环境中土壤微塑料研究热点及趋势可视化研究

殷伟庆,熊新港,李冠霖,解清杰

1.江苏省镇江环境监测中心,江苏 镇江 212009

2.江苏大学,江苏 镇江 212013

目前,微塑料在不同环境介质中均能被检测到。由于其丰度高、粒径小且比表面积大,很容易与其他物质发生吸附迁移等行为,并通过环境介质迁移和食物链富集危害人体健康。环境中的微塑料一方面充当着其他污染物的载体,在环境污染过程中起到多重载体的作用;另一方面其本身所含添加剂等有害成分会释放到环境中,造成污染[1]。此外,微塑料能够提供独特的基质,使微生物有选择性地富集于其表面,形成有异于周围环境的微生物群落。这种人造生态系统被称为塑料际(The Plastisphere)[2]。当前针对环境微塑料的环境行为和生态风险的研究主要集中在水环境领域,尤其是海洋环境领域。一些研究表明,土壤可能是较水体和沉积物更大的微塑料的“汇”[3],然而受土壤介质成分的复杂性和分离检测方法的有限性的限制[4],土壤微塑料污染研究较少。

近年来,随着文献计量学技术的不断发展,大数据可视化成了研究状况分析的重要手段。当前,关于微塑料的文献报道较多,但对土壤微塑料研究文献进行统计分析并总结的相关综述却鲜有报道,导致当前对微塑料研究热点和未来趋势的分析尚显不足。

本文选用CiteSpace为分析工具,对2000年至今发表的环境微塑料污染方面的文献进行统计和可视化分析,并对当前微塑料研究热点和面临的挑战进行了系统的总结,以期为今后的相关研究提供参考和思路。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本文选用Web of Science(WoS)和中国知网(CNKI)作为文献可视化分析的数据来源,信息采集时间为2022年3月15日。在WoS数据库中,本研究选取的核心合集为SCI-E(科学引文索引)、SSCI(社会科学引文索引)、CPCI-S(会议论文引文索引)、CCR-E(最新化学反应)、IC(化学索引),文献类型为Article(论文)和Review(评论),语种为English(英文),以“(environment*OR nanopolymer*) AND (micro*plastics*OR plastic microbeads*OR plastic particles*OR plastic debris*OR nanoplastics*)”作为检索词进行主题检索,筛选2000年至今的研究文献。使用软件去除重复文献,导出文献作者、标题、来源出版物、摘要、关键词和引用的参考文献等,共检索到外文文献7 085篇。以“(soil*OR terrestrial*) AND (micro*plastics*OR plastic microbeads*OR plastic particles*OR plastic debris*OR nanoplastics*)”作为检索词,提取土壤微塑料相关研究文献,最终共检出1 520篇。

在CNKI数据库中,以“微塑料”“塑料微珠”“塑料微粒”“塑料微球”“纳塑料”为检索词,筛选2000年至今的研究文献,共得到中文文献1 253篇。手动剔除会议公告以及与环境微塑料研究领域不符的文章,剩余文献879篇。在剩余文献中,以“土壤”作为检索词,剔除不相关的研究文献,共得到文献131篇。

1.2 研究方法

CiteSpace是一款由陈超美教授[5]基于Java平台开发,用于分析科学研究中的新兴研究趋势和动态的可视化分析软件,广泛应用于科学引文分析。本文基于CiteSpace文献分析软件绘制相关科学知识图谱,对检索到的微塑料研究领域文献进行图谱可视化分析。按照学科分析(宏观)—主题词分析(微观和直观)—典型聚类分析(局部)—共被引分析(复杂和整体)的分析思路,对机构共现图谱、作者合作图谱、关键词共现图谱、文献共被引图谱等进行计量分析,同时对近年来环境微塑料研究尤其是土壤微塑料研究的现状、趋势和热点进行了归纳总结。由于自CNKI下载的题录不包含参考文献信息,本文只对WoS数据库中的文献进行作者、机构、参考文献共被引分析。

2 文献分析

2.1 发文量与年度分布

文献数量的年度分布变化趋势能够反映该领域的重要性和受关注程度[6]。微塑料相关研究文献的年度分布情况如图1、图2所示。可以看到,从2000年至今,文献数量总体呈波动上升趋势。国内微塑料研究文献数量自2016年开始逐步增加,近几年上升明显。在国外对微塑料的研究不断深入的情况下,国内对微塑料的研究也在逐渐加强。据统计,目前土壤微塑料相关研究文献占环境微塑料研究文献的比例达21.69%(数据来源于WoS和CNKI数据库2019—2022年发表文献),较2019—2020年(6.34%)[3]提升较大,表明2021—2022年土壤微塑料研究热度呈上升趋势。

图1 环境微塑料主题发文量年度分布

图2 土壤微塑料主题发文量年度分布

2.2 关键词分析

2.2.1 关键词共现

关键词共现图谱能够反映该领域的研究热点。利用关键词出现频次(Center Frequency,CF)乘以关键词中心性(Betweenness Centrality,BC),得到研究领域内频次和中心性都较高的节点[7],同时结合突现程度等指标,可直观地呈现研究领域内的重要关键词,为明确该领域的研究热点提供依据[8]。其中,节点颜色由中心向外侧逐渐变暖,外圈颜色代表近几年出现频次较高。

筛选并合并表达含义相同以及相近的关键词后,根据CF×BC值得到目前国际环境微塑料研究领域排名靠前的关键词为“Accumulation”(积累,936.39)、“Marine Debris”(海洋碎屑,594.38)、“Contamination”(污染,273.02)、“Water”(水,167.62)、“Behavior”(行为,79.56)、“Transport”(迁移,63.57)、“Abundance”(丰度,60.48),说明微塑料的积累、迁移等环境行为及生态效应是近年来的研究热点。从关键词突现角度来看,海洋微塑料的研究热度的持续时间最长。

国内外土壤微塑料关键词共现图谱和关键词聚类知识图谱如图3、图4所示,CF×BC值排名靠前的关键词如表1所示。由表1可知,WoS数据库显示的热点词汇主要涵盖土壤、水体和沉积物中微塑料的赋存、迁移特征和浓度分布,微塑料在环境介质中的累积和暴露对土壤理化性质的影响及对动植物的生态毒理学效应,可生物降解塑料等新型材料在减轻土壤环境微塑料污染程度上的效果,减少土壤微塑料含量和降低土壤微塑料环境危害的措施;CNKI数据库关键词主要涵盖农田土壤、生态效应、来源分布、塑料地膜、防治措施等方面。以上结果表明,探明土壤微塑料的来源分布,明确其环境行为和同其他污染物(如重金属、有机污染物)的协同作用,完善土壤微塑料生态风险评价体系,对于土壤微塑料污染治理尤为关键,尤其是在作为农膜使用大国的中国,农田土壤微塑料污染应受到足够的重视。

表1 土壤微塑料研究领域CF×BC值靠前的关键词排名

注：英文单词的中文含义详见正文及表1。图3 土壤微塑料关键词共现网络图谱(WoS)

图4 土壤微塑料关键词共现网络图谱(CNKI)

2.2.2 关键词突发

关键词突发(Burst)是指一个变量的值在短时间内剧增,突然变成研究者关注的热点。关键词突发性较强表明在某时间段内,学者对其的研究兴趣急剧增加,故突发时间较近的关键词可反映目前的新兴研究趋势[9]。本文通过CiteSpace列举出突发强度靠前的关键词(表2),分析突发开始和结束时间以及突发强度,以探明研究热点和新兴趋势。从WoS数据库中列举出10个突发性较强的关键词,其中“Strength”(强度)、“Synthetic Fiber”(合成纤维)、“Ingestion”(摄入)等为突发时间较近的关键词。在CNKI数据库中,“分布特征”“丰度”“人体健康”“地下水”等为近几年的突发词,且突发状态仍在持续,表明土壤微塑料污染研究在我国开始受到更广泛的关注,并且对于其赋存分布、对人体健康的影响及在土壤-地下水中的联合污染机制的研究在未来具有较高的价值。

表2 土壤微塑料研究突发强度排名靠前的关键词(WoS和CNKI)

2.2.3 关键词聚类

聚类分析是按照相似性由大到小进行层级聚类,从而直观展现文献间的关系[10]。聚类序号由囊括的关键词规模决定,聚类包含的关键词越多,规模值越大,排序越靠前。轮廓值是衡量聚类成员同质性的正相关性指标,轮廓值越大,同质性越高[11]。两数据库土壤微塑料关键词聚类知识图谱如图5、图6所示。

图5 土壤微塑料关键词聚类知识图谱(WoS)

图6 土壤微塑料关键词聚类知识图谱(CNKI)

分析结果中,聚类轮廓值均在0.8以上,表明聚类同质性较好,可信度高。WoS数据库中的国际土壤微塑料研究网络共检测出24个聚类,从中选取了12个主要聚类,其中土壤有机碳(SOC)排在第一位。由此可得出,国际土壤微塑料研究的首要热点为微塑料降低土壤肥力及有机碳含量[12],其次是离散元法(Discrete Element Method)、饱和土壤(Saturated Soils)和微生物群落(Microbial Community)等。CNKI数据库中的国内土壤微塑料研究网络共检出10个聚类,反映出微塑料复合污染、土壤动物、塑料地膜、环境行为及生态效应等是当前的研究热点。

2.3 文献突发性分析

具有高度突发性的文献表明在该时间段内,研究者对这一主题和内容的研究兴趣急剧上升。表3列举了突发强度靠前的20篇文献,其中JAMBECK、EERKES-MEDRANO、VAN CAUWENBERGHE、BOUWMEESTER等[13-17]发表的文章在近期具有较高的突发强度。JAMBECK等[13]的研究通过结合固体废物、人口密度和经济状况等指标,估算了进入海洋的陆基塑料废物的量;EERKES-MEDRANO等[14]系统地综述了海洋生态系统、淡水生态系统中的微塑料污染问题,并论述了微塑料的检测分析和量化方法及生态影响;VAN CAUWENBERGHE等[15-16]对微塑料提取技术进行了评估,讨论了微塑料在土壤沉积物等中的分布情况,并从贝类生物中检测到微塑料,分析了海产品所含微塑料对人类健康构成的潜在风险;BOUWMEESTER等[17]的研究表明,纳米塑料对生物体健康状况存在潜在影响。以上分析结果表明,土壤微塑料的丰度、分布、检测方法、生物体健康影响等是近年来关注度较高的新兴热点。

表3 土壤微塑料突发强度排名前20的参考文献(WoS)

3 讨论

3.1 微塑料研究现状

1972年,CARPENTER等在美国首次发现了微塑料的存在[33]。随后,微塑料在多种介质中被检出[33]。2004年,THOMPSON等首次提出了“微塑料”的概念[34]。微塑料具有不同的形貌特征,如纤维、泡沫、碎片、球形颗粒和薄膜等[34]。基于其特征及危害,微塑料在2014年被联合国环境规划署(UNEP)列为十大新兴重要污染物之一[35]。在2016年召开的第二届联合国环境大会上,微塑料污染被列为环境与生态科学研究领域的第二大科学问题[36]。总体上,我国微塑料研究的发文趋势与国际发文趋势相近,均在2014年前后开始出现增长,在2020—2022年出现了成倍的增长,特别是2021年的发文量很高,说明土壤微塑料研究逐渐受到重视。

研究表明,海洋塑料垃圾中有80%来自于陆地,陆地中的微塑料含量是海洋的4～23倍[37]。当前的微塑料研究主要集中于水环境,而土壤微塑料污染研究由于其介质的复杂性及分析方法的有限性,一直受到忽视[38]。人类活动(农膜覆盖、污水污泥施用和农业堆肥等)和气候过程(大气沉降、降水等)都对土壤微塑料的积累有着重要贡献[25],但由于缺少统一的分析方法和标准,对土壤微塑料环境风险的横向评估十分困难[1],不同研究的侧重点及深度存在较大差异。

3.2 土壤微塑料研究热点及趋势分析

通过以上关键词分析可以发现,全球已经对水环境中的微塑料的来源、分布、积累进行了广泛研究,而对土壤环境中的微塑料的相关研究还不够充分,对微塑料对人类健康的危害未能实现精确评估。自2007年至今,土壤、水体和沉积物中微塑料的赋存、迁移特征和浓度分布,微塑料在环境介质中的累积和暴露对土壤理化性质的影响及对动植物的生态毒理学效应,可生物降解塑料等新型材料在减轻土壤环境微塑料污染程度上的效果,减少土壤微塑料含量和降低土壤微塑料环境危害的措施,已成为国际微塑料研究的趋势。中国一直紧跟国际微塑料研究的热点和趋势。自2016年至今,微塑料在环境土壤中的分布特征、生态效应及其防控措施已成为我国土壤微塑料研究的热点,研究趋势则从初期的土壤微塑料的来源和污染情况逐步向其对食品安全和人类健康的威胁以及相关防控政策的实施上转移。

土壤微塑料的破碎、分解和迁移受多种非生物和生物因素的影响。土壤的物理特性(如空隙裂缝)、农业耕作、土壤生物群的运输作用等都会影响微塑料的分散性[39]。此外,捕食者与被捕食者之间的相互作用也会对微塑料的分散性产生影响[40]。土壤微塑料的生态风险和毒理学效应是当前需重视的方向,探明土壤微塑料的赋存特征和背景浓度是进行污染防治的前提。迄今关于微塑料对陆地生态系统的影响的研究大多都是在实验室控制条件下,在相对较短的暴露时间内进行的探索性实验,研究结果对于自然环境下的生物群落结构和较长的时间尺度缺少说服力[41-42]。鉴于农业生态系统对于粮食供应安全的重要性,加强农田土壤微塑料污染防控尤为重要。农膜覆盖和污水污泥施用是微塑料进入陆地生态系统的主要途径[43-44]。随着微塑料的风化分解,其还会与其他污染物产生多种相互作用,如共迁移等[45]。因此,厘清微塑料同其他环境因子对生物乃至整个生态系统的影响,并评估其农业生态风险,具有重要的现实意义。

针对日益严重的微塑料污染问题,我国提出了一系列防控策略。例如：在2019年10月提出到2020年12月31日禁止生产、到2022年12月31日禁止销售含塑料微珠日化品的政策;在2020年1月发布“到2020年底,全国范围餐饮行业禁止使用不可降解一次性塑料吸管”的规定。此外,“禁塑令”和生活垃圾分类制度等政策也在削减塑料污染方面发挥了重要作用。

总体来看,国内微塑料研究热点与国际有较多的重叠,表明中国已逐步成为该领域重要的研究力量。

3.3 农田土壤微塑料

由于土壤-地下水体系微塑料研究起步较晚,系统研究微塑料在该体系中的聚集、沉积、迁移、输送、降解与转化等环境行为和生态毒理效应,从而立体评估微塑料污染对农业生态系统(农产品产量、品质与安全)的影响,仍存在一定难度,有待形成完善的调查监测方法体系。

当前关于农田土壤微塑料环境行为的研究大多停留在实验室阶段,而实验室环境与多因素协同作用的自然环境存在较大差异。此外,有关微塑料对人体的暴露风险和毒理特性还有待进一步研究。微塑料进入土壤后,很难通过微生物分解或矿化而予以清除,其必然会长期存在于环境中,因此,对受微塑料污染的农田土壤进行修复的必要性和可行性也有待探究[46]。微塑料广泛存在于农业生态系统中,并且由于其惰性和缓慢的降解速度,土壤微塑料的丰度可能仍在增加。土壤微塑料一方面可通过其本身所含添加剂和所吸附污染物产生直接毒性,另一方面能够改变土壤的理化特性[47],影响土壤生物乃至农作物的生长。

4 结论及展望

使用CiteSpace对微塑料研究进行了多角度的分析,主要研究结论如下：

1)本文基于文献计量及可视化分析方法,首次对环境微塑料及土壤微塑料领域的研究现状进行了归纳分析,发现国际上对于微塑料的研究呈逐年增强的趋势,尤其是近几年,相关研究呈现爆发式增长,中国对于土壤微塑料的研究也紧随其后。

2)对2000年至今的相关文献的关键词进行总结分析发现,海洋环境是受研究最多的对象,淡水环境研究也在逐渐加强,而对于土壤环境,微塑料丰度分布、污染机制和健康风险等是当前的研究热点。

结合微塑料文献计量结果以及我国的研究现状,对未来开展微塑料研究提出以下展望：

1)当前各国陆续通过制定法规来管控塑料污染,但仍缺乏有效的农田微塑料污染修复技术。应制定、优化土壤微塑料样品的采集和预处理方法,以及标准化的微塑料分离和检测方法;加强对塑料生产、销售源头的控制,以及废弃物的回收处置;研究微塑料污染土壤修复必要性和可行性,结合现有微塑料分离和土壤修复技术,开发经济、合理的针对微塑料及其复合污染的可持续修复方案,为微塑料污染治理提供技术支撑。

2)亟待建立土壤-地下水体系微塑料调查监测方法,加强农业生产区土壤-地下水体系微塑料来源、分布及生态与食物链风险等研究,分析其环境行为和生态毒性,为我国农业生产区土壤-地下水体系微塑料污染风险管控与治理提供依据。

3)亟待制定微塑料污染控制对策。建议提升农业种植户废弃塑料回收意识,同时改进废弃塑料加工处理工艺,包括回收利用、填埋、热降解、机械降解和生物降解等;完善农业土壤相关管理法规和监管体制,摸清微塑料污染严重的农田土壤的物化性质、生态效应状况;从源头减少微塑料向环境的释放,同时改进塑料加工工艺,以植物油等为原料研发绿色环保且性能优异的塑料添加剂。此外,作物秸秆有机覆盖能够在保证土壤生产力的同时,避免土壤微塑料污染,可作为干旱地区替代塑料覆膜的绿色可行方案。微塑料与土壤介质的充分相融导致难以对其进行回收或富集,而土壤中的部分细菌、真菌和昆虫具备一定的降解能力,因而生物降解或能成为加速消除土壤微塑料污染的有效方式。