R

微塑料是一类广泛存在于土壤中的塑料颗粒。近年来，微塑料对土壤环境的污染引起了广泛关注。土壤微塑料与土壤生态功能关系密切，深入揭示微塑料对土壤生态功能性的影响是当前研究的重点。许多研究表明土壤微塑料会通过发生横向和纵向迁移扩大污染范围，加剧微塑料对土壤-植物系统生态功能的影响。近三年来，方临川课题组在土壤-植物系统中微塑料的污染特征及其生态效应等方面取得了系列进展，在Global Change Biology、Journal of Hazardous Materials、Science of the Total Environment等期刊上共发表SCI论文12篇，其中高被引论文5篇，累计被引用600余次。这些工作为农田土壤环境保护与农业可持续发展提供了重要借鉴。

1.土壤-植物系统中微塑料的污染特征

关于微塑料在农田土壤-植物体系中的特征及其生态风险逐渐引起广泛关注。我们通过多项研究深入探讨了微塑料的污染特征、对土壤微生物的影响，以及其对植物的毒性效应，为未来的环境保护策略提供了重要依据。1）微塑料的特征及其丰度。通过调查湖北省恩施烟田土壤中不同连续覆膜年限（3、6、10、15和20年）下微塑料的特征，发现其在农田中的丰度范围为647至2840>1）微塑料污染的空间分布特征。研究中评估了土壤微塑料污染的不同来源，并探讨了其空间分布的显著异质性。根据116项研究（1003个采样点）收集的数据，揭示了微塑料污染的全球地理分布存在显著空间差异（图1），这为进一步理解微塑料的环境行为提供了重要基础（Zhang et al. 2022, J Hazard Mater 424: 127750）。2）微塑料的特征及其丰度。通过调查湖北省恩施烟田土壤中不同连续覆膜年限（3、6、10、15和20年）下微塑料的特征，发现其在农田中的丰度范围为647至2840 items/kg。其中，薄膜、纤维和小颗粒（0-1.0 mm）是主要的微塑料类型和尺寸，其比例随着种植年限的增加而显著增加（Zhang et al. 2022, Gondwana Res 108: 91-101）。3）微塑料对土壤微生物代谢限制的影响。通过酶计量模型研究了微塑料对微生物营养限制的影响，研究结果表明，土壤中的微生物受到了微塑料引发的显著的碳和磷营养限制，且这种限制效应随时间推移而加剧。MPs丰度主要通过直接影响土壤性质（土壤有机碳、总氮、总磷）而加剧微生物限制，而MPs的大小和形状则通过显著影响MPs丰度而间接加剧微生物代谢限制 （Zhang et al. 2022, Gondwana Res 108: 91-101）。4）微塑料对植物的毒性效应。我们系统地讨论了微塑料对植物的毒性，发现不同类型、剂量和粒径的MPs对植物的种子萌发、株高、根长和生物量等表现出差异。研究进一步强调了微塑料对土壤性质和微生物群落的改变，是其威胁植物生长的潜在机制（图2, Zhang et al. 2022, J Hazard Mater 424: 127750, Zhang et al., 2022, Environ Pollut 306:119374）。5）缓解土壤微塑料污染的策略。为了应对土壤微塑料污染，我们提出了几种预防策略。这些策略包括源头控制、如回收废弃农业膜及使用可生物降解的塑料膜；生物降解手段如利用特定微生物和植物提升降解效率；以及政策实施，如出台限制一次性塑料和塑料微珠的法规。同时指出，微塑料在土壤-植物系统中的生物地球化学行为方面仍存在研究空白，迫切需要探索和建立微塑料在植物组织中的积累的定量检测方法（Zhang et al. 2022, J Hazard Mater 424: 127750）。

2. 土壤-植物系统中微塑料/重金属复合污染特征

关于微塑料与重金属在土壤-植物体系中的耦合效应及其对农业生产和人类健康的潜在威胁，也逐渐成为环境科学领域的研究热点。我们的多个研究从不同角度深入探讨了微塑料与重金属的相互作用机制及其生态风险，为未来的环境保护策略提供了重要依据。1）微塑料与重金属在土壤中的复合污染。研究表明，微塑料和重金属如Cd在土壤中的污染来源广泛，包括废水排放、大气沉降、农业活动（如塑料地膜使用、污水灌溉）等（图3）。这些污染物在土壤中的共存显著增加了环境风险，因为它们可以通过多种机制相互影响，共同对土壤生态系统产生负面效应（Huang et al. 2024, J Hazard Mater 477: 135221）。2）微塑料对重金属生物有效性的影响：我们通过meta分析和实验验证，发现微塑料能够显著提高土壤中重金属的生物有效性。微塑料通过表面吸附、解吸等机制，增加了重金属在土壤中的解吸率，从而促进了植物对重金属的吸收（图4）。例如，微塑料能够显著降低土壤pH值，增加溶解性有机碳含量，改变土壤微生物群落结构，进而间接影响重金属的迁移和转化（Huang et al. 2023, J Hazard Mater 448: 130887； Chen et al. 2024, Environ Pollut 348: 123787）。3）微塑料与重金属对植物的协同毒性。微塑料与重金属的联合暴露对植物产生了显著的协同毒性。微塑料不仅减少了植物生物量，还加剧了重金属对植物的光合作用、氧化应激等生理功能的损伤（Huang et al., 2024）。同时，微塑料的存在显著促进了植物对金属阳离子（Cd、Pb和Cu）的吸收，却抑制了对阴离子（As）的积累（Chen et al. 2024, Environ Pollut 348: 123787）。然而，我们也有研究发现，微塑料（聚苯乙烯）的添加能够缓解Cd对植物的毒性作用，这可能与植物自身的防御机制（如抗氧化酶活性增强）和土壤微环境的改变有关（Zhang et al. 2022, Sci Total Environ 852: 158353）。4）微塑料和重金属对人类健康的潜在风险。微塑料与重金属在土壤中的共存不仅威胁了农业生态系统的健康，还通过食物链对人类健康构成了潜在风险（Liu et al. 2024, Sci Total Environ 918: 170281）。微塑料和重金属的共同暴露可能增加人体对重金属的生物可及性和吸收效率，进而引发全身性暴露和器官内的积聚。这些污染物在人体内的积累可能导致氧化应激、炎症反应、生殖系统损伤等健康问题（图5）。

3. 微塑料污染引起土壤微生物群的变化，从而增加土壤CO2排放

微塑料在土壤环境中对生态系统功能的影响已成为研究领域的重要议题。我们通过一项全球尺度的meta分析，揭示了微塑料的在土壤中的转化机制及其对土壤呼吸的影响，为理解微塑料在全球碳循环中的作用提供新的视角。1）微塑料的转化机制。微塑料颗粒在土壤环境中的转化机理包括物理转化、化学转化、生物降解和土壤动物的作用（图6）。这一转化过程是复杂的，涉及大塑料碎片的破碎、微塑料的分解，以及CO2、H2O和CH4的生成。由于土壤环境的复杂性，通常是两种或三种因素的相互作用共同参与微塑料的转化过程（Zhao et al. 2022, Appl Soil Ecol 176: 104486）。2）微塑料对土壤功能的影响。研究指出，微塑料对土壤生态系统的功能产生了显著影响，其影响程度依赖于微塑料的形状、类型、尺寸和浓度。土壤呼吸作为土壤的重要功能之一，直接影响全球碳循环。然而，微塑料污染对土壤呼吸的具体影响和程度仍不明确（Zhao et al. 2024, Glob Change Biol 30: e17415）。3）微塑料对土壤CO2排放的影响。我们揭示微塑料能够增加土壤碳库和微生物生物量，进而促进土壤CO2的排放（图7）。此外，微塑料可以招募特定的降解微生物或为土壤微生物提供可利用的碳源，特别是对异养微生物（如Proteobacteria，Actinobacteria和Gemmatimonadetes）的支持（Zhao et al. 2024, Glob Change Biol 30: e17415）。这些优势菌群的繁殖进一步加速了土壤CO2的排放，特别是对于可生物降解的微塑料，其对土壤CO2排放的积极作用更为明显（图8）。

本研究不仅推进了我们对微塑料影响土壤生态系统的理解，还强调了这种影响在地球系统层面可能带来的气候反馈机制。微塑料污染引发的土壤微生物群落变化及其促进的CO2排放增加，预示着一种潜在的、正反馈式的碳循环扰动，这可能加剧全球变暖趋势，对生态系统的稳定性和多样性构成长远威胁。因此，本研究不仅是对微塑料环境效应的一次重要探索，更是对全球气候变化背景下，环境保护与生态治理策略制定的一次迫切呼吁。通过深入解析微塑料与土壤碳循环之间的复杂关系，我们能够为减缓气候变化、维护地球生态平衡贡献宝贵的科学知识与策略建议。

注释：A：物理转化；B：化学转化；C：生物降解；D：土壤动物作用；E：最终产物。 4．揭示了微塑料污染对土壤健康的综合影响

土壤中微塑料污染已成为全球瞩目的环境问题，但很少研究关注了微塑料污染对土壤健康的影响。土壤健康的传统概念通常与作物生产相关，但目前的理解已扩展至包括动物安全、微生物多样性、生态功能和人类健康等更广泛的因素。我们的研究揭示了微塑料污染对土壤健康的综合影响，强调其对生态系统可持续性的潜在威胁。1）微塑料污染对土壤健康指标的影响。研究表明，微塑料污染显著抑制了作物生长，并对土壤动物产生了不利影响。同时，微塑料污染还加剧了土壤温室气体的排放。此外，微塑料暴露导致了土壤细菌多样性的降低 (Chang et al. 2024, Sci Total Environ 951: 175643，图9)。2）微塑料特性对土壤健康的影响机制。尽管可生物降解微塑料被视为减轻塑料污染的有效手段，但它们依然对土壤健康产生了显著的负面作用。研究进一步发现，微塑料的负面影响与其剂量呈正相关，且粒径较小的微塑料可能对土壤健康构成更为严峻的风险。这意味着，微塑料在农田土壤中的长期输入、积累与分解过程，可能逐步加剧其潜在的生态威胁 (Chen et al. 2024, Glob Change Biol 30: e17470)。3）微塑料对土壤健康影响的量化评估。通过Meta分析与层次分析法相结合量化了微塑料对土壤健康的负面效应，均值为-10.2% (-17.5 ~ -2.57%)（图10）。这一发现为土壤健康管理和评估提供了理论基础，同时，为制定针对性的土壤微塑料污染防控策略提供了科学依据 (Chen et al. 2024, Glob Change Biol 30: e17470)。

综上所述，微塑料污染对土壤健康的影响广泛而复杂，需要更全面的研究来评估其综合效应。通过整合不同土壤功能参数构建综合性评估指标，将有助于提高对土壤健康的理解，同时推动相应的防控措施的实施，以保障土壤生态系统的可持续性。

5. 总结与研究展望

我们全面探讨了微塑料在土壤-植物系统中的污染特征、生态效应及其对土壤健康和人类健康的潜在影响。研究揭示了微塑料在土壤中的空间分布、丰度、特征及其对土壤微生物、植物和土壤呼吸的显著影响。结果表明，微塑料不仅通过物理、化学和生物过程在土壤中转化，还显著改变了土壤微生物群落结构，增加了土壤CO₂排放，对土壤健康构成了综合威胁。此外，微塑料与重金属的复合污染进一步加剧了环境风险，通过食物链对人类健康构成潜在威胁。我们的研究进展为理解微塑料在土壤生态系统中的行为机制及其对全球碳循环和生态安全的影响提供了重要依据，也为制定有效的土壤微塑料污染防控策略提供了科学支持。

未来的研究应聚焦于以下几个方面，以进一步提高对土壤微塑料污染的理解和管理：

（1）微塑料在土壤生态系统中的生物地球化学行为：当前对微塑料在植物体内积累及其对农作物的影响的相关研究仍显不足，迫切需要开发定量检测方法，以全面评估微塑料的迁移和转化机制。

（2）微塑料在人体内的累积与毒性机制：目前关于微塑料在人体内的分布、累积和毒性机制的研究尚不充分。未来应加强对微塑料在食物链中的传递、人体暴露途径及其健康效应的深入研究，以全面评估微塑料对人体健康的潜在风险。

（3）长时间尺度的生态影响：针对微塑料在土壤长期积累的生态后果进行深入研究，包括其与土壤物理、化学和生物特性相互作用的长期影响。

（4）土壤修复技术及管理策略：开发针对微塑料污染的有效土壤修复技术，并结合政策制定，鼓励使用可再生和生物降解材料，减少塑料使用，以实现可持续农业发展。

已发表论文：

1. Chen, L., Qiu, T., Huang, F., Zeng, Y., Cui, Y., Chen, J., White, J.C. Fang, L*. (2024). Micro/nanoplastics pollution poses a potential threat to soil health. Global change biology, 30(8), e17470.

2. Zhao, S., Rillig, M. C., Bing, H., Cui, Q., Qiu, T., Cui, Y., Penuelas, J., Liu, B., Bian, S., Monikh, F., Chen, J., Fang, L*. (2024). Microplastic pollution promotes soil respiration: A global‐scale meta‐analysis. Global Change Biology, 30(7), e17415.

3. Huang, F., Chen, L., Yang, X., Jeyakumar, P., Wang, Z., Sun, S., Qiu, T., Zeng, Y., Chen, J., Huang, M., Wang, H., Fang, L*. (2024). Unveiling the impacts of microplastics on cadmium transfer in the soil-plant-human system: A review. Journal of Hazardous Materials, 477, 135221.

4. Huang, F., Hu, J., Chen, L., Wang, Z., Sun, S., Zhang, W., Jiang, H., Luo, Y., Wang, L., Zeng. Y., Fang, L*. (2023). Microplastics may increase the environmental risks of Cd via promoting Cd uptake by plants: a meta-analysis. Journal of Hazardous Materials, 448, 130887. (ESI前1%高被引)

5. Zhang, Z., Cui, Q., Chen, L., Zhu, X., Zhao, S., Duan, C., Zhang, X., Song, D., Fang, L*. (2022). A critical review of microplastics in the soil-plant system: Distribution, uptake, phytotoxicity and prevention. Journal of Hazardous Materials, 424, 127750. (ESI前1%高被引)

6. Zhang, Z., Peng, W., Duan, C., Zhu, X., Wu, H., Zhang, X., Fang, L*. (2022). Microplastics pollution from different plastic mulching years accentuate soil microbial nutrient limitations. Gondwana Research, 108, 91-101.

7. Liu, B., Zhao, S., Qiu, T., Cui, Q., Yang, Y., Li, L., Chen, J., Huang, M., Zhan, A., Fang, L*. (2024). Interaction of microplastics with heavy metals in soil: Mechanisms, influencing factors and biological effects. Science of The Total Environment, 918, 170281.

8. Chang, N., Chen, L., Wang, N., Cui, Q., Qiu, T., Zhao, S., He, H., Zeng, Y., Dai, W., Duan, C., Fang, L*. (2024). Unveiling the impacts of microplastic pollution on soil ecosystems: A comprehensive review. Science of The Total Environment, 951, 175643.

9. Zhang, Z., Li, Y., Qiu, T., Duan, C., Chen, L., Zhao, S., Zhang, X., Fang, L*. (2022). Microplastics addition reduced the toxicity and uptake of cadmium to Brassica chinensis L. Science of the Total Environment, 852, 158353.

10. Chen, L., Chang, N., Qiu, T., Wang, N., Cui, Q., Zhao, S., Huang, F., Chen, H., Zeng, Y., Dong, F., Fang, L*. (2024). Meta-analysis of impacts of microplastics on plant heavy metal accumulation. Environmental Pollution, 348, 123787. (ESI前0.1%热点论文)

11. Zhang, Z., Zhao, S., Chen, L., Duan, C., Zhang, X., Fang, L. (2022). A review of microplastics in soil: Occurrence, analytical methods, combined contamination and risks. Environmental Pollution, 306, 119374.

12. Zhao, S., Zhang, Z., Chen, L., Cui, Q., Cui, Y., Song, D., & Fang, L. (2022). Review on migration, transformation and ecological impacts of microplastics in soil. Applied Soil Ecology, 176, 104486. (ESI前0.1%热点论文)