李瑾，周濤，張揚，李留標，李崇霄，曹靖*

（1.蘭州大學生命科學學院，蘭州730000；2.甘肅省農業(yè)生態(tài)與資源保護技術推廣總站，蘭州730000；3.甘肅省分析測試中心，蘭州730000）

鄰苯二甲酸酯（PAEs）作為增塑劑被廣泛用于工業(yè)、農業(yè)和家庭生活中，包括建筑材料、汽車、化妝品和食品藥品包裝。國內外研究表明，多種鄰苯二甲酸酯類化合物具有內分泌干擾性，部分鄰苯二甲酸酯類化合物甚至具有致癌和致突變的作用[1]。地膜加工過程中，為了提高農用地膜的化學穩(wěn)定性、柔韌性、透明度等，常在地膜中添加超過40%的增塑劑[2]。PAEs與塑料基質間以微弱的范德華力或氫鍵連接，穩(wěn)定性較差，容易從地膜中遷出，因此能夠直接污染土壤并被土壤有機質吸附而長期累積在土壤中，影響土壤安全性。農膜覆蓋是旱作農業(yè)土壤中增塑劑污染的重要來源[3]。

西北地區(qū)干旱少雨，塑料地膜具有保水增溫的功能特性，因此在蔬菜、糧食等農作物種植中得到廣泛應用，僅甘肅省2013 年全省地膜使用總量就達15 萬t，年殘留總量4萬t[4]。農膜大量使用帶來的環(huán)境危害日益嚴重，土壤殘膜成為危害土壤和糧食安全的重要問題[5]。生物降解地膜在自然條件下可被微生物分解，生成環(huán)境友好的水和CO2，對環(huán)境造成的負面影響較小或產(chǎn)生的生態(tài)毒性很少，因具備PE 膜的功能[6]，將成為PE 地膜替代技術而被逐漸推廣應用[7]。除此之外，還有光降解地膜、熱氧化雙降解膜等添加不同催化助劑的促降解地膜產(chǎn)品。目前，以動物、植物、微生物和化石等天然材料為原料的可生物降解地膜成為國內外學者研究的焦點。然而生物降解地膜使用的天然材料具有一定的功能限制，部分材料在加工過程中需要添加更多的化學助劑以增強地膜的耐用性和延展性，包括增塑劑PAEs[8]。若大面積推廣無需回收的生物降解地膜，長期使用是否會增加農業(yè)土壤PAEs 含量從而導致更高的環(huán)境累積風險，是我們需要關注的問題。

近年來，我國土壤環(huán)境中PAEs 的廣泛污染使得土壤中殘留的PAEs被農作物吸收并在可食部分累積的問題逐漸引起社會廣泛關注[9-10]。作物的富集作用將PAEs 轉移到食物鏈中，增加了人體攝入的健康風險[11]。一些研究探討了PAEs 在土壤-作物系統(tǒng)中的發(fā)生和累積狀況、影響植物吸收和積累有機污染物的因素[12-13]。然而，這些研究大多是針對蔬菜作物，對谷物作物中PAEs 的累積，特別是從源頭分析地膜中PAEs 與農田土壤、作物之間關系的研究很少。甘肅是地膜覆蓋的主要省份之一，溝壟覆膜玉米種植技術的大面積推廣，使得全省地膜使用量逐年增長。因此，本研究以干旱區(qū)農田土壤為研究對象，分析不同類型地膜、地膜處理方式和地膜使用年限對土壤PAEs 累積的影響，探討地膜PAEs 與土壤、玉米中PAEs 的關系，以期為PAEs在土壤和作物中的累積風險、地膜覆蓋的環(huán)境效應評價及安全使用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

不同厚度（0.012、0.010、0.008 mm）和不同顏色（白膜、黑膜）的塑料地膜均來自甘肅本地同一品牌的PE 地膜。不同降解類型地膜選擇了熱氧化雙降解膜（2種）和全生物降解地膜（省內2種、外省1種）共5種。

1.2 地膜暴曬與填埋試驗

試驗在甘肅省榆中縣和永昌縣田間進行。5 種降解地膜包括熱氧化雙降解膜2 種和全生物降解地膜3 種，對照為當?shù)厥褂玫膫鹘y(tǒng)PE 地膜，地膜厚度均為0.010 mm 的黑膜。在地膜降解的60、90、180 d，采集膜下0～5 cm 土層帶回室內分析。采用單因素隨機區(qū)組設計，共6 個處理，每個處理為一個試驗小區(qū)，隨機排列，3次重復。

暴曬試驗按玉米溝壟覆膜作業(yè)方式進行鋪膜，每個小區(qū)每種地膜覆膜長度均為10 m，寬度為玉米種植的壟寬70 cm，每個小區(qū)重復3 次，曝曬期間不種植任何作物，暴曬區(qū)不進行灌溉，用石塊對地膜進行固定，以防大風揭膜，確保采樣效果。填埋試驗每個小區(qū)面積約為1.2 m2，將5種降解地膜和普通地膜分別裁剪成40 cm（橫向）×30 cm（縱向）的單層膜片，裝入20 目防蟲網(wǎng)袋中，做好標記，埋入10 cm 土層下，每個小區(qū)每種地膜放置6片，每個小區(qū)重復3次。地膜暴曬試驗和填埋試驗的農田管理條件相同，試驗地點遠離田間道路、作物和建筑物，避免遮擋陽光和人為擾動。

1.3 大田覆膜試驗

不同覆膜年限的玉米溝壟覆膜試驗在榆中縣馬家寺進行，所覆地膜為0.008 mm 的傳統(tǒng)白色PE 地膜。分別采集玉米覆膜種植時間為0（CK）、5、15、25年的田間土壤，不覆膜土壤作為對照，覆膜土壤為溝壟覆膜種植方式，壟寬70 cm，壟高10 cm，85 cm 寬的地膜覆在壟上，溝內不覆膜。在玉米生長期間，田間施肥等管理按當?shù)亓晳T進行。在玉米收獲期，分別采集小區(qū)壟上覆膜下0～10 cm 土壤和對應小區(qū)的玉米籽粒。

1.4 樣品采集和處理

采集的土壤用鋁盒保存，避免與塑料制品接觸。土壤風干后挑揀去植物根系和地膜等雜物，過1 mm土壤篩并保存在紙質信封袋中。玉米脫粒后，用去離子水沖洗，冷凍干燥，然后用不銹鋼研磨機研磨，將細磨的籽粒樣品儲存在-20 ℃下，待分析。

1.5 PAEs含量測定

PAEs 檢測方法采用氣相色譜/質譜法（GCMS）。土樣風干過篩，稱取5 g 土壤（玉米）樣品于玻璃離心瓶，加入20 mL 丙酮∶正己烷（1∶1，V/V）（正己烷為色譜級，丙酮為分析純），隔夜放置后超聲波萃取30 min，離心后取上清液于三角瓶，土壤（玉米）再加入20 mL 丙酮-正己烷混合液，重復上述步驟兩次。60 mL 的上清液用旋轉蒸發(fā)儀在40 ℃下濃縮至1～2 mL，再加入5 mL 正己烷以交換丙酮，濃縮到小于1 mL 后用0.22 mm 膜玻璃過濾器過濾，然后轉移到棕色樣品瓶并定容至1 mL。目標化合物的回收率在82.2%～106.9%，相對偏差≤10。

氣相色譜-質譜系統(tǒng)Agilent 7890GC-5975 MSD（GC-MS）（Agilent Technologies，Avondale，PA）測定提取的化合物。在電子碰撞和全離子監(jiān)測模式下，用DB-5（30 m×0.25 mm×0.25 mm）熔融石英毛細管柱色譜分離。高純氦氣（99.999 9%）作為載氣，保持1.2 mL·min-1的恒定流速。溫度設置為50 ℃維持1 min，以15 ℃·min-1升溫到200 ℃并維持1 min，然后再以8 ℃·min-1升溫到280 ℃并維持3 min，提取液（2 μL）250 ℃注射到GC-MS 系統(tǒng)的傳輸線，在285 ℃運行溫度下以非脈沖不分流進樣模式進行測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析，Excel 2016作圖。用單因素方差分析（ANOVA）對不同處理間的數(shù)據(jù)進行Duncan 多重比較，以檢驗差異顯著性。使用一元線性回歸模型分析玉米籽粒中PAEs 含量與土壤中PAEs含量之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同地膜中PAEs的含量

2.1.1 不同厚度地膜中PAEs的含量

不同厚度塑料地膜（0.012、0.010、0.008 mm，均為傳統(tǒng)PE 地膜）中PAEs 含量有顯著差異（圖1）。隨著塑料地膜厚度的增加，PAEs 添加量逐漸增多，0.008 mm 地膜中PAEs 含量比0.012 mm 的減少了56.42%。不同厚度地膜中增塑劑的含量比例也不同，其中DEHP 的添加比例明顯多，0.012 mm 地膜中DEHP 的含量比例為92.86%，而0.008 mm 地膜中為44.56%（圖2）；比較0.010 mm 厚度的黑膜與白膜發(fā)現(xiàn)，黑膜中PAEs的添加量顯著高于白膜。

圖1 不同厚度和不同顏色地膜中PAEs含量Figure 1 Contents of PAEs in plastic films with different thicknesses and with different colors

圖2 不同厚度和不同顏色地膜中PAEs的組成Figure 2 Components of PAEs in plastic films with different thicknesses and with different colors

2.1.2 不同降解類型地膜中PAEs的含量

圖3 顯示，不同降解類型的地膜產(chǎn)品均檢測到PAEs 類增塑劑，PAEs 檢測含量在6.60～16.63 mg·kg-1。5 種PAEs 添加量按從大到小的順序為鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）＞鄰苯二甲酸二（2-乙基）己酯（DEHP）＞鄰苯二甲酸二正辛酯（DnOP）＞鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）＞鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）。每種地膜的PAEs 添加比例、種類不同，添加量較多的種類為DBP 和DEHP。不同降解類型地膜中PAEs 含量表現(xiàn)為全生物降解地膜＞熱氧化雙降解膜＞傳統(tǒng)PE 地膜，其中Q3 生物降解地膜PAEs 含量是PE 地膜的2.45倍。

2.2 地膜的填埋與暴曬對土壤PAEs累積的影響

圖3 不同降解類型地膜中PAEs含量Figure 3 PAEs contents in different degradation types of plastic film

如圖4 所示，與對照土樣（未覆膜）相比，不同降解類型地膜暴曬和地膜填埋處理下土壤中PAEs含量增加，土壤PAEs含量從大到小的順序為DBP＞DEHP＞DEP＞DMP＞DnOP，其中DBP 和DEHP 檢出率和檢出量最高，同時發(fā)現(xiàn)當?shù)赝寥酪殉霈F(xiàn)一定的PAEs累積。在地膜暴曬和地膜填埋處理90 d 后，大多數(shù)土壤中DBP 含量均超過美國環(huán)保局規(guī)定的DBP 土壤控制標準0.080 mg·kg-1，部分土壤DMP 和DEP 也超過相應的控制標準0.071 mg·kg-1和0.200 mg·kg-1限量[14]。

在永昌和榆中兩個試驗點的土壤檢測結果均顯示，地膜填埋處理土壤PAEs 累積量要明顯高于地膜暴曬處理，平均高出1.49倍，表明地膜中的PAEs已遷移到土壤中。在60、90、180 d 地膜不同處理方式下（暴曬180 d 因為地膜完全碎裂無法取樣），暴曬處理土壤PAEs 累積量隨時間的延長大致呈下降趨勢，而填埋處理土壤PAEs 含量則隨填埋時間的延長覆蓋90 d 后大量累積，在180 d 后PAEs 部分降解，土壤累積量有所下降。

此外，不同類型地膜中PAEs 的含量影響土壤中PAEs的累積量。結合圖3可以看出Q3地膜PAEs含量最多，在地膜填埋和暴曬處理中，Q3土壤中PAEs含量也幾乎都高于其他類型地膜，最高達到1.49 mg·kg-1。

2.3 地膜使用年限對土壤PAEs累積的影響

圖4 地膜不同田間處理方式下土壤中PAEs含量Figure 4 Contents of soil PAEs under different modes of plastic film treatment in field

圖5 不同地膜使用年限土壤中PAEs含量Figure 5 Content of PAEs in soil with different mulching ages of plastic film

隨著地膜使用年限的增加，土壤中PAEs 累積不斷增加（圖5）。對照組土壤PAEs 含量為0.537 mg·kg-1，覆膜種植年限為5、15、25 a 的土壤中PAEs 含量與CK 相比，分別增加了26.35%、29.38%、73.25%，其中DEHP 和DBP 的檢出率最高為100%，DBP 的含量最高，變化范圍為0.348～0.657 mg·kg-1，全部超過美國土壤PAEs 化合物控制標準0.08 mg·kg-1的限量值，占PAEs 總量的64.8%～63.9%。此外，DMP 和DEP 在土壤中含量雖然較低，但二者的土壤控制標準限量值較低，分別為0.020 mg·kg-1和0.071 mg·kg-1，因此二者的超標率也相對較高，而DEHP 含量均未超過土壤控制標準的限量值（4.35 mg·kg-1）。

2.4 地膜使用年限對玉米籽粒中PAEs含量的影響

玉米籽粒中僅檢測到了DBP（圖6A），其含量為0.037～0.013 mg·kg-1之間，而我國衛(wèi)生部對食品中DBP 的最大允許殘留量為0.3 mg·kg-1[15]，表明玉米籽粒中DBP 含量在安全范圍內。不同覆膜種植年限的玉米籽粒中PAEs 含量均高于未覆膜種植，但不同覆膜種植年限間玉米籽粒PAEs含量差異不顯著。對玉米籽粒和土壤PAEs 含量進行相關分析表明，田間土壤和玉米籽粒之間PAE 同系物濃度呈正相關關系（圖6B）。

圖6 地膜不同使用年限玉米籽粒中PAEs含量及其與土壤PAEs含量的相關性Figure 6 PAEs content in maize grain with different mulching ages of plastic film and the correlation with soil PAEs content

3 討論

3.1 不同類型地膜對土壤PAEs累積的影響

塑料制品中PAEs與塑料分子之間由氫鍵或范德華力連接，彼此保持各自相對獨立的化學性質，所以穩(wěn)定性相對較差，容易從塑料中滲出，這意味著地膜中PAEs 的添加量會直接影響其向土壤中遷移的數(shù)量[16]。試驗發(fā)現(xiàn)0.012 mm 地膜相對其他厚度地膜PAEs 添加量最高。PAEs 主要用作塑料的增塑劑和軟化劑，可提高塑料制品的可塑性和強度，因此，更厚的地膜需要添加更多的PAEs以增加塑料的抗撕裂能力和延展性[12]。考慮到農田殘膜污染問題，0.008 mm的超薄地膜已經(jīng)在農業(yè)實踐中被淘汰，推廣使用較厚的標準地膜時，其中的PAEs污染問題也不容忽視。

本研究檢出可降解地膜PAEs 含量高于普通PE地膜（圖3）。傳統(tǒng)LLDPE（低密度線性聚乙烯材料）本身具有極高的抗伸強度、抗穿透性、抗撕裂性和伸長率，更加適用于制造薄膜，減少了加工過程中PAEs的添加。目前生物降解地膜多為聚乳酸（PLA）、聚羥基酯肪酸酯（PHAs）、熱塑性淀粉等新型可降解母料，然而這些材料都存在一定的耐水性、穩(wěn)定性和彈性差的問題[17]，因此，在地膜加工過程中需要添加更多的PAEs以增加塑料的穩(wěn)定性和柔韌性以便于地膜吹塑，提高成品地膜的使用性能[16]。相比于傳統(tǒng)地膜，PAEs含量高的可降解地膜可能會導致更大的PAEs遷出風險，使其在土壤中累積量相對增加。因此，在可降解地膜推廣應用時，不能只片面強調其優(yōu)點，而忽略增塑劑帶來的土壤污染風險。目前，在沒有環(huán)保型增塑劑替代的情況下，大面積推廣全生物降解地膜需要更加謹慎。

3.2 地膜田間處理方式對土壤PAEs降解的影響

應對農田殘膜問題研發(fā)的易降解、無需回收的降解地膜已經(jīng)在各地區(qū)推廣使用，然而本研究發(fā)現(xiàn)，地膜填埋處理相對于暴曬處理會導致土壤中PAEs的增加。目前研究發(fā)現(xiàn)PAEs 降解途徑包括水解、光解和生物降解，生物降解是PAEs降解的主要途徑，自然因素影響PAEs的降解主要通過影響微生物活性的方式進行[8]。暴曬條件（如光熱）一方面促進塑料地膜的老化，使PAEs 揮發(fā)到空氣中；另一方面，土壤表層良好的水熱條件也有助于已經(jīng)遷移的PAEs發(fā)生生物降解。土壤殘膜在翻耕模式下被埋進土壤，與土壤充分接觸，不利于PAEs 的自然揮發(fā)，導致PAEs 直接遷移到土壤中。隨著土壤深度的增加，土壤溫度和土壤含氧量的變化限制了微生物的活性，從而減緩了PAEs生物降解的發(fā)生。土壤中PAEs 同系物含量較高的DEP 有兩種降解途徑，一種是脫酯化，即兩條二乙基鏈先水解為單酯MEP，然后水解為PA；另一種降解途徑是脫甲基或酯交換，水解產(chǎn)物PA 通過乙基的DEP脫甲基形成EMP，兩種降解途徑的最終產(chǎn)物都為CO2和水[18]。同系物DEHP 在各種土壤中降解的主要代謝產(chǎn)物為MEHP，最終降解產(chǎn)物為CO2和水，但MEHP的生態(tài)毒性高于DEHP[19]。研究還發(fā)現(xiàn)，與好氧性土壤相比，DEHP 污染會在厭氧性淹沒土壤中產(chǎn)生更多的有毒單酯代謝物（MEHP），并誘導細菌菌群發(fā)生變化。PAEs 的降解并不意味著其生態(tài)毒性的消失，雖然填埋處理減少了PAEs 的揮發(fā)，但可能導致了PAEs厭氧性降解發(fā)生，從而產(chǎn)生更多的有毒降解中間體，引起土壤PAEs 含量的上升。因此，增加地膜厚度以提高地膜回收率、減少替代地膜翻耕填埋可能是減少白色污染殘留和增塑劑在土壤中累積風險的有效措施之一。

3.3 地膜使用年限對土壤和玉米籽粒中PAEs 累積的影響

研究表明，有機污染物進入土壤環(huán)境后可能發(fā)生的行為包括滲入地下水、生物降解、揮發(fā)以及發(fā)生老化作用與土壤固相結合并轉移到生物體[20]。老化行為的發(fā)生使PAEs 生物有效性降低，并隨著時間的推移促進非生物可利用殘留物的形成，使PAEs 難以被生物利用或降解，長期固存于土壤中造成土壤累積風險[21]。通過地膜暴曬和填埋大田試驗的動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，地膜中PAEs能夠遷移到土壤中，它在短期內不能完全降解和揮發(fā)，土壤PAEs 的累積量還受不同類型地膜PAEs 劑量大小的影響，并且發(fā)現(xiàn)DBP 累積量超出美國環(huán)保局對土壤中DBP 含量制定的控制標準0.080 mg·kg-1。通過田間地膜長期使用年限試驗（榆中縣）發(fā)現(xiàn)，隨著地膜覆蓋年限的延長，土壤PAEs 含量呈現(xiàn)上升趨勢，且與CK相比差異顯著。由此推測，雖然微生物在一定程度上能夠降解地膜遷移到土壤中的PAEs，但伴隨著土壤PAEs 老化行為的發(fā)生，PAEs 與土壤有機組分結合而殘留在土壤中，可造成PAEs 在土壤中長時間累積。Wu 等[22]研究結果表明，PAEs 會與土壤有機物結合，其累積量與土壤有機物含量呈正相關關系。因此，地膜長期使用和地膜殘留會增加土壤中PAEs的含量，增加土壤污染風險。

不同覆膜種植年限的玉米籽粒中均檢測到了DBP，證明玉米能夠吸收土壤中的PAEs 污染物并在體內累積，這與Sun 等[23]研究結果一致。Ling 等[24]研究發(fā)現(xiàn)細胞壁為有機污染物的主要存儲區(qū)，它們可能參與了植物中污染物的耐受性和排毒。Gao等[25]發(fā)現(xiàn)多環(huán)芳烴（PAHs）能夠穿過細胞壁，溶解在細胞溶液并分配到黑麥草叢枝菌根的細胞器中。此外，值得注意的是本研究玉米籽粒中僅檢測到了DBP，而其他PAEs 污染物幾乎未檢出，推測與有機化合物本身化學物質辛醇水分配系數(shù)有關，有機污染物通常從土壤孔隙水中被攝入植物體內，碳鏈越長、分子量越大的有機化合物辛醇分配系數(shù)越高，化合物親脂性越強，極性越弱。因此，分子量較大的DEHP 相對于DBP親水性較弱，很難被植物吸收到體內[26-27]。研究還發(fā)現(xiàn)土壤中DBP 含量與籽粒中的含量具有顯著正相關關系，Shi 等[28]在小麥籽粒研究中也觀察到相似的結果，推測籽粒中PAE 的積累可能主要來自土壤中根系吸收和轉移，然而玉米吸收轉運和分配的具體過程還需要進一步研究。DBP含量較高的土壤可能導致玉米籽粒中累積較多的污染物，因此，需要更加關注土壤PAEs污染導致的人體健康風險。

4 結論

（1）0.012 mm 的加厚地膜比普通地膜含有更多的PAEs；可降解地膜中PAEs 的含量高于傳統(tǒng)PE 地膜。地膜中PAEs含量與土壤PAEs累積量呈正相關。

（2）地膜填埋處理與暴曬處理相比會導致PAEs在土壤累積，即使使用可生物降解地膜，也建議盡量采取回收措施。覆膜種植年限更長的土壤存在較高的PAEs累積風險。

（3）玉米能夠吸收土壤中的PAEs 污染物并累積到籽粒中，PAEs 在籽粒中的累積可能與自身的化學性質有關，需要關注土壤PAEs 污染導致的作物污染以及人體暴露風險。