微塑料參與下的土壤碳循環(huán)過程評述*

朱芷宏,張 琎,高曉丹,陶 招,馬 南,徐英德

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院 沈陽 110866)

塑料是人類工業(yè)文明的產(chǎn)物,由于其用途廣泛且難降解,能夠在較長的時(shí)間內(nèi)被地球生態(tài)系統(tǒng)保存下來。塑料制品經(jīng)過不同形式的分解形成的粒徑小于5 mm 的塑料顆粒一般被稱為微塑料[1]。微塑料相關(guān)研究首先在海洋等水生生態(tài)環(huán)境中被關(guān)注[2],近10 年才開始討論并研究土壤中的微塑料污染問題[3]。據(jù)估算,陸地土壤中的微塑料污染規(guī)模較海洋高4～23 倍[4]。因此,土壤生態(tài)系統(tǒng),尤其是農(nóng)田土壤,可能是比海洋更重要的微塑料的匯。大量累積在土壤中的微塑料會對土壤質(zhì)量和糧食生產(chǎn)帶來一系列隱患,并可能通過食物鏈對人類產(chǎn)生級聯(lián)影響。因而,微塑料介導(dǎo)下的土壤環(huán)境和性質(zhì)變化成為了當(dāng)今研究的焦點(diǎn)。

土壤有機(jī)碳循環(huán)是陸地生物地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié),但土壤有機(jī)碳的固定途徑與驅(qū)動機(jī)制至今仍未完全明晰。近些年,土壤有機(jī)碳固定逐漸從腐殖質(zhì)化理論過渡到微生物引擎驅(qū)動下的雙重調(diào)控機(jī)制: 即植物源碳在土壤中的殘留,以及由微生物自身代謝產(chǎn)生的微生物源碳在土壤中的累積[5]。新的概念框架很大程度上推動了土壤有機(jī)碳固定研究新一輪的認(rèn)知革命,也為明確土壤介質(zhì)中有機(jī)碳循環(huán)與其他物質(zhì)能量流動間的關(guān)聯(lián)提供了新視角。此外,土壤生態(tài)系統(tǒng)中微塑料殘留所產(chǎn)生的遺留效應(yīng)加劇了土壤有機(jī)碳研究的不確定性。微塑料輸入土壤后,會在多種物理、化學(xué)和生物因素的作用下,發(fā)生進(jìn)一步的風(fēng)化、遷移和轉(zhuǎn)化,這些過程均會影響到原本土壤有機(jī)碳的形成與釋放[1];同時(shí),微塑料本身也含有大量的碳,可能會直接參與到土壤碳循環(huán)當(dāng)中。至今為止,大多關(guān)注土壤微塑料的研究均將焦點(diǎn)放在了其環(huán)境效應(yīng)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及對土壤理化性質(zhì)的影響上[6],而微塑料參與下的土壤碳循環(huán)過程及調(diào)控機(jī)制仍然處于“黑箱”狀態(tài)。

在當(dāng)前土壤有機(jī)碳循環(huán)固定理論發(fā)生重大變革的機(jī)遇下,有必要在厘清微塑料對土壤有機(jī)碳含量影響的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討其對土壤碳循環(huán)過程的介導(dǎo)過程及驅(qū)動機(jī)理。這對于明確土壤有機(jī)碳增匯過程,完善陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型具有重要意義。基于以上背景,本文擬對近年來微塑料參與下的土壤碳循環(huán)過程等研究進(jìn)行綜述,總結(jié)土壤有機(jī)碳形成途徑相關(guān)領(lǐng)域的理論變革,探討土壤生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的來源及其對土壤有機(jī)碳循環(huán)的影響,剖析微塑料影響土壤碳周轉(zhuǎn)的潛在機(jī)制,并對相關(guān)研究領(lǐng)域的前景進(jìn)行展望,以期為未來土壤中微塑料周轉(zhuǎn)與有機(jī)碳循環(huán)的耦合協(xié)同研究提供理論參考。

1 土壤有機(jī)碳的固定途徑

土壤是全球最大的陸地碳匯,1 m 深土層的土壤有機(jī)碳儲量約為1500 Pg,是大氣碳儲量的兩倍[7]。因此,作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,土壤有機(jī)碳是減緩氣候變化與維持土壤肥力穩(wěn)定性的關(guān)鍵,通過科學(xué)的方式管理土壤碳庫以平衡大氣中不斷上升的CO2水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。土壤有機(jī)碳的固定過程和調(diào)控機(jī)制一直受到土壤學(xué)界的廣泛關(guān)注和討論[9];然而,縱觀相關(guān)領(lǐng)域的研究歷史與現(xiàn)狀,仍未形成較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)。

腐殖化理論是土壤有機(jī)碳固定最經(jīng)典的理論。該學(xué)說認(rèn)為動植物殘?bào)w在微生物的作用下逐漸分解成小分子的簡單化合物,并可以再次通過與微生物合成的多酚和醌等物質(zhì)聚合成高分子多聚化合物(即腐殖物質(zhì))[10]。Kononova[11]最早通過酸堿浸提手段分離出腐殖物質(zhì)中的富里酸、胡敏酸以及胡敏素,但是并沒有很好地解釋腐殖物質(zhì)是由酸堿手段而產(chǎn)生的人為產(chǎn)物這一問題。近年來,Hatcher 等[12]運(yùn)用13C-核磁共振技術(shù),通過重新組合各種腐殖物質(zhì)組分,并將重組后的樣品與原始樣品進(jìn)行比較,證明了腐殖物質(zhì)存在的真實(shí)性。然而,腐殖化理論在提取方法、提取效率、真實(shí)分子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化過程等方面的不確定性至今仍是對該理論產(chǎn)生質(zhì)疑的重要原因。

隨著土壤原位分析和微生物相關(guān)測定技術(shù)的進(jìn)步,人們對土壤有機(jī)碳的形成與穩(wěn)定機(jī)制不斷產(chǎn)生新的理解,其中微生物代謝過程在土壤有機(jī)碳形成途徑中的引擎驅(qū)動作用成為主流共識。近年來,微生物效率-基質(zhì)穩(wěn)定[13]和微生物碳泵[14]概念框架日益受到關(guān)注和認(rèn)可。其中,微生物效率-基質(zhì)穩(wěn)定概念框架給土壤有機(jī)碳固定理論的更新帶來了很大機(jī)遇,開創(chuàng)性地提出了微生物在土壤有機(jī)碳固定過程中起到的過濾器作用,并認(rèn)為微生物碳利用效率是外源有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳過程的重要因素;同時(shí),從土壤角度來看,土壤礦物作為有機(jī)碳固定的重要承載者,其性質(zhì)也會對土壤有機(jī)碳的長期固存起到主控作用。在此基礎(chǔ)上,微生物碳泵概念框架的提出進(jìn)一步完善了土壤有機(jī)碳固定在微生物作用下的雙重調(diào)控途徑。植物殘?bào)w在進(jìn)入土壤后,不易被微生物利用的組分會以植物源碳的形式在土壤中沉積,而易被微生物利用的有機(jī)組分通過微生物繁殖-生長-死亡的迭代累積過程,使得微生物自身及其代謝產(chǎn)物以微生物源碳的形式參與土壤有機(jī)碳形成過程。

總體上,微生物效率-基質(zhì)穩(wěn)定和微生物碳泵概念框架均強(qiáng)調(diào)了微生物合成代謝過程對土壤有機(jī)碳儲存的貢獻(xiàn),這為后續(xù)土壤有機(jī)碳形成與穩(wěn)定的相關(guān)研究提供了新思路。但是,除了有機(jī)碳本身的形成途徑外,外源碳的種類與輸入方式也是介導(dǎo)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的重要因素。在當(dāng)前背景下,大量賦存于土壤生態(tài)系統(tǒng)中的微塑料不僅能對土壤原本有機(jī)碳的形成與損失產(chǎn)生影響,微塑料本身也可作為碳源參與到土壤碳循環(huán)之中,進(jìn)而影響到全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支與平衡。

2 土壤中微塑料的來源

微塑料在陸地生態(tài)系統(tǒng)中主要以纖維、薄膜、泡沫與碎片形式存在,其中纖維在土壤中占66.7%～82.5%[15]。按照土壤中微塑料的來源可分為原生塑料和次生塑料(通過機(jī)械攪碎或者生物降解形成的粒徑更小的納米塑料)。土壤中微塑料的來源主要有以下幾類: 農(nóng)用薄膜、灌溉和施肥等農(nóng)田管理措施以及大氣沉降。1)農(nóng)用薄膜的大量使用是土壤微塑料的主要直接來源。我國農(nóng)用薄膜(如地膜、棚膜等)的用量約占全世界用量的90%,但地膜回收率仍處于較低水平;同時(shí),我國使用的農(nóng)用薄膜厚度較薄,一般為0.01～0.03 mm,有些地區(qū)地膜厚度甚至低于0.005 mm[16]。這些因素協(xié)同加劇了微塑料在土壤中的累積,并成為土壤微塑料的主要來源。2)灌溉和施肥等農(nóng)田管理措施是土壤中微塑料的重要間接來源。農(nóng)田灌溉水主要來自地表水、地下水以及凈化后的污水,部分缺少水資源的地區(qū)也存在污水直接灌溉的情況。當(dāng)前,在全球各類可供灌溉的地表水中均檢測到了微塑料的存在[17],很多地區(qū)地下水也沒能幸免[18-19];同時(shí),污水中微塑料的基數(shù)一般較大,在經(jīng)過處理后,仍不可避免地殘留相當(dāng)數(shù)量的微塑料[20]。因此,無論何種灌溉水源,均可成為土壤微塑料增加的潛在途徑。此外,受有機(jī)肥生產(chǎn)工藝的限制,當(dāng)前大多數(shù)國家均允許有機(jī)肥中存在微塑料等物質(zhì),我國商品有機(jī)肥年使用量超過2000 萬t,這為土壤微塑料污染帶來了較大風(fēng)險(xiǎn)。污泥會賦存污水中大部分的微塑料,在其被當(dāng)做肥料或改良劑施用到土壤時(shí),也會將微塑料輸入到土壤中。有研究顯示我國每年通過施用有機(jī)肥和污泥進(jìn)入土壤的微塑料分別為1.56×1014個(gè)[21]和52.4～26 400 t[16]。3)大氣沉降是土壤中微塑料的重要自然來源。源于大氣沉降的微塑料以纖維狀為主,其中約50%來源于天然纖維[22]。有研究顯示巴黎附近大氣環(huán)境中微塑料每天會以29～280 個(gè)·m?2的速率沉降到土壤中[22]。同時(shí),微塑料較小的尺寸與其相對較低的密度導(dǎo)致其能借由空氣凝膠被遠(yuǎn)距離輸送[23],因此,大氣沉降也是微塑料在偏遠(yuǎn)地區(qū)土壤沉積的重要途徑,在西藏冰川表面的積雪中與在南極冰川上均能檢測出微塑料的存在[24]。

3 微塑料對土壤碳循環(huán)的影響

土壤生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)于微塑料對有機(jī)碳的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生介導(dǎo)作用的相關(guān)研究仍然較少,因此相關(guān)研究結(jié)果存在靶點(diǎn)分散且缺乏普適性的問題。總體上,已有研究大都證實(shí)了微塑料對土壤有機(jī)碳礦化過程的促進(jìn)作用。Gao 等[25]發(fā)現(xiàn)老化的微塑料顯著促進(jìn)了土壤CO2的產(chǎn)生(+15%～17%),且CO2的排放量隨著微塑料含量的增加而增大,可能是由于其形成的微塑料-團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)孔隙較豐富,能夠?yàn)槲⑸锾峁└嗟纳鎴鏊鵞26]。也有研究提出微塑料添加使參與三羧酸循環(huán)的功能基因表達(dá)增強(qiáng),從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和CO2的釋放[27]。此外,Ng 等[28]在添加聚乙烯微塑料的土壤中發(fā)現(xiàn),土壤中微生物的有氧和無氧代謝都有所增加,同樣證明了微塑料促進(jìn)土壤CO2排放的結(jié)論。微塑料對土壤原有機(jī)碳礦化的影響可能會成為土壤碳匯功能發(fā)揮的潛在不利因素。但也有研究發(fā)現(xiàn),微塑料會提高土壤中富里酸等腐殖物質(zhì)的含量,繼而提高土壤的持水性和對養(yǎng)分的保蓄能力。因此,綜合權(quán)衡分析微塑料在土壤有機(jī)碳累積與損失之間的關(guān)系十分必要。

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中,可溶性有機(jī)碳是由多種不同穩(wěn)定程度有機(jī)物質(zhì)組成的復(fù)雜混合物,是土壤微生物代謝的重要底物,與土壤有機(jī)碳的礦化等周轉(zhuǎn)過程密切相關(guān)。當(dāng)前,微塑料輸入對土壤可溶性有機(jī)碳的影響存在差異化的研究結(jié)果,可能受到微塑料材質(zhì)、添加量和土壤環(huán)境等因素的影響。Liu 等[29]在室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同濃度聚乙烯微塑料能夠降低土壤可溶性碳含量;同時(shí),Li 等[30]在田間條件下也發(fā)現(xiàn)微塑料的輸入在區(qū)域尺度上顯著降低了土壤可溶性碳的比例。但是,Chen 等[31]發(fā)現(xiàn)在加入聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯后,微塑料明顯增加了土壤可溶性碳含量,可能與脂肪族化合物的消耗有關(guān)。但也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)微塑料并不會明顯影響土壤可溶性碳含量[32]。此外,有研究顯示微塑料輸入量對可溶性有機(jī)碳會產(chǎn)生截然不同的影響[33];在土壤中加入高劑量的聚丙烯腈微塑料(＜180 μm,28%),會降低團(tuán)聚體的物理保護(hù)能力進(jìn)而促進(jìn)土壤有機(jī)碳的釋放與可溶性有機(jī)碳的增加;加入低劑量的微塑料對可溶性有機(jī)碳影響不大[34]。除可溶性有機(jī)碳外,微塑料也會對微生物生物量碳產(chǎn)生較大影響。基于富含微塑料土壤的培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微生物生物量碳隨培養(yǎng)時(shí)間延長而下降,證明土壤有機(jī)碳主要用于微生物自身代謝而不是同化為微生物量,且微生物生物量碳的變化與CO2釋放呈正相關(guān)關(guān)系[26-27]。也有研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),聚羥基烷酸酯可降解塑料處理的土壤微生物生物量碳顯著升高,證明可降解微塑料加速了微生物同化速率,促進(jìn)了微生物對可降解塑料的轉(zhuǎn)化[2]。因此,微塑料的材質(zhì)是制約其對土壤微生物生物量影響的重要因素,相比于聚乙烯等傳統(tǒng)塑料,生物可降解微塑料能夠促進(jìn)微生物量的生成,但仍需繼續(xù)評估可降解微塑料通過影響土壤有機(jī)碳途徑和自身參與微生物量合成途徑之間的相對貢獻(xiàn)與權(quán)衡特征。

4 微塑料參與土壤碳循環(huán)的可能機(jī)制

4.1 微塑料通過影響土壤性質(zhì)間接參與土壤碳循環(huán)

4.1.1 土壤結(jié)構(gòu)

鑒于微塑料本身的非自然屬性與持久性特征,它們可能在土壤環(huán)境中的積累過程中,優(yōu)先影響到土壤的物理結(jié)構(gòu)。有報(bào)道顯示土壤中發(fā)現(xiàn)的大部分微塑料均與團(tuán)聚體密切相關(guān),尤其是纖維狀微塑料大都在微團(tuán)聚體中發(fā)現(xiàn)[35]。因此,微塑料能夠與土壤顆粒結(jié)合成不同級別團(tuán)粒結(jié)構(gòu),其中纖維狀和碎片狀分別有利于緊實(shí)和疏松的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[17,36]。然而,由于微塑料(類型、粒徑、性狀和濃度等)和土壤性質(zhì)(孔隙狀況、有機(jī)質(zhì)含量和膠體特性等)的雙重復(fù)雜性,當(dāng)前關(guān)于微塑料引發(fā)的土壤物理結(jié)構(gòu)潛在變化的研究仍處于起步階段,且無明確結(jié)論。研究4 種微塑料(聚苯烯纖維、聚酰胺微球、聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維和聚乙烯碎片)對土壤物理性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn),聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維降低了土壤容重和團(tuán)聚體穩(wěn)定性,其他類型影響不大[34];Gao 等[25]和Zhang 等[35]研究結(jié)果表明聚酯微纖維或聚對苯二甲酸乙二醇酯微塑料并沒有改變土壤容重。微塑料在引發(fā)容重改變的同時(shí),也會對其微觀孔隙造成影響。Koskei 等[37]發(fā)現(xiàn)殘留的塑料薄膜顯著降低了土壤孔隙度;而Wang 等[38]在黃土中加入小粒徑聚乙烯微塑料(2%,150 μm)后顯著增加了土壤孔隙度,這是由于粒徑較小的土壤顆粒會在微塑料的介導(dǎo)下吸附結(jié)合,形成更大的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),進(jìn)而增加了土壤孔隙度,但在砂質(zhì)土壤中加入大粒徑聚乙烯微塑料(2%,950 μm)后,由于微塑料堵塞孔隙造成的水分運(yùn)移困難破壞了砂質(zhì)土壤原有的毛管孔隙結(jié)構(gòu),最終降低了土壤孔隙度。此外,也有研究發(fā)現(xiàn),微塑料會同時(shí)存在占據(jù)土壤孔隙及其與土壤顆粒結(jié)合形成大孔隙兩方面的效果[35]。土壤團(tuán)聚體的物理/化學(xué)空間隔離作用是土壤有機(jī)碳穩(wěn)定的重要機(jī)制,經(jīng)上述討論可以發(fā)現(xiàn),微塑料很有可能通過影響土壤物理結(jié)構(gòu)的形成與破壞而對土壤碳的平衡起到介導(dǎo)作用(圖1)。

圖1 微塑料影響土壤碳循環(huán)的可能機(jī)制Fig.1 Possible mechanisms of the impacts of microplastics on soil carbon cycle

4.1.2 土壤微生物

土壤微生物是調(diào)解土壤碳循環(huán)的重要媒介。進(jìn)入土壤的微塑料可以通過直接或間接的途徑影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。有報(bào)道指出聚乙烯微塑料和聚乳酸微塑料的富集會分別導(dǎo)致土壤pH 的降低和增加[26,39],這會造成土壤細(xì)菌群落多樣性差異化的響應(yīng)特性,如不同研究分別得到了α 多樣性減少[40]和增加的結(jié)果[41];同時(shí),微塑料引發(fā)的容重和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的改變會影響叢枝菌根等根際微生物群落的改變[42];微生物對重金屬和有毒物質(zhì)的吸附會對微生物群落產(chǎn)生毒害作用,如導(dǎo)致放線菌門(Actinobacteria)豐度的降低[34],而對養(yǎng)分和土壤顆粒的吸附則會降低微生物的養(yǎng)分可利用性[43]。此外,微塑料的添加會抑制變形菌門(Proteobacteria)等敏感微生物的繁殖,而促進(jìn)類諾卡氏菌科(Nocardioidaceae)、擬無枝酸菌(Amycolatopsis)等耐受性微生物的生長,進(jìn)而導(dǎo)致微生物物種的定向進(jìn)化[25];也有研究指出大多數(shù)生物可降解微塑料影響的土壤微生物大多數(shù)屬于變形菌門和放線菌門[44],其中放線菌門相對豐度與可降解微塑料增加呈正相關(guān),可能與其具有降解多種聚合物的能力有關(guān)[45]。Zang 等[46]則發(fā)現(xiàn)聚乙烯和聚氯乙烯的添加均導(dǎo)致了微生物群落從革蘭氏陽性菌到革蘭氏陰性菌的轉(zhuǎn)變。除了影響微生物群落外,微塑料顆粒也會影響微生物酶活性,進(jìn)而影響其降解和代謝過程。Zhang 等[47]匯總367 個(gè)觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)微塑料使土壤酶活性提高了7%～441%;Zhou 等[34]研究表明當(dāng)可降解微塑料被微生物利用后,這種潛在的碳源可促進(jìn)幾丁質(zhì)酶和亮氨酸氨基肽酶的釋放。

微塑料作為人工生態(tài)位,可以成為微生物的棲息地,從而使微生物在微塑料表面形成生物膜,在一定程度緩解了微生物群落之間的競爭。有研究基于16S rRNA 基因測序發(fā)現(xiàn),腐生真菌和寄生真菌在生物膜上均能大量繁殖[48]。值得關(guān)注的是,生物膜和土壤中的微生物群落存在顯著差異,放線菌、擬桿菌(Bacteroidetes)和變形菌門等能夠降解聚乙烯的類群可能會在微塑料表面更多地富集,且隨著時(shí)間的推移,生物膜中的細(xì)菌組合會通過降低細(xì)胞活力和更大的異源性生物降解等方式適應(yīng)微塑料表面[49];同時(shí),不同微塑料釋放的添加劑種類和含量的差異也會造成生物膜定殖微生物的不同[48],老化微塑料也會加速生物膜的形成[50]。此外,由于可降解微塑料的可降解性更強(qiáng),可能會更有利于生物膜的形成[34]。綜上,微塑料與微生物不應(yīng)被孤立研究,兩者的相互作用會進(jìn)一步調(diào)控微生物源碳的形成和非微生物源碳的轉(zhuǎn)化(圖1)。

4.1.3 土壤動物

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,微塑料主要通過攝食途徑影響土壤動物的繁殖、生長、活性和多樣性[51];同時(shí),粒徑＜1 mm 的微塑料更易被土壤動物攝入[3],進(jìn)入土壤動物體內(nèi)的微塑料比其他攝入物質(zhì)更易殘留在腸道,甚至穿過腸道壁傳輸?shù)狡渌M織[52]。以蚯蚓(Eisenia foetida)為例,微塑料被蚯蚓攝食并進(jìn)入體內(nèi)后在其體內(nèi)難以降解,會引起消化系統(tǒng)和腸道的損傷[53-54],且蚯蚓體內(nèi)積聚的微塑料會進(jìn)一步制約其進(jìn)食和排泄,甚至導(dǎo)致蚯蚓存活率和繁殖率的下降;高量的微塑料對蚯蚓生長速率和死亡率的負(fù)面影響更大[55]。此外,微塑料的攝入也會刺激蚯蚓產(chǎn)生較多腸道黏液,導(dǎo)致土壤/凋落物微生物區(qū)系經(jīng)啟動效應(yīng)而增強(qiáng),在一定程度上增加了土壤養(yǎng)分的吸收[56]。線蟲(Caenorhabditis elegans)是土壤中數(shù)量最豐富的后生動物,是土壤微食物網(wǎng)各營養(yǎng)級和能量通道的核心,對土壤有機(jī)碳的分解途徑起到重要作用[57]。微塑料也可以被線蟲大量攝食,導(dǎo)致其腸道受損、鈣水平降低和氧化應(yīng)激基因增加,影響線蟲的成活率和繁殖能力[58];同時(shí),即使較低濃度的微塑料也會明顯導(dǎo)致線蟲代謝功能紊亂和生長,以上證明線蟲對微塑料污染具有較高敏感性[59]。線蟲通常以微生物為食,有研究表明在缺少食物的狀態(tài)下,微塑料顆粒更容易被線蟲攝入[60],因而土壤動物的趨勢選擇和食物碎屑的組成也是影響微塑料被動物利用的重要因素。蚯蚓和線蟲等土壤動物是介導(dǎo)土壤碳循環(huán)的重要驅(qū)動因子,因微塑料富集所帶來的土壤動物繁殖和代謝功能的下降可能會降低蚯蚓和線蟲對土壤有機(jī)碳的固定能力,限制蚯蚓對土壤團(tuán)聚體形成和土壤有機(jī)碳向下層遷移的作用,破壞土壤微食物網(wǎng)及能量通道,進(jìn)而影響到有機(jī)碳在不同營養(yǎng)級生物功能群之間的流動與轉(zhuǎn)化,對土壤有機(jī)碳的固定造成一定負(fù)面影響。隨著微塑料在食物鏈中的傳遞,還能對地上部動物產(chǎn)生影響[61]。

4.1.4 植物

微塑料在土壤中的累積會對植物生長產(chǎn)生一系列影響。當(dāng)前,大多研究認(rèn)為微塑料會延緩植物種子萌發(fā),降低出苗率和生物量,改變組織化學(xué)組成,造成遺傳毒害,并導(dǎo)致植物產(chǎn)生氧化脅迫效應(yīng)等[62-64]。首先,伴隨著微塑料介導(dǎo)下土壤容重的增加,逐漸增大的滲透阻力會降低根部直徑并阻礙根系生長,進(jìn)而影響到根系的下扎能力[65-66];同時(shí),微塑料造成的微生物群落的變化也會影響根系生物量[65]。此外,源于傳統(tǒng)農(nóng)用地膜的微塑料的毒性(含負(fù)載毒性)也會影響到植物生長,如堵塞種子氣孔和根皮細(xì)胞而限制萌發(fā)及其對水分和養(yǎng)分的吸收[67]。另外,微塑料能夠以裂紋模式被植物體吸收,并在蒸騰拉力的作用下隨導(dǎo)管系統(tǒng)進(jìn)入地上部器官[68],造成吸附的毒性物質(zhì)也進(jìn)入植物組織。但是,微塑料對植物生物量的影響存在不確定性,也有一些研究顯示微塑料會促進(jìn)根系生長和生物量的增加[26,36],但可能是以優(yōu)勢物種的變化為代價(jià)[69]。植物地上地下生物量及其根系分泌物是土壤有機(jī)碳的重要來源,植物生產(chǎn)力的變化勢必會影響到土壤有機(jī)碳的儲量,因而微塑料對植物生長的影響也是驅(qū)動土壤固碳模式改變的重要潛在因素(圖1)。

4.2 微塑料源碳直接參與土壤碳循環(huán)過程

微塑料除通過間接影響土壤理化性質(zhì)而介導(dǎo)土壤有機(jī)碳循環(huán)過程外,其本身作為高碳聚合物,會直接參與到土壤有機(jī)碳的固定、周轉(zhuǎn)與釋放過程中,這方面的研究至今尚未引起足夠重視。微塑料長年累月地在土壤中累積,有必要將其視為土壤中一個(gè)新的碳“庫”,并納入到土壤有機(jī)碳循環(huán)的研究中來。

首先,微塑料的存在會引起對土壤碳庫儲量的誤判。農(nóng)用地膜的持續(xù)使用使得土壤中的微塑料不斷積累。微塑料一般由碳基鏈結(jié)構(gòu)與有機(jī)添加劑合成,碳是其化學(xué)組成的主體(傳統(tǒng)塑料地膜和可降解地膜含碳量分別約為90%和50%)。在土壤有機(jī)碳的測定中,很難將土壤中的微塑料完全去除;同時(shí),與大多數(shù)集約農(nóng)業(yè)中的土壤有機(jī)碳損失率相比,塑料中碳的損失率非常低[39]。這些因素可能會無意中將殘留的微塑料源碳視作土壤有機(jī)碳,而在一定程度上造成對土壤有機(jī)碳儲量的錯(cuò)誤評估[70]。由于微塑料在土壤中所帶來的環(huán)境和食物鏈風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)慎重考量土壤微塑料賦存所造成的“增碳”現(xiàn)象。

其次,微塑料會參與到土壤碳循環(huán)中。傳統(tǒng)石油基微塑料中所含的碳一般可視作惰性碳,不易被土壤微生物利用并轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)的農(nóng)膜所產(chǎn)生的微塑料不同,生物降解農(nóng)膜產(chǎn)生的微塑料中至少80%的碳可以轉(zhuǎn)化為CO2,剩余的有機(jī)碳可能會被微生物固定,并參與到全鏈條生物地球化學(xué)循環(huán)中。參與土壤碳庫周轉(zhuǎn)的微塑料源碳為微生物提供碳源時(shí),便直接參與到了微生物的增殖-生長-死亡過程,并以微生物殘?bào)w的形式被礦物吸附,形成礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳在土壤中累積。近期,Nelson 等[71]利用13C 標(biāo)記的聚丁二酸丁二醇酯解塑料進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)425 d 后65%的微塑料源碳被礦化,而微生物所同化的微塑料源碳比例大約為7%,該試驗(yàn)結(jié)果更為直觀地評估了微塑料源碳參與土壤碳庫形成的情況。Brown 等[40]在添加較少的羥基丁酸酯和羥基戊酸酯的共聚物下發(fā)現(xiàn),土壤微生物并沒有選擇14C-葡萄糖作為碳底物而是選擇了生物降解微塑料作為底物,說明生物降解微塑料可能會減輕土壤中的碳限制。因此,微生物的“續(xù)埋效應(yīng)”成為微塑料源碳向土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和累積的潛在途徑,為明確土壤有機(jī)碳庫的形成與不同來源相對貢獻(xiàn)提供了新思路(圖1)。

5 總結(jié)與展望

正確認(rèn)知并探究微塑料殘留轉(zhuǎn)化及其參與下的土壤碳循環(huán)過程有助于厘清土壤有機(jī)碳的形成穩(wěn)定機(jī)制。尤其是在面臨碳中和目標(biāo)的壓力下,準(zhǔn)確評估微塑料對土壤碳匯消長及平衡的影響至關(guān)重要。目前,關(guān)于農(nóng)田土壤微塑料研究主要集中在微塑料的來源、遷移及其對土壤理化性質(zhì)的影響和污染效應(yīng)方面,關(guān)于微塑料如何通過物理、化學(xué)和生物等方式參與到土壤碳循環(huán)中,以及其自身如何通過微生物代謝作用參與到土壤碳庫流動過程等的研究仍處于起步階段,研究內(nèi)容分散且未形成較為完整的理論方法體系;同時(shí),鑒于微塑料物理、化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性和土壤有機(jī)碳庫的“黑箱”性質(zhì),如何采用有效手段區(qū)分和耦合微塑料周轉(zhuǎn)與有機(jī)碳循環(huán)過程,成為了當(dāng)前的難點(diǎn)。總體上,在未來研究中,以下幾方面問題亟待解決。

1)精準(zhǔn)區(qū)分微塑料源碳在不同有機(jī)碳庫中的貢獻(xiàn)潛力。不同類型微塑料與異質(zhì)性程度較高的土壤顆粒混合成整體,微塑料與土壤有機(jī)碳的提取存在互相干擾的現(xiàn)象,導(dǎo)致從土壤中將微塑料分離與定量變得十分困難,并且對土壤有機(jī)碳庫的評估也可能包含了部分微塑料源碳的貢獻(xiàn)。當(dāng)前報(bào)道中關(guān)于微塑料豐度的研究結(jié)果差異較大,難以客觀比較不同地區(qū)、不同土壤中微塑料的含量水平。因而,找到切實(shí)可行的分離、提取和檢測手段將微塑料高效定量,并根據(jù)不同性質(zhì)土壤和不同類型微塑料建立標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)規(guī)范顯得至關(guān)重要。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)建立土壤微塑料數(shù)據(jù)庫,通過不斷監(jiān)測土壤中微塑料的賦存情況,明確農(nóng)田土壤中微塑料的來源與累積特征,并通過微塑料與土壤有機(jī)碳的雙重定量組合,明確傳統(tǒng)微塑料和可降解微塑料源碳在土壤有機(jī)碳中的比例,探索可降解微塑料源碳對不同土壤有機(jī)碳庫的貢獻(xiàn)程度。

2)探明微塑料直接和間接影響土壤有機(jī)碳循環(huán)的耦合作用機(jī)制。目前已經(jīng)對微塑料如何通過影響土壤理化性質(zhì)和微生物群落來影響土壤有機(jī)碳庫方面開展了一些基礎(chǔ)研究工作,但這些研究主要都是微塑料通過間接途徑對土壤碳循環(huán)產(chǎn)生介導(dǎo)作用,而微塑料(尤其是可降解農(nóng)膜產(chǎn)生的)自身參與土壤碳循環(huán)的過程仍未引起足夠的重視。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中,可能存在微塑料對土壤有機(jī)碳循環(huán)直接和間接影響過程的相互耦合作用,這可能成為驅(qū)動土壤碳固定與礦化過程的一個(gè)重要潛在驅(qū)動因素。在未來研究中,應(yīng)試圖尋找先進(jìn)研究手段(如碳同位素示蹤和分子生物學(xué)手段的結(jié)合),直觀地揭示微塑料源碳在活體微生物—微生物殘?bào)w—線蟲—土壤碳庫鏈條中的流動過程,明確土壤多營養(yǎng)級生物驅(qū)動下的微塑料源碳轉(zhuǎn)化機(jī)制,探索微塑料源碳直接參與土壤有機(jī)碳循環(huán)過程的貢獻(xiàn),并突出微塑料對土壤有機(jī)碳循環(huán)直接與間接影響間的協(xié)同耦合作用,為土壤固碳機(jī)制提供新的理論補(bǔ)充。

3)推進(jìn)基于多因素介導(dǎo)下的微塑料參與土壤碳循環(huán)機(jī)制研究。毋庸置疑,微塑料對土壤有機(jī)碳庫的影響絕不是單一因素控制。微塑料的種類和老化程度等差異可能使其化學(xué)組成、形狀、粒徑和吸附特性產(chǎn)生較大區(qū)別,進(jìn)而影響到其參與下的土壤碳循環(huán)過程。而土壤性質(zhì)和環(huán)境因子的差異一直就是研究不同條件下碳循環(huán)過程的重要考量因素;同時(shí),土壤和環(huán)境因子也會對微塑料表面性質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響。因此,在今后研究中,應(yīng)充分考慮將不同類型、老化程度、形狀、數(shù)量和大小的微塑料作為試驗(yàn)試材,并綜合研究微塑料在不同區(qū)域和土壤中對有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的驅(qū)動作用,以提高微塑料參與土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化過程研究結(jié)果的普適性。此外,當(dāng)前關(guān)于微塑料周轉(zhuǎn)機(jī)理研究大多在實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行,鑒于土壤和環(huán)境因子的復(fù)雜性,應(yīng)盡可能將在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的現(xiàn)象與田間試驗(yàn)充分融合,以進(jìn)一步提升研究結(jié)論的客觀性和準(zhǔn)確性。