中国农业塑料污染：农膜塑料碎片的产生和塑化剂的释放量
张芊芊，马兆嵘，蔡雅雅，李会茹，应光国*
华南师范大学环境研究院应光国教授团队张芊芊副研究员等人在国际环境领域顶级期刊《Environmental Science & Technology》上发表了题为“Agricultural Plastic Pollution in China: Generation of Plastic Debris and Emission of PAEs from Agricultural Films”的研究性论文。研究全面阐述了我国农膜（棚膜和地膜）的使用量及其塑料碎片的环境残留量，并评估了农膜使用的全生命周期中两种典型邻苯二甲酸酯类（PAEs，增塑剂）污染物（邻苯二甲酸二丁酯：DBP，邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯：DEHP）的释放量和环境归趋。研究成果为我国农膜产生的塑料污染及其PAEs的环境污染的评估提供了重要基础数据和技术手段。
图摘要
ABSTRACT：Agricultural plastic films have been proven highly advantageous, but they also cause pollution of plastic debris and associated chemicals. Phthalates (PAEs), an important additive of agricultural films, can be released and contaminate the environment. Here we analyzed agricultural plastic usage and assessed plastic debris in China and developed a method to estimate PAE emissions from agricultural films. Additionally, the environmental fate of PAEs was evaluated using a fugacity-based multimedia model. The agricultural plastic film usage in China in 2017 was 2,528,600 tons. After agricultural film recycling and water erosion, the plastic debris amount was estimated as 465,016 tons. The water erosion process carried 4329 tons of plastic debris into the aquatic environment. During its lifetime, the agricultural film released a total of 91.5 tons of two typical types of PAEs. PAEs from mulching film would mostly be removed through degradation, while those from greenhouse film accumulate in vegetables. Populated regions exhibited more serious PAE pollution in vegetables, but with no immediate health risks. The model was well evaluated using comparable measured concentrations and uncertainty analysis based on the Monte Carlo method. The findings from this study demonstrate the serious agricultural plastic pollution problem and associated PAE contamination in China.
全文速览
农膜主要包含地膜和棚膜，是继种子、化肥和农药之后的第四大农业生产资料，极大地提高了农业生产效率，但也会造成塑料碎片和有关化学品的污染。邻苯二甲酸酯（PAEs）是一种重要的农用薄膜添加剂，可释放并污染环境。本研究通过大数据收集、实验室检测和模型模拟相结合的方法，分析了我国1997-2017年间农膜（地膜和棚膜）的使用情况，评估了农膜在使用和部分回收后，其塑料碎片的残留量。通过收集和检测我国多个省份农膜中PAEs类物质的种类和含量，确定了以邻苯二甲酸二丁酯（DBP）和邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）为主的典型PAEs，并建立了地膜和棚膜中两种典型PAEs的排放量计算方法。以此为基础数据，通过建立的基于逸度方法的地膜和棚膜PAEs污染的环境多介质模型，阐明了地膜和棚膜中典型PAEs的环境归趋。研究结果显示，2017年中国农用塑料薄膜使用量为2528600吨；经过农用薄膜回收和土壤侵蚀过程后，农用塑料产生了465016吨的残留量，而土壤侵蚀过程将4329吨塑料碎片带入水环境并最终排入海洋中。在农膜使用和残留过程中，共释放了91.5吨典型PAEs。地膜中的PAEs大部分通过降解去除，而温室地膜中的PAEs则更多富集在蔬菜中。人口稠密地区大棚蔬菜中的PAE污染更严重，但没有直接的健康风险。本文利用大量已发表的监测浓度，以及基于蒙特卡罗方法的不确定性分析，对模型的有效性进行了评估。这项研究的结果表明，中国存在严重的农用塑料污染问题和相关的PAE污染。
引言
农膜是重要的农业生产资料，在我国应用广泛。经使用后，农膜每年的回收率不足2/3。由于塑料薄膜不易降解，多年累月的使用导致农膜在土壤中残留和累积，带来“白色污染”。残膜在反复机械培养、风化和紫外线辐射等作用后，逐渐破碎为更小尺寸的塑料。而在土壤侵蚀过程中，塑料碎片会随侵蚀土壤进入水环境，造成河海等水体的污染。同时，农膜中主要的增塑剂PAEs会在使用周期和丢弃后持续释放进入环境中，造成环境污染。然而，目前有关我国农膜的环境影响，主要集中在对PAEs的污染水平的研究。塑料使用量、残留量及其使用周期中主要有毒有害污染物的排放量，是定量化评估农膜污染重要基础数据，然而目前尚无研究报道。因此，本研究开展了我国各省农膜的残留量、侵蚀量和全生命周期中PAEs的释放量的估算，并构建基于逸度方法的地膜和棚膜的环境多介质模型模拟了PAEs的环境归趋，为我国农膜的环境污染管理提供了数据基础和技术支持。
图文导读
图1 1997-2017年间中国地膜和棚膜的使用量（主坐标）和覆膜面积（次坐标）。
首先，我们收集了近二十年间我国地膜和棚膜的使用量和覆膜面积，作为农膜塑料污染的基础数据。数据分析发现，我国地膜和棚膜的使用量年增长率分别为6.5%和5.9%，覆膜面积在2011年达到顶峰后小幅回落，此后年增长率保持在±1%，进入稳定期。
图2 2017年度中国农膜残留量（主坐标）与“第二次全国污染源普查”报告中农膜累积残留量（次坐标）（吨/年）。
通过结合全国各省农膜和棚膜的使用量和回收率，本文核算了农膜使用后丢弃在农田土壤中的量；丢弃后的塑料薄膜碎片化后，通过构建基于全国土壤侵蚀（水蚀）过程的塑料碎片迁移量估算方法，进一步核算了各省份土壤侵蚀过程中携带塑料碎片进入水环境的量；并最终获得土壤中农膜塑料的残留量。估算结果显示，我国农膜每年有18.6%的量留在农田中，且全年有4329吨的塑料碎片进入河网并汇入海洋中；相关性分析发现，各省的农膜残留量与第二次全国污染源普查中历年农膜的累积残留量存在相关性，相关系数可达0.95。
图3 2017年中国地膜DBP和DEHP排放量。
2017年，我国地膜释放的DBP和DEHP的量分别为18.8吨和42.2吨，其中，分别有7.53吨和16.9吨进入大气环境，其余进入土壤环境中。两种典型PAE的排放量呈现出显著的区域特征。排放量最大的省份为新疆、甘肃、山东、内蒙古和云南，五省的排放量总量可达到全国排放量的50%以上。西藏地区PAEs排放量最低。此外，在不同介质的PAE排放量核算发现，位于东北和西南的省份，其PAE释放向大气环境的量要高于释放进入土壤环境的量。
图4 2017年中国棚膜DBP和DEHP排放量。
2017年，我国棚膜释放的DBP和DEHP分别为5.94吨和24.5吨，其中，50%-51.6%释放在大棚内部，进而富集在大棚内蔬菜和土壤中，其余释放进入外部环境中。气温对于大棚PAE的释放量影响显著，表现为东北和西北省份大棚内外PAE的释放量比为1.06:1，而温暖湿润的华南地区则为1.009:1。总体来看，棚膜中PAE的释放量以山东省为最高，其次是辽宁和河南，三者共释放了全国总量的1/3。西藏是棚膜PAE释放量最小的省份，仅为0.002吨。
图5 我国地膜（A）和棚膜（B）使用区域中DBP和DEHP的迁移通量（吨/年）。
基于逸度方法，本文构建了地膜覆盖模型和棚膜半椭圆塑料隧道模型，模拟了各省份DBP和DEHP的多介质环境水平，以及各环境介质间的传输通量。农田中目标 PAEs 的预测浓度略低于已发表的各省份浓度，提示出农田环境中PAE其他来源的贡献。但我国农田系统的PAE污染预测水平与国外部分地区类似。通量分析显示，地膜中的DBP和DEHP主要输出通量为降解作用，而对于棚膜来说，释放出的60.9%的DBP会被降解，而96.3%的DEHP会在蔬菜中积累。但经评估显示，大棚蔬菜中PAE的食用风险较低。
参考文献：Qian-Qian Zhang, Zhao-Rong Ma, Ya-Ya Cai, Hui-Ru Li, and Guang-Guo Ying*. Agricultural Plastic Pollution in China: Generation of Plastic Debris and Emission of Phthalic Acid Esters from Agricultural Films. Environ. Sci. Technol. 2021, 55, 18:12459–12470. 文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c04369