環境中土壤微塑料研究熱點及趨勢可視化研究

殷偉慶,熊新港,李冠霖,解清杰

1.江蘇省鎮江環境監測中心,江蘇 鎮江 212009

2.江蘇大學,江蘇 鎮江 212013

目前,微塑料在不同環境介質中均能被檢測到。由于其豐度高、粒徑小且比表面積大,很容易與其他物質發生吸附遷移等行為,并通過環境介質遷移和食物鏈富集危害人體健康。環境中的微塑料一方面充當著其他污染物的載體,在環境污染過程中起到多重載體的作用;另一方面其本身所含添加劑等有害成分會釋放到環境中,造成污染[1]。此外,微塑料能夠提供獨特的基質,使微生物有選擇性地富集于其表面,形成有異于周圍環境的微生物群落。這種人造生態系統被稱為塑料際(The Plastisphere)[2]。當前針對環境微塑料的環境行為和生態風險的研究主要集中在水環境領域,尤其是海洋環境領域。一些研究表明,土壤可能是較水體和沉積物更大的微塑料的“匯”[3],然而受土壤介質成分的復雜性和分離檢測方法的有限性的限制[4],土壤微塑料污染研究較少。

近年來,隨著文獻計量學技術的不斷發展,大數據可視化成了研究狀況分析的重要手段。當前,關于微塑料的文獻報道較多,但對土壤微塑料研究文獻進行統計分析并總結的相關綜述卻鮮有報道,導致當前對微塑料研究熱點和未來趨勢的分析尚顯不足。

本文選用CiteSpace為分析工具,對2000年至今發表的環境微塑料污染方面的文獻進行統計和可視化分析,并對當前微塑料研究熱點和面臨的挑戰進行了系統的總結,以期為今后的相關研究提供參考和思路。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

本文選用Web of Science(WoS)和中國知網(CNKI)作為文獻可視化分析的數據來源,信息采集時間為2022年3月15日。在WoS數據庫中,本研究選取的核心合集為SCI-E(科學引文索引)、SSCI(社會科學引文索引)、CPCI-S(會議論文引文索引)、CCR-E(最新化學反應)、IC(化學索引),文獻類型為Article(論文)和Review(評論),語種為English(英文),以“(environment*OR nanopolymer*) AND (micro*plastics*OR plastic microbeads*OR plastic particles*OR plastic debris*OR nanoplastics*)”作為檢索詞進行主題檢索,篩選2000年至今的研究文獻。使用軟件去除重復文獻,導出文獻作者、標題、來源出版物、摘要、關鍵詞和引用的參考文獻等,共檢索到外文文獻7 085篇。以“(soil*OR terrestrial*) AND (micro*plastics*OR plastic microbeads*OR plastic particles*OR plastic debris*OR nanoplastics*)”作為檢索詞,提取土壤微塑料相關研究文獻,最終共檢出1 520篇。

在CNKI數據庫中,以“微塑料”“塑料微珠”“塑料微粒”“塑料微球”“納塑料”為檢索詞,篩選2000年至今的研究文獻,共得到中文文獻1 253篇。手動剔除會議公告以及與環境微塑料研究領域不符的文章,剩余文獻879篇。在剩余文獻中,以“土壤”作為檢索詞,剔除不相關的研究文獻,共得到文獻131篇。

1.2 研究方法

CiteSpace是一款由陳超美教授[5]基于Java平臺開發,用于分析科學研究中的新興研究趨勢和動態的可視化分析軟件,廣泛應用于科學引文分析。本文基于CiteSpace文獻分析軟件繪制相關科學知識圖譜,對檢索到的微塑料研究領域文獻進行圖譜可視化分析。按照學科分析(宏觀)—主題詞分析(微觀和直觀)—典型聚類分析(局部)—共被引分析(復雜和整體)的分析思路,對機構共現圖譜、作者合作圖譜、關鍵詞共現圖譜、文獻共被引圖譜等進行計量分析,同時對近年來環境微塑料研究尤其是土壤微塑料研究的現狀、趨勢和熱點進行了歸納總結。由于自CNKI下載的題錄不包含參考文獻信息,本文只對WoS數據庫中的文獻進行作者、機構、參考文獻共被引分析。

2 文獻分析

2.1 發文量與年度分布

文獻數量的年度分布變化趨勢能夠反映該領域的重要性和受關注程度[6]。微塑料相關研究文獻的年度分布情況如圖1、圖2所示。可以看到,從2000年至今,文獻數量總體呈波動上升趨勢。國內微塑料研究文獻數量自2016年開始逐步增加,近幾年上升明顯。在國外對微塑料的研究不斷深入的情況下,國內對微塑料的研究也在逐漸加強。據統計,目前土壤微塑料相關研究文獻占環境微塑料研究文獻的比例達21.69%(數據來源于WoS和CNKI數據庫2019—2022年發表文獻),較2019—2020年(6.34%)[3]提升較大,表明2021—2022年土壤微塑料研究熱度呈上升趨勢。

圖1 環境微塑料主題發文量年度分布

圖2 土壤微塑料主題發文量年度分布

2.2 關鍵詞分析

2.2.1 關鍵詞共現

關鍵詞共現圖譜能夠反映該領域的研究熱點。利用關鍵詞出現頻次(Center Frequency,CF)乘以關鍵詞中心性(Betweenness Centrality,BC),得到研究領域內頻次和中心性都較高的節點[7],同時結合突現程度等指標,可直觀地呈現研究領域內的重要關鍵詞,為明確該領域的研究熱點提供依據[8]。其中,節點顏色由中心向外側逐漸變暖,外圈顏色代表近幾年出現頻次較高。

篩選并合并表達含義相同以及相近的關鍵詞后,根據CF×BC值得到目前國際環境微塑料研究領域排名靠前的關鍵詞為“Accumulation”(積累,936.39)、“Marine Debris”(海洋碎屑,594.38)、“Contamination”(污染,273.02)、“Water”(水,167.62)、“Behavior”(行為,79.56)、“Transport”(遷移,63.57)、“Abundance”(豐度,60.48),說明微塑料的積累、遷移等環境行為及生態效應是近年來的研究熱點。從關鍵詞突現角度來看,海洋微塑料的研究熱度的持續時間最長。

國內外土壤微塑料關鍵詞共現圖譜和關鍵詞聚類知識圖譜如圖3、圖4所示,CF×BC值排名靠前的關鍵詞如表1所示。由表1可知,WoS數據庫顯示的熱點詞匯主要涵蓋土壤、水體和沉積物中微塑料的賦存、遷移特征和濃度分布,微塑料在環境介質中的累積和暴露對土壤理化性質的影響及對動植物的生態毒理學效應,可生物降解塑料等新型材料在減輕土壤環境微塑料污染程度上的效果,減少土壤微塑料含量和降低土壤微塑料環境危害的措施;CNKI數據庫關鍵詞主要涵蓋農田土壤、生態效應、來源分布、塑料地膜、防治措施等方面。以上結果表明,探明土壤微塑料的來源分布,明確其環境行為和同其他污染物(如重金屬、有機污染物)的協同作用,完善土壤微塑料生態風險評價體系,對于土壤微塑料污染治理尤為關鍵,尤其是在作為農膜使用大國的中國,農田土壤微塑料污染應受到足夠的重視。

表1 土壤微塑料研究領域CF×BC值靠前的關鍵詞排名

注：英文單詞的中文含義詳見正文及表1。圖3 土壤微塑料關鍵詞共現網絡圖譜(WoS)

圖4 土壤微塑料關鍵詞共現網絡圖譜(CNKI)

2.2.2 關鍵詞突發

關鍵詞突發(Burst)是指一個變量的值在短時間內劇增,突然變成研究者關注的熱點。關鍵詞突發性較強表明在某時間段內,學者對其的研究興趣急劇增加,故突發時間較近的關鍵詞可反映目前的新興研究趨勢[9]。本文通過CiteSpace列舉出突發強度靠前的關鍵詞(表2),分析突發開始和結束時間以及突發強度,以探明研究熱點和新興趨勢。從WoS數據庫中列舉出10個突發性較強的關鍵詞,其中“Strength”(強度)、“Synthetic Fiber”(合成纖維)、“Ingestion”(攝入)等為突發時間較近的關鍵詞。在CNKI數據庫中,“分布特征”“豐度”“人體健康”“地下水”等為近幾年的突發詞,且突發狀態仍在持續,表明土壤微塑料污染研究在我國開始受到更廣泛的關注,并且對于其賦存分布、對人體健康的影響及在土壤-地下水中的聯合污染機制的研究在未來具有較高的價值。

表2 土壤微塑料研究突發強度排名靠前的關鍵詞(WoS和CNKI)

2.2.3 關鍵詞聚類

聚類分析是按照相似性由大到小進行層級聚類,從而直觀展現文獻間的關系[10]。聚類序號由囊括的關鍵詞規模決定,聚類包含的關鍵詞越多,規模值越大,排序越靠前。輪廓值是衡量聚類成員同質性的正相關性指標,輪廓值越大,同質性越高[11]。兩數據庫土壤微塑料關鍵詞聚類知識圖譜如圖5、圖6所示。

圖5 土壤微塑料關鍵詞聚類知識圖譜(WoS)

圖6 土壤微塑料關鍵詞聚類知識圖譜(CNKI)

分析結果中,聚類輪廓值均在0.8以上,表明聚類同質性較好,可信度高。WoS數據庫中的國際土壤微塑料研究網絡共檢測出24個聚類,從中選取了12個主要聚類,其中土壤有機碳(SOC)排在第一位。由此可得出,國際土壤微塑料研究的首要熱點為微塑料降低土壤肥力及有機碳含量[12],其次是離散元法(Discrete Element Method)、飽和土壤(Saturated Soils)和微生物群落(Microbial Community)等。CNKI數據庫中的國內土壤微塑料研究網絡共檢出10個聚類,反映出微塑料復合污染、土壤動物、塑料地膜、環境行為及生態效應等是當前的研究熱點。

2.3 文獻突發性分析

具有高度突發性的文獻表明在該時間段內,研究者對這一主題和內容的研究興趣急劇上升。表3列舉了突發強度靠前的20篇文獻,其中JAMBECK、EERKES-MEDRANO、VAN CAUWENBERGHE、BOUWMEESTER等[13-17]發表的文章在近期具有較高的突發強度。JAMBECK等[13]的研究通過結合固體廢物、人口密度和經濟狀況等指標,估算了進入海洋的陸基塑料廢物的量;EERKES-MEDRANO等[14]系統地綜述了海洋生態系統、淡水生態系統中的微塑料污染問題,并論述了微塑料的檢測分析和量化方法及生態影響;VAN CAUWENBERGHE等[15-16]對微塑料提取技術進行了評估,討論了微塑料在土壤沉積物等中的分布情況,并從貝類生物中檢測到微塑料,分析了海產品所含微塑料對人類健康構成的潛在風險;BOUWMEESTER等[17]的研究表明,納米塑料對生物體健康狀況存在潛在影響。以上分析結果表明,土壤微塑料的豐度、分布、檢測方法、生物體健康影響等是近年來關注度較高的新興熱點。

表3 土壤微塑料突發強度排名前20的參考文獻(WoS)

3 討論

3.1 微塑料研究現狀

1972年,CARPENTER等在美國首次發現了微塑料的存在[33]。隨后,微塑料在多種介質中被檢出[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,如纖維、泡沫、碎片、球形顆粒和薄膜等[34]。基于其特征及危害,微塑料在2014年被聯合國環境規劃署(UNEP)列為十大新興重要污染物之一[35]。在2016年召開的第二屆聯合國環境大會上,微塑料污染被列為環境與生態科學研究領域的第二大科學問題[36]。總體上,我國微塑料研究的發文趨勢與國際發文趨勢相近,均在2014年前后開始出現增長,在2020—2022年出現了成倍的增長,特別是2021年的發文量很高,說明土壤微塑料研究逐漸受到重視。

研究表明,海洋塑料垃圾中有80%來自于陸地,陸地中的微塑料含量是海洋的4～23倍[37]。當前的微塑料研究主要集中于水環境,而土壤微塑料污染研究由于其介質的復雜性及分析方法的有限性,一直受到忽視[38]。人類活動(農膜覆蓋、污水污泥施用和農業堆肥等)和氣候過程(大氣沉降、降水等)都對土壤微塑料的積累有著重要貢獻[25],但由于缺少統一的分析方法和標準,對土壤微塑料環境風險的橫向評估十分困難[1],不同研究的側重點及深度存在較大差異。

3.2 土壤微塑料研究熱點及趨勢分析

通過以上關鍵詞分析可以發現,全球已經對水環境中的微塑料的來源、分布、積累進行了廣泛研究,而對土壤環境中的微塑料的相關研究還不夠充分,對微塑料對人類健康的危害未能實現精確評估。自2007年至今,土壤、水體和沉積物中微塑料的賦存、遷移特征和濃度分布,微塑料在環境介質中的累積和暴露對土壤理化性質的影響及對動植物的生態毒理學效應,可生物降解塑料等新型材料在減輕土壤環境微塑料污染程度上的效果,減少土壤微塑料含量和降低土壤微塑料環境危害的措施,已成為國際微塑料研究的趨勢。中國一直緊跟國際微塑料研究的熱點和趨勢。自2016年至今,微塑料在環境土壤中的分布特征、生態效應及其防控措施已成為我國土壤微塑料研究的熱點,研究趨勢則從初期的土壤微塑料的來源和污染情況逐步向其對食品安全和人類健康的威脅以及相關防控政策的實施上轉移。

土壤微塑料的破碎、分解和遷移受多種非生物和生物因素的影響。土壤的物理特性(如空隙裂縫)、農業耕作、土壤生物群的運輸作用等都會影響微塑料的分散性[39]。此外,捕食者與被捕食者之間的相互作用也會對微塑料的分散性產生影響[40]。土壤微塑料的生態風險和毒理學效應是當前需重視的方向,探明土壤微塑料的賦存特征和背景濃度是進行污染防治的前提。迄今關于微塑料對陸地生態系統的影響的研究大多都是在實驗室控制條件下,在相對較短的暴露時間內進行的探索性實驗,研究結果對于自然環境下的生物群落結構和較長的時間尺度缺少說服力[41-42]。鑒于農業生態系統對于糧食供應安全的重要性,加強農田土壤微塑料污染防控尤為重要。農膜覆蓋和污水污泥施用是微塑料進入陸地生態系統的主要途徑[43-44]。隨著微塑料的風化分解,其還會與其他污染物產生多種相互作用,如共遷移等[45]。因此,厘清微塑料同其他環境因子對生物乃至整個生態系統的影響,并評估其農業生態風險,具有重要的現實意義。

針對日益嚴重的微塑料污染問題,我國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日禁止生產、到2022年12月31日禁止銷售含塑料微珠日化品的政策;在2020年1月發布“到2020年底,全國范圍餐飲行業禁止使用不可降解一次性塑料吸管”的規定。此外,“禁塑令”和生活垃圾分類制度等政策也在削減塑料污染方面發揮了重要作用。

總體來看,國內微塑料研究熱點與國際有較多的重疊,表明中國已逐步成為該領域重要的研究力量。

3.3 農田土壤微塑料

由于土壤-地下水體系微塑料研究起步較晚,系統研究微塑料在該體系中的聚集、沉積、遷移、輸送、降解與轉化等環境行為和生態毒理效應,從而立體評估微塑料污染對農業生態系統(農產品產量、品質與安全)的影響,仍存在一定難度,有待形成完善的調查監測方法體系。

當前關于農田土壤微塑料環境行為的研究大多停留在實驗室階段,而實驗室環境與多因素協同作用的自然環境存在較大差異。此外,有關微塑料對人體的暴露風險和毒理特性還有待進一步研究。微塑料進入土壤后,很難通過微生物分解或礦化而予以清除,其必然會長期存在于環境中,因此,對受微塑料污染的農田土壤進行修復的必要性和可行性也有待探究[46]。微塑料廣泛存在于農業生態系統中,并且由于其惰性和緩慢的降解速度,土壤微塑料的豐度可能仍在增加。土壤微塑料一方面可通過其本身所含添加劑和所吸附污染物產生直接毒性,另一方面能夠改變土壤的理化特性[47],影響土壤生物乃至農作物的生長。

4 結論及展望

使用CiteSpace對微塑料研究進行了多角度的分析,主要研究結論如下：

1)本文基于文獻計量及可視化分析方法,首次對環境微塑料及土壤微塑料領域的研究現狀進行了歸納分析,發現國際上對于微塑料的研究呈逐年增強的趨勢,尤其是近幾年,相關研究呈現爆發式增長,中國對于土壤微塑料的研究也緊隨其后。

2)對2000年至今的相關文獻的關鍵詞進行總結分析發現,海洋環境是受研究最多的對象,淡水環境研究也在逐漸加強,而對于土壤環境,微塑料豐度分布、污染機制和健康風險等是當前的研究熱點。

結合微塑料文獻計量結果以及我國的研究現狀,對未來開展微塑料研究提出以下展望：

1)當前各國陸續通過制定法規來管控塑料污染,但仍缺乏有效的農田微塑料污染修復技術。應制定、優化土壤微塑料樣品的采集和預處理方法,以及標準化的微塑料分離和檢測方法;加強對塑料生產、銷售源頭的控制,以及廢棄物的回收處置;研究微塑料污染土壤修復必要性和可行性,結合現有微塑料分離和土壤修復技術,開發經濟、合理的針對微塑料及其復合污染的可持續修復方案,為微塑料污染治理提供技術支撐。

2)亟待建立土壤-地下水體系微塑料調查監測方法,加強農業生產區土壤-地下水體系微塑料來源、分布及生態與食物鏈風險等研究,分析其環境行為和生態毒性,為我國農業生產區土壤-地下水體系微塑料污染風險管控與治理提供依據。

3)亟待制定微塑料污染控制對策。建議提升農業種植戶廢棄塑料回收意識,同時改進廢棄塑料加工處理工藝,包括回收利用、填埋、熱降解、機械降解和生物降解等;完善農業土壤相關管理法規和監管體制,摸清微塑料污染嚴重的農田土壤的物化性質、生態效應狀況;從源頭減少微塑料向環境的釋放,同時改進塑料加工工藝,以植物油等為原料研發綠色環保且性能優異的塑料添加劑。此外,作物秸稈有機覆蓋能夠在保證土壤生產力的同時,避免土壤微塑料污染,可作為干旱地區替代塑料覆膜的綠色可行方案。微塑料與土壤介質的充分相融導致難以對其進行回收或富集,而土壤中的部分細菌、真菌和昆蟲具備一定的降解能力,因而生物降解或能成為加速消除土壤微塑料污染的有效方式。