微塑料(粒径在1 μm~5 mm范围的塑料^[1])因其分布广泛^{[2, 3]}、尺寸微小^[4]和降解速度缓慢, 且对有害物质具有吸附与释放效应^[5~7], 可对环境中的植物生长^[8]、动物繁殖^[9]和人类健康^[10]等带来显著影响.陆地生态系统作为人类的主要聚集地^[11], 是环境中微塑料的最大来源^[12], 因此了解微塑料在陆地系统的空间分布变得极其重要.土壤中微塑料来源广泛^[13], 主要包括垃圾填埋^[14]、污水灌溉^[15]、道路径流^[16]和大气沉降等途径^{[17, 18]}.有研究表明, 不同微塑料在降解和老化过程中表面吸附特性的改变, 可影响重金属、抗生素等物质在土壤中的积累和转化特征^{[19, 20]}, 具有较强的毒性和环境污染风险.然而, 各区域土壤微塑料的本底值及组分特征仍缺乏系统性基础数据, 极大制约了田间土壤微塑料环境风险定量化评价.

黄土高原(面积为6 300万hm²)是中国人口聚集地之一, 同时也是农业活动中心^[21], 除了受城市和村庄的日常生活污水、垃圾排放和交通等塑料污染以外, 黄土高原约有640万hm²的耕地和130万hm²的苹果园(占全国苹果产量的57%)^{[22, 23]}, 每年约消耗130 kg·hm^-2左右的塑料^[24].然而目前只有少数案例研究了黄土高原地区耕地表土或土壤剖面中的微塑料丰度, 而对不同土地利用方式下, 微塑料的丰度和形态特征分布知之甚少.不同土地利用类型中微塑料的主要来源差异较大, 如耕地土壤中微塑料的来源主要是地膜等农用塑料垃圾, 苹果园土壤中微塑料的来源主要是反光膜和苹果套袋等塑料垃圾, 而垃圾场土壤主要是居民生活所产生的生活塑料垃圾, 可直接影响土壤中微塑料的丰度、组成和形态特征, 进而影响微塑料在不同土壤环境中的积累和老化程度.因而, 本研究通过采集黄土高原王东沟流域耕地、苹果园和垃圾场的土壤样品, 利用激光红外成像系统对土壤中微塑料的丰度、组成和形态特征进行检测鉴定, 对比耕地、苹果园和垃圾场这3种不同土地利用方式下土壤中微塑料的差异, 探讨不同土地利用类型对微塑料分布的影响, 以期为研究不同土地利用类型下微塑料的降解、迁移和防治提供科学依据.

王东沟流域位于中国陕西省长武县黄土高原的西南角(北纬35°13′~35°16′, 东经107°40′~107°42′, 海拔1 220 m), 流域面积为8.3 km², 是典型的高塬沟壑区.主要地貌类型包括：塬(坡度＜0.5°)、坡(多数坡度>40°)和沟, 各占流域面积的30%左右(27.7%、36.4%和35.9%).塬面海拔约1 220 m, 沟底最低海拔约940 m, 海拔高度相差280 m.王东沟流域在人口密集的村庄、农田、果园、交通道路和梯田等各种组合的影响下, 成为一个小型的以家庭为单位的现代化农业人类聚集区域.

本研究于2018年8月在王东沟流域13个不同土地利用方式的土壤样本进行采集, 采样点分布如图 1所示.其中, 苹果园和耕地面积占比较大, 故各类型土地均采集5个土壤样品, 而村边沟头垃圾场面积占比较小, 主要于居民生活区附近的垃圾堆砌点采集土壤, 共采集3个土壤样品.在每个采样点, 用钻头随机采集0~20 cm表层土壤6个土样(沉积物采集表层土壤的5 cm).然后将6个土壤(沉积物)样品充分混合, 然后放置于铝盒中, 风干之后进行实验.

图 1

Fig. 1

图 1 王东沟流域采样点分布示意 Fig. 1 Soil sampling sites in the Wangdonggou catchment

将所有风干后的土壤样品过1 mm筛, 并分别称取100 g的土壤于小铝盒中, 然后采用改进后的密度离心法对微塑料进行提取^{[25, 26]}.首先, 将一个400 mL的小烧杯置于2 L大烧杯内, 并倒入250 mL的氯化钠溶液(1.2 g·cm^-3), 而后倒入100 g土壤样品, 并立即通过吸水泵(NS160, 广东闽江水族实业有限公司)将剩余的500 mL氯化钠溶液以3.33 L·min^-1的流速吸入400 mL的烧杯中.经玻璃棒充分搅拌之后, 将烧杯内的上层悬浮液和溢出到外层大烧杯中的混合物合并(NaCl溶液和悬浮颗粒), 用双层滤纸过滤, 冲洗, 并干燥.之后用NaI溶液(1.8 g·cm^-3)反复冲洗烧杯中的干燥样品至离心管, 直到烧杯干净, 而后以6 000 r·min^-1转速离心10 min, 重复3次.将离心后的上层悬浮液分别过滤, 自然干燥滤膜, 再用非塑料刷将滤膜上的样品刷入250 mL烧杯中.按1 ∶2的比例加入FeSO₄催化剂和H₂ O₂溶液, 反应2 h以去除有机物.完成后向烧杯中加满蒸馏水, 静置3 h以确保密度分离充分完成.然后再次过滤上层悬浮液, 并对滤膜进行干燥, 并再次使用非塑料刷将滤膜上的微塑料刷入烧杯, 之后用无水乙醇清洗烧杯.将清洗烧杯的溶液收集并倒入15 mL的玻璃瓶中, 通过氮气反复吹扫蒸发, 获取微塑料浓缩样品.

在实验过程中, 所有玻璃容器均用蒸馏水彻底冲洗以避免污染.同时, 设置3个空白对照组(不添加土壤样品)进行实验.实验之后3个空白对照中的微塑料平均丰度低于采样土壤中微塑料平均丰度的1.6%.此外, 为测定实验操作过程中微塑料的回收率, 本研究采用随机数量的两种不同粒径的聚苯乙烯荧光微球(50~70 μm和500~840 μm)进行对照, 使用配有外置荧光的立体显微镜(SMZ25, Nikon, Japan)对其提取实验前后的丰度进行统计, 其回收率为60%.

通过激光红外成像系统(Agilent 8700 LDIR)和Clarity软件分析各样品中微塑料的丰度、组成以及形态特征.本研究测定的微塑料形态特征属性主要包括：直径、宽度、高度、面积、偏心度、实心度和圆度.其中, 直径属性表示微塑料颗粒的大小, 偏心度表征微塑料颗粒的形状(如, 圆球状微塑料的偏心度为0, 当偏心度越接近1时则代表宽高比越大), 实心度表征每个微塑料颗粒面积与其边界面积之比, 圆度表征每个微塑料颗粒与圆形的相似程度.微塑料的形状按照实心度和圆度属性可进一步划分为：纤维(实心度＜0.2)、微球(圆度>0.8)和碎片(实心度>0.2或圆度＜0.8)^[27].本研究只选择了与Agilent 8700 LDIR数据库匹配度大于65%的微塑料进行分析.鉴于在土壤样本中观察到的微塑料种类繁多(超过30种), 本研究只介绍丰度最高的前8种主要类型, 而其余的塑料类型则统称为“其他”.

所有样品中微塑料的丰度用n·kg^-1表示.使用ArcGis 10.7软件绘制采样点分布; 使用Excel对微塑料的丰度、形态特征数据进行分析处理; 采用Origin 2022绘制了微塑料平均丰度, 并对不同地形条件下的微塑料丰度和形态特征进行单因素方差分析, 当P≤0.05时表示具有显著差异性; 此外还使用R软件的ggpolt2包绘制了不同类型微塑料平均面积的气泡和占比, 以及不同类型微塑料的宽度和高度分布.

在王东沟流域内采集的所有土壤样品中均发现了微塑料, 且微塑料的平均丰度为4 715 n·kg^-1[图 2(a)].不同的土地利用方式下, 微塑料的平均丰度有明显的差异：耕地土壤中微塑料平均丰度为7 550 n·kg^-1, 丰度范围为1 990~12 650 n·kg^-1, 苹果园土壤中微塑料平均丰度为3 340 n·kg^-1, 丰度范围为1 750~6 550 n·kg^-1, 垃圾场土壤微塑料平均丰度为2 283 n·kg^-1, 丰度范围为1 150~3 300 n·kg^-1, 而耕地土壤微塑料丰度显著高于垃圾场土壤微塑料丰度(P≤0.05).

图 2

Fig. 2

n表示样点数量, *表示P≤0.05 图 2 不同土地利用方式下微塑料的丰度和平均面积分布 Fig. 2 Abundance and average area distribution of microplastics under different land use types

不同土地利用方式下, 微塑料的平均面积也存在差异, 且苹果园土壤中微塑料平均面积显著高于耕地土壤和垃圾场土壤(P≤0.05)[图 2(b)].其中, 耕地土壤微塑料的平均面积为4 203.4 μm², 范围为1 459.1~7 496.38 μm², 苹果园土壤微塑料的平均面积为8 045.3 μm², 范围为4 377.2~10 502.3 μm², 垃圾场土壤微塑料的平均面积为3 635.8 μm², 范围为2 492.4~4 400 μm². n表示样点数量, *表示P≤0.05

在本研究中, 所有土壤样品共检测到30种类型的微塑料, 丰度最高的前8种类型分别为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)、醇酸树脂(alkyd varnish, ALK)、丙烯酸酯共聚物(acrylates, ACR)、聚己内酯(polycaprolactone, PCL)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC), 占比分别为30.39%、29.58%、8.42%、4.49%、2.7%、2.7%、4.82%和2.04%[图 3(a)].总的来说, 王东沟流域内主要以PET、PU和ALK这3种类型的微塑料为主.不同土地利用类型下, 微塑料组成差异较大：耕地土壤中主要以PET、PU、ALK、PE、ACR和PP类型的微塑料为主, 占比均>5%; 果园土壤中主要以PET、PU、ALK、PVC和PP类型的微塑料为主; 垃圾场土壤主要以PET、PU和ALK类型的微塑料为主.

图 3

Fig. 3

图 3 不同类型微塑料的组成和平均面积分布 Fig. 3 Composition and average area distribution of different types of microplastics under different land use types

果园土壤中微塑料各类型的平均面积高于耕地土壤和垃圾场土壤, 具体来说, 果园土壤中PET、PU、ALK、PE、PP和PVC类型的微塑料平均面积较大, 分别为15 705.6、4 045.8、5 236.6、5 562.5、6 806.7和5 956.6 μm².相比之下, 耕地土壤和垃圾场土壤中平均面积较大的微塑料类型均为PET和PP, 其中耕地土壤微塑料平均面积分别为4 099.7 μm²和5 404.9 μm², 垃圾场土壤微塑料平均面积分别为4 069.5 μm²和11 829.1 μm²[图 3(b)].

本研究区不同样点微塑料粒径范围在20~500 μm之间, 按照直径大小分级后可知(≥200、100~200、50~100和≤50 μm), 不同土地利用类型的微塑料尺寸存在差异[图 4(a)]：苹果园土壤中微塑料的直径显著大于耕地土壤和垃圾场土壤中微塑料的直径(P≤0.001)[图 4(b)].苹果园土壤中微塑料的平均直径为69.18 μm, 其中≥200 μm和≤50 μm的粒径占7.49%和64.07%; 耕地土壤和垃圾场土壤中微塑料的平均直径分别是45.59 μm和49.86 μm, 且耕地土壤和垃圾场土壤中直径为≥200 μm占比1.85%和2.22%, 直径为≤50 μm占比77.75%和71.11%.不同土地利用类型下微塑料形状差异不明显, 且可以发现在3种不同土地利用方式下土壤中微塑料的形状均以碎片状的微塑料为主(图 5).但是, 微塑料的宽度、高度、偏心度和圆度属性在不同土地利用方式下表现出显著差异(P≤0.05, 图 6).具体来说, 苹果园土壤同耕地土壤和垃圾场土壤在微塑料的高度、宽度、偏心度、圆度属性上均存在显著性差异(P≤0.01), 且苹果园PET类型的微塑料的宽度和高度均大于耕地土壤和垃圾场土壤中PET类型的微塑料(图 7). ***表示P≤0.001

图 4

Fig. 4

***表示P≤0.001 图 4 不同土地利用类型下微塑料的粒径分布 Fig. 4 Particle size distribution of microplastics under different land use types

图 5

Fig. 5

n表示样点数量 图 5 不同土地利用类型下微塑料的形状分布 Fig. 5 Shape distribution of microplastics under different land use types

图 6

Fig. 6

*表示P≤0.05, **表示P≤0.01, ***表示P≤0.001 图 6 不同土地利用类型下微塑料的形态特征 Fig. 6 Morphological characteristics of microplastics under different land use types

图 7

Fig. 7

**表示P≤0.01, ***表示P≤0.001 图 7 3种土地利用类型下8种主要微塑料类型的高度和宽度分布 Fig. 7 Height and width distribution of the eight major microplastic types under the three land use types

王东沟流域内耕地土壤中微塑料的丰度范围在900~12 650 n·kg^-1, 符合我国关于耕地土壤微塑料研究报道的丰度范围内(1 430~42 960 n·kg^-1, 表 1)^[28~30], 突显了农业实践中多年覆膜和耕作措施对土壤微塑料遗留累积的影响.然而, 不同研究中耕地土壤微塑料丰度变化幅度较大, 说明人类活动强度对当地土壤中微塑料平均丰度有深刻的影响.本研究中苹果园土壤微塑料平均丰度为3 440 n·kg^-1, 显著高于Zhang等^[31]所报道的黄土高原苹果园微塑料的平均丰度(320 n·kg^-1).这可能是由于Zhang等^[31]的研究只通过使用蒸馏水来进行密度分离微塑料, 仅量化了PP和PE两种类型的低密度微塑料, 没有对其他的微塑料类型进行检测. 与耕作土壤相比, 尽管在本研究苹果园土壤中使用了大量的水果袋和反光膜, 但微塑料平均丰度的积累却没有耕地土壤多(图 2), 这可能是由于农民经常在收获苹果时对反光膜等塑料进行手工回收, 从而使苹果园的土壤免受严重的微塑料污染.然而, 苹果园土壤中微塑料类型的面积显著大于耕地和垃圾场土壤.这可能是由于：①苹果园中机械耕作相对较少, 不利于如耕地土壤不断被破碎产生较小的微塑料碎片^[32]; ②苹果园比耕地和垃圾场有更好的遮荫条件, 可减缓苹果园土壤微塑料受紫外线影响而氧化破碎的过程^{[33, 34]}.同时, 本研究发现苹果园内PET类型微塑料较为丰富且平均面积较大(图 3), 且其宽度平均值(242.9 μm)、高度平均值(172.5 μm)均大于耕地土壤(97.1 μm、83.1 μm)和垃圾场土壤(119.2 μm、78.1 μm), 见图 7.这主要是由于水果袋和反光膜的微塑料大多数是PET类型, 且PET类型微塑料性质较为坚硬, 不易破碎.就垃圾场土壤而言(表 1)^{[14, 35]}, 不同区域垃圾场土壤微塑料的丰度差异较大, 可能与垃圾场的堆放年限和垃圾场规模大小有关.

表 1 (Table 1)

表 1 国内不同土地利用方式下的土壤微塑料分布及特征1) Table 1 Distribution and characteristics of soil microplastics under different land use types in China 土壤类型 丰度/n·kg-1 粒径范围/mm 微塑料类型 微塑料成分 地点 文献 耕地 5 090±1 120 — — — 中国甘肃和陕北区域 [28] 耕地 1 430~3 410 0~5 纤维、碎片、薄膜和微球 PVC、PP、PET、PE和HPPE 陕西 [29] 耕地 7 100~42 960 0.05~1 纤维(92%)、碎片和薄膜 — 中国西南地区 [30] 耕地 1 900~12 650 0.02~0.5 纤维、碎片和微球 PET、PU、ALK、ACR和PP 黄土高原 本研究 果园 320 0.05~0.1和>0.1 — PE和PP 黄土高原 [31] 果园 1 750~6 550 0.02~0.5 碎片 PET、PU、ALK、PE、PP和PVC 黄土高原 本研究 垃圾场 0.42~24.58 0.01~0.1 碎片和纤维 PE、PP、PET、PTFE、PS、ALK和PDMS 中国上海和江苏 [35] 垃圾场 62 000±23 000 0.07~3.67 碎片 PE 上海 [14] 垃圾场 1 150~3 300 0.02~0.5 碎片 PET、PU和ALK 黄土高原 本研究 1)“—”表示文献中未报道; HPPE表示高密度聚乙烯, PTFE表示聚四氟乙烯, PS表示聚苯乙烯, ALK表示醇酸树脂, PDMS表示聚二甲基硅氧烷, ACR表示丙烯酸酯共聚物, PET表示聚对苯二甲酸乙二醇酯, PU表示聚氨酯, PE表示聚乙烯, PP表示聚丙烯, PVC表示聚氯乙烯

表 1 国内不同土地利用方式下的土壤微塑料分布及特征1) Table 1 Distribution and characteristics of soil microplastics under different land use types in China

3种土地利用方式下的土壤微塑料组成成分总体上差异性较小, 均以PET、PU和ALK类型的微塑料为主[图 3(a)], 且微塑料尺寸和形状差异较小, 均以小粒径(≤50 μm)和碎片状的微塑料为主(图 4和图 5), 这与其他国家或地区报道的结果略有不同.比如, He等^[36]通过对澳大利亚昆士兰州布里斯班河的农业用地、商业用地、工业用地、自然用地和住宅用地微塑料的研究发现, 不同土地利用方式对土壤中微塑料的组成影响较大, 这可能是由于不同研究中调查对象的空间尺度差异所导致.Feng等^[37]通过对青藏高原水和土壤进行研究发现, 大于80%的微塑料尺寸均＜500 μm, 而Zhou等^[38]通过对中国中部3种不同土地类型中微塑料进行研究也发现粒径较小(10~100 μm)和碎片状(53%)的微塑料在土壤中占比最大, 说明小粒径和碎片类型的微塑料的吸附性更强, 更容易在土壤中累积.本研究对黄土高原土壤微塑料的丰度、类型以及形态特征的田间调查, 有效补充了中国北方旱地农业区域土壤微塑料丰度及组成数据资源, 可为进一步探讨该区域土壤微塑料的老化、降解、吸附毒性和环境风险提供数据基础.

此外, 大多国家^[39]或中国其他地区^{[40, 41]}耕地土壤微塑料主要类型均是PP和PE, 但本研究中耕地土壤中则主要以PET和PU类型的微塑料为主, 这种差异可能是由于在不同的研究中的微塑料提取过程具体操作步骤差异较大, 不同密度的微塑料在离心过滤过程中被选择性地损失.例如, 在一些报告中, 仅通过密度分离一步便提取土壤中微塑料, 并没有如本研究经过重复离心过滤, 因此微塑料样品提取率较高转移损耗偏少^{[32, 37]}.因此, 迫切需要一个标准化且可广泛适用的提取鉴别方法, 以有效地从土壤/沉积物中提取微塑料, 并准确识别其类型和形态, 从而量化对比不同类型微塑料在陆地系统中的分布、降解和环境风险.

(1) 王东沟流域土壤微塑料的平均丰度为4 715 n·kg^-1, 微塑料成分主要以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU)和醇酸树脂(ALK)类型为主, 碎片状和粒径≤50 μm的微塑料占据主导地位.

(2) 不同土地利用方式下的微塑料丰度存在显著性差异, 耕地土壤微塑料的平均丰度高于苹果园土壤, 且显著高于垃圾场土壤.耕地土壤微塑料受到人类活动影响较大, 体现了农业实践中多年覆膜和耕作措施对土壤微塑料遗留累积的影响.

(3) 苹果园由于较少的耕作措施和人类活动, 其微塑料的平均面积和宽度、高度、偏心度和圆度等形态特征显著差异于耕地和垃圾场土壤.