膜源微塑料在全国棉花种植区域的种类、粒径、形态结构、分布特征、丰度等的相关调查。 （2）探究农膜源微塑料对棉花种子萌发、幼苗生长、根系发育、产量水平等相关形态学指标和生理指标的影响。 （3）通过分析农膜源微塑料对土壤物理化学性质、微生物群落、代谢物、棉花生长等产生的不良影响，阐明农膜源微塑料对棉花的毒性作用机理。（4）建立微塑料采集、提取分离、检测、鉴定分析的统一方法和标准。 （5）以微生物降解、 植物吸收微塑料的生物处理思路为基础，探究更加高效、经济的微塑料污染治理技术，通过棉花富集微塑料并进一步将已富集或吸收微塑料的棉株进行资源化利用，达到治理微塑料污染的目的。