微塑料對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響:研究現(xiàn)狀與展望*

呂一涵,周 杰,楊亞東,臧華棟,胡躍高,曾昭海

(中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點實驗室 北京 100193)

塑料是應用廣泛的有機合成高分子材料,其優(yōu)良的物理和化學性能給我們?nèi)粘Ｉ顜砹藰O大便利,但廢棄塑料帶來的“白色污染”也不容小覷。統(tǒng)計結(jié)果顯示,全球塑料產(chǎn)量及廢棄量逐年增加,1950—2015年間總產(chǎn)量累計達78億t (中國約占30%),其中僅有約9%得以回收。殘留塑料被填埋或遺棄在環(huán)境中,危害生態(tài)環(huán)境健康。

進入環(huán)境中的塑料經(jīng)過物理破碎、化學分解或生物降解作用,逐漸形成塑料碎片或顆粒。當這些碎片或顆粒直徑小于5 mm時,稱為微塑料。微塑料具有體積小、比表面積大、吸附污染能力強等特性,對部分土壤組分具有更強吸附性和反應活性,是造成土壤污染的重要載體。研究表明,微塑料在世界各地土壤中已廣泛分布。

土壤微塑料污染問題被列為環(huán)境與生態(tài)領(lǐng)域的第二大科學問題。研究表明,我國農(nóng)田土壤中塑料顆粒濃度在7100～42 900個·kg間(平均18 760個·kg)。其中0.05～1 mm粒徑的微塑料占95%,遠高于墨西哥(2770個·kg)和瑞士(593個·kg)土壤微塑料濃度。土壤微塑料對作物的負面影響效應廣泛,包括降低葉面積、抑制株高、延遲分蘗、降低結(jié)實率和減少生物量等。2012年德國科學家Rillig首次提出微塑料積累將影響土壤性質(zhì)和生物多樣性,微塑料污染遂引起人們重視。有關(guān)微塑料對土壤微生物群落的影響,特別是其與植物、土壤和微生物間的相互作用尚不清晰,有待進一步研究。

本文通過總結(jié)、歸納國內(nèi)外相關(guān)研究進展,系統(tǒng)梳理了農(nóng)田土壤中微塑料來源、豐度、遷移特點和鑒定方法,重點關(guān)注微塑料對作物及農(nóng)田土壤微生物和養(yǎng)分循環(huán)的影響,提出了農(nóng)田微塑料污染的未來潛在研究方向。

1 微塑料的來源、豐度、遷移與鑒定方法

1.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的來源和豐度

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中微塑料主要有以下3個來源,即城市源、農(nóng)業(yè)源和大氣源。在城市中,污水處理廠和垃圾填埋場是微塑料的主要來源路徑,過濾、干燥、殺菌、堆肥等污泥處理過程均不會消除微塑料。因此,當污泥最終以干化焚燒、制復合肥、衛(wèi)生填埋等方式處理時,微塑料會輸入到農(nóng)田中并造成土壤污染。據(jù)估算,歐洲每年有6.3萬～43萬t的微塑料通過農(nóng)用污泥進入土壤中,北美地區(qū)約為4.4萬～30萬t。He等在12個滲濾液樣本中檢測到17種微塑料,其中超過99%來源于垃圾填埋場塑料垃圾的碎片化。此外,汽車輪胎磨損、道路涂料和交通安全設施材料等也是城市源微塑料的重要來源。研究表明,堆肥和生物廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的有機肥普遍含微塑料,其中粒徑＞1 mm的微塑料含量為14～895個·kg,粒徑＞0.5 mm的塑料碎片含量為2.4～180 mg·kg。我國農(nóng)田土壤中,每年由于有機肥施用帶入的微塑料量為52.4～26 400 t。此外,由于地膜覆蓋具有控制雜草、保持水分、改善土壤溫度等優(yōu)點,在干旱和半干旱地區(qū)得到廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計,2015年我國農(nóng)用地膜使用量達到145.5萬t,但回收率不足60%,導致大量地膜殘留,帶來嚴重的微塑料污染。在對杭州灣覆膜和未覆膜土壤的研究顯示,覆膜和未覆膜土壤的微塑料含量分別為571個·kg和263個·kg?；谖覈嗍≌{(diào)查也表明微塑料含量隨覆膜年限延長而升高。在地膜覆蓋廣泛的新疆地區(qū),土壤地膜殘留物最高含量可達324.5 kg·hm,旱區(qū)地膜覆蓋的5年到30年間,粒徑＞2 mm的 微塑料濃度也從91.2 mg·kg增 加 到308.5 mg·kg。另外,也有部分微塑料通過大氣沉降進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),巴黎的一項研究表明,大氣沉降物中微塑料可達每天每平方米280顆?？梢?微塑料可以通過地膜殘留、有機肥施用、灌水、大氣沉降等多種渠道進入農(nóng)田土壤。

1.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的遷移

因微塑料化學性質(zhì)穩(wěn)定且能夠長期存在,進入土壤的微塑料會隨著自然條件或人類活動而發(fā)生遷移(圖1)。土壤的多孔特性使小顆粒微塑料通過重力沉降和降水滲透進入地下水循環(huán),同時生物擾動(如通過動物的活動沿土壤剖面運輸)和耕作等還會導致更大粒徑的微塑料顆粒在農(nóng)田土壤中運移。Rillig等觀察到微塑料可以黏附在蚯蚓上隨其移動而發(fā)生遷移,認為蚯蚓的外部附著是微塑料遷移的一種運輸機制。農(nóng)業(yè)措施(如耕作)會引起表層和深層土壤的交換,進而促進表層土壤中的微塑料向深層土壤遷移。此外,當微塑料不斷分解形成納米顆粒(＜0.1 μm),植物根系吸收能使納米塑料轉(zhuǎn)移到土壤上層,經(jīng)無脊椎動物或昆蟲吞食后又被雞等動物捕食,最終沿著食物鏈傳遞,不僅威脅農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康,還可能會對人體消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等產(chǎn)生潛在危害。

圖1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的來源及其遷移過程Fig.1 Source and migration process of microplastics in agroecosystems

1.3 農(nóng)田土壤中微塑料的鑒定

關(guān)于水生系統(tǒng)中微塑料的分離與鑒定已有不少研究,但農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的分離和鑒定一直是研究的難點與熱點。常見的分離鑒定過程如下: 首先,人工去除肉眼可見的其他廢棄物與大塊塑料(＞5 mm),然后運用密度分離法將微塑料進行分離,最后實現(xiàn)對微塑料含量的測定。微塑料顆粒能夠在40倍顯微鏡下被識別、計數(shù)和分類,如Kim等通過高清攝像機、10～80倍立體顯微鏡和紅外光譜測量了單個微塑料顆粒的形態(tài)特征和聚合物特性。Birch等運用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜、顯微拉曼光譜(μ-Raman)、紫外(UV)光和熱模擬風化條件等方法追蹤塑料在環(huán)境中的地理起源和變化。同時,消化處理和熒光染色也有利于微塑料的檢測。雖然物理(如顯微鏡)和化學(如光譜)分析的結(jié)合被廣泛用于微塑料測定,但微塑料檢測仍受到土壤組分復雜程度以及檢測方法本身的限制。因此,根據(jù)試驗目的合理選擇分析技術(shù)的同時，還亟需加強研究并制定出土壤微塑料檢測方法標準。

2 農(nóng)田微塑料污染對作物生長的影響

作物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分,了解微塑料對作物生長發(fā)育的影響至關(guān)重要。目前,已有研究報道了微塑料對小麥(L.)、水稻(L.)、玉米(L.)、多年生黑麥草(L.)等作物的影響。連加攀等研究了乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)對小麥種子發(fā)芽的影響,結(jié)果表明微塑料對小麥種子發(fā)芽的影響表現(xiàn)為低濃度(＜500 mg·L)時抑制高濃度(1000 mg·L)時促進作用。然而,Judy等的研究發(fā)現(xiàn)高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)對小麥出苗無顯著負面影響。因此,微塑料對作物的影響可能因其自身特性(比如劑量、形狀、粒徑)、作物種類、土壤類型的差異而有所不同。

2.1 微塑料對作物的直接作用

為了滿足不同應用需要,在塑料生產(chǎn)過程中會添加增塑劑(鄰苯二甲酸酯,PAEs)、防火劑(雙酚A,BPAs; 多溴聯(lián)苯醚,PBDEs)等化學組分。這些添加劑(如高濃度的塑化劑)在微塑料的降解過程中會被釋放,產(chǎn)生生態(tài)毒性進而抑制作物生長。已有研究證明,鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)對辣椒(L.)果實中的維生素C和辣椒素含量以及大白菜[(Lour.) Rupr.]中的葉綠素含量均產(chǎn)生了負面影響。Kong等采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析了天津市郊區(qū)農(nóng)田、菜地、果園和荒地中6種PAEs的分布,結(jié)果表明總PAEs在0.05～10.4 μg·g范圍內(nèi),4種土壤中PAEs的含量依次為菜地＞荒地＞農(nóng)田＞果園,農(nóng)用地膜能提高土壤中PAEs的含量。此外,作物細胞壁孔洞約5～50 nm,介于此粒徑的微塑料更容易吸附在種子表皮或根系細胞壁孔洞,堵塞種子囊中的孔,擾亂種子或根系對水分、營養(yǎng)的正常吸收或運輸,進而抑制作物生長。李連禎等通過熒光標記和激光共聚焦掃描電鏡觀察到微塑料在作物體內(nèi)的分布情況和運輸過程,發(fā)現(xiàn)亞微米級聚苯乙烯(PS)微珠能夠通過質(zhì)外體運輸聚集在小麥根部,進入中柱后,隨蒸騰作用向作物地上部移動。上述過程均會對作物生長發(fā)育產(chǎn)生直接影響,但仍需在不同地區(qū)對更多微塑料種類和作物種類等進行研究,以證實其普遍性。

2.2 微塑料對作物的間接作用

由于微塑料的密度通常小于土壤,微塑料污染會改變土壤容重和保水能力。微塑料能夠影響土壤團聚體結(jié)構(gòu),降低土壤的通氣性和透水性,阻擋根系對水分及養(yǎng)分的有效吸收,進而影響作物生長。有研究表明,5 μm的PS纖維(0.3%)添加到土壤中有利于土壤團聚體的形成,增大土壤孔隙率,降低土壤持水能力,加快水分蒸發(fā)。相反,18 μm的聚丙烯(PP)纖維(0.4%)和8 μm的PS纖維(0.4%)添加降低了土壤水穩(wěn)性團聚體,導致土壤退化。此外,微塑料含碳量相對較高,會導致土壤碳氮比增加,促進微生物的氮固定能力,進而抑制其他土壤微生物和植物的生長及養(yǎng)分吸收,尤其是可降解微塑料。土壤性質(zhì)的改變還能促使作物根際微生物(如固氮菌、叢枝菌根真菌等)的活性變化,土壤孔隙度和水分運輸狀態(tài)的改變也可能造成氧含量變化,改變土壤中厭氧和好氧微生物的相對分布,進而對微生物多樣性和作物生長產(chǎn)生影響(表1)。

表1 微塑料污染對作物生長的影響Table 1 The impact of microplastics pollution on crop growth

3 農(nóng)田微塑料污染對土壤微生物的影響

土壤微生物對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要,微生物活性的增強會促進碳、氮、磷等營養(yǎng)元素的釋放。微塑料可以為微生物提供吸附位點,使其長期吸附形成生物熱點,改變土壤微生物的生態(tài)功能。如添加聚乙烯(PE)促使放線菌門(Actinobacteria)取代變形菌門(Proteobacteria)成為土壤優(yōu)勢微生物類群,并增加了土壤中與固氮作用有關(guān)細菌的豐度。由于微塑料比表面積較大,其表面會吸附重金屬和有機污染物等,這些污染物隨微塑料一起發(fā)生遷移,進而改變土壤微生物群落和生物多樣性。另外,微塑料也可能成為致病菌等有害微生物的運輸載體,影響土壤健康。Fei等對浙江臨安農(nóng)田表層土壤的研究顯示,微塑料(PE和PVC)污染導致土壤細菌群落活性和α多樣性下降。Zang等研究表明加入PE和PVC微塑料增加了土壤微生物的生物量和磷脂脂肪酸總量。Zhou等通過加入可生物降解的3-羥基丁酯酸和3-羥基戊酸脂的共聚物(PHBV)發(fā)現(xiàn),其能增加微生物活性、生物量和α多樣性。此外,丁峰等研究發(fā)現(xiàn)低分子量(2000)聚乙烯能夠顯著降低土壤中細菌和真菌的豐度,而高分子量(100 000)聚乙烯具有相反的影響。雖然上述結(jié)果表明添加微塑料會影響土壤微生物的組成和生物量,但也有一些研究發(fā)現(xiàn),添加微塑料對土壤微生物群落組成和多樣性無顯著影響。如Huang等對細菌16S rRNA的測序結(jié)果表明,LDPE微塑料處理對土壤微生物群落α多樣性(豐富度、均勻度和多樣性)無明顯影響; Chen等研究表明聚乳酸(PLA)微塑料在高碳和低碳條件下對土壤細菌群落組成和優(yōu)勢類群的相對豐度均無顯著影響; Bl?cker等也發(fā)現(xiàn)添加低密度聚乙烯(LDPE)和PP微塑料對土壤微生物活性無明顯的不利影響(表2)。總之,微塑料的存在會干擾土壤微生物群落,然而其潛在危害還需進一步研究。

表2 微塑料污染對土壤微生物的影響Table 2 The impact of microplastics pollution on soil microorganisms

土壤酶活性反映了微生物活性及其對底物的利用情況,是調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵。Fei等發(fā)現(xiàn)在酸性土壤中PE和PVC微塑料添加抑制了熒光素二乙酸酯水解酶(FDAse)的活性,但是促進了脲酶(URE)和酸性磷酸酶(ACP)的活性; 與PVC處理相比,PE處理對土壤有更大的負面影響。Huang等通過添加LDPE發(fā)現(xiàn)其能顯著提高土壤URE和過氧化氫酶(CAT)活性。也有研究表明,添加7%和28%的PP微塑料均能增加土壤磷酸酶(AP)和FDAse活性,降低酚氧化酶(PO)的活性。以上研究結(jié)果表明,微塑料可以促進含氮有機質(zhì)水解和有機磷礦化,降低可溶性有機物(DOM)的生物降解性,同時,CAT活性提高,表明微塑料的存在增加了需氧微生物的生物量。綜上所述,微塑料對土壤中微生物和酶活性的影響可能隨著微塑料自身特性(粒徑、劑量、種類)的變化而變化(表3)。

表3 微塑料污染對土壤酶活性的影響Table 3 The impact of microplastics pollution on soil enzyme activities

4 微塑料污染對農(nóng)田土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響

微塑料屬于高碳聚合物,碳含量超過90%,微塑料污染可以顯著改變土壤碳儲量?？扇苄杂袡C碳(DOC)是土壤有機質(zhì)的重要組成部分,是土壤質(zhì)量變化(如結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分有效性、水分)的敏感指標,在生物地球化學循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。Liu等發(fā)現(xiàn)添加高濃度PP微塑料(28%,/)能夠促進水解酶活性,進而增加可溶性碳氮含量,提高土壤養(yǎng)分。但也有研究表明,添加PE (5%,/)和PLA(1%,/)微塑料對DOC含量沒有顯著影響。綜合來看,低濃度微塑料對DOC形成影響不大,而高濃度微塑料則促進DOC形成。此外,Zhou等發(fā)現(xiàn)可生物降解微塑料分解產(chǎn)生的生物可利用碳,增強了微生物和酶的活性,加速了土壤有機質(zhì)(SOM)礦化,從而增加了植物和微生物之間的養(yǎng)分競爭。

氮和磷作為作物的主要營養(yǎng)物質(zhì),對于維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能具有重要作用。在生物降解地膜覆蓋研究中,使用玉米淀粉和共聚酯地膜對硝化過程和亞硝酸鹽的產(chǎn)生無顯著影響。相反,Chen等研究表明添加生物降解塑料PLA可以降低土壤中銨態(tài)氮濃度,增加硝態(tài)氮濃度,影響土壤氮素循環(huán)過程。另外,微塑料的衍生物,如鄰苯二甲酸酯類,也會造成土壤污染,限制關(guān)鍵土壤酶活性,影響農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)。添加PS和PE微塑料會抑制土壤氮循環(huán)關(guān)鍵酶活性。也有研究報道,PP微塑料可以通過其表面的羰基(—C=O)和羥基(—OH)來螯合銨態(tài)氮,直接抑制氮的有效性。Liu等發(fā)現(xiàn)添加PP微塑料增加了土壤總可溶性磷和有機磷含量,但磷酸根離子的含量受污染時間的影響,表現(xiàn)為初期較高,后期迅速下降。Chen等的研究則發(fā)現(xiàn)添加可降解微塑料PLA并未對土壤無機磷含量產(chǎn)生影響?？傊?微塑料對農(nóng)田氮和磷循環(huán)的影響在不同研究中結(jié)果差異很大,后續(xù)仍需更多研究來闡明其調(diào)控機制。

先前的研究表明,添加生物炭等含碳聚合物會極大地影響溫室氣體(GHGs)排放。因此,探究微塑料這種高碳聚合物對溫室氣體排放的影響也非常重要。添加高濃度LDPE微塑料使土壤CO通量增加7～8倍。Ren等發(fā)現(xiàn)在施肥土壤中,添加PE微塑料減少了NO排放,進而降低了全球增溫潛勢(GWP)。這可能是因為微塑料抑制了綠彎菌門(Chloroflexi)和紅游動菌屬(Hiraishi and Ueda)微生物的活性,但是增加了嗜熱菌(Thermoleophilia)的豐度,降低了氮的有效性。微塑料也可能通過增加含水量或降低孔隙率,進而增加或減少O的利用率,導致反硝化過程不完全,改變NO排放。也有研究表明,PVC微塑料可以通過抑制水解、酸化和甲烷化來減少CH排放,較大粒徑的微塑料也有可能減少CH的累積吸收(表4)。因此,不同微塑料對溫室氣體排放的潛在影響機理尚需進一步研究。

表4 微塑料污染對土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響Table 4 The impact of microplastics pollution on soil nutrient cycling

續(xù)表4

5 研究展望

由于微塑料的種類多樣、形態(tài)各異,其對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響的研究仍非常缺乏,亟需深入探究微塑料污染對作物-土壤系統(tǒng)的影響。研究表明,微塑料會改變土壤酶活性和微生物活性,影響農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)過程,直接和間接影響作物生長及養(yǎng)分吸收,最終威脅農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康。未來研究需重點關(guān)注以下內(nèi)容:

1)農(nóng)田土壤中微塑料的分離提取和分析鑒定。因塑料與土壤有機質(zhì)密度較為接近,從有機質(zhì)含量較高的土壤中分離微塑料非常困難。同時,農(nóng)田中微塑料來源和成分復雜,需建立統(tǒng)一規(guī)范的分析鑒定方法。

2)明確農(nóng)田微塑料含量安全指標范圍。農(nóng)田土壤中的微塑料不可能在短期內(nèi)完全去除,應通過大量試驗,建立數(shù)據(jù)庫,探究不同區(qū)域影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正常運行的微塑料含量閾值,從而能夠有效監(jiān)測并控制農(nóng)田微塑料污染。

3)微塑料對作物-土壤影響的系統(tǒng)評估。應對不同種類的微塑料、作物、土壤等進行多層次深入研究,進一步明確不同環(huán)境條件下微塑料與作物、土壤微生物和酶活性的互作關(guān)系。同時,目前絕大多數(shù)微塑料研究都在實驗室條件下進行,且部分研究中微塑料添加量遠高于普通農(nóng)田污染量,造成了微塑料的試驗濃度和自然環(huán)境濃度之間的不可比性。應在原位土壤中建立作物和微生物的微塑料劑量-效應關(guān)系,評估土壤理化性質(zhì)、微生物和作物對不同劑量微塑料脅迫的響應。

4)微塑料本身、其釋放的化學物質(zhì)(如增塑劑、阻燃劑、抗氧化劑和穩(wěn)定劑等)以及通過吸附解吸釋放的污染物對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康均存在潛在威脅,應進一步分析微塑料和其負荷物能否被田間作物吸收轉(zhuǎn)運并最終進入食物鏈。

5)雖然可降解農(nóng)膜被大規(guī)模使用,但是可降解微塑料是否也會影響土壤質(zhì)量進而影響作物健康亟須探明。