有机物料在果园生态系统中的应用及其环境效应:研究现状与展望*

马啸驰 ,韩 烽 ,白亚涛 ,吴 双 ,吴景贵 ,马 艳

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/国家农业环境六合观测实验站 南京 210014;2.吉林农业大学资源与环境学院 长春 130118;3.南京农业大学资源与环境科学学院 南京 210095)

果园生态系统是全球农业生态系统的重要组成部分。据联合国粮食及农业组织(FAO)最新数据,截至2021 年,全球果树种植面积约为6648.2 万hm2,其中我国果树栽培面积占全球果园总面积的19.3%,为1280.8 万hm2[1]。果树栽培已成为我国许多贫困地区脱贫攻坚、实现乡村振兴的重要支柱产业之一[2]。然而,果园土壤有机质含量通常不高,立地条件相对较差,且长期单一集约化种植和大量化肥投入造成果园土壤养分利用率下降,土壤酸化、板结及农业面源污染等环境问题发生[3-4]。在此背景下,有机物料作为能给果树生长提供养分、改良土壤结构的一类含碳物质,在果园生态系统中得到了较为广泛的应用,亦成为农业废弃物资源循环化利用的一种重要途径。

有机物料来源广泛,成分及结构复杂,自身可能同时含有对果树生长和土壤环境产生不利影响的有害物质,其在果园生态系统中的不合理施用会带来一定的负面环境效应[5]。例如,某些有机物料中含有重金属以及有机污染物、抗生素和微塑料等新型污染物,其施用可能会加剧这些污染物在果园土壤中的累积风险,进而通过食物链富集效应,最终危害人类健康。此外,有机物料添加同时影响土壤养分循环、温室气体排放、重金属及新型污染物的迁移与转化特征,而影响效果存在不确定性,相关作用机制有待进一步研究。

本文系统梳理了近年来国内外相关研究进展,归纳总结了有机物料在果园生态系统中的应用效果及其对果园土壤养分循环的影响,重点关注有机物料添加产生的环境效应,包括果园土壤N2O 排放以及重金属、有机污染物、抗生素、微塑料累积与转化特征等(图1)。最后展望了未来果园生态系统中有机物料添加与环境效应关联机制的潜在研究方向。

图1 有机物料在果园生态系统中的应用及其环境效应Fig.1 Application and associated environmental effects of organic materials in orchard ecosystem

1 有机物料在果园生态系统中的应用

1.1 有机物料的来源与性质

广义的有机物料是指含碳的有机化合物,其来源广泛,种类繁多,主要包括畜禽粪便、动植物残体、作物秸秆、泥炭、生物炭、绿肥、生活垃圾和废弃物等[6]。有机物料具有养分全面、肥效缓慢持久的特征,既有利于改良土壤结构、提高土壤养分含量,用以满足果树生长需求,又能促进废弃物资源的循环利用。有机物料来源不同,其自身性质及潜在的环境风险存在差异。例如,畜禽粪便是主要的有机肥源,含有丰富的蛋白质、氮磷钾等养分元素,但同时可能含有致病菌、抗生素和重金属等。相比之下,作物秸秆等植物源有机物料对环境的污染风险较小,发酵后可以形成木质素等生物活性物质,但其养分含量通常低于动物源有机肥。此外,生物炭是废弃生物质或有机体在限氧条件下热裂解生成的固态物质,含有丰富的营养元素和矿物质,有机碳含量丰富,性质稳定,具有较强的吸附能力和独特的孔结构、高比表面积、活性官能团等诸多优点[7]。然而,当在果园土壤中施用吸附有多环芳烃(PAHs)、重金属等污染和有毒物质的生物炭时,这些物质容易在土壤中富集或被果树、土壤动物和微生物等吸收,加剧果园生态系统中的环境风险[8]。因此,不同有机物料的成分及性质差异较大,其在果园生态系统中的施用效果及产生的环境效应也不尽相同。

1.2 有机物料施用对果树生长发育的影响

众多的研究表明,有机物料施用有利于果树生长发育,主要表现为促进根系生长[9],增加果树叶面积[10],增强光合作用[11],提升产量和果实品质[12]等,且这种效应在长期施用有机物料条件下表现更为明显。Gaiotti 等[13]研究表明,连续5 年向葡萄(Vitis vinifera)园土壤中添加修剪的葡萄枝条和牛粪有机肥刺激了葡萄营养生长及根系发育。Wan 等[14]研究表明,连续添加商品有机肥或生物有机肥两年后,促进了柑橘(Citrus reticulata)的叶片生长,提高了果实和根系的养分含量,增强了柑橘对养分的吸收和利用。Wang 等[15]研究发现生物有机肥与复混肥料的混合施用使苹果(Malus pumila)产量提高67%～114%。生物有机肥、商品有机肥、畜禽粪肥等有机物料施用对果树光合效率的促进作用在杨梅(Morella rubra)[16]、枸杞(Lycium barbarum)[17]和葡萄[18]等果树上均有发现。然而,有机物料类型影响其对果树生长发育的作用效果,表现为不同有机物料施用下果树对不同养分元素的吸收能力、产量和果实品质等存在差异[19]。同时,有机物料施用量存在阈值,用量过高会降低果实产量和品质。刘立娟等[20]研究发现,施用鸡粪有机肥有利于增加西瓜(Citrullus lanatus)产量,而当添加量超过75 000 kg·hm-2时,西瓜产量明显降低。马永康等[21]研究结果显示,随着黄腐酸有机肥用量的增加,骏枣(Ziziphus jujuba)单果重、产量、总糖和维生素C 含量呈先升高后降低的趋势。综上所述,有机物料类型及用量均会影响其对果树生长发育的作用效果。

1.3 有机物料施用对果园土壤质量的影响

1.3.1 土壤物理结构

土壤由固相(矿物质及有机质)、液相(土壤水分)和气相(土壤空气)三相物质组成,而有机物料施用能显著影响果园土壤的三相特征。当前果园土壤有机质水平普遍偏低,而有机物料施用能提升果园土壤有机质含量。Baldi 等[22]研究发现,在桃(Prunus persica)园中连续施用14 年的城市固体有机废弃物堆肥显著提高了土壤有机碳储量。同时,在微生物的作用下,有机质通过矿质化和腐殖化过程形成腐殖质,从而提高土壤腐殖酸含量,增强土壤对酸碱度变化的缓冲能力[23]。另一方面,有机物料的施用可显著改善果园土壤物理结构特征,包括促进果园耕层土壤团聚体形成[24]、增加果园土壤孔隙度及降低土壤容重[25]、提高田间持水量[26]等。Villa 等[27]针对杏仁(Prunus dulcis)园不同质地土壤的研究发现,连续两年施用有机物料使表层土壤含水量显著提高27%～37%、有机碳含量显著提高33%～92%。刘丽媛等[28]通过数据整合分析研究发现,与常规化学氮肥施用相比,有机肥配施使果园土壤容重降低9.06%。由此可见,有机物料施用有助于提高果园土壤有机质含量,改良土壤物理结构。

1.3.2 土壤养分循环及生物学性状

土壤养分循环是土壤肥力和作物生长的基础,有机物料施用有利于补充和调节果园土壤矿质养分[29-30]。郭新送等[31]研究表明,生草还田增加了土壤中无机氮和有机氮的含量,同时提升了土壤速效钾和水溶性钾含量。卢志红等[32]研究表明,有机物料添加提升了土壤中不同组分磷的含量,增强土壤磷素有效性,效果显著优于等磷量的无机磷肥。除此之外,有机物料施用有益于果园土壤中微量元素的补充[33]。

土壤微生物和酶活性是土壤生态系统中最为重要和活跃的组成部分,是驱动土壤有机物质分解和养分循环的主要动力,而有机物料能够显著影响果园土壤微生物群落结构及酶活性特征[34-35]。Zhu 等[36]在苹果园开展的4 年试验表明,施用猪粪有机肥可以有效提高土壤微生物群落的功能多样性。Wang等[37]研究表明,施用生物炭显著提高了苹果园土壤转化酶、脲酶、蛋白酶、中性磷酸酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性,有效促进了土壤中碳、磷循环,同时改变了土壤真菌群落结构,降低了土壤传播病原菌腐皮镰刀菌(Fusarium solani)的丰度,减轻果树病害。此外,有机物料添加可通过影响土壤养分循环相关功能基因丰度而改变果园土壤养分循环过程[38-39]。例如王磊[40]研究发现,施用生物有机肥能增加土壤中nifH、amoA以及nirK、nirS、narG、nosZ基因丰度,增加土壤中固氮和氨氧化微生物丰度,提高土壤微生物活性,促进土壤中氮素的循环转化。

土壤动物是农业生态系统的重要组成部分,在土壤养分矿化等物质循环过程中发挥重要作用[41]。有研究认为,施用有机肥可为土壤动物提供更多的食物,改善土壤理化性质和水分条件,从而优化土壤动物的生存环境,有效提高其丰度及活动能力[42]。Su 等[43]研究发现,连续施用4 年有机物料显著增加了菠萝蜜(Artocarpus heterophyllus)果园土壤线虫数量及多样性,增强了果园土壤生态系统稳定性。Castro 等[44]研究发现,有机物料添加显著增加了果园土壤中蚯蚓的种群密度、生物量及多样性。然而,有机物料施用对土壤动物影响的相关研究目前主要集中在玉米(Zea mays)[45]、小麦(Triticum aestivum)[46]等作物栽培模式下,其对果园生态系统土壤动物群落结构及功能的影响机制研究较为有限。

2 果园中有机物料添加与环境效应

2.1 果园土壤N2O 排放

人类活动产生的N2O 已成为一种重要的温室气体,其50%以上排放量来源于施肥等农业生产活动[47]。果园生态系统已经成为重要的N2O 排放源。据估算,全球果园年均N2O 背景排放值为1.96 kg(N)·hm-2,其中我国果园年均氮投入量约为455 kg·hm-2,由施肥引起的年均N2O 直接排放量在21 世纪初为32～49 Gg(N)·a-1,约占我国旱地N2O 直接排放总量的14%,同时我国果园全球增温潜势约为102 Tg CO2e[47-49]。

有机物料施用对农田土壤N2O 排放的影响已成为研究热点,然而其对果园土壤N2O 排放影响的研究相对有限。近年来的研究表明,有机物料类型和用量显著影响果园土壤N2O 排放特征。马艳婷等[50]和Sompouviset 等[51]研究发现,施用羊粪有机肥显著增加苹果园N2O 累积排放量。Oo 等[52]通过室内研究发现,在梨(Pyrus pyrifolia)园土壤中以100 t·hm-2用量施用梨树枝生物炭显著降低土壤N2O 排放量,而20 t·hm-2生物炭用量下无显著影响。此外,有机物料施用方式也显著影响果园土壤N2O 排放特征。袁雨婷等[53]研究发现,苹果园中沼液沟施下的N2O累积排放量显著高于表施和混施。有机物料施用对果园N2O 排放的影响存在不确定性。有研究表明,施用有机物料显著降低了果园土壤N2O 的排放[54]。而也有研究报道有机物料较化肥施用平均提升果园N2O 排放量约25%,产生差异的原因可能是由于有机物料在一定条件下为土壤反硝化微生物提供了充足的有机碳底物以及厌氧微域,从而促进了N2O 排放[55]。有机物料施用造成果园土壤N2O 排放差异的原因可能还与土壤pH[56]、土壤类型和有机物料性质[57]等差异有关(表1),其相关机制研究有待进一步深入。

表1 有机物料施用对果园土壤N2O 排放的影响Table 1 Effects of organic material application on greenhouse gas emissions in orchards

2.2 果园土壤重金属积累及有效性

土壤中重金属主要包括铜、锌、镉、铬、铅、镍、汞、砷等。果园土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、难治理性、不可逆性等特点[66]。欧盟每年产生约1000 万t 铜含量高的污水污泥,其中40%用作农业肥料,同时畜禽动物通过食用含有铜元素添加剂的饲料摄入总量超620 万t 铜,产生的液体厩肥大部分进入包括果园在内的农业土壤[67]。Ballabio 等[68]的相关调研数据显示,在欧洲所有的土地利用类型中,多年生作物种植土壤的铜含量最高,其平均值为36.57 mg·kg-1,其中果园土壤铜含量相对较高,平均值为27.32 mg·kg-1,而3.4%的果园土壤铜含量超过100 mg·kg-1的阈值。Taşpinar 等[69]研究发现,土耳其比莱吉克省桃园中土壤镉、铜和镍已经达到中度污染。我国研究人员通过在江苏[70]、湖南[71]等地调研发现,葡萄、桃、猕猴桃(Actinidia chinensis)等果园土壤均存在不同程度的重金属污染,局部地区重金属积累量已开始危害土壤及果实品质安全[72]。

有机物料施用是果园土壤重金属的重要来源之一(表2),而不同来源有机物料对于土壤重金属的积累效应存在差异。与植物源有机物料相比,动物源有机物料通常含有更高的重金属含量,使土壤重金属污染风险较高[86]。倪中应等[87]通过对连续施用3年畜禽粪肥的桃园土壤研究发现,土壤中铜、锌、镉、砷积累量随施用量及施用时间的增加而增加。Yu 等[88]研究发现长期施用鸡粪有机肥的果园土壤中镉和汞浓度超过了《中国土壤环境质量标准》规定的果园土壤限值,严重危害了食品安全。相反,Baldi等[84]在桃园中连续3 年施用牛粪和城市固体废弃物(主要包括厨房有机废物和来自城市花园和公园维护的绿色废物)堆肥发现其与无机肥相比并未造成土壤重金属显著积累。

Table 2 Heavy metal contents in different organic materials mg·kg-1表2 不同有机物料的重金属含量

当前有机物料施用对果园土壤重金属的研究还集中在重金属有效性方面。Baldi 等[89]研究表明,以每年10 t·hm-2(干重)用量连续施用城市固体废物堆肥14 年后,果园土壤铜、锌和镉总含量增加,铁和钴总含量降低,而表层土壤铁、镁、锌、镉、镍和铅的有效性提高。然而,Meng 等[90]研究发现,施用稻壳生物炭、猪粪生物炭、有机肥和土壤改良剂均降低果园土壤有效镉和铅的含量,原因可能是有机物料的添加通过提高土壤pH 和吸附、络合等化学作用降低了镉和铅的有效性。除此之外,有机物料施用前处理过程能显著改变其对土壤重金属的累积效果。栾润宇等[91]研究发现堆肥过程显著影响有机肥中重金属的有效性,降低可交换态重金属浓度。因此高质量的堆肥过程可使重金属达到稳态,减少果树对重金属的吸收和积累,降低环境污染的风险。此外,重金属不同形态的环境效应存在差异,直接影响其生物毒性、迁移及其在自然界的循环特征[92],而当前有机物料施用对果园土壤重金属形态转化的影响需要进一步研究。

2.3 果园土壤持久性有机污染物积累与转化

有机氯农药(OCPs)、多氯联苯(PCBs)和PAHs等是持久性有机污染物(POPs),具有持久性、半挥发性、生物累积性、难降解性,对环境及人类健康存在不利影响。国际上在2001 年通过了《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》,在改善环境方面取得了一定成效[93],但POPs 在果园土壤中依然广泛存在。尽管OCPs 被禁止使用已有30 多年,Li等[94]在中国北部黄渤海区域果园土壤中仍检测到PCBs 和OCPs,其中六氯环己烷(HCHs)含量达到0.025 mg·kg-1,明显高于其他土地利用方式的含量。胡宗达等[95]在四川省果园土壤中检测到了PAHs,其质量比之和达到1.463 mg·kg-1,含量仅低于菜地土壤,与意大利南部地区类似[96]。Preda 等[97]检测到HCHs 和二氯二苯基三氯乙烷(DDT)在普拉霍瓦县果园土壤中的总浓度分别为0.012～0.039 mg·kg-1和0.018～0.086 mg·kg-1。在韩国果园土壤中,不同OCPs浓度较其他土地利用方式下普遍偏高,个别点位严重超标[98]。

近年来的研究表明,施用生物炭可有效降低果园土壤中的POPs 残留量,主要通过生物炭自身对POPs 的吸附作用及其对土壤微生物降解POPs 的促进作用。Anae 等[99]研究总结了生物炭对PAHs 的吸附作用机理,主要包括孔隙填充、疏水效应、静电吸引、氢键结合和分配作用。Oleszczuk 等[100]的研究表明,生物炭施用可降低土壤中PAHs 含量,但不同来源生物炭对土壤PAHs 的吸附速率存在差异,与其比表面积密切相关。Valizadeh 等[101]的研究显示,土壤有机碳通过参与竞争性吸附、共吸附和累积吸附过程显著影响生物炭对PCBs 的吸附能力,在高土壤有机碳含量下,生物炭对PCBs 的吸附能力降低。除自身结构特征外,生物炭还可通过生物刺激作用为PCBs 降解相关的土壤微生物提供必要的碳源及养分元素,增加土壤微生物多样性及生物量,促进PCBs 的生物降解。除生物炭外,Centofanti 等[102]研究发现牛粪堆肥和生物固体肥等有机物料施用均可有效降低果园土壤中部分OCPs 的生物利用度,同时稳定性越高的有机物料(如堆腐时间越长的牛粪有机肥或生物固体肥)施用效果越好,从而降低OCPs通过蚯蚓等土壤生物取食进入食物链的风险。由此推断,有机物料可通过自身结构特性改变果园土壤有机质及养分含量及相关微生物活性等影响果园土壤POPs 积累与转化特征。

土壤中POPs 不仅本身对环境危害性较大,其与重金属能够结合形成以重金属-PAHs 为典型代表的复合污染物,其污染与降解机制已成为当前研究热点之一,然而针对果园生态系统的相关研究仍然缺乏。Ali 等[103]研究发现,将有机物料施用于重金属-PAHs 复合污染的土壤中,可为土壤微生物提供良好的养分条件与生存环境,从而有效提高微生物代谢活性,增强其对PAHs 的降解能力。此外,重金属与PAHs 形成吸附竞争,可抑制生物炭对PAHs 的吸附,同时由于共代谢的存在以及生物炭对重金属的吸附作用,缓解了重金属对微生物的毒性抑制,促进其对PAHs 的降解[104-105]。值得关注的是,某些有机物料本身可能含有POPs,例如生物炭在制备过程中产生PAHs,畜禽粪有机肥中可能含有OCPs 等,其直接施用会带来一定的环境风险[106]。目前针对有机物料施用及长期赋存下的果园土壤复合污染风险缺乏系统评估,其施用效果及相关作用机制仍需进一步研究。

2.4 果园土壤抗生素及抗性基因积累与迁移

抗生素被认为是20 世纪人类医学史上的伟大革命,广泛应用于农业、畜牧业和医疗卫生等领域,在人类疾病治疗和促进畜禽生长等方面发挥着重要作用[107]。目前抗生素在全球范围内年均使用量约100万t,近年来仍在持续增长[108]。然而人类和动物都不能完全吸收或代谢抗生素,30%～90%的抗生素仍以原形态或其代谢产物形式被释放到环境中[109]。土壤中抗生素残留既对土壤生态系统健康构成潜在风险,又可随食物链迁移富集,最终危害人类健康。此外,抗生素残留物可能诱导细菌产生耐药性,导致抗生素抗性基因(ARGs)出现,而ARGs 已被认为是一种新型环境污染物。

果园土壤生态系统目前已经受到一定程度的抗生素和ARGs 污染,而有机物料(特别是畜禽粪肥)的施用是土壤抗生素和ARGs 的主要来源[110]。Li 等[111]研究发现中国京津冀地区果园土壤中4 类主要抗生素(大环内酯类、喹诺酮类、磺胺类、四环素类)平均浓度达到29.87 μg·kg-1。Cao 等[112]连续施用猪粪厌氧发酵的残渣增加了苹果园土壤和果实中ARGs的相对丰度。陈瑞等[113]的研究发现,在高垦殖丘陵区的果园土壤中,ARGs 的相对丰度达0.1035,高于菜地和耕地土壤。这是由于果园长期施用更高量的有机肥料,带入了更多的ARGs 所致。Zhang 等[114]研究结果表明,太湖流域传统水稻(Oryza sativa)-小麦[油菜(Brassica rapa)]轮作农田转变为菜地果园后,土壤和径流中ARGs 的多样性和丰度大幅提升,环境传播风险加剧,有机(类)粪肥的施入在此过程中起了关键作用。此外,土壤中ARGs 的多样性和丰度受施用畜禽粪肥种类的影响[115]。Duan 等[116]对施用不同粪肥的土壤进行研究发现,土壤中ARGs 丰度表现为施猪粪土壤＞施鸡粪土壤＞施牛粪土壤,与程建华等[117]研究结果类似。此外,杨威等[118]在菇渣、油渣(枯饼)等也检测出抗生素,说明其已不只局限在畜禽粪便有机肥内。

有机肥中的抗生素残留会对土壤微生物造成选择压力,诱导ARGs 的突变和表达[119]。与此同时,有机肥的施用会促进微生物的生长,进而导致土壤中微生物携带的ARGs 大量增殖[120]。除有机肥本身外,带入的重金属对土壤中抗生素和ARGs 分布也起重要作用[111]。首先,一些抗生素耐药细菌菌株对高浓度重金属表现出耐受性,其次,重金属可以通过增加可移动元件(MGEs)的丰度或改变细菌群落的结构来促进ARGs 的增殖[121]。有机物料的施用还可能通过改变微生物活性及土壤性质来影响土壤抗生素及ARGs 的富集与迁移。例如,生物炭能通过自身吸附和提高酶活性等作用,对抗生素及ARGs 进行吸附或促进抗生素微生物的降解[122]。此外,土壤pH 被认为是影响抗生素吸附和迁移的重要因素[123]。土壤有机碳和全氮水平对ARGs 的分布也有显著影响,有机碳和全氮含量较低的土壤中ARGs 的污染风险更大[124]。

控制有机物料本身抗生素和ARGs 携带量对减少果园土壤中抗生素和ARGs 积累与迁移至关重要。对有机物料进行一定工艺处理,可有效降低或去除抗生素或ARGs,例如标准化堆肥过程及生物炭制备[125-126]。当前关于有机物料施用对土壤中抗生素及ARGs 的研究大多集中在农田,而果园土壤受到的关注相对有限,因此,有必要进一步研究有机物料长期施用对果园土壤抗生素及ARGs 的污染风险及影响效应,深入揭示果园土壤微生物结构及功能与ARGs间的内在关联机制。

2.5 果园土壤微塑料赋存与迁移

微塑料(MPs)是指环境中粒径小于5 mm 的塑料类污染物,具有分布范围广、体积小、比表面积大、疏水性强、难降解等特点[127]。微塑料对污染物具有吸附和释放效应[128],对作物生长、动物繁殖以及人类健康都具有重要影响[129-130]。高度集约化的生产方式和种植制度使果园土壤中微塑料积累现象明显。Zhang 等[131]调研青海省果园土壤时发现,微塑料平均丰度为1322.2 items·kg-1,仅次于设施蔬菜地土壤。郝永丽等[132]调研发现,黄土高原苹果园微塑料平均丰度为3440 n·kg-1。

有机物料已成为果园土壤中微塑料的重要来源之一[133],且不同来源有机肥中微塑料含量差异显著。Wu 等[134]在我国华南地区调研时发现,牛粪、鸡粪和猪粪中的微塑料丰度均值分别为74 items·kg-1、667 items·kg-1和902 items·kg-1。Zhang 等[135]调研发现,我国有机肥中微塑料丰度范围为0～2550 items·kg-1,平均值为(325±511) items·kg-1,其中牛粪有机肥中通常富集较少的微塑料。Tan 等[136]报道不同有机固体废弃物中微塑料含量排序为污泥＞食物垃圾＞畜禽粪便。堆肥方式显著影响有机物料中的微塑料丰度和赋存形态,而堆肥过程中有机物料含有的微塑料易发生破碎和分解,使得粒径更小的微塑料丰度增加[137]。Weithmann 等[138]研究发现有机物料通过厌氧消化处理后含有的微塑料最大丰度为895 items·kg-1,而好氧发酵后其最大丰度仅为20 items·kg-1。桂嘉烯[139]在浙江省金华市和湖州市下的两个镇级农村生活垃圾堆肥处理站点的原料中分别检测到(1100±141)items·kg-1与(800±200) items·kg-1的微塑料,而在堆肥成品中,微塑料丰度增加到(2533±457) items·kg-1和(2267±115) items·kg-1。

微塑料在果园土壤中的迁移特征受微塑料自身特性、土壤动物活动(如蚯蚓和跳虫的摄食和掘穴)以及农业管理措施(如翻耕、灌溉、施肥)等的影响,其在土壤中的赋存显著改变土壤理化性状[140]。胡旭凯等[141]研究发现,向土壤中添加聚乙烯可改变土壤团聚体粒径组成,显著降低团聚体可溶性有机碳和易氧化有机碳含量,从而提高土壤团聚体稳定性。微塑料同时影响土壤容重、含水率、pH 及速效养分含量,其与微塑料种类、粒径和浓度密切相关[142]。此外,微塑料本身含有的添加剂(如增塑剂)向土壤中释放及其对土壤理化性质的改变均显著影响土壤酶活性、微生物群落结构及功能,进而影响土壤养分循环[143]。Fan 等[144]研究表明,聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯能提高土壤过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性,增加变形杆菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和子囊菌门(Ascomycota)微生物丰度,降低酸杆菌门(Acidobacteria)、担子菌门(Basidiomycota)和壶菌门(Chytridiomycota)微生物丰度。Kong 等[145]研究表明,土壤中增塑剂二丁基邻苯二甲酸酯含量的提高会导致土壤细菌群落多样性下降。张秀玲[146]研究表明,微塑料添加显著影响果园N2O排放,同时加速了土壤中氮素流失,降低了土壤酶活性,其影响效果随微塑料添加量增加变得更加明显。

微塑料本身也可成为土壤微生物的栖息地。Zettler等[147]研究表明微生物可长期吸附在微塑料表面形成生物膜。某些致病菌等有害微生物也可依附在微塑料表面,随之在土壤中不断迁移,危害土壤健康[148]。此外,微塑料可作为载体同时吸附土壤中有毒有害物质,包括重金属、PAHs、PCBs 等,形成复合污染物,同时改变这些污染物在土壤中的有效性,对果树生长、土壤养分循环及生物学过程等产生更为复杂的影响,相关机理有待进一步揭示[149]。

3 研究展望

有机物料的合理施用可有效改善果园土壤结构、提高土壤肥力,有利于果树生长和果实品质提升,是促进废弃物资源循环利用、构建果园健康土壤的一种重要方式。然而,有机物料来源广泛且成分复杂,类型、用量及施用方式的改变使得其在果园生态系统中的应用效果及伴随的环境效应存在不确定性,最终对人类健康产生重要影响。有机物料施用引起的土壤碳氮底物浓度、酶及微生物活性的改变显著影响果园土壤养分循环及N2O 排放特征。同时,有机物料自身成分及结构组成与土壤性质及功能微生物共同作用影响果园土壤重金属及新型污染物的积累、迁移与转化过程。然而,当前针对果园生态系统中有机物料施用与环境效应变化过程,尤其是与新型及复合污染物的内在关联与作用机制研究仍然缺乏,亟需深入探究。未来研究需重点关注以下内容:

1)有机物料施用下果园土壤养分循环及生物学过程。有机物料施用下果园土壤养分循环及温室气体排放受有机物料本身及其释放的物质、施用方式、土壤理化性质等的影响,同时土壤微生物及土壤动物生态功能在土壤养分循环过程中发挥重要作用,相关机制有待进一步研究。

2)有机物料施用下果园土壤重金属积累特征。有机物料本身含有的重金属及其施用后对土壤中重金属积累量、有效性、迁移转化均产生重要影响,重金属在果园土壤中的动态变化特征需进一步关注。

3)长期施用有机物料下果园土壤新型及复合污染物的积累、迁移与转化机制及其效应。果园土壤中的持久性有机污染物、抗生素、微塑料等新型污染物无法在短期内完全去除,应继续通过大量调研、试验等系统评估有机物料长期投入下果园土壤中新型污染物积累特征,明确不同土壤条件下维持果园生态系统正常运转的污染物阈值,有效监测并控制果园新型污染物污染。同时,进一步揭示不同有机物料施用下复合污染物在果园土壤中的形成与作用机制,探究其在果园生态系统中的长期效应。

4)有机物料中污染物去除机制研究与技术提升。优化有机物料堆肥、发酵等工艺,探究绿色新型有机物料制备技术及有机物料在果园生态系统中的有效施用方式,用以去除有机物料自身携带的污染物并促进其对果园土壤中污染物的吸附与降解,最终降低污染物对果园土壤环境和人类健康危害的风险。