微塑料对土壤环境的影响及未来展望

关键词：微塑料；土壤生态系统；新兴污染物；生态风险评估

前言

土壤是地球生态系统中的关键组分，对维持植被生长、水源净化、物质循环等生态功能至关重要。近年来，随着城市化、工业化和塑料制品广泛使用，微塑料污染逐渐成为土壤环境的新挑战。尤其值得注意的是，微塑料可以改变土壤的理化性质和生物特性，对土壤生态系统的生物多样性、作物产量以及有机质分解过程产生不同程度的影响，其潜在的环境影响和生态风险不容忽视。文章旨在深入研究微塑料进入土壤的途径、在土壤中的命运以及对土壤生态系统的可能影响，以应对微塑料对土壤环境和生物多样性带来的潜在威胁。通过这项研究，我们希望为土壤科学领域提供新的见解，以更好地理解和管理微塑料污染对土壤的影响。

1国内土壤环境现状及背景

为了更好的理解当前微塑料的研究领域，使用了VOSviewer并以科学的方式构建了文献数据集的图形化网络结构。通过检索了中国知网中2019年一2023年近五年间北大核心期刊中以“微塑料”为主题的相关文献，并以Co-occurrence的方式对其中的关键词进行关联分析，根据总体关联强度可视化的呈现出来，用以评估它们与微塑料之间的关联性（如图1所示）。这有助于更好地理解当前微塑料的研究重心和发展趋势，为未来研究方向提供参考性的价值。

土壤在全球物质循环及生态系统的可持续发展中扮演了至关重要的角色，它既是动植物生存的载体，又是与其他环境接触的媒介。土壤环境关系到人体健康以及国民经济的发展，同时也是保障粮食安全与生态环境安全的重要物质基础。中国作为最大的农业生产国之一，一直在努力改善土地管理和农业实践，以提高土地的可持续利用率。耕地质量较差、土壤质量的不均衡分布导致中国土壤环境质量总体较低是当前国内面临的首要问题。在当前2030年碳达峰和2060年碳中和目标的大背景下，土壤环境现状的关键在于如何通过强调土壤健康。将土壤环境的管理与国家发展大计更紧密地结合起来，这不仅是当前土壤环境管理的重心，也是实现碳中和目标的关键战略之一。

2土壤中微塑料的来源

微塑料是指那些直径小于5毫米的微小塑料颗粒或碎片，由于其极低的尺寸和广泛的来源备受研究者们的关注。土壤中微塑料的来源途径多样，废弃塑料制品的分解、电子垃圾的拆解以及农田覆盖物的降解等都将为微塑料的诞生提供有利条件。微塑料从来源对象上划分具体可以追溯到农业和城市两个领域。在农业领域，农用覆膜的使用、再生水灌溉和污泥回用是当今农业实践的重要组分部分，这都为微塑料进入土壤提供了可乘之机。对于城市而言，固体废物的掩埋、污水的排放等方式会将微塑料引入到周边土壤，并对生态系统造成威胁。

2.1微塑料的农业污染源

中国是全球最大的塑料覆膜消费国之一，地膜覆盖面积近0.2亿平方公顷。虽然塑料薄膜覆盖有助于提高田间生产效率并确保粮食供应安全，但大部分的覆膜并没有在收获季后得到有效的回收利用。由于完全暴露于阳光下并与土壤表层直接接触，使得塑料薄膜在紫外线照射、机械外力作用下破碎老化，成为微塑料（lt;5mm）或粒径更小的纳米颗粒被土壤所吸附，造成不可预知的生态风险。预计到2030年，全球农用塑料薄膜的使用量将以每年5.6%的速度持续增长。

此外，灌溉是土壤中微塑料的重要间接来源。经污水处理厂处理后产生的再生水被作为农业用水循环使用．而这些水体本身所含的微塑料并没有被完全有效地去除，从而对土壤造成了污染。解立国等人检测了太原某污水处理厂中微塑料的赋存，结果表明每年仍有6.09×103亿个微塑料颗粒排放到淡水环境中。而在部分缺少水资源的地区甚至存在污水灌溉的情况，这对土壤环境的破坏是毋庸置疑的。

2.2微塑料的城市污染源

塑料制品由于其轻量、耐用、低廉的成本备受人们的喜爱，逐渐成为了现代城市中不可或缺的产品之一。据《2023年中国统计年鉴》公布的数据显示，2023年全国生活垃圾清运量达到了24444.7万吨，其中约有444万吨固体废物被用于垃圾填埋，648万吨垃圾被集中焚烧。尽管一些可生物降解塑料在降解过程中减少了部分污染的风险，但不得不承认这种生物降解能力往往是有限的。大部分的塑料制品经过一系列复杂的物理化学变化下（如聚合物的水解、光老化、分子链缩短、热剪切应力作用）产生二次微塑料或纳米塑料，这些微小塑料随着垃圾渗滤液渗透到土壤内部，成为城市土壤中的主要污染源。

此外，污水处理厂被认为是城市中的微塑料的重要点源，有研究表明大型污水处理厂每天排放的微塑料颗粒多达5.0×105～1.4×10。虽然污水处理厂并不能有效拦截微塑料对城镇土壤的污染，但更深层次的处理工艺以及适当的设备对减少微塑料的排放仍具有重要意义。

3微塑料在土壤中的迁移行为

微塑料在土壤中的迁移往往是复杂多变的，如图2所示微塑料在土壤中的迁移途径。首先，微塑料可以通过大气沉降进入地表，也可以通过地表径流等方式进入土壤，然后在风力、水力等外部条件的影响下在土壤浅层分布。其次，微塑料还可以通过农耕翻作、生物扰动、土壤侵蚀等不同机制迁移到土壤的更深层，这种复杂的迁移过程在不同环境条件下会表现出多种特征。对于埋藏较浅的微塑料，地表径流和风力迁移是它们最好的迁移选择。微塑料可以通过径流运输到邻近区域和水体，并通过干湿过程在大气中进行远程运输和沉积，这种方式通常受到土壤表层的物理和化学性质影响。土壤颗粒大小、有机质含量、土壤质地和pH值等因素都会干扰微塑料在土壤中的层次分布。土壤中的生物活动，如蚯蚓、昆虫的运动及植物根系生长等，都可能会将微塑料从土壤表层带人更深的土壤层，这种生物介导的迁移过程会对微塑料在土壤中的分布产生重要影响。此外，由于土壤多孔结构的复杂性，微塑料在土壤中的迁移和分布也受到孔隙空间的影响。不同大小和形状的微塑料颗粒可能会在土壤孔隙中表现出不同的迁移和滞留特性，进而影响其在土壤介质中的命运。最新的研究表明孔隙水的离子强度可以改变微塑料与土壤颗粒之间的静电排斥作用，对微塑料的迁移行为产生显著影响，这一发现将为进一步预测微塑料在土壤系统中的迁移和分布情况做出贡献。

4微塑料对土壤种群影响

微塑料的存在可能引发土壤结构破坏，影响土壤的通透性和保水性，进而妨碍了水分渗透和农业生产。此外，微塑料与植物根系的相互作用可能抑制植物的正常生长，对农业产量产生负面影响。另一方面，微塑料在土壤中的存在也可能导致土壤生态系统中微生物和其他生物多样性的改变，进一步影响了土壤的生态功能。因此，深入了解微塑料对土壤生态功能的影响，以及采取措施来减轻潜在的负面影响，对于土壤环境保护和可持续农业发展至关重要。

4.1微塑料对土壤动物的影响

土壤动物作为土壤生态系统中的重要载体，承担着物质的转移和能量的循环。通常情况下，土壤中的微塑料被土壤生物摄取并在各营养级的土壤生物体内累积，从而影响它们的生长、繁殖、肠道微生物群和免疫系统。目前已有大量的研究表明微塑料可能对这些生物体的个体或种群产生潜在性的危害。蚯蚓作为一种常见的土壤生物，由于其腐食性的特点，最容易摄人含有微塑料的土壤颗粒。Chen等人的研究发现，蚯蚓在长时间（28天）接触1.5g/kg LDPE后，出现了明显的体表损伤。此外，在1.0g/kg LDPE浓度下，蚯蚓体内的抗氧化酶催化酶活性和丙二醛含量显著增加，这表明蚯蚓在这一过程中经历了氧化应激反应。这些结果证实了微塑料的存在对蚯蚓的生理健康产生了不利影响。

4.2微塑料对植物的影响

由于植物的富集作用，微塑料可能对植物产生多层次、复杂而持久的影响。这些影响不仅涵盖了植物的生长和发育过程，还可能涉及到植物的生理、生态功能。Liu等人的研究发现高浓度的可降解生物对环境的危害更大。微塑料的存在显著提高了土壤酶活性，通过改变小白菜根际细菌群落的结构，加速微塑料的产生，从而严重限制了植物的生长。此外，一些研究指出，长期暴露于微塑料（聚氯乙烯、聚丙烯）环境下的植物，其生物产量（根、芽的鲜重）明显下降。Colzi等人的实验中还观察到，微塑料颗粒对植物的根系造成了不可逆的损伤，导致叶片尺寸减小以及植物光合作用能力下降。这些研究结果强调了微塑料对土壤和植物健康的重要影响，需要采取相应的应对策略来减轻影响。

4.3微塑料对微生物群落的影响

微生物通过直接参与土壤中有机物分解、养分循环，维持了土壤的肥力和质地。同时它们对于抑制土壤病原体、储存有机碳和维持生态系统多样性等方面也发挥举足轻重的作用。因此，理解和保护土壤中的微生物群落对于维护土壤健康和生态平衡至关重要，是土壤环境领域的重要研究课题。

微塑料对土壤微生物的影响主要包括对其代谢活动的抑制，以及对群落结构功能的影响。研究表明，微塑料可以增加或降低土壤细菌和真菌群落的丰度，从而改变它们的群落组成。此外，微塑料可能与其他有机污染物或重金属物质结合，共同阻碍微生物的繁殖和发展，最终导致微生物种群的丰富度和多样性的下降。有报告称，微塑料污染对土壤细菌群落的不利影响取决于微塑料的类型和大小，较小尺寸的可降解塑料颗粒在降解过程中往往会对微生物群落产生更严重的毒性影响。

5生态风险评估方法

由于微塑料的新兴属性，国内尚未建立统一的风险评估模型，特别是在评估土壤中微塑料的情境下，缺乏相关背景值的参考，这使得传统的风险评估方法在应用时面临困难。当前主流的评估方法包括污染复合指数法（PLI），这种方法不仅能够反映单个采样点的污染程度，还可以对特定区域的整体污染状况进行综合评估，公式如式（1） -式（3）：

此外，聚合物危害指数法（PHI）也可以对土壤微塑料污染风险进行初步评估，该指数考虑了各类微塑料聚合物对生态环境的化学毒性。

6结论

微塑料污染是全球性焦点，但研究体系尚不完备，尤其缺乏对其在土壤中的整体污染过程的全面考量。未来研究应重点关注以下几个方面：首先，需要深入研究微塑料在土壤中的长期行为，包括持久性、分布和迁移过程，考虑季节性变化、气候差异等因素。其次，应提高土壤生物对微塑料降解的效率，除了研发易降解替代材料外，还应发展生物修复技术。最后，必须加强对微塑料在土壤生态系统中的毒理学认识，了解其结构单体和制造过程中添加的有机物质对环境的负面影响，包括生化反应、积累机制和毒理效应等。这些研究将有助于更全面地理解微塑料对土壤生态系统的影响，并为解决微塑料污染问题提供科学依据。