土壤微塑料的赋存特征、检测技术及生态效应研究进展

孙英 ,  张占宏

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2) : 81 -86.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2) : 81-86. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.02.015
技术进展

土壤微塑料的赋存特征、检测技术及生态效应研究进展

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Research progress on occurrence characteristics,detection technology and ecological effects of soil microplastics

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摘要

从多角度对土壤微塑料进行综述发现,其赋存特征为分布广泛、含量差异大,形态和聚合物类型多样。来源包括农用薄膜残留破碎、化肥使用、污水灌溉及大气沉降等。前处理中,H2O2消解效果与聚合物保护平衡较好。分析检测方法多由水体提取法演变,缺乏标准化。微塑料进入土壤后会横纵迁移,影响土壤理化性质,还可能吸附污染物,增强迁移性与生物可利用性,威胁人类健康。综合上述分析将有助于揭示微塑料在土壤中的赋存迁移规律及相关机理,并提供科学思路和理论基础。

Abstract

A comprehensive review from multiple perspectives reveals that the characteristics of microplastics in soil include widespread distribution,significant variation in content,and diverse forms and polymer types.Sources include residual fragments of agricultural films,fertilizer use,wastewater irrigation,and atmospheric deposition.In pretreatment,H2O2 digestion shows good balance with polymer protection.Analytical methods have evolved from water extraction techniques but lack standardization.Once microplastics enter the soil,they migrate both horizontally and vertically,affecting soil physicochemical properties and potentially adsorbing pollutants,enhancing their mobility and bioavailability,posing a threat to human health.A comprehensive analysis will help reveal the migration patterns and related mechanisms of microplastics in soil,providing scientific insights and theoretical foundations.

关键词

赋存特征 / 生态效应 / 吸附 / 检测技术 / 分离纯化

Key words

occurrence characteristics / ecological effect / adsorption / detection technology / separation and purification

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孙英,张占宏. 土壤微塑料的赋存特征、检测技术及生态效应研究进展[J]. , 2026, 46(2): 81-86 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.02.015

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在当今世界,塑料污染已成为与海洋酸化、全球变暖等并列的全球性环境问题,严重威胁着生态平衡与人类的可持续发展[1]。2015年,第二届联合国环境大会将微塑料污染列为环境与生态领域的第二大科学问题。研究表明,全球大部分塑料垃圾并非进入海洋,而是流向土壤和淡水,土壤更是成为塑料的主要“汇”,每年陆地上塑料垃圾的释放量达到海洋的4~23倍[2]。这些进入土壤的塑料,在物理、化学和生物的多重作用下,逐步降解为微塑料(直径小于5 mm)和纳米塑料(小于1 μm),并不断在土壤介质中积累和迁移,已然成为不容忽视的全球性难题。
2004年,Thompson等[3]首次提出微塑料的概念,此后微塑料对环境、生物和人体的潜在影响引起环境科学领域的广泛重视。按照形成过程划分,微塑料可分为初级(直接排放)和次级(经紫外线照射或其他外力作用破碎、裂解而成)2类。从聚合物类型来看,常见的塑料类型包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等;按粒径可进一步细分为纳米塑料、亚微米塑料等;按形状又有纤维、碎片等多种形态。
微塑料凭借粒径小、难降解的特性,能够在土壤中长期留存[4]。一方面,它极易吸附土壤中的有机污染物、重金属等有害物质,这些污染物会随着微塑料在土壤中迁移,甚至通过生物摄入跨越血脑屏障、胎盘屏障等生物屏障,在生物体内蓄积,严重危害生物健康[5]。另一方面,在土壤生态系统中,微塑料会从多个维度对土壤环境造成影响。在物理结构层面,微塑料会降低土壤容重、堵塞种皮和根孔,进而影响土壤的通气性和透水性;在化学性质与养分循环方面,微塑料会干扰土壤正常的化学过程,阻碍养分的有效传输与转化,从而影响植物的正常生长发育[6]。此外,微塑料还会对土壤中的微生物群落结构、动物生存状态等产生潜在危害,降低土壤生物多样性,干扰土壤生态功能的正常发挥[7]
我国废弃塑料总量庞大,但回收率不足10%,大量塑料垃圾滞留在土壤环境中[8]。随着塑料制品需求的不断攀升,土壤微塑料污染日益加剧,对粮食安全与土壤生态系统的稳定构成了潜在威胁。然而,目前科学界尚未找到高效可行的处理方法。鉴于土壤微塑料污染的严峻现状及其对土壤生态系统的复杂影响,深入探究土壤微塑料的赋存特征、研发精准的检测技术,剖析其对土壤环境的作用机制,对于全面评估土壤微塑料污染风险、制定科学有效的防控措施具有重要的理论和现实意义。因此,本文中将围绕土壤微塑料的赋存特征、检测技术及对土壤环境的影响展开系统综述。

1 土壤微塑料的赋存特征

土壤环境是微塑料最主要的汇聚地,其丰度正在逐年加剧。土壤微塑料可改变土壤的结构,影响土壤性质,对土壤肥力产生影响,进而对农业耕作产生影响[9]。随着微塑料研究的不断深入,研究人员将目光投向了水环境以外的环境介质,农田、林地等内陆土壤生态系统微塑料污染研究不断增多。目前,已在农田土壤中发现大量的微塑料存在,包括纤维、薄膜、碎片和颗粒等多种形态类型,以及PE、PP、PVC、PS和PET等多种聚合物成分,丰度在几个/kg到数万个/kg不等,粒径范围主要集中在0~1 mm之间(表1)。Liu等[10]率先在上海市郊区农田土壤中发现微塑料的存在,发现微塑料的丰度随着深度的增加而减小,其形状主要为碎片状、薄膜状和纤维状,聚合物类型主要为PP、PE和PET。此外,土壤中微塑料的赋存特征(如类型、尺寸和丰度等)易受土壤水分、植物根系、生物和机械扰动等影响。

2 土壤微塑料的来源

土壤微塑料来源广泛,与工农业生产、人类活动以及大气沉降等密切相关。塑料制品的使用和降解是土壤微塑料的重要来源,农膜残留、污水灌溉、化肥施用和大气沉降是其主要来源。

2.1 农膜残留

农膜能够有效提高土壤中水分的利用效率,降低杂草和害虫侵入风险,增加农作物产量,因此农膜在全球得到了大规模的应用。2018年我国农膜的使用量就达到246.7万t,并呈持续增长的趋势[17]。我国广泛使用的农膜较薄,回收不易,且农膜在碎裂分解的过程中会释放出多溴二苯醚等添加剂和其他有害物质,扰乱土壤生态系统。农业活动(如机械翻动)、紫外线照射和风化等作用会不断将农膜裂解,形成微塑料[18]。在杭州湾周边地区调查发现,农膜覆盖的耕作土壤比其他耕地土壤含有更高的微塑料[11]。总而言之,农膜的大量使用加剧了土壤微塑料的污染。

2.2 污水灌溉

在发展中国家,农业用水压力促使污水灌溉日益普遍。然而,即使经过处理,污水中仍含有难被完全去除的微塑料。这些微塑料随灌溉用水(来自受污染的地表水或地下水)进入农田土壤,成为土壤微塑料污染的重要输入途径。研究证实,灌溉水与土壤中的微塑料在类型(如以合成纤维为主)上具有相似性,直接验证了灌溉水的贡献[11]。此外,大气沉降的微塑料也可直接或间接(通过水体)进入土壤,共同构成土壤微塑料的复杂来源。

2.3 化肥使用

我国农业普遍施用由秸秆、粪便等制成的有机肥,虽有助于资源循环,但其原料中常混杂微塑料,导致施用土壤中的微塑料含量显著升高[19]。此外,经处理的城市污泥也常作为肥料施用,而污水处理过程会将污水中约90%的微塑料富集于污泥中,随其农用进一步导致微塑料在农田土壤中长期积累。因此,有机肥与污泥的施用已成为土壤微塑料污染的重要人为输入途径。

2.4 大气沉降

空气中的颗粒物包括多种来源,如建筑材料、人造纤维和家庭灰尘等[20]。大气沉降是土壤微塑料的重要来源之一。研究表明,大气中存在较高浓度的微塑料,这些微塑料通过风力传输和重力沉降进入土壤环境[21]。虽然不同地区的微塑料沉积差异较大,但因为大气微塑料迁移的超远距离与持续性,大气沉降对土壤微塑料的贡献不容忽视。

3 土壤微塑料的采集和分析方法

3.1 土壤微塑料的采集

在采集土壤微塑料时,依据采样深度可分为表层和不同深度采集2类。采集时需注意土壤和沉积物类型,如砂土、黏土、壤土等,以及该地理区域的土地历史使用类型,如之前是否为地膜覆盖的农田等。不同采样方式优缺点见表2

3.2 土壤微塑料的分离与纯化方法

从土壤样品中提取微塑料较为复杂,步骤较多,主要可分为破坏团聚体、分离和纯化3大部分。破坏团聚体主要是将微塑料与土壤区分开。而纯化则为去除微塑料表面的杂质,以获取纯净的微塑料,各步骤之间的处理顺序可改变。

3.2.1 破坏团聚体

土壤中的微塑料可能与环境介质相互缠绕、附着而形成团聚体,从而阻碍微塑料的提取,因此可采取超声波处理、搅拌、曝气和研磨等破坏团聚体。

3.2.2 分离

土壤中微塑料的分离方法分为直接获取微塑料(人工目视法和磁力提取法)和将微塑料转移至其他基质中(密度浮选法、油脂提取法、泡沫浮选法和磁密度分离法)2大类[22]。后者先将微塑料转移至液相,随后通过真空抽滤等手段,将微塑料富集至滤膜上,实现进一步分离。目前,在众多分离方法中,密度分离法是土壤微塑料分离的主要手段,具体优缺点见表3

3.2.3 纯化

从土壤中分离出的微塑料通常在表面存在较多有机质,为避免后续对微塑料的识别和鉴定造成干扰,需要将其去除,常用方法包括过氧化氢氧化法、酸碱溶液消化法和酶消化法(表4)[22]。目前以氧化氢氧化法为主,但缺乏统一完善的标准方法,为更好地实现微塑料的分离提取,需进一步改进分离和纯化方法。

3.3 土壤微塑料的检测分析方法

经采集、分离、纯化等步骤后,对从土壤介质分离出的潜在微塑料样品需进行形貌、数量、颜色、组成和理化特性等方面的分析。微塑料的检测方法众多,各检测方法具体适用范围见表5

4 微塑料对土壤环境的影响

4.1 微塑料对土壤理化性质的影响

在土壤少光厌氧的环境中,微塑料长期存留并不断累积,通过多种机制深刻影响土壤生态功能。其影响首先体现在对土壤理化性质的改变上,微塑料(尤其是纤维状类型)会干扰土壤团聚结构,从而改变孔隙度、降低持水能力并加速水分蒸发,加剧土壤干旱,这一效应受土壤类型和微塑料自身特性的共同调节[23]。其次,微塑料对土壤养分循环的影响复杂且具有浓度依赖性,既可降低有机质和氮磷含量,也可能在特定条件下增加溶解性养分,其在真实田间低浓度下的净效应尚不明确[24]。此外,微塑料作为污染物载体,可吸附并迁移重金属和有机污染物(吸附行为受其种类、老化程度及环境条件影响),通过改变污染物的吸附-解吸平衡来增强生物有效性与毒性。同时,微塑料自身所含的添加剂(如塑化剂)也可能通过淋溶释放,直接威胁土壤生态系统[25]

4.2 微塑料对土壤动物的影响

土壤微塑料污染可影响包括线虫、蚯蚓、蜗牛及脊椎动物在内的多类土壤动物。在个体层面,暴露于微塑料可能导致动物摄食减少、行为改变、肠道菌群失调及组织损伤,并抑制其生长与关键生态功能(如蚯蚓的养分转化);在群落层面,微塑料可能降低物种多样性,改变群落结构,并存在沿土壤食物链(如土壤→蚯蚓→鸡)传递与富集的风险[26]。然而,现有研究多采用远高于环境实际浓度的暴露水平,其生态相关性尚不确定,微塑料的类型、物化特性与动物生理行为的交互作用也使得影响具有高度差异性,环境真实浓度下的效应仍需进一步探究。

4.3 微塑料对植物的影响

微塑料对植物的影响机制复杂,且因自身特性(类型、形状、尺寸)及植物物种而异。研究表明,微塑料(如LDPE、可降解塑料)会延迟发芽、抑制生长,并引发生态毒性[27]。其中,纤维状微塑料可改变土壤结构,影响团聚体;薄膜状微塑料则可能加速土壤水分蒸发[28]。不同聚合物(如聚酰胺颗粒与聚酯纤维)对同一植物(如大葱)的养分吸收和生物量分配可产生截然不同的效应[29]。值得注意的是,纳米级微塑料可被植物根系吸收,直接引发氧化应激,并干扰其对微量元素(如铁、锰)的吸收与转运,甚至影响整体生物量。从生态层面看,微塑料可能通过改变土壤理化性质、微生物群落,以及作为污染物载体等途径间接影响植物,其长期暴露还可能改变植物群落多样性。然而,上述影响的具体机制仍需更多实验验证。

4.4 微塑料对土壤微生物的影响

土壤微塑料污染对微生物群落及酶活性具有复杂影响,其效应因微塑料类型、浓度及土壤性质而异。研究发现,高浓度聚丙烯等微塑料可刺激土壤基础呼吸量上升,但纳米塑料则可能导致微生物生物量下降及碳、氮、磷循环相关酶活性降低,从而抑制养分转化[30]。针对反映微生物活性的关键酶(如二乙酸荧光素水解酶),不同研究结果存在差异甚至相反,体现了微塑料影响的多样性[29]。长期而言,微塑料可能改变微生物群落结构与多样性,威胁土壤生态系统稳定性,甚至可能沿食物链发生生物累积与放大,需予以重视。

5 结论

随着环境科学领域对微塑料污染的重视,水生生态系统中微塑料污染及其生态影响已被深入探究,相比之下,土壤生态系统中的微塑料研究则起步较晚,尚处于探索积累阶段。本文中对土壤中微塑料的赋存特征及来源、分析方法、环境生态效应展开全面综述。尽管近年来土壤微塑料的研究取得了一定进展,但仍面临诸多挑战。综述相关文献发现,土壤微塑料的主要研究不足和未来研究侧重点如下所示。
不足:缺乏统一分析标准与方法,土壤复杂组分和微塑料多样特性,导致提取、检测参数及流程各异,数据难以整合;微塑料在土壤中的长期迁移、老化过程及生态风险不明,对土壤生物与生态系统的长期影响尚待揭示;微塑料作为污染物载体,与重金属、有机农药等的协同作用机制,及其联合毒性效应亟需深入研究。
未来研究侧重点:建立标准化的微塑料检测方法,提高检测效率和准确性;深入研究微塑料在土壤中的迁移、转化和降解机制;评估微塑料对土壤生态系统的长期影响,特别是其与其他污染物的协同作用。

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