我國59個長期覆膜樣地的表層土壤中鄰苯二甲酸酯污染狀況分析

靳拓，許丹丹，薛穎昊，習斌，孫建鴻，彭可為，張杰，金德才

1. 湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128 2. 農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125 3. 湖南省花垣縣農業農村局，湘西土家族苗族自治州 416499 4. 中國科學院生態環境研究中心，北京 100085

隨著我國經濟的發展，塑料類制品得到廣泛使用。鄰苯二甲酸酯(PAEs)作為塑化劑被大量應用于食品包裝、裝修材料、醫療器械、化妝品和玩具等各種日用產品中，也作為地膜被廣泛用于農業的生產活動中[1]。由于PAEs和塑料制品間非緊密結合，PAEs很容易游離到周邊環境當中[2]。目前，塑化劑已經成為全球性的環境污染物，在河流、湖泊、土壤和空氣等環境介質中檢均能測出不同程度的塑化劑污染[3-4]。由于塑化劑可通過吸入、攝入或皮膚吸收進入人體，在人的血清、尿液、母乳以及其他生物組織中均檢測到塑化劑的存在[5]。PAEs作為一類環境激素類化合物，在人體內具有類似于雌性激素作用，不但可導致內分泌紊亂，而且具有胚胎毒性、生殖毒性和遺傳毒性[6]，同時生活在PAEs污染水平高的環境中會增加人們患病的概率，如Yang等[7]發現PAEs暴露是促進肌肉減少癥發生的一個重要因子；Zhang等[8]發現室內灰塵中的PAEs濃度和兒童哮喘癥狀呈正相關，尤其在女孩當中更為顯著。目前鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)和鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)6種PAEs已被美國環境保護局(US EPA)列為優先控制污染物，我國也將其中的3種鄰苯二甲酸酯類化合物(DMP、DBP和DNOP)列為優先控制的有毒污染物[9]。

據統計，我國每年塑料地膜使用面積高達1 500萬hm2左右，是世界上塑料地膜使用量最多的國家，地膜覆蓋在農田保溫保濕、促進農作物產量等方面發揮了重要作用，然而其中的添加成分如塑化劑也對農田環境造成了污染。近年來關于覆膜農田土壤的PAEs污染調查較多，如鄭順安等[10]調查發現，在西北地膜高投入的5個典型縣，土壤中6種優先控制的PAEs含量為0.103～1.117 mg·kg-1，均值為(0.532±0.175) mg·kg-1。易鴛鴦等[11]采集了新疆五家渠地區不同地膜使用年限的棉田土壤樣品，對6種優先控制的PAEs含量進行了檢測，結果表明，土壤樣品中6種PAEs總量范圍為1.360～4.490 mg·kg-1，均值為(2.770±0.919) mg·kg-1。然而，目前對我國不同覆膜年限的農田土壤的PAEs污染狀況研究仍然很少，或者僅集中于一個地點的樣品分析。本文選擇我國59個不同覆膜年限的農田作為研究對象，采集農田土壤樣品并采用氣相色譜質譜聯用方法對土壤中6種PAEs化合物進行檢測，重點對其含量水平、組成情況及分布特點進行了分析，并對其污染風險進行了評估，旨在為我國覆膜農田土壤污染管控工作提供參考依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 土壤樣品采集

在實地調研的基礎上，選擇我國28個省份/自治區的長期覆膜農田，布設表層土壤采樣點59個，具體采樣點位信息如表1所示。2019年5月采樣，先對采樣點表層進行清掃，采用五點法采集土壤樣品，混合成一個樣品，每樣點所采土樣約1 kg，記下樣點實際地理位置和種植作物等基本信息。土壤樣品帶回實驗室后自然風干，除去小石子、雜草等外源物質，過1 mm的不銹鋼篩，處理好后，置于棕色玻璃瓶中保存，等待實驗室分析。同時，通過走訪交談、問卷調查等手段，獲得農田土壤覆膜信息。

表1 59個樣點的采樣分布Table 1 Distribution of 59 sampling points

1.2 儀器與試劑

Thermo Scientific ITQ 900氣相色譜質譜聯用儀(美國)；RE-52AA旋轉蒸發儀(上海亞榮生化儀器廠，中國)；KQ-100KDE超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司，中國)；Mixplus旋渦混合器(合肥艾本森科學儀器有限公司，中國)。

6種鄰苯二甲酸酯類化合物混合標液(壇墨質檢科技股份有限公司，北京，中國)，濃度為1 000 μg·mL-1，包括DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP和DNOP；正己烷、乙酸乙酯和二氯甲烷等均為色譜純(ThermoFisher Scientific，美國)；固相萃取柱為PSA/Silica復合填料玻璃柱(1 000 mg，6 mL)(廣州信譜徠科學儀器有限公司，中國)。

1.3 樣品前處理

取2 g干燥過篩后的土壤樣品，攪拌均勻，加入10 mL乙酸乙酯，超聲振蕩40 min，重復3次，靜置至少30 min，收集2 mL上層清液，待凈化。采用固相萃取法對提取液進行凈化，固相萃取小柱為PSA/Silica復合填料玻璃柱。依次向柱中加入10 mL二氯甲烷、6 mL乙酸乙酯，棄去流出液；將待凈化液加入柱中，控制流速1 滴·s-1，收集2 mL流出液，后進行溶劑置換，正己烷準確定容至2 mL，過0.22 μm的有機相濾膜，供色譜質譜聯用儀(GC-MS)分析。

利用GC-MS進行樣品分析。色譜條件：DB-5 MS石英毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；載氣為高純氦氣(純度>99.999%)，載氣流量1.5 mL·min-1；進樣方式為不分流進樣，進樣量為1.0 μL；進樣口溫度280 ℃；柱溫為程序升溫(初始柱溫60 ℃，保持1 min；以20 ℃·min-1升溫至220 ℃，保持1 min；再以5 ℃·min-1升溫至280 ℃，保持5 min)。質譜條件：電子轟擊電離源(EI)；電離能量70 eV；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；采用SIM模式進行質譜全掃描。采用0.5、1、2、3、4和5 mg·L-1濃度的6種PAEs做工作曲線。土壤中添加6種PAEs用以計算回收率，回收率均>77%。

1.4 數據處理

采用Excel 2016和SPSS 22.0進行統計分析，使用Pearson方法分析覆膜年限、比例等與土壤中PAEs含量之間的相關性。

2 結果(Results)

2.1 鄰苯二甲酸酯工作曲線的繪制

根據上述GC-MS檢測條件，6種PAEs混合標準液中各單體能夠完全分離(圖1)。將6種PAEs標準樣品配制成6個濃度，分別為0.5、1、2、3、4和5 mg·L-1，以PAEs標樣濃度為橫坐標，以峰面積為縱坐標，儀器自動繪制標準曲線，并計算測試樣品的濃度。

圖1 6種鄰苯二甲酸酯(PAEs)標準溶液的色譜圖(2 mg·L-1)注: 1為鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)；2為鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)；3為鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)；4為鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)；5為鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)；6為鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)。Fig. 1 Chromatogram of 6 phthalates (PAEs) mixed standard solution (2 mg·L-1)Note: 1 represents dimethyl phthalate (DMP); 2 represents diethyl phthalate (DEP); 3 represents dibutyl phthalate (DBP); 4 represents benzyl butyl phthalate (BBP); 5 represents di-(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP); 6 represents di-n-octyl phthalate (DNOP).

2.2 土壤中PAEs化合物的總含量(Σ6PAEs)分析

表2中的檢測數據表明，在59個樣地土壤中6種鄰苯二甲酸酯類塑化劑的總濃度(∑6PAEs)從最低的0.221 mg·kg-1(以土壤干質量計)至最高的4.304 mg·kg-1(以土壤干質量計)，最高濃度的土壤采自廣西壯族自治區梧州市的農田土壤，其次為采自重慶市黔江區和云南省昭通市的農田土壤，分別為0.614 mg·kg-1(以土壤干質量計)和0.611 mg·kg-1(以土壤干質量計)，最低的為安徽省淮南市的農田土壤。所測試的59個樣地中6種PAEs的含量均值為0.433 mg·kg-1，其中僅有1個樣品>1 mg·kg-1。

表2 59個樣地土壤中的PAEs含量Table 2 Concentration of PAEs in the 59 soil samples (mg·kg-1)

2.3 土壤中PAEs化合物單體的含量特征

按照PAEs種類來說，DEHP、DBP和BBP為主要的3種檢出類型，平均濃度分別達到0.162、0.133和0.101 mg·kg-1(以土壤干質量計)(表3)，濃度最高的分別為廣西壯族自治區梧州市、重慶市黔江區和云南省昭通市的農田土壤，濃度最低的為采集于安徽省淮南市的農田土壤。本研究檢測的6種單體中，DEP的檢出率為0，其余單體的檢出率均為100%。這6種化合物在土壤中的平均含量依為：DEHP>DBP>BBP>DNOP>DMP，其中DEHP占總的PAEs濃度比為8.349%～63.43%，DBP占∑6PAEs濃度比為9.702%～86.494%，BBP占∑6PAEs濃度比為3.095%～44.721%。

表3 59個土壤樣地中單個PAEs的檢測數據統計Table 3 Statistics of single PAEs pollution in the 59 soil samples

2.4 土壤PAEs種類和∑6PAEs與地膜用量、年限和覆膜比例的相關性分析

對59個樣地土壤中6種PAEs含量及∑6PAEs與地膜用量、覆膜年限、覆膜比例進行了相關性分析，結果如表4所示。不考慮土壤性質和采樣地點等差異，未發現6種優控PAEs化合物和∑6PAEs的含量與地膜用量等存在顯著相關。

表4 土壤PAEs濃度與地膜使用之間的Pearson相關性分析Table 4 Pearson correlation coefficients of PAEs concentration and mulch film application

2.5 土壤中PAEs的超標情況

由于我國還沒出臺農田PAEs控制標準，故與美國紐約州土壤中6種PAEs化合物控制和治理標準進行了比較(表5)，DMP只有1個點位超標，而DBP超標率是35.60%，其他4種PAEs的污染情況均未超過控制標準。所有的樣品中PAEs含量均未超過土壤治理標準。其中廣西壯族自治區梧州市農田土壤中的DBP污染超標最嚴重，達到了45.96倍。其次為來源于河南省駐馬店市的農田土壤，DBP超標3.010倍。

表5 美國紐約州土壤PAEs化合物控制標準與治理標準[12]Table 5 Soil allowable concentration and cleanup objective of PAEs compounds in New York State, USA[12]

3 討論(Discussion)

目前關于農田土壤中的PAEs污染水平的研究較多，但是對于長期覆膜的農田土壤關注相對較少。

本研究的檢測結果表明，59個樣地土壤中6種優控PAEs化合物總含量(∑6PAEs)為最低的0.221 mg·kg-1(以土壤干質量計)至最高的4.304 mg·kg-1(以土壤干質量計)，均值為0.433 mg·kg-1(以土壤干質量計)。長期覆膜的6種PAEs含量與其他文獻的結果相比，并沒有顯著差異，如李國秀等[13]調查了西安市楊凌區設施蔬菜基地土壤中PAEs的污染狀況，結果顯示，在分析的土壤樣品中檢測出12種PAEs化合物，總含量為0.005～3.524 mg·kg-1，平均值為0.060 mg·kg-1。陳佳祎等[14]采集了北京市的10個典型設施蔬菜基地60個大棚的土壤樣品，15種PAEs總的濃度范圍為0.05～2.02 mg·kg-1，平均濃度為0.98 mg·kg-1。趙勝利等[15]對珠江三角洲城市群中的典型中小城市的菜園和果園表層土壤中的16種PAEs進行了測定，結果顯示，東莞土壤的16種PAEs總含量最高，平均達3.710 mg·kg-1；最低的為惠州土壤，為0.600 mg·kg-1。周斌[16]對黃淮海地區設施菜地土壤和大田土壤中16種PAEs的污染情況及農業投入品開展了調查，結果顯示PAEs在黃淮海地區農田土壤的檢出率為100%，16種PAEs濃度范圍在0.066～3.646 mg·kg-1之間，平均值為0.912 mg·kg-1。馮艷紅等[17]發現江蘇省設施菜地土壤樣品中6種PAEs范圍為0.042～0.276 mg·kg-1，平均值為0.117 mg·kg-1，檢出率為100%。吳山等[18]采用GC-FID檢測了汕頭市蔬菜產區的63個表層土壤樣品，結果顯示，汕頭市蔬菜產區土壤樣品中6種PAEs化合物總濃度范圍為0.018～9.303 mg·kg-1，平均含量為0.721 mg·kg-1。李玉雙等[19]分析了土壤中US EPA優控的6種PAEs在沈陽市新民蔬菜基地設施農業土壤的分布特征，結果顯示6種PAEs濃度范圍為0.52～1.73 mg·kg-1，平均值為0.94 mg·kg-1，∑6PAEs含量超過1 mg·kg-1占比32%。相對于我國國內在塑化劑污染狀況的大量調查，國外在農田土壤塑化劑污染方面開展的工作較少，Tran等[20]在法國豐特奈萊布里伊的農業土壤中檢測到9種PAEs污染物，其中DMP和DNOP未檢出，DEP、DBP、BBP和DEHP的總濃度為0.260 mg·kg-1。Rhind等[21]調查發現蘇格蘭表土中DEHP的污染水平為0.025～1.596 mg·kg-1，平均值為0.258 mg·kg-1。由此可見，本研究中的我國59個樣地的表層土壤中檢測到的PAEs總量相較于其他農業功能區，處在同一個數量級。對于城市土壤，廖健等[9]分析了杭州西湖景區土壤環境中PAEs的污染情況，西湖景區6種PAEs濃度范圍為0.597～7.360 mg·kg-1，均值為2.963 mg·kg-1；張文娟等[22]在西安市三環內采集了62個表層土壤，發現其中6種PAEs總濃度為1.54～153.17 mg·kg-1，平均值為10.95 mg·kg-1。從平均值來比較，59個長期覆膜農田土壤的6種PAEs濃度顯著低于城市表層土壤。

59個長期覆膜農田表層土壤中PAEs的構成主要以DBP和DEHP為主，二者約占∑6PAEs的43.508%～94.843%，主要的PAEs種類和其他的文獻報道也基本一致，如陳佳祎等[14]發現DBP在10個典型設施蔬菜基地的土壤中含量最高，其次為DEHP。戴華鑫等[23]發現DBP和DEHP是河南植煙土壤中的主要PAEs污染物，均值分別達到了0.348 mg·kg-1和0.131 mg·kg-1。在江蘇省不同設施菜地土壤中，DBP和DEHP同樣是占比前2位的PAEs種類[17]。張小紅等[24]發現DEHP、DBP和鄰苯二甲酸二異丁酯(DIBP)是寧夏回族自治區6種不同土地利用類型共87個土壤樣品中最主要的3種污染單體，分別占6種優控PAEs污染物的58.3%、13.9%和11.8%。吳山等[18]發現汕頭市蔬菜土壤樣品中檢測到的6種PAEs污染物以DBP(50.1%)和DEHP(21.8%)為主。在筆者檢測的59個樣地土壤中，DEHP是最重要的污染物，其次為DBP。DBP和DEHP在農田土壤中的污染及其風險，需要引起廣泛關注。

長期使用塑料薄膜可增加土壤中PAEs的污染程度。李瑾等[25]發現土壤中PAEs含量累積與地膜使用年限成正比。易鴛鴦等[11]發現覆膜前5年，PAEs殘留隨著時間增長不斷增加，5年后土壤PAEs總量和覆膜年限的增長并非呈現線性增長趨勢。由于我們研究的樣地分布在不同的地理位置，土壤性質差異很大。同時，PAEs在土壤中能被微生物降解或者被作物吸收，因此它的含量是動態變化的，Kong等[26]發現DBP在不同類型土壤中的降解存在著顯著差異，而微生物在DBP的降解速度方面起著重要的作用，暗示著土壤中的PAEs殘留量與不同土壤中微生物種群差異顯著相關，而微生物的演替又受土壤理化性質的影響，尤其是pH[27]。而pH被認為與土壤的PAEs含量成顯著負相關[23]。本研究結果暗示著在更大的區域尺度，土壤性質對PAEs殘留量影響更大。對PAEs的風險管控的同時，應考慮地區土壤與環境的差異。

陳佳祎等[14]在60個北京設施蔬菜基地土壤中，檢測到有57個樣品DBP超過控制標準，超標率95%，最高超標14倍。戴華鑫等[23]調查發現DBP在河南植煙土壤中超標率超過97%。李國秀等[13]在對西安市楊凌區蔬菜基地土壤檢測分析中發現，DBP的平均含量超過控制標準，超標率為50%。本研究中，59個長期覆膜農田土壤樣品中6種PAEs含量與美國優控的6種PAEs化合物的控制標準相比，21個樣地土壤中的DBP含量均超過控制標準，超標率35.60%。由此可見，全國各地農業土壤中的DBP均有超標現象，亟待重視。