氣候因子作用下土壤中微/納塑料的污染特征及生態(tài)效應研究進展

曹慧慧,姚 時,李曉娜,倪 妮,程 虎,白 雪,宋 洋①

(1.中國科學院南京土壤研究所/ 中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室,江蘇 南京 210008;2.中國科學院大學,北京 100049;3.江南大學環(huán)境與土木工程學院,江蘇 無錫 214122;4.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所,江蘇 南京 210042;5.南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院,江蘇 南京 210037;6.河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京 210098)

微/納塑料(粒徑<5 mm)作為一種新興污染物,是當前環(huán)境領(lǐng)域研究熱點之一。近年來,陸地生態(tài)系統(tǒng)中微/納塑料的污染特征與環(huán)境風險愈加得到國內(nèi)外學者的持續(xù)關(guān)注[1]。由于尺寸微小,微/納塑料易被土壤動物攝入并影響其生長繁殖,甚至提高死亡率[2]。土壤中微/納塑料在生物/非生物的外力擾動下會逐漸老化,尺寸進一步縮小,并釋放塑料內(nèi)源添加劑[3]。破碎至納米級的塑料顆粒可以通過根系吸收進入植物細胞,抑制植物生長[4]。釋放到環(huán)境中的塑料添加劑會影響生物體的激素分泌、生殖功能甚至誘發(fā)遺傳畸變[5]。土壤中的微/納塑料可從大氣沉降、降水或人為灌溉中匯集,并通過地表和地下徑流進入水圈,在陸地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不斷遷移。同時,微塑料能夠作為載體吸附環(huán)境中的污染物,提高其遷移率并影響污染物的環(huán)境歸趨[6]。因此,土壤中微/納塑料的污染特征、老化過程及其生態(tài)效應受到廣泛關(guān)注。

目前,地球正在經(jīng)歷全球氣候變化過程[7]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會報告指出,全球氣候變化已經(jīng)導致高溫、干旱、強降雨等極端天氣事件頻發(fā),對土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響[7]。例如,高溫將加劇土壤有機碳庫的損耗;嚴重的區(qū)域性干旱會改變土壤酶活性和微生物群落,降低土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)速率;強降雨的增加會快速改變土壤中關(guān)鍵碳氮循環(huán)過程及地上植物群落[8-11]。另有相關(guān)模擬研究發(fā)現(xiàn)全球變暖將導致極地地區(qū)永久凍土區(qū)的退化,間接導致夏季近地表溫度和強降雨增加,極大地增加高緯度地區(qū)不連續(xù)凍土范圍,導致更多土壤將經(jīng)歷凍融侵蝕作用[12]。

已有研究證明微/納塑料與生態(tài)系統(tǒng)之間存在強烈的交互作用[13-14]。強降雨天氣與洪水將加劇塑料在自然環(huán)境中的遷移;塑料生命周期的每個階段都在持續(xù)排放溫室氣體而影響地球生態(tài)[15]。那么,在不同氣候因子作用下,土壤中微/納塑料的老化過程與遷移規(guī)律將會受到何種影響,環(huán)境條件與微塑料共同作用又會如何影響土壤生態(tài)系統(tǒng),目前仍不清楚。該文將針對氣候變化驅(qū)動下頻發(fā)的極端天氣事件中土壤微/納塑料的污染特征、遷移規(guī)律及生態(tài)效應等進行梳理與討論,以期對未來氣候變化情景下土壤中微/納塑料的環(huán)境行為與生態(tài)風險提供理論指導。

1 溫度變化

1.1 溫度變化對土壤微/納塑料老化的影響

如今,全球變暖的趨勢潛在影響著幾乎所有生態(tài)系統(tǒng)。溫度變化主要影響土壤中塑料的老化過程,導致微塑料賦存豐度、粒徑分布等產(chǎn)生變化,進而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)(表1[16-28])。

表1 不同氣候因子對土壤中微/納塑料的影響或兩者的聯(lián)合效應

對中國稻區(qū)和青藏高原農(nóng)業(yè)區(qū)土壤田間調(diào)查發(fā)現(xiàn),微塑料豐度分別與當?shù)卦缕骄鶜鉁睾偷乇頊囟瘸曙@著正相關(guān)[16-17]。室外老化試驗中,在瓊海、廣州和青島這些相對高溫地區(qū)聚酰胺6(PA6)塑料相對分子質(zhì)量顯著降低,降解程度增大,而在拉薩和若羌等相對低溫地區(qū),微塑料老化程度和腐蝕指數(shù)都較低,性能變化緩慢[18]。這可能是由于:一方面,高溫使得塑料表面更易解離出活躍自由基,并在自由基的攻擊下變得脆弱且易分解;另一方面,高分子塑料聚合物中的化學基團如酰胺基、酯基、腈基等在溫度升高的環(huán)境中更易發(fā)生吸熱的水解反應,且高溫有利于微生物代謝和酶活性增強,提高土壤中各種生化反應速率,促進大塊塑料的分解破碎,提高微塑料豐度[18]。土壤中現(xiàn)存微塑料也可能受升溫影響而進一步分解老化,影響程度因升溫幅度和微塑料性質(zhì)而異。有研究表明,相較于只含碳、氫原子的聚乙烯(PE)微塑料,含較多氧原子結(jié)構(gòu)的聚乳酸(PLA)在同樣升溫10 ℃(15～25 ℃)的土壤環(huán)境中更易被水解形成水溶性低分子聚合物,這與高溫條件下水分子更易攻擊PLA中的酯鍵、加速其分解礦化有關(guān)[19]。而PE微塑料具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),其溫度敏感性較低,10 ℃升溫幅度并未顯著影響PE的分解。由于環(huán)境中塑料種類多樣且土壤環(huán)境具有異質(zhì)性,環(huán)境溫度升高對不同土壤中不同性質(zhì)微塑料老化分解過程的影響仍有待深入研究。

1.2 溫度變化與土壤微/納塑料的聯(lián)合作用

溫度變化與微塑料聯(lián)合可影響土壤結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與有機碳庫質(zhì)量。土壤添加微塑料可能會導致土壤水穩(wěn)性團聚體(WSA)降低,這是由于微塑料阻止微團聚體有效整合到大團聚體之中[29]。而溫度升高在理論上可以通過促進菌絲的生長和黏合劑的分泌提高土壤WSA,但也可能促使更多團聚體的解體與重構(gòu),即大團聚體的周轉(zhuǎn)更快。研究表明,聚丙烯酸(PAN)微塑料纖維的加入會抵消溫度升高對土壤WSA的正向影響,升溫條件下含微塑料的土壤中WSA百分比甚至出現(xiàn)降低趨勢[19]。這是因為當升溫有利于加速形成更大的WSA時,微塑料被結(jié)合進團聚體的比例和概率則更高,加劇WSA的不穩(wěn)定性,表現(xiàn)為升溫加劇微塑料對土壤WSA的負面影響。另有研究發(fā)現(xiàn),當溫度從15 ℃升至25 ℃時,添加質(zhì)量分數(shù)w=1%的PLA微塑料能顯著提高土壤中CO2排放量和可溶性有機碳(DOC)含量,增加比例分別可達19%～74%和3%～23%[20]。溫度升高可顯著提高DOC的總芳香度、疏水C含量、腐殖化程度和相對分子質(zhì)量,但在高溫條件下w=1%的PLA微塑料的添加顯著降低上述指標值。這是因為高溫加速PLA降解,釋放乳酸單體或生成低聚物分子提供更多易分解利用的生物可利用碳,減緩微生物對土壤有機質(zhì)的礦化作用,從而降低土壤中高相對分子質(zhì)量DOC的積累[20]。

溫度變化與微塑料聯(lián)合可影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程,目前主要關(guān)注的是兩者對氮素轉(zhuǎn)化過程的聯(lián)合影響。研究發(fā)現(xiàn),從15 ℃升溫至25 ℃使得PE與PLA兩種微塑料的添加都顯著降低了土壤中的硝態(tài)氮(NO3--N)、礦質(zhì)氮、總?cè)芙獾?、凈累積氮硝化和礦化量,增加銨態(tài)氮(NH4+-N)含量,這表明升溫聯(lián)合微塑料可顯著影響土壤中氮的生物有效性[21]。一方面,溫度升高使得微塑料更快提高土壤中脲酶和硝酸還原酶活性,導致NO3--N和礦質(zhì)氮的降低。另一方面,微塑料表面官能團(如羥基、羧基)可以作為電子供體或受體提高微生物新陳代謝的能量效率,加快電子供受速度,在此過程中微生物將優(yōu)先利用不穩(wěn)定的可溶性物質(zhì)(總?cè)芙獾?來滿足其代謝氮的需求,導致生物有效態(tài)氮含量降低[21]。上述微塑料對氮轉(zhuǎn)化的影響都發(fā)生在25 ℃環(huán)境中,而在15 ℃條件下微生物營養(yǎng)需求低、代謝活動緩慢且對環(huán)境變化的反應遲緩,土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)速率較低,所以在較低溫度條件下微塑料對氮轉(zhuǎn)化的影響有限。

目前,溫度變化與微/納塑料聯(lián)合作用對植物的影響研究相對匱乏(表1)。有限的研究表明,大部分微塑料的影響如促進土壤養(yǎng)分循環(huán)、提高土壤質(zhì)量和多功能性、降低植物健康指數(shù)(株高、葉片、根生物量、葉綠素含量)等,只發(fā)生在25 ℃條件下[22]。而當溫度上升至30 ℃時,只有化學性質(zhì)不穩(wěn)定的聚羥基脂肪酸酯(PHA)塑料對土壤質(zhì)量因子產(chǎn)生影響,傳統(tǒng)的化學穩(wěn)定微塑料PE和聚氯乙烯(PVC)對其幾乎沒有顯著影響,這是因為高溫脅迫導致玉米葉綠素含量顯著下降,對植物健康產(chǎn)生更大影響并掩蓋了微塑料的負面效應。然而在真實全球變暖情景下,緩慢升溫是否也能掩蓋微塑料對植物生長的影響還有待進一步研究。

2 干旱脅迫

2.1 干旱脅迫對土壤微/納塑料豐度的影響

全球變暖與水文過程的加速都導致頻率更高、程度更劇烈的干旱事件[30]。而干旱能夠影響土壤中微塑料豐度。在旱區(qū)農(nóng)田中,為控制土壤水分蒸發(fā),往往大規(guī)模采用覆膜種植,而較低的回收率使得大量殘留農(nóng)膜在土壤中逐漸破碎、分解、形成微/納塑料。對新疆旱區(qū)農(nóng)田的調(diào)查發(fā)現(xiàn),土壤(以干重計)中微塑料豐度平均為52 081.7 個· kg-1,遠高于中國其他地區(qū)[31]。因為相較于溫和濕潤的東部氣候,溫差大且無霜期短的干旱半干旱氣候使得農(nóng)田對塑料地膜依賴性較大。同時,由于土地干旱,研究區(qū)農(nóng)田多使用滴灌方式,不會形成地表徑流,微塑料遷移率低,土壤微塑料得以累積。

2.2 干旱脅迫與土壤微/納塑料的聯(lián)合作用

微塑料可能與干旱脅迫共同影響土壤碳循環(huán)。有報道稱在非干旱環(huán)境中聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)微塑料可使土壤中磷酸酶和β-葡萄糖苷酶含量分別減少27%和17%,但在干旱環(huán)境中卻使其分別增加75%和40%,促進土壤呼吸[23],這表明微塑料加速了干旱條件下的土壤碳循環(huán)。該研究還發(fā)現(xiàn)在非干旱條件下,凋落物分解率隨微塑料加入而提高6.4%,但在干旱環(huán)境中反而降低6.6%[23],表明干旱條件下微塑料在一定程度上加劇了缺水對凋落物分解的抑制作用,影響了土壤碳循環(huán)過程。干旱與微塑料聯(lián)合作用是一個復雜過程,一方面,微塑料能夠使干旱土壤維持相對較高的水分有效性與通氣性,間接促進微生物新陳代謝活動,提高CO2產(chǎn)生量[32]。另一方面,微塑料也可能通過刺激脲酶和酸性磷酸酶活性導致土壤微生物群落豐富度和多樣性降低,從而抑制某些關(guān)鍵土壤酶活性和呼吸作用[33]。然而,土壤中碳的代謝與轉(zhuǎn)化途徑復雜且受多種因素影響[34],干旱條件下微塑料對土壤中不同碳代謝或轉(zhuǎn)化途徑的影響機制還有待進一步探究。

微塑料與干旱可共同影響土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)過程。研究表明,微塑料可以減少干旱土壤經(jīng)歷降雨事件后養(yǎng)分的淋失,干旱土壤的滲濾液中NO3--N含量遠高于非干旱土壤,而添加微塑料的干旱土壤中NO3--N含量比不加微塑料組減少70%[23],這是因為微塑料對土壤團聚性的正向影響,增加了土壤養(yǎng)分保持能力[35]。目前,干旱脅迫聯(lián)合微塑料的研究主要關(guān)注對土壤碳氮的影響,對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的關(guān)注較少。

植物個體生物量也受到微塑料與干旱脅迫的共同影響,且不同種屬間影響差異較大。有研究發(fā)現(xiàn),干旱條件下微塑料的加入使得山柳菊地上部生物量相較于未添加微塑料組提高約85%,而使羊茅地上部生物量降低約51%[24]。添加微塑料通過降低土壤容重促進了山柳菊的生長,而山柳菊又可通過化感效應抑制臨近物種羊茅的萌發(fā)與生長,從而加劇干旱脅迫下羊茅生長受到的抑制作用,表現(xiàn)為干旱條件下微塑料間接影響了植物群落結(jié)構(gòu)。另一方面,在群落水平上,植物株高、地上部和地下部生物量在非干旱條件下均隨微塑料的添加而提高,但在干旱條件下微塑料對植物生物量的提高只體現(xiàn)在根部,對地上部分無顯著影響。這表明微塑料的加入可以部分緩解干旱對植物生長的脅迫,但不能完全彌補干旱帶來的負面影響[24]?？偟膩碚f,在干旱條件下微塑料可降低土壤容重,提高土壤大孔隙度,或通過纏結(jié)土壤顆粒提高土壤團聚特性,從而提高土壤水分有效性,促進土壤的持水能力,緩解干旱脅迫,提高植物根部生物量[32,36-37]。

3 凍融交替

目前已有大量研究證明極地永久凍土區(qū)存在微塑料污染[38]。據(jù)預測,全球約3.6%的輪胎磨損微塑料將向北極輸送和沉積[25,39]。而在全球變暖的趨勢下,永久凍土逐漸退化為不連續(xù)凍土,其中的活躍土層會逐漸經(jīng)歷頻繁的凍融循環(huán)[40]。同樣,常年經(jīng)受凍融侵蝕的還有部分高緯度地區(qū),例如我國東北黑土區(qū),且該地區(qū)農(nóng)田地膜使用量大,黑龍江、遼寧和吉林3省僅2019年地膜使用量就高達9.09萬t[39]。因此,這種典型的凍融交替環(huán)境對土壤中微塑料會產(chǎn)生何種影響已逐漸引發(fā)學者關(guān)注。

3.1 凍融交替對土壤微/納塑料遷移的影響

研究表明與10 ℃恒溫環(huán)境相比,暴露于10次凍融交替處理(-10～10 ℃)后的聚苯乙烯(PS)納米塑料在土柱中的遷移率顯著降低,更多的納米塑料在介質(zhì)中顯著聚集[25]。這主要歸因于溶質(zhì)排斥現(xiàn)象,即凍結(jié)過程中冰的有序晶體結(jié)構(gòu)會排斥雜質(zhì)(例如不可溶顆粒),增加了納米塑料在仍未凍結(jié)的水中的局部濃度并產(chǎn)生聚集。這表明在長期或循環(huán)冷凍的氣候條件下,土壤中納米塑料將在很大程度上發(fā)生團聚,而不是向地下水中進行長距離遷移。該研究后續(xù)對凍融暴露后形成的納米塑料團聚體施加較高的剪切應力也不易解聚,表明它們在土壤環(huán)境中能夠長時間保持穩(wěn)定。

3.2 凍融交替對土壤微/納塑料老化的影響

另有研究發(fā)現(xiàn)凍融交替能加速土壤中塑料破碎老化并釋放更多的增塑劑鄰苯二甲酸酯(PAEs),土壤微塑料豐度與PAEs含量呈正相關(guān)。在經(jīng)歷多次凍融交替(-30～20 ℃)后,土壤中PAEs含量由316～401 μg · kg-1升至873～1 113 μg · kg-1,即超過40%的PAEs從塑料轉(zhuǎn)移到土壤中[26],如此高的釋放量將對土壤生物產(chǎn)生潛在威脅。而凍融交替導致PAEs大量釋放的原因在于加速了塑料碎片的老化。首先,凍結(jié)使水相變成冰后體積增大約9%,并對土壤中介質(zhì)顆粒施加膨脹壓力,包括對塑料的擠壓破碎。因此,暴露于凍融交替土壤中的塑料碎片,在一次次凍結(jié)過程中不斷破碎分解,導致土壤中微塑料含量提高,且這種物理侵蝕可能會進一步改變微塑料的形貌和尺寸,甚至改變微塑料的分子結(jié)構(gòu),如聚合物鏈斷裂和表面官能團增加,從而加速微塑料的老化[40]。而PAEs與微塑料間的分子作用力和聚合力的物理結(jié)合并不牢固,在微塑料老化過程中更易大量滲出[5]。因此,土壤凍融循環(huán)過程對微塑料將產(chǎn)生極大影響,而兩者對土壤生態(tài)的聯(lián)合效應亟待研究。

4 洪澇/驟降雨

目前的研究表明洪澇/降雨能影響土壤中微/納塑料的沉積與遷移。在降雨事件中,大氣及表層土壤中微塑料均可隨雨水通過土壤孔隙向深層沉積或向周圍水體遷移,而在微/納塑料隨徑流遷移的過程中,也會被機械力磨損,從而加速自然老化[27]。一項對萊茵河平原洪泛區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),土壤中微塑料含量遠高于非洪泛區(qū),其中,尺寸范圍為11～150 μm的微塑料顆粒占比(75%)最高,尺寸范圍為150～5 000 μm的微塑料顆粒只占25%,且深層土壤(5～20 cm)中微塑料含量高于表層土壤(0～5 cm)[28]。另一項模擬降雨淋溶試驗結(jié)果表明,土壤表層微塑料在水平與垂直方向上均能發(fā)生不同程度的遷移,最大遷移深度可達4～7 cm,且尺寸(<1 mm)較小的微塑料顆粒遷移率更高,在徑流中出現(xiàn)頻率也更高[41]。此外,在降雨事件中,微塑料遷移率受其形狀的影響,4種形狀的微塑料中纖維與薄膜的流動性最高,泡沫次之,顆粒的流動性最低[41]。與強度低且頻率均勻的模擬降雨相比,高強度的自然降雨導致微塑料流動性相對較高,更有利于其在水平表土中的流動遷移,反而在一定程度上減少了微塑料向深層土壤的遷移,表明降雨的強度和頻率會對微塑料在土壤中的遷移產(chǎn)生不同影響[28]。另一方面,有部分研究表明土壤中微塑料豐度與降雨量呈正相關(guān)[17,42],但這些研究沒有考慮到旱區(qū)農(nóng)田因覆膜造成大量微/納塑料殘留的特殊情況,微/納塑料初始含量較高的土壤在經(jīng)歷強降雨后也極有可能因隨徑流遷移而使其豐度降低。

5 結(jié)論與展望

綜上所述,當前研究表明典型天氣現(xiàn)象或極端氣候因子,包括升溫、干旱、凍融交替、洪澇和驟降雨等,對土壤中微/納塑料的影響主要體現(xiàn)在提高豐度、加速老化,以及促進或抑制其遷移等方面。氣候因子與微/納塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)合作用體現(xiàn)在土壤性質(zhì)、養(yǎng)分循環(huán)及植物生長等各個方面。在溫度升高與干旱脅迫下,微/納塑料對土壤碳、氮養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與儲存具有顯著影響。但目前氣候因子與土壤中微/納塑料共同作用的研究較少,且研究因子較為分散孤立,缺乏系統(tǒng)性的研究,以更好地詮釋兩者的聯(lián)合效應與機制。為明晰并應對微/納塑料在未來極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)背景下所扮演的角色與可能造成的生態(tài)環(huán)境風險,未來相關(guān)研究可圍繞以下問題展開:

(1)不同氣候因子條件下土壤中微/納塑料的老化特征。如上所述,幾乎所有氣候環(huán)境因子都能夠在一定程度上加速微/納塑料老化,而老化后的微塑料將造成更大的生態(tài)威脅[43-45]。然而,環(huán)境條件的變化如何加速微/納塑料的老化機制仍不清楚;老化微/納塑料的生物吸收機制仍不明確。因此,為明確未來氣候變化下土壤中微/納塑料的生態(tài)效應,不同氣候環(huán)境條件下土壤中微/納塑料的老化特征亟需加強研究。

(2)微/納塑料與不同氣候因子對土壤中碳氮循環(huán)的聯(lián)合影響機制。現(xiàn)有研究表明微/納塑料與不同氣候因子聯(lián)合作用對土壤碳氮循環(huán)的影響效應有正有負,缺少兩者共同疊加對土壤碳氮循環(huán)影響的整體認識與系統(tǒng)評估,需彌補微/納塑料與典型氣候環(huán)境共同作用對土壤碳氮循環(huán)及典型元素生物地球化學循環(huán)過程的影響方面的研究。

(3)不同氣候因子與微/納塑料對土壤生物的聯(lián)合生態(tài)效應。如上所述,已有研究證明氣候環(huán)境變化與微/納塑料能夠分別影響土壤微生物與植物群落,但目前關(guān)于氣候環(huán)境變化與微/納塑料共同作用對土壤生態(tài)健康影響的研究較少。因此,亟需探明兩者聯(lián)合對土壤微生物、植物和動物的系統(tǒng)影響,并結(jié)合機器學習等分析手段進行長期生態(tài)效應的精準評估,相關(guān)結(jié)果可為未來氣候變化情景下微/納塑料的污染管控提供關(guān)鍵科學依據(jù)。