中国农大刘学军、王锴团队Environ Pollut：不同集约化农业体系下土壤中大塑料和微塑料的累积——以中国华北平原曲周县为例

成果简介

近日，中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院刘学军教授和王锴副教授团队联合中国农科院严昌荣研究员团队以及荷兰瓦赫宁根大学Violette Geissen和Coen J. Ritsema教授团队在环境领域著名学术期刊Environmental Pollution上发表了题为“Macro- and micro-plastic accumulation in soils under different intensive farming systems: A case study in Quzhou county, the North China Plain”的论文。文中通过对华北平原典型种植体系的农田大塑料（macroplastics, MaPs）和微塑料（microplastics, MiPs）的丰度和分布情况进行分析，并探究不同土层的微塑料分布情况，以及农田管理措施（耕作和覆膜情况）、大塑料残留和微塑料尺寸之间的关系。

大塑料（>5 mm, MaPs）和微塑料（microplastics，MiPs）在农田中的赋存对土壤生态系统功能存在重要潜在影响。然而，种植系统对大塑料和微塑料的赋存分布影响仍然缺乏系统分析。本研究以华北平原典型农业县曲周县为研究地点，于2022年4月至6月期间，在曲周县采集了六种不同种植系统（小麦玉米轮作，棉花地，菜地，覆膜温室，不覆膜温室，和果园）中的土壤样品、、有机肥样品和灌溉水样品。结果表明，曲周县土壤中的大塑料和微塑料丰度范围分别为0.2–46.8 kg ha^-1 和 4.1 × 10³–3.7 × 10⁴ items kg^-1。并且，耕作方式、覆膜年限和大塑料赋存显著影响微塑料的尺寸分布。

图文导读

• 曲周县六种种植体系的大塑料和微塑料赋存情况

• 图1不同种植体系中的大塑料（MaP）丰度（kg ha^-1）。不同字母表示种植体系之间存在显著性差异（p < 0.05）。

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图2 微塑料（MiP）丰度（a, b）、形状分布（c）、尺寸分布（d）及化学成分（e）在六种种植体系、堆肥、地下水和地表水样品中的分布情况。不同字母表示农业体系之间存在显著性差异（p < 0.05）。

图1展示了大塑料在不同种植体系中的赋存分布，其浓度范围为0.2至46.8 kg ha^-1，平均值为20.1 kg ha^-1。蔬菜地（46.8 ± 43.3 kg ha^-1）和棉花地（37.1 ± 18.4 kg ha^-1）的大塑料丰度显著高于小麦-玉米轮作地（1.9 ± 1.5 kg ha^-1）和不覆膜温室（0.2 ± 0.1 kg ha^-1）。图2a中，不同种植体系的微塑料分布中微塑料丰度在0–30 cm 土层中分布范围为8.5 × 10³ 至 2.7 × 10⁴ items kg^-1，平均值为 1.2 × 10⁴ items kg^-1。棉花地中微塑料丰度最高，其次是果园和蔬菜地。堆肥、地下水和地表水中的微塑料平均丰度分别为 1.0 × 10³ ± 908 items kg^-1、1.6 items L^-1 和 0.3 items L^-1（图2a和图2b）。碎片状微塑料占主导地位，在六种农业体系中占比为 45–62%（图2c）。尺寸小于 1 mm 的微塑料占主导地位，在所有农业体系中占比为 98–99%（图2d）。除小麦玉米轮作体系外，农田土壤中微塑料的主要化学成分为聚乙烯（PE），占37.5–42.86%。

不同土层的微塑料赋存情况

图 3 六种耕作制度下三层土壤中的微塑料（MiP）丰度（a）、三层土壤中微塑料丰度（b）、形状（c）和尺寸分布（d）。（a）中不同大写字母表示同一土层内不同种植体系之间微塑料丰度存在显著性差异，不同小写字母表示同一种植体系内不同土层之间微塑料丰度存在显著性差异（p < 0.05）；（b）中不同小写字母表示3个土层之间微塑料丰度存在显著性差异（p < 0.05）。

20–30 cm 土层中微塑料丰度（1.2 × 10³–1.7 × 10⁴ items kg^-1）显著低于0–10 cm（7.2 × 10³–3.5 × 10⁴ items kg^-1）和10–20 cm（5.2 × 10³–2.2 × 10⁴ items kg^-1）（p < 0.05）。棉花地的微塑料丰度在各土层中最高，而小麦-玉米轮作地表层和中层最低，覆膜温室的底层最低。不同土层中，碎片状占主导（56.1%–57.1%），且99%以上的微塑料尺寸小于1 mm，各土层之间微塑料尺寸和形状分布相似。

• 不同种植体系微塑料分布的因素分析

• 图4 (a) 小麦-玉米轮作地，(b) 棉花地，(c) 蔬菜地，(d) 未覆膜温室，(e) 覆膜温室，(f) 果园中土壤颗粒尺寸和微塑料（MiP）尺寸的频率分布曲线。不同的小写字母表示同一尺寸区间内微塑料尺寸分布与土壤颗粒尺寸分布之间存在显著性差异（p < 0.05）。

图5 农业活动与不同尺寸区间中微塑料（MiPs）丰度的冗余分析（RDA）。

除了小麦玉米轮作和果园，其他四种种植体系中微塑料和土壤颗粒尺寸分布之间并没有显著差异（图4）。机械磨损和紫外线照射会加速大塑料和微塑料的碎片化，并随着颗粒尺寸减小，微塑料丰度显著增加。棉花地和蔬菜地收获后土壤中残留大量大塑料，通过持续紫外线照射和耕作作用，生成更多小尺寸微塑料（< 0.2 mm）。蔬菜地及覆膜或未覆膜温室每年耕作两次，这种高强度耕作可能加速小尺寸微塑料的生成。与此同时，小于0.02 mm的微塑料通过生物活动和渗滤进入深层土壤（> 30 cm），导致随着尺寸减小，表层微塑料丰度降低。在小麦-玉米轮作地和果园中，由于缺乏塑料应用和低频率耕作，塑料碎片化速度较慢，生成较大尺寸的微塑料。相较之下，集约化耕作和农业塑料管理不当使其他体系中微塑料的尺寸分布与土壤颗粒分布差异不显著。RDA分析显示（图5），耕作频率与大尺寸比例（0.2–0.5 mm和0.5–1 mm）显著负相关，与小尺寸比例（< 0.02 mm和0.02–0.2 mm）弱正相关。随着地膜使用年限和大塑料丰度的增加，小尺寸微塑料比例（< 0.02 mm和0.02–0.2 mm）积累显著增强，这可能归因于紫外线辐射导致的碎片化过程。同时，根据RDA分析，小于0.2 mm的微塑料可能具有相似的来源和迁移模式。

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本研究分析了曲周县六种农业体系中微塑料和大塑料的特征。结果显示，果园、蔬菜地和棉花地的大塑料丰度和微塑料丰度均高于温室和小麦-玉米轮作地。研究发现，微塑料的主要尺寸为<1 mm，形状以碎片为主，聚合物类型主要为聚乙烯（PE），表明农业塑料制品（如地膜）是大塑料和微塑料的重要来源，而这些颗粒可能进一步经历剧烈的碎片化过程。农业管理实践（如耕作及其频率）对耕作土层中微塑料的分布具有显著影响。

综上所述，集约化农业（如棉花地、蔬菜地和温室中的高频耕作及农业塑料管理）可能加速大塑料和微塑料的碎片化，导致小尺寸微塑料在土壤中的累积。尽管已有研究关注大塑料、微塑料及纳米塑料的筛查，但亟需进一步了解塑料碎片化过程及其与土壤颗粒的相互作用，以评估其对土壤生态系统的潜在风险。

该项研究工作获得国家重点研发计划（2023YFD1900501 和 2023YFD1900604），国家自然科学基金（42277097），中国鄂尔多斯市科技重大专项（ZD20232320），中英等六国参与的全球研究挑战基金（Global Challenges Research Fund, GCRF）项目“农业微塑料对粮食安全与可持续发展影响”（NE/V005871/1），中国农业大学忻州教授工作站，中国农业大学高水平团队项目，中国国家留学基金管理委员会（201913043）以及海南大学的资助。