重金属共同污染下微塑料重塑农业土壤功能：一项综合性Meta分析

《Journal of Environmental Sciences》：Microplastics reshape agricultural soil functioning under heavy metal co-contamination: A comprehensive meta-analysis

　　

# 摘要

微塑料（MPs）是一种持久性环境污染物，可作为载体，增强共存污染物的迁移能力和生物有效性。然而，在与重金属（HMs）共污染的土壤中，其生态风险仍不清楚，因为现有研究结果往往不一致且具有情境依赖性。为弥补这一空白，我们采用元分析方法对相关研究进行了综合分析，以量化微塑料与重金属在农业土壤中的联合作用。在重金属污染土壤中，微塑料显著降低了植物生物量，并改变了土壤健康的关键生化指标。微塑料降低了土壤重金属总量，同时增加了土壤有效态重金属浓度，表明污染物行为发生了转变，这可能加剧生态风险。土壤酶活性呈现异质性响应：碱性磷酸酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶受到刺激，而另外几种酶则受到抑制。微生物多样性表现出对比性模式：Shannon指数显著增加，而观察到的物种指数下降，导致α多样性整体上没有显著变化。在门水平上，放线菌门、 Bdellovibrionota、酸杆菌门和衣原体门显著减少，而Armatimonadetes和Synergistetes增加。这些发现表明，在重金属共污染条件下，微塑料通过改变养分动态、污染物生物有效性、酶促过程和微生物群落组成，对农业土壤功能产生了显著但复杂的影响。本研究为理解多种新兴污染物对土壤健康的生态后果提供了新证据。

# 引言

塑料由于其轻质、耐久和成本效益等特点，被广泛应用于各行各业。然而，它们的存续时间可长达数百年甚至超过1000年，使其成为最持久的环境污染物之一（He和Luo，2020；Naziri等，2023；Zhou等，2020a）。全球塑料产量增长迅速，截至2015年，已累计产生约63亿吨塑料废弃物，其中仅9%被回收，12%被焚烧，79%堆积在垃圾填埋场或自然环境中。如果当前的生产和废物管理趋势继续，预计到2050年，约120亿吨塑料废弃物将积累在垃圾填埋场或自然环境中（Geyer等，2017）。中国和欧洲是产量最高的地区，分别占全球产量的31%和16%（Huang等，2023；Mai等，2022）。塑料产量的快速增长导致了严重的环境污染。目前，仅有约20%的塑料被回收或焚烧，其余80%堆积在土壤、海洋和垃圾填埋场中，对生态系统和人类健康构成重大威胁（Agathokleous等，2021；Allouzi等，2021）。近期的野外和原位监测研究进一步证实，农业土壤是微塑料的重要汇，尤其是在塑料地膜覆盖密集、温室种植、污泥施用和长期使用农膜的地区（Cai等，2023a；Ding等，2020；Qi等，2023；Zhang等，2021a）。例如，在中国西北地区的农业土壤、长期塑料薄膜覆盖的玉米田以及温室或露地种植土壤中，微塑料已被广泛检测到，表明微塑料污染已不再只是实验室关心的问题，而是一个新兴的田间尺度农业问题。

重金属污染是农业土壤和粮食安全的另一大威胁，主要与工业排放、化肥、采矿和交通运输有关（Qin等，2023；Rana等，2026；Xue等，2023）。中国2014年的一项全国土壤污染调查显示，19%的农业土壤超过污染限值（Wang等，2023a；Zhao等，2015），其中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg占所有超标点的82.8%。这凸显了该地区土壤重金属污染的严重性。中国约1000万公顷农田受到污染，另有333万公顷因污染而变得不适宜耕种，其中大部分由重金属污染引起（Ma和Yun，2019；Ren等，2022；Wang等，2023a）。因此，理解影响土壤中重金属迁移和生物有效性的因素是一项重要的环境挑战（Rana等，2025a；Rana等，2020）。

微塑料目前已被认为是土壤中的重金属重要载体，因为它们具有疏水性、较大的表面积，以及富含有助于金属吸附和改变土壤中化学形态的功能基团（Hua等，2023；Liu等，2024；Rana等，2025b；Xiong等，2024）。微塑料和重金属在土壤中的共存已成为一个重要的环境和健康问题，需要对其相互作用进行深入理解，以降低对土壤健康和农业生产力的风险（Dang等，2022；Zhao等，2023a）。一些研究表明，微塑料通过促进金属离子与外表面的负电荷功能基团结合，促进了潜在毒性元素（PTEs）的吸附（Bethanis和Golia，2024；Jia等，2022）。此外，微塑料可以改变微生物群落和关键的土壤理化性质，如pH、有机质（OM）含量和孔隙度，从而进一步影响重金属的化学形态（Meng等，2023；Xu等，2024）。虽然一些研究报告微塑料通过增加有机态结合比例来降低重金属的生物有效性（Yu等，2021），但其他研究则表明微塑料可以增强重金属的迁移性，促进其在陆地环境中的扩散（Li等，2021）。这些相互矛盾的研究结果凸显了微塑料-重金属相互作用的复杂性，并强调了理解微塑料如何影响土壤生态系统中重金属生物有效性和毒性的紧迫性（Kumar等，2022）。

近期研究表明，当微塑料与重金属在土壤中共同存在时，两者之间存在强烈的相互作用（Chai等，2020；Chen等，2022）。例如，聚乙烯（PE）和Cd的共存通过破坏土壤微环境，增加了莴苣的毒性（Wang等，2021），而较小的聚苯乙烯（PS）微塑料与重金属结合则对植物生长、土壤微生物群落和理化特性造成了更大的不利影响（Shirin等，2024）。这种效应可能归因于微塑料不同的形状、粒径和聚合物类型（Koelmans等，2022；Wang等，2020）。这些发现表明，重金属与较小粒径微塑料之间的相互作用对土壤生物和植物健康构成更大的风险，引发了关于PS微塑料和重金属生态影响的关键担忧（Shirin等，2024）。

尽管实验研究快速增长，但仍缺乏全面的定量综合分析。最近，Jia等（2024）评估了植物-土壤-微生物系统对微塑料的响应。与重金属相关方面，Huang等（2023）报告称微塑料可能增加植物对Cd的吸收。然而，这些研究主要关注微塑料的整体效应、单一金属或重金属生物有效性作为单个终点指标，因此不能完全解释在微塑料-重金属共污染条件下，微塑料特性如何同时调节农业植物生长土壤中的植物生长、养分动态、重金属形态、酶活性和微生物群落结构。目前仍不清楚微塑料特性（类型、粒径和浓度）如何影响农业土壤中重金属的生物有效性，因为以往研究往往侧重于单一金属、单一微塑料类型或特定实验条件，难以在不同系统中得出普遍性结论。因此，关于微塑料总体上是增加还是降低重金属生物有效性，以及控制这些相互作用的主导因素，仍尚无明确共识。因此，本研究的增量贡献在于将以往单一终点指标的综述扩展为微塑料-重金属复合胁迫下农业土壤功能的综合评估。具体而言，本研究将微塑料类型、粒径和浓度与植物生物量、土壤理化性质、重金属总量和有效态浓度、酶活性及优势微生物活性的变化联系起来。这一多层次框架使我们能够确定微塑料仅仅是改变重金属有效性，还是也重塑了支持土壤健康的更广泛的生化过程和微生物过程。在此背景下，本研究进行了综合元分析，以考察微塑料特性如何影响与重金属共污染土壤中的生化与生物学过程。本研究的具体目标为：（1）评估塑料类型、浓度和粒径对土壤中重金属生物有效性的影响；（2）识别微塑料-重金属共污染下控制重金属生物有效性的关键因素；以及（3）揭示驱动微塑料与重金属在土壤环境中相互作用的机制。

# 章节片段

## 数据收集

本研究重点关注重金属和微塑料在农业土壤中的复合污染问题。为了评估它们在重金属污染环境中的相互作用，我们对2000年至今发表的原始研究文章进行了全面的文献综述。检索在多个学术数据库中完成，包括Web of Science、EI Compendex、ScienceDirect、Springer、Google Scholar、PubMed和中国知网。为优化检索，我们使用了……

## 微塑料与重金属共污染下植物生长响应

元分析表明，在重金属污染的土壤中，微塑料通常对植物生物量产生负面影响（图1）。在不同类型的微塑料中，聚苯乙烯（PS）表现出最显著的抑制效应，地上部分、地下部分和总生物量分别降低了20.76%、11.39%和18.17%。有趣的是，微塑料对植物生物量的影响具有浓度依赖性。在低浓度（<100 mg）下观察到显著降低，地上部分和总……

## 微塑料与重金属共污染对植物生长的总体效应

本研究强调，微塑料显著改变了重金属污染土壤的微环境，导致pH、有机质（OM）、全氮（AN）和全磷（AP）下降，这些因素共同抑制了植物的生长和发育。元分析进一步揭示，微塑料和重金属的共存施加了协同胁迫，显著降低了地上和地下生物量，从而损害了整体植物健康（图1）。以往的研究表明，微塑料既产生直接又产生间接……

## 局限性与未来研究方向

尽管这一元分析对重金属共污染条件下微塑料对农业土壤功能的影响提供了综合评估，但仍应承认一些局限性。首先，本分析主要关注土壤相关终点指标，包括土壤理化性质、重金属有效性、酶活性和细菌群落响应。虽然植物生物量被纳入作为重要的生长指标，但未分析植物组织中的重金属浓度，因为……

## 结论

这一元分析评估了微塑料对重金属污染农业土壤中植物生长、土壤化学性质、重金属有效性、酶活性和微生物群落组成的影响。结果表明，在重金属胁迫下，微塑料通常降低了植物生物量并改变了关键的土壤生化指标。微塑料降低了重金属总量浓度，但增加了有效态重金属浓度，表明微塑料可能将重金属从相对稳定态池转移到生物有效性更强的形态中，从而……

# CRediT作者贡献声明

Muhammad Shoaib Rana：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿撰写，验证，软件，方法，形式化分析，数据管理，概念化。Tongping Lu：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督，资源，项目管理，方法，调查，资金获取，数据管理，概念化。Ning Wang：撰写——审阅与编辑，可视化，软件，方法，调查，形式化分析，概念化。Changyan……

# 利益冲突声明

作者声明，不存在已知的与本文报告工作可能产生影响的竞争性经济利益或个人关系。

# 致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号：42301051和42330601）、中国科学院新疆生态与地理研究所（项目编号：2024000292）和新疆天池人才项目（项目编号：2025000186）的支持。

Muhammad Shoaib Rana | Tongping Lu | Ning Wang | Changyan Tian