微塑料對土壤環(huán)境的影響及未來展望

關鍵詞：微塑料；土壤生態(tài)系統(tǒng)；新興污染物；生態(tài)風險評估

前言

土壤是地球生態(tài)系統(tǒng)中的關鍵組分，對維持植被生長、水源凈化、物質(zhì)循環(huán)等生態(tài)功能至關重要。近年來，隨著城市化、工業(yè)化和塑料制品廣泛使用，微塑料污染逐漸成為土壤環(huán)境的新挑戰(zhàn)。尤其值得注意的是，微塑料可以改變土壤的理化性質(zhì)和生物特性，對土壤生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性、作物產(chǎn)量以及有機質(zhì)分解過程產(chǎn)生不同程度的影響，其潛在的環(huán)境影響和生態(tài)風險不容忽視。文章旨在深入研究微塑料進入土壤的途徑、在土壤中的命運以及對土壤生態(tài)系統(tǒng)的可能影響，以應對微塑料對土壤環(huán)境和生物多樣性帶來的潛在威脅。通過這項研究，我們希望為土壤科學領域提供新的見解，以更好地理解和管理微塑料污染對土壤的影響。

1國內(nèi)土壤環(huán)境現(xiàn)狀及背景

為了更好的理解當前微塑料的研究領域，使用了VOSviewer并以科學的方式構建了文獻數(shù)據(jù)集的圖形化網(wǎng)絡結構。通過檢索了中國知網(wǎng)中2019年一2023年近五年間北大核心期刊中以“微塑料”為主題的相關文獻，并以Co-occurrence的方式對其中的關鍵詞進行關聯(lián)分析，根據(jù)總體關聯(lián)強度可視化的呈現(xiàn)出來，用以評估它們與微塑料之間的關聯(lián)性（如圖1所示）。這有助于更好地理解當前微塑料的研究重心和發(fā)展趨勢，為未來研究方向提供參考性的價值。

土壤在全球物質(zhì)循環(huán)及生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展中扮演了至關重要的角色，它既是動植物生存的載體，又是與其他環(huán)境接觸的媒介。土壤環(huán)境關系到人體健康以及國民經(jīng)濟的發(fā)展，同時也是保障糧食安全與生態(tài)環(huán)境安全的重要物質(zhì)基礎。中國作為最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國之一，一直在努力改善土地管理和農(nóng)業(yè)實踐，以提高土地的可持續(xù)利用率。耕地質(zhì)量較差、土壤質(zhì)量的不均衡分布導致中國土壤環(huán)境質(zhì)量總體較低是當前國內(nèi)面臨的首要問題。在當前2030年碳達峰和2060年碳中和目標的大背景下，土壤環(huán)境現(xiàn)狀的關鍵在于如何通過強調(diào)土壤健康。將土壤環(huán)境的管理與國家發(fā)展大計更緊密地結合起來，這不僅是當前土壤環(huán)境管理的重心，也是實現(xiàn)碳中和目標的關鍵戰(zhàn)略之一。

2土壤中微塑料的來源

微塑料是指那些直徑小于5毫米的微小塑料顆粒或碎片，由于其極低的尺寸和廣泛的來源備受研究者們的關注。土壤中微塑料的來源途徑多樣，廢棄塑料制品的分解、電子垃圾的拆解以及農(nóng)田覆蓋物的降解等都將為微塑料的誕生提供有利條件。微塑料從來源對象上劃分具體可以追溯到農(nóng)業(yè)和城市兩個領域。在農(nóng)業(yè)領域，農(nóng)用覆膜的使用、再生水灌溉和污泥回用是當今農(nóng)業(yè)實踐的重要組分部分，這都為微塑料進入土壤提供了可乘之機。對于城市而言，固體廢物的掩埋、污水的排放等方式會將微塑料引入到周邊土壤，并對生態(tài)系統(tǒng)造成威脅。

2.1微塑料的農(nóng)業(yè)污染源

中國是全球最大的塑料覆膜消費國之一，地膜覆蓋面積近0.2億平方公頃。雖然塑料薄膜覆蓋有助于提高田間生產(chǎn)效率并確保糧食供應安全，但大部分的覆膜并沒有在收獲季后得到有效的回收利用。由于完全暴露于陽光下并與土壤表層直接接觸，使得塑料薄膜在紫外線照射、機械外力作用下破碎老化，成為微塑料（lt;5mm）或粒徑更小的納米顆粒被土壤所吸附，造成不可預知的生態(tài)風險。預計到2030年，全球農(nóng)用塑料薄膜的使用量將以每年5.6%的速度持續(xù)增長。

此外，灌溉是土壤中微塑料的重要間接來源。經(jīng)污水處理廠處理后產(chǎn)生的再生水被作為農(nóng)業(yè)用水循環(huán)使用．而這些水體本身所含的微塑料并沒有被完全有效地去除，從而對土壤造成了污染。解立國等人檢測了太原某污水處理廠中微塑料的賦存，結果表明每年仍有6.09×103億個微塑料顆粒排放到淡水環(huán)境中。而在部分缺少水資源的地區(qū)甚至存在污水灌溉的情況，這對土壤環(huán)境的破壞是毋庸置疑的。

2.2微塑料的城市污染源

塑料制品由于其輕量、耐用、低廉的成本備受人們的喜愛，逐漸成為了現(xiàn)代城市中不可或缺的產(chǎn)品之一。據(jù)《2023年中國統(tǒng)計年鑒》公布的數(shù)據(jù)顯示，2023年全國生活垃圾清運量達到了24444.7萬噸，其中約有444萬噸固體廢物被用于垃圾填埋，648萬噸垃圾被集中焚燒。盡管一些可生物降解塑料在降解過程中減少了部分污染的風險，但不得不承認這種生物降解能力往往是有限的。大部分的塑料制品經(jīng)過一系列復雜的物理化學變化下（如聚合物的水解、光老化、分子鏈縮短、熱剪切應力作用）產(chǎn)生二次微塑料或納米塑料，這些微小塑料隨著垃圾滲濾液滲透到土壤內(nèi)部，成為城市土壤中的主要污染源。

此外，污水處理廠被認為是城市中的微塑料的重要點源，有研究表明大型污水處理廠每天排放的微塑料顆粒多達5.0×105～1.4×10。雖然污水處理廠并不能有效攔截微塑料對城鎮(zhèn)土壤的污染，但更深層次的處理工藝以及適當?shù)脑O備對減少微塑料的排放仍具有重要意義。

3微塑料在土壤中的遷移行為

微塑料在土壤中的遷移往往是復雜多變的，如圖2所示微塑料在土壤中的遷移途徑。首先，微塑料可以通過大氣沉降進入地表，也可以通過地表徑流等方式進入土壤，然后在風力、水力等外部條件的影響下在土壤淺層分布。其次，微塑料還可以通過農(nóng)耕翻作、生物擾動、土壤侵蝕等不同機制遷移到土壤的更深層，這種復雜的遷移過程在不同環(huán)境條件下會表現(xiàn)出多種特征。對于埋藏較淺的微塑料，地表徑流和風力遷移是它們最好的遷移選擇。微塑料可以通過徑流運輸?shù)洁徑鼌^(qū)域和水體，并通過干濕過程在大氣中進行遠程運輸和沉積，這種方式通常受到土壤表層的物理和化學性質(zhì)影響。土壤顆粒大小、有機質(zhì)含量、土壤質(zhì)地和pH值等因素都會干擾微塑料在土壤中的層次分布。土壤中的生物活動，如蚯蚓、昆蟲的運動及植物根系生長等，都可能會將微塑料從土壤表層帶人更深的土壤層，這種生物介導的遷移過程會對微塑料在土壤中的分布產(chǎn)生重要影響。此外，由于土壤多孔結構的復雜性，微塑料在土壤中的遷移和分布也受到孔隙空間的影響。不同大小和形狀的微塑料顆?？赡軙谕寥揽紫吨斜憩F(xiàn)出不同的遷移和滯留特性，進而影響其在土壤介質(zhì)中的命運。最新的研究表明孔隙水的離子強度可以改變微塑料與土壤顆粒之間的靜電排斥作用，對微塑料的遷移行為產(chǎn)生顯著影響，這一發(fā)現(xiàn)將為進一步預測微塑料在土壤系統(tǒng)中的遷移和分布情況做出貢獻。

4微塑料對土壤種群影響

微塑料的存在可能引發(fā)土壤結構破壞，影響土壤的通透性和保水性，進而妨礙了水分滲透和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。此外，微塑料與植物根系的相互作用可能抑制植物的正常生長，對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量產(chǎn)生負面影響。另一方面，微塑料在土壤中的存在也可能導致土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物和其他生物多樣性的改變，進一步影響了土壤的生態(tài)功能。因此，深入了解微塑料對土壤生態(tài)功能的影響，以及采取措施來減輕潛在的負面影響，對于土壤環(huán)境保護和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展至關重要。

4.1微塑料對土壤動物的影響

土壤動物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要載體，承擔著物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和能量的循環(huán)。通常情況下，土壤中的微塑料被土壤生物攝取并在各營養(yǎng)級的土壤生物體內(nèi)累積，從而影響它們的生長、繁殖、腸道微生物群和免疫系統(tǒng)。目前已有大量的研究表明微塑料可能對這些生物體的個體或種群產(chǎn)生潛在性的危害。蚯蚓作為一種常見的土壤生物，由于其腐食性的特點，最容易攝人含有微塑料的土壤顆粒。Chen等人的研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓在長時間（28天）接觸1.5g/kg LDPE后，出現(xiàn)了明顯的體表損傷。此外，在1.0g/kg LDPE濃度下，蚯蚓體內(nèi)的抗氧化酶催化酶活性和丙二醛含量顯著增加，這表明蚯蚓在這一過程中經(jīng)歷了氧化應激反應。這些結果證實了微塑料的存在對蚯蚓的生理健康產(chǎn)生了不利影響。

4.2微塑料對植物的影響

由于植物的富集作用，微塑料可能對植物產(chǎn)生多層次、復雜而持久的影響。這些影響不僅涵蓋了植物的生長和發(fā)育過程，還可能涉及到植物的生理、生態(tài)功能。Liu等人的研究發(fā)現(xiàn)高濃度的可降解生物對環(huán)境的危害更大。微塑料的存在顯著提高了土壤酶活性，通過改變小白菜根際細菌群落的結構，加速微塑料的產(chǎn)生，從而嚴重限制了植物的生長。此外，一些研究指出，長期暴露于微塑料（聚氯乙烯、聚丙烯）環(huán)境下的植物，其生物產(chǎn)量（根、芽的鮮重）明顯下降。Colzi等人的實驗中還觀察到，微塑料顆粒對植物的根系造成了不可逆的損傷，導致葉片尺寸減小以及植物光合作用能力下降。這些研究結果強調(diào)了微塑料對土壤和植物健康的重要影響，需要采取相應的應對策略來減輕影響。

4.3微塑料對微生物群落的影響

微生物通過直接參與土壤中有機物分解、養(yǎng)分循環(huán)，維持了土壤的肥力和質(zhì)地。同時它們對于抑制土壤病原體、儲存有機碳和維持生態(tài)系統(tǒng)多樣性等方面也發(fā)揮舉足輕重的作用。因此，理解和保護土壤中的微生物群落對于維護土壤健康和生態(tài)平衡至關重要，是土壤環(huán)境領域的重要研究課題。

微塑料對土壤微生物的影響主要包括對其代謝活動的抑制，以及對群落結構功能的影響。研究表明，微塑料可以增加或降低土壤細菌和真菌群落的豐度，從而改變它們的群落組成。此外，微塑料可能與其他有機污染物或重金屬物質(zhì)結合，共同阻礙微生物的繁殖和發(fā)展，最終導致微生物種群的豐富度和多樣性的下降。有報告稱，微塑料污染對土壤細菌群落的不利影響取決于微塑料的類型和大小，較小尺寸的可降解塑料顆粒在降解過程中往往會對微生物群落產(chǎn)生更嚴重的毒性影響。

5生態(tài)風險評估方法

由于微塑料的新興屬性，國內(nèi)尚未建立統(tǒng)一的風險評估模型，特別是在評估土壤中微塑料的情境下，缺乏相關背景值的參考，這使得傳統(tǒng)的風險評估方法在應用時面臨困難。當前主流的評估方法包括污染復合指數(shù)法（PLI），這種方法不僅能夠反映單個采樣點的污染程度，還可以對特定區(qū)域的整體污染狀況進行綜合評估，公式如式（1） -式（3）：

此外，聚合物危害指數(shù)法（PHI）也可以對土壤微塑料污染風險進行初步評估，該指數(shù)考慮了各類微塑料聚合物對生態(tài)環(huán)境的化學毒性。

6結論

微塑料污染是全球性焦點，但研究體系尚不完備，尤其缺乏對其在土壤中的整體污染過程的全面考量。未來研究應重點關注以下幾個方面：首先，需要深入研究微塑料在土壤中的長期行為，包括持久性、分布和遷移過程，考慮季節(jié)性變化、氣候差異等因素。其次，應提高土壤生物對微塑料降解的效率，除了研發(fā)易降解替代材料外，還應發(fā)展生物修復技術。最后，必須加強對微塑料在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的毒理學認識，了解其結構單體和制造過程中添加的有機物質(zhì)對環(huán)境的負面影響，包括生化反應、積累機制和毒理效應等。這些研究將有助于更全面地理解微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，并為解決微塑料污染問題提供科學依據(jù)。