从温室到露天田地：中国农田土壤中全氟和多氟烷基物质（PFAS）残留的多维驱动因素

《Environmental Research》：From Greenhouses to Open Fields: Multidimensional Drivers of Per- and Polyfluoroalkyl Substance (PFAS) Residues in Farmland Soils across China

PFAS污染在三种农田类型中差异显著，温室土壤总浓度最高（1147.5 pg/g），主要受灌溉水和塑料 mulch影响，社会经济与工业活动是核心驱动因素，需定制管理策略。

　　

王丽霞|侯洁|韩冰军|王金泽|陈丽媛|刘文新

北京大学城市与环境科学学院地球表面过程重点实验室，中国北京100871

摘要

尽管人们对全氟和多氟烷基物质（PFASs）在农业土壤中对生态系统的不利影响日益关注，但不同类型农田中PFAS残留物的多维驱动因素和机制仍知之甚少。基于在中国进行的全国性野外调查，首次比较了温室、覆膜农田和裸露农田中PFAS的浓度及其来源贡献，揭示了各自的驱动机制。24种PFAS的总浓度在温室土壤中最高。塑料产品（如农用薄膜）和农药是农田土壤中PFAS的潜在来源。灌溉水是温室和露天农田中PFAS的主要量化来源（分别占20.1%和31.4%）。灌溉水和湿沉降的贡献受到经济和工业发展的正面影响。由于数据分辨率的限制，特定地区的生物固体贡献可能被低估了。随机森林和结构方程模型被用来评估PFAS污染的驱动因素。模型结果表明，社会经济和工业因素以及土壤性质是这三种类型农田的关键驱动因素。农业活动显著影响了温室中的PFAS污染，而露天农田则更容易受到气候因素的影响。这些发现为可持续农业实践和长期土壤质量管理提供了新的见解。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类含有至少一个完全氟化的甲基（-CF₃）或亚甲基碳原子（-CF₂-）的氟化化学品（OECD，2021）。由于其独特的热稳定性、疏水性和疏油性，PFAS被广泛用于商业和工业产品中（Glüge等人，2020）。由于它们的广泛使用和排放，PFAS已成为全球普遍存在的环境污染物（Evich等人，2022），尽管最近在去除顽固污染物方面取得了技术进步，但它们仍然在环境中持续存在（Khan等人，2020, 2023a, 2023b, 2024）。各种环境介质中的PFAS浓度经常超过国际监管指导水平（Cousins等人，2022），导致对人体健康产生不利影响，包括免疫毒性、内分泌干扰和发育毒性（Dieter等人，2020；美国国家科学院，2022）。因此，传统的PFAS，如全氟磺酸和全氟羧酸，在最近几十年受到了广泛关注并受到严格监管（DeWitt等人，2024）。这促进了替代品的生产和使用，包括短链全氟烷基酸（PFAAs）、氟调聚物磺酸盐（FTSs）、9-氯十六氟-3-氧杂环壬酮-1-磺酸钾盐（9Cl-PF3ONS）、六氟丙烯氧化物二聚酸（HFPO-DA）和4,8-二氧-3H-全氟壬酸铵盐（ADONA）（Wang等人，2024b）。然而，这些新型PFAS由于其高迁移性、生物累积性和毒性而引起了全球关注（Munoz等人，2019）。

在全球范围内，中国是PFAS的最大生产和消费国（Brennan等人，2021）。根据本研究的数据来源（Wang等人，2024b），在所有农田土壤样本中都检测到了PFAS，其浓度（∑₂₄PFAS = 0.07–24.88 ug/kg）超过了包括乌干达（1.7–7.9 ug/kg）（Dalahmeh等人，2018）和约旦（0.15–2.1 ug/kg）（Shigei等人，2020）在内的几个其他国家报告的浓度。中国农田土壤中PFAS的广泛污染突显了了解不同农业系统中PFAS残留物驱动因素的必要性。然而，大多数关于农田土壤中PFAS的研究通常集中在PFAS的物理分布和来源分配上（Mesfin Tefera等人，2022；Wang等人，2024a；Xu等人，2024），而忽视了农田类型的影响。在中国，现代农业系统正在迅速发展，包括聚合物覆盖的温室和塑料薄膜的使用，到2019年温室面积覆盖了近1900万公顷（MARAC，2019）。与裸露农田相比，聚合物覆盖的温室和覆膜土壤的灌溉增加被认为是PFAS水平的主要贡献者（Shen等人，2023）。因此，假设温室中的PFAS来源与覆膜和裸露农田中的来源不同（Shen等人，2023），但不同类型农田中特定来源的贡献仍不清楚。

农业活动，包括灌溉以及塑料和农药的使用，可能通过不同的污染途径加剧农田土壤中的PFAS残留（Zhou等人，2021）。含有PFAS的塑料产品已被用于种植、施肥、覆膜和其他农业实践（Tian等人，2022）。农药也是农田土壤中PFAS的潜在环境来源（Avenda?o和Liu，2015；Bhat等人，2022, 2024；Lasee等人，2022；Nascimento等人，2018）。然而，证实农田土壤中PFAS与微塑料（MPs）和农药之间相关性和共存的实地数据仍然很少。研究农业活动对土壤PFAS的影响可以为协调生产需求与污染控制提供新的见解。除了农业投入外，PFAS污染还受到工业活动、区域社会经济水平（Jia等人，2023；Liddie等人，2023）以及影响PFAS在环境中迁移、转化和吸附的气候和土壤性质的强烈影响。阐明多维变量之间的相互作用及其对不同类型农田中PFAS残留的协同效应对于制定针对地区的缓解策略和推进可持续农业管理至关重要。

因此，基于对中国大陆31个省份的352个农田土壤样本的野外调查，我们分析了在不同覆膜程度下三种类型农田中直接影响或间接影响PFAS含量的因素：温室、覆膜农田和裸露农田。通过以下方法研究了不同的驱动因素：1）比较不同类型农田土壤中传统和新型PFAS的浓度和特征以及不同的空间尺度；2）探讨农田土壤中PFAS的潜在来源，包括农用薄膜、农药以及畜禽粪便的使用；3）确定灌溉水、大气沉降、生物固体和未量化来源在温室和露天农田土壤中的贡献和影响因素；4）使用随机森林模型和结构方程模型来量化这些多维因素的贡献和相互作用。我们的目标是确定不同农田土壤中PFAS残留物的关键驱动因素和潜在机制，为定制的管理策略提供理论支持。

研究区域和样本收集

2019年至2020年间，从中国大陆的31个省份收集了总共352个表层农业土壤样本（见支持信息中的图S1）。研究区域根据中国大陆的七个地理行政区划划分为七个区域。根据覆膜类型或程度，农田被分为三类：温室（n = 114）、覆膜农田（n = 141）和裸露农田（n = 97）。

三种类型农田土壤中PFAS的浓度和贡献

在中国大陆的温室、覆膜农田和裸露农田的每个土壤样本中都检测到至少一种PFAS；我们检测的24种PFAS的总浓度中位数（Σ₂₄PFAS）分别为1147.5 pg/g、491.8 pg/g和361.3 pg/g，标准差分别为1707.1 pg/g、425.8 pg/g和962.2 pg/g。我们考虑将羧基碳（C₈）计入PFCAs的总碳数；因此，C₈指的是全氟辛酸（PFOA）。

结论与局限性

我们首次全面评估了中国各地温室、覆膜农田和裸露农田土壤中PFAS残留的多维驱动因素和机制。不同类型农田之间的差异机制表明需要制定针对性的缓解策略。温室土壤中升高的PFAS浓度强调了需要更严格和细致地考虑农业活动，因为相当一部分PFAS的输入（69%）来源于...

作者贡献声明

王金泽：方法学、调查。韩冰军：方法学、调查。刘文新：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目行政、资金获取、概念化。陈丽媛：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、调查、概念化。侯洁：方法学、调查。王丽霞：写作——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学、数据分析、数据管理

未引用的参考文献

中华人民共和国农业农村部，2019；美国国家科学院工程与医学研究院，2022；国家统计局。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金委员会（编号：41991310）的支持。作者感谢Elsevier语言编辑服务的语言润色。