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摘要:
土壤有机碳固定是驱动土壤肥力演变和陆地生态系统碳平衡的关键过程。鉴于微塑料在土壤生态系统中的持久性和生态环境风险, 其对土壤性质和过程的影响日益受到关注, 但基于土壤碳循环视角关注微塑料介导作用的研究仍相对匮乏。赋存于土壤中的微塑料能够通过间接影响土壤理化性质和直接参与碳循环的方式影响土壤有机碳固存、矿化与消长, 这进一步加剧了土壤有机碳循环过程的不确定性, 也突出了相关研究的迫切性。以此为背景, 本文概述了土壤有机碳固定途径的理论发展, 总结了土壤中微塑料的来源特征, 阐述了微塑料对不同土壤碳库的影响, 并深入探讨了微塑料调控土壤碳循环的可能机制, 最后对微塑料参与下的土壤有机碳循环相关研究进行了展望。结果表明微塑料能够通过影响土壤物理结构、微生物群落结构多样性、酶活性与功能基因、生物膜的形成、动物的繁殖与生长、植物的生长和根系沉积等对土壤碳的平衡起到介导作用, 同时通过自身参与到土壤全链条生物地球化学循环中而直接影响土壤有机碳循环。但相关研究仍处于起步阶段, 如何选取科学方法将微塑料周转与有机碳循环过程进行区分与耦合是未来研究的难点。因此, 在现有研究基础上, 通过先进土壤学研究手段的嵌套与改良, 以及研究思路的革新与交叉, 可进一步精准区分微塑料源碳在不同有机碳库中的贡献潜力, 探明微塑料直接和间接影响土壤有机碳循环的耦合作用机制, 并推进多因素影响下微塑料参与土壤碳循环过程的研究。
Abstract:Soil organic carbon (SOC) sequestration is a pivotal process that drives soil fertility evolution and carbon (C) balance in terrestrial ecosystems. Microplastics, due to their persistence and ecological risks in soil ecosystems, are increasingly gaining attention for their impacts on soil properties and processes. However, the influence of microplastics on SOC cycling remains uncertain. Microplastics can indirectly affect SOC sequestration and mineralization by influencing soil physical and chemical properties. Moreover, they can directly participate in the soil C cycle, further complicating our understanding of the SOC cycle. In light of this context, this study outlines the development of SOC sequestration pathways, summarizes the sources of soil microplastics, explains how microplastics affect different soil C pools, and delves into the potential mechanisms through which microplastics regulate the soil C cycle. Finally, we provide an overview and prospects for research on the SOC cycle and microplastics. Our findings revealed that microplastics impact SOC balance by influencing the formation and degradation of soil physical structures, microbial community structure diversity, enzyme activity and functional genes, biofilm formation, animal reproduction and growth, plant growth, and root deposition. Additionally, microplastics directly participate in the SOC cycle as part of the broader soil biogeochemical cycle. However, it is important to note that research in this area is still in its early stages, and differentiating and linking microplastic turnover with the SOC cycle using scientific methods presents challenges. Future research should aim to distinguish the potential contribution of microplastic-derived C in various SOC pools, explore the mechanisms through which microplastics directly and indirectly affect the SOC cycle, and examine the role of microplastics in the SOC cycle under the influence of multiple factors. This will require the integration of advanced soil study methods as well as innovative interdisciplinary approaches.
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塑料是人类工业文明的产物, 由于其用途广泛且难降解, 能够在较长的时间内被地球生态系统保存下来。塑料制品经过不同形式的分解形成的粒径小于5 mm的塑料颗粒一般被称为微塑料[1]。微塑料相关研究首先在海洋等水生生态环境中被关注[2], 近10年才开始讨论并研究土壤中的微塑料污染问题[3]。据估算, 陆地土壤中的微塑料污染规模较海洋高4~23倍[4]。因此, 土壤生态系统, 尤其是农田土壤, 可能是比海洋更重要的微塑料的汇。大量累积在土壤中的微塑料会对土壤质量和粮食生产带来一系列隐患, 并可能通过食物链对人类产生级联影响。因而, 微塑料介导下的土壤环境和性质变化成为了当今研究的焦点。
土壤有机碳循环是陆地生物地球化学循环的重要环节, 但土壤有机碳的固定途径与驱动机制至今仍未完全明晰。近些年, 土壤有机碳固定逐渐从腐殖质化理论过渡到微生物引擎驱动下的双重调控机制: 即植物源碳在土壤中的残留, 以及由微生物自身代谢产生的微生物源碳在土壤中的累积[5]。新的概念框架很大程度上推动了土壤有机碳固定研究新一轮的认知革命, 也为明确土壤介质中有机碳循环与其他物质能量流动间的关联提供了新视角。此外, 土壤生态系统中微塑料残留所产生的遗留效应加剧了土壤有机碳研究的不确定性。微塑料输入土壤后, 会在多种物理、化学和生物因素的作用下, 发生进一步的风化、迁移和转化, 这些过程均会影响到原本土壤有机碳的形成与释放[1]; 同时, 微塑料本身也含有大量的碳, 可能会直接参与到土壤碳循环当中。至今为止, 大多关注土壤微塑料的研究均将焦点放在了其环境效应、生态风险以及对土壤理化性质的影响上[6], 而微塑料参与下的土壤碳循环过程及调控机制仍然处于“黑箱”状态。
在当前土壤有机碳循环固定理论发生重大变革的机遇下, 有必要在厘清微塑料对土壤有机碳含量影响的基础上, 进一步探讨其对土壤碳循环过程的介导过程及驱动机理。这对于明确土壤有机碳增汇过程, 完善陆地生态系统碳循环模型具有重要意义。基于以上背景, 本文拟对近年来微塑料参与下的土壤碳循环过程等研究进行综述, 总结土壤有机碳形成途径相关领域的理论变革, 探讨土壤生态系统中微塑料的来源及其对土壤有机碳循环的影响, 剖析微塑料影响土壤碳周转的潜在机制, 并对相关研究领域的前景进行展望, 以期为未来土壤中微塑料周转与有机碳循环的耦合协同研究提供理论参考。
1. 土壤有机碳的固定途径
土壤是全球最大的陆地碳汇, 1 m深土层的土壤有机碳储量约为1500 Pg, 是大气碳储量的两倍[7]。因此, 作为陆地生态系统的重要组成部分, 土壤有机碳是减缓气候变化与维持土壤肥力稳定性的关键, 通过科学的方式管理土壤碳库以平衡大气中不断上升的CO2水平具有重要的现实意义[8]。土壤有机碳的固定过程和调控机制一直受到土壤学界的广泛关注和讨论[9]; 然而, 纵观相关领域的研究历史与现状, 仍未形成较为统一的观点。
腐殖化理论是土壤有机碳固定最经典的理论。该学说认为动植物残体在微生物的作用下逐渐分解成小分子的简单化合物, 并可以再次通过与微生物合成的多酚和醌等物质聚合成高分子多聚化合物(即腐殖物质)[10]。Kononova[11]最早通过酸碱浸提手段分离出腐殖物质中的富里酸、胡敏酸以及胡敏素, 但是并没有很好地解释腐殖物质是由酸碱手段而产生的人为产物这一问题。近年来, Hatcher等[12]运用13C-核磁共振技术, 通过重新组合各种腐殖物质组分, 并将重组后的样品与原始样品进行比较, 证明了腐殖物质存在的真实性。然而, 腐殖化理论在提取方法、提取效率、真实分子结构和转化过程等方面的不确定性至今仍是对该理论产生质疑的重要原因。
随着土壤原位分析和微生物相关测定技术的进步, 人们对土壤有机碳的形成与稳定机制不断产生新的理解, 其中微生物代谢过程在土壤有机碳形成途径中的引擎驱动作用成为主流共识。近年来, 微生物效率-基质稳定[13]和微生物碳泵[14]概念框架日益受到关注和认可。其中, 微生物效率-基质稳定概念框架给土壤有机碳固定理论的更新带来了很大机遇, 开创性地提出了微生物在土壤有机碳固定过程中起到的过滤器作用, 并认为微生物碳利用效率是外源有机碳转化为土壤有机碳过程的重要因素; 同时, 从土壤角度来看, 土壤矿物作为有机碳固定的重要承载者, 其性质也会对土壤有机碳的长期固存起到主控作用。在此基础上, 微生物碳泵概念框架的提出进一步完善了土壤有机碳固定在微生物作用下的双重调控途径。植物残体在进入土壤后, 不易被微生物利用的组分会以植物源碳的形式在土壤中沉积, 而易被微生物利用的有机组分通过微生物繁殖-生长-死亡的迭代累积过程, 使得微生物自身及其代谢产物以微生物源碳的形式参与土壤有机碳形成过程。
总体上, 微生物效率-基质稳定和微生物碳泵概念框架均强调了微生物合成代谢过程对土壤有机碳储存的贡献, 这为后续土壤有机碳形成与稳定的相关研究提供了新思路。但是, 除了有机碳本身的形成途径外, 外源碳的种类与输入方式也是介导有机碳转化的重要因素。在当前背景下, 大量赋存于土壤生态系统中的微塑料不仅能对土壤原本有机碳的形成与损失产生影响, 微塑料本身也可作为碳源参与到土壤碳循环之中, 进而影响到全球陆地生态系统碳收支与平衡。
2. 土壤中微塑料的来源
微塑料在陆地生态系统中主要以纤维、薄膜、泡沫与碎片形式存在, 其中纤维在土壤中占66.7%~82.5% [15]。按照土壤中微塑料的来源可分为原生塑料和次生塑料(通过机械搅碎或者生物降解形成的粒径更小的纳米塑料)。土壤中微塑料的来源主要有以下几类: 农用薄膜、灌溉和施肥等农田管理措施以及大气沉降。1)农用薄膜的大量使用是土壤微塑料的主要直接来源。我国农用薄膜(如地膜、棚膜等)的用量约占全世界用量的90%, 但地膜回收率仍处于较低水平; 同时, 我国使用的农用薄膜厚度较薄, 一般为0.01~0.03 mm, 有些地区地膜厚度甚至低于0.005 mm[16]。这些因素协同加剧了微塑料在土壤中的累积, 并成为土壤微塑料的主要来源。2)灌溉和施肥等农田管理措施是土壤中微塑料的重要间接来源。农田灌溉水主要来自地表水、地下水以及净化后的污水, 部分缺少水资源的地区也存在污水直接灌溉的情况。当前, 在全球各类可供灌溉的地表水中均检测到了微塑料的存在[17], 很多地区地下水也没能幸免[18-19]; 同时, 污水中微塑料的基数一般较大, 在经过处理后, 仍不可避免地残留相当数量的微塑料[20]。因此, 无论何种灌溉水源, 均可成为土壤微塑料增加的潜在途径。此外, 受有机肥生产工艺的限制, 当前大多数国家均允许有机肥中存在微塑料等物质, 我国商品有机肥年使用量超过2000万t, 这为土壤微塑料污染带来了较大风险。污泥会赋存污水中大部分的微塑料, 在其被当做肥料或改良剂施用到土壤时, 也会将微塑料输入到土壤中。有研究显示我国每年通过施用有机肥和污泥进入土壤的微塑料分别为1.56×1014个[21]和52.4~26 400 t[16]。3)大气沉降是土壤中微塑料的重要自然来源。源于大气沉降的微塑料以纤维状为主, 其中约50%来源于天然纤维[22]。有研究显示巴黎附近大气环境中微塑料每天会以29~280个·m−2的速率沉降到土壤中[22]。同时, 微塑料较小的尺寸与其相对较低的密度导致其能借由空气凝胶被远距离输送[23], 因此, 大气沉降也是微塑料在偏远地区土壤沉积的重要途径, 在西藏冰川表面的积雪中与在南极冰川上均能检测出微塑料的存在[24]。
3. 微塑料对土壤碳循环的影响
土壤生态系统中关于微塑料对有机碳的循环转化过程产生介导作用的相关研究仍然较少, 因此相关研究结果存在靶点分散且缺乏普适性的问题。总体上, 已有研究大都证实了微塑料对土壤有机碳矿化过程的促进作用。Gao等[25]发现老化的微塑料显著促进了土壤CO2 的产生(+15%~17%), 且CO2的排放量随着微塑料含量的增加而增大, 可能是由于其形成的微塑料-团聚体结构孔隙较丰富, 能够为微生物提供更多的生存场所[26]。也有研究提出微塑料添加使参与三羧酸循环的功能基因表达增强, 从而促进土壤有机质的分解和CO2的释放[27]。此外, Ng等[28]在添加聚乙烯微塑料的土壤中发现, 土壤中微生物的有氧和无氧代谢都有所增加, 同样证明了微塑料促进土壤CO2排放的结论。微塑料对土壤原有机碳矿化的影响可能会成为土壤碳汇功能发挥的潜在不利因素。但也有研究发现, 微塑料会提高土壤中富里酸等腐殖物质的含量, 继而提高土壤的持水性和对养分的保蓄能力。因此, 综合权衡分析微塑料在土壤有机碳累积与损失之间的关系十分必要。
在土壤生态系统中, 可溶性有机碳是由多种不同稳定程度有机物质组成的复杂混合物, 是土壤微生物代谢的重要底物, 与土壤有机碳的矿化等周转过程密切相关。当前, 微塑料输入对土壤可溶性有机碳的影响存在差异化的研究结果, 可能受到微塑料材质、添加量和土壤环境等因素的影响。Liu等[29]在室内培养试验中发现不同浓度聚乙烯微塑料能够降低土壤可溶性碳含量; 同时, Li等[30]在田间条件下也发现微塑料的输入在区域尺度上显著降低了土壤可溶性碳的比例。但是, Chen等[31]发现在加入聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯后, 微塑料明显增加了土壤可溶性碳含量, 可能与脂肪族化合物的消耗有关。但也有报道发现微塑料并不会明显影响土壤可溶性碳含量[32]。此外, 有研究显示微塑料输入量对可溶性有机碳会产生截然不同的影响[33]; 在土壤中加入高剂量的聚丙烯腈微塑料(<180 μm, 28%), 会降低团聚体的物理保护能力进而促进土壤有机碳的释放与可溶性有机碳的增加; 加入低剂量的微塑料对可溶性有机碳影响不大[34]。除可溶性有机碳外, 微塑料也会对微生物生物量碳产生较大影响。基于富含微塑料土壤的培养试验发现微生物生物量碳随培养时间延长而下降, 证明土壤有机碳主要用于微生物自身代谢而不是同化为微生物量, 且微生物生物量碳的变化与CO2释放呈正相关关系[26-27]。也有研究通过室内培养试验发现, 聚羟基烷酸酯可降解塑料处理的土壤微生物生物量碳显著升高, 证明可降解微塑料加速了微生物同化速率, 促进了微生物对可降解塑料的转化[2]。因此, 微塑料的材质是制约其对土壤微生物生物量影响的重要因素, 相比于聚乙烯等传统塑料, 生物可降解微塑料能够促进微生物量的生成, 但仍需继续评估可降解微塑料通过影响土壤有机碳途径和自身参与微生物量合成途径之间的相对贡献与权衡特征。
4. 微塑料参与土壤碳循环的可能机制
4.1 微塑料通过影响土壤性质间接参与土壤碳循环
4.1.1 土壤结构
鉴于微塑料本身的非自然属性与持久性特征, 它们可能在土壤环境中的积累过程中, 优先影响到土壤的物理结构。有报道显示土壤中发现的大部分微塑料均与团聚体密切相关, 尤其是纤维状微塑料大都在微团聚体中发现[35]。因此, 微塑料能够与土壤颗粒结合成不同级别团粒结构, 其中纤维状和碎片状分别有利于紧实和疏松的团粒结构形成[17,36]。然而, 由于微塑料(类型、粒径、性状和浓度等)和土壤性质(孔隙状况、有机质含量和胶体特性等)的双重复杂性, 当前关于微塑料引发的土壤物理结构潜在变化的研究仍处于起步阶段, 且无明确结论。研究4种微塑料(聚苯烯纤维、聚酰胺微球、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维和聚乙烯碎片)对土壤物理性质的影响发现, 聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维降低了土壤容重和团聚体稳定性, 其他类型影响不大[34]; Gao等[25]和Zhang等[35]研究结果表明聚酯微纤维或聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料并没有改变土壤容重。微塑料在引发容重改变的同时, 也会对其微观孔隙造成影响。Koskei等[37]发现残留的塑料薄膜显著降低了土壤孔隙度; 而Wang等[38]在黄土中加入小粒径聚乙烯微塑料(2%, 150 μm)后显著增加了土壤孔隙度, 这是由于粒径较小的土壤颗粒会在微塑料的介导下吸附结合, 形成更大的团聚体结构, 进而增加了土壤孔隙度, 但在砂质土壤中加入大粒径聚乙烯微塑料(2%, 950 μm)后, 由于微塑料堵塞孔隙造成的水分运移困难破坏了砂质土壤原有的毛管孔隙结构, 最终降低了土壤孔隙度。此外, 也有研究发现, 微塑料会同时存在占据土壤孔隙及其与土壤颗粒结合形成大孔隙两方面的效果[35]。土壤团聚体的物理/化学空间隔离作用是土壤有机碳稳定的重要机制, 经上述讨论可以发现, 微塑料很有可能通过影响土壤物理结构的形成与破坏而对土壤碳的平衡起到介导作用(图1)。
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图 1 微塑料影响土壤碳循环的可能机制Figure 1. Possible mechanisms of the impacts of microplastics on soil carbon cycle4.1.2 土壤微生物
土壤微生物是调解土壤碳循环的重要媒介。进入土壤的微塑料可以通过直接或间接的途径影响土壤微生物群落结构和多样性。有报道指出聚乙烯微塑料和聚乳酸微塑料的富集会分别导致土壤pH的降低和增加[26,39], 这会造成土壤细菌群落多样性差异化的响应特性, 如不同研究分别得到了α多样性减少[40]和增加的结果[41]; 同时, 微塑料引发的容重和团聚体稳定性的改变会影响丛枝菌根等根际微生物群落的改变[42]; 微生物对重金属和有毒物质的吸附会对微生物群落产生毒害作用, 如导致放线菌门(Actinobacteria)丰度的降低[34], 而对养分和土壤颗粒的吸附则会降低微生物的养分可利用性[43]。此外, 微塑料的添加会抑制变形菌门(Proteobacteria)等敏感微生物的繁殖, 而促进类诺卡氏菌科(Nocardioidaceae)、拟无枝酸菌(Amycolatopsis)等耐受性微生物的生长, 进而导致微生物物种的定向进化[25]; 也有研究指出大多数生物可降解微塑料影响的土壤微生物大多数属于变形菌门和放线菌门[44], 其中放线菌门相对丰度与可降解微塑料增加呈正相关, 可能与其具有降解多种聚合物的能力有关[45]。Zang等[46]则发现聚乙烯和聚氯乙烯的添加均导致了微生物群落从革兰氏阳性菌到革兰氏阴性菌的转变。除了影响微生物群落外, 微塑料颗粒也会影响微生物酶活性, 进而影响其降解和代谢过程。Zhang等[47] 汇总367个观测数据发现微塑料使土壤酶活性提高了7%~441%; Zhou等[34]研究表明当可降解微塑料被微生物利用后, 这种潜在的碳源可促进几丁质酶和亮氨酸氨基肽酶的释放。
微塑料作为人工生态位, 可以成为微生物的栖息地, 从而使微生物在微塑料表面形成生物膜, 在一定程度缓解了微生物群落之间的竞争。有研究基于16S rRNA基因测序发现, 腐生真菌和寄生真菌在生物膜上均能大量繁殖[48]。值得关注的是, 生物膜和土壤中的微生物群落存在显著差异, 放线菌、拟杆菌(Bacteroidetes)和变形菌门等能够降解聚乙烯的类群可能会在微塑料表面更多地富集, 且随着时间的推移, 生物膜中的细菌组合会通过降低细胞活力和更大的异源性生物降解等方式适应微塑料表面[49]; 同时, 不同微塑料释放的添加剂种类和含量的差异也会造成生物膜定殖微生物的不同[48], 老化微塑料也会加速生物膜的形成[50]。此外, 由于可降解微塑料的可降解性更强, 可能会更有利于生物膜的形成[34] 。综上, 微塑料与微生物不应被孤立研究, 两者的相互作用会进一步调控微生物源碳的形成和非微生物源碳的转化(图1)。
4.1.3 土壤动物
在农田生态系统中, 微塑料主要通过摄食途径影响土壤动物的繁殖、生长、活性和多样性[51]; 同时, 粒径<1 mm的微塑料更易被土壤动物摄入[3], 进入土壤动物体内的微塑料比其他摄入物质更易残留在肠道, 甚至穿过肠道壁传输到其他组织[52]。以蚯蚓(Eisenia foetida)为例, 微塑料被蚯蚓摄食并进入体内后在其体内难以降解, 会引起消化系统和肠道的损伤[53-54], 且蚯蚓体内积聚的微塑料会进一步制约其进食和排泄, 甚至导致蚯蚓存活率和繁殖率的下降; 高量的微塑料对蚯蚓生长速率和死亡率的负面影响更大[55] 。此外, 微塑料的摄入也会刺激蚯蚓产生较多肠道黏液, 导致土壤/凋落物微生物区系经启动效应而增强, 在一定程度上增加了土壤养分的吸收[56]。线虫(Caenorhabditis elegans)是土壤中数量最丰富的后生动物, 是土壤微食物网各营养级和能量通道的核心, 对土壤有机碳的分解途径起到重要作用[57]。微塑料也可以被线虫大量摄食, 导致其肠道受损、钙水平降低和氧化应激基因增加, 影响线虫的成活率和繁殖能力[58]; 同时, 即使较低浓度的微塑料也会明显导致线虫代谢功能紊乱和生长, 以上证明线虫对微塑料污染具有较高敏感性[59]。线虫通常以微生物为食, 有研究表明在缺少食物的状态下, 微塑料颗粒更容易被线虫摄入[60], 因而土壤动物的趋势选择和食物碎屑的组成也是影响微塑料被动物利用的重要因素。蚯蚓和线虫等土壤动物是介导土壤碳循环的重要驱动因子, 因微塑料富集所带来的土壤动物繁殖和代谢功能的下降可能会降低蚯蚓和线虫对土壤有机碳的固定能力, 限制蚯蚓对土壤团聚体形成和土壤有机碳向下层迁移的作用, 破坏土壤微食物网及能量通道, 进而影响到有机碳在不同营养级生物功能群之间的流动与转化, 对土壤有机碳的固定造成一定负面影响。随着微塑料在食物链中的传递, 还能对地上部动物产生影响[61]。
4.1.4 植物
微塑料在土壤中的累积会对植物生长产生一系列影响。当前, 大多研究认为微塑料会延缓植物种子萌发, 降低出苗率和生物量, 改变组织化学组成, 造成遗传毒害, 并导致植物产生氧化胁迫效应等[62-64]。首先, 伴随着微塑料介导下土壤容重的增加, 逐渐增大的渗透阻力会降低根部直径并阻碍根系生长, 进而影响到根系的下扎能力[65-66]; 同时, 微塑料造成的微生物群落的变化也会影响根系生物量[65]。此外, 源于传统农用地膜的微塑料的毒性(含负载毒性)也会影响到植物生长, 如堵塞种子气孔和根皮细胞而限制萌发及其对水分和养分的吸收[67]。另外, 微塑料能够以裂纹模式被植物体吸收, 并在蒸腾拉力的作用下随导管系统进入地上部器官[68], 造成吸附的毒性物质也进入植物组织。但是, 微塑料对植物生物量的影响存在不确定性, 也有一些研究显示微塑料会促进根系生长和生物量的增加[26,36], 但可能是以优势物种的变化为代价[69] 。植物地上地下生物量及其根系分泌物是土壤有机碳的重要来源, 植物生产力的变化势必会影响到土壤有机碳的储量, 因而微塑料对植物生长的影响也是驱动土壤固碳模式改变的重要潜在因素(图1)。
4.2 微塑料源碳直接参与土壤碳循环过程
微塑料除通过间接影响土壤理化性质而介导土壤有机碳循环过程外, 其本身作为高碳聚合物, 会直接参与到土壤有机碳的固定、周转与释放过程中, 这方面的研究至今尚未引起足够重视。微塑料长年累月地在土壤中累积, 有必要将其视为土壤中一个新的碳“库”, 并纳入到土壤有机碳循环的研究中来。
首先, 微塑料的存在会引起对土壤碳库储量的误判。农用地膜的持续使用使得土壤中的微塑料不断积累。微塑料一般由碳基链结构与有机添加剂合成, 碳是其化学组成的主体(传统塑料地膜和可降解地膜含碳量分别约为90%和50%)。在土壤有机碳的测定中, 很难将土壤中的微塑料完全去除; 同时, 与大多数集约农业中的土壤有机碳损失率相比, 塑料中碳的损失率非常低[39]。这些因素可能会无意中将残留的微塑料源碳视作土壤有机碳, 而在一定程度上造成对土壤有机碳储量的错误评估[70]。由于微塑料在土壤中所带来的环境和食物链风险, 应慎重考量土壤微塑料赋存所造成的“增碳”现象。
其次, 微塑料会参与到土壤碳循环中。传统石油基微塑料中所含的碳一般可视作惰性碳, 不易被土壤微生物利用并转化。与传统的农膜所产生的微塑料不同, 生物降解农膜产生的微塑料中至少80%的碳可以转化为CO2, 剩余的有机碳可能会被微生物固定, 并参与到全链条生物地球化学循环中。参与土壤碳库周转的微塑料源碳为微生物提供碳源时, 便直接参与到了微生物的增殖-生长-死亡过程, 并以微生物残体的形式被矿物吸附, 形成矿物结合态有机碳在土壤中累积。近期, Nelson等[71] 利用13C标记的聚丁二酸丁二醇酯解塑料进行室内培养试验, 发现425 d后65%的微塑料源碳被矿化, 而微生物所同化的微塑料源碳比例大约为7%, 该试验结果更为直观地评估了微塑料源碳参与土壤碳库形成的情况。Brown 等[40] 在添加较少的羟基丁酸酯和羟基戊酸酯的共聚物下发现, 土壤微生物并没有选择14C-葡萄糖作为碳底物而是选择了生物降解微塑料作为底物, 说明生物降解微塑料可能会减轻土壤中的碳限制。因此, 微生物的“续埋效应”成为微塑料源碳向土壤有机碳转化和累积的潜在途径, 为明确土壤有机碳库的形成与不同来源相对贡献提供了新思路(图1)。
5. 总结与展望
正确认知并探究微塑料残留转化及其参与下的土壤碳循环过程有助于厘清土壤有机碳的形成稳定机制。尤其是在面临碳中和目标的压力下, 准确评估微塑料对土壤碳汇消长及平衡的影响至关重要。目前, 关于农田土壤微塑料研究主要集中在微塑料的来源、迁移及其对土壤理化性质的影响和污染效应方面, 关于微塑料如何通过物理、化学和生物等方式参与到土壤碳循环中, 以及其自身如何通过微生物代谢作用参与到土壤碳库流动过程等的研究仍处于起步阶段, 研究内容分散且未形成较为完整的理论方法体系; 同时, 鉴于微塑料物理、化学性质的复杂性和土壤有机碳库的“黑箱”性质, 如何采用有效手段区分和耦合微塑料周转与有机碳循环过程, 成为了当前的难点。总体上, 在未来研究中, 以下几方面问题亟待解决。
1)精准区分微塑料源碳在不同有机碳库中的贡献潜力。不同类型微塑料与异质性程度较高的土壤颗粒混合成整体, 微塑料与土壤有机碳的提取存在互相干扰的现象, 导致从土壤中将微塑料分离与定量变得十分困难, 并且对土壤有机碳库的评估也可能包含了部分微塑料源碳的贡献。当前报道中关于微塑料丰度的研究结果差异较大, 难以客观比较不同地区、不同土壤中微塑料的含量水平。因而, 找到切实可行的分离、提取和检测手段将微塑料高效定量, 并根据不同性质土壤和不同类型微塑料建立标准化技术规范显得至关重要。在此基础上, 应建立土壤微塑料数据库, 通过不断监测土壤中微塑料的赋存情况, 明确农田土壤中微塑料的来源与累积特征, 并通过微塑料与土壤有机碳的双重定量组合, 明确传统微塑料和可降解微塑料源碳在土壤有机碳中的比例, 探索可降解微塑料源碳对不同土壤有机碳库的贡献程度。
2)探明微塑料直接和间接影响土壤有机碳循环的耦合作用机制。目前已经对微塑料如何通过影响土壤理化性质和微生物群落来影响土壤有机碳库方面开展了一些基础研究工作, 但这些研究主要都是微塑料通过间接途径对土壤碳循环产生介导作用, 而微塑料(尤其是可降解农膜产生的)自身参与土壤碳循环的过程仍未引起足够的重视。在土壤生态系统中, 可能存在微塑料对土壤有机碳循环直接和间接影响过程的相互耦合作用, 这可能成为驱动土壤碳固定与矿化过程的一个重要潜在驱动因素。在未来研究中, 应试图寻找先进研究手段(如碳同位素示踪和分子生物学手段的结合), 直观地揭示微塑料源碳在活体微生物—微生物残体—线虫—土壤碳库链条中的流动过程, 明确土壤多营养级生物驱动下的微塑料源碳转化机制, 探索微塑料源碳直接参与土壤有机碳循环过程的贡献, 并突出微塑料对土壤有机碳循环直接与间接影响间的协同耦合作用, 为土壤固碳机制提供新的理论补充。
3)推进基于多因素介导下的微塑料参与土壤碳循环机制研究。毋庸置疑, 微塑料对土壤有机碳库的影响绝不是单一因素控制。微塑料的种类和老化程度等差异可能使其化学组成、形状、粒径和吸附特性产生较大区别, 进而影响到其参与下的土壤碳循环过程。而土壤性质和环境因子的差异一直就是研究不同条件下碳循环过程的重要考量因素; 同时, 土壤和环境因子也会对微塑料表面性质产生不同程度的影响。因此, 在今后研究中, 应充分考虑将不同类型、老化程度、形状、数量和大小的微塑料作为试验试材, 并综合研究微塑料在不同区域和土壤中对有机碳转化的驱动作用, 以提高微塑料参与土壤有机碳转化过程研究结果的普适性。此外, 当前关于微塑料周转机理研究大多在实验室条件进行, 鉴于土壤和环境因子的复杂性, 应尽可能将在实验室中观察到的现象与田间试验充分融合, 以进一步提升研究结论的客观性和准确性。
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