黄河河南段农田土壤微塑料（MPs）的分布特征与生态风险评估

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Distribution characteristics and risk assessment of microplastics in agricultural soil along the Henan section of the Yellow River, China

　　

专业术语翻译（论文摘要） 黄河中下游河南段典型农田土壤中微塑料（MPs）的赋存特征与生态风险尚缺乏系统研究。研究人员以黄河河南段沿线20个采样点（A1–A20）为对象，采用饱和NaCl溶液密度浮选法提取土壤微塑料，结合体视显微镜观察与傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行定量与聚合物类型鉴定，并运用污染负荷指数（PLI）、潜在生态风险指数（PERI）和聚合物危害指数（PHI）开展生态风险评估。结果表明：研究区农田土壤微塑料丰度为1,400～67,000 items/kg；经济作物区上游段微塑料丰度显著高于其他河段；蔬菜地微塑料丰度高于麦田及其他农田；白色、粒径<500 μm、聚苯乙烯（PS）为主要理化特征；黄河河南段农田微塑料生态风险处于中—高水平。该研究为黄河流域农田微塑料污染精准防控提供了科学依据。

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一、研究背景与科学问题

黄河是中国重要的生态屏障和核心粮食产区，其流域农田土壤健康直接关系到区域生态稳定与国家粮食安全。河南省地处黄河中下游，农田面积占全省总面积47.5%以上，是小麦、玉米和蔬菜的主要生产基地。然而，该省农用地膜年使用量超过10万吨，设施农业规模逐年扩大，加之有机肥广泛施用与长期黄河水灌溉，导致农田土壤中微塑料（MPs）污染问题日益突出。已有研究表明，长期大规模使用塑料地膜必然导致残膜在土壤中逐步降解为微塑料；黄河灌溉水也可能将上游流域的微塑料污染物输送至农田，有机肥施用进一步加剧外源输入。进入农田土壤后，部分微塑料在表层长期积累，并在耕作扰动与自然风化作用下逐渐破碎为更小颗粒；另一部分则随地表径流横向迁移至周边水体，沿黄河干流向下游输送，最终沉积于河口三角洲。然而，现有关于黄河流域农田微塑料的研究多集中于上游宁夏灌区与下游山东地区，针对中下游河南段的研究较为零散且缺乏系统性。由于不同河段在农业种植结构、覆膜历史与灌溉方式上存在差异，微塑料污染水平、分布格局与风险等级表现出显著的空间异质性。因此，系统阐明黄河河南段农田土壤微塑料的赋存特征、空间分布规律及其生态风险，对于区域微塑料污染精准防控具有重要的科学意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员以黄河河南段全段（110°20′54″–115°41′51″E，34°36′57″–35°45′41″N）典型农田为研究对象，沿黄河河道将采样区划分为上游段（A1–A9）、中游段（A10–A14）和下游段（A15–A20），并依据主导作物类型与土地利用方式将农田分为麦田（U1、M1、D1）、蔬菜地（U2、M2、D2）和其他农田（U3、D3）。研究通过野外调查与实验室分析相结合的方式，系统揭示了该区域农田土壤微塑料的丰度水平、粒径分布、形态特征与聚合物组成，阐明了微塑料的空间分布格局及种植制度对其分布的影响，并采用污染负荷指数（PLI）、潜在生态风险指数（PERI）和聚合物危害指数（PHI）开展了环境生态风险评估。研究得出以下主要结论：研究区农田土壤微塑料丰度为1,400～67,000 items/kg；经济作物区上游段微塑料丰度远高于其他区域；蔬菜地微塑料丰度高于麦田和其他农田；白色、粒径<500 μm、聚苯乙烯（PS）为主要理化特征；黄河河南段农田微塑料生态风险处于中—高水平。该研究为黄河河南段农田微塑料污染精准防控提供了科学参考。

三、关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法开展研究：其一，野外采样与样品前处理，沿黄河河南段6个城市设置20个采样点，每个采样点采集0–20 cm深度新鲜土壤约500 g，三个平行样混合为复合样品，去除植物残体与石块后于45°C烘干；其二，密度浮选法提取微塑料，采用饱和NaCl溶液（ρ=1.2 g/cm3）进行三次重复浮选，结合振荡与超声处理提高提取效率，上清液经0.45 μm玻璃纤维滤膜真空过滤；其三，有机质消解，使用30% H?O?溶液于60°C处理24小时以完全分解有机物质；其四，体视显微镜（100倍放大）进行微塑料定量分析，记录丰度（items/kg）、形态、颜色与粒径；其五，傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行聚合物类型鉴定，在675–4000 cm?1波数范围以反射模式扫描，匹配度>60%确认聚合物类型；其六，采用污染负荷指数（PLI）、聚合物危害指数（PHI）和潜在生态风险指数（PERI）三种模型进行生态风险评估。

四、研究结果

4.1 微塑料丰度水平与空间分布特征

通过体视显微镜定量分析20个采样点土壤样品，研究人员发现研究区农田土壤微塑料丰度范围为1,400～67,000 items/kg，平均丰度处于较高水平。空间分布上，上游段（A1–A9）经济作物区微塑料丰度显著高于中游段和下游段，这可能与上游段经济作物种植比例较高、地膜覆盖历史较长有关。下游段微塑料丰度相对较低，但仍处于较高污染水平。不同河段之间微塑料丰度的显著差异表明，农业种植结构与覆膜历史是影响微塑料空间分布的重要因素。

4.2 不同农田类型微塑料分布差异

研究人员对麦田、蔬菜地和其他农田三种农田类型的微塑料丰度进行比较分析，发现蔬菜地微塑料丰度显著高于麦田和其他农田。蔬菜地通常采用设施栽培模式，地膜使用量大且更换频繁，加之有机肥施用量较高，导致微塑料输入量显著增加。麦田微塑料丰度相对较低，但仍不可忽视。这一结果表明，种植制度对农田土壤微塑料积累具有显著影响。

4.3 微塑料理化特征分析

通过体视显微镜观察与FTIR光谱鉴定，研究人员发现研究区农田土壤微塑料以白色为主，粒径<500 μm的微塑料占比最高，聚合物组成以聚苯乙烯（PS）为主要类型。微塑料形态以碎片和纤维为主。白色微塑料的高占比可能与地膜降解产物有关，而PS的高占比则可能与有机肥施用和灌溉水输入有关。小粒径微塑料占比高表明微塑料在土壤中经历了长期的风化破碎过程。

4.4 生态风险评估

研究人员采用污染负荷指数（PLI）、聚合物危害指数（PHI）和潜在生态风险指数（PERI）三种模型对研究区微塑料污染进行生态风险评估。PLI评估结果显示，研究区大部分采样点处于中度至重度污染水平，综合PLI表明整个研究区域处于中度污染状态。PHI评估结果显示，由于PS具有较高的危害评分，研究区微塑料聚合物危害处于较高水平。PERI评估结果进一步表明，黄河河南段农田微塑料生态风险总体处于中—高水平，其中上游段经济作物区风险最高。

五、讨论与结论

讨论部分指出，黄河河南段农田土壤微塑料的分布特征受多种因素共同影响。农业地膜的大量使用是微塑料的主要来源，黄河灌溉水输入和有机肥施用进一步增加了微塑料的外源输入。不同河段和不同农田类型之间微塑料丰度的显著差异反映了农业种植结构、覆膜历史和灌溉方式的区域异质性。微塑料在土壤中的积累与破碎过程受到耕作扰动和自然风化的共同作用，部分微塑料随地表径流迁移至水体，对下游水环境构成潜在威胁。研究还指出，当前关于黄河流域农田微塑料的研究主要集中于上游和下游地区，河南段的研究相对薄弱，本研究填补了这一区域的研究空白。

研究结论部分指出，黄河河南段农田土壤微塑料污染普遍存在，丰度范围为1,400～67,000 items/kg，经济作物区上游段和蔬菜地污染尤为突出。微塑料以白色、<500 μm、PS为主要特征，生态风险处于中—高水平。该研究系统阐明了黄河河南段农田微塑料的分布特征与生态风险，为区域微塑料污染精准防控和农业可持续发展提供了科学依据。未来应加强微塑料在农田土壤—作物—水体系中的迁移转化机制研究，并探索有效的微塑料污染治理技术。