張孜璇 于洪文 孟龍?jiān)?/p>

(1.延邊大學(xué) 理學(xué)院,吉林 延吉 133002;2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長(zhǎng)春 130102;3.延邊大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院,吉林 琿春 133300)

塑料因具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用在電子電器、汽車(chē)工業(yè)、機(jī)械設(shè)備和農(nóng)膜等領(lǐng)域[1]。中國(guó)的塑料制品產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的30%,位居世界首位,其中建筑填料和垃圾袋等再生塑料的使用比例高達(dá)80%[2-3]。塑料制品在環(huán)境中受到風(fēng)化、紫外線輻射和生物降解作用,會(huì)逐漸分解和破碎形成微塑料(Microplastics,1 μm～5 mm)和納米塑料(1～1 000 nm)[4-5]。Thompson等[6]在2004年最早提出“微塑料”(<5 mm)這一概念,從此微塑料帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越受到各國(guó)科學(xué)家們的高度關(guān)注。

塑料垃圾釋放到陸地環(huán)境中的數(shù)量是其釋放到海洋環(huán)境中的4～23倍[7]。然而,水體中的微塑料污染最先引起人們的關(guān)注,每年有7.68億t塑料垃圾最終進(jìn)入海洋,目前,在我國(guó)東海和膠州灣表層海水中,發(fā)現(xiàn)微塑料豐度在20～120個(gè)/m3[8-9]。同時(shí),在我國(guó)南海海口灣表層海水、渤海、黃海和香港地區(qū)沿海水域都發(fā)現(xiàn)微塑料污染,研究人員在確定海洋中塑料碎片數(shù)量和位置方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展[10-12]。與之相比,土壤中的微塑料污染研究起步較晚,相關(guān)信息更為缺乏。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球范圍內(nèi)有79%的塑料垃圾堆放在垃圾填埋場(chǎng),與海洋相比土壤是一個(gè)更大型的微塑料匯集地[13]。微塑料在全球范圍內(nèi)的土壤基質(zhì)中普遍存在[14]。目前公認(rèn)的土壤中微塑料的來(lái)源包括灌溉、污水、污泥、堆肥、塑料薄膜、垃圾填埋和灰塵沉降等,塑料薄膜覆蓋和垃圾填埋是最主要的2個(gè)源頭[15]。使用污水和污泥作為農(nóng)用肥料通常在經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)勢(shì),而且在許多發(fā)達(dá)地區(qū)很常見(jiàn),當(dāng)污水和污泥中的微塑料在農(nóng)田土壤中積聚到一定量時(shí),會(huì)損害土壤理化性質(zhì),影響生物多樣性,從而誘發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[16]。目前聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)是土壤中占比最高的兩類(lèi)聚合物,土壤中常見(jiàn)聚合物類(lèi)型還包括聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚酯(PET)等[17]?，F(xiàn)有的分析方法和設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)低成本高效率地定量檢測(cè)土壤中的微塑料,塑料中的添加劑[18](如增塑劑和發(fā)泡劑)及微塑料吸附有毒物質(zhì)的生物學(xué)效應(yīng)[19]尚未明確,迫切需要標(biāo)準(zhǔn)化的分析方法和技術(shù)。

當(dāng)前階段,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤中微塑料污染的研究大多集中在農(nóng)田土壤。Astner等[20]統(tǒng)計(jì)得出全球農(nóng)用塑料薄膜的使用量在2016年達(dá)400萬(wàn)t,預(yù)計(jì)到2030年將以每年5.6%的速度增長(zhǎng)。殘留在土壤表面的塑料經(jīng)過(guò)紫外線的光降解和剪切力作用破碎化,再經(jīng)過(guò)生物作用被進(jìn)一步解體,最終形成大量的微塑料污染土壤,對(duì)陸生生物和糧食安全造成威脅[21]?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),微塑料會(huì)對(duì)土壤動(dòng)植物產(chǎn)生不利影響。微塑料對(duì)土壤動(dòng)物造成的損傷包括表皮損傷、腸道損傷和誘發(fā)生物體內(nèi)發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)等[22]。微塑料對(duì)植物造成損傷是通過(guò)阻塞植物種子的孔隙,限制根、莖和葉對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收,影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,從而直接影響植物群落結(jié)構(gòu),甚至可能影響初級(jí)生產(chǎn)[23]。馬云等[24]發(fā)現(xiàn)微塑料能夠直接影響土壤中的物質(zhì)循環(huán)功能,顯著影響土壤中酶的活性,帶來(lái)土壤化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的變化,從而干擾土壤生態(tài)系統(tǒng)。Huerta等[25]找到塑料碎片沿陸地食物鏈轉(zhuǎn)移的現(xiàn)場(chǎng)證據(jù),確定了低密度PE塑料殘留物在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移。表明土壤中微塑料的分布與生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康息息相關(guān),不同類(lèi)別、不同粒徑和不同濃度的微塑料對(duì)土壤環(huán)境的影響效應(yīng)各不相同。

近年來(lái),文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)作為一種基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和信息挖掘的分析方法,已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)分析的重要工具[26-27]。本研究借助VOSviewer和CiteSpace可視化軟件對(duì)土壤微塑料污染領(lǐng)域發(fā)表的學(xué)術(shù)論文的標(biāo)題、摘要、關(guān)鍵詞、作者、引用文獻(xiàn)和出版期刊等信息進(jìn)行定量分析,旨在系統(tǒng)分析土壤環(huán)境中微塑料污染的研究進(jìn)展,對(duì)土壤微塑料污染領(lǐng)域的研究進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與熱點(diǎn)討論,以期為土壤環(huán)境中微塑料污染的評(píng)估與治理方法、研究重點(diǎn)和前景等研究工作的開(kāi)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI)與Web of ScienceTM(WoS)核心合集作為數(shù)據(jù)來(lái)源。時(shí)間跨度均設(shè)置為2000—2022年,檢索時(shí)間截至2022-05。中文數(shù)據(jù)源于CNKI,以(微塑料)*(土壤+農(nóng)田+沙漠+濕地+高山+海灘)*(檢測(cè))為主題進(jìn)行高級(jí)檢索;英文數(shù)據(jù)源于WoS核心合集,以(“soil*”O(jiān)R “farmland*”O(jiān)R “mountain*”O(jiān)R “beach*”O(jiān)R “desert*”) AND (“extraction*”O(jiān)R “identification*”O(jiān)R “quantification*”) AND (“microplastic*”O(jiān)R “microplastics*”)為主題檢索標(biāo)題、摘要、作者與關(guān)鍵詞,語(yǔ)種為English,文獻(xiàn)類(lèi)型為Article或Review。去除重復(fù)文獻(xiàn)以及與主題不符的文獻(xiàn)后獲得中文文獻(xiàn)172篇,英文文獻(xiàn)785篇。其中研究論文637篇(81.15%),綜述文章148篇(18.85%),作為有效分析數(shù)據(jù)。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

采用VOSviewer(1.6.18)、CiteSpace(5.8.R3)和Microsoft Excel 2019等軟件對(duì)文章數(shù)量、主要發(fā)文機(jī)構(gòu)、研究作者、合作國(guó)家、研究主題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)量分析,基于VOSviewer軟件對(duì)土壤微塑料領(lǐng)域所有檢索文獻(xiàn)進(jìn)行國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)共現(xiàn)分析。節(jié)點(diǎn)類(lèi)型選擇國(guó)家(Country),設(shè)置國(guó)家發(fā)文量=5,節(jié)點(diǎn)的大小表示某個(gè)國(guó)家/地區(qū)的發(fā)文數(shù)量(Documents),連線粗細(xì)反映合作發(fā)文國(guó)家/地區(qū)間的總關(guān)聯(lián)強(qiáng)度(Total link strength,TLS)。節(jié)點(diǎn)類(lèi)型選擇關(guān)鍵詞(Keywords),設(shè)置閾值=5,節(jié)點(diǎn)大小代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次,連線粗細(xì)代表關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次。

基于CiteSpace對(duì)土壤微塑料領(lǐng)域的發(fā)文期刊(Cited journal)、作者(Author)、機(jī)構(gòu)(Institution)和突現(xiàn)關(guān)鍵詞(Burstness)進(jìn)行定量分析,分析期刊與關(guān)鍵詞的中介中心性(Centrality)。節(jié)點(diǎn)周?chē)B線的多少表示中心性大小,中介中心性超過(guò)0.1的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);借助關(guān)鍵詞突現(xiàn)指標(biāo)對(duì)本領(lǐng)域不同時(shí)期的研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)客觀的呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 年發(fā)文量分析

在2000—2009年期間,土壤微塑料污染領(lǐng)域每年發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量不超過(guò)10篇(圖1),說(shuō)明學(xué)者對(duì)本領(lǐng)域的探索剛剛起步,論文年發(fā)表量增長(zhǎng)緩慢,呈上下浮動(dòng)狀態(tài)。在2010—2017年間,發(fā)文量出現(xiàn)小幅度增長(zhǎng)現(xiàn)象,說(shuō)明土壤中的微塑料污染研究尚處于探索初期。在2018年后,發(fā)文數(shù)量呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì),2021年國(guó)內(nèi)外年發(fā)文總量達(dá)到355篇,可見(jiàn)近幾年微塑料對(duì)土壤造成污染的研究熱度提高。2000—2022年間WoS發(fā)文總量是CNKI的4.56倍。根據(jù)WoS數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)文數(shù)據(jù)分析近3年國(guó)際研究趨勢(shì)可知,2019年發(fā)文量為106篇,同比增長(zhǎng)70.97%,2020年為159篇,增長(zhǎng)率為50%,2021年為258篇,增長(zhǎng)率為62.26%。表明國(guó)內(nèi)外學(xué)者均在持續(xù)關(guān)注土壤中的微塑料污染這一領(lǐng)域。

圖1 土壤中微塑料污染研究領(lǐng)域論文年發(fā)文量Fig.1 Annual literature output in the field of microplastics pollution in soil

2.2 期刊分布和高引用文章統(tǒng)計(jì)

使用CiteSpace對(duì)WoS核心數(shù)據(jù)庫(kù)中期刊信息進(jìn)行共被引分析發(fā)現(xiàn),在2000—2022年共有377個(gè)期刊出版過(guò)與土壤領(lǐng)域微塑料相關(guān)的文章,共被引頻次排名前10的英文期刊如表1所示。ScienceoftheTotalEnvironment(475次)、EnvironmentalScience&Technology(473次)和EnvironmentalPollution(459次)這3個(gè)期刊共被引頻次最高。從期刊類(lèi)型來(lái)看,多數(shù)期刊屬于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域。中心性大于0.1的期刊共2個(gè),分別為ScienceoftheTotalEnvironment(0.16)和Science(0.13)。

表1 土壤中微塑料污染研究領(lǐng)域被引頻次排名前10期刊Table 1 Top 10 journals in citation frequency of papers in the field of microplastics pollution in soil

通過(guò)文獻(xiàn)檢索分析出被引頻次排名前10的高被引論文(表2)。土壤微塑料污染領(lǐng)域中,2000—2022年被引頻次最高的論文是Horton團(tuán)隊(duì)[7]2017年發(fā)表的《Microplastics in freshwater and terrestrial environments：Evaluating the current understanding to identify the knowledge gaps and future research priorities》的綜述文章,總被引頻次148次;文章指出盡管人們公認(rèn)淡水和陸地環(huán)境是塑料到海洋的起源和運(yùn)輸途徑,但微塑料很可能會(huì)在大陸環(huán)境中堆積,特別是在人為影響較大的地區(qū),例如農(nóng)業(yè)或城市地區(qū)。被引頻次排名第二的是Geyer團(tuán)隊(duì)[13]發(fā)表的《Production,use,and fate of all plastics ever made》,被引133次;文章首次對(duì)所有已生產(chǎn)的大規(guī)模塑料進(jìn)行了全球分析,并表示截至2015年,已產(chǎn)生約6.3×103t塑料廢物,其中約9%被回收,12%被焚燒,79%堆積在垃圾填埋場(chǎng)或自然環(huán)境中;到2050年,大約1.2×104t塑料廢物將出現(xiàn)在垃圾填埋場(chǎng)或自然環(huán)境中。Huerta團(tuán)隊(duì)[28]發(fā)表的《Microplastics in the Terrestrial Ecosystem：Implications for Lumbricus terrestris (Oligochaeta,Lumbricidae)》位列第三,被引頻次125次;文章研究了蚯蚓暴露在微塑料(PE,<150 μm)中存活的濃度,發(fā)現(xiàn)濃度-遷移和大小-選擇機(jī)制可能對(duì)規(guī)避陸地生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

表2 土壤微塑料污染領(lǐng)域排名前10的高被引論文Table 2 Top 10 high-cited literature in the field of microplastics pollution in soil

2.3 發(fā)文作者與機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析

使用CiteSpace分別對(duì)國(guó)內(nèi)外在土壤微塑料污染領(lǐng)域的發(fā)文作者進(jìn)行合作網(wǎng)絡(luò)可視化分析,時(shí)間切片設(shè)置為1年,節(jié)點(diǎn)類(lèi)型設(shè)為作者,得到研究者的合作圖譜(圖2)。圖2僅為合作關(guān)系密切且團(tuán)體發(fā)文量超過(guò)3篇的作者關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。CNKI中主要研究作者的合作網(wǎng)如圖2(a)所示,國(guó)內(nèi)學(xué)者駱永明(9篇)、周倩(9篇)、涂晨(7篇)、章海波(7篇)、李連禎(5篇)和付傳城(3篇)等組成了最大的合作團(tuán)體,活躍程度最高且建立合作關(guān)系最早。盧靈慧(3篇)、鄭陽(yáng)(3篇)、王娟(3篇)和查旭瓊(3篇)等4位作者之間在2021年新建立了合作關(guān)系。趙保衛(wèi)(3篇)與郝愛(ài)紅(3篇)2位作者在2021年建立合作關(guān)系。WoS中主要研究作者合作網(wǎng)如圖2(b)所示,發(fā)文量排名前3的Violette Geissen(17篇)、Yang Xiaomei(10篇)和Esperanza Huerta Lwanga(9篇)是本領(lǐng)域的高產(chǎn)學(xué)者,并且荷蘭瓦赫寧根大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院的Violette Geissen、Esperanza Huerta Lwanga與西北農(nóng)林科技大學(xué)Yang Xiaomei建立了緊密的合作關(guān)系,該團(tuán)隊(duì)主要從事農(nóng)業(yè)土壤微塑料在惡劣環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)和命運(yùn)的相關(guān)研究。

圓圈代表分析的節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的具體含義根據(jù)所選節(jié)點(diǎn)類(lèi)型變化。此處節(jié)點(diǎn)類(lèi)型為作者,節(jié)點(diǎn)大小即代表作者在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的重要程度,與引文數(shù)量成正比。連線粗細(xì)反映作者共現(xiàn)頻次,節(jié)點(diǎn)周?chē)B線多少表示中心性大小,中介中心性超過(guò)0.1的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。下同。The circle represents the selected node,the specific meaning of the node changes according to the selected node type,node size represents the importance of the author in the network structure and is proportional to the number of citations,the thickness of the line between nodes reflects the frequency of co-occurrence of authors,the number of connections around the node indicates the centrality,and the nodes with betweenness centrality exceeding 0.1 are called key nodes.The same below.圖2 土壤微塑料污染研究領(lǐng)域合作作者網(wǎng)絡(luò)視圖Fig.2 Cooperation network of authors in the field of microplastics pollution in soil

對(duì)WoS數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)文機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3),發(fā)文量排名前10的機(jī)構(gòu)中,中國(guó)的研究院所共有7個(gè)。中國(guó)科學(xué)院(47篇)排名第一,西北農(nóng)林科技大學(xué)(22篇)、瓦格寧根大學(xué)研究中心(20篇)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(20篇)和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)(20篇)等10所研究機(jī)構(gòu)總計(jì)發(fā)文197篇,占發(fā)文總量的25.1%。從被引頻次來(lái)看,德國(guó)柏林自由大學(xué)(2 443次)、瓦格寧根大學(xué)研究中心(1 554次)和中國(guó)科學(xué)院(1 518次)這3所研究機(jī)構(gòu)在土壤微塑料污染領(lǐng)域影響力高,研究實(shí)力強(qiáng)。研究機(jī)構(gòu)的合作分析見(jiàn)圖3。中國(guó)、荷蘭、德國(guó)和澳大利亞的研究機(jī)構(gòu)在本領(lǐng)域有較為突出的貢獻(xiàn),擁有高影響力的研究機(jī)構(gòu),可見(jiàn)中國(guó)的研究機(jī)構(gòu)和國(guó)外高校之間有最緊密的聯(lián)系和合作。

表3 土壤中微塑料污染研究領(lǐng)域發(fā)文量排名前10機(jī)構(gòu)Table 3 Top 10 institutions of the published papers in the field of microplastics pollution in soil

圖3 WoS中土壤微塑料污染研究領(lǐng)域合作機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視圖Fig.3 Cooperation network of institutions in the field of microplastics pollution in soil at WoS

2.4 國(guó)家/地區(qū)分析

利用VOSviewer分析全球范圍內(nèi)對(duì)土壤中的微塑料污染進(jìn)行探究的國(guó)家/地區(qū),對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系進(jìn)行可視化。節(jié)點(diǎn)類(lèi)型選擇國(guó)家,節(jié)點(diǎn)的大小表示某個(gè)國(guó)家/地區(qū)的發(fā)文數(shù)量,連線粗細(xì)反映合作發(fā)文國(guó)家/地區(qū)間聯(lián)系的密切程度。圖4顯示,開(kāi)展土壤微塑料研究的國(guó)家/地區(qū)共有79個(gè),發(fā)文量在5篇以上的國(guó)家共40個(gè)。中國(guó)以295篇發(fā)文量位居世界第一,美國(guó)(115篇)、德國(guó)(82篇)、英國(guó)(60篇)和澳大利亞(54篇)分列2～5位。各國(guó)發(fā)表論文的總被引頻次依次是9 372、6 341、7 107、7 905和3 059次。由圖4可以看到國(guó)家之間建立研究合作關(guān)系的時(shí)間演變歷程。

圖4 WoS中土壤微塑料污染研究領(lǐng)域合作國(guó)家網(wǎng)絡(luò)視圖Fig.4 Cooperation network of countries in the field of microplastics pollution in soil at WoS

通過(guò)VOSviewer計(jì)算總聯(lián)系強(qiáng)度 (TLS)可反映國(guó)家之間科研合作的密切程度。中國(guó)TLS=148,美國(guó)TLS=122,澳大利亞TLS=86,英國(guó)TLS=76,德國(guó)TLS=68。表明中國(guó)在此領(lǐng)域的發(fā)文量位列第一的同時(shí)注重國(guó)際合作,與歐洲、美洲、非洲的尼日利亞及南亞的孟加拉國(guó)、巴基斯坦、東南亞的馬來(lái)西亞和沙特阿拉伯等28個(gè)國(guó)家/地區(qū)都建立了合作關(guān)系。說(shuō)明中國(guó)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段,不僅和發(fā)達(dá)國(guó)家形成了緊密關(guān)系,也和發(fā)展中國(guó)家建立合作關(guān)系,在亞太地區(qū)形成了新的區(qū)域研究合作框架,與亞太地區(qū)各國(guó)發(fā)展積極的合作伙伴關(guān)系。

2.5 研究熱點(diǎn)與研究前沿分析

2.5.1研究熱點(diǎn)分析

關(guān)鍵詞是對(duì)文章內(nèi)容的精準(zhǔn)概括,借助CiteSpace分析關(guān)鍵詞頻次和中心性,得到土壤微塑料研究領(lǐng)域排名前10位的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞(表4)。使用VOSviewer對(duì)785篇英文文獻(xiàn)做關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,頻次由節(jié)點(diǎn)大小反映,文獻(xiàn)中出現(xiàn)5次以上的關(guān)鍵詞共有311個(gè),根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)共現(xiàn)圖譜(圖5)。由節(jié)點(diǎn)大小和節(jié)點(diǎn)位置靠近中心的狀態(tài)可以確定藍(lán)色、綠色和橙色3個(gè)關(guān)鍵詞聚類(lèi)模塊重要程度最高。

表4 土壤中微塑料污染研究領(lǐng)域詞頻排名前10關(guān)鍵詞Table 4 Top 10 keywords of frequency in the field of microplastics pollution in soil

藍(lán)色聚類(lèi)以土壤為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),延伸出對(duì)土壤退化(Degradation)、塑料類(lèi)別(Plastic category)、尺寸(Size)和添加劑(Additives)的研究(圖5)。研究證明地膜覆蓋是土壤中微塑料污染的重要來(lái)源,因其對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的有效貢獻(xiàn),全球范圍內(nèi)PE塑料地膜用量正在逐年增加[34],研發(fā)生物可降解地膜替代傳統(tǒng)塑料地膜,及時(shí)評(píng)估其農(nóng)業(yè)應(yīng)用效果,并大范圍推廣至關(guān)重要。小尺寸、有色、纖維狀和微球狀是微塑料的主要特征[35],不同粒徑和不同類(lèi)別的塑料微粒對(duì)土壤基質(zhì)的影響各不相同。Zhang等[31]通過(guò)調(diào)查中國(guó)西南部淀湖4個(gè)種植區(qū)和1個(gè)已建立的河岸林緩沖帶土壤團(tuán)聚體組分中塑料顆粒的豐度和分布,發(fā)現(xiàn)95%的采樣樣品中塑料顆粒尺寸在0.05～1 mm,主要的形式是塑料纖維(92%),其次是碎片和薄膜(8%);與鄰近的菜地土壤相比,緩沖帶土壤中塑料顆粒的濃度較低,表明必須控制土壤改良劑的施用和污水灌溉,以減少微塑料在農(nóng)業(yè)土壤中的積累。研究表明土壤中微塑料的豐度與土壤的pH值、溶解有機(jī)質(zhì)含量和含鐵量無(wú)線性關(guān)系,但微塑料含量升高會(huì)使pH值、銨態(tài)氮和可溶性有機(jī)碳含量升高并帶來(lái)部分耐降解微生物的平均豐度顯著升高[36],并且塑料制品中的添加劑給土壤微生物群落結(jié)構(gòu)帶來(lái)改變后可能會(huì)導(dǎo)致土壤退化[18],影響全球碳氮循環(huán),為土壤中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)埋下更多的隱患。

綠色聚類(lèi)中,以塑料碎片(Plastic debris)和污染(Pollution)為中心,展開(kāi)了對(duì)微塑料提取(Extraction)、鑒定(Identification)和定量(Quantification)的相關(guān)研究(圖5)。微塑料表面發(fā)生老化后,其表面疏水性減小,親水能力增強(qiáng)[37]。因此,當(dāng)塑料微粒到達(dá)陸地,它們功能化的表面和大的比表面積有助于吸附溶解有機(jī)物,溶解有機(jī)物可作為微量元素吸附和遷移的載體[38],形成復(fù)合污染物對(duì)陸生生物(如陸地真菌、土壤棲息的無(wú)脊椎動(dòng)物、植物及傳粉者)造成傷害。由于微塑料的廣泛存在、具有環(huán)境持久性以及與陸地生物群落相互作用的特質(zhì),對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)而言,微塑料污染代表著一種新的全球化威脅[33]。目前分離微塑料的方法主要包括篩分法、密度分離法和泡沫浮選法等,微塑料的鑒別及表征方法包括顯微鏡觀察法、傅里葉紅外光譜法和拉曼光譜法等[39]。已有的檢測(cè)方法存在耗時(shí)長(zhǎng)、破壞微塑料結(jié)構(gòu)等一些問(wèn)題,完善檢測(cè)微塑料的技術(shù)仍會(huì)是探究重點(diǎn);由于微塑料在復(fù)雜基體中的分析技術(shù)不具有一致性,使得微塑料的研究進(jìn)展緩慢。微塑料在復(fù)雜環(huán)境中的行為對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[15]和土壤溫室氣體排放[40]的影響機(jī)制是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。Steinmetz等[32]發(fā)現(xiàn)塑料覆蓋物有可能通過(guò)改變生物群落(如真菌毒素的轉(zhuǎn)移)來(lái)改變土壤質(zhì)量,加速碳氮代謝,加快溫室氣體的釋放,最終耗盡土壤有機(jī)質(zhì),使土壤的親水性降低。

橙色聚類(lèi)圍繞微塑料展開(kāi)了城區(qū)(Urban)、沉積物(Sediment)和灰塵(Dust)的研究(圖5)。與節(jié)點(diǎn)相連的關(guān)鍵詞有暴露(Exposure)、攝取(Ingestion)、吸附(Sorption)和釋放(Release)。城區(qū)微塑料排放物主要源自生活污水(如衣物纖維和洗護(hù)用品)、人造草皮和工業(yè)塑料等方面。其中經(jīng)城市污水處理廠(WWTPs)排放的污水和污泥被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田[16],對(duì)農(nóng)田土壤的可持續(xù)性利用和糧食安全產(chǎn)生未知的后果。沉積物中豐度最高的微塑料為碎片狀PE和PP,占比分別為44.2%和32.6%,粒徑<300 μm的微塑料更容易積聚在河流沉積物中[41]。Bl?sing等[30]提出可將沉積物中分析微塑料的一些方法調(diào)整后用于分析土壤中的微塑料?；覊m中的微塑料可通過(guò)呼吸被轉(zhuǎn)移到生物體中,通過(guò)堵塞和內(nèi)部磨損等作用對(duì)生物體造成物理傷害。Dehghani等[42]通過(guò)計(jì)算兒童和成人每年從街道灰塵攝入微塑料的頻率,且考慮到在含有大量微塑料的戶外活動(dòng)和工作場(chǎng)所中的暴露為急性暴露,得出兒童和成人每年平均分別攝入3 223和1 063個(gè)微塑料顆粒。若人體攝入塑料微粒及其攜帶的微量毒素進(jìn)入腸道后,對(duì)消化系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)可能造成危害。

圖5 WoS中土壤微塑料污染研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視圖Fig.5 Keywords co-occurrence network in the field of microplastics pollution in soilat WoS

2.5.2研究前沿預(yù)測(cè)

基于CiteSpace的Burstness功能得到CNKI和WoS數(shù)據(jù)庫(kù)中突發(fā)強(qiáng)度排名前10位的關(guān)鍵詞(表5和6)。由于突現(xiàn)詞具有時(shí)效性,本研究?jī)H以2018—2022年的突現(xiàn)詞作為依據(jù)探討國(guó)內(nèi)外土壤中微塑料污染的研究前沿。闡明微塑料的濃度運(yùn)輸和尺寸選擇機(jī)制可能對(duì)研究陸生動(dòng)物的命運(yùn)和風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義[27,40],探究沉積物、高山、沙漠和濕地中微塑料的豐度分布特征可能會(huì)成為今后研究熱點(diǎn)。未來(lái)對(duì)土壤中微塑料污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,重要的是探討不同濃度下的影響效果。研究發(fā)現(xiàn),微塑料濃度與流域人口相關(guān)[29],居民區(qū)微塑料的主要來(lái)源包含車(chē)輛輪胎磨損、建筑施工、合成纖維衣物洗滌和塑料碎片的風(fēng)成運(yùn)輸?shù)萚16]。與居民區(qū)相比,郊區(qū)道路附近的微塑料濃度更高,這意味著路邊種植蔬菜具有潛在威脅[43]。因此,人類(lèi)生活環(huán)境中微塑料的暴露量和微塑料被人體攝入的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面的內(nèi)容是未來(lái)的研究趨勢(shì),納米塑料已被證明能穿過(guò)肺細(xì)胞屏障轉(zhuǎn)移到次級(jí)器官包括胎盤(pán)中[44]。Pignattelli等[45]最新研究發(fā)現(xiàn)并第一次報(bào)導(dǎo)了微塑料能夠在受試植物中產(chǎn)生氧化爆裂,這可能是微塑料在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和陸地環(huán)境中起到生物化學(xué)效應(yīng)的一個(gè)重要起點(diǎn)。Song等[46]就生物效應(yīng)提出應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注微塑料對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、大型動(dòng)物和陸生生物生理功能的影響。微塑料和納米塑料進(jìn)入動(dòng)植物組織和人體器官已被證實(shí),但這些生物效應(yīng)背后的機(jī)制尚不清楚,需要在后續(xù)研究中從細(xì)胞、分子和基因等微觀角度加以闡明,確定微塑料攝入的毒代動(dòng)力學(xué)信息。

表5 CNKI中土壤微塑料污染研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞突現(xiàn)時(shí)間Table 5 Burst detection of keywords in the field of microplastics pollution in soil at CNKI

表6 WoS中土壤微塑料污染研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜Table 6 Burst detection of keywords in the field of microplastics pollution in soil at WoS

塑料制品的不完全回收預(yù)示著次級(jí)微塑料對(duì)環(huán)境的恒定輸入[47]。除了農(nóng)業(yè)土壤,偏遠(yuǎn)地區(qū)的高山和沙漠中也發(fā)現(xiàn)了微塑料污染。馮三三等[48]研究指出高原地區(qū)土壤中的微塑料來(lái)源包括塑料覆膜、有機(jī)肥料和大氣傳輸(干濕沉降)。以青藏高原土壤環(huán)境中微塑料的賦存形態(tài)和空間分布特征為例,可為高寒地區(qū)微塑料遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究提供數(shù)據(jù)支撐。因沙漠的核心區(qū)域是一個(gè)封閉的且無(wú)人居住的地區(qū),降水和人類(lèi)活動(dòng)非常有限,研究人員可以很容易地在沙漠中建立微塑料運(yùn)輸模型[49]。Wang等[50]發(fā)現(xiàn)由于降雨、風(fēng)力下降或障礙物等因素會(huì)使微塑料沉積到土壤中,其中風(fēng)成輸送是微塑料進(jìn)入沙漠的主要傳輸途徑。因此,風(fēng)成輸送為微塑料從源頭到全球各地的分布提供了可能,且風(fēng)成輸送作為微塑料在地面?zhèn)鬏數(shù)耐緩?可導(dǎo)致人類(lèi)及生物暴露在超出其來(lái)源的環(huán)境中。在環(huán)境和人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究中,應(yīng)更多地關(guān)注微塑料在土壤中傳輸?shù)母鞣N途徑和生物體接觸微塑料的方式。

綜上,隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,土壤中微塑料的形貌、性質(zhì)及豐度分布信息得到進(jìn)一步完善。土壤中微塑料污染領(lǐng)域的研究逐漸從農(nóng)田土壤發(fā)展為更廣泛的研究范圍,包括高山[48]、沙漠[49-50]、濕地[37]、灰塵[42]和沉積物[41]等不同領(lǐng)域。土壤中的微塑料對(duì)動(dòng)物和植物造成的物理磨損和堵塞已經(jīng)得到證實(shí),當(dāng)微塑料在生物體內(nèi)累積到一定量,會(huì)誘發(fā)生物體內(nèi)發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),對(duì)土壤中的物質(zhì)循環(huán)和全球碳氮循環(huán)帶來(lái)潛在危害。人類(lèi)暴露在微塑料含量較高的環(huán)境中,通過(guò)呼吸和飲食攝入微塑料并在體內(nèi)富集后對(duì)呼吸系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)帶來(lái)的危害將成為新的熱點(diǎn)。未來(lái)將通過(guò)化學(xué)回收的方式對(duì)塑料制品進(jìn)行熱裂解或解聚,將廢舊塑料中的有機(jī)成分轉(zhuǎn)化成小分子烴類(lèi)的石油化工原料,在推動(dòng)地球綠色發(fā)展理念的同時(shí)將減少微塑料對(duì)人類(lèi)健康的負(fù)面影響。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

微塑料作為一種新型污染物,它在土壤中累積并通過(guò)多種傳輸方式發(fā)生遷移,分布在全球各地日益受到關(guān)注。并且因?yàn)槿祟?lèi)生活環(huán)境中廣泛使用塑料制品,這意味著微塑料會(huì)不斷產(chǎn)生并進(jìn)入土壤。微塑料表面疏水和比表面積大的特性會(huì)使其吸附來(lái)自周?chē)寥拉h(huán)境,甚至空氣和水中的其他有害污染物,如重金屬離子、抗生素、多氯聯(lián)苯、二惡英和多環(huán)芳烴等具有生物累積性的有毒物質(zhì)形成復(fù)合污染物,對(duì)土壤造成復(fù)合的污染。

值得注意的是,陸地和海洋環(huán)境中存在的微塑料是可以傳導(dǎo)的,但微塑料在水陸系統(tǒng)中傳導(dǎo)的數(shù)量和關(guān)系目前尚不清楚。道路徑流、非法傾倒廢物和農(nóng)業(yè)實(shí)踐輸入等污染方式在未來(lái)應(yīng)受到持續(xù)關(guān)注,除非廢物管理實(shí)踐得到改善,否則在未來(lái)10年內(nèi)流入土壤和海洋的塑料數(shù)量可能會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。并且隨著微塑料分解產(chǎn)生更多納米級(jí)別的塑料時(shí),它可以吸附和釋放更多的化學(xué)物質(zhì),更重要的是,它具有更強(qiáng)的生物活性,更容易被細(xì)胞和組織吸收,最終會(huì)危害生物體并通過(guò)食物鏈傳遞給人類(lèi)。

農(nóng)田土壤已成為微塑料污染的重災(zāi)區(qū),由微塑料自身及其攜帶的復(fù)合污染物對(duì)土壤質(zhì)量和物質(zhì)內(nèi)部循環(huán)的危害已經(jīng)引起人們的高度關(guān)注。微塑料中添加劑的釋放及增塑劑對(duì)土壤代謝能力的影響缺少數(shù)據(jù)報(bào)道。目前涉及土壤內(nèi)部過(guò)程及效應(yīng)時(shí),沒(méi)有明顯區(qū)分為室內(nèi)與野外調(diào)查。因此,微塑料對(duì)土壤和土壤動(dòng)植物帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要向?qū)嶋H環(huán)境靠攏,開(kāi)展野外實(shí)驗(yàn)確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

3.2 結(jié)論

文獻(xiàn)計(jì)量分析結(jié)果表明,我國(guó)開(kāi)展土壤微塑料污染研究較晚,但發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)外的研究熱度自2018年起持續(xù)高漲,年發(fā)文總量呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。ScienceoftheTotalEnvironment、Science和EnvironmentalPollution是該領(lǐng)域具備高影響力的3個(gè)期刊。駱永明、周倩、涂晨與章海波等人在國(guó)內(nèi)活躍程度最高且建立合作關(guān)系最早。瓦赫寧根大學(xué)的Violette Geissen團(tuán)隊(duì)與西北農(nóng)林科技大學(xué)的Yang Xiaomei團(tuán)隊(duì)合作密切。中國(guó)科學(xué)院是國(guó)內(nèi)外發(fā)文數(shù)量最多的機(jī)構(gòu),西北農(nóng)林科技大學(xué)和瓦格寧根大學(xué)研究中心是本領(lǐng)域的研究主力。關(guān)鍵詞的共現(xiàn)和突現(xiàn)分析表明,國(guó)內(nèi)圍繞農(nóng)田土壤中微塑料的來(lái)源與分布特征、土壤污染的防治措施、微塑料的吸附遷移規(guī)律、對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害與防治等方向進(jìn)行研究。國(guó)外針對(duì)微塑料的老化降解,在土壤中累積和生物體攝入微塑料后的風(fēng)險(xiǎn)以及鑒定土壤中微塑料的方法等方面進(jìn)行廣泛探索。單一種類(lèi)的微塑料和多種類(lèi)型聚合物之間的相互作用機(jī)制、微塑料中添加劑的釋放及在土壤中的遷移規(guī)律、將土壤-作物系統(tǒng)的研究區(qū)分為室內(nèi)模擬與野外調(diào)查等研究?jī)?nèi)容可能成為今后的研究熱點(diǎn)?？偠灾?在土壤微塑料污染領(lǐng)域取得的研究成果已幫助人們認(rèn)識(shí)到微塑料的危害,但維護(hù)土壤健康,精準(zhǔn)阻斷生物體對(duì)微塑料的攝入,仍需更加詳細(xì)的污染評(píng)估與治理方法。