程萬莉,樊廷錄,2*,王淑英,李尚中,張建軍,趙剛,王磊,黨翼
(1.甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所,蘭州730070;2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,蘭州730070)
微塑料(Microplastics,Mips)作為新型污染物正在成為備受關(guān)注的全球性環(huán)境問題[1]。因其比表面積大、吸附能力強(qiáng)、在環(huán)境中易于遷移和難以降解等特點(diǎn)在海洋或水體生態(tài)系統(tǒng)中得到廣泛研究[2-3]。通常把<5 mm 的塑料顆粒稱為微塑料,其經(jīng)過物理、化學(xué)等作用會(huì)進(jìn)一步裂解成更小顆粒[4]。這些小顆粒更易吸附多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物及重金屬,也易被海洋生物誤食,造成危害[5-7]。迄今為止,有關(guān)微塑料的研究主要集中在海洋生態(tài)環(huán)境影響方面,許多學(xué)者已研究了其數(shù)量、來源、分布及毒理效應(yīng),明確了微塑料在淡水水體及沉積物中的富集狀況[8]。由于土壤是一個(gè)復(fù)雜的三相體系,與海洋環(huán)境差異較大,難以直接將海洋環(huán)境中的研究思路和方法直接移植到土壤環(huán)境中,從土壤中獲取微塑料遠(yuǎn)比在水中獲取困難,致使土壤中微塑料相關(guān)研究工作進(jìn)展緩慢。另外土壤中存在大量塑料碎片是司空見慣的現(xiàn)象,這在很大程度上也是導(dǎo)致土壤中微塑料積累研究被忽視的原因之一。Nizzetto 等[9]估算北美和歐洲每年排放約11 萬~73 萬t 微塑料到農(nóng)田土壤中,大大超過了對(duì)海洋中微塑料的估計(jì)量。農(nóng)田土壤微塑料研究才剛起步,已有研究顯示,上海城郊菜地土壤中微塑料主要分布在淺層土壤[10],黑龍江農(nóng)田土壤0~20 cm 微塑料顆粒大小分布在60~2 400 μm 之間[11],云南滇池南部湖盆區(qū)0~10 cm 表層每千克土壤微塑料數(shù)量近2 萬片[12]。在高強(qiáng)度地膜覆蓋的我國西北地區(qū),農(nóng)田土壤中肉眼可見地膜殘片(直徑>5 mm)被認(rèn)為是土壤微塑料的最主要來源[13],但土壤微塑料數(shù)量和分布特征的研究還較少。由于對(duì)農(nóng)田土壤微塑料本底值和科學(xué)認(rèn)知研究的不充分,也就難以評(píng)估微塑料對(duì)農(nóng)田土壤健康以及生產(chǎn)力的潛在危害。
環(huán)境樣品中微塑料的分離提取是微塑料污染研究的關(guān)鍵。目前,水面漂浮微塑料主要通過過濾收集[14];沉積物或土壤等固體樣品通常采用篩分-浮選相結(jié)合進(jìn)行分離收集,或者直接通過密度浮選法[15-17],并結(jié)合加熱法,用顯微鏡觀察加熱前后微塑料的變化,該方法簡單、方便、成本低廉,不需化學(xué)試劑就能有效地鑒別微塑料。近年來,拉曼光譜或紅外線、掃描電鏡-能譜法、裂解氣相色譜-質(zhì)譜法等也被用于識(shí)別和量化土壤中微塑料形態(tài)與組成結(jié)構(gòu)的變化[1],但成本高、耗時(shí)長。地膜覆蓋是甘肅和陜北等西北干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的重大技術(shù)措施,已應(yīng)用20 多年,甘肅是僅次于新疆全國地膜覆蓋面積最大的省份之一,全省一半耕地已地膜化,地膜污染形勢(shì)嚴(yán)峻。因此,本研究采集該區(qū)域9個(gè)縣區(qū)27塊典型覆膜農(nóng)田0~30 cm 土壤樣品,參考Zhang 等[18]提出的密度浮選和加熱分離法提取和甄別農(nóng)田土壤微塑料,結(jié)合電子顯微鏡和Image J 軟件計(jì)算微塑料豐度(每千克干土中微塑料數(shù)量,pieces·kg-1)和面積(每個(gè)微塑料面積,mm2·piece-1),旨在闡明西北典型覆膜農(nóng)田微塑料數(shù)量及分布特征,為農(nóng)田土壤微塑料研究提供參考和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
甘肅和陜西北部是我國地膜覆蓋面積及覆蓋強(qiáng)度較大的地區(qū)之一,氣候由西部的干旱綠洲灌區(qū)到東部的半干旱雨養(yǎng)區(qū),長期盛行一年一熟或兩年三熟(夏休閑期復(fù)種)輪作制,農(nóng)田地膜覆蓋量平均75 kg·hm-2。2018年9—11月作物收獲后,用GPS 定位甘肅和陜北9個(gè)縣區(qū)27塊典型覆膜農(nóng)田的地理位置,調(diào)查種植作物和覆膜年限,結(jié)果見表1。在作物收獲后揭掉地表當(dāng)季覆蓋塑料薄膜后、農(nóng)田土壤未翻耕前采集土樣,每個(gè)地塊根據(jù)面積大小和形狀選取3 個(gè)樣方作為采樣點(diǎn),總共采集81個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣品(27×3)。每個(gè)采樣點(diǎn)用鐵簽作為四角支撐點(diǎn)連成一個(gè)100 cm×100 cm 的正方形,逐層仔細(xì)撿拾0~30 cm 深土壤樣品中肉眼可見的殘膜碎片(數(shù)據(jù)單獨(dú)公開發(fā)表)。同步采集土壤樣品,將每次采集的土壤均勻混合,用四分法取2 kg 土壤樣品標(biāo)記后裝入布袋,共81 份帶回實(shí)驗(yàn)室處理并進(jìn)行微塑料提取。
采集的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后,進(jìn)一步除去肉眼可見的塑料殘片、作物根系、石塊等雜質(zhì)后,采用密度-蒸餾水浮選法提取81 個(gè)土壤樣品中的微塑料。(1)每個(gè)樣品稱取10.00 g 土壤放入100 mL 燒杯中,加入蒸餾水50 mL,室溫下用玻璃棒充分?jǐn)嚢杈鶆?,用蒸餾水把玻璃棒上的黏附物沖洗到燒杯中,蓋上錫箔紙,靜置24 h,讓土壤顆粒沉淀,得到均勻懸浮液;(2)用慢速定量濾紙(孔徑<3 μm)過濾懸浮液到準(zhǔn)備好的三角瓶中,然后再加50 mL 蒸餾水到燒杯中,繼續(xù)用玻璃棒攪拌并用蒸餾水沖洗玻璃棒,蓋上錫箔紙?jiān)凫o置24 h;(3)重復(fù)(2)操作至少4 次,使微塑料等物質(zhì)吸附到濾紙上,直至原有燒杯上清液中無肉眼可見漂浮物;(4)將燒杯移至超聲波清洗機(jī)中振蕩2 h,以充分釋放包裹于土壤顆粒中的微塑料,取出靜置24 h 后過濾;(5)將(4)得到的懸浮液繼續(xù)用(2)中濾紙過濾吸附微塑料等,然后將濾紙仔細(xì)折疊,放在錫箔紙杯中,于60 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量。為防止環(huán)境背景造成污染,實(shí)驗(yàn)人員穿棉質(zhì)衣服,操作在封閉環(huán)境中進(jìn)行。
表1 甘肅省和陜西北部27個(gè)采樣點(diǎn)的基本信息Table 1 Basic informations of 27 sampling sites in Gansu and North Shaanxi
拍照:用毛刷子將濾紙上收集的微塑料等物質(zhì)全部轉(zhuǎn)移到載玻片上,并使其均勻分散不重疊,載玻片置于顯微鏡(Olympus CX41)下觀察,并用連接于電腦的拍照系統(tǒng)(Q-Capture Pro7)拍攝照片記為1(圖1A),然后保持顯微鏡和拍攝參數(shù)不變,將載玻片轉(zhuǎn)移到恒溫電熱板(崢嶸DB-1A),130 ℃下加熱4~8s使微塑料變形;將載玻片放回顯微鏡拍下加熱后微塑料照片記為2(圖1B)。拍照全過程實(shí)驗(yàn)人員戴帽子和口罩,穿棉質(zhì)衣服。
識(shí)別:在Photoshop CS6 中將照片1 和2 疊加比對(duì),加熱前后發(fā)生形態(tài)變化的即為微塑料,形態(tài)未變化的為土壤顆粒中分離出來的有機(jī)物、石塊等雜質(zhì)。將照片1 中加熱后未變形的物質(zhì)擦除,變形的微塑料命名為N1 保存。將N1 導(dǎo)入Image J 中統(tǒng)計(jì)微塑料的數(shù)量(豐度)和每個(gè)微塑料的像素值,用照片分辨率(300 dpi)和像素(2 560×1 920)、微塑料像素值、顯微鏡放大倍數(shù)40(目鏡10×、物鏡4×)計(jì)算每個(gè)微塑料的面積。
分組:土壤中微塑料經(jīng)各種生物、化學(xué)和物理因素作用后呈碎片、纖維和薄膜等不同形態(tài),單純用粒徑長度尚不能充分反映微塑料顆粒的實(shí)際大小。已有研究以每個(gè)微塑料最長邊的長度作為粒徑分級(jí),或用每千克干土中微塑料的毫克數(shù)來衡量微塑料含量[1,18]。本研究81份土壤樣品(共取2 430 g干土)共檢測(cè)到12 392 個(gè)微塑料,以每個(gè)微塑料面積(mm2)大小,將其劃分為0~0.05、0.05~0.3、0.3~0.6、0.6~1.0 mm2·piece-1和>1.0 mm2·piece-1共5 個(gè) 組。每 個(gè) 監(jiān) 測(cè)點(diǎn)每千克干土中微塑料面積為監(jiān)測(cè)到所有微塑料面積之和。
微塑料豐度和面積以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示(Mean±SE)。因受氣候、土壤、耕作管理、物理化學(xué)等綜合因素影響,土壤中微塑料豐度和大?。娣e)呈現(xiàn)明顯的非均勻偏態(tài)分布,不符合參數(shù)檢驗(yàn)和方差分析要求,用SPSS 22.0和Excel作直方圖和頻數(shù)分布圖。
土壤中微塑料數(shù)量一般用其豐度表示,即每千克干土中微塑料豐度(pieces·kg-1),面積為每千克土壤中所有微塑料對(duì)應(yīng)面積的和(mm2·kg-1)。結(jié)果表明,甘肅和陜北9 個(gè)縣區(qū)27 塊典型農(nóng)田81 個(gè)土壤樣方中均檢測(cè)到微塑料的存在,并且不同地塊之間、同一地塊不同取樣點(diǎn)之間微塑料豐度和面積差異較大(圖2)。農(nóng)田0~30 cm 土層微塑料豐度平均值(5.09±1.21)×103pieces·kg-1,變異系數(shù)68.4%,最小為5.80×102pieces·kg-1,最大為1.19×104pieces·kg-1,最大值與最小值相差約20 倍(圖2A)。農(nóng)田土壤微塑料面積平均值(1.04±0.20)×103mm2·kg-1,變異系數(shù)89.4%,最小為82 mm2·kg-1,最大為4.16×103mm2·kg-1,相差約50倍(圖2B)。長期覆膜農(nóng)田土壤中微塑料面積變異顯著大于其豐度變異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),干旱綠洲灌區(qū)(甘肅張掖和武威)、半干旱雨養(yǎng)區(qū)(甘肅中東部)、風(fēng)沙半干旱灌區(qū)(陜西北部)微塑料豐度平均值依次為2.02×103、6.90×103、3.63×103pieces·kg-1,微塑料面積為1.8×102、1.36×103、7.6×102mm2·kg-1,微塑料平均面積為0.11、0.20、0.23 mm2·piece-1,即半干旱雨養(yǎng)區(qū)土壤微塑料豐度和面積明顯高于干旱綠洲灌區(qū)和風(fēng)沙半干旱灌區(qū),但干旱綠洲灌區(qū)和風(fēng)沙半干旱灌區(qū)微塑料平均面積卻小于半干旱雨養(yǎng)區(qū),表明微塑料在土壤中的存在狀況和大小可能受氣候與灌溉條件、土壤耕作等綜合因素影響。
圖1 顯微鏡下拍攝的土壤微塑料加熱前后形態(tài)變化(圖中圓圈中的為微塑料)Figure 1 Change of MiPs shapes from photos taken by camera under microscope(MiPs were circled)
27 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的81 個(gè)土壤樣品(共2 430 g 干土)中共檢測(cè)和甄別到12 392 個(gè)微塑料顆粒。81 份土壤樣品中的微塑料豐度及檢測(cè)到所有微塑料顆粒面積大小均呈現(xiàn)明顯的不均勻分布(圖3)。總體來看,土壤中豐度較小的微塑料出現(xiàn)次數(shù)較多,面積越小的微塑料出現(xiàn)次數(shù)越多。0~30 cm 土層中微塑料豐度<3×103pieces·kg-1和3×103~8×103pieces·kg-1出現(xiàn)的次數(shù)最高(圖3A),分別為30次和32次,占總次數(shù)的38.4%和41.0%,即每千克土壤中微塑料豐度<8 000 pieces·kg-1的占79.4%,<3 000 pieces·kg-1與3 000~8 000 pieces·kg-1的所占比例接近。
圖2 甘肅和陜西27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)0~30 cm土層微塑料豐度和面積的變化Figure 2 The abundance and area of MiPs in 0~30 cm soil layer at 27 sampling sites in Gansu and Shaanxi
圖3 甘肅和陜西27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)0~30 cm土層微塑料豐度和大小的頻次分布Figure 3 Frequency distribution of the abundance and area of MiPs in 0~30 cm soil layer in Gansu and Shaanxi
檢測(cè)到的所有微塑料中,每個(gè)微塑料顆粒平均面積0.19 mm2·piece-1,最大7.11 mm2·piece-1,變異系數(shù)為174.7%。從每個(gè)微塑料面積大小出現(xiàn)次數(shù)的頻數(shù)分布來看(圖3B),檢測(cè)到的微塑料可分為5 個(gè)組,其中<0.05 mm2·piece-1和0.05~0.3 mm2·piece-1出 現(xiàn) 的次數(shù)為4 584 次和5 643 次,占微塑料總數(shù)的36.9%和45.5%,大小在0~0.3 mm2·piece-1范圍內(nèi)的微塑料出現(xiàn)總次數(shù)占82.4%,即土壤中面積<0.3 mm2·piece-1的微塑料居多。而大小在0.3~0.6、0.6~1.0 mm2·piece-1和>1.0 mm2·piece-1范圍內(nèi)微塑料出現(xiàn)次數(shù)分別占10.5%、4.2%和2.9%(表2)。特別是面積小于平均數(shù)(0.19 mm2·piece-1)的微塑料出現(xiàn)次數(shù)所占比例高達(dá)74.6%。在5 個(gè)分組范圍內(nèi),面積0~0.05 mm2·piece-1的微塑料面積占比僅8.7%,顯著低于對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的微塑料豐度占比(36.9%),0.05~0.3 mm2·piece-1范圍內(nèi)的微塑料面積占比達(dá)到36.5%,0.3~0.6、0.6~1.0 mm2·piece-1和>1.0 mm2·piece-1范 圍 內(nèi) 的 面 積 占 比 卻高于相應(yīng)分組內(nèi)的微塑料豐度占比(表2)。即覆膜農(nóng)田土壤中微塑料豐度隨其面積減小而增大,面積小的微塑料豐度較大(圖3)。
經(jīng)調(diào)研農(nóng)戶地膜覆蓋年限,甘肅和陜北27 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中地膜覆蓋時(shí)間最短的是4 a,最長的是28 a,其中14 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆膜年限在10~20 a(表1)。農(nóng)田覆膜年限長短對(duì)土壤中微塑料豐度和大小影響較大(表3)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),面積為0~0.05 mm2·piece-1的微塑料豐度占比由覆膜5 a 的31.8%增加到覆膜10 a 的44.5%、15 a 的49.5%和28 a 的57.6%,相應(yīng)覆膜年限微塑料面積所占比例依次為2.8%、5.8%、13.4%和18.8%;覆膜年限對(duì)面積0.05~0.3 mm2·piece-1微塑料豐度占比影響不明顯,而對(duì)其面積占比影響同0~0.05 mm2·piece-1微塑料的變化情況基本一致,隨覆膜年限增加微塑料面積占比顯著提高。然而,面積為0.3~0.6、0.6~1.0、>1.0 mm2·piece-1微塑料隨著覆膜年限延長,其豐度和面積所占比例均下降(表3)。隨著覆膜年限的增加,土壤中小顆粒微塑料豐度和面積所占比例均明顯增加,可以推斷長期覆膜后農(nóng)田土壤中積累的微塑料由大顆粒逐漸向小顆粒轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致小顆粒微塑料所占面積增加、比表面積增大,這可能會(huì)加重微塑料對(duì)土壤的潛在污染。
表2 覆膜農(nóng)田土壤微塑料分組及其微塑料豐度和面積占比變化Table 2 Area groups of MiPs and percentage of number and area in the corresponding groups
表3 農(nóng)田覆膜年限對(duì)不同分組內(nèi)土壤微塑料豐度和面積占比的影響Table 3 Effects of mulch years on the numbers and areas of MiPs in different area groups
土壤中微塑料數(shù)量和大小受氣候環(huán)境、灌溉條件、土壤耕作強(qiáng)度、自然風(fēng)化、覆膜年限等綜合因素影響,全球不同區(qū)域研究中數(shù)據(jù)差異很大。意大利地中海沿海區(qū)域微塑料豐度2 175 pieces·kg-1[19],新加坡紅樹林土壤中為(62.8±27.2)pieces·kg-1[20],瑞士自然保護(hù)區(qū)土壤為593 pieces·kg-1[21],我國黑龍江周邊農(nóng)田微塑 料 豐 度 最 大 為800 pieces·kg-1、面 積 為1.1~12.6 mm2·kg-1[11],云南滇池南部湖盆區(qū)0~10 cm 土壤微塑料數(shù)量1.3×104~2.8×104pieces·kg-1[12],覆膜20 a 后內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤微塑料豐度高達(dá)6 262.5 pieces·kg-1[22]。本研究甘肅和陜北覆膜農(nóng)田0~30 cm 土壤微塑料豐度和面積大小呈現(xiàn)非均勻分布,豐度和面積平均值分別為(5.09±1.21)×103pieces·kg-1和(1.04±0.20)×103mm2·kg-1,這些初步結(jié)果預(yù)示著西北覆膜農(nóng)田土壤微塑料污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)很大,并且半干旱雨養(yǎng)區(qū)微塑料數(shù)量和面積大于河西與陜北的干旱半干旱灌區(qū),這可能是由于灌溉使部分微塑料隨水分入滲逐漸遷移到30 cm 以下土層,旱作區(qū)土壤水分不足且頻繁干濕交替致使微塑料移動(dòng)性較差,或許也與土壤類型、耕作措施等有關(guān),但目前這些尚缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)佐證,僅是推測(cè),亟待后續(xù)深入研究。
在不同粒徑的微塑料中,土壤中<1 mm 的微塑料所占比例較高[23-24]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)覆膜20 a 的農(nóng)田土壤微塑料粒徑<1、1~3 mm 的比例達(dá)到52.1%、31.9%,覆膜5~10、10~20 a 農(nóng)田土壤微塑料數(shù)量年平均增長14.46%、3.95%[22]。Zhao 等[25]在中國長江入??谒w中觀測(cè)到的<1 mm 的微塑料豐度占50%。大量研究表明,這些更細(xì)小的微塑料(1 mm 左右或μm級(jí))更容易進(jìn)入生物體組織甚至細(xì)胞中,土壤中微塑料比表面積大小與土壤中有機(jī)污染物和重金屬吸附有關(guān),面積越小遷移能力越強(qiáng)[26-28],遷移過程中微塑料老化和磨損又會(huì)使比表面積增加,放大生態(tài)毒性[29]。本研究農(nóng)田土壤微塑料大小平均0.19 mm2·piece-1,<0.3 mm2·piece-1的數(shù)量占82.4%、面積占45.2%,<0.1 mm2·piece-1的微塑料數(shù)量占57.8%,特別是 在0~0.05 mm2·piece-1和0.05~0.3 mm2·piece-1范 圍內(nèi),覆膜28 a 農(nóng)田土壤微塑料豐度較覆膜5 a 增加了44.9% 和10.4%,相應(yīng)的微塑料面積占比增加了85.2%和68.0%,面積越小的微塑料其數(shù)量所占比例增加,面積越大的微塑料其數(shù)量所占比例減少。這可能是因?yàn)殡S覆膜時(shí)間增加大粒徑微塑料向小粒徑轉(zhuǎn)化,小粒徑微塑料通過生物體的能力會(huì)越強(qiáng),將威脅土壤動(dòng)物和植物的正常生長。因此,土壤中<0.3 mm2·piece-1的微塑料是造成微塑料污染的主要組分,需要更加關(guān)注這些豐度較高、顆粒更細(xì)的微塑料研究,加強(qiáng)農(nóng)田微塑料在土壤中遷移、轉(zhuǎn)化特征及其可能產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究,以為西北適宜地膜覆蓋區(qū)域土壤殘膜管理措施制定提供依據(jù)。
西北作為我國地膜用量和覆蓋面積最大的地區(qū),覆膜農(nóng)田普遍存在著土壤微塑料,并且數(shù)量較高,0~30 cm 土層每千克干土中微塑料豐度和面積為(5.09±1.21)×103pieces 和(1.04±0.20)×103mm2,微塑料平均大小0.19 mm2·piece-1。長期覆膜農(nóng)田面積<0.3 mm2·piece-1的微塑料數(shù)量占82.4%、面積占45.2%,特別是<0.01、<0.1 mm2·piece-1范圍內(nèi)的微塑料數(shù)量占4.5%、57.8%,即土壤微塑料主要以微米級(jí)存在。隨著地膜覆蓋時(shí)間延長,農(nóng)田土壤中<0.3 mm2·piece-1的微塑料數(shù)量和面積所占比例均明顯增加,>0.3 mm2·piece-1的微塑料數(shù)量和面積占比卻下降,預(yù)示著大顆粒會(huì)逐漸向小顆粒轉(zhuǎn)化,一定時(shí)期內(nèi)農(nóng)田土壤微塑料潛在污染將呈現(xiàn)出加重趨勢(shì)。