农田土壤微塑料分布、来源和行为特征_薄录吉.pdf
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1、Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44,No4 Apr,2023农田土壤微塑料分布、来源和行为特征薄录吉1,李冰2,张凯3,马荣辉4,李彦1*,王艳芹1,孙斌2,刘月岩3(1 山东省农业科学院农业资源与环境研究所,农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室,济南250100;2 山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队,济南250014;3 山东省农业生态与资源保护总站,济南250100;4 山东省农业技术推广中心,济南250100)摘要:微塑料(MPs)作为一种新型污染物
2、广泛存在于农田土壤中 针对农田土壤中微塑料可能发生的污染问题,对全球农田土壤中微塑料的分布、丰度、来源、形状、聚合物组成、尺寸和迁移等方面特征的研究进展进行了综述,提出了研究展望 全球各地所调查农田土壤均有微塑料检出,其来源主要包括农用塑料薄膜、有机肥、污泥、地表径流与农业灌溉、大气沉降和轮胎磨损颗粒 土壤中微塑料形状以碎片、纤维和薄膜为主,微塑料聚合物组成以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)为主 农田土地利用方式显著影响土壤中微塑料的丰度,农田土壤中微塑料丰度随颗粒变小而增加 土壤中微塑料可在耕作、淋溶、生物扰动和重力作用下发生迁移 今后应加强土壤微塑料检测方法、数据库建立、安
3、全阈值、迁移转化规律、潜在生态健康风险评价和防控技术体系构建等方面的研究,为农田土壤微塑料污染的风险管控与治理提供参考关键词:农田土壤;微塑料(MPs);聚合物;迁移;特征中图分类号:X53文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2375-09DOI:1013227/j hjkx202206082收稿日期:2022-06-08;修订日期:2022-07-16基金项目:山东省重大科技创新工程(2021CXGC010801);山东省农业科学院农业科技创新工程(CXGC2022D05)作者简介:薄录吉(1985 ),男,博士,副研究员,主要研究方向为农田土壤污染防控,E-mail
4、:boluji126 com*通信作者,E-mail:nkyliyan126 comDistribution,Sources,and Behavioral Characteristics of Microplastics in FarmlandSoilBO Lu-ji1,LI Bing2,ZHANG Kai3,MA ong-hui4,LI Yan1*,WANG Yan-qin1,SUN Bin2,LIU Yue-yan3(1 Key Laboratory of Agro-Environment of Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agriculture an
5、d ural Affairs,Institute of Agricultural esources and Environment,ShandongAcademy of Agricultural Sciences,Jinan 250100,China;2 No.801 Hydrogeology and Engineering Geology Brigade of Shandong Exploration Bureau of Geology and Mineralesources,Jinan 250014,China;3 ural Energy and Environment Agency of
6、 Shandong,Jinan 250100,China;4 Agricultural Technology Promotion Center of ShandongProvince,Jinan 250100,China)Abstract:Microplastics(MPs)are widely present in farmland soil as an emerging contaminant This paper serves as a comprehensive and systematic review of researchprogress on the characteristi
7、cs of distribution,abundance,sources,shape,polymer composition,size,and migration of MPs in farmland soils around the world Moreover,research prospects were also proposed MPs have been detected in farmland soils around the world,mainly coming from agricultural plastic films,organic fertilizers,sludg
8、e,surface runoff,agricultural irrigation,atmospheric deposition,and tire wear particles The morphology of MPs in soil mainly includes debris,fibers,and films MPs polymerforms mainly include polyethylene,polypropylene,and polystyrene Farmland land use significantly affects soil MPs abundance Addition
9、ally,the abundance of MPs increasewith the reduction in size MPs in soil can migrate to deep soil through tillage,leaching,bioturbation,and gravity esearch on soil MPs detection methods,databaseestablishment,safety thresholds,migration and transformation laws,potential ecological health risk assessm
10、ent,and the construction of prevention and control technologysystems should be strengthened in the future The paper can provide a reference for the risk control and governance of farmland soil MPs pollutionKey words:farmland soil;microplastics(MPs);polymer;migration;characteristic微塑料(microplastics,M
11、Ps)指粒径小于 5 mm的塑料,最初在海洋中被发现 据调查,每年排入海洋的微塑料达 9.3 23.6 t1 与海洋相比,土壤中存在的微塑料是海洋的 4 23 倍2,土壤成为微塑料重要的“汇”微塑料污染在第二届联合国环境大会上被列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题,成为重大全球环境问题之一3 微塑料可通过有机肥和农膜使用进入农田土壤,其中,我国经有机肥使用进入农田土壤的微塑料含量高达 52.4 26 400 t1 农业灌溉和大气沉降也是微塑料进入农田土壤的重要途径4 全球各地不同土地利用方式下的农田土壤中均有微塑料检出5,6 微塑料不仅会影响土壤容重、微生物群落、土壤动植物等物理化学和生
12、物学性质7,8,还可与其他污染物结合形成复合污染9 16,最终对环境产生潜在生态风险和对人体产生潜在健康风险基于 Web of Science 和中国知网(CNKI)数据库,查询了 2012 2022 年间发表的关于土壤微塑料的学术论文,有关土壤微塑料的研究增长较快,已成为研究的热点和焦点 基于此,本文总结了国内外有关农田土壤微塑料行为特征的最新研究进展,包括土壤微塑料的分布、丰度、来源和形貌等方面的特征,同时对土壤中微塑料的迁移规律进行了总结,最后对土壤微塑料的研究重点进行了环境科学44 卷展望,以期为土壤微塑料的污染风险管控与治理提供科学依据1全球农田土壤中微塑料分布和丰度全球农田土壤中微
13、塑料的分布和丰度调查研究比较匮乏,加之微塑料检测和计数尚未有统一标准,导致全球各地农田土壤中微塑料丰度差异较大 从现有研究结果来看,全球内所调查农田土壤均有微塑料检出(表 1)德国南部传统耕作方式下的农田土壤受微塑料影响较小,其丰度范围为 0 1.25 个 kg1,平均值仅为 0.34 个 kg1;相比德国,加拿大、伊朗、瑞士农田土壤微塑料丰度较高,最高丰度值接近 600 个 kg1;墨西哥菜田土壤微塑料丰度平均值达到 870 个 kg1;西班牙和巴基斯坦农田土壤微塑料丰度范围接近;智利和韩国农田土壤微塑料丰度变异较大,丹麦农田土壤微塑料丰度异常高,最高丰度值达236 000个 kg1表 1全
14、球不同国家和地区农田土壤微塑料基本特征1)Table 1Characteristics of MPs in farmland soil in different countries and regions around the world国家或地区土地利用类型取样深度/cm粒径/mm聚合物类型外貌形态丰度/个 kg1文献德国农田0 51 5PE、PP 和 PS碎片、纤维和薄膜0 1.25 17墨西哥菜田0 200 5870 1 900 18智利农田0 250 2PES 和 PVC纤维和薄膜600 10 400 19西班牙农田0 300.15 0.25PP 和 PVC碎片、纤维和薄膜、2 030
15、 5 190 20韩国农田0 50.1 2PE、PP、PS 和 PET碎片、纤维、薄膜和颗粒10 7 630 21丹麦农田0 100.02 0.5PE、PP 和 PA82 000 236 000 22加拿大农田0 150.1 1PE、PP 和 PET纤维和碎片18 298 23瑞士农田0 50.5 1PE、PS 和 PP0 593 24巴基斯坦农田0 100.5 5碎片、纤维、薄膜、颗粒和泡沫2 200 6 875 25伊朗农田0 100.04 0.74碎片和纤维67 400 26北京菜田0 200 5PE 和 PP碎片、纤维、薄膜、颗粒和泡沫160 5 220 27山东菜田0 250 5PE
16、、PP、PS、PU、EPC 和 ABS碎片、纤维、薄膜、颗粒和泡沫310 5 698 28,29湖南菜田0 150 5PE、PP、PS 和 PVC碎片和纤维826 1 198 30河南菜田0 150 5PE、PP、PS 和 PVC碎片和纤维250 1 220 30安徽菜田0 150 5PE、PP、PS 和 PVC碎片和纤维218 445 30上海菜田0 60.02 5PE 和 PP碎片、纤维和薄膜62.5 78.0 31贵州菜田0 150 5PE、PP、PS 和 PVC碎片和纤维44 50 30重庆菜田0 400 5PE 和 PVC碎片、纤维和薄膜1.2 54.3 mg kg1 32,33福建
17、菜田0 150 5PE、PP、PS 和 PVC碎片和纤维79 112 30四川菜田0 150 5PE、PP、PS 和 PVC碎片和纤维17.6 79.4 30河北菜田0 150 5PE、PP、PA 和 PES碎片和纤维1 180 2 730 30河北粮田0 300 5PE、PP、PA、PET 和 PES碎片、纤维、薄膜和颗粒173 2 253 34甘肃粮田0 300 5碎片、纤维和薄膜580 11900 35江西粮田0 200 1PE、PP 和 PES碎片、纤维、薄膜和颗粒16.4 43.8 36黑龙江粮田0 300.1 5PE薄膜0 800 37广东果园0 150 5PE、PP、PS 和 P
18、VC碎片和纤维188 279 30广西果园0 150 5PE、PP、PS 和 PVC碎片和纤维3 53 30新疆棉田0 400 5PE碎片和薄膜80.3 1 076.5 33吉林菜田/粮田0 150 5PE、PP、PS 和 PVC碎片、纤维、薄膜和颗粒5 215 839 38辽宁菜田/粮田0 300 5PE、PP 和 PS碎片、纤维、薄膜和颗粒217 2 512 mg kg1 39云南菜田/粮田0 100.05 1PE碎片、纤维、薄膜和细绳7 100 42 960 40西藏菜田/粮田0 60 2PE、PP、PS 和 PA碎片、纤维、薄膜、颗粒和泡沫0 270 41青海菜田/粮田0 100 5P
19、P 和 PVC碎片、纤维、薄膜和颗粒93.8 4 782 42,43江苏菜田/茶园0 201 5PE 和 PP纤维420 1 290 44浙江菜田/果园0 100 5PE 和 PP碎片和纤维0 2 760 45湖北菜田/烟田0 200 5PA、PP 和 PS碎片、纤维、薄膜、颗粒和泡沫320 12 560 46,47内蒙古粮油田0 300 3碎片、纤维、薄膜和颗粒756 2 197 48陕西农田0 100 0.49PE、PP、PS、PVC、PET 和 HDPE碎片、纤维、薄膜和颗粒1 430 3 410 49山西农田0 200.02 5PE、PP 和 PS碎片、纤维和薄膜20 1 840 50
20、宁夏农田0 400 5碎片和薄膜0 48.6 mg kg1 33天津农田0 400 5碎片和薄膜10.0 13.1 mg kg1 331)PE:聚乙烯,PP:聚丙烯,PS:聚苯乙烯,PVC:聚氯乙烯,PET:聚对苯二甲酸乙二醇酯,PA:聚酰胺,PES:聚酯纤维,PU:聚氨酯,PES:聚酯纤维,ABS:丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,EPC:乙烯-丙烯共聚物,HDPE:高密度聚乙烯;“”表示所引参考文献没有相关数据或描述67324 期薄录吉等:农田土壤微塑料分布、来源和行为特征相比国外,我国农田土壤微塑料调查研究虽然起步较晚,仍取得了一定的进展 有研究发现,除中国香港、中国澳门和中国台湾未见相关报
21、道外,我国大部分农田土壤均有微塑料检出(表 1),从时空分布上看,各省市农田土壤微塑料丰度在空间上呈现较大差异,具体表现为:同一利用方式下不同地区和不同利用类型农田土壤微塑料丰度均呈现较大差异 就菜田而言,河北土壤微塑料丰度平均值最高,均值为2 110个 kg1,其次是北京、山东、河南和安 徽,均 值 分 别 为1 246、1 444、632 和 360个 kg1,上海、贵州、重庆、福建和四川土壤微塑料丰度平均值低于 100 个 kg1 对于粮田来说,甘肃土壤微塑料丰度平均值高达5 090个 kg1,其次是黑龙江和江西 果园土壤微塑料丰度虽然较低,但依然呈现一定分布差异 由于多数研究未将农田进
22、一步细分利用类型,吉林、辽宁、云南、西藏、江苏、浙江、湖北、内蒙古、陕西、山西和宁夏等地只列出农田土壤中微塑料的丰度,难以准确对比分析不同地区间特定土地利用类型下的土壤微塑料丰度差异 因此,下一步有必要从建立土壤微塑料数据库,以便有效监测农田土壤可能发生的微塑料污染2农田土壤微塑料来源农田土壤中微塑料的来源主要包括农用塑料薄膜及农田投入品塑料包装、有机肥、污泥、地表径流与农业灌溉、大气沉降和轮胎磨损颗粒等2.1农用塑料薄膜及农田投入品塑料包装塑料薄膜因其显著的经济效益被广泛用于农业生产,其主要成分为 PVC 和 PE 我国是农膜消费大国 国家统计局数据显示,2018 年全国农用薄膜使用量 24
23、6.5 万 t,地膜使用量 140.4 万 t,覆盖面积1.77 107hm2(约 2.66 亿亩),在新疆、山东、内蒙古和甘肃等 9 省区覆盖面积均超过 6.67 105hm2(约1 000万亩)Zhang 等51 研究发现,我国每年有18.6%的农膜留在农田土壤中,西北和黄土高原地区土壤塑料残膜量达 71.9 259.1 kg hm2,当残膜量超过 240 kg hm2时,作物产量会显著下降52 土壤中残留的薄膜会在光照和微生物等外力作用下逐渐破碎分解成微塑料53,并且微塑料残留量会随着地膜使用年限增加而增加33 此外,中国作为农业大国,化肥和农药使用量大,塑料包装废弃物产生量大 据统计,
24、2018 年化肥包装废弃物每年达 15 万t,2019 年农药废弃包装多达 1010个54,大部分为塑料材质,多数残留在田间地头或附近水体,回收难度大,最终会分解成微塑料并通过灌溉等形式进入农田 因此,需要加强残膜和农田投入品塑料包装的回收和监管2.2有机肥的使用有机肥是农业生产过程中重要的投入品,在菜田中使用较为广泛 我国在推进果菜茶有机肥替代化肥行动以来,有机肥应用更加广泛 然而,有机肥也是土壤微塑料的重要来源 德国学者调查发现有机肥中含粒径大于 1 mm 的塑料碎片丰度达到 14 895 个 kg1 55,进一步发现粒径 0.5 mm 的微塑料含量达到 2.38 180 mg kg1 5
25、6,更有学者发现有机肥中塑料高达1 200 mg kg1 57 尽管如此,上述有机肥中统计的数据仍未将 0.5 mm 以下的微塑料计算在内 澳大利亚和德国分别制定了相关标准,澳大利亚允许有机肥中存在 0.5%的硬质塑料和0.05%的轻质塑料,德国则允许有机肥中含有0.1%的 塑 料(未 考 虑 粒 径 小 于 2 mm 的 微 塑料)55 我国是有机肥生产和使用大国,据估算,每年由有机肥施用带入的农田土壤微塑料量最高可达26 400 t1 加强有机肥制作原料的监管是限制微塑料进入农田土壤的重要措施2.3污泥的使用污泥含有大量的有机质、大量和中微量元素,在国外通常被当作肥料施用到农田中56 北美
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