综述：农田实践塑造农业土壤中微塑料的途径与风险——基于全球实地数据整合的综述

本综述系统整合全球105项农田实地研究，首次建立了基于来源分类的农业土壤微塑料（MPs）污染框架，揭示了直接（如地膜覆盖）、间接（如污水灌溉）与复合输入途径对MPs特征（聚合物类型、形态、尺寸）的差异化影响，并提出以塑料厚度为关键调控因子的风险矩阵与分区治理策略，为农业可持续管理提供科学依据。

　　

2. 农田实践塑造土壤中微塑料的全球分布格局

农业土壤已被确认为微塑料（MPs）的重要汇，全球不同大陆和种植系统的田间证据不断累积。MPs浓度在农业土壤中差异巨大，从每公斤土壤低于4个到超过58,000个颗粒，突显了塑料污染的复杂性及本地实践、输入类型和环境因素的交互作用。东亚和南亚（尤其是中国）报告的浓度最高，这与集约化塑料农业和生物固体再利用的普遍性相关。相比之下，澳大利亚、美洲和非洲大部分地区尽管拥有广阔的农业区域，数据却极为匮乏。

通过对105项研究的系统分析，我们将MPs来源分为三类：直接来源（如地膜、温室薄膜、包膜肥料）、间接来源（如生物固体/污水污泥、废水灌溉、大气沉降）以及复合来源（直接与间接输入并存）。分析表明，间接来源占比最高（约45%），其次为直接来源（约33%）和复合实践（约22%）。直接来源中，塑料地膜贡献最大（46%），温室薄膜（18%）、包膜肥料（15%）等次之。间接来源中，生物固体/污水污泥占比最大（44%），废水灌溉（22%）和有机堆肥（17%）也是重要途径。

区域趋势明显：直接来源在中国、韩国和印度占主导，而间接来源在英国、荷兰和西班牙更常见。复合输入系统在孟加拉国和伊朗等水资源短缺、依赖污泥回用的地区频繁出现。这一发现挑战了“塑料地膜是农田MPs污染主要来源”的传统认知，表明长期生物固体使用、扩散灌溉源和外来堆肥修正剂可能是同等重要甚至更主要的MPs输入载体。

3. 不同输入途径导致源特异性MPs在农业土壤中的积累

对105项田间研究的整合揭示了与不同农场输入途径相关的MPs积累的独特模式，反映了来源材料的性质及其在土壤中的环境处理过程。当按输入类型（直接、间接、复合）分层时，浓度大小和变异性出现明显分歧。

直接实践显示出最宽的浓度范围和最高的变异性，包括多个超过10⁴ 个/千克土壤的极端异常值。这与其引入易破碎材料（如低密度聚乙烯LDPE和聚丙烯PP）的特性一致。间接途径则表现出相对较窄的分布，集中在10²–10³ 个/千克土壤范围内，反映了来自废水、污泥和堆肥的更慢性、扩散的污染。复合来源的浓度通常介于两者之间。

这些趋势强调了源特异性风险分析的重要性。直接塑料的急性、高负荷污染可能需要监管改革、材料替代或可生物降解薄膜的创新。而来自间接和复合输入的慢性、低水平积累则要求更强大的上游管理，如废水处理中的增强过滤、堆肥质量认证和生物固体回用项目中的定向监测。

4. 种植系统反映源特异性MPs污染模式

不同种植系统调解MPs在土壤中积累的方式对制定有针对性的缓解策略至关重要。通过将MPs浓度与作物类型联系起来，可以识别农场管理实践和投入依赖性如何塑造全球农业生态系统中MPs的暴露水平。

对 pooled 田间数据的分析揭示了不同作物类别间MPs浓度的显著差异。种植谷物的农田表现出最高的MPs浓度（均值3920±5691 个/千克土壤），这可能与生物固体或有机修正剂的使用以及其他农场活动有关。棉田也 consistently 显示较高数量的MPs（均值3600±3791 个/千克土壤），这可能是由于频繁使用塑料地膜和其他输入。蔬菜种植田地显示出广泛的MPs污染和高变异性（均值2204±3874 个/千克土壤），反映了对塑料薄膜、包装材料和灌溉设施的广泛接触。

相比之下，稻田（均值394±418 个/千克土壤）和果园（均值1143±1456 个/千克土壤）的MPs浓度较低，这可能与较少的塑料使用或从多年生果园系统中有效清除残留塑料有关。稻田表现出稳定和中等的MPs水平，这可能反映了独特的水文土壤动力学。季节性洪水、厌氧条件和沉积物重新分布可以稀释或重新分配MPs，尽管在育苗阶段或灌溉基础设施中使用塑料，仍能减轻表面积累。

特定的土地耕作实践进一步调节MPs在农业土壤中的行为。例如，与谷物种植相关的频繁耕作实践，如模板犁耕，促进了MPs在土壤剖面中的垂直迁移。同样，持续淹水下的水稻种植可以增强MPs的机械破碎和向下淋溶。涉及谷物和棉花的作物轮作，两者都严重依赖塑料地膜和废水输入，会随着时间的推移加剧累积的MPs负荷。

5. 来源依赖性变异：MPs尺寸、聚合物类型和形态

理解MPs的浓度固然重要，但其物理和化学特性对于评估它们在农业土壤中的行为及其对土壤健康和作物系统的潜在影响也至关重要。利用105项基于田间研究的数据，我们分析了跨来源类别（直接、间接、复合）的聚合物组成、形态和粒径分布趋势，以揭示与农场实践相关的MPs特征的功能性差异。

加权的聚合物类型分析揭示了来源类别间的独特特征。直接来源（主要是塑料地膜、温室设施和肥料）以聚乙烯（PE，~40%）和聚丙烯（PP，~29%）为主，另有聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，~12%）、聚酰胺（PA）和聚苯乙烯（PS，~8%）以及聚氯乙烯（PVC，3%）的贡献。间接来源则以更丰富的多样性为主：PE（~33%）、人造丝（~18%）、PP（~15%）、聚酯（PES，~9%）、PS（~6%）、PA和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，~3%）以及PET和PVC（~2.5%）。复合来源含有较高比例的PP（~27%）和PE（~18%），以及来自纺织品和农业塑料输入的PET和人造丝（~13%）和PVC（~8%）的显著贡献。

加权的形态学分析进一步支持了来源类型对颗粒行为的影响。复合来源中纤维（~51%）和碎片（~32%）占主导，而间接来源中碎片（~44%）、纤维（~25%）和薄膜（~18%）普遍存在。直接来源表现出纤维（~28%）、碎片（~27%）和薄膜（~27%）的平衡分布。薄膜在所有类别中持续存在，而颗粒、泡沫和球/珠粒占比较小。

加权的粒径等级分布显示，直接来源富含较小的MPs（<500 μm：~63%），并有大量>1000 μm的MPs（~31%）贡献。间接来源以较小MPs为主（<500 μm：~82%），而复合来源则表现出较大MPs的普遍存在（>1000 μm：~71%）。这些粒径分布差异对MPs的运输、持久性、生物利用度具有重要影响，较小的颗粒更可能渗透土壤孔隙、与植物根系相互作用并影响微生物群落。

6. 来源关联的MPs途径对土壤健康和作物产生功能性影响

虽然MPs在农业土壤中的环境存在现已得到广泛记录，但它们对土壤过程和作物系统的功能性后果仍然知之甚少，尤其是在真实世界的田间条件下。这一知识空白持续存在，尽管越来越多的证据表明MPs的特征，如聚合物类型、形状和颗粒大小，与其农业进入途径紧密相关。

我们的分析表明，直接来源（如塑料地膜）倾向于引入更大、更持久的MPs，通常是PE和PP组成的碎片和薄膜，由于其较差的降解性和有限的垂直移动性，它们在表土中积累。相比之下，间接来源（如生物固体和废水灌溉）贡献了更广泛的更小、纤维状的MPs，包括PES、PA和人造丝，它们更有可能向下迁移到根区并与植物和微生物系统相互作用。

实验室和中宇宙实验已经开始阐明MPs影响土壤特性的机制途径。MPs可以改变容重、孔隙度、团聚体稳定性和导水率，从而影响根系发育、养分循环和保水性。它们对土壤酶活性、微生物呼吸和群落组成的干扰已显示出会级联引发植物生理应激反应，包括小麦、生菜、大麦和水稻等作物的根伸长减少、养分吸收受损和氧化应激标志物升高。值得注意的是，最小的MPs（<100 μm），最常来自污泥、堆肥和灌溉水，具有最大的表面积体积比，使它们更具反应性、生物可利用性，并易于被植物组织内化。

纤维状MPs在堆肥和污泥修正的土壤中占主导地位，由于其与生物结构的形态相似性而特别令人担忧，它们可能干扰根际信号或模拟根系分泌物，破坏有益的植物-微生物相互作用。

我们进一步的分析表明，覆盖地膜的蔬菜系统、粪肥修正的谷物和废水灌溉的果园都显示出特征性的MPs特征，这些特征在体积和影响潜力方面与最高风险的输入类型一致。尽管存在这些风险，文献中仍然存在令人震惊的脱节：不到10%的综述田间研究报告了任何生物终点，如土壤酶活性、植物生长指标或微生物生物量，尽管许多研究是在粮食生产环境中进行的。

最近的模型工作增加了担忧：他们的全球尺度分析表明，MPs暴露可能导致生态系统光合作用和作物产量的下降，特别是在严重依赖塑料密集型输入的蔬菜和谷物类别中。这些发现虽然是预测性的，但强调了迫切需要整合田间研究，将MPs来源类型与农业生态系统中的污染模式和功能性结果联系起来。

7. 方法论不一致性削弱土壤MPs研究中基于来源的综合分析

尽管对农业土壤中MPs的认识日益增加，但这一研究领域持续缺乏方法学的统一，限制了进行稳健的、基于来源的综合分析的能力。这在比较性综述中尤其成问题，其中采样协议、提取效率和分析技术的差异引入了重大的不确定性和偏差。

一个主要挑战在于土壤采样深度的多样性，在105项综述的田间研究中，采样深度从0-5 cm到深达80 cm不等。虽然MPs由于有限的移动性倾向于在表层土壤中集中，但采样深度缺乏标准化使得跨区域或来源的浓度比较变得困难。

有机质消化方案也显著不同。大多数田间研究依赖过氧化氢（H₂O₂）或芬顿试剂（H₂O₂和铁催化剂的混合物），两者都能有效氧化有机材料且对聚合物完整性影响最小。然而，一些研究使用碱性试剂如氢氧化钾（KOH）或次氯酸钠（NaClO），它们可以降解敏感的聚合物，如PET和PA，导致这些类型在MPs谱中的代表性不足。

密度分离是另一个在效率和成本上存在差异的关键步骤。例如，氯化钠（NaCl，1.20 g cm^–3）是最常用的分离介质，因为它成本低且无毒，但它无法提取更高密度的聚合物，如PVC、PET和聚碳酸酯，这些材料常见于废水污泥和工业废水中。更有效的溶液如氯化锌（ZnCl₂）和碘化钠（NaI）可以回收更广泛的聚合物范围，但它们具有腐蚀性、昂贵且在资源匮乏地区不易获得。

最大的方法学分歧在于MPs的检测和识别。许多田间研究依赖立体显微镜或光学显微镜，这些方法对小于100 μm的颗粒不敏感，并且缺乏聚合物特异性识别。相比之下，先进技术如显微傅里叶变换红外光谱（μ-FTIR）、激光直接红外成像（LDIR）和拉曼光谱可以检测小至10 μm的MPs并确认化学组成，但成本高昂，需要专业知识，并且未在土壤研究中常规使用。

检测阈值的影响非同小可。研究表明，小于20 μm的颗粒可能构成某些土壤中总MPs的50%以上。忽略这些部分的研究因此 dramatically 低估了总MPs丰度，并可能错误表征贡献细颗粒的来源，如废水或纺织品衍生的堆肥。

进一步的限制是缺乏一致的元数据报告。大多数研究未披露颗粒形状、尺寸范围或聚合物特性。浓度以不同的单位报告，如 个/千克干土、mg kg^–1 或 体积/公顷，对所选用量指标的理由很少说明。这种不一致性使得荟萃分析、统一或跨研究比较 highly 有问题。

这些方法学挑战不仅仅是学术上的，它们直接限制了我们理解不同MPs来源的相对贡献、表征其环境风险或制定知情管理策略的能力。因此，迫切需要透明、标准化的方法。

8. 农场投入的风险分层塑造土壤水平积累和潜在作物暴露

围绕可持续农业的叙述日益推广循环策略，如施用堆肥、粪肥和处理后的废水，作为合成投入的生态合理替代品。然而，研究表明，生物固体和堆肥不仅是养分载体，也是持久性合成碎屑的来源。

为了评估这些投入的相对环境负担，我们开发了一个源特异性类别的MPs风险矩阵。该矩阵根据三个维度对MPs污染的相对风险水平进行分类：聚合物持久性、生物利用度和长期土壤风险。分数分配基于田间研究元数据、颗粒形态和从105项全球研究中提取的聚合物类型分布，并辅以生态毒理学见解和衰减建模文献。

结果显示，直接来源类别（如塑料地膜）在长期风险中排名最高，这是由于其一贯使用高抗性聚合物（如LDPE和PP）、浅层土壤积累以及数十年内的最小降解。尽管这些塑料通常可见且更容易成为政策目标，但它们的持久性继续增加累积负荷，特别是在将薄膜破碎成更小颗粒的耕作系统中。

间接来源具有中等持久性和长期风险，但其高生物利用度的显著属性意味着被生物吸收和积累并转移到食物链的潜力更大。相比之下，复合来源在所有三个因素（聚合物持久性、生物利用度和长期风险）上都表现出相对较高的风险。

源自有机废物的堆肥和粪肥等间接来源通常用于提高土壤肥力。然而，研究在这些修正剂中检测到显著的MPs污染。例如，堆肥可能含有来自家庭废物、塑料产品和食品包装的MPs，这些MPs可以积累在堆肥中并污染农业土壤。同样，牲畜粪肥已被确定为MPs的一个来源，当施用于农田时，平均浓度约为1.88×10⁸ 个/公顷。

废水灌溉虽然在长期土壤积累方面得分较低，但由于频繁出现<100 μm颗粒和合成纤维，尤其是在缺乏高级三级过滤的系统中，它成为高生物利用度来源。生物固体是废水处理的副产品，尽管经过某些预处理，当随时间重复施用时，仍然是MPs的重要输入途径。

此矩阵的可视化支持了对农业可持续性概念化基本假设的改变。总体而言，直接投入构成持久风险，而间接来源增强生物吸收，强调了与两种输入类型和MPs环境行为相关的双重聚焦管理策略，以实现农业土壤的有效缓解。

9. 主要来源的MPs污染：全球监管方面

微塑料（MPs）高度持久的塑料碎片在全球的威胁日益明显，因为它在世界水体和土壤环境中积累和分解。然而，陆地环境，尤其是农业土壤，接收的MPs比海洋多23倍，在监管框架中的代表性仍然不足。

两个最主要的贡献者是塑料地膜材料和生物固体。这些不仅增加了MPs负荷，而且在农业环境中进一步降解和破碎。其中，塑料地膜在中国尤为突出。一个经常被忽视的因素是不同国家使用的塑料地膜材料的厚度。较厚的塑料薄膜可以显著降低薄膜损坏率和作物季节结束时残留塑料碎片的产生。

我们综合了现有针对陆地农业来源塑料污染的监管框架。在欧盟（EU），对塑料地膜使用的监管更为间接，没有对薄膜厚度的严格规定。然而，根据EN:13655标准，农民通常使用厚度大于25 μm的塑料地膜。同样，在美国，没有针对塑料薄膜的联邦法规，尽管一些州执行某些指南。通常，施用25 μm的地膜，满足最小化撕裂的实用标准。

作为对这些环境挑战的回应，中国在2020年推出了监管行动，包括全国禁止生产和销售PE塑料地膜，并鼓励根据GB/T-35795:2017标准使用生物基薄膜。欧盟通过2019年生效的EN-17033:2018，对一次性塑料产品实施了延伸生产者责任（EPR）指令，并推广在农业中使用经过认证的可生物降解塑料薄膜标准。

截至2018年7月，192个国家中的八个，即美国、英国、中国、新西兰、加拿大、法国、瑞典和韩国，已颁布对个人护理产品中微珠的禁令。然而，大多数国家尚未推出类似法规。此外，2022年，联合国环境大会启动了一项全球条约的制定，以消除塑料污染，题为“终结塑料污染：迈向具有国际法律约束力的文书”。

有生物固体/污泥施用历史的农业土壤与未接受此类修正的土壤相比，表现出显著更高的MPs浓度。污水污泥或生物固体是有机污染物的主要汇，处置方法差异很大。在美国，污泥通过填埋、有机修正和焚烧处置。在中国，污泥处置遵循四个主要途径，其中农业利用占最大份额（45%），其次是填埋（34.5%）、焚烧（3.5%）和其他（3.5%）。在欧洲，生物固体在农业土壤中的应用估计每年贡献63,000至430,000吨MPs，凸显了迫切需要监管关注。

目前，生物固体的土地应用受到欧盟污泥指令和美国环境保护局503部分法规的监管，但两者都未明确涉及MPs。法规通常基于重金属含量（欧盟理事会指令86/288/EEC）或其他有机污染物。随着MPs已成为一个重大的环境问题，正在制定新的政策和替代解决方案以应对这一挑战。尽管科学证据不断增加，农业土壤仍然是MPs污染的主要汇，对扩散来源（如塑料地膜和生物固体）的监管关注极少。

10. 局限性与未来建议

本研究在处理105个田间尺度的MPs数据集时遇到了几个局限性。首先，数据主要来自东亚和南亚，尤其是中国，这可能影响全球荟萃分析的稳健性。这突显了需要在代表性不足的地区（包括澳大利亚、美洲和非洲）扩大研究，以生成高质量数据集并解决现有知识空白。

其次，土地利用和农业实践显著影响农田土壤中MPs的分布和浓度，其变异性与本地耕作方法相关。这导致不同国家间农业系统MPs浓度的比较存在显著差异。

第三，尽管本框架强调了农场活动通过田间尺度研究和风险评估在将MPs引入农业土壤中的作用，但它并未按具体耕作实践对研究结果进行分层。这一限制阻碍了区分聚合物类型和尺寸分布的努力，因为多样化的农业操作依赖不同的工具和材料。

第四，本研究中的土地利用模式按种植系统（如谷物、蔬菜、果园等）进行了 broad 分类，而不是按农艺措施分类。这种方法反映了文献中农艺措施报告的不一致。未来研究应根据耕作方法（如浅耕与深耕）、施肥策略、灌溉系统（如 flood、furrow 或 drip）和其他田间操作来分离数据。将这些变量纳入MPs来源分类框架将改进对其对运输动态、积累率和降解模式影响的评估。

最后，方法学限制在农场样品采集和实验室分析中显而易见。土壤采样深度的不一致，从仅表土到跨越多个层次的复合材料，以及提取和检测技术的异质性，直接影响回收效率。因此，报告的MPs丰度差异很大，在某些情况下每单位干土相差≥1至10,000倍，反映了方法学差异或假阳性，而非真实的环境浓度。此外，只有一小部分研究包含了报告百分比的回收测试，限制了跨数据集提取效率的有意义比较。

总体而言，105项田间研究的结果强调了迫切需要简洁、统一的方法来 contextualize 结果。考虑MPs检测关键决定因素的标准化协议将 substantially 减少分析不确定性，并能够对支持全球粮食和饲料生产的主要介质——农业土壤中MPs污染的归宿、运输和风险进行更稳健的定量评估。

11. 结论

本研究开发了一个全球性的、以来源为导向的框架，以解释MPs如何通过农场实践进入农业土壤，以及这些输入如何塑造环境风险。通过系统地将MPs分类为源自直接、间接或复合来源，我们证明了多样化的农业实践引入了独特的MPs特征，这些特征在聚合物类型、颗粒大小、形态和生态持久性方面各不相同。通过经过田间验证的数据和新提出的MPs风险矩阵，我们将农场层面的决策与土壤污染模式以及影响作物和土壤生态系统的潜在暴露途径联系起来。

然而，大多数田间研究中，生物或农艺影响仍未得到充分探索，限制了可操作风险阈值的制定。这种检测与影响之间的脱节强调了迫切需要一种基于特征的、源特异性风险框架，以通过最佳管理实践支持法规和可持续性标准。随着农业日益 embrace 循环和资源高效的方法，我们主张将塑料风险审计嵌入土壤管理策略中。因此，该框架为科学进步和政策改革提供了关键基础，以保护土壤生态系统免受农业生态系统中MPs污染累积负担的影响。