塑料因其重量轻、生产成本低和耐用性强在世界上被广泛应用^[1].由于塑料废物在环境中难以降解, 逐渐累积, 成为一个全球性环境污染问题.塑料废弃物在自然环境中逐渐破碎, 其中 < 5 mm的塑料颗粒或碎片被称为微塑料^{[2, 3]}.微塑料由于其体积小, 具有较大的比表面积, 可以作为其他污染物的载体, 并可被生物体取食, 最终在食物链中积累, 威胁人类健康^[4], 已被列为环境和生态学领域的第二大重要科学问题^{[5, 6]}.过去几年, 对微塑料的研究多集中在海洋系统, 而2016年的一项研究显示, 存在于土壤中的微塑料是海洋中微塑料丰度的4倍以上^[7].微塑料的存在会影响土壤结构和理化性质、降低土壤肥力和改变土壤中微生物群落的多样性, 影响作物生长及粮食产量, 影响动物生长、发育和繁殖^[5].

面对日益严峻的土壤微塑料污染问题, 农田土壤微塑料赋存特征及其来源研究已引起了广泛的关注.吴亚梅等^[8]调查了北京市蔬菜地土壤微塑料的污染特征及潜在来源, 研究表明北京市设施土壤微塑料丰度为(1 405.19 ± 584.30)n·kg^-1, 形状主要以碎片为主(53.82%), 粒径大多为0~1 mm (47.52%), 白色、透明和蓝色占比较大(64.51%), 以聚丙烯(PP)聚合物类型为主(30.04%).宋佃星等^[9]研究了宝鸡地区辣椒地、玉米地和猕猴桃地这3种典型农田土壤中微塑料赋存特征及其对土壤环境的影响, 发现不同农田土壤中微塑料41%~48%为 < 1 mm粒径, 丰度范围为1 974~3 656 n·kg^-1, 其值随着土层深度的加深而减小；薄膜碎片形状占比达70.6%~85.7%, 黑色微塑料达78%.当前有关花生种植过程中耕层土壤微塑料赋存研究还比较少, 不能为花生土壤微塑料污染防控提供有效的支撑.

农田微塑料来源主要有地膜覆盖、有机肥使用、污水灌溉及大气沉降.当前的研究表明, 地膜是土壤中微塑料的第一大主要来源.地膜由于其具有保持水分和改善土壤温度等优点而被广泛使用, 但由于大部分地膜在作物季结束时未回收或回收机制不健全, 残膜在农田中不断累积^[10]和破碎化, 从而引起土壤微塑料污染.王志超等^[11]的研究表明, 地膜覆盖年限是影响土壤微塑料丰度的主要原因之一.其次, 施加有机肥也会导致土壤微塑料大量增加, 我国的农田土壤中, 每年由于有机肥施用带入的微塑料量为52.4~26 400 t^[12].花生作为山东主要的经济作物, 种植过程普遍存在覆膜和施用有机肥的管理措施^[13], 因而, 探究覆膜和施用有机肥对耕层土壤微塑料的影响意义重大.

德州位于山东省西北部、黄河下游冲积平原, 是山东主要的农业生产和花生种植基地, 有必要对花生种植过程中土壤微塑料的赋存特征及来源进行系统研究.据此, 本文以山东德州花生田为研究区域, 系统地研究了不同覆膜年限(0、3、5和8 a)和施加有机肥对该区土壤微塑料的丰度、粒径、颜色和类型等赋存特征的影响, 并通过微塑料的聚合物解析, 探明耕层微塑料的主要来源；从而明晰山东花生田耕地土壤微塑料分布现状, 以期为微塑料污染的防治提供参考.

样品采集于山东省西北部的德州农科院基地(37°45′N, 116°30′E).德州市是我国地膜覆盖面积及覆盖强度较大的地区之一, 受季风影响显著, 四季分明, 冷热干湿界限明显, 市年平均气温12.90℃, 年平均降水量为547.50 mm, 具有显著的大陆性气候特征.分别选取不同覆膜年限(0、3、5和8 a)及不同管理措施(覆膜、覆膜+有机肥、不覆膜和不覆膜+有机肥)长期种植花生的农田进行取样.在每个选定的样地里, 选择50 cm×50 cm的样方, 取样深度主要为耕层30 cm土层, 分层取样, 即：0~10、10~20和20~30 cm, 每层设置5个重复, 装入纸质的样品袋带回实验室, 置于避光处烘干备用.共计采集土壤样品120个, 样地信息如表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 采样点信息 Table 1 Information of the sampling sites 样地 覆膜年限 商品有机肥 S1 8 施加 S2 8 不施加 S3 5 施加 S4 5 不施加 S5 3 施加 S6 3 不施加 S7 0 施加 S8 0 不施加

表 1 采样点信息 Table 1 Information of the sampling sites

土壤样品在实验室自然风干后, 采用密度浮选法^[11]进行分离.将土壤样品进行风干, 过5 mm不锈钢筛；称取50 g风干土置于250 mL三角瓶中, 加入200 mL饱和氯化钠溶液(ρ=1.20 g·cm^-3), 超声10 min, 振荡30 min, 离心20 min, 收集上层清液, 重复上述密度分离过程3次；收集的上层清液进行真空抽滤, 将0.45 μm滤膜(Whatman, USA, WME WH GR ST ME25)上的物质全部转移至100 mL的玻璃烧杯中；向上述烧杯中加入50 mL 30%的双氧水溶液消解有机质, 置于电热板上于60℃消解24 h；消解完成后, 再次进行真空抽滤, 并将滤膜取下放入玻璃培养皿中, 室温干燥, 之后进行镜检观察.

基于Zhang等^[14]的方法, 滤膜上的微塑料采用体式显微镜(日本Olympus公司, SZ61)观察, 统计并记录每个样品中微塑料的数量、类型、大小和颜色.微塑料丰度值单位以“n·kg^-1”表示.

采用傅里叶红外变换光谱法(FTIR)^[15], 利用塑料的特异性红外光谱对微塑料的聚合物组成进行鉴定.将样品的红外光谱图与标准品谱库进行对比, 规定匹配度达60%及以上的谱图对应的样品为微塑料.

本实验结果采用“平均值±标准偏差”表示, 数据统计使用Microsoft Excel 2019完成, 基于SPSS 26, 运用单因素方差分析进行各项指标之间的差异性分析, 绘图采用Origin 2021软件进行.

各采样点均检测到微塑料(图 1), 且随覆膜年限的增加微塑料丰度呈显著增加的趋势(P < 0.05).相同覆膜年限的样地, 除对照组外, 施加有机肥与不施加相比, 也显著增加了微塑料丰度(P < 0.05).覆膜0、3、5和8 a后土壤微塑料的平均丰度分别为65.33、316.00、1 098.67和1 346.34 n·kg^-1.最大的丰度值出现在覆膜8 a且施加有机肥的样地S1, 为1 502.00 n·kg^-1, 比覆膜8 a不施加有机肥的S2样地多了26.15%；比同样施加有机肥, 覆膜5、3和0 a的分别增加了19.65%、256.49%和1 475.58%.而相同的覆膜年限和施肥措施下, 不同深度土层微塑料丰度随着土层深度的增加而显著降低(P < 0.05), 并且随着覆膜年限的增加, 0~10、10~20和20~30 cm层的微塑料丰度占比逐渐接近.

图 1

Fig. 1

误差条表示标准差, 不同小写字母表示差异显著(P < 0.05) 图 1 德州市花生田耕层土壤样点中微塑料的丰度 Fig. 1 Abundance of microplastics in soil samples in peanut fields in Dezhou City

各采样点微塑料粒径分布特性如图 2所示.土壤微塑料粒径主要为 < 1 mm, 占总丰度的77.30%.土壤微塑料粒径 < 0.5、0.5~1、1~2、2~3、3~4和4~5 mm的占比分别为51.72%、25.46%、10.33%、6.19%、3.83%和2.46%.所有采样点微塑料粒径遵循相同趋势, 即粒径越大, 占比越小.并且覆膜年限增加, 小粒径(< 1 mm)微塑料占比呈显著升高(P < 0.05), 其中覆膜8 a的土壤微塑料粒径 < 1、1~2、2~3、3~4和4~5 mm的占比为76.73%、9.92%、6.96%、4.56%和1.82%, 覆膜3 a的土壤微塑料粒径 < 1、1~2、2~3、3~4和4~5 mm的占比为74.94%、11.24%、5.39%、3.75%和4.68%, 小粒径微塑料的数量和在所有粒径中占比均有提高.而施加有机肥对微塑料粒径的占比没有显著影响(P > 0.05).此外, 采样点小粒径微塑料(< 1 mm)在20~30 cm土层中的占比(79.31%)明显高于0~10 cm土层(76.27%)和10~20 cm土层(76.36%).粒径组成的差异表明, 在深层土壤中, 微塑料的崩解更为充分.

图 2

Fig. 2

A：有机肥+覆膜, B：覆膜, C：有机肥, D：不覆膜 图 2 花生田耕层土壤中微塑料粒径占比 Fig. 2 Percentage of microplastic particle size in soil in peanut fields

土壤微塑料颜色主要有：透明、黑色、白色、蓝色、黄色、绿色和红色, 占比分别为49.77%、16.35%、16.27%、6.66%、5.60%、2.57%和2.78%, 主要以透明为主, 其次是黑色和白色(图 3).覆膜年限对土壤中微塑料的颜色影响不显著(P > 0.05), 但相比于不覆膜的花生田土壤, 覆膜显著增加了透明微塑料的占比, 这与种植区主要覆盖透明农膜有关.透明微塑料在0~10、10~20和20~30 cm土层的占比分别为45.92%、52.14%和53.70%, 白色微塑料在3层土壤中的占比分别为18.50%、15.03%和13.80%, 黑色占比分别为15.18%、17.10%和17.51%, 随着土壤深度的增加, 微塑料颜色的占比变化不大.

图 3

Fig. 3

A：有机肥+覆膜, B：覆膜, C：有机肥, D：不覆膜 图 3 花生田耕层土壤中微塑料颜色占比 Fig. 3 Percentage of microplastic color in soil in peanut fields

土壤中微塑料的类型主要包括纤维类、薄膜类、碎片类、泡沫类和颗粒类, 5种类型微塑料的丰度占比分别为49.77%、25.41%、19.15%、3.25%和2.41%(图 4).纤维类、薄膜类和碎片类占主导地位, 其中纤维类在0~10、10~20和20~30 cm土层中占比分别为52.04%、47.33%和48.85%.其次是薄膜类, 在由浅到深的土层中占比分别为25.31%、25.19%和25.95%.纤维和薄膜在农田土壤中普遍存在, 这与已有研究的结果一致^[16].

图 4

Fig. 4

A：有机肥+覆膜, B：覆膜, C：有机肥, D：不覆膜 图 4 花生田耕层土壤中微塑料形状占比 Fig. 4 Percentage of microplastic shape in soil in peanut fields

拉曼光谱分析结果鉴定出土壤中的16种聚合物类型(图 5).其中, 聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)含量最多, 分别占21.37%、18.57%和19.77%.聚对苯二甲酸类塑料(PET)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酰胺(PAM)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚氨酯(PU)、脲-甲醛树脂(UF)、甲苯(PT)和环氧树脂(EP)等13类聚合物及其他(other)占40.29%.覆膜年限和有机肥的施用都显著增加了PE、PP和PS的含量(P < 0.05).

图 5

Fig. 5

图 5 花生田耕层土壤中微塑料聚合物 Fig. 5 Percentage of microplastic polymer in soil in peanut fields

与其他研究区域相比, 德州花生田耕层土壤微塑料的丰度处在一个较高的水平.Zhou等^[17]调查了杭州湾的覆膜土壤和灌溉水土壤中微塑料赋存特征, 发现两种土壤中的微塑料丰度平均分别为571 n·kg^-1和263 n·kg^-1, 低于本研究覆膜5 a和8 a的土壤微塑料丰度.Liu等^[18]对上海郊区的20个菜田土壤的微塑料丰度调查结果也低于本研究.Huang等^[19]调查表明, 连续覆膜5、15和24 a的农田土壤(0~40 cm)中微塑料的平均丰度分别为(80.3±49.3)、(308±138.1)和(1 075.6±346.8)n·kg^-1.但也存在很多微塑料丰度高于本研究的情况, 譬如Zhang等^[20]调查的滇湖种植区和河岸森林缓冲区的土壤微塑料丰度介于7 100~42 960 n·kg^-1, 远高于本研究所测得花生田土壤微塑料丰度(65.33~1 346.34 n·kg^-1).此外, Lang等^[21]研究报道称青海省农业土壤中微塑料的丰度为240~3 660 n·kg^-1.虽然不同的土壤大多来自农田, 但在不同的研究区域中, 微塑料丰度存在差异, 且这种差异也体现在土壤微塑料的其他特征中.本研究发现德州覆膜农田土壤中微塑料的粒径主要在1 mm以下, 占总丰度的77.30%, 颜色主要以透明为主, 其次是黑色和白色, 形状主要有纤维类(49.77%)、薄膜类(25.41%)和碎片类(19.15%), 聚合物类型以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)占主导.青海省农业土壤中微塑料尺寸 < 0.5 mm的微塑料占多数(50%), 主要形状为薄膜和纤维, 分别占67%和29%^[21].吴亚梅等^[8]报告了北京市设施农业土壤微塑料粒径主要在1 mm以下(47.52%), 微塑料形状以碎片为主(53.82%), 颜色以白色、透明和蓝色为主(64.51%), 聚合物类型以聚丙烯(PP)为主(30.04%).不同的农田土壤微塑料赋存特征上存在差异的部分原因可能是土壤中有机质等含量不同及微塑料提取和定量的方法不同^[22], 土壤是固体(如有机质、黏土和矿物质等)和液体的混合物, 土壤中的动植物等生物的残留物可以进一步代谢成相对稳定的物质, 即腐殖质, 土壤有机质和其他杂质可能会嵌入微塑料从而影响浮选和分离的有效性, 并干扰红外光谱对微塑料的聚合物的鉴定^[23].此外, 微塑料的分离方法包括筛分-过滤法、密度分离法、加压流体萃取法、酸解法、碱解法和氧化法及酶消解法等, 检测方法包括目视检测鉴定法、傅里叶红外光谱法、拉曼光谱法和气相质谱或色谱法等^[24], 使用方法的不同对实验结果的影响也存在差异.

在本研究中, 覆膜和有机肥施用是影响土壤微塑料赋存特征的两大主要因素.由于塑料薄膜大量使用, 而通常地膜的厚度仅为8~50 μm, 有效从土壤中回收是很困难的, 这就导致作物收获后有大量的农膜残留在农田中^{[19, 25]}, 这些塑料残留物在耕作、紫外线辐射和微生物的作用下, 缓慢分解成小碎片^[26]在土壤中累积.从对杭州湾某地土壤微塑料丰度的研究中可以看出, 覆膜土壤微塑料丰度为571 n·kg^-1, 而未覆膜土壤的微塑料丰度小于覆膜土壤的1/2, 为263 n·kg^-1[17].Feng等^[27]在对青藏高原农田和草地土壤中微塑料调查中也发现覆膜农田土壤微塑料丰度最高, 其次是温室, 暴露耕地和草地微塑料丰度较低.这些都证明了覆膜是土壤中微塑料的一大主要来源.农膜大多采用聚乙烯等材料制成, 具有相对稳定的化学性质, 分解需要较长的时间, 首先降解成为薄膜类和碎片类, 所以花生田土壤微塑料薄膜类(25.41%)和碎片类(19.15%)占比较大.微塑料颜色主要以透明为主, 其次是黑色和白色, 这与德州农科院基地花生田主要覆盖透明农膜的实际情况相符.Zhang等^[28]研究发现青藏高原东北土壤微塑料以透明色为主, 而Li等^[29]调查发现白色微塑料占南京和无锡收集样本的38%~70%；而青藏高原农田和草地浅层土壤中的微塑料多为透明(65.43%), 其次为白色(17.65%)和黑色(11.37%)；深层土壤中的大多数微塑料也是透明的(49.02%), 黑色和白色分别占16.18%和15.19%, 其他颜色占比较少^[27].这与本研究所调查的结果大致相同, 是由于透明和白色的农膜使用较多, 近年来, 黑色农膜也逐渐被使用, 因此黑色微塑料也占到了16.3%, 与白色微塑料丰度相近.在农膜加工过程中加入各种化合物以提高塑性产品的性能, 一旦断裂和降解, 就会形成含有不同聚合物类型的微塑料颗粒^[27].调研样地农田土壤中PE、PP和PS占主导地位, 主要是因为这几种聚合物是制造薄膜、包装材料和生活必需品的材料, 占塑料年总产量的25%^[19].PE和PP是国际上应用最广泛的聚合物, 主要来源于农田中常用的物品, 如水桶、挡水膜、塑料罐和温室薄膜等^[30].Bläsing等^[31]和Zhang等^[32]研究表明有机肥料也是农田土壤中重要的微塑料来源, Yang等^[33]研究报道, 与未施肥土壤相比, 农业土壤中的微塑料显著富集, 并证明施加有机肥会导致土壤中的微塑料污染增强.同时也有研究证实, 有机肥中也含有大量的PE和PP^[30].这也解释了本研究德州花生田土壤中PE和PP聚合物类型含量高, 且与同样覆膜年限的农田土壤相比, 施加有机肥会显著增加土壤中微塑料的丰度的现象.

此外, 覆膜年限也会对德州花生田土壤的微塑料的赋存特征产生影响.本研究的调查发现覆膜0、3、5和8a的0~30 cm耕层中微塑料平均丰度分别为65.33、316.00、1 098.67和1 346.34 n·kg^-1.基于对我国多省土壤微塑料调查也表明农田土壤微塑料的丰度随覆膜年限增加而增加^[19].并且随着覆膜年限的增加, 1~10、10~20和20~30 cm这3层的微塑料丰度占比逐渐接近, 这可能是因为种植花生的过程中农膜覆盖在表面, 当作物收获后农膜残留在表面, 逐渐分解成为土壤中微塑料的主要来源, 因此在0~10 cm土层中检测到的微塑料居多.而随着覆膜年限的增加, 每次种植作物前的土壤翻耕灌溉等管理措施会将一部分表层土壤中的微塑料带到深层土壤当中, 耕作时间越长则微塑料垂直迁移量越大, 从而减小了不同深度土层中的微塑料丰度差异值.另外, Rillig等^[34]研究表明, 蚯蚓是土壤中微塑料的重要迁移载体.由于微塑料的粒径很小, 易附着在土壤动物(例如蚯蚓)和土壤微生物(如固氮菌和丛枝菌根真菌等)的身上, 随着它们的活动向土壤深层迁移.同样, Kim等^[35]研究发现微塑料具有弹尾虫可食用的尺寸[< (66.0±10.9) mm], 这可能导致微塑料的迁移.微塑料粒径分布规律大致是随着土层深度和覆膜年限的增加, 小粒径的微塑料的占比逐渐增加, 0~10、10~20和20~30 cm土层小粒径(< 1 mm)微塑料的占比分别为76.27%、76.36%和79.31%.主要原因可能是随着覆膜年限的增加, 越来越多较大粒径的微塑料逐步分解, 成为小粒径, 微塑料的粒径越小, 越容易随着翻耕、灌溉、雨水和土壤动物等垂直迁移, 增加了深层土壤中小粒径的微塑料.此外, 随着覆膜年限的增加黄色微塑料丰度也出现了上升的趋势, 这可能与微塑料的老化有关, 因为白色塑料在老化后通常会变黄^[36].调查的德州覆膜花生农田并不是一个封闭的系统, 土壤会经历地表径流、大气沉降等, 还有其他的农业管理措施(如施加有机肥), 故会检测出其他颜色的微塑料.而调查区农田土壤中大量的纤维类微塑料可能是通过灌溉水和大气沉降带入到土壤中的.Zhang等^[20]研究报道西南地区土壤中92%的微塑料是纤维类, 大量的纤维可能来自于居民排放的污水, 其中洗涤水含有大量的合成纤维^[37].据报道, 污水污泥中纤维的丰度(以干污泥计)平均值高达38 080粒·kg^-1[36].含合成纤维的废水直接排入附近的小池塘, 作为灌溉水源^[36].此外, 广泛使用的遮荫网、肥料袋等农产品可能会在环境中分解成纤维.

(1) 施加有机肥和覆膜均显著增加了微塑料的丰度(P < 0.05).覆膜0、3、5和8 a后德州花生田土壤所含微塑料的平均丰度值分别为65.33、316.00、1 098.67和1 346.34 n·kg^-1.随土层深度的增加微塑料丰度显著减少(P < 0.05), 并且随着覆膜年限的增加, 1~10、10~20和20~30 cm土层的微塑料丰度占比逐渐接近；粒径 < 1 mm的土壤微塑料占总丰度的77.30%, 随着土层深度的增加, 小粒径微塑料的占比逐渐增加；微塑料颜色主要以透明为主(49.77%), 其次是黑色和白色, 占比分别为16.35%和16.27%；纤维类(49.77%)、薄膜类(25.41%)和碎片类(19.15%)微塑料占主导地位.

(2) 鉴定出的16种聚合物类型, 其中聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)含量最多, 分别占21.37%、18.57%和19.77%.PE、PP和PS是制造薄膜的重要材料, 并且有机肥中含有大量PE和PP, 进一步证明了覆膜和有机肥施用是影响土壤微塑料赋存特征的两大主要因素.

(3) 不同研究所呈现的结果不同, 可能是由于不同土壤中有机质等含量不同及微塑料提取和定量的方法不同, 需要进一步对微塑料的提取和鉴定方法进行优化和规范.覆膜和有机肥施用导致了土壤微塑料污染加剧, 因此今后的研究应集中于制定控制农业土壤系统微塑料污染的策略.特别是, 必须严格控制肥料的原料和提倡可降解薄膜代替普通薄膜.