微塑料對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響、研究現(xiàn)狀與展望.pdf

DOI 10 12357 cjea 20210442 呂一涵 周杰 楊亞?wèn)| 臧華棟 胡躍高 曾昭海 微塑料對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響 研究現(xiàn)狀與展望 J 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 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(duì)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?wèn)| 臧華棟 胡躍高 曾昭海 中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100193 摘 要 近年來(lái) 微塑料污染成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題 在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中地膜覆蓋 灌溉用水 有機(jī)肥施用等措 施在提升作物產(chǎn)量的同時(shí) 都會(huì)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(jìn)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(lái)源 豐度 遷移特點(diǎn)和檢測(cè) 方法 重點(diǎn)關(guān)注了微塑料在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)作物生長(zhǎng)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(duì)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(jī)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(duì)作物生長(zhǎng) 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(jìn)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(duì)作物生產(chǎn)和土壤生物地球化學(xué)過(guò)程的影響及其機(jī)制有待深入探究 本文還展望了 未來(lái)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)微塑料的研究方向和重點(diǎn) 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(hào) X53開放科學(xué)碼 資源服務(wù) 標(biāo)識(shí)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(gè) 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(guó)農(nóng)田土壤中 每年由于有機(jī)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(diǎn) 在干旱和半干旱地區(qū)得到廣泛應(yīng)用 22 24 據(jù)統(tǒng) 計(jì) 2015年我國(guó)農(nóng)用地膜使用量達(dá)到145 5萬(wàn)t 25 但 回收率不足60 導(dǎo)致大量地膜殘留 帶來(lái)嚴(yán)重的微 塑料污染 26 在對(duì)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(gè) kg 1和263個(gè) kg 1 27 基于我國(guó)多省調(diào)查也表明 微塑料含量隨覆膜年限延長(zhǎng)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(dá) 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(guò)大氣沉 降進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 巴黎的一項(xiàng)研究表明 大氣沉 2 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué) 報(bào) 中英文 2022 第 30 卷 降物中微塑料可達(dá)每天每平方米280顆 31 可見(jiàn) 微 塑料可以通過(guò)地膜殘留 有機(jī)肥施用 灌水 大氣 沉降等多種渠道進(jìn)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(zhǎng)期存在 進(jìn)入 土壤的微塑料會(huì)隨著自然條件或人類活動(dòng)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(guò) 重力沉降和降水滲透進(jìn)入地下水循環(huán) 同時(shí)生物擾 動(dòng) 如通過(guò)動(dòng)物的活動(dòng)沿土壤剖面運(yùn)輸 和耕作等還 會(huì) 導(dǎo) 致 更 大 粒 徑 的 微 塑 料 顆 粒 在 農(nóng) 田 土 壤 中 運(yùn) 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(dòng)而發(fā)生遷移 認(rèn)為蚯蚓的外部附著是 微塑料遷移的一種運(yùn)輸機(jī)制 農(nóng)業(yè)措施 如耕作 會(huì) 引起表層和深層土壤的交換 進(jìn)而促進(jìn)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(yùn)用密度分離法將微塑料進(jìn)行 分離 最后實(shí)現(xiàn)對(duì)微塑料含量的測(cè)定 40 微塑料顆粒 能夠在40倍顯微鏡下被識(shí)別 計(jì)數(shù)和分類 41 42 如 Kim等 43 通過(guò)高清攝像機(jī) 10 80倍立體顯微鏡和 紅外光譜測(cè)量了單個(gè)微塑料顆粒的形態(tài)特征和聚合 物特性 Birch等 44 運(yùn)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(shí) 消化處理和熒光染色也有利于微塑料的檢測(cè) 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(cè)定 46 但微塑料檢測(cè)仍受到土壤組分 復(fù)雜程度以及檢測(cè)方法本身的限制 因此 根據(jù)試 驗(yàn)?zāi)康暮侠磉x擇分析技術(shù)的同時(shí) 還亟需加強(qiáng)研究 并制定出土壤微塑料檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn) 47 48 2 農(nóng)田微塑料污染對(duì)作物生長(zhǎng)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(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響至關(guān)重要 目前 已有 研究報(bào)道了微塑料對(duì)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(duì)小麥種 第 1 期 呂一涵等 微塑料對(duì)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(duì)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(xì)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(xì)胞壁 孔洞 堵塞種子囊中的孔 擾亂種子或根系對(duì)水分 營(yíng)養(yǎng)的正常吸收或運(yùn)輸 進(jìn)而抑制作物生長(zhǎng) 55 56 李 連禎等 35 通過(guò)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(yùn)輸過(guò)程 發(fā)現(xiàn) 亞微米級(jí)聚苯乙烯 PS 微珠能夠通過(guò)質(zhì)外體運(yùn)輸聚 集在小麥根部 進(jìn)入中柱后 隨蒸騰作用向作物地上 部移動(dòng) 上述過(guò)程均會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生直接影 響 但仍需在不同地區(qū)對(duì)更多微塑料種類和作物種 類等進(jìn)行研究 以證實(shí)其普遍性 2 2 微塑料對(duì)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(huì)改變土壤容重和保水能力 微塑料能夠影響土壤 團(tuán)聚體結(jié)構(gòu) 降低土壤的通氣性和透水性 阻擋根系 對(duì)水分及養(yǎng)分的有效吸收 進(jìn)而影響作物生長(zhǎng) 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(tuán)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(tuán)聚體 導(dǎo)致土壤退化 61 此外 微塑料含碳量相對(duì)較高 會(huì)導(dǎo)致土壤碳氮比增加 促 進(jìn)微生物的氮固定能力 進(jìn)而抑制其他土壤微生物 和植物的生長(zhǎng)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(yùn)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(duì)分布 64 進(jìn)而對(duì)微生 物多樣性和作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響 表1 3 農(nóng)田微塑料污染對(duì)土壤微生物的影響 土壤微生物對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要 微生物 活性的增強(qiáng)會(huì)促進(jìn)碳 氮 磷等營(yíng)養(yǎng)元素的釋放 70 微塑料可以為微生物提供吸附位點(diǎn) 使其長(zhǎng)期吸附 形成生物熱點(diǎn) 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(shì)微生物類 群 73 并增加了土壤中與固氮作用有關(guān)細(xì)菌的豐度 74 由于微塑料比表面積較大 其表面會(huì)吸附重金屬和 有機(jī)污染物等 75 這些污染物隨微塑料一起發(fā)生遷 移 進(jìn)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(yùn)輸載體 影響土壤健康 76 Fei等 74 對(duì)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(xì) 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(guò)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(xì)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(huì)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(duì)土壤微生物群 落組成和多樣性無(wú)顯著影響 如Huang等 76 對(duì)細(xì)菌 16S rRNA的測(cè)序結(jié)果表明 LDPE微塑料處理對(duì)土 壤微生物群落 多樣性 豐富度 均勻度和多樣性 無(wú)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(duì)土壤細(xì)菌群落組成和優(yōu)勢(shì) 類群的相對(duì)豐度均無(wú)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(duì)土壤微生 物活性無(wú)明顯的不利影響 表2 總之 微塑料的存 在會(huì)干擾土壤微生物群落 然而其潛在危害還需進(jìn) 一步研究 土壤酶活性反映了微生物活性及其對(duì)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(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué) 報(bào) 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(jìn)了脲 酶 URE 和酸性磷酸酶 ACP 的活性 與PVC處理 相比 PE處理對(duì)土壤有更大的負(fù)面影響 Huang等 76 通過(guò)添加LDPE發(fā)現(xiàn)其能顯著提高土壤URE和過(guò)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(duì)作物生長(zhǎng)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(diǎn) Location 參考文獻(xiàn) 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(guó)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(ài)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(ài)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(guó)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(guó)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(guò)氧化氫酶和過(guò)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(zhǎng)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(ài)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(ài)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(ài)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(guó)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(xì)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(xì)菌 Bacteria 群落 多樣性 Community alpha diversity 中國(guó)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(xì)菌 Bacteria 相似性 Similarity 中國(guó)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(xì)菌 Bacteria 群落周轉(zhuǎn)率 群落演替 Turnover rate of bacterial community community succession 中國(guó)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(guó)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(guó)克萊夫 Kleve Germany 80 顆粒 Pellets 678 m 1 5 w w 細(xì)菌 Bacteria 固氮 Nitrogen fixation 中國(guó)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(xì)菌 Bacteria 豐富度 多樣性 Richness diversity 中國(guó)浙江省臨安市 Lin an Zhejiang China 74 顆粒 Pellets 18 m 1 w w 細(xì)菌 Bacteria 豐富度 多樣性 Richness diversity 中國(guó)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(guó)威爾士格溫內(nèi)思郡 Gwynedd Wales England 65 顆粒 Pellets 18 m 1 5 w w 細(xì)菌 Bacteria 固氮 Nitrogen fixation 中國(guó)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(guó)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(guó)克萊夫 Kleve Germany 80 顆粒 Pellets 250 m 28 w w 微生物 Microbial 呼吸 Respiration 中國(guó)陜西省安塞縣 Ansai Shaanxi China 82 PLA 顆粒 Pellets 20 50 m 2 w w 細(xì)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(guò)程 Community diversity and composition and related ecosystem functions and processes 中國(guó)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(guó)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(fù)效應(yīng) 表示添加微塑料無(wú)效應(yīng) 表示文獻(xiàn)中無(wú)該欄信息 L 表示長(zhǎng)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(duì)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(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué) 報(bào) 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(jìn)含氮有機(jī)質(zhì)水解和有機(jī)磷礦 化 降低可溶性有機(jī)物 DOM 的生物降解性 同時(shí) 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(duì)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(duì)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(guò)90 微塑 料污染可以顯著改變土壤碳儲(chǔ)量 13 可溶性有機(jī)碳 DOC 是土壤有機(jī)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(jìn)水 解酶活性 進(jìn)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(duì)DOC含量沒(méi)有顯著影響 73 79 綜合來(lái) 看 低濃度微塑料對(duì)DOC形成影響不大 而高濃度 微塑料則促進(jìn)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(qiáng)了 微生物和酶的活性 加速了土壤有機(jī)質(zhì) SOM 礦化 從而增加了植物和微生物之間的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng) 氮和磷作為作物的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 對(duì)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(duì)硝 化 過(guò) 程 和 亞 硝 酸 鹽 的 產(chǎn) 生 無(wú) 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(guò)程 另外 微塑料的衍生物 如鄰苯二甲酸 酯類 也會(huì)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(huì) 抑制土壤氮循環(huán)關(guān)鍵酶活性 95 96 也有研究報(bào)道 PP微 塑 料 可 以 通 過(guò) 其 表 面 的 羰 基 C O 和 羥 基 OH 來(lái)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(jī)磷含量 但磷酸根離子的含量受污染時(shí)間的影 表 3 微塑料污染對(duì)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(diǎn) Location 參考文獻(xiàn) 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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)陜西省安塞縣 Ansai Shaanxi China 82 顆粒 Pellets 250 m 28 w w 黃土 Loess GLU 中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(fù)效應(yīng) 表示添加微塑料無(wú)效應(yīng) 表示文獻(xiàn)中無(wú)該欄信息 L 表示長(zhǎng)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(guò)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(duì)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(duì)土壤無(wú)機(jī)磷 含量產(chǎn)生影響 總之 微塑料對(duì)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(lái)闡明其調(diào)控機(jī)制 先前的研究表明 添加生物炭等含碳聚合物會(huì) 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(duì)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(jìn)而降低了全球增溫潛 勢(shì) GWP 這可能是因?yàn)槲⑺芰弦种屏司G彎菌門 Chloroflexi 和紅游動(dòng)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(guò)增加含水量或降低孔隙率 61 66 進(jìn)而增加或減少 O2的利用率 導(dǎo)致反硝化過(guò)程不完全 改變N2O排放 100 也有研究表明 PVC微塑料可以通過(guò)抑制水解 酸化 和甲烷化來(lái)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(duì)溫室氣體排放的潛在影響機(jī)理尚需進(jìn)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(duì)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(duì)作物 土壤系統(tǒng)的影響 研究表明 微塑 料會(huì)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(guò)程 直接和間接影響作物生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收 最 終威脅農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康 未來(lái)研究需重點(diǎn)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(jī)質(zhì)密度較為接近 從有機(jī)質(zhì)含量 較高的土壤中分離微塑料非常困難 同時(shí) 農(nóng)田中 微塑料來(lái)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(guò)大 量試驗(yàn) 建立數(shù)據(jù)庫(kù) 探究不同區(qū)域影響農(nóng)田生態(tài)系 統(tǒng)正常運(yùn)行的微塑料含量閾值 從而能夠有效監(jiān)測(cè) 并控制農(nóng)田微塑料污染 3 微塑料對(duì)作物 土壤影響的系統(tǒng)評(píng)估 應(yīng)對(duì)不 同種類的微塑料 作物 土壤等進(jìn)行多層次深入研 究 進(jìn)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(shí) 目前絕大多 數(shù)微塑料研究都在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行 且部分研究 中微塑料添加量遠(yuǎn)高于普通農(nóng)田污染量 造成了微 塑料的試驗(yàn)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(píng)估土壤理化性質(zhì) 微生物和作物對(duì)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(guò)吸附解吸 釋放的污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康均存在潛在威 脅 應(yīng)進(jìn)一步分析微塑料和其負(fù)荷物能否被田間作 物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)并最終進(jìn)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(huì)影響土壤質(zhì)量進(jìn)而影響作物健康亟 須探明 參考文獻(xiàn) References 雷曉婷 雷金銀 周麗娜 等 微塑料對(duì)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(mèng)如 馬旖旎 季榮 微塑料圈 環(huán)境微塑料對(duì)微生物的 載體作用 J 環(huán)境保護(hù) 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(jìn)展 與展望 J 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào) 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(xiǎn) J 中國(guó)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(ài)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(xiǎn)研究進(jìn)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