微塑料对农田生态系统的影响、研究现状与展望.pdf

DOI 10 12357 cjea 20210442 吕一涵 周杰 杨亚东 臧华栋 胡跃高 曾昭海 微塑料对农田生态系统的影响 研究现状与展望 J 中国生态农业学报 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 微塑料对农田生态系统的影响 研究现状与展望 吕一涵 周 杰 杨亚东 臧华栋 胡跃高 曾昭海 中国农业大学农学院 农业农村部农作制度重点实验室 北京 100193 摘 要 近年来 微塑料污染成为全球关注的热点问题 在农田生态系统中地膜覆盖 灌溉用水 有机肥施用等措 施在提升作物产量的同时 都会导致塑料残留 因耕作和紫外线辐射 残留塑料逐步破碎降解形成微塑 直径 5 mm 进入土壤 作物与食物链系统 威胁生态系统健康 本文系统总结了农田微塑料的来源 丰度 迁移特点和检测 方法 重点关注了微塑料在农田生态系统中对作物生长发育 微生物活性 土壤养分循环及温室气体排放等方面 的影响 微塑料对作物 土壤 微生物系统产生的主要影响为 1 微塑料含有的毒性添加剂 即增塑剂 与携带的有 害物质 如有机污染物 重金属和病原体 随塑料颗粒在土壤中迁移 可改变土壤理化性质 并为微生物提供新生态 栖息地 对作物生长 土壤酶和微生物活性造成影响 2 微塑料含有大量碳 通常约为90 影响其他元素 如氮和 磷 循环 进而影响微生物活性 土壤性质改变也间接影响CO2 N2O和CH4形成 由于聚合物类型 大小 形状 和浓度的高度可变性 微塑料对作物生产和土壤生物地球化学过程的影响及其机制有待深入探究 本文还展望了 未来农田生态系统微塑料的研究方向和重点 关键词 微塑料 农田生态系统 作物 微生物 土壤养分循环 中图分类号 X53开放科学码 资源服务 标识码 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的微塑料含量为14 895个 kg 1 19 粒径 0 5 mm的塑料碎片含量为2 4 180 mg kg 1 20 我国农田土壤中 每年由于有机肥施 用带入的微塑料量为52 4 26 400 t 21 此外 由于地 膜覆盖具有控制杂草 保持水分 改善土壤温度等 优点 在干旱和半干旱地区得到广泛应用 22 24 据统 计 2015年我国农用地膜使用量达到145 5万t 25 但 回收率不足60 导致大量地膜残留 带来严重的微 塑料污染 26 在对杭州湾覆膜和未覆膜土壤的研究 显示 覆膜和未覆膜土壤的微塑料含量分别为571 个 kg 1和263个 kg 1 27 基于我国多省调查也表明 微塑料含量随覆膜年限延长而升高 28 在地膜覆盖 广 泛 的 新 疆 地 区 土 壤 地 膜 残 留 物 最 高 含 量 可 达 324 5 kg hm 2 29 旱区地膜覆盖的5年到30年间 粒 径 2 mm的 微 塑 料 浓 度 也 从91 2 mg kg 1增 加 到 308 5 mg kg 1 30 另外 也有部分微塑料通过大气沉 降进入农田生态系统 巴黎的一项研究表明 大气沉 2 中国生态农业学 报 中英文 2022 第 30 卷 降物中微塑料可达每天每平方米280颗 31 可见 微 塑料可以通过地膜残留 有机肥施用 灌水 大气 沉降等多种渠道进入农田土壤 1 2 农田生态系统中微塑料的迁移 因微塑料化学性质稳定且能够长期存在 进入 土壤的微塑料会随着自然条件或人类活动而发生迁 移 图1 32 土壤的多孔特性使小颗粒微塑料通过 重力沉降和降水渗透进入地下水循环 同时生物扰 动 如通过动物的活动沿土壤剖面运输 和耕作等还 会 导 致 更 大 粒 径 的 微 塑 料 颗 粒 在 农 田 土 壤 中 运 移 20 33 34 Rillig等 34 观 察 到 微 塑 料 可 以 黏 附 在 蚯 蚓上随其移动而发生迁移 认为蚯蚓的外部附着是 微塑料迁移的一种运输机制 农业措施 如耕作 会 引起表层和深层土壤的交换 进而促进表层土壤中 的微塑料向深层土壤迁移 此外 当微塑料不断分 解 形 成 纳 米 颗 粒 5 mm 30 39 然后运用密度分离法将微塑料进行 分离 最后实现对微塑料含量的测定 40 微塑料颗粒 能够在40倍显微镜下被识别 计数和分类 41 42 如 Kim等 43 通过高清摄像机 10 80倍立体显微镜和 红外光谱测量了单个微塑料颗粒的形态特征和聚合 物特性 Birch等 44 运用稳定同位素质谱 显微拉 曼光谱 Raman 紫外 UV 光和热模拟风化条件 等方法追踪塑料在环境中的地理起源和变化 同时 消化处理和荧光染色也有利于微塑料的检测 45 虽 然物理 如显微镜 和化学 如光谱 分析的结合被广 泛用于微塑料测定 46 但微塑料检测仍受到土壤组分 复杂程度以及检测方法本身的限制 因此 根据试 验目的合理选择分析技术的同时 还亟需加强研究 并制定出土壤微塑料检测方法标准 47 48 2 农田微塑料污染对作物生长的影响 作物是农田生态系统的基本组成部分 了解微 塑料对作物生长发育的影响至关重要 目前 已有 研究报道了微塑料对小麦 Triticum aestivum L 水 稻 Oryza sativa L 玉米 Zea mays L 多年生黑麦草 Lolium perenne L 等作物的影响 连加攀等 49 研究 了乙烯 乙酸乙烯酯共聚物 EVA 线性低密度聚乙 烯 LLDPE 和聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 对小麦种 第 1 期 吕一涵等 微塑料对农田生态系统的影响 研究现状与展望 3 子发芽的影响 结果表明微塑料对小麦种子发芽的 影 响 表 现 为 低 浓 度 荒地 农田 果园 农用地膜能提高土壤中PAEs 的含量 此外 作物细胞壁孔洞约5 50 nm 介于此 粒径的微塑料更容易吸附在种子表皮或根系细胞壁 孔洞 堵塞种子囊中的孔 扰乱种子或根系对水分 营养的正常吸收或运输 进而抑制作物生长 55 56 李 连祯等 35 通过荧光标记和激光共聚焦扫描电镜观察 到微塑料在作物体内的分布情况和运输过程 发现 亚微米级聚苯乙烯 PS 微珠能够通过质外体运输聚 集在小麦根部 进入中柱后 随蒸腾作用向作物地上 部移动 上述过程均会对作物生长发育产生直接影 响 但仍需在不同地区对更多微塑料种类和作物种 类等进行研究 以证实其普遍性 2 2 微塑料对作物的间接作用 由于微塑料的密度通常小于土壤 微塑料污染 会改变土壤容重和保水能力 微塑料能够影响土壤 团聚体结构 降低土壤的通气性和透水性 阻挡根系 对水分及养分的有效吸收 进而影响作物生长 57 58 有研究表明 5 m的PS纤维 0 3 添加到土壤中有 利于土壤团聚体的形成 增大土壤孔隙率 降低土壤 持水能力 59 加快水分蒸发 60 相反 18 m的聚丙 烯 PP 纤 维 0 4 和8 m的PS纤 维 0 4 添 加 降低了土壤水稳性团聚体 导致土壤退化 61 此外 微塑料含碳量相对较高 会导致土壤碳氮比增加 促 进微生物的氮固定能力 进而抑制其他土壤微生物 和植物的生长及养分吸收 尤其是可降解微塑料 62 土壤性质的改变还能促使作物根际微生物 如固氮 菌 丛枝菌根真菌等 的活性变化 63 土壤孔隙度和 水分运输状态的改变也可能造成氧含量变化 改变 土壤中厌氧和好氧微生物的相对分布 64 进而对微生 物多样性和作物生长产生影响 表1 3 农田微塑料污染对土壤微生物的影响 土壤微生物对农田生态系统至关重要 微生物 活性的增强会促进碳 氮 磷等营养元素的释放 70 微塑料可以为微生物提供吸附位点 使其长期吸附 形成生物热点 改变土壤微生物的生态功能 71 72 如添加聚乙烯 PE 促使放线菌门 Actinobacteria 取 代变形菌门 Proteobacteria 成为土壤优势微生物类 群 73 并增加了土壤中与固氮作用有关细菌的丰度 74 由于微塑料比表面积较大 其表面会吸附重金属和 有机污染物等 75 这些污染物随微塑料一起发生迁 移 进而改变土壤微生物群落和生物多样性 1 另外 微塑料也可能成为致病菌等有害微生物的运输载体 影响土壤健康 76 Fei等 74 对浙江临安农田表层土 壤的研究显示 微塑料 PE和PVC 污染导致土壤细 菌群落活性和 多样性下降 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 磷脂脂肪酸总量 Zhou等 77 通过加入可生物降解 的3 羟基丁酯酸和3 羟基戊酸脂的共聚物 PHBV 发现 其能增加微生物活性 生物量和 多样性 此外 丁峰等 78 研究发现低分子量 2000 聚乙烯能 够显著降低土壤中细菌和真菌的丰度 而高分子量 100 000 聚乙烯具有相反的影响 虽然上述结果表 明添加微塑料会影响土壤微生物的组成和生物量 但也有一些研究发现 添加微塑料对土壤微生物群 落组成和多样性无显著影响 如Huang等 76 对细菌 16S rRNA的测序结果表明 LDPE微塑料处理对土 壤微生物群落 多样性 丰富度 均匀度和多样性 无明显影响 Chen等 79 研究表明聚乳酸 PLA 微塑 料在高碳和低碳条件下对土壤细菌群落组成和优势 类群的相对丰度均无显著影响 Bl cker等 80 也发现 添加低密度聚乙烯 LDPE 和PP微塑料对土壤微生 物活性无明显的不利影响 表2 总之 微塑料的存 在会干扰土壤微生物群落 然而其潜在危害还需进 一步研究 土壤酶活性反映了微生物活性及其对底物的利 用情况 是调控土壤养分循环的关键 83 85 Fei等 74 4 中国生态农业学 报 中英文 2022 第 30 卷 发现在酸性土壤中PE和PVC微塑料添加抑制了荧 光素二乙酸酯水解酶 FDAse 的活性 但是促进了脲 酶 URE 和酸性磷酸酶 ACP 的活性 与PVC处理 相比 PE处理对土壤有更大的负面影响 Huang等 76 通过添加LDPE发现其能显著提高土壤URE和过氧 化氢酶 CAT 活性 也有研究表明 添加7 和28 表 1 微塑料污染对作物生长的影响 Table 1 The impact of microplastics pollution on crop growth 微塑料 Microplastics 作物 Crop 指标 Index 效应 Effect 地点 Location 参考文献 Reference种类 Type 形状 Shape 大小 Size 浓度 Concentration PE 125 m 1 5 10 20 w w 小麦 Wheat 微塑料剂量依赖性 Dose dependent impact of microplastics 英国威尔士格温内思郡 Gwynedd Wales England 65 HDPE 颗粒 Pellets 2 mm 0 1 0 25 0 5 1 w w 小麦 Wheat 种子萌发 生物量 Seedling emergence biomass 澳大利亚新南威尔士州 New South Wales Australia 50 颗粒 Pellets 102 6 m 0 1 w w 多年生黑麦草 Perennial ryegrass 地上部生物量 干重 叶绿素 a和 叶绿素 b含量 Shoot biomass dry weight chlorophyll a and b contents 北爱尔兰韦斯特兰 Westland Northern Ireland 66 颗粒 Pellets 102 6 m 0 1 w w 多年生黑麦草 Perennial ryegrass 根系生物量 叶绿素 a与叶绿素 b 含量的比值 Dry biomass of roots chlorophyll a b 北爱尔兰韦斯特兰 Westland Northern Ireland 66 PVC 125 m 1 5 10 20 w w 小麦 Wheat 微塑料剂量依赖性 Dose dependent impact of microplastics 英国威尔士格温内思郡 Gwynedd Wales England 65 颗粒 Pellets 2 mm 0 01 0 1 0 25 0 5 1 w w 小麦 Wheat 种子萌发 生物量 Seedling emergence biomass 澳大利亚新南威尔士州 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 分蘖数 Biomass tillers number 中国海南省海口市 Haikou City Hainan China 67 PS 颗粒 Pellets 87 nm 10 mg L 1 小麦 Wheat 叶片 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 颗粒 Pellets 87 nm 10 mg L 1 小麦 Wheat 过氧化氢酶和过氧化物酶活性 Catalase and peroxidase activies 68 颗粒 Pellets 87 nm 10 mg L 1 小麦 Wheat Cd胁迫下叶片中长寿自由基的形 成 碳水化合物和氨基酸代谢 种 子萌发 Formation of long lived radicals in leaves after exposure to Cd carbohydrate and amino acid metabolisms seedling emergence 68 PLA 颗粒 Pellets 65 6 m 0 1 w w 多年生黑麦草 Perennial ryegrass 发芽率 株高 Germination percentage plant height 北爱尔兰韦斯特兰 Westland Northern Ireland 66 颗粒 Pellets 65 6 m 0 1 w w 多年生黑麦草 Perennial ryegrass 地上部生物量 干重 叶绿素 a和叶 绿素 b含量 Shoot biomass dry weight contents of chlorophyll a and b 北爱尔兰韦斯特兰 Westland Northern Ireland 66 颗粒 Pellets 65 6 m 0 1 w w 多年生黑麦草 Perennial ryegrass 叶绿素 a与叶绿素 b含量的比值 Chlorophyll a b 北爱尔兰韦斯特兰 Westland Northern Ireland 66 颗粒 Pellets 100 154 m 0 0 1 1 10 w w 玉米 Maize 生物量 叶片叶绿素含量 Biomass chlorophyll content of leaves 中国青岛即墨区 Jimo District Qingdao China 69 PET 颗粒 Pellets 100 000分子 量 2 12 g kg 1 100 000 molecular weight 细菌 真菌 Bacteria fungi 丰富度 Richness 78 LDPE 薄膜 Films L 2 mm W 2 mm T 0 01 mm 0 076 g kg 1 细菌 Bacteria 群落 多样性 Community alpha diversity 中国北京大学 Peking University China 76 薄膜 Films L 2 mm W 2 mm T 0 01 mm 0 076 g kg 1 细菌 Bacteria 相似性 Similarity 中国北京大学 Peking University China 81 薄膜 Films L 2 mm W 2 mm T 0 01 mm 0 076 g kg 1 细菌 Bacteria 群落周转率 群落演替 Turnover rate of bacterial community community succession 中国北京大学 Peking University China 81 颗粒 Pellets 200 630 m 1 w w 微生物 Microbial 活性 群落组成 微生物量氮 Activity community composition microbial biomass nitrogen 德国克莱夫 Kleve Germany 80 颗粒 Pellets 200 630 m 1 w w 微生物 Microbial 微生物量碳 Microbial biomass carbon 德国克莱夫 Kleve Germany 80 颗粒 Pellets 678 m 1 5 w w 细菌 Bacteria 固氮 Nitrogen fixation 中国浙江省临安市 Lin an Zhejiang China 74 HDPE 颗粒 Pellets 2 mm 0 1 0 25 0 5 1 w w 微生物 Microbial 群落多样性 Community diversity 澳大利亚新南威尔士州 New South Wales Australia 50 PVC 颗粒 Pellets 18 m 5 w w 细菌 Bacteria 丰富度 多样性 Richness diversity 中国浙江省临安市 Lin an Zhejiang China 74 颗粒 Pellets 18 m 1 w w 细菌 Bacteria 丰富度 多样性 Richness diversity 中国浙江省临安市 Lin an Zhejiang China 74 颗粒 Pellets 2 mm 0 01 0 1 0 25 0 5 1 w w 微生物 Microbial 群落多样性 Community diversity 澳大利亚新南威尔士州 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 英国威尔士格温内思郡 Gwynedd Wales England 65 颗粒 Pellets 18 m 1 5 w w 细菌 Bacteria 固氮 Nitrogen fixation 中国浙江省临安市 Lin an Zhejiang China 74 PP 颗粒 Pellets 200 630 m 1 w w 微生物 Microbial 活性 群落组成 Activity community composition 德国克莱夫 Kleve Germany 80 颗粒 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 德国克莱夫 Kleve Germany 80 颗粒 Pellets 250 m 28 w w 微生物 Microbial 呼吸 Respiration 中国陕西省安塞县 Ansai Shaanxi China 82 PLA 颗粒 Pellets 20 50 m 2 w w 细菌 Bacteria 群落多样性和组成以及相关生态系 统功能和过程 Community diversity and composition and related ecosystem functions and processes 中国江苏省南京市 Nanjing Jiangsu China 79 颗粒 Pellets 20 50 m 2 w w 厚壁菌 Firmicutes 生物量 Biomass 中国江苏省南京市 Nanjing Jiangsu China 79 PET 颗粒 Pellets 2 mm 0 1 0 25 0 5 1 w w 微生物 Microbial 群落多样性 Community diversity 澳大利亚新南威尔士州 New South Wales Australia 50 表示添加微塑料具有正效应 表示添加微塑料具有负效应 表示添加微塑料无效应 表示文献中无该栏信息 L 表示长度 W 表示宽度 T 表示 厚度 未标字母为粒径 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 聚对苯二甲酸乙二醇酯 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 中国生态农业学 报 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 以上研究结果 表明 微塑料可以促进含氮有机质水解和有机磷矿 化 降低可溶性有机物 DOM 的生物降解性 同时 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 综上所述 微塑料对土壤中微生物和 酶活性的影响可能随着微塑料自身特性 粒径 剂 量 种类 的变化而变化 表3 4 微塑料污染对农田土壤养分循环的影响 微塑料属于高碳聚合物 碳含量超过90 微塑 料污染可以显著改变土壤碳储量 13 可溶性有机碳 DOC 是土壤有机质的重要组成部分 是土壤质量 变化 如结构 养分有效性 水分 的敏感指标 在 生物地球化学循环中发挥着重要作用 86 87 Liu等 86 发现添加高浓度PP微塑料 28 w w 能够促进水 解酶活性 进而增加可溶性碳氮含量 提高土壤养分 但 也 有 研 究 表 明 添 加PE 5 w w 和PLA 1 w w 微塑料对DOC含量没有显著影响 73 79 综合来 看 低浓度微塑料对DOC形成影响不大 而高浓度 微塑料则促进DOC形成 此外 Zhou等 88 发现可 生物降解微塑料分解产生的生物可利用碳 增强了 微生物和酶的活性 加速了土壤有机质 SOM 矿化 从而增加了植物和微生物之间的养分竞争 氮和磷作为作物的主要营养物质 对于维持农 田生态系统结构与功能具有重要作用 在生物降解 地膜覆盖研究中 使用玉米淀粉和共聚酯地膜对硝 化 过 程 和 亚 硝 酸 盐 的 产 生 无 显 著 影 响 89 相 反 Chen等 79 研究表明添加生物降解塑料PLA可以降 低土壤中铵态氮浓度 增加硝态氮浓度 影响土壤氮 素循环过程 另外 微塑料的衍生物 如邻苯二甲酸 酯类 也会造成土壤污染 54 90 92 限制关键土壤酶活 性 影响农田养分循环 91 94 添加PS和PE微塑料会 抑制土壤氮循环关键酶活性 95 96 也有研究报道 PP微 塑 料 可 以 通 过 其 表 面 的 羰 基 C O 和 羟 基 OH 来螯合铵态氮 直接抑制氮的有效性 97 Liu 等 86 发现添加PP微塑料增加了土壤总可溶性磷和 有机磷含量 但磷酸根离子的含量受污染时间的影 表 3 微塑料污染对土壤酶活性的影响 Table 3 The impact of microplastics pollution on soil enzyme activities 微塑料 Microplastics 土壤 Soil 指标 Index 效应 Effect 地点 Location 参考文献 Reference种类 Type 形状 Shape 大小 Size 浓度 Concentration PE 颗粒 Pellets 678 m 1 5 w w 壤土 Loamy soil URE ACP 中国浙江省临安市 Lin an Zhejiang China 74 颗粒 Pellets 678 m 1 5 w w 壤土 Loamy soil FDAse 中国浙江省临安市 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 中国北京大学 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 中国北京大学 Peking University China 76 PVC 颗粒 Pellets 678 m 1 5 w w 壤土 Loamy soil URE ACP 中国浙江省临安市 Lin an Zhejiang China 74 颗粒 Pellets 678 m 1 5 w w 壤土 Loamy soil FDAse 中国浙江省临安市 Lin an Zhejiang China 74 PP 颗粒 Pellets 250 m 28 w w 黄土 Loess URE 中国陕西省安塞县 Ansai Shaanxi China 82 颗粒 Pellets 250 m 7 28 w w 黄土 Loess AP 中国陕西省安塞县 Ansai Shaanxi China 82 颗粒 Pellets 250 m 28 w w 黄土 Loess GLU 中国陕西省安塞县 Ansai Shaanxi China 82 颗粒 Pellets 180 m 7 28 w w 黄土 Loess PO 中国陕西省安塞县 Ansai Shaanxi China 86 颗粒 Pellets 180 m 7 28 w w 黄土 Loess FDAse 中国陕西省安塞县 Ansai Shaanxi China 86 PLA 颗粒 Pellets 20 50 m 2 w w URE CAT GLU 中国江苏省南京市 Nanjing Jiangsu China 79 表示添加微塑料具有正效应 表示添加微塑料具有负效应 表示添加微塑料无效应 表示文献中无该栏信息 L 表示长度 W 表示 宽度 T 表示厚度 未标字母为粒径 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 荧光素二乙酸酯水解酶 CAT 过氧化氢酶 Invertase 转化酶 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 吕一涵等 微塑料对农田生态系统的影响 研究现状与展望 7 响 表现为初期较高 后期迅速下降 Chen等 79 的研 究则发现添加可降解微塑料PLA并未对土壤无机磷 含量产生影响 总之 微塑料对农田氮和磷循环的 影响在不同研究中结果差异很大 后续仍需更多研 究来阐明其调控机制 先前的研究表明 添加生物炭等含碳聚合物会 极大地影响温室气体 GHGs 排放 98 因此 探究微 塑料这种高碳聚合物对温室气体排放的影响也非常 重要 添加高浓度LDPE微塑料使土壤CO2通量增 加7 8倍 99 Ren等 73 发现在施肥土壤中 添加PE 微塑料减少了N2O排放 进而降低了全球增温潜 势 GWP 这可能是因为微塑料抑制了绿弯菌门 Chloroflexi 和红游动菌属 Rhodoplanes Hiraishi and Ueda 微生物的活性 但是增加了嗜热菌 Thermoleo philia 的丰度 降低了氮的有效性 微塑料也可能通 过增加含水量或降低孔隙率 61 66 进而增加或减少 O2的利用率 导致反硝化过程不完全 改变N2O排放 100 也有研究表明 PVC微塑料可以通过抑制水解 酸化 和甲烷化来减少CH4排放 101 较大粒径的微塑料也 有可能减少CH4的累积吸收 90 表4 因此 不同微 塑料对温室气体排放的潜在影响机理尚需进一步 研究 5 研究展望 由于微塑料的种类多样 形态各异 其对农田 生态系统影响的研究仍非常缺乏 亟需深入探究微 塑料污染对作物 土壤系统的影响 研究表明 微塑 料会改变土壤酶活性和微生物活性 影响农田养分 循环过程 直接和间接影响作物生长及养分吸收 最 终威胁农田生态系统健康 未来研究需重点关注以 下内容 1 农田土壤中微塑料的分离提取和分析鉴定 因塑料与土壤有机质密度较为接近 从有机质含量 较高的土壤中分离微塑料非常困难 同时 农田中 微塑料来源和成分复杂 需建立统一规范的分析鉴 定方法 2 明确农田微塑料含量安全指标范围 农田土 壤中的微塑料不可能在短期内完全去除 应通过大 量试验 建立数据库 探究不同区域影响农田生态系 统正常运行的微塑料含量阈值 从而能够有效监测 并控制农田微塑料污染 3 微塑料对作物 土壤影响的系统评估 应对不 同种类的微塑料 作物 土壤等进行多层次深入研 究 进一步明确不同环境条件下微塑料与作物 土 壤微生物和酶活性的互作关系 同时 目前绝大多 数微塑料研究都在实验室条件下进行 且部分研究 中微塑料添加量远高于普通农田污染量 造成了微 塑料的试验浓度和自然环境浓度之间的不可比性 应在原位土壤中建立作物和微生物的微塑料剂量 效 应关系 评估土壤理化性质 微生物和作物对不同 剂量微塑料胁迫的响应 4 微塑料本身 其释放的化学物质 如增塑剂 阻燃剂 抗氧化剂和稳定剂等 以及通过吸附解吸 释放的污染物对生态系统和人类健康均存在潜在威 胁 应进一步分析微塑料和其负荷物能否被田间作 物吸收转运并最终进入食物链 5 虽然可降解农膜被大规模使用 但是可降解 微塑料是否也会影响土壤质量进而影响作物健康亟 须探明 参考文献 References 雷晓婷 雷金银 周丽娜 等 微塑料对农田土壤质量的 影响研究现状与分析 J 宁夏农林科技 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 季梦如 马旖旎 季荣 微塑料圈 环境微塑料对微生物的 载体作用 J 环境保护 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 孙明星 张林秀 等 土壤微塑料污染研究进展 与展望 J 农业资源与环境学报 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 骆永明 周倩 章海波 等 重视土壤中微塑料污染研究 防范生态与食物链风险 J 中国科学院院刊 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 郝爱红 赵保卫 张建 等 土壤中微塑料污染现状及其 生态风险研究进展 J 环境化学 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