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本文综述聚焦农业新兴污染物，探讨其对土壤健康、植物 - 土壤相互作用和农业生产力的影响。涵盖药物、农药和工业污染物等类别，分析其危害。同时介绍生物和纳米强化修复策略，如根际微生物组管理、纳米生物肥料等，并指出面临的挑战，为可持续农业发展提供参考。
1. 引言
全球人口增长使粮食安全面临压力，农业和工业的一些不可持续做法带来诸多问题。土壤生态系统对全球粮食安全至关重要，其中根际微生物群落对植物生长意义重大。然而，新兴污染物威胁着土壤生态平衡，如农药、抗生素等外源化合物会破坏土壤健康和农业可持续性。新兴污染物指新发现或检测增多但未完全监管的污染物，与传统污染物不同，其在农业系统中的相互作用复杂且缺乏有效应对策略。
植物 - 土壤相互作用包含土壤与植物间的物理、化学和生物过程，对维持健康的土壤 - 植物关系和实现可持续农业意义重大。虽然农业研究有新进展，如根际微生物组管理、基因工程技术、生物肥料和纳米技术应用等，但新兴污染物对植物 - 土壤动态的影响仍有很多未知，生物和纳米技术在农业中的应用也有待深入研究。本文旨在填补这些空白，探索新兴污染物与修复策略的相互作用，为可持续农业提供参考。
2. 农业中新兴污染物的来源和类别概述
农业中的新兴污染物来源广泛，包括人类活动、工业过程和现代农业实践。例如，农药、除草剂和杀菌剂等农用化学品虽对作物保护和增产重要，但在环境中持久存在，会在土壤和水中积累，危害非目标生物并破坏生态平衡。过量或不当使用化肥，会导致养分流失、温室气体排放，还可能使土壤中的重金属等痕量污染物积累。处理后的废水和污水污泥用于农业，会引入复杂的污染物，影响土壤微生物群落和植物健康。工业排放的重金属、多环芳烃和持久性有机污染物等会污染农业土壤，纳米材料的使用也可能带来纳米颗粒污染。
此外，气候变化会加剧污染物的分布和影响，城市径流会将金属和合成化学物质带入农业区域，微塑料在农业土壤中无处不在，全球贸易和不同的农业实践会使污染物远距离传播，一些污染物的降解产物也可能带来更大风险。这些污染物可分为药物、农药和工业污染物三类。
2.1 药物
药物污染物包括抗生素、激素等，主要通过处理后的废水、生物固体和牲畜粪便进入农业土壤。部分药物在土壤中持久存在，如卡马西平、土霉素等。药物会对土壤微生物产生选择压力，改变微生物多样性和功能，影响氮固定、磷溶解和有机物分解等过程，还会影响土壤化学性质，被植物吸收后可能在食物链中生物积累。
2.2 农药
农药是现代农业的重要工具，但过度使用会威胁土壤健康和植物 - 土壤相互作用。欧盟的研究发现，大量土壤样本含有农药残留，其会破坏土壤生态系统，影响非目标生物，改变植物根分泌物模式，抑制植物生长，还可能污染地下水。
2.3 工业污染物
工业污染物如重金属、微塑料和全氟烷基物质（PFAS）在农业土壤中日益增多。微塑料会改变土壤的物理性质，影响土壤孔隙度、持水性和通气性，还会影响土壤真菌的丰富度。PFAS 被称为 “永久化学品”，在土壤中广泛存在，会对植物产生多种毒性效应，影响种子萌发、根系发育和养分吸收，还可能在作物中积累，威胁农业生产力和人类健康。
3. 新兴污染物对全球粮食安全的影响
农业是人类文明的基石，但新兴污染物给全球粮食安全带来了严重威胁。
3.1 水污染
农业化学品的广泛使用导致水污染，影响生态系统、农业和公众健康。水污染会降低水质，对水生生态系统造成破坏，还可能通过灌溉将污染物引入食物链，影响农产品安全。此外，农业中抗生素的不当使用会导致水生生物产生抗生素抗性，威胁人类健康。
3.2 土壤退化
新兴污染物会导致土壤质量下降，影响土壤中有益生物的多样性和数量，破坏土壤的养分循环能力。持久性有机污染物会在土壤中积累，阻碍自然过滤机制，导致土壤侵蚀加剧，影响农业产量和生态系统的平衡。
3.3 对生物多样性的影响
新兴污染物会破坏土壤生态系统，导致生物多样性丧失，影响生态系统的平衡和恢复力。例如，新烟碱类农药会对蜜蜂和蝴蝶等传粉昆虫产生不利影响，减少传粉昆虫数量，直接威胁全球粮食安全。
3.4 经济影响
新兴污染物的影响不仅限于环境和人类健康，还会影响贸易和经济。全球食品生产和配送的相互关联，使得污染物能在全球范围内传播，需要国际合作进行监测和控制。
4. 土壤健康、植物 - 土壤相互作用和农业生产力
土壤健康是指土壤适应农业干预、维持农业生产和提供其他生态系统服务的能力，对农业可持续性至关重要。农业生产力取决于植物对养分的吸收，这一过程受多种环境因素和土壤特性的影响。土壤健康指标包括养分、质地、孔隙度、pH 值等，植物、土壤和微生物之间的相互作用对土壤健康和生产力有重要影响。
植物通过根系吸收养分，根的形态和结构会根据土壤养分含量进行调整。土壤的化学和养分梯度也会影响植物对养分的利用和分配。此外，环境因素如盐度、温度和水分可用性会影响养分吸收动力学和植物生长，植物通过复杂的调节机制维持养分平衡。
为了维持土壤健康和提高农业生产力，可以采用一些新兴技术，如绿色和棕色施肥、农林复合经营、使用生物防治剂、纳米肥料、生物肥料和纳米生物肥料等。但需要进一步研究这些技术的潜力，开发创新策略来保护土壤健康。
5. 新兴污染物对正常植物 - 土壤相互作用和农产品的影响
新兴污染物会干扰土壤和植物系统各组成部分之间的相互作用。
5.1 对土壤理化特性的影响
新兴污染物（EC）会改变土壤的理化性质，如微塑料和纳米塑料（MNP）会影响土壤的孔隙度、密度和团聚结构，改变土壤的持水能力和通气性；抗生素和杀菌剂等会改变土壤的 pH 值，影响养分的有效性；EC 还会干扰土壤的养分循环，降低土壤肥力。
5.2 对土壤微生物的影响
土壤微生物对维持土壤生态系统健康至关重要，但 EC 会对其产生毒性，降低微生物生物量，改变微生物群落结构和多样性。例如，抗生素、杀菌剂和全氟烷基物质等会抑制土壤微生物的生长和代谢，微塑料会改变土壤微生物的栖息地，影响其生存和繁殖。
5.3 对土壤动物的影响
土壤动物在植物 - 土壤相互作用中发挥着重要作用，但 EC 会对其产生不利影响。例如，农药、MNP 和药物残留会导致土壤动物的胃肠道损伤、繁殖能力下降和死亡率增加，影响土壤生态系统的平衡。
5.4 对植物的影响
EC 会影响植物的种子萌发、根系和地上部分的发育，降低植物的生长和产量。例如，MNP 会对植物产生遗传毒性，抑制细胞分裂和光合作用；其他 EC 如三氯生、抗生素和农药等会影响植物的代谢、抗氧化能力和养分吸收。
6. 促进全球粮食安全的生态友好型修复策略
土壤环境的自然平衡对维持土壤质量和植物产量至关重要，但新兴污染物破坏了这种平衡，影响了植物 - 土壤相互作用和养分循环，威胁全球粮食安全。因此，需要采用生态友好型的生物基方法来改善植物 - 土壤相互作用，提高植物产量，确保粮食可持续性。
6.1 基于生物的土壤健康策略
基于生物的策略旨在恢复土壤的内在过程，改善土壤健康。包括根际微生物组管理、基因修饰植物、生物肥料等。根际微生物组管理通过调控根际微生物群落，增强植物对养分的吸收、对病原体的抵抗能力；生物肥料利用有益微生物，提高土壤养分的有效性，促进植物生长；生物强化则通过添加特定微生物，去除土壤中的污染物，改善土壤 - 植物相互作用。
6.2 纳米肥料
纳米肥料作为创新的养分输送系统，具有提高植物养分吸收效率、增加作物产量的潜力。其微小的尺寸、较大的比表面积和良好的流动性，使其能够更有效地将养分输送到植物根部。但纳米肥料的应用也存在一些风险，如对生态系统和人类健康的潜在影响。
6.3 纳米生物肥料
纳米生物肥料结合了纳米技术和生物肥料的优势，通过微生物与纳米颗粒的协同作用，提高肥料的效果，减少传统肥料的局限性。其具有多种作用机制，可根据不同的应用需求进行设计。
7. 挑战与未来展望：迈向可持续农业的道路
应对农业中的新兴污染物面临诸多挑战，如需要建立有效的监管框架，加强对新兴污染物使用的监测和控制；推动传统农业向可持续农业转型，提高消费者对农业污染物影响的认识；开展全面研究，了解新兴污染物对生态系统、人类健康和粮食安全的长期影响。
未来，创新技术如精准农业和智能农业技术有望减少对传统污染物的依赖，优化资源利用；生物修复和纳米强化策略在减轻污染物对土壤和水的影响方面具有潜力；加强教育，提高农民对可持续实践的认识，也有助于推动农业向可持续方向发展。
8. 结论
农业中的新兴污染物对土壤健康、植物 - 土壤相互作用和全球粮食安全构成重大威胁。这些污染物会破坏土壤生态系统，降低作物生产力。创新策略如根际微生物组管理和纳米肥料的使用，为减轻这些影响提供了有前景的解决方案，但仍面临监管和认知等方面的挑战。通过综合研究、政策改革和实际应用，加强监测和分析方法，可推动可持续农业实践，保障未来的粮食供应。
