农业中的塑料 - 环境挑战

早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部FOREFORESISIGHGHTT简报1FORESIGHTBrief农业中的塑料 - 环境挑战背景《前瞻简报》由联合国环境规划署出版，旨在突出环境变化的热点，以新兴科学主题为特色，或讨论当代环境问题。公众有机会了解他们不断变化的环境和日常选择的后果，并思考未来的政策方向。环境署第 29 版前瞻性简报探讨了塑料在农业中的使用以及由此带来的严重废物问题，这些问题对土壤健康，生物多样性，生产力和粮食安全产生了影响。Abstract从塑料包衣种子到地膜 ， 塑料广泛用于农业。它们还可以进入散布在田间的生物固体肥料中。所有这些产品都有助于提高作物产量 ， 但是越来越多的证据表明降解塑料污染土壤并影响生物多样性和土壤健康。这可能导致生产力下降 ， 并可能威胁长期粮食安全。作为压力下的有限资源 ， 需要保护农业土壤免受进一步降解。正在采取措施改善含有塑料的农产品的生产和管理 ， 但还需要考虑更全面的粮食生产方法 ， 包括基于自然的解决方案。Introduction低成本和广泛的可用塑料产品已将农业生产从传统的低浪费活动转变为具有严重浪费问题的行业。新塑料产品的制造和销售增加了塑料的使用。这有助于农民提高产量并减少食物浪费 ， 但超过了系统和工艺的开发重复使用、回收、有效生物降解或充分处置许多农用塑料 (图 1） 。现在有越来越多的证据表明这些塑料正在污染土壤 （ Rillig 2012 ） 。农业塑料是更广泛的 ， 全球性的塑料污染问题的一部分 ， 包括在海洋环境中 ， 详细分析从污染到解决方案 ： 全球评估海洋垃圾和塑料污染 (环境署 2021 年) 。土壤中发现的塑料颗粒可能来自塑料制品的分解 (如容器、地膜、塑料青贮饲料包装、温室隧道等。） 或使用被塑料颗粒污染的产品 （ 例如堆肥或包含进入废水处理厂的微塑料的污水污泥 e 。Procedre， 从衣服的洗涤和轮胎的磨损) 。最终进入土壤的塑料的大小从宏观塑料 （ 5 毫米 ） 到微塑料 （ 5 毫米 ） 和纳米塑料 （ 1 微米 ） （ 海洋污染科学方面联合专家组 [GESAMP] 2019 ） 。图 1:农业中使用的某些塑料制品的循环性或对环境的危害的可能性 （ 粮农组织 ， 2021 年 ）来源 ： 修改自粮农组织 ， 2021 年科学部2022 年 7 月029早期预警 ， 新出现的问题和未来可重复使用的产品与一次性使用耐用产品几个使用周期和电位具有收集的潜力用于收集和重新循环和重新循环具有收集和重新循环潜力的一次性塑料扩散到环境中的高风险产品或污染降低了其再循环潜力产品中的塑料完全分散到环境Examples收获板条箱 ， 小型牲畜的板条箱 ， 密封的农作物储存袋温室薄膜 ， 池塘衬垫 ， 灌溉干线 ， 牲畜耳标肥料和地膜、灌溉包装胶带,聚合物涂层 ， 即肥料 ， 种子 ， 个人防护plant support twine / nets / guards. seeds, pesticides. Ellastration equipment, distribution and Pesticide containers, perimated materials. Polyester containing消费者包装塑料, 兽医耗材围栏用钢丝增加圆度的潜力增加对环境的潜在危害 2FORESIGHTBrief早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部为什么这个问题很重要 ？健康的土壤更有生产力生产性农业土壤是一种易于退化的有限资源。它受到多种来源的压力，包括过度使用和污染 （ 联合国粮食及农业组织 [粮农组织] 2021 年和政府间土壤技术小组 [ITPS] 2015 年 ），气候变化加剧了其退化。越来越多的证据表明，塑料可能会增加这种负担。研究表明，a 。塑料的堆积会对土壤健康、生物多样性和生产力产生广泛的影响 (de Souza Machado降解塑料地膜 ， 可能是微塑料污染的来源 ， 可能最终进入土壤和水道图片来源 ： © CSIRO 澳大利亚版权所有等。 2019 年 ； Rillig 等。 2019 年 ； Liao 等。 2019 年 ） 。维护 健康和多产的土壤是食物的一个关键方面安全 (环境署 2019 年) 。土壤中的塑料可能是微塑料到环境其他部分的重要来源 ， 因为表面径流和侵蚀可以将这些小颗粒从田野输送到水道上 （图 2).Microplasts may also migrate from soil surface layers deeper into the soil profile. However, currently the fate of microplasts in soil is understanded (Rillig和 Lehmann 2020 ） 。一项研究表明 ， 生物固体肥料中的微塑料从田间大量进入水道 （ Crossman 等人 ， 2020 年 ） 。塑料污染物对人类健康的影响是另一个令人关注的领域 ； 就综合政策制定而言 ， 对男性 ， 女性和儿童的不同影响也至关重要。风将宏观和微型塑料运输到其他环境生态系统中 ， 例如水道 ， 并可能到达海洋进入环境生态系统的途径径流事件与降雨有关 ， 可以将宏观和微塑料从农业土壤通过河流系统带入大海Biota可以将微塑料深入土壤。例如 ， 通过隧道和 earth图片来源 ： © GRID - Arendal / Kristina Thygesen图 2.从农业生产到环境的塑料和共污染物的来源和运输实例来源 ： UNEP （ 2021 ）污水污泥和生物固体作为肥料塑料地膜青贮捆膜消息来源污染灌溉废水农场设备故障消息来源控制释放塑料塑料封装涂层肥料种子 3FORESIGHTBrief早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部主要调查结果微塑料改变土壤性质土壤微塑料的生态毒理学是一个不断扩展的领域。有证据表明 ， 微塑料可以对微生物群落 ， 土壤无脊椎动物和土壤理化性质产生不同的影响 （ 正面和负面影响 ） ， 具体取决于颗粒的大小和暴露水平 （ 例如 ， Okoffo 等人 2021 ；Yu 等人 2020 年 ； Ganesh Kumar 等人 2019 年 ； Zhu 等人 2019 年 ） 。大多数研究都是基于实验室的 ， 条件和方法可能差异很大 ， 因此很难比较结果和量化影响。调查发现 ， 微塑料的存在可以减少数量 ， 多样性 ， 运动和速率土壤生物群的繁殖 ， 减少土壤动物的生物量 ， 增加微生物的生物量 ， 并增加微生物活性 (例如 ， Zhu 等人 2019 年及其参考文献) 。虽然研究数量有限, 但似乎微塑料可以影响土壤理化性质 (结构、持水量、密度等) 的变化。) 与环境相关的浓度 (de Soza Machado 等人2018) 。Rillig 等人。（ 2019 ） 列出了土壤理化性质变化可能对植物产生的潜在影响，包括减少根系生长和养分吸收。欧盟 *图 3.在选定的国家 / 地区 ， 微塑料通过生物固体对农业用地的估计贡献 （ 橙色和红色圆圈 Nizzetto ， Futter 和 Langaas 2016 ； 黄色和棕色圆圈 Mohajerani 和 Karabatak 2020 ； 蓝色圆圈 Okoffo 等人 2020 ） 。生物固体 - 循环中的重要资源随着土壤年龄的微塑料，它们经历了物理和化学性质的变化，包括颜色，质地，化学组成，表面特征和吸附能力 （ Re 等人。2021) 。其中一些变化使微塑料更有效地吸收可能存在的其他土壤污染物，如重金属和有机污染物 (Re 等人。2021) 。这可能会使污染物对土壤生物群和植物的可用性降低 (Rillig 等人。2019) 。经济污水污泥是污水处理厂 （ WWTP ） 的高营养副产品，可以加工成生物固体 （ 去除病原体和挥发性有机物的处理 ） 并用作肥料。在农业中使用生物固体被认为是有益的，因为它提供了一种相对便宜的，低能量的替代化肥，同时减少了需要处理的废物量。然而，生物固体已被确定为土壤微塑料的最大贡献者 (Corradii 等人。2019 年 ； 。图 3).进入污水处理厂的微塑料颗粒的数量各不相同 ， 但发现在每个处理阶段的废水中都显着减少 （ 主要 ，二级 ， 三级 ） ， 因为微塑料浓缩在污泥中 （ Lares 等人 ， 2018; Hidayaturrahman 和 Lee 2019 ） 。通过三级处理 ， 几乎所有微塑料都可以从废水中去除并浓缩在污泥中 （ Carr ， Liu 和 Tesoro 2016 ） 。然而 ， 将污水污泥转化为生物固体的过程并不能去除微塑料 (微塑料颗粒浓度高达 1.4 x104 kg − 1北美500 000400 000300 000欧盟 *CHINA200 000100 000美国加拿大10 0001 000Tonnes per year澳大利亚* ： 包括英国的价值观*¹*²资料来源 ： * Nizzetto 等人 ， 2016 年 ； * ² Mohajerani 等人 ， 2020 年 ； * 9.3 Okoffo 等人 ， 2020 年*³在农业土地上使用生物固体对微塑料的高估计在农业土地上使用生物固体对微塑料的低估计通过在农业用地上使用生物固体来估算微塑料 4FORESIGHTBrief早期预警 ， 新出现的问题和未来科学部在生物固体中发现 ； 克罗斯曼等人。2020 ） 。在许多国家，生物固体被用于农业用地。例如，在澳大利亚，欧盟，英国和北美，40 - 75 ％ 的生物固体被用作肥料 （ Ooffo 等人。2021) 。有人建议，欧洲和北美每年向农业用地投入的微塑料 （ 总计超过 65 万吨 ） 可能超过估计在全球海洋地表水中的微塑料量 （ 最大为 214, 000 吨 ；Nizzetto ， Futter 和 Langaas 2016 ） 。德国最近的一项研究估计 ， 每年进入环境的 13, 000 吨塑料中的大多数来自污水污泥 (Istel 和 Jedelhauser 2021) 。表 1. 一些导致土壤微塑料污染的农产品的使用和效益Product使用好处可生物降解地膜(BDM)设计用于耕种到土壤中并被微生物分解。有助于控制土壤微气候 ， 保持水分 ， 抑制杂草。取代常用的 LDPE 不可生物降解的覆盖物 ， 这是回收不良的农业塑料垃圾的主要来源。聚合物包膜肥料包裹在各种聚合物中的肥料 ， 理想地分解并释放肥料 ， 与生长要求同步 - 几天到两年 （ Lawrencia 等人 2021; 欧洲化学品管理局 [ECHA] 2019 ） 。更有效地使用肥料 ， 这导致更少的肥料从田地流失到水道中。聚合物包衣种子设计用于帮助发芽 ， 因为它们可以包含杀真菌剂 ， 杀虫剂 ， 水凝胶 ， 营养素和共生体。涂层聚合物被设计为随着种子发芽而降解。增加发芽和幼苗活力。减少种子化学物质在每个种子中的受控量的使用。生物降解塑料有意将塑料引入土壤的农产品包括塑料覆盖物 ， 包衣种子和聚合物包封的肥料 （表 1） 。可生物降解的覆盖物和包衣种子可用 ， 并且正在开发可生物降解的包封肥料。与常规农业塑料中的聚合物不同 ， 可生物降解的聚合物被设计为完全分解。但是 ， 由于完全分解所需的条件 （ 光 ， 氧 ， 土壤温度 ， pH ， 湿度和微生物 ） 会影响过程和降解速率 ， 因此有证据表明它们可以为土壤提供微塑料 （ Wei 等人 2022; van der Zee 2021; Accinelli 等人 2019; Bl ä sing 和 Amelung 2018 ） 。Yu 等人 （ 2021 年 ） 最近的一项研究承认可生物降解的覆盖物会形成微米和纳米塑料 ， 但发现如果将材料处理在土壤或堆肥中 ， 微米和纳米颗粒不会长时间持续存在。但是 ， 如果覆盖物留在土壤表面 ， 则形成的微米和纳米塑料可以通过风或地表径流运输。该过程的生