范利超，颜鹏，韩文炎

(中国农业科学院 茶叶研究所，浙江 杭州 310008)

微塑料是指环境中粒径小于5 mm的塑料类污染物。现代社会对塑料有强烈的依赖性，因为塑料已被广泛应用于工业生产、家居生活、基础设施和农业生产等人类社会的各个方面[1]。目前，每年有280万～350万t的塑料被生产出来。据估计，已有超过4 800万t的塑料垃圾进入到地球生态系统[2-3]，其中超过30%的塑料垃圾最终会进入土壤生态系统[4]。塑料污染已经蔓延至全球范围的各个区域，在土壤生态系统中，农业用地和城市用地的塑料污染最为严重[5]。塑料受到外力作用(机械磨损、紫外线辐射)会被逐渐破碎[3]，尽管如此，破碎塑料的降解过程依然非常缓慢[6]，而最终形成粒径小于5 mm的微塑料富集在环境中[7]。相对于大塑(marcoplastic)和中塑(mesoplastic)，微塑料(microplastic)被认为是对生态环境最有害的塑料污染[8]。

微塑料污染已经在全世界范围内引起人们的重点关注，特别是在水文系统中，如海洋生态系统[7-9]。海洋生态系统中的微塑料污染来源于陆地生态系统，而陆地生态系统在该领域的研究相对薄弱。土壤环境中的微塑料可以被植物吸收或者被土壤微生物和原生动物摄取，进入到食物链中并可传递，进而对土壤微生物和动物甚至更广泛的生命体造成不可估量的影响[10-12]。微塑料可作为土壤微生物的栖息地，从而改变土壤系统的生态功能[13]。微塑料可改变土壤的物理、化学和生物特性(如土壤团聚体数量和大小、土壤养分有效性、微生物多样性及生物量)，从而影响植物的生长[14-16]。据估计，每年通过生物堆肥、塑料地膜[17-18]等方式进入到农业用地中的微塑料量可能超过海洋中总的微塑料量[10]。由于微塑料的分解速度远低于其进入生态环境系统的速度，导致微塑料在土壤环境中逐渐积累，因此，微塑料对生态系统功能及健康的影响将随着时间的增长而逐渐加剧[16]。但是，目前缺少对土壤环境中微塑料的系统、全面的认识，导致不能科学的决策并控制微塑料向土壤环境的输入，如农用塑料的使用和处置等[19-20]。

文献计量是依据学术文献的外部特征，并基于数学统计的定量分析方法，能够分析特定领域研究文献的数量特征、学科分布、引文关系、研究程度、研究热点、研究趋势等[21]。当前，文献计量学已经广泛应用于农业、经济、政治、人文、生态、管理等诸多学科研究的前沿和热点[22-26]。本研究选取土壤环境中的微塑料作为研究对象，基于中国期刊全文数据库(CNKI)和Web of Science收录数据，就国内外文献，分析其现状特征、研究热点及趋势，以期为生态环境中微塑料研究领域的发展提供指导依据。

1 材料与方法

本文用于文献计量分析的数据来源。在国内方面，选择中国期刊全文数据库(CNKI)为数据源，通过高级文献检索，设置主题词为“微塑料”和“土壤”，对所有年份和文献类型为期刊论文的文献进行检索，甄别筛选共检索出30篇中文文献；在国际方面，选择美国汤森路透公司(Thomson Reuters)的Web of Science核心合集数据库，文献检索的主题词设置为(a)“microplastic”和(b)“soil”or “terrestrial”，对所有年份和文献类型为article和review的文献进行检索，同时排除学科为marine freshwater biology、water resources、limnology、oceanography的文献，最终共检索出201篇国际论文。另外，为了更全面的了解微塑料在地球生态系统(水文生态和陆地生态)中的发展历程，还对比了陆地生态系统与水文生态系统的发文特征。对水文生态系统中的相关文献进行检索，文献检索的主题词设置为(a)“microplastic”和(b)“marine” or “ocean” or “sea” or “freshwater” or “aquatic”，共检索出1 711篇文献。本文文献数据集的检索时间为2020年8月25日。利用CNKI和Web of Science自带的分析工具、VOSviewer可视化分析软件[27]和HistCite引文软件，对土壤环境中微塑料的研究领域的发文数量和被引次数的变化趋势、主要发文期刊、国家和机构以及作者之间的合作网络关系、研究领域的学科分布、关键词、研究热点及趋势等进行计量分析。

2 结果与分析

2.1 发文数量、被引次数和学科分布

微塑料在水文系统的发文量呈指数型增加(图1中a)，表明微塑料在水文生态系统中相关研究处于快速发展阶段。微塑料在土壤环境中的发文量也逐年增加，但国内和国际的总发文量远低于微塑料在水文系统中的发文量，而且微塑料在土壤环境中的发文时间晚于水文系统。微塑料在水文生态系统中的文献年被引次数和总被引次数均远高于土壤环境(图1中b、c)。以上表明土壤中的微塑料开始引起人们的重视，但处于萌芽发展阶段，目前关于微塑料的研究主要集中在水文生态系统中。就国际和国内对土壤环境中的微塑料的研究来看，国际和国内的研究开始时间一致(图1中a)，表明国内关于土壤中微塑料的研究与国际的发展步伐一致。

在国际方面(图1中d)，研究方向主要集中在环境生态科学(64%, environmental sciences ecology)、工程科技(11%, engineering)、化学(6%, chemistry)和毒理学(3%, toxicology)，表明土壤环境中微塑料的研究目前处于对微塑料的物理化学参数、生态循环及足迹和生态污染毒理性的探索。在国内方面(图1中e)，土壤环境中微塑料的学科分布主要有工程科技(58.8%)、农业科学(21.6%)和基础科学研究(15.7%)；另外，生物技术应用微生物学(biotechnology applied microbiology)、生物化学分子生物学(biochemistry molecular biology)和农业科学(agriculture)在土壤微塑料研究发文量的占比为5%，表明未来关于微塑料的研究方向从生态毒理学方向逐步转变为微塑料对生态系统的功能影响和地球生态系统的反馈方面。

图1 微塑料研究的发文量、引用频次及相关学科分布

2.2 发文的主要国家/地区和研究机构

利用VOSviewer对世界各国在土壤微塑料研究领域发文各国间的合作网络关系进行可视化分析，国家/地区发文量由圆圈的大小表示，发文国家相互间联系的密切程度由连线表示。如图2所示，参与土壤微塑料研究的国家/地区共有46个，其中中国的英文发文量最多，为71篇，总被引次数为1 242次，篇均被引次数为17次；其次为德国，发文量为44篇，总被引次数为1 912次，篇均被引次数为43次；美国的发文量排名第三，发文量为32篇，总被引次数为2 089次，篇均被引次数为65次。此外，荷兰、英国、澳大利亚、墨西哥、意大利、西班牙、加拿大等也均在土壤微塑料研究领域发文量大于6篇。由VOSviewer计算得到的总联系强度(TLS, total link strength)可以反映该国家与其他国家间的合作密切程度。美国的TSL值最大，为54；德国其次，为46；中国为42。表明中国的发文量虽为最多，但在国际合作密切程度上低于美国和德国。由图2连线可知，在土壤微塑料研究领域，与中国合作密切的国家有德国、美国、荷兰、澳大利亚、意大利、加拿大等。

图2 土壤微塑料研究相关论文产出国之间的合作网络

参与土壤微塑料研究领域的国际机构共有341个，其中发文量大于2篇的国际机构有34个。荷兰瓦赫宁根大学(Wageningen University & Research)的发文量最多，为11篇，总被引次数为481次；其次为中国科学院(Chinese Academy of Sciences)、华东师范大学(East China Normal University)及德国柏林自由大学(Free University of Berlin)，发文量均为9篇，总被引次数分别为217、319和510次。

由图3发文国际机构间合作网络分析可知，柏林自由大学与其他研究机构的合作密切，总联系强度参数(TSL)最高(17)，合作单位在德国主要有柏林-勃兰登堡高级生物多样性研究所(TSL为13，Berlin-Brandenburg Institute of Advanced Biodiversity Research)、莱布尼兹淡水生态和内陆渔业研究所(TSL为12，Leibniz-Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries)、柏林洪堡大学(TSL为12，Humboldt University)、哥廷根大学(Goettingen University)等。在国际上，西北农林科技大学与荷兰瓦赫宁根大学、德国哥廷根大学与南京大学等合作紧密。在国内，中国科学院(中国科学院大学)与华东师范大学、清华大学与中国农业大学等合作紧密。由图4(a)可知，中国科学院在中文期刊上发文量最多，其次有南开大学、中国环境科学研究院和江苏省地质矿产局等。

图3 发文量大于2篇的国际机构间合作关系

2.3 发文的主要刊物

在国内方面，出版土壤微塑料研究领域论文的期刊主要有农业环境科学学报、环境科学研究、环境科学、环境工程、农业工程学报、生态毒理学报等(图4中b)。在国际方面，由HistCite分析可知，发文数量最多的期刊为ScienceoftheTotalEnvironment(46篇)，其次为EnvironmentalPollution(44篇)、EnvironmentalScience&Technology(17篇)(表1)。总被引次数较高的期刊有ScienceoftheTotalEnvironment(1 498次)、EnvironmentalScience&Technology(906次)等，但在典型的土壤科学期刊如SoilBiology&Biochemistry、Geoderma、AppliedSoilEcology等发文数量均远少于环境生态类期刊。另外，PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyB:BiologicalSciences上仅发表1篇相关文献，被引用次数为1 530次。

图4 国内有关土壤微塑料研究的机构分布、期刊、基金项目和作者分布

表1 土壤环境中微塑料研究领域的发文量排名TOP10期刊

2.4 发文的主要研究学者和基金项目

在中文期刊上，参与发表土壤微塑料研究论文的作者共有166位，其中仅有3位作者发文数量为2篇(图4中d)。在国际期刊中，参与发表相关论文的作者共有901位，其中发文数量大于2的作者共有41位。通过VOSviewer可视化分析发文作者间的合作网络，其中圆圈大小反映发文数量。由图5可知，发文作者间有密切的合作关系。发文数量最多的作者是Geissen Violette，发文数量为12篇，总被引次数为701次；其次为Rilling Matthias C，发文数量为8篇，总被引次数为364次；Huerta Lwanga Esperanza发文数量为5篇，总被引次数为413次；Yang Xiaomei发文数量为5篇，总被引次数为151次。其中，Geissen Violette与Huerta Lwanga Esperanza及Yang Xiaomei合作较为密切。

图5 发文量大于2篇的作者间合作关系网络

无论在国际还是国内，国家自然科学基金(National Natural Science Foundation of China)均为土壤微塑料研究领域最重要的基金资助项目。国家自然科学基金资助了12篇中文期刊论文，占相关中文发文量的33.3%(图4中c)。同时，资助47篇国际期刊论文发表，占相关英文发文量的23.3%。在国际上，资助发文数量较多的基金还有National Key Research and Development Program of China(4.5%，国家重点研究开发计划)、Natural Environment Research Council(3.0%，英国自然环境研究委员)、China Scholarship Council(2.5%，中国国家留学基金管理委员会)、European Union(2.5%，欧盟基金委员会)、Federal Ministry of Education and Research(2.5%，德国联邦教育和研究部)、German Research Foundation(2.5%，德国研究基金会)、National Science Foundation(2.5%，美国国家科学基金会)等。

2.5 土壤中微塑料的研究热点

关键词可以简要反映论文的主要研究内容和方向，所以关键词在所有论文中出现的频率越高表示该主题受到的关注程度越高。在土壤微塑料研究领域的中文文献中，出现频次最高的关键词为微塑料，在检索出的31篇文献中，出现次数共有31次。

在关键词共线网络中，与微塑料密切连接的关键词可以概括5类。(1)微塑料的来源，包括中微、塑料纤维、塑料垃圾、农用地膜和纤维类；(2)生态环境类型，包括土壤环境、区域土壤、土壤生态系统；(3)微塑料在土壤环境中的作用，即生态风险、复合污染、毒性效应、生态毒性、生态毒理效应、重金属和环境行为；(4)对土壤微生物、动物及人类的影响，包括人体健康、平均丰度、丰度和土壤动物；(5)对土壤中微塑料的治理，包括浮选法、吸附、污染治理、污染研究、污染问题、赋存特征和污水处理厂(图6)。上述表明，对微塑料在不同尺度土壤环境中的来源、表现特征、效应及治理方面有全面的研究。

图6 中文期刊中关于土壤微塑料研究的关键词共线网络

在国际期刊中关键词出现次数大于2的共有97个，且关键词间有很高的关联强度。微塑料(microplastic)出现频次最高，为113次，表明在检索的文献中，有56%的文献是以微塑料为主要研究内容。与中文文献中关键词共线网络相似，在关键词共线网络中，与microplastic关系密切的关键词可分为6类。(1)微塑料的来源为塑料垃圾(plastic waste)、塑料(plastics)、塑化剂(plasticizer)、塑料碎片(plastic debris)、中塑(mesoplastics)、地膜(mulching film)、轮胎和道路磨损颗粒(tire and road wear particles)和产品包装(packaging)等；(2)微塑料的种类包括高分子聚合物(polymer)、聚苯乙烯(polystyrene)、多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons)、人造聚合物(synthetic polymers)、微纤维(microfiber)、微粒子(microbeads)和纳米微塑料(nanoplastics)等；(3)微塑料的特征为吸附性(sorption, adsorption)、可移动性(transport, soil food web, atmospheric fallout)、可分解性(degradation)和可被摄取性(ingestion)等；(4)微塑料所存在的环境类型包括农业土壤(agricultural soil, farmland, agroecosystem)、其他生态系统(terrestrial ecosystem, water, city, marine, rivers, sediment)、饮料(beverage)、土壤微生物和动物(bacteria, springtail, biota, organisms)；(5)微塑料对环境的影响包括污染与毒理性(pollution, toxicity, ecotoxicology, contamination, diffuse pollution, toxicology, risk assessment, heavy metals)，以及生态功能及反馈(salinity, soil erosion, degradation, bioavailability, bioindicator)；(6)微塑料的分析方法(analytical method)包括表面特征(surface morphology)、氧化应激(oxidative stress)、综合模型(integrated model)和傅里叶变换红外光谱学(Fourier transform infrared spectroscopy)等(图7)。

图7 国际期刊中关于土壤微塑料研究的关键词共线网络

2.6 土壤微塑料研究领域发展趋势

土壤环境中的微塑料的研究发展较水文生态系统中较晚，目前处于萌芽发展阶段(图1)。所以在关键词共线网络中出现的研究热点均为今后的研究发展趋势。微塑料在土壤中的种类、来源、分布、转移、循环、检测方法、毒理影响及生态反馈效应等均需要进行全面的研究，从而建立其相应的基础理论和机理。另外，微塑料在土壤环境研究领域的未来研究趋势会从生态毒理学转向对生态系统的影响和地球系统的反馈[6]。

评估微塑料在不同区域土壤及全球范围内的分布和含量，关注微塑料在农业生态系统中的迁移和循环过程及其对农作物的生长发育及产量和品质的影响。

通过室内培养实验和野外田间实验，检测微塑料对土壤微生物及动物的分布及生理特征的影响，进而评估微塑料对土壤生态系统功能的影响。

微塑料含有大量的碳，而且有少部分可以被微生物利用，其进入土壤后如何影响土壤碳循环过程。

除了碳以外，微塑料中含有少量的氮和磷，这些元素进入土壤后对土壤微生物生理代谢过程的影响，如氮磷循环等。

探究微塑料在土壤中如何影响植物的根际区域，即植物根系—微生物—土壤—微塑料间的相互作用。

微塑料在土壤中的效应主要依赖于微塑料的种类(可降解类和非可降解类)、颗粒形状、大小及数量，这些因素如何影响土壤团聚体及土壤结构，进而作用于土壤微生物群落及植物生长。

通过科学提升农业田间管理，如优化地膜的使用、堆肥的质量控制、土壤养分管理等，减少农田土壤中的微塑料来源及对作物生长的影响。

标准化检测及定量分析土壤中微塑料的方法，开发更有效更可靠的微塑料检测技术。

3 小结

全球范围内对土壤环境中的微塑料相关研究越来越重视，微塑料在环境科学中研究较为广泛，而对植物科学和土壤科学的研究相对较少，且处于萌发阶段。中国、德国、美国等国家在该领域发文较多，且相互合作紧密。土壤微塑料研究领域的发文，中文期刊主要是农业环境科学学报，国际期刊主要有ScienceoftheTotalEnvironment、Environ-mentalPollution和EnvironmentalScience&Technology。发文数量较多的研究机构为荷兰瓦赫宁根大学和中国科学院，中国国家自然科学基金是资助该研究的重要基金项目。关键词共线网络表明，微塑料在不同土壤环境类型中的来源、种类、分布、检测方法及对环境的污染和毒理性等是目前的研究热点，微塑料在陆地生态系统中的研究从生态毒理学转向对生态系统的影响和地球系统反馈为主要研究趋势。