我國(guó)農(nóng)田土壤微塑料和重金屬污染現(xiàn)狀與研究展望

仲子文 李冰 李彥 李德偉 劉延美 顏曉 劉賓緒 劉兆東 王艷芹 孫斌 薄錄吉

摘要：土壤是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，健康的農(nóng)田土壤不僅是食品安全的基本要求，也是人類(lèi)健康的根本保障。目前關(guān)于農(nóng)田土壤中微塑料的研究尚處于起步階段，由于缺乏統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于農(nóng)田土壤微塑料豐度的報(bào)道差異較大。我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬含量總體上呈現(xiàn)明顯的南高北低、西高東低的分布規(guī)律，與微塑料污染有一定的耦合關(guān)系。微塑料對(duì)重金屬的吸附可使其產(chǎn)生富集效應(yīng)，可能增加其生物有效性和毒性。重金屬被吸附后可隨著微塑料進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，通過(guò)解吸作用向環(huán)境中釋放，造成更大范圍的污染。由于農(nóng)田土壤受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，微塑料和重金屬在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律及耦合后的毒性效應(yīng)需要進(jìn)一步探究。本文對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤中微塑料和重金屬的污染現(xiàn)狀、分布和遷移規(guī)律及兩者的作用關(guān)系進(jìn)行綜述，并對(duì)未來(lái)的研究方向做了展望，為農(nóng)田土壤中微塑料和重金屬污染防控提供一定參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤；微塑料；重金屬；污染防控

中圖分類(lèi)號(hào)：S154.4；X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2023）02-0165-08

土壤是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，它不僅關(guān)系到食品安全，同時(shí)也對(duì)生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等具有重要影響。我國(guó)是世界人口大國(guó)，在嚴(yán)守耕地保護(hù)紅線(xiàn)不動(dòng)搖的前提下，保障我國(guó)農(nóng)田土壤質(zhì)量安全具有十分重要的意義。有研究表明，微塑料已廣泛存在于世界各地的農(nóng)田土壤，土壤微塑料污染問(wèn)題已被列為環(huán)境與生態(tài)領(lǐng)域的第二大科學(xué)問(wèn)題。微塑料是一種直徑小于5 mm的塑料微粒，具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特性，其本身不僅是一種新型環(huán)境污染物，同時(shí)也是造成土壤污染的重要載體。此外，我國(guó)土壤重金屬污染問(wèn)題也同樣突出，《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂(yōu)。我國(guó)每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食達(dá)1 000多萬(wàn)噸，被重金屬污染的糧食每年多達(dá)1 200萬(wàn)噸，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失200億元以上。近年來(lái)，微塑料與重金屬的復(fù)合污染問(wèn)題也日益凸顯，增加了土壤污染防控的難度。

本文以“土壤：微塑料”和“土壤：重金屬”為主題詞，在中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）和Science Direct數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索和分析，由于Thompson等在2004年首次提出微塑料概念，所選文獻(xiàn)跨度為2004年1月1日-2022年12月31日（圖1），之前的研究大多集中在水環(huán)境中的微塑料污染，直到2014年各國(guó)科學(xué)家才陸續(xù)開(kāi)展對(duì)土壤中微塑料污染的研究。土壤中的重金屬一直以來(lái)都是研究的熱點(diǎn)，兩者自2015年以來(lái)的研究勢(shì)頭發(fā)展迅速。

相較于水體和大氣污染，土壤污染具有一定的隱蔽性、滯后性、積累性和不可逆性。因此，農(nóng)田土壤中重金屬和微塑料的污染現(xiàn)狀研究對(duì)于后續(xù)制定防控策略具有重要意義。本文在前人研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)我國(guó)農(nóng)田土壤中微塑料和重金屬的污染現(xiàn)狀、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及兩者相互作用，并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。

1農(nóng)田土壤微塑料和重金屬污染現(xiàn)狀

1.1農(nóng)田土壤微塑料污染現(xiàn)狀

目前農(nóng)田土壤微塑料研究仍處于起步階段，資料相對(duì)有限。總體而言，我國(guó)農(nóng)田土壤中微塑料豐度總體上呈現(xiàn)出不均衡、區(qū)域性強(qiáng)等特點(diǎn)（表1）：上海郊區(qū)、長(zhǎng)江下游流域、哈爾濱市以及杭州灣沿海平原的農(nóng)田土壤中微塑料污染狀況較輕，陜西省寶雞市及農(nóng)業(yè)區(qū)、山西省汾河沿岸、山東省壽光市以及武漢市的農(nóng)田土壤微塑料污染較重，這可能與人為農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)。研究表明，農(nóng)用地膜、有機(jī)肥和污泥的使用及農(nóng)田灌溉對(duì)農(nóng)田土壤中微塑料的產(chǎn)生具有重要影響。微塑料的組成也表現(xiàn)出不同差異，大多數(shù)微塑料以聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）等聚合物形態(tài)為主，微塑料的形狀主要以碎片、纖維和薄膜為主，少量顆粒和泡沫。

1.2農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀

在參考陳文軒等收集的2002-2019年間我國(guó)農(nóng)田土壤中7種重金屬含量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以張小敏等總結(jié)的農(nóng)田土壤中5種重金屬含量數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤中重金屬的分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。發(fā)現(xiàn)重金屬含量較高的農(nóng)田土壤主要集中在云南、貴州、湖南、四川、福建等省以及重慶市，7種重金屬總量最高可達(dá)256.47mg/kg；相比之下黑龍江、內(nèi)蒙古和江蘇等地的農(nóng)田土壤中重金屬含量相對(duì)較少。我國(guó)農(nóng)田土壤中重金屬含量總體上呈現(xiàn)出南高北低、西高東低的規(guī)律，這與《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中公布的結(jié)果吻合。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有農(nóng)田土壤重金屬數(shù)據(jù)與我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-2018）進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)（表2），我國(guó)農(nóng)田土壤中重金屬Cr的含量不超過(guò)80 mg/kg（圖2a），遠(yuǎn)低于GB 15618-2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（SRS，150 mg/kg），潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低；有6個(gè)省份的農(nóng)田土壤中Cd含量超過(guò)SRS值（圖2b），潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，需進(jìn)行關(guān)注；土壤中重金屬Pb的含量不超過(guò)55 mg／kg（圖2e），低于SRS值（70 mg/kg），潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低；土壤中重金屬Cu、Zn、As、Hg的含量均不超過(guò)SRS值（圖2d、e、f、g），潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低。總體來(lái)看，在目前調(diào)查的7種重金屬中，有6種重金屬（Cr、Pb、Cu、Zn、As、Hg）的含量均低于SRS值，表明這幾種重金屬發(fā)生潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的可能性均較低（除部分土壤過(guò)量富集外），而在部分農(nóng)田土壤中Cd含量有所超標(biāo)，可能存在潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，需要持續(xù)關(guān)注。

2農(nóng)田土壤中微塑料和重金屬的分布和遷移

2.1微塑料在農(nóng)田土壤中的分布和遷移

由于受農(nóng)用地膜、灌溉水、大氣沉降、有機(jī)肥施用等因素的影響，表層土壤中的微塑料豐度往往高于深層土壤。加之微塑料的生物降解性差，可在土壤中長(zhǎng)期存在，并隨著一系列的農(nóng)業(yè)活動(dòng)、土壤動(dòng)物移動(dòng)等方式在土壤中發(fā)生遷移。Yu等發(fā)現(xiàn)壽光市設(shè)施農(nóng)田土壤微塑料含量隨著土層深度的增加而減少，但直徑小于1 mm的微塑料在10-25 cm土層中的含量高于0-10cm土層，這可能是由于長(zhǎng)期耕作導(dǎo)致微塑料顆粒向下遷移的結(jié)果。微塑料在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化與其粒徑大小有直接關(guān)系。有研究表明微塑料的粒徑大小與其在土壤中的滲透深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，特別是在沙土中規(guī)律更為明顯。干濕循環(huán)可促進(jìn)微塑料在土壤中的垂直遷移，并且其遷移深度與干濕循環(huán)的次數(shù)有顯著相關(guān)性，而滲透液體積和表面微塑料豐度對(duì)其滲透的影響不明顯。

微塑料體積小、表面積大，很容易被各種土壤生物（主要是蚯蚓和跳蟲(chóng)）攜帶轉(zhuǎn)移，促進(jìn)其在土壤中的垂直移動(dòng)。有研究表明，蚯蚓和蚊子幼蟲(chóng)可以吞食微塑料，微塑料會(huì)在蚯蚓糞中產(chǎn)生富集，并且會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間存在。蚯蚓洞還可能成為微塑料垂直遷移的重要通道。土壤中的螨蟲(chóng)和彈尾蟲(chóng)的刮擦和咀嚼等行為可能導(dǎo)致微塑料重分布。另外，植物的根系伸展也可能影響土壤中微塑料的遷移。Li等發(fā)現(xiàn)玉米根部的生長(zhǎng)可能導(dǎo)致土壤中的微塑料顆粒向上移動(dòng)，而黑麥草則對(duì)其有一定的保持作用，這可能是由于盆栽試驗(yàn)中植物的根系比在自然條件下分布更密集。也有學(xué)者認(rèn)為植物根系生長(zhǎng)過(guò)程中一方面可以吸附攜帶微塑料移動(dòng)，另一方面會(huì)為微塑料的遷移創(chuàng)造移動(dòng)通道，使其往深層土壤遷移。

在農(nóng)田土壤中，除了動(dòng)植物影響微塑料在土壤中的遷移外，更應(yīng)關(guān)注的是微塑料向植物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化。已有研究表明，微米級(jí)的微塑料可以被植物根部分泌的粘液截留吸附，但無(wú)法滲透表皮組織進(jìn)入根細(xì)胞內(nèi)，而亞微米級(jí)和納米級(jí)的微塑料可以通過(guò)根系進(jìn)入植物體，并運(yùn)移到達(dá)植物的地上部分。有學(xué)者提出，直徑與植物細(xì)胞壁孔（5～50 nm）相近的微塑料顆粒更容易被吸附和進(jìn)入植物體內(nèi)，但目前有關(guān)這方面的研究較少。因此關(guān)于農(nóng)田土壤中微塑料向植物體內(nèi)遷移及其可能產(chǎn)生的生理毒性有待進(jìn)一步深入研究。

2.2重金屬在農(nóng)田土壤中的分布和遷移

重金屬在土壤中的遷移主要包括水平方向和垂直方向，在遷移過(guò)程中還可能存在自身價(jià)態(tài)的變化等。我國(guó)農(nóng)田土壤中重金屬污染分布特征研究主要集中在表層土壤，而田間狀態(tài)下的重金屬垂直分布特征研究較少，但部分農(nóng)作物，如玉米，其根系主要分布在0～50 cm土層中，但其根系長(zhǎng)度可達(dá)60-80 cm，最高可達(dá)Im左右。因此，開(kāi)展農(nóng)田土壤重金屬垂直分布特征研究同樣重要。李沅蔚等研究發(fā)現(xiàn)黃河三角洲油田區(qū)0-50cm土層深度的農(nóng)田土壤中重金屬?zèng)]有明顯的垂直分布規(guī)律，但不同點(diǎn)位、不同污染物的污染狀況各有特點(diǎn)。楊程程等研究發(fā)現(xiàn)遼河三角洲土壤中重金屬元素在0-60 cm土層的濕地土壤中具有不同的規(guī)律，Cd含量隨土層深度的增加先升高后降低，40-60 cm土層中含量最高，Cr和Zn表現(xiàn)出相反的規(guī)律，Pb含量隨土層深度增加而降低，Cu無(wú)明顯變化規(guī)律。屈吉鴻等發(fā)現(xiàn)鉛鋅產(chǎn)業(yè)區(qū)0-180 cm土層中Cd、As、Pb含量隨土壤深度增加而減少，其他元素?zé)o明顯變化規(guī)律。另外，0-20 cm土層中重金屬元素的超標(biāo)率最高，這表明工廠(chǎng)的存在對(duì)土壤重金屬的含量和蓄積有一定的影響。

在土壤重金屬的遷移轉(zhuǎn)化方面，李曉曉等借助Citespace平臺(tái)發(fā)現(xiàn)土壤中遷移轉(zhuǎn)化的重金屬主要集中于Cr、Cu、Pb、Zn和As。上官宇先等發(fā)現(xiàn)土壤中的重金屬元素在自然淋溶狀態(tài)下會(huì)發(fā)生垂直方向上的遷移轉(zhuǎn)化，并且在不同類(lèi)型土壤中遷移速率表現(xiàn)出不同特征，重金屬的碳酸鹽結(jié)合態(tài)和離子交換態(tài)等經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間淋溶后仍然具有較高的比例，這表明重金屬在土壤中的生物有效性不會(huì)隨著位置的遷移發(fā)生大的轉(zhuǎn)變。此外，還需要關(guān)注重金屬在土壤垂直方向上的遷移存在造成地下水和深層土壤污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。Yang等發(fā)現(xiàn)As、Cd和Pb可在污水灌溉區(qū)土壤發(fā)生垂直方向上的遷移，并導(dǎo)致深層土壤具有較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，造成地下水污染：該研究還表明，由于該區(qū)域曾長(zhǎng)期使用污水灌溉，雖然已經(jīng)停止10年，但土壤中的重金屬殘留仍然可以造成小麥籽粒中重金屬含量超標(biāo)。這表明土壤中的重金屬不僅可以在土壤中進(jìn)行水平和垂直方向上的遷移，還可能被吸收利用向植物體內(nèi)遷移。

盡管對(duì)土壤重金屬的遷移轉(zhuǎn)化已經(jīng)做了大量研究，但其在土壤中遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展，而且要關(guān)注已經(jīng)遷移到深層土壤中的重金屬元素形態(tài)和環(huán)境行為，探尋修復(fù)或阻隔措施，避免由于重金屬遷移而造成地下水污染。另外，要以降低重金屬在土壤中的生物有效性為目的，深入探究土壤重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理，減少農(nóng)作物對(duì)重金屬元素的吸收。

3微塑料與重金屬的相互作用

由于微塑料具有較大的比表面積、疏水性、表面官能團(tuán)等，因此微塑料被認(rèn)為是環(huán)境中有機(jī)污染物、重金屬、抗生素等物質(zhì)的載體，且這些物質(zhì)可在微塑料上富集。微塑料的物理形態(tài)（如表面積、粒徑等）和豐度、重金屬離子的形態(tài)和濃度等都可能是影響吸附量的因素。Gao等通過(guò)模擬海水環(huán)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環(huán)境中對(duì)Pb、Cu、Cd的吸附特征，結(jié)果表明PVC和PP塑料微粒對(duì)重金屬的吸附率最高。吸附在微塑料上的重金屬還有可能通過(guò)解吸作用再次釋放到周?chē)h(huán)境中，一定程度上微塑料可被認(rèn)為是重金屬的“匯”和“源”。

長(zhǎng)期使用地膜的土壤中微塑料的豐度往往高于其他農(nóng)田土壤，更容易對(duì)重金屬元素產(chǎn)生富集作用。Li等發(fā)現(xiàn)PE微塑料薄膜對(duì)重金屬Cu和Ni的吸附顯著增加土壤中兩種重金屬元素的生物有效性和毒性。Zhou等從土壤中的微塑料顆粒中提取出不同含量的Cu、Cd、Pb等重金屬元素，證明了微塑料對(duì)重金屬的吸附特性。

老化微塑料顯著增加對(duì)重金屬等污染物的吸附。Mao等研究了Ps在不同條件（空氣、純水和海水）下的紫外輻照老化機(jī)理以及老化對(duì)重金屬吸附的影響，結(jié)果表明老化可顯著增加微塑料對(duì)重金屬的吸附，Ps在紫外光照射下具有不同的特性，其中以在空氣中老化最為明顯，順序?yàn)樽贤饪諝?紫外海水>紫外純水。A曲ilinas-rollahabadi等發(fā)現(xiàn)風(fēng)化可通過(guò)改變微塑料的表面形態(tài)來(lái)增加其對(duì)重金屬的吸附量，并且在雨水沖洗作用下，微塑料又可釋放出先前吸附的重金屬離子。Gao等發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)海水老化后的Ps和PVC可增加對(duì)重金屬的吸附。

除此之外，溶液pH值、溫度、鹽度、溶解性有機(jī)質(zhì)、顆粒物等也影響微塑料對(duì)重金屬的吸附。一般來(lái)說(shuō)，在pH值<7的條件下，微塑料對(duì)重金屬的吸附量隨著pH值的增大而增加，而鹽度和pH值對(duì)微塑料吸附Cu離子無(wú)影響。溶液溫度對(duì)微塑料吸附重金屬的影響存在爭(zhēng)議，理論上取決于微塑料聚合物類(lèi)型和目標(biāo)污染物。溶解性有機(jī)質(zhì)對(duì)微塑料吸附重金屬的影響相當(dāng)復(fù)雜，可能與微塑料的類(lèi)型、溶解性有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)以及目標(biāo)污染物有關(guān)。自然環(huán)境中顆粒物對(duì)微塑料吸附行為的影響尚不清楚。目前，關(guān)于微塑料與重金屬的互作研究主要基于水環(huán)境條件，由于土壤環(huán)境更為復(fù)雜，因此微塑料的吸附行為可能與在水中的吸附行為大不相同，需要進(jìn)一步探究。

4問(wèn)題與未來(lái)研究展望

土壤污染具有隱蔽性、累積性、滯后性和難治理等特點(diǎn)，這決定了土壤污染防治的艱巨性、復(fù)雜性和長(zhǎng)期性。在農(nóng)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態(tài)、來(lái)源、積累過(guò)程及毒性效應(yīng)等方面。但相關(guān)研究并不充分：如土壤中微塑料的調(diào)查和檢測(cè)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，土壤中不同來(lái)源的微塑料貢獻(xiàn)率不清楚等，且大多研究處在初步探索階段，內(nèi)容相對(duì)分散、缺乏系統(tǒng)性思考，還有土壤微塑料污染防控技術(shù)和模式欠缺、宏觀決策體系空白。在農(nóng)田土壤重金屬污染和治理方面，我國(guó)雖然發(fā)布了《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，也探索建立了一些科學(xué)的修復(fù)技術(shù)模式和措施，但仍存在農(nóng)田土壤重金屬污染底數(shù)不清及修復(fù)技術(shù)實(shí)用性差等問(wèn)題。在土壤微塑料和重金屬?gòu)?fù)合污染方面，土壤中微塑料與重金屬間的作用機(jī)理尚不清晰，土壤中微塑料與重金屬結(jié)合后的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)尚不完全明確?；诖?，未來(lái)需要開(kāi)展如下研究：

（1）建立統(tǒng)一、規(guī)范的土壤微塑料采樣和分析方法。制定統(tǒng)一的采樣和分析方法是農(nóng)田土壤微塑料研究的基礎(chǔ)，有利于更好地開(kāi)展技術(shù)合作與交流。

（2）加強(qiáng)農(nóng)田土壤中微塑料的溯源研究。明確農(nóng)田土壤中微塑料的來(lái)源和貢獻(xiàn)，才能更好地從源頭上防控微塑料污染。

（3）加強(qiáng)農(nóng)田土壤中微塑料和重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究。明確農(nóng)田土壤中微塑料和重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，能更好地預(yù)測(cè)微塑料和重金屬等污染物在土壤的歸趨，為土壤污染防控技術(shù)研發(fā)提供理論支撐。

（4）加強(qiáng)農(nóng)田土壤中微塑料和重金屬的生態(tài)毒性效應(yīng)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究。闡明土壤中微塑料與重金屬的相互作用機(jī)制，明確土壤中微塑料與重金屬結(jié)合后生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，為政府制定農(nóng)田土壤污染防控政策提供參考。

（5）加快制訂農(nóng)田土壤微塑料和重金屬污染防治發(fā)展規(guī)劃。要以健康土壤培育為目標(biāo)，構(gòu)建土壤微塑料和重金屬污染防治體系，防治結(jié)合，消除微塑料和重金屬對(duì)農(nóng)產(chǎn)品與食品安全的威脅。