塑料次生污染已成为全球环境危机的最重要因素之一。尽管人类积极开展塑料回收和清理工作，但现有的技术和方法在有效收集尺寸小于100平方厘米的塑料碎片方面面临挑战，这对环境可持续性构成了严重威胁。这些难以收集的塑料碎片（残膜、微塑料）在土壤中的积累会改变土壤多功能性，从而对土壤生态系统功能产生深远影响。为了探究残膜及微塑料对土壤多功能性的潜在影响机制，兰州大学生态学院熊友才教授课题组开展了为期三年（2019-2021年）的系列研究。近日，相关研究成果以“Uncollected polythene fragments size-dependently alter soil multifunctionality via mediating bacterial drivers in dryland”和“Microplastics positively mediate soil multifunctionality in dryland”为题发表在国际期刊National Science Review和Resources, Conservation and Recycling。
在以往的研究中，小于10 cm × 10 cm的未回收聚乙烯塑料残留物被认为对土壤功能产生负面影响，但这种看法并未区分大小差异。研究团队在旱地玉米田中添加不同尺寸的地膜碎片，并模拟了低（30年累积）和高（60年累积）浓度条件。结果发现，小型（微塑料范畴）和中型碎片（4 cm×4 cm）显著抑制土壤多功能性，大型碎片（10 cm×10 cm）影响不显著。土壤细菌多样性和丰富度比单功能更显著影响土壤多功能性。不同尺寸碎片对作物生产力和碳储存功能的影响各异，主要与土壤细菌网络复杂性有关。研究强调了塑料碎片对土壤多功能性的影响依赖于尺寸，而对浓度的依赖性低（National Science Review 11: nwae281）。研究成果为明确在30至60年时间跨度内塑料碎片对土壤多功能性的整体影响提供了崭新且有力的证据支撑。
图1 聚乙烯残膜污染通过细菌驱动因素有条件地改变土壤的多功能性
在微塑料方面，研究团队深入剖析了具有球状、纤维、碎片、粉末这四种物理形态且分设0.01%、0.1%、1%三个浓度梯度的聚乙烯微塑料对旱地土壤多功能性的长期影响，发现这些影响因微塑料的物理形态和浓度而异。八个关键功能群（包含21个具体功能）共解释了土壤多功能性变化的78.6%。其中，生态功能得到增强，而生产功能呈现出下降趋势。具体而言，土壤的生产功能和其物理稳定性对土壤多功能性的贡献分别为8.65%和13.68%。此外，诸如微生物活性、细菌组成多样性、细菌功能多样性、碳储存、氮储存以及污染物代谢功能等生态系统功能，普遍对土壤多功能性产生积极贡献。值得注意的是，这些功能在一定程度上依赖于微塑料的物理形态和浓度。此现象可能归因于微塑料对土壤结构的泡沫改性作用，以及土壤生态系统内在的保育与服务功能之间的适应性权衡（Resources, Conservation & Recycling 209: 107754）。
图2 聚乙烯微塑料正向调节细菌多样性对旱地土壤多功能性的贡献
上述发现均挑战了公众对残膜、微塑料仅对土壤功能产生负面影响的普遍看法。兰州大学生态学院萃英博士后赵泽瑛和博士生王鹏洋为系列论文共同第一作者，熊友才教授为唯一通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金(32161143012)、博士后创新人才支持计划（BX20230149）、中国博士后科学基金面上项目（2023M731464）和甘肃省科技计划项目（24JRRA494）的资助和支持。
论文列表
1. Ze-Ying Zhao, Peng-Yang Wang, Xiao-Bin Xiong, Yinglong Chen, Hong-Yan Tao, Wen-Ying Wang, Yajie Song, Muhammad Ashraf, Li Zhu, Yun-Li Xiao, Shi-Sheng Li, Fang-Kun Yang, Meng-Ying Li, Jing Cao, Xiang-Wen Fang, Levis Kavagi, You-Cai Xiong*. 2024. Uncollected polythene fragments size-dependently alter soil multifunctionality via mediating bacterial drivers in dryland. National Science Review 11: nwae281.
2. Peng-Yang Wang, Ze-Ying Zhao, Kadambot H.M. Siddique, Xiao-Bin Xiong, Hong-Yan, Tao, Yue Ma, Fei Mo, Yinglong Chen, Yajie Song, William R. Burch Jr, Baoluo Ma, Song Wang, Levis Kavag, Fang-Kun Yang, You-Cai Xiong*. 2024. Microplastics positively mediate soil multifunctionality in dryland. Resources, Conservation & Recycling 209: 107754.
