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中国沙漠, 2025, 45(4): 378-388 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00224

中国旱区土壤微塑料风蚀迁移风险综述

向宇,1,2, 林会全3, 王旭洋1,2, 郑成卓1,2, 李玉强,1,2,4

1.中国科学院西北生态环境资源研究院 干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室/奈曼沙漠化研究站,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学,北京 100049

3.奈曼旗大柳树国有治沙林场,内蒙古 奈曼旗 028300

4.自然资源部黄河上游战略性矿产资源重点实验室,甘肃 兰州 730000

Wind-driven migration risks of microplastics in arid region soils of chinaa review

Xiang Yu,1,2, Lin Huiquan3, Wang Xuyang1,2, Zheng Chengzhuo1,2, Li Yuqiang,1,2,4

1.State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands / Naiman Desertification Research Station,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

3.Daliushu State Owned Sand Control Forest Farm in Naiman Banner,Naiman Banner 028300,Inner Mongolia,China

4.Key Laboratory of Strategic Mineral Resources of the Upper Yellow River,Ministry of Natural Resources,Lanzhou 730000,China

通讯作者: 李玉强(E-mail: liyq@lzb.ac.cn

收稿日期: 2025-05-19   修回日期: 2025-07-22  

基金资助: 内蒙古自治区科技创新重大示范工程“揭榜挂帅”项目.  2024JBGS000701
国家自然科学基金项目.  31971466

Received: 2025-05-19   Revised: 2025-07-22  

作者简介 About authors

向宇(1997—),男,湖南吉首人,博士研究生,研究方向为恢复生态学E-mail:xiangy202505@163.com , E-mail:xiangy202505@163.com

摘要

微塑料作为新型污染物,因其持久性、迁移性和生态毒性,正对全球生态环境健康构成严峻威胁。旱区中强烈的风蚀作用驱动土壤微塑料脱离地表进入大气,并长距离迁移运输形成跨区域污染。中国广大旱区,尤其是风沙带区域因干旱气候、地表裸露率高及频发的风沙活动,成为微塑料在土壤-大气界面迁移扩散的关键源区和重要传输通道。为了揭示旱区微塑料风力迁移的环境风险,本文通过文献梳理,系统分析了中国西北旱区土壤微塑料的赋存特征及其空间差异,探讨了风蚀作用驱动下微塑料进入大气的迁移扩散过程及其影响因素,并进一步评估了大气中微塑料的环境风险。该综述对深化陆地微塑料环境行为认知、维护中国生态安全及完善微塑料环境风险评估体系具有重要的科学与现实意义。

关键词: 微塑料 ; 土壤 ; 风蚀 ; 沙尘暴 ; 大气

Abstract

As an emerging contaminant, microplastics pose severe threats to global ecological security due to their persistence, mobility, and ecotoxicity. In arid regions of China, particularly within sandy and windy zones, the combination of dry climate, high surface exposure rate, and frequent aeolian activities makes these areas critical sources and important transmission pathways for the migration and diffusion of microplastics at the soil-atmosphere interface. To reveal the environmental risks associated with the wind-driven migration of microplastics in arid regions, this paper systematically analyzes the occurrence characteristics and spatial variations of soil microplastics in the arid northwest China through literature review. It further explores the migration and diffusion processes of microplastics into the atmosphere driven by wind erosion, along with their influencing factors. Additionally, the environmental risks posed by airborne microplastics are assessed. This review holds significant scientific and practical importance for deepening the understanding of terrestrial microplastic environmental behavior, safeguarding China's ecological security, and improving the environmental risk assessment framework for microplastics.

Keywords: microplastics ; soil ; wind erosion ; sandstorm ; atmosphere

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向宇, 林会全, 王旭洋, 郑成卓, 李玉强. 中国旱区土壤微塑料风蚀迁移风险综述. 中国沙漠[J], 2025, 45(4): 378-388 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00224

Xiang Yu, Lin Huiquan, Wang Xuyang, Zheng Chengzhuo, Li Yuqiang. Wind-driven migration risks of microplastics in arid region soils of chinaa review. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(4): 378-388 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00224

0 引言

塑料制品在人类现代日常生活中不可或缺,除部分被回收利用外,大多被排放到环境中,经磨损、紫外线照射、水解和生物降解等作用形成粒径更小的塑料碎片,其中粒径小于5 mm的颗粒碎片被称为微塑料(microplastics,MPs)1-3。微塑料最初在海洋中被发现,海洋中微塑料的普遍存在主要归因于大量塑料废弃物的输入和碎片化增加,海洋中约80%的微塑料来自陆地系统4。然而,排放到陆地环境中的塑料废弃物数量是排放到海洋环境中塑料废弃物数量的4~23倍,表明陆地环境可能是比海洋环境更为重要的微塑料“汇”5。微塑料具有难降解、粒径小、密度小、比表面积大和表面疏水性强等特点,可在土壤、水圈、大气圈、生物圈中长期存在、广泛迁移,并在迁移过程中干扰生态系统功能,对人类健康构成潜在威胁6-7。因此,微塑料污染被联合国环境大会列入全球亟待解决的第二大环境问题8。2022年中国国务院发布《新型污染治理方案》,将微塑料定为新型污染物。近年来,关于微塑料生态环境效应的研究逐渐增加,然而与海洋生态系统中微塑料研究(包括分布、丰度及生态影响等)的丰富积累相比,微塑料在陆地土壤生态系统中潜在的环境行为及相关风险仍存在较大的研究空白9。土壤生态系统是维持陆地生态系统结构和功能的基础。目前已知的土壤微塑料来源包括市政污泥的土地利用、有机肥的长期施用、农用地膜的残留分解、大气中微塑料的沉降、交通或生活用品损耗(如轮胎和纺织品的磨损)和农用灌溉水的带入等10-11。需要注意的是土壤并不是微塑料的最终归宿。进入土壤的微塑料能够通过下渗、地表径流以及风力等方式跨介质迁移进入水体与大气环境中。其中,风蚀引发的大气传输过程,是微塑料实现长距离迁移和扩散的关键路径。风蚀作为一种物理过程,通过风力作用促使土壤颗粒扬起,形成沙尘气溶胶。其作用机制涵盖跃移冲击、团聚体分解和空气动力夹带等。在风蚀作用下,地表向大气输送大量粉尘,全球每年的粉尘排放量估计为1 000~3 000 Mt12。数千年来,土壤颗粒在风力作用下自然移动的过程一直威胁着全球的环境、经济和人类健康13-15。如今这一过程更促使微塑料在更大范围内扩散,对微塑料污染区域的扩展起到了显著的推动作用,加剧了微塑料污染在空间上的蔓延态势16-17

作为全球最大的塑料生产国和主要消费国,中国2023年塑料制品产量达7 488.5万t,同比增长3.0%18。废塑料产生量约6 200万t,其中一次性塑料制品(如塑料袋、农膜和饮料瓶)的废弃量逾2 000万t,构成塑料污染的主导来源,并且用于替换的可降解塑料替换仍然面对成本高、加工与制品性能差、检测标准规范缺乏和末端处理设施不完善等问题19。西北旱区中,覆膜种植是常见的农业管理方式,2018年中国地膜使用量为140万t,其中26.4%用于西北地区20。同时该区域表层土壤干燥和松散、低湿度和强冷锋天气使得风蚀问题尤为突出21。这使得中国西北旱区产生的大量粉尘中可能含有微塑料,在风蚀作用下随着沙尘远距离输送与沉降,对更大范围内的生态系统产生影响。中国旱区面积广阔,每年春季频繁出现的沙尘天气给人们的生产、生活和健康带来了诸多不利影响,在此背景下,揭示微塑料风蚀传输路径的环境危害和加强对这一传输途径的研究显得尤为迫切。因此,本文在已有文献基础上,尝试系统归纳总结中国旱区土壤中微塑料赋存特征,风蚀迁移过程及其影响因素,并阐述微塑料的环境风险,以期深化对微塑料风蚀迁移风险的认识,为微塑料污染防控策略及环境风险评估体系的制定和完善提供相关理论依据。

1 中国西北旱区土壤中微塑料赋存特征

在中国西北旱区,农田与非农田土壤中均检测到微塑料的存在。不同类型土壤生态系统结构和功能对微塑料的响应变化既取决于系统本底属性,更受控于微塑料的赋存特征。因此,了解微塑料在土壤中赋存特征是探究不同类型土壤生态系统结构和功能对微塑料响应变化的重要基础,也为区域风险差异化评估提供现实基础。

1.1 农田土壤中微塑料赋存特征

在微塑料丰度上,一项包括30项研究的meta分析表明,中国中温带半干旱地区、高原温带半干旱地区农田微塑料丰度平均值分别为2 268、48 n·kg-1[22。吴婷等23认为,西北地区农田微塑料丰度为3.59×103 n·kg-1,仅次于中南地区(4.68×103 n·kg-1),而在吴汉洲等24的研究中,西北地区农田微塑料丰度为2.87×103 n·kg-1,高于华北、东北、西南地区。3项研究中土壤微塑料丰度数据存在差异。这种差异可能源于多方面因素:一方面,可能是由于研究选取的采样农田背景不同——不同农田因施肥策略及覆膜年限的差异,土壤微塑料含量呈现出不同特征。通常情况下,在一定时间范围内,随着覆膜年限的延长,土壤中微塑料含量呈上升趋势,这是由于随着覆膜时间的增加,塑料薄膜在自然环境中逐渐老化、破碎,更多的微塑料不断释放并累积于土壤之中25。另一方面,不同研究中微塑料鉴定方法上的差异会影响不同研究结果间的横向比较,因此需要关注各研究间在微塑料测定方法的差异。张彦等26研究进一步细分了旱区不同省份土壤微塑料赋存特征,内蒙古、新疆农田土壤微塑料的平均丰度均超过了10 000 n·kg-1,甘肃、陕西农田土壤微塑料的平均丰度为4 000~8 000 n·kg-1,青海农田土壤微塑料的平均丰度为1 000~4 000 n·kg-1

在微塑料类型上,中国中温带半干旱地区和高原温带半干旱地区农田微塑料主要类型为聚乙烯(PE),分别占比46.5%和55%,其他类型的微塑料包括聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等22。按照省份进行细分,内蒙古农田土壤中PE和PA占比分别为43%和27.8%;新疆农田土壤中PE和PP的占比分别达到51.33%和19.86%;甘肃PE、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的占比分别为33.74%、16.67%;西藏农田土壤中PE和聚氯乙烯(PVC)占比较大,分别为48.31%和27.70%;宁夏农田土壤中PE超过40%,PP为35%左右;陕西农田土壤中PP达到35%左右,PE超过20%;青海农田土壤中PE超过40%,PP的占比接近30%26

Ren等27指出,西北地区农田土壤中大型塑料平均丰度在全国范围内最高,但微塑料平均丰度低于南方地区。这表明西北农田中丰富的大型塑料并没有完全转变为微塑料,作者将其解释为中国西北地区较低的温度和耕作频率,导致宏观塑料到微塑料的生成率较低,而这可能忽略了风蚀作用下微塑料的迁移现象。Cao等28研究了西北地区长期覆膜下农田大塑料与微塑料的分布特征及相关性,结果表明大塑料主要在0~10 cm土壤深度,而微塑料主要分布在10~20 cm土壤深度。并且大塑料重量增加1 kg·hm-2,微塑料重量增加0.27 kg·hm-2。这项研究进一步探明了大塑料与微塑料转化间的关联,也从侧面说明西北农田中微塑料平均丰度低于南方地区,不仅仅是由较低的温度和耕作频率造成,极有可能是本区域微塑料在风力作用下迁移至其他区域。

1.2 非农田土壤中微塑料赋存特征

目前,关于中国西北旱区土壤微塑料赋存特征的研究高度集中于农田土壤,而对于荒漠、草原、林地等非农田土壤的关注明显不足。其原因可能是农田土壤微塑料输入途径具有显著人为干预特征,包括农膜残留(被视为环境中微塑料的主要来源)、污水灌溉及有机肥施用等明确输入路径,并且其污染负荷显著高于自然土壤。并且微塑料可以通过作物吸收进入食物链,直接威胁人类健康29。然而,非农田土壤(如草地、林地、荒漠土壤等)作为微塑料风蚀迁移的潜在“汇”区,仍面临着微塑料沉降输入的风险,其赋存特征对区域生态安全评估具有同等重要性。

在柴达木盆地和河湟谷地中,草地土壤中微塑料的平均丰度为910.9 n·kg-1,显著低于设施土壤(2 795.7 n·kg-1)和农田土壤(1 860.5 n·kg-1)。其中,PP在草原土壤中分布最为广泛,草地土壤中PS的相对丰度约为河湟谷地农田和设施土壤中的3倍,大多数微塑料粒径<100 μm30。Wang等31对巴丹吉林沙漠中微塑料赋存特征展开了调查,结果表明沙丘和湖岸沉积物中的微塑料丰度在0.7±1.5~11.7±15.5 n·kg-1,粒径50~200 μm,类型包括EP(环氧树脂)、Phe(苯氧基树脂)、PET、PA等。Kang等32对青藏高原东北祁连山地区土壤微塑料特征进行研究,结果表明灌木区土壤中微塑料丰度最高为26 369±32 147 n·kg-1,其次是林地22 215±22 544 n·kg-1、荒漠17 769±9 040 n·kg-1、草原16 462±12 872 n·kg-1、森林15 662±13 857 n·kg-1,主要为小于30 μm的颗粒,形状以碎片为主(93%~96%),类型为PA、PET。Ding等33调查了毛乌素沙地草地、沙地、林地土壤中微塑料赋存特征,范围为1 360~4 960 n·kg-1,平均丰度为2 696.5 n·kg-1,沙地土壤的微塑料丰度高于草地和林地,类型包括PS、PE、PP、PET等。值得注意的是,不同的植被覆盖条件下土壤中微塑料丰度存在差异:相比于沙地或者荒漠,草地和林地植被覆盖度增加可能与土壤中微塑料含量降低相关,但其驱动机制仍不明确,亟待开展针对性研究。此外,樟子松、杨树种植中土壤微塑料的丰度随着恢复年限的增加而降低33

与农田对比发现,非农田土壤中的微塑料不仅在类型上与农田土壤存在部分重合,如PS、PA、PP、PET等,而且在粒径方面普遍小于农田土壤微塑料。其来源可能涉及人类活动的直接/间接输入(如农业生产、工业排放)与大气微塑料沉降的共同作用。Luo等34指出,在青藏高原东北祁连山地区大气中微塑料主要来源于外源输送,尘土排放对大气微塑料浓度有显著影响,主要潜在源区域包括塔克拉玛干沙漠和柴达木盆地。Wang等31研究表明,巴丹吉林沙漠边缘的旅游区微塑料的丰度可能受到人类活动的影响,而内部原始沙漠中的微塑料主要来源于东南部的大气输送。与耕地和建设用地中微塑料以人类活动来源为主不同,林地和草地土壤微塑料更可能来源于大气沉降,其中薄膜和纤维状微塑料在草原土壤中占据主导地位25。在西北旱区中,大气迁移与沉降是微塑料扩散到自然土壤中的重要途径。

综上,目前中国西北旱区省份的土壤微塑料调查主要集中在新疆、甘肃、陕西,内蒙古相关调查研究则较少232735-36。然而内蒙古既是中国北方主要的风沙带,同时也是农牧交错带,在耕地持续扩张的背景下,对这一区域土壤微塑料丰度调查的缺失,一方面将导致对这一区域微塑料污染程度的低估,另一方面内蒙古每年春季频繁遭受大风天气影响,沙尘活动极为活跃。在此过程中,土壤中的微塑料极有可能借助风力作用,伴随沙尘一同向南传输扩散。然而,由于对该区域土壤微塑料丰度缺乏了解,使得难以精准判断每年春季通过风力传输的微塑料数量,进而严重低估了微塑料不同距离迁移对沿途地区民众健康、生产生活所造成的影响。

2 旱区土壤中微塑料的风蚀迁移传输

2.1 微塑料大气传输与沉降

随着土壤中微塑料问题受到广泛关注,在风蚀对农业区和环境造成诸多影响的背景下,土壤中微塑料因其特殊性质,在风蚀过程中的命运也逐渐受到关注。在风蚀过程中,较细、较轻的土壤颗粒更易被卷入大气,而与天然土壤矿物质相比,土壤中的微塑料密度较低(0.9~2.2、2.6~2.8 g·cm-3),质量小30%~60%37-38。这种物理特性使得微塑料在风蚀过程中,相较于土壤矿物质颗粒,更易被风力扬起并携带至大气中,并随着大气进行传输、扩散。在沙子和土壤两种基质中,微塑料均优先通过风蚀传播,并且更高的风速往往会富集更多的微塑料1539-40。Zhang等30指出,随着区域风速的增加,草地、农田和果园的土壤微塑料丰度均显著降低。并且微塑料在风蚀沉积物中的数量和质量均高于原始土壤,这说明风蚀在微塑料离开土壤并进入大气的过程中,扮演着至关重要的角色41-42

微塑料通过风蚀进入大气后,在风力传输下可进行不同距离的迁移沉降。在近距离上,Yang等43对中国北方半干旱草原地区的农田及顺风向下不同距离土壤进行了采样研究,结果表明微塑料丰度随农田距离增加而下降,这说明农田中微塑料在风力作用下传输沉降至周边区域。在远距离上,Wang等31对巴丹吉林原始沙漠中微塑料特征进行了调查,其结果表明沙漠中微塑料主要来源于东南方向人口密集区的大气传输。在上千公里的尺度上,Yang等44通过实地采样和模型模拟,评估风蚀作用下塑料碎片的保留量和传输量,并估算微塑料的沉降范围。结果表明农田中的塑料残留不仅会导致局部问题,还会导致区域污染。模型模拟显示从武威地区农田释放的微塑料可以传输到690 km外的西安等城市。在覆膜后的第25年,每公顷有6.91~38.11 kg的塑料碎片因风蚀而释放,并沉降在距离源地690 km的区域(1个月内有6.14 n·m-2微塑料沉降)。Luo等34揭示塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地中的尘土与微塑料经大气传输后可沉降在东南方向的青藏高原东北祁连山地区。

综上所述,风蚀驱动的微塑料大气传输不仅加剧局地土壤污染负荷,更可能引发区域乃至跨区域的污染传输扩散,从而放大生态风险的空间尺度。

2.2 沙尘暴对微塑料的传输作用

沙尘暴作为一种强风蚀活动,是干旱和半干旱地区中地表物质侵蚀和迁移的重要载体。强气压梯度驱动的风力将地表颗粒扬起,细颗粒尘埃通过湍流和对流气流被抬升至对流层高层,进而实现数千公里的跨区域传输。生活在中国北方的数亿人口受到亚洲沙尘暴的不利影响,这一现象在春季最为常见45

沙尘暴在促进粉尘输送迁移的过程中,同样会促进微塑料的输送、迁移以及沉降,并且沙尘暴被视为微塑料在干旱和半干旱环境中传输和再分配的重要方式46-47。通过比较沙尘暴期间和正常天气条件下总悬浮颗粒物中的微塑料含量,发现沙尘暴会导致大气总悬浮颗粒物中微塑料的丰度增加48-49。Xu等50研究北京沙尘暴天气微塑料传输情况,沙尘暴衍生的微塑料沉积速率达到1 823.65±892.53 n·m-2·d-1,是年平均沉降速率的4.2倍,粉尘与微塑料主要源于蒙古高原的退化土地,沙尘暴使其在一天内运送距离超过1 000 km。Jia等51研究同一时期内沙尘日和非沙尘日中呼和浩特和上海大气中微塑料情况,结果表明呼和浩特在沙尘日的塑料微粒浓度达到峰值,为3 531.59 ng·m-3,大约是无尘天(1 669.17 ng·m-3)的3倍,并显著高于上海的最高值589.85 ng·m-3。值得注意的是,沙尘天气对呼和浩特的大气微塑料种类和浓度有显著影响,但在上海这种影响不明显,而这可能与两地的地理位置、气候条件和微塑料来源有关。目前,中国北方沙尘活动中微塑料的载荷量、最大传输距离、主要沉降区空间分布及粒径-距离衰减规律仍缺乏系统性数据支撑,解析这一过程对于进一步评估沙尘暴给中国带来的生态风险具有重要意义。

裸露土壤中沉积的微塑料可随粉尘二次悬浮进入大气,据估算全球每年从裸露地表重新悬浮的微塑料总量约为104 t,裸露土壤区域是大气中微塑料的重要来源52。土地荒漠化是中国旱区面临的重大生态问题,随着荒漠化加剧,沙尘暴发生的频率和强度也随之增加53。因此,随着荒漠化程度和塑料需求的进一步增加,沙尘暴作为大气微塑料的重要区域传输者的作用将进一步增强54。中国北方旱区与风沙带在空间分布上呈现显著重叠,这种地理耦合性源于相似的干旱气候背景、土地退化过程及生态系统脆弱性。两者的治理需采取防风固沙-节水灌溉-植被恢复协同策略。然而在这一区域中,土地退化导致地表裸露加剧,进一步加剧土壤微塑料随沙尘释放的效率,形成微塑料沉积-土地退化-污染再扩散的恶性循环。并且在干旱半干旱区生态恢复过程中,土地退化与人工植被重建是同时存在的两个过程,由此引发的土壤特性和生态环境变化可能对土壤微塑料的赋存状态及风蚀释放通量产生影响。例如,Ding33研究表明随着恢复程度的增加毛乌素沙地土壤中微塑料逐渐减少,不同的植被覆盖及生长年限也影响着微塑料的分布。探索两个过程中引发的土壤特性和生态环境变化对土壤微塑料的赋存状态及风蚀释放通量产生的影响及作用机制具有重要意义。

2.3 微塑料风力迁移影响因素

微塑料进入大气并远距离传输的过程受到土壤性质与微塑料自身性质的影响。

微塑料的形状、粒径和密度显著影响微塑料的大气迁移能力。相比于碎片状和薄膜状,纤维状的微塑料具有更高的长宽比,能够优先进入大气,停留更长时间从而增加了长距离传输的可能性154255-56。Yang等43认为,较大的纤维状微塑料能够长距离传输,而较小的非纤维微塑料则更容易在景观尺度上传输。Tian等57研究了风蚀作用下跃移层不同高度中风吹沉积物微塑料富集特征,发现在0~60 cm的高度,粒径小于4 mm的纤维微塑料数量与小于2 mm的非纤维微塑料数量随采样高度的增加而增加。这一方面表明纤维状微塑料更容易进入大气更高层位中,另一方面表明微塑料粒径也是影响微塑料大气迁移的重要因素。较小颗粒的微塑料一般更容易进入大气,Yang等38研究表明,当微塑料粒径从1 μm增加到550 μm时,富集比(ER)从大约8.8急剧下降到0,粒径与ER显著负相关。但并不是粒径越小越有利于其进入到大气中,在粒径为30~100 μm的微塑料中,50~100 μm的微塑料表现出最高的富集比,而不是更小粒径的微塑料49。此外,微塑料表面具有疏水性,在土壤中可减缓“液桥”的形成。相比于粒径较大的微塑料,1 μm的疏水表面无法阻止土壤颗粒之间形成“液桥”。目前,众多关于微塑料性质与其大气富集、传输过程关联性的研究是基于微塑料表面是干净且干燥这一条件。然而环境中的微塑料会经历不同程度的老化,这可能导致水分、微生物与矿物质等物质附着在其表面,改变气流对微塑料的富集情况58-59。因此,在未来的研究中应进一步探究老化对于微塑料大气传输过程的影响。

风力驱动的微塑料传输过程中,颗粒因风蚀磨损作用发生物理特性改变。这一过程既包括空气中矿物源颗粒间的相互碰撞,也包含颗粒与地表之间的冲击作用。致使在反复的夹带-沉降循环中,颗粒因机械碎裂和层状剥落​发生粒径缩减与形态重塑,同时生成新的细颗粒物质(如“粉砂”或“粉尘”,通常直径<100 μm)60-62。对于微塑料而言,大气传输过程中的颗粒碰撞可能导致微塑料进一步分解为纳米塑料(≤1 μm),从而影响其分布和环境影响。Bullard等62通过模拟不同风蚀时长下石英颗粒跃移对微塑料珠的破碎作用发现,经过300 h的风蚀作用后,微塑料可损失80%的质量,且直径缩减约50%。磨损产生的微塑料碎片粒径多为1~4 μm,超95%直径≤10 μm,因此,大气沉积中的微塑料经长途运输后往往体积更小59。而这可能影响其沉降后的二次悬浮传输,并且微塑料表面因矿物附着发生化学改性(碳减少、硅增加),可能影响其环境归趋。因此,在风蚀频繁的地区要注意风蚀对微塑料的破坏,因为这将导致微塑料大气沉降后在“汇”产生的环境效应与“源”存在差异,并且关于长途运输后的微塑料二次悬浮运输影响机制也应得到更多的讨论。

当土壤含水量超过2%的临界阈值时,其抗风蚀能力显著增强,同时土壤团聚体稳定性同步提升。随着土壤湿度水平的增加,土壤颗粒接触区域之间形成“液桥”的频率更高。这促进了颗粒在其表面上的吸附,进而引发颗粒之间的毛细凝聚现象,也称为“湿结合力”63-64。土壤团聚体稳定性通过调控微塑料的结合状态(附着或胶结),进而影响其风蚀迁移,当土壤团聚体稳定性较低时,风蚀作用更易导致团聚体破碎化,进而促使微塑料从土壤中释放,也有研究表明微塑料的胶结状态可能增强团聚体抗蚀性41-42。关于微塑料特征与土壤团聚体稳定性间关联及其对土壤抗风蚀能力的影响仍需进一步探究。

3 旱区土壤中微塑料风蚀迁移的生态风险

3.1 对生态系统的影响

风蚀作用使微塑料从土壤迁移到大气中,经运输后通过干湿沉降进入地表环境,迫使生态系统接受来自当地或其他地区来源的微塑料输入。微塑料输入土壤后能够显著影响土壤的物理结构、化学组成、微生物群落结构及酶活性65-66

微塑料具有密度小、粒径小、比表面积大等特点,进入到土壤后可降低土壤的容重67。其通过在土壤中形成水分迁移通道的方式,加速土壤水分蒸发,加剧土壤水分短缺68-69。微塑料导致土壤水分短缺以及对土壤颗粒的吸附作用将导致土壤开裂或结块,从而破坏土壤结构完整性。并且微塑料浓度越高,土壤干旱开裂程度越严重70-71。对于土壤养分含量,Yu等72发现,向土壤中添加聚乙烯微塑料后,土壤团聚体中的总磷(TP)、总氮(TN)和钾(K)含量显著降低。Liu等73发现高剂量微塑料的添加可显著增加土壤中溶解性有机碳、氮、磷和腐殖质含量。此外,微塑料对碳氮循环过程也有显著影响。Zhang等59基于168项结果,通过meta分析指出,微塑料使土壤CO2排放提高18.2%,且随着微塑料浓度增加这种效果也随之增强。土壤氮循环同样也受到微塑料的影响74。一项包括60份研究的meta分析发现,微塑料使土壤排放的N₂O比正常情况多出140.6%,且N2O排放量在短期内增加得更剧烈75。土壤酶活性对土壤碳氮元素循环中具有重要影响。微塑料可以通过直接吸附作用影响土壤酶活性72。例如,已经证明微塑料对脲酶、过氧化氢酶、荧光素二乙酸酯水解酶(FDAse)和苯酚氧化酶表现出显著影响7376。土壤微生物在土壤生态系统中有着重要作用,其同样受到微塑料的影响。一方面微塑料较大的比表面积可为微生物群落创造新的栖息地77,另一方面较大的比表面积使它成为环境中其他污染的载体,以及自身制备过程中添加的增塑剂、阻燃剂等在土壤迁移过程中释放到土壤环境中对土壤微生物群落造成不利影响78

土壤为植物根系生长的基质,微塑料在土壤中的积累对植物种子发芽和植物生长发育产生不利影响79。连加攀等80发现,微塑料可通过积聚在种子囊孔隙上的方式降低小麦种子的发芽率。De Silva等81指出,聚乙烯微塑料通过积累在种子表皮并堵塞孔隙,阻止了种子对水和养分的吸收,抑制了种子发芽期间的内部活性,从而使种子萌发减少,且对后续植株生长产生阻碍作用。然而,也有研究表明微塑料对种子萌发具有促进作用。例如,Mondal等82发现,鹰嘴豆种子在暴露于聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料后,发芽率有所升高。总体而言,微塑料对植物生长的抑制机制包括:堵塞孔隙、造成植物根系机械损伤、减少植物的光合作用、造成植物氧化损伤、改变土壤物理化学特性和遗传毒性以及与其他污染物相互作用等方式483-87

微塑料通过大气输送扩散的现象已得到广泛证实,然而生态系统对微塑料胁迫的响应机制仍亟待深入探究,特别是脆弱生态系统的响应机制。

3.2 对人体健康的影响

风蚀使微塑料从土壤迁移到大气中,人体暴露于大气环境时,既可能通过皮肤与大气微塑料直接接触,也可能因呼吸作用将其吸入体内。大气暴露已成为人体接触微塑料的重要方式,呼吸吸入则是大气微塑料进入人体的最主要方式,其接触可能性远超食物摄入88-89。据估计,一个人平均每天吸入26~130个微塑料,仅在进行少量体力活动情况下,每天也可吸入多达272个微塑料90-91

大气微塑料进入人体后,仅有部分微塑料可通过生理作用清除出体外,剩余的微塑料颗粒将沉积在人体内。Jenner等92发现肺部所有区域都有微塑料存在,在分析的13个肺组织样本中鉴定出39种微塑料,其中PP和PET最丰富。微塑料通过呼吸进入肺部后在惯性撞击和沉积机制作用下到达支气管以及肺泡这一深层区域。作者进一步指出由于微塑料是由耐用、难降解材料制成的,不太可能在肺内降解,且根据空气动力学和呼吸防御能力,微塑料会随着时间的推移而逐渐积累在人体内。积累在人体内的微塑料会对人体产生毒害,沉积在肺部的微塑料可引起炎症和影响肺泡交换气体的功能,较小的微塑料可以通过巨噬细胞进入循环或淋巴系统,这可能导致进一步的呼吸系统并发症93。此外,肺部中的微塑料还能够进一步进入到人体内环境中,通过循环系统转移至全身各处,进而对人体其他部位产生毒害作用94。例如,微塑料可诱导肠上皮细胞炎症并增加细胞毒性以及引起肝细胞形态学改变、膜损伤和氧化应激增加,从而导致细胞凋亡95-96。此外,研究者发现痴呆症患者大脑中(尤其是在脑血管壁和免疫细胞周围)的微塑料/纳米塑料浓度显著高于正常大脑样本,表明了微塑料/纳米塑料可能与神经退行性疾病有关97。此外,微塑料通过吸附和运输各种环境污染物、致敏原和致病原成为其迁移的载体。因此,吸附污染物、致敏原和致病原的微塑料可能比原始微塑料产生更多的有害影响。Menéndez-Pedriza等98在人类肝癌细胞系HepG2中评估了聚乙烯微塑料与两种多氯联苯(PCBs)的单独及联合效应。结果表明聚乙烯微塑料可通过与PCBs的协同作用增强细胞毒性,其毒性效应远超单一污染物的简单叠加。

以上研究表明,大气中微塑料对人类健康具有显著威胁,大气中微塑料含量的增加势必加剧人类暴露于微塑料的风险。因此,探究微塑料向大气环境传输的削减策略,尤其在减少春季来自旱区微塑料随沙尘的输送上,对降低大气微塑料污染负荷具有重要意义。

4 总结与展望

塑料产量预计持续增长,当前缺乏有效的塑料废物处理措施,现有塑料制品的降解缓慢以及微塑料颗粒具有持久性,预计未来微塑料污染带来的压力将持续存在。干旱半干旱地区强烈的风蚀作用无疑将导致土壤向大气中输送大量微塑料56,土壤并不是微塑料的最终归宿,土壤可以通过重新悬浮逸散性粉尘,成为大气中微塑料的来源,输送到其他环境储层,从而促进全球微塑料传输循环59。因此认识到风蚀引起的微塑料大气运输-沉降过程具有重要意义,尤其在旱区中,未来应重点关注以下问题。

微塑料的迁移特性使其能够广泛存在于土壤中,然而目前对土壤中微塑料丰度的调查研究主要集中于农田土壤中,对其他土地利用类型土壤的调查研究则较为缺乏。因此,在很大程度上关于我国土壤微塑料丰度的认知是基于农田土壤,而这并不能代表中国陆地环境的整体背景值。因此,还需要进一步开展非农田土壤微塑料的调查研究,更全面地了解中国陆地环境中微塑料的分布特征和背景值。

重点揭示中国北方风沙带区域微塑料的不同尺度空间分异规律,着重解析其与沙尘运移过程的耦合机制,建立涵盖荒漠生态系统的微塑料多介质传输模型,为评估跨区域污染传输风险提供基础数据支撑。同时开展土地退化程度与土壤微塑料释放通量的关联性研究以及建议将微塑料风蚀释放通量纳入植被恢复的生态效益评估体系。

当前不同研究中所采用的微塑料鉴定方法(目检法、光谱法和质谱法)存在差异,且每种方法在检测性、准确性和可操作性上各有优劣,加之微塑料的结构和组成较为复杂,这使得不同研究中测定的土壤微塑料含量存在差异。这种差异会影响不同研究之间的结果比较,干扰对陆地土壤中微塑料背景值的准确评估。因此,有必要建立一套更快捷准确统一的检测方法来反映环境中微塑料的特性。

以往研究主要在微塑料通过风蚀作用从地表源区进入大气跨区域传输后干湿沉降的“源-汇”单向过程,但对沉降后微塑料在特定地表(如沙质荒漠、城市裸露地表)的二次风蚀再悬浮机制及其“汇-源”转化潜力仍缺乏系统认知。这一动态过程中,微塑料的形状特征、粒径分布、表面形态及其化学特性与传输过程(传输通量和空间路径)的关联尚不清晰,相关量化模型也未建立。因此,未来研究重点不仅要监测微塑料的来源和运输途径,还需着重关注沉降后微塑料在特定地表的二次风蚀再悬浮机制,评估其“汇-源”转化潜力,以全面深入地揭示微塑料在环境中的迁移转化规律。

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