來源：土壤觀察

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塑料已經成爲現代社會不可或缺的産品而被廣泛應用，塑料污染也成了一(yī)個全球性的環境污染問題。近年來，土壤塑料污染的問題也開(kāi)始受到關注。本文針對近幾年來國内外(wài)關于塑料污染對土壤生(shēng)态系統的影響進行綜述，主要包括以下(xià)幾個方面：

（1）微塑料對土壤物(wù)理化學性質的影響；
（2）微塑料對土壤微生(shēng)物(wù)群落的影響；
（3）微塑料與土壤動物(wù)的相互作用。

最後，本文對未來關于土壤微塑料研究的重點方向進行了展望。

文/朱永官，朱冬，許通，馬軍（中(zhōng)國科學院城市環境研究所，中(zhōng)國科學院城市環境與健康重點實驗室）
來源：《農業環境科學學報》2019年1期

我(wǒ)們現在身處一(yī)個“塑料”的時代，塑料産品被廣泛應用于各領域，其産量和廢棄量逐年遞增。在歐洲，包裝領域需求塑料最多，占總重量的40%，其次爲建築、汽車(chē)、電(diàn)器、農業等領域。全球塑料産量從1950年的200萬t增加到2015年的3.8億t，總産量達78億t（中(zhōng)國産量約占28%），其中(zhōng)9% 的塑料被回收，79%的塑料被填埋或者遺棄在自然界中(zhōng)。自1992年至2016年，全球生(shēng)活源廢塑料貿易量爲2.4億t，中(zhōng)國進口量占72%，對全球的廢塑料回收做出了巨大(dà)貢獻。

塑料的大(dà)量使用已經導緻環境中(zhōng)塑料及其衍生(shēng)品對大(dà)氣、海洋和陸地環境造成污染。2012年全球因生(shēng)産和使用塑料産品而排放(fàng)的二氧化碳（不包括填埋和焚燒）達3.9億t。大(dà)量塑料被随意丢入湖泊、河流并彙入海洋，并通過運動的洋流在世界五個地區集中(zhōng)，形成世界的“海洋垃圾帶”。這些塑料碎片已對海洋生(shēng)态造成威脅，甚至将可能産生(shēng)不可逆的影響。研究表明，2010 年沿海國家和地區共産生(shēng)約2.8億t塑料垃圾，其中(zhōng)480 萬~1270 萬t塑料流入海洋，中(zhōng)國的排放(fàng)量遠高于全球其他地區，約爲美國的30倍。盡管我(wǒ)們對Jambeck等研究的模型和方法持懷疑态度，但研究的結論已成爲發達國家對我(wǒ)國進行指責與攻擊的依據，給我(wǒ)國造成巨大(dà)壓力。

大(dà)塊塑料經紫外(wài)線照射、碰撞磨損或工(gōng)業生(shēng)産等方式，形成粒徑小(xiǎo)于5 mm 的固體(tǐ)顆粒被稱爲微塑料，也有學者提出粒徑小(xiǎo)于1 mm 才稱爲微塑料。微塑料具有不溶性和持久性，根據形态主要分(fēn)爲球形顆粒、薄膜、碎片和纖維。随着研究的深入，微塑料的分(fēn)類将越來越精細，粒徑更小(xiǎo)的微塑料也将被重新定義。汽車(chē)輪胎磨損、日常生(shēng)活和洗衣、工(gōng)業過程（如打磨）、表面磨損和塑料塗料（如人造草皮和聚合物(wù)塗料）是微塑料的主要産生(shēng)方式，因其能夠進入食物(wù)鏈，進而可引發嚴重的環境和健康問題。海洋受微塑料影響最爲直接，在牡蛎等海洋生(shēng)物(wù)體(tǐ)内已發現微塑料顆粒，人類糞便中(zhōng)也已發現微塑料。土壤中(zhōng)（微）塑料的污染也十分(fēn)普遍，主要通過農膜的大(dà)量使用和廢棄物(wù)的循環利用等途徑進入。德國科學家Rillig是世界上最早關注土壤微塑料污染的學者之一(yī)，他指出微塑料進入土壤後，積累到一(yī)定程度則會影響土壤性質、土壤功能及生(shēng)物(wù)多樣性。随後，一(yī)些學者進行了相對深入的研究，發現土壤中(zhōng)的微塑料對水分(fēn)、養分(fēn)的運輸和作物(wù)生(shēng)長均有不良影響。

關于土壤塑料污染今年已有綜述論文，他們比較全面地論述了相關的研究進展，總體(tǐ)比較宏觀。本文主要結合最新的國内外(wài)研究進展，從土壤生(shēng)物(wù)學的視角綜述了微塑料污染對土壤生(shēng)态系統的影響，并提出了未來的一(yī)些研究重點和方向，爲開(kāi)展微塑料污染的土壤生(shēng)态效應的相關研究提供參考。

1 微塑料對土壤物(wù)理化學性質的影響

微塑料通過長期的農用地膜殘留、有機肥和污泥的施用、地表水灌溉和大(dà)氣沉降等方式進入土壤環境。在我(wǒ)國上海城郊淺表層（0~3 cm）和深表層（3~6cm）土壤中(zhōng)，分(fēn)别發現粒徑爲20~5 mm的微塑料豐度達到78.00個·kg-1土和62.50個·kg-1土，而粒徑爲5~2cm的塑料豐度達到6.75個·kg-1土和3.25個·kg-1土，且有48.79% 和59.81% 的塑料粒徑小(xiǎo)于1 mm。在滇池周邊的農田和河岸森(sēn)林土壤中(zhōng)也發現微塑料豐度達7100~42 960個·kg-1土（平均18 760個·kg-1土），且95% 的微塑料粒徑在0.05~1 mm 之間。在歐洲農田中(zhōng)，污泥施用使得土壤中(zhōng)微塑料顆粒達到1000~4000個·kg-1土。在澳大(dà)利亞悉尼工(gōng)業區土壤中(zhōng)微塑料含量高達0.03%~6.7%。這些進入土壤中(zhōng)的微塑料，在長期的風化作用、紫外(wài)照射及其與土壤中(zhōng)其他組分(fēn)的相互作用下(xià)，表面逐步老化、粗糙，顆粒或碎片裂解，粒徑變小(xiǎo)，比表面積增大(dà)，吸附位點增加，表面官能團增多，疏水性增強，辛醇/水分(fēn)配系數升高，在土壤pH、鹽度、有機質和離(lí)子交換等複雜(zá)因素的調控下(xià)，對土壤中(zhōng)重金屬和多環芳烴、多氯聯苯、農藥、抗生(shēng)素等有機污染物(wù)的吸附能力顯著增強，從而改變土壤的理化性質，影響土壤生(shēng)态系統健康。

微塑料進入土壤可以影響土壤的結構及其他物(wù)理性質。de Souza Machado 等研究發現，在環境相關濃度下(xià)，微塑料可以影響土壤容重、水力特征以及團聚體(tǐ)的變化。此外(wài)，不同微塑料的影響存在較大(dà)差異，如聚酯顯著降低土壤水穩性團聚體(tǐ)，而聚乙烯則可以顯著提高土壤水穩性團聚體(tǐ)的量。一(yī)項雲南(nán)的野外(wài)調查研究發現，70%以上的微塑料顆粒和土壤團聚體(tǐ)相結合，特别是和微團聚體(tǐ)結合。但是目前還缺乏有關塑料污染與土壤團聚體(tǐ)相互作用的長期和原位研究，因此尚無法判斷塑料污染對土壤水分(fēn)運移和水土保持的影響。

1.1微塑料對重金屬的吸附

近年來，一(yī)些研究已經證明：微塑料進入土壤環境會與重金屬發生(shēng)地球化學作用。耕地、林地是農用地膜使用和施肥灌溉的主要區域，Hodson等研究了高密度聚乙烯對農林用地土壤中(zhōng)Zn2+的吸附行爲，他們發現，在含有更加豐富的有機質林地土壤中(zhōng)，高密度聚乙烯對Zn2+的吸附能力更強，且吸附行爲符合Langmuir 和Freundlich 方程。土壤中(zhōng)微塑料的老化對其吸附重金屬也有顯著的影響，Nicole等将高密度聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯（微米級的再生(shēng)塑料顆粒）暴露在人工(gōng)老化條件（2000 h；光氧化和熱氧化）下(xià)模拟它們在戶外(wài)的老化過程後，用柱滲濾試驗研究發現了微塑料老化不僅明顯增加了其對TOC、Cl、Ca、Cu、Zn的吸附，而且也減弱了重金屬的解吸和釋放(fàng)作用，表明老化的微塑料對重金屬具備更強的固定能力。Turner等利用新鮮和老化的微塑料小(xiǎo)球吸附痕量金屬的研究也表明，金屬對老化塑料具備更強的親和力。此外(wài)，土壤中(zhōng)的官能團吸附到微塑料表面，可能對其吸附重金屬有一(yī)定影響，Kim 等對官能團包被的聚苯乙烯吸附Ni的研究表明，官能團改變微塑料和重金屬表面的疏水性，從而影響其對重金屬的吸附。因此，微塑料一(yī)旦進入土壤且被風化老化，在土壤複雜(zá)環境的影響下(xià)，其将成爲重金屬的有效載體(tǐ)固定在土壤環境中(zhōng)，可能損害土壤生(shēng)态系統健康。

1.2 微塑料對有機污染物(wù)的吸附

多環芳烴、多氯聯苯、殺蟲劑、除草劑和抗生(shēng)素等有機污染物(wù)是影響土壤生(shēng)态系統健康的另一(yī)類重要因素。近年來，學者們普遍認爲微塑料在環境中(zhōng)扮演着污染物(wù)遷移載體(tǐ)的角色。Heskett等對太平洋、大(dà)西洋、印度洋和加勒比海區域的孤島微塑料吸附有機污染物(wù)的研究發現，即使是不同環境背景濃度的PCBs、DDTs、HCHs也可被微塑料吸附。污染物(wù)的疏水性直接影響其在微塑料表面的吸附，Hüffer等研究了4種微塑料（PE、PA、PS和PVC）對7種脂肪族和芳香族有機物(wù)的吸附作用，他們發現PE的吸附主要在于固液相的分(fēn)配平衡，而PA、PS 和PVC 對有機污染物(wù)的吸附以表面吸附爲主導，并發現微塑料的吸附能力與污染物(wù)的疏水性緊密相關，揭示了疏水作用是影響微塑料吸附性的主要因素。Sven 等在pH=4、7、10的條件下(xià)，用兩種微塑料顆粒（聚乙烯和聚苯乙烯）吸附19種不同的污染物(wù)（農藥、藥品和個人護理産品），結果也證明相比于中(zhōng)性物(wù)質，疏水化合物(wù)更易于吸附到塑料顆粒。環境中(zhōng)微塑料的老化風化對有機污染物(wù)的吸附也有很重要的影響，Zhang等将環境中(zhōng)風化老化的發泡聚苯乙烯作爲吸附劑對土黴素的吸附進行研究發現，相比于新鮮塑料，環境中(zhōng)發泡微塑料對抗生(shēng)素的吸附能力更易受pH的影響，有機質的存在影響抗生(shēng)素與微塑料之間的靜電(diàn)作用，并且能夠調控兩者的吸附。此外(wài)，氫鍵和多價陽離(lí)子橋接、π-π作用對微塑料吸附抗生(shēng)素具有重要的調控能力。綜上，土壤中(zhōng)的有機污染物(wù)會被微塑料所吸附，并且複雜(zá)的土壤環境條件對微塑料的吸附具有很強的調控能力。

1.3 微塑料對微生(shēng)物(wù)的吸附

微生(shēng)物(wù)對土壤生(shēng)态系統健康至關重要。随着研究的逐步深入，人們開(kāi)始擔憂微塑料可能成爲緻病菌等有害微生(shēng)物(wù)的運輸載體(tǐ)，影響土壤生(shēng)态系統健康。已有研究表明，微塑料可爲微生(shēng)物(wù)提供吸附位點，使其長期吸附在微塑料表面，形成生(shēng)物(wù)膜，影響土壤微生(shēng)物(wù)的生(shēng)态功能。而且，伴随微塑料的遷移，微生(shēng)物(wù)會擴散到其他生(shēng)态系統，改變生(shēng)态系統的菌群和功能。

Oberbeckmann等研究了不同環境條件（包括營養水平）對聚苯乙烯、聚乙烯表面細菌群落的組成和特異性的影響，發現雖然大(dà)部分(fēn)緻病菌沒有被微塑料吸附，但表明了污水處理廠中(zhōng)微塑料是抗生(shēng)素抗性基因水平轉移的載體(tǐ)。但總體(tǐ)來說，目前關于土壤中(zhōng)微塑料對微生(shēng)物(wù)的吸附和微生(shēng)物(wù)在微塑料表面生(shēng)長的研究還很少，有待進一(yī)步拓展和深入。

2 微塑料對土壤微生(shēng)物(wù)群落的影響

在海洋塑料污染方面，Zettler等提出塑料際的概念。他們利用電(diàn)子掃描電(diàn)鏡和下(xià)一(yī)代高通量測序等手段揭示了塑料表面存在複雜(zá)的微生(shēng)物(wù)群落，甚至存在一(yī)些潛在的病原菌。在陸地生(shēng)态系統中(zhōng)目前還缺乏類似的研究。他們的測序數據顯示，不同塑料表面的微生(shēng)物(wù)類群與海水的微生(shēng)物(wù)組成具有很大(dà)的差異。關于塑料污染對土壤微生(shēng)物(wù)群落影響的研究還較少，目前主要集中(zhōng)在塑料覆膜對微生(shēng)物(wù)群落的影響以及微生(shēng)物(wù)對塑料的降解上。如Jin等長期定位研究表明，塑料覆膜顯著提高玉米稭稈的降解，提高土壤有機碳的積累。Sun等研究設施栽培土壤中(zhōng)表面活性劑和微塑料污染對土壤細菌和噬菌體(tǐ)相關的抗生(shēng)素抗性基因的影響，發現這種影響還沒有明确的規律性。塑料污染是如何驅動抗性基因的傳播也缺乏機理性的研究，需要深入的探讨。Qian等近期的研究顯示，覆膜塑料的殘留可以顯著降低土壤中(zhōng)碳氮循環相關基因的表達，從而降低土壤碳氮含量，影響土壤肥力。

塑料的化學成分(fēn)在塑料降解過程中(zhōng)釋放(fàng)，從而造成土壤污染，其中(zhōng)比較典型的是鄰苯二甲酸酯。Kong等研究表明，随着土壤中(zhōng)二丁基鄰苯二甲酸酯含量的提高，土壤微生(shēng)物(wù)多樣性下(xià)降。Wang等研究了土壤中(zhōng)二甲基鄰苯二甲酸酯污染對黑土中(zhōng)微生(shēng)物(wù)功能的影響，他們發現這類污染物(wù)增加了土壤中(zhōng)一(yī)些功能基因，包括信号傳導基因和與二甲基鄰苯二甲酸酯降解有關的一(yī)些基因的表達，并認爲這些基因表達的增加可能導緻土壤中(zhōng)碳氮循環的加快，可能不利于黑土肥力的維持。

3 微塑料與土壤動物(wù)的相互作用

3.1 微塑料對土壤動物(wù)的影響

微塑料污染能在多個方面影響土壤動物(wù)。首先，由于微塑料微小(xiǎo)的尺寸，它能夠被土壤動物(wù)攝食，因此可能在土壤食物(wù)鏈中(zhōng)累積，從而影響各營養級的土壤動物(wù)。多項關于蚯蚓的研究已經表明，微塑料能夠被蚯蚓取食，且影響其成長、存活和造成腸道的損傷。Rillig等總結早期的研究發現，土壤原生(shēng)動物(wù)如纖毛蟲、鞭毛蟲和變形蟲等能夠攝食微塑料顆粒，且提議微塑料對其的影響需要得到更大(dà)的關注。特别值得注意的是，變形蟲是濾食動物(wù)，其可能誤食土壤孔隙水中(zhōng)的微塑料顆粒。在對土壤跳蟲的研究中(zhōng)，Zhu等發現，28 d土壤微塑料暴露（1 g微塑料·kg-1 幹土）顯著減少跳蟲的繁殖率和成長率，增加其體(tǐ)内碳氮同位素的分(fēn)餾。值得關注的是，近期對線蚓的研究表明，低濃度納米塑料急性飲食暴露（0.5%納米塑料/麥片）可顯著增加其繁殖率，但随着暴露濃度的增加，繁殖率随之下(xià)降且其生(shēng)物(wù)量顯著降低。對秀麗隐杆線蟲的研究表明，微塑料能夠影響其神經毒性、氧化損傷、繁殖率、成長和存活率，且微塑料粒徑的影響大(dà)于微塑料種類的影響。但這些研究主要集中(zhōng)于微塑料對模式動物(wù)的影響，對實際土壤動物(wù)影響的關注還不足。最近，微塑料對土壤動物(wù)腸道微生(shēng)物(wù)的影響引起了大(dà)家的關注。一(yī)項關于跳蟲的研究表明，微塑料的土壤暴露破壞了其腸道微生(shēng)物(wù)的群落結構，但顯著增加了其腸道微生(shēng)物(wù)的多樣性。Zhu等關于線蚓腸道微生(shēng)物(wù)的研究也發現低濃度納米塑料的飲食暴露可增加其腸道微生(shēng)物(wù)的多樣性，但随着暴露濃度的增加，多樣性随之下(xià)降且腸道微生(shēng)物(wù)的群落結構被改變。由于納米塑料的暴露，在線蚓腸道中(zhōng)與氮循環和有機質分(fēn)解相關的微生(shēng)物(wù)（根瘤菌科和黃色杆菌科等）的相對豐度也顯著下(xià)降。一(yī)項對墨西哥東南(nán)部傳統瑪雅家庭花園的調查研究發現，微塑料濃度在土壤（0.87±1.9個·g-1）、蚓糞（14.8±28.8個·g-1）和雞糞（129.8±82.3個·g-1）中(zhōng)逐級增加，這暗示微塑料能夠進入陸生(shēng)食物(wù)鏈并在其中(zhōng)累積。Rillig也認爲土壤微型/中(zhōng)型動物(wù)能夠取食微塑料并在其土壤碎屑食物(wù)鏈中(zhōng)傳遞累積。但由于檢測手段的限制，關于微塑料在土壤食物(wù)鏈中(zhōng)傳遞的認識仍十分(fēn)有限。而且，微塑料通過改變土壤動物(wù)的栖息環境間接影響土壤動物(wù)的活動。微塑料可能堵塞土壤的孔隙，從而影響土壤中(zhōng)型動物(wù)的活動。凋落物(wù)中(zhōng)混雜(zá)微塑料将影響大(dà)型土壤動物(wù)（如蚯蚓等）的取食。一(yī)項室内模拟實驗表明，微塑料污染的凋落物(wù)将影響凋落物(wù)對蚯蚓的适口性。此外(wài)，微塑料表面吸附的一(yī)些污染物(wù)質也會增強它們對土壤動物(wù)的影響，如Hodson等研究發現，微塑料提高了蚯蚓體(tǐ)内鋅的生(shēng)物(wù)有效性。

3.2土壤動物(wù)對微塑料的影響

在土壤生(shēng)态系統中(zhōng)，土壤動物(wù)能夠影響微塑料的二次分(fēn)解與遷移擴散。在大(dà)型食土動物(wù)蚯蚓的胃中(zhōng)，誤食的塑料碎片可能被磨碎成微塑料。多項研究表明，相比于土壤或食物(wù)，在蚓糞中(zhōng)能檢測到更小(xiǎo)粒徑和更高濃度的微塑料顆粒。随着蚯蚓的活動，其取食的微塑料顆粒能通過表面附着、排洩和死亡軀體(tǐ)等形式擴散到其他區域。比如，土壤表面的微塑料被蚯蚓取食後将會通過蚯蚓的活動帶入深層的土壤中(zhōng)。此外(wài)，蚯蚓活動所形成的土壤孔隙也将有利于微塑料随着水分(fēn)向下(xià)層土壤遷移。跳蟲、螨蟲等其他中(zhōng)型土壤動物(wù)也可以通過表面附着，抓、推等形式加速微塑料在土壤中(zhōng)的遷移。Maaß 等研究發現，跳蟲能夠加速微塑料的擴散，且不同種類跳蟲移動微塑料的能力不同。Zhu等的研究表明，相比于跳蟲與捕食螨，甲螨具有更強的移動微塑料的能力。此外(wài)，個體(tǐ)小(xiǎo)于0.2 cm的土壤微節肢動物(wù)能夠移動微塑料顆粒到9 cm 以外(wài)的區域。由于跳蟲與螨蟲個體(tǐ)較小(xiǎo)，能夠進入土壤孔隙中(zhōng)，随着它們的活動也将把微塑料顆粒帶入土壤孔隙中(zhōng)，從而可能影響土壤水分(fēn)和養分(fēn)的遷移，同時增加微塑料進入地下(xià)水的風險。值得注意的是，一(yī)項涉及跳蟲與捕食螨的研究表明，土壤食物(wù)鏈中(zhōng)捕食與被捕食的聯系可以增加跳蟲與捕食螨移動微塑料的能力，暗示了在複雜(zá)土壤食物(wù)網中(zhōng)，土壤動物(wù)對微塑料的影響需要更多地考慮動物(wù)之間的聯系。

4 結論與未來研究方向

塑料污染是一(yī)個全球性的問題，但目前的研究還比較分(fēn)散，未來還需要一(yī)些系統性的思考。關于塑料污染對土壤生(shēng)态系統的影響，未來需要特别關注以下(xià)問題：

（1）塑料污染對土壤生(shēng)态系統功能的影響。盡管目前已經開(kāi)展了土壤塑料污染的研究，但是尚未深層次地探索塑料污染對土壤過程和功能的影響。未來需要探明塑料污染對土壤養分(fēn)循環和土壤健康的影響，探明微塑料及其成分(fēn)對土壤微生(shēng)物(wù)功能群和功能基因的影響。

（2）土壤生(shēng)物(wù)對塑料降解的影響及其機理，特别是微生(shēng)物(wù)以及土壤動物(wù)腸道微生(shēng)物(wù)對塑料降解的影響。在生(shēng)物(wù)降解研究的基礎上，未來需要發展生(shēng)物(wù)修複技術，以緩解陸地生(shēng)态系統塑料污染的問題。

（3）需要關注塑料制品中(zhōng)其他化學品對土壤生(shēng)态系統的影響，包括塑化劑和阻燃劑等。這些化學物(wù)質在塑料降解過程中(zhōng)被釋放(fàng)出來，需要探明這些化學物(wù)質的行爲、毒理效應以及在食物(wù)鏈中(zhōng)的積累機制等。

（4）塑料在土壤中(zhōng)作爲微生(shēng)物(wù)生(shēng)長的載體(tǐ)，形成生(shēng)物(wù)膜。未來需要探明塑料表面的微生(shēng)物(wù)群落和功能，以及塑料生(shēng)物(wù)膜對土壤微生(shēng)物(wù)群落和過程的影響。