《Applied Soil Ecology》：Conventional and biodegradable agricultural microplastics: Effects on soil decomposer animals and protists in three climate zones
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为揭示农用微塑料（MPs）在真实环境中的生态风险，本研究在欧洲三地（芬兰、德国、西班牙）开展为期两年的田间试验，评估了传统聚乙烯（PE）与生物降解聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯-淀粉共混物（PBAT）微塑料对土壤动物群落（如线蚓、蚯蚓、跳虫）及原生生物的影响。结果表明，微塑料效应因生物类群、气候区和年份而异，其中线蚓最敏感。研究强调，微塑料的环境风险评估必须考虑当地自然条件。
在农业生产中，塑料制品被广泛用于覆盖地膜、包装青贮饲料和构建灌溉系统。然而，这些塑料在紫外线、机械力和温度波动的作用下，会逐渐破碎成微小的塑料颗粒，即微塑料。农业土壤中的微塑料浓度正在稳步上升，在广泛使用地膜的地区，其负载量可高达每公斤土壤数千个。为了应对传统塑料带来的环境问题，生物降解塑料被开发出来。理想情况下，它们在完成使命后可以被犁入土壤，并由微生物分解。但现实往往比理想骨感：在真实的、特别是寒冷或干旱的环境条件下，生物降解过程可能非常缓慢且不完全，塑料残留物有时会在土壤中存留数年。这就带来一个严峻的问题：这些残留的微塑料，无论是传统的还是号称“可降解”的，对土壤里辛勤工作的“分解者大军”——比如蚯蚓、线蚓、跳虫、螨虫以及看不见的原生生物和线虫——会产生怎样的影响？这些生物对于维持土壤结构、促进养分循环和保障农作物产量至关重要。蚯蚓提供的生态系统服务估计能使全球谷物产量提高6.5%。如果微塑料对它们造成了伤害，可能会像多米诺骨牌一样，影响到整个农业生态系统的健康和服务功能。
此前，关于微塑料对土壤动物影响的研究大多在实验室中进行。这些研究通常聚焦单一物种，使用标准化的土壤和最优化的环境条件。然而，田野是一个充满变数的复杂世界，生物们生活在多样化的群落中，彼此竞争合作，并承受着季节变化和土壤性质差异带来的挑战。微塑料在田野中的命运和效应，很可能与实验室里的故事大相径庭。为了填补这一知识空白，并获得关于微塑料在真实农业环境中长期生态影响的整体性认识，一个由欧洲多国研究人员组成的团队开展了一项雄心勃勃的研究。他们将目光投向了欧洲三种不同的气候带：寒冷的芬兰、温暖湿润的德国和夏季干燥炎热的西班牙。研究人员没有使用实验室中常见的高浓度、单一类型的微塑料，而是采用了来自常见农用地膜材料、经过人工老化的微塑料，并以两种在农田中可能出现的浓度（0.005%和0.005% w/w，按表层10厘米土壤计算）施用到田间小区中。他们的目标是回答三个核心问题：1）常见地膜来源的微塑料是否影响土壤无脊椎动物和原生生物群落？2）传统微塑料和生物降解微塑料的影响是否有差异，这些效应是否与剂量相关？3）微塑料效应在不同气候带之间是否有差异，并且是否会持续多个生长季节？这项发表在《Applied Soil Ecology》上的研究，为我们理解微塑料在自然条件下的影响提供了宝贵的野外证据。
为了开展这项跨越气候带的研究，研究人员运用了多项关键技术方法。他们在芬兰、德国和西班牙三地建立了田间试验小区，采用随机区组设计，设置了对照、两种微塑料（聚乙烯PE和生物降解聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯-淀粉共混物PBAT）及两种浓度共五种处理。研究持续了两个生长季节（2022年和2023年）。在样本采集方面，他们采用了多种针对性的方法：通过手工挖掘和芥子油溶液提取法采集蚯蚓；使用土壤芯样和湿漏斗法提取线蚓；通过土壤芯样和Tullgren提取器获取微型节肢动物（跳虫和螨虫）。对于微生物和微型动物群落，则采用了环境DNA（eDNA）宏条形码技术，通过对18S rRNA基因进行高通量测序，来分析原生生物、线虫等土壤微食物网成员的群落组成。在数据分析上，研究运用了广义线性混合模型（GLMM）来分析土壤动物丰度等数据，并利用基于Bray-Curtis距离的置换多元方差分析（PERMANOVA）和非度量多维标度（NMDS）排序等方法，来探究微塑料对原生生物和线虫群落结构的影响。
研究结果
3.1. 蚯蚓
研究发现，微塑料对蚯蚓的影响因国家和年份而异。在芬兰，2023年深层土壤中高浓度PE处理下的蚯蚓总数有所增加；在德国，2022年高浓度PBAT处理下的蚯蚓总数也有所增加。蚯蚓生物量在芬兰深层土壤中因高浓度PE处理而增加，但在德国和西班牙未观察到处理间的差异。三个国家的蚯蚓群落组成不同，德国的物种多样性最高。在西班牙，由于2022年的极端干旱，甚至未发现蚯蚓。
3.2. 线蚓
线蚓是对微塑料最敏感的类群。在芬兰，2022年高浓度PE处理导致线蚓数量显著下降超过50%。在西班牙，2023年低浓度PBAT处理也导致了线蚓数量的急剧下降。线蚓的总体数量在对照区最高，在芬兰最高，并在第二个采样年（2023年）整体更高。
3.3. 跳虫和螨虫
微塑料对跳虫和螨虫的影响相对有限且不一致。在芬兰，2022年高浓度PBAT处理导致跳虫总数下降超过70%。此外，低浓度PE处理减少了芬兰捕食性螨的数量，而高浓度PBAT处理增加了德国非捕食性螨的数量。跳虫的群落组成在各国间存在差异。
3.4. 原生生物、线虫和其他微型动物
通过eDNA分析发现，土壤动物和原生生物群落主要在国家间存在差异。原生生物和线虫是最丰富的类群。在德国和芬兰，PE微塑料处理改变了原生生物的群落结构，表现为群落异质性的增加或减少。线虫的群落结构在国家间差异明显，但微塑料处理未对其产生一致的显著影响。不过，在芬兰2023年，PE和PBAT处理降低了线虫的多样性（观察到的丰富度和香农多样性）。
研究结论与意义
这项为期两年的田间实验揭示，即使在环境相关浓度下，农用地膜来源的微塑料也能影响土壤无脊椎动物群落，但其效应的强弱和性质因生物类群、气候区和采样年份而异。线蚓是最敏感的类群，而蚯蚓、螨虫、跳虫和线虫受到的影响较小。研究未发现明确的剂量-反应关系。生物降解PBAT微塑料和传统PE微塑料的影响也有所不同，例如在德国PBAT增加了蚯蚓的数量和生物量，而在芬兰则是PE产生了类似效应。
讨论部分深入剖析了这些现象背后的可能机制。线蚓数量的减少可能与其繁殖受到干扰有关，而非直接致死效应。蚯蚓数量的增加可能与它们以微塑料或其表面附着的微生物为食有关，也可能是因为它们为了避免接触微塑料而向更深的土层迁移。跳虫仅在芬兰对PBAT有负面反应，这可能与寒冷气候下PBAT降解缓慢，导致其颗粒或降解产物在土壤中存留更久有关。原生生物群落结构的变化，则可能与微塑料作为额外碳源改变了微生物食物网，或微塑料对某些原生生物类群产生毒性有关。
该研究特别强调了气候和环境因素在调节微塑料效应中的关键作用。在气候条件较为极端的芬兰（寒冷）和西班牙（干旱），观察到的负面影响更为明显，这表明在恶劣气候条件下，土壤动物群落可能对微塑料污染更为脆弱。相反，在气候温和的德国，影响则较小。此外，微塑料的影响并非持久不变，一些效应在一年后消失，表明群落可能具有一定恢复或适应能力。
这项研究具有重要的现实意义。它表明，源自农业活动的微塑料，即使是低浓度，也可能对构成土壤健康基石的分解者群落产生生态影响。由于土壤分解者，尤其是像蚯蚓这样的“生态系统工程师”，在有机质分解、养分循环和维持土壤生产力方面发挥着不可替代的作用，微塑料对它们的任何影响都可能最终波及农业生态系统的服务功能。研究发现，微塑料效应存在显著的地理差异，这强烈提示我们，环境风险评估绝不能“一刀切”，必须充分考虑当地的气候、土壤性质和生物群落等自然条件，否则可能导致风险的高估或低估。随着农业塑料的持续使用和气候变化的加剧，微塑料与极端天气事件对土壤生物群的联合胁迫效应，亟待未来更多大规模和深入的研究。本研究为制定基于证据的农业塑料风险管理策略奠定了重要的科学基础。
