DOI 10 12357 cjea 20210442 呂一涵 周杰 楊亞東 臧華棟 胡躍高 曾昭海 微塑料對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響 研究現(xiàn)狀與展望 J 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報 中英文 2022 30 1 1 14 LYU Y H ZHOU J YANG Y D ZANG H D HU Y G ZENG Z H Microplastics in agroecosystem Research status and future chal lenges J Chinese Journal of Eco Agriculture 2022 30 1 1 14 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(xué)農(nóng)學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點實驗室 北京 100193 摘 要 近年來 微塑料污染成為全球關(guān)注的熱點問題 在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中地膜覆蓋 灌溉用水 有機肥施用等措 施在提升作物產(chǎn)量的同時 都會導(dǎo)致塑料殘留 因耕作和紫外線輻射 殘留塑料逐步破碎降解形成微塑 直徑 5 mm 進入土壤 作物與食物鏈系統(tǒng) 威脅生態(tài)系統(tǒng)健康 本文系統(tǒng)總結(jié)了農(nóng)田微塑料的來源 豐度 遷移特點和檢測 方法 重點關(guān)注了微塑料在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中對作物生長發(fā)育 微生物活性 土壤養(yǎng)分循環(huán)及溫室氣體排放等方面 的影響 微塑料對作物 土壤 微生物系統(tǒng)產(chǎn)生的主要影響為 1 微塑料含有的毒性添加劑 即增塑劑 與攜帶的有 害物質(zhì) 如有機污染物 重金屬和病原體 隨塑料顆粒在土壤中遷移 可改變土壤理化性質(zhì) 并為微生物提供新生態(tài) 棲息地 對作物生長 土壤酶和微生物活性造成影響 2 微塑料含有大量碳 通常約為90 影響其他元素 如氮和 磷 循環(huán) 進而影響微生物活性 土壤性質(zhì)改變也間接影響CO2 N2O和CH4形成 由于聚合物類型 大小 形狀 和濃度的高度可變性 微塑料對作物生產(chǎn)和土壤生物地球化學(xué)過程的影響及其機制有待深入探究 本文還展望了 未來農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)微塑料的研究方向和重點 關(guān)鍵詞 微塑料 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 作物 微生物 土壤養(yǎng)分循環(huán) 中圖分類號 X53開放科學(xué)碼 資源服務(wù) 標(biāo)識碼 OSID Microplastics in agroecosystem Research status and future challenges LYU Yihan ZHOU Jie YANG Yadong ZANG Huadong HU Yuegao ZENG Zhaohai College of Agronomy China Agricultural University Key Laboratory of Farming System Ministry of Agriculture and Rural Affairs Beijing 100193 China Abstract Microplastics MPs pollution has attracted global attention in recent years Despite the remarkable benefits arising from the production of plastic for film mulching irrigation and organic fertilizer application there are increasing concerns associated with the vast amount of plastic entering the agroecosystems and its subsequent potential environmental problems More specifically MPs particles1 mm的微塑料含量為14 895個 kg 1 19 粒徑 0 5 mm的塑料碎片含量為2 4 180 mg kg 1 20 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 21 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(yīng)用 22 24 據(jù)統(tǒng) 計 2015年我國農(nóng)用地膜使用量達到145 5萬t 25 但 回收率不足60 導(dǎo)致大量地膜殘留 帶來嚴(yán)重的微 塑料污染 26 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 1和263個 kg 1 27 基于我國多省調(diào)查也表明 微塑料含量隨覆膜年限延長而升高 28 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 2 29 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 1增 加 到 308 5 mg kg 1 30 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 2 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué) 報 中英文 2022 第 30 卷 降物中微塑料可達每天每平方米280顆 31 可見 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(xué)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 32 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(dǎo) 致 更 大 粒 徑 的 微 塑 料 顆 粒 在 農(nóng) 田 土 壤 中 運 移 20 33 34 Rillig等 34 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(dāng)微塑料不斷分 解 形 成 納 米 顆 粒 5 mm 30 39 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 40 微塑料顆粒 能夠在40倍顯微鏡下被識別 計數(shù)和分類 41 42 如 Kim等 43 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 44 運用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜 顯微拉 曼光譜 Raman 紫外 UV 光和熱模擬風(fēng)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 45 雖 然物理 如顯微鏡 和化學(xué) 如光譜 分析的結(jié)合被廣 泛用于微塑料測定 46 但微塑料檢測仍受到土壤組分 復(fù)雜程度以及檢測方法本身的限制 因此 根據(jù)試 驗?zāi)康暮侠磉x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(biāo)準(zhǔn) 47 48 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 Triticum aestivum L 水 稻 Oryza sativa L 玉米 Zea mays L 多年生黑麥草 Lolium perenne L 等作物的影響 連加攀等 49 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 第 1 期 呂一涵等 微塑料對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響 研究現(xiàn)狀與展望 3 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 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 55 56 李 連禎等 35 通過熒光標(biāo)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 57 58 有研究表明 5 m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 59 加快水分蒸發(fā) 60 相反 18 m的聚丙 烯 PP 纖 維 0 4 和8 m的PS纖 維 0 4 添 加 降低了土壤水穩(wěn)性團聚體 導(dǎo)致土壤退化 61 此外 微塑料含碳量相對較高 會導(dǎo)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 62 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 63 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 64 進而對微生 物多樣性和作物生長產(chǎn)生影響 表1 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 70 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 71 72 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 73 并增加了土壤中與固氮作用有關(guān)細菌的豐度 74 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 75 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 1 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 76 Fei等 74 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(dǎo)致土壤細 菌群落活性和 多樣性下降 Zang等 65 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 77 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 多樣性 此外 丁峰等 78 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 76 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 多樣性 豐富度 均勻度和多樣性 無明顯影響 Chen等 79 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 80 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 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 83 85 Fei等 74 4 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué) 報 中英文 2022 第 30 卷 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 76 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 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 微塑料 Microplastics 作物 Crop 指標(biāo) Index 效應(yīng) Effect 地點 Location 參考文獻 Reference種類 Type 形狀 Shape 大小 Size 濃度 Concentration PE 125 m 1 5 10 20 w w 小麥 Wheat 微塑料劑量依賴性 Dose dependent impact of microplastics 英國威爾士格溫內(nèi)思郡 Gwynedd Wales England 65 HDPE 顆粒 Pellets 2 mm 0 1 0 25 0 5 1 w w 小麥 Wheat 種子萌發(fā) 生物量 Seedling emergence biomass 澳大利亞新南威爾士州 New South Wales Australia 50 顆粒 Pellets 102 6 m 0 1 w w 多年生黑麥草 Perennial ryegrass 地上部生物量 干重 葉綠素 a和 葉綠素 b含量 Shoot biomass dry weight chlorophyll a and b contents 北愛爾蘭韋斯特蘭 Westland Northern Ireland 66 顆粒 Pellets 102 6 m 0 1 w w 多年生黑麥草 Perennial ryegrass 根系生物量 葉綠素 a與葉綠素 b 含量的比值 Dry biomass of roots chlorophyll a b 北愛爾蘭韋斯特蘭 Westland Northern Ireland 66 PVC 125 m 1 5 10 20 w w 小麥 Wheat 微塑料劑量依賴性 Dose dependent impact of microplastics 英國威爾士格溫內(nèi)思郡 Gwynedd Wales England 65 顆粒 Pellets 2 mm 0 01 0 1 0 25 0 5 1 w w 小麥 Wheat 種子萌發(fā) 生物量 Seedling emergence biomass 澳大利亞新南威爾士州 New South Wales Australia 50 薄膜 Films L 0 5 mm W 0 5 mm T 0 008 mm 水稻 Rice 生物量 分蘗數(shù) Biomass tillers number 中國海南省海口市 Haikou City Hainan China 67 PS 顆粒 Pellets 87 nm 10 mg L 1 小麥 Wheat 葉片 Cd和丙二醛含量 超氧化物歧 化酶活性 Cd and malondialdehyde contents and superoxide dismutase activity in leaves 68 顆粒 Pellets 87 nm 10 mg L 1 小麥 Wheat 過氧化氫酶和過氧化物酶活性 Catalase and peroxidase activies 68 顆粒 Pellets 87 nm 10 mg L 1 小麥 Wheat Cd脅迫下葉片中長壽自由基的形 成 碳水化合物和氨基酸代謝 種 子萌發(fā) Formation of long lived radicals in leaves after exposure to Cd carbohydrate and amino acid metabolisms seedling emergence 68 PLA 顆粒 Pellets 65 6 m 0 1 w w 多年生黑麥草 Perennial ryegrass 發(fā)芽率 株高 Germination percentage plant height 北愛爾蘭韋斯特蘭 Westland Northern Ireland 66 顆粒 Pellets 65 6 m 0 1 w w 多年生黑麥草 Perennial ryegrass 地上部生物量 干重 葉綠素 a和葉 綠素 b含量 Shoot biomass dry weight contents of chlorophyll a and b 北愛爾蘭韋斯特蘭 Westland Northern Ireland 66 顆粒 Pellets 65 6 m 0 1 w w 多年生黑麥草 Perennial ryegrass 葉綠素 a與葉綠素 b含量的比值 Chlorophyll a b 北愛爾蘭韋斯特蘭 Westland Northern Ireland 66 顆粒 Pellets 100 154 m 0 0 1 1 10 w w 玉米 Maize 生物量 葉片葉綠素含量 Biomass chlorophyll content of leaves 中國青島即墨區(qū) Jimo District Qingdao China 69 PET 顆粒 Pellets 100 000分子 量 2 12 g kg 1 100 000 molecular weight 細菌 真菌 Bacteria fungi 豐富度 Richness 78 LDPE 薄膜 Films L 2 mm W 2 mm T 0 01 mm 0 076 g kg 1 細菌 Bacteria 群落 多樣性 Community alpha diversity 中國北京大學(xué) Peking University China 76 薄膜 Films L 2 mm W 2 mm T 0 01 mm 0 076 g kg 1 細菌 Bacteria 相似性 Similarity 中國北京大學(xué) Peking University China 81 薄膜 Films L 2 mm W 2 mm T 0 01 mm 0 076 g kg 1 細菌 Bacteria 群落周轉(zhuǎn)率 群落演替 Turnover rate of bacterial community community succession 中國北京大學(xué) Peking University China 81 顆粒 Pellets 200 630 m 1 w w 微生物 Microbial 活性 群落組成 微生物量氮 Activity community composition microbial biomass nitrogen 德國克萊夫 Kleve Germany 80 顆粒 Pellets 200 630 m 1 w w 微生物 Microbial 微生物量碳 Microbial biomass carbon 德國克萊夫 Kleve Germany 80 顆粒 Pellets 678 m 1 5 w w 細菌 Bacteria 固氮 Nitrogen fixation 中國浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 HDPE 顆粒 Pellets 2 mm 0 1 0 25 0 5 1 w w 微生物 Microbial 群落多樣性 Community diversity 澳大利亞新南威爾士州 New South Wales Australia 50 PVC 顆粒 Pellets 18 m 5 w w 細菌 Bacteria 豐富度 多樣性 Richness diversity 中國浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 顆粒 Pellets 18 m 1 w w 細菌 Bacteria 豐富度 多樣性 Richness diversity 中國浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 顆粒 Pellets 2 mm 0 01 0 1 0 25 0 5 1 w w 微生物 Microbial 群落多樣性 Community diversity 澳大利亞新南威爾士州 New South Wales Australia 50 125 m 1 5 10 20 w w 微生物 Microbial 生物量 碳利用效率 Biomass carbon utilization efficiency 英國威爾士格溫內(nèi)思郡 Gwynedd Wales England 65 顆粒 Pellets 18 m 1 5 w w 細菌 Bacteria 固氮 Nitrogen fixation 中國浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 PP 顆粒 Pellets 200 630 m 1 w w 微生物 Microbial 活性 群落組成 Activity community composition 德國克萊夫 Kleve Germany 80 顆粒 Pellets 200 630 m 1 w w 微生物 Microbial 生物量 微生物量碳 微生物量氮 Biomass microbial biomass carbon microbial biomass nitrogen 德國克萊夫 Kleve Germany 80 顆粒 Pellets 250 m 28 w w 微生物 Microbial 呼吸 Respiration 中國陜西省安塞縣 Ansai Shaanxi China 82 PLA 顆粒 Pellets 20 50 m 2 w w 細菌 Bacteria 群落多樣性和組成以及相關(guān)生態(tài)系 統(tǒng)功能和過程 Community diversity and composition and related ecosystem functions and processes 中國江蘇省南京市 Nanjing Jiangsu China 79 顆粒 Pellets 20 50 m 2 w w 厚壁菌 Firmicutes 生物量 Biomass 中國江蘇省南京市 Nanjing Jiangsu China 79 PET 顆粒 Pellets 2 mm 0 1 0 25 0 5 1 w w 微生物 Microbial 群落多樣性 Community diversity 澳大利亞新南威爾士州 New South Wales Australia 50 表示添加微塑料具有正效應(yīng) 表示添加微塑料具有負效應(yīng) 表示添加微塑料無效應(yīng) 表示文獻中無該欄信息 L 表示長度 W 表示寬度 T 表示 厚度 未標(biāo)字母為粒徑 PE 聚乙烯 LDPE 低密度聚乙烯 HDPE 高密度聚乙烯 PVC 聚氯乙烯 PP 聚丙烯 PLA 聚乳酸 PET 聚對苯二甲酸乙二醇酯 and means microplastics addition has a positive negative and no effect respectively means there is no information in the literature L length W width T thickness unmarked letters mean particle size PE polyethylene LDPE low density polyethylene HDPE high density polyethylene PVC polyvinyl chloride PP polypropylene PLA polylactic acid PET polyethylene terephthalate 6 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué) 報 中英文 2022 第 30 卷 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 82 86 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 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 13 可溶性有機碳 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(biāo) 在 生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用 86 87 Liu等 86 發(fā)現(xiàn)添加高濃度PP微塑料 28 w w 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 w w 和PLA 1 w w 微塑料對DOC含量沒有顯著影響 73 79 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 88 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 89 相 反 Chen等 79 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 54 90 92 限制關(guān)鍵土壤酶活 性 影響農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán) 91 94 添加PS和PE微塑料會 抑制土壤氮循環(huán)關(guān)鍵酶活性 95 96 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 97 Liu 等 86 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 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 微塑料 Microplastics 土壤 Soil 指標(biāo) Index 效應(yīng) Effect 地點 Location 參考文獻 Reference種類 Type 形狀 Shape 大小 Size 濃度 Concentration PE 顆粒 Pellets 678 m 1 5 w w 壤土 Loamy soil URE ACP 中國浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 顆粒 Pellets 678 m 1 5 w w 壤土 Loamy soil FDAse 中國浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 LDPE 薄膜 Films L 2 mm W 2 mm T 0 01 mm 0 076 g kg 1 褐土 Cinnamon soil URE CAT 中國北京大學(xué) Peking University China 76 薄膜 Films L 2 mm W 2 mm T 0 01 mm 0 076 g kg 1 褐土 Cinnamon soil Invertase 中國北京大學(xué) Peking University China 76 PVC 顆粒 Pellets 678 m 1 5 w w 壤土 Loamy soil URE ACP 中國浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 顆粒 Pellets 678 m 1 5 w w 壤土 Loamy soil FDAse 中國浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 PP 顆粒 Pellets 250 m 28 w w 黃土 Loess URE 中國陜西省安塞縣 Ansai Shaanxi China 82 顆粒 Pellets 250 m 7 28 w w 黃土 Loess AP 中國陜西省安塞縣 Ansai Shaanxi China 82 顆粒 Pellets 250 m 28 w w 黃土 Loess GLU 中國陜西省安塞縣 Ansai Shaanxi China 82 顆粒 Pellets 180 m 7 28 w w 黃土 Loess PO 中國陜西省安塞縣 Ansai Shaanxi China 86 顆粒 Pellets 180 m 7 28 w w 黃土 Loess FDAse 中國陜西省安塞縣 Ansai Shaanxi China 86 PLA 顆粒 Pellets 20 50 m 2 w w URE CAT GLU 中國江蘇省南京市 Nanjing Jiangsu China 79 表示添加微塑料具有正效應(yīng) 表示添加微塑料具有負效應(yīng) 表示添加微塑料無效應(yīng) 表示文獻中無該欄信息 L 表示長度 W 表示 寬度 T 表示厚度 未標(biāo)字母為粒徑 PE 聚乙烯 LDPE 低密度聚乙烯 PVC 聚氯乙烯 PP 聚丙烯 PLA 聚乳酸 URE 脲酶 ACP 酸性磷酸酶 FDAse 熒光素二乙酸酯水解酶 CAT 過氧化氫酶 Invertase 轉(zhuǎn)化酶 蔗糖酶 AP 磷酸酶 GLU 葡萄糖苷酶 PO 酚氧化酶 and mean microplastics addition has a positive negative and no effect respectively means there is no information in the literature L length W width T thickness unmarked letters mean particle size PE polyethylene LDPE low density polyethylene PVC polyvinyl chloride PP polypropylene PLA polylactic acid URE urease ACP acid phosphatase FDAse fluorescein diacetate hydrolase CAT catalase Invertase invertase sucrase AP phosphatase GLU glucosidase PO phenol oxidase 第 1 期 呂一涵等 微塑料對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響 研究現(xiàn)狀與展望 7 響 表現(xiàn)為初期較高 后期迅速下降 Chen等 79 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 總之 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 98 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CO2通量增 加7 8倍 99 Ren等 73 發(fā)現(xiàn)在施肥土壤中 添加PE 微塑料減少了N2O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 Rhodoplanes Hiraishi and Ueda 微生物的活性 但是增加了嗜熱菌 Thermoleo philia 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 61 66 進而增加或減少 O2的利用率 導(dǎo)致反硝化過程不完全 改變N2O排放 100 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CH4排放 101 較大粒徑的微塑料也 有可能減少CH4的累積吸收 90 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 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(fù)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(biāo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)在原位土壤中建立作物和微生物的微塑料劑量 效 應(yīng)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(yīng) 4 微塑料本身 其釋放的化學(xué)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(yīng)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 參考文獻 References 雷曉婷 雷金銀 周麗娜 等 微塑料對農(nóng)田土壤質(zhì)量的 影響研究現(xiàn)狀與分析 J 寧夏農(nóng)林科技 2020 61 2 26 28 LEI X T LEI J Y ZHOU L N et al Status and analysis of study on effects of microplastics on farmland soil quality J Ningxia Journal of Agriculture and Forestry Science and Technology 2020 61 2 26 28 1 季夢如 馬旖旎 季榮 微塑料圈 環(huán)境微塑料對微生物的 載體作用 J 環(huán)境保護 2020 48 23 19 27 JI M R MA Y N JI R Plastisphere The vector effects of microplastics on microbial communities J Environmental Protection 2020 48 23 19 27 2 徐湘博 孫明星 張林秀 等 土壤微塑料污染研究進展 與展望 J 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報 2021 38 1 1 9 XU X B SUN M X ZHANG L X et al Research progress and prospect of soil microplastic pollution J Journal of Agricultural Resources and Environment 2021 38 1 1 9 3 駱永明 周倩 章海波 等 重視土壤中微塑料污染研究 防范生態(tài)與食物鏈風(fēng)險 J 中國科學(xué)院院刊 2018 33 10 1021 1030 LUO Y M ZHOU Q ZHANG H B et al Pay attention to research on microplastic pollution in soil for prevention of ecological and food chain risks J Bulletin of Chinese Academy of Sciences 2018 33 10 1021 1030 4 郝愛紅 趙保衛(wèi) 張建 等 土壤中微塑料污染現(xiàn)狀及其 生態(tài)風(fēng)險研究進展 J 環(huán)境化學(xué) 2021 40 4 1100 1111 HAO A H ZHAO B W ZHANG J et al Research progress on pollution status and ecological risk of micropla