综述：根系特征与根际响应作为农业土壤中微塑料污染的新兴生物指示物：综述

《Environmental Research》：Root Traits and Rhizosphere Responses as Emerging Bioindicators of Microplastic Pollution in Agricultural Soils: A review

作物根系特征与根际功能受微塑料污染影响及其作为生物标志物的潜力。

　　

Qudsia Saeed|Xiankai Lu|Zia Ur Rahman Farooqi|Abdul Ghafoor|Muhammad Naveed|Nimra Maqsood|Hafiz Abdul Kareem|Adnan Mustafa

中国科学院华南植物园应用植物学广东省重点实验室，广州510650

摘要

在农业土壤中，作物根系通过根际驱动的过程（如根系分泌物、微生物调节和凋落物分解）在调节土壤健康、养分循环和长期碳封存方面起着核心作用。然而，由于地膜、污泥、堆肥和大气沉降物中微塑料（MPs）的日益普遍，这些微塑料对根系-土壤-微生物相互作用构成了日益严重的威胁。本文重点探讨了作物根系特性（结构、化学成分和更新速率）如何受到微塑料的影响，并分析了这些影响对根际功能的连锁效应，特别强调了它们作为农业土壤中微塑料污染生物指示物的潜力。微塑料会破坏根系形态，改变微生物群落，减少根系分泌物的碳输入，并干扰有机-矿物结合，从而重塑控制土壤团聚、养分可用性和微生物碳稳定性的根际响应。这些响应在不同作物类型（包括草本植物、豆科植物、蔬菜和饲料作物）中存在差异，反映了根系结构、更新速率和根际调节能力的差异。总体而言，这些基于根系特性的响应为农业生态系统中微塑料压力提供了综合且敏感的指示指标。我们提出了未来的研究策略，包括根际工程（如微生物组操作、根系分泌物调节、培育具有抗性根系特性的作物以及多指标整合），以减轻微塑料压力并提高整个生态系统的韧性。

引言

可持续农业依赖于作物系统维持土壤肥力、增强碳储存和保持生态韧性的能力。作物根系是由木质素、半纤维素和纤维素组成的复杂多组分结构，在维持农业生态系统稳定性方面发挥着核心作用（Maffra等人，2019年）。这些过程的核心是根际——一个围绕植物根系的生物活性区域，它控制着养分循环、微生物相互作用以及有机物的转化和稳定（Korenblum等人，2022年）。通过生长、分泌物分泌和分解，作物根系在塑造根际条件方面起着关键作用，这些条件直接影响土壤有机碳（SOC）的封存、氮（N）和磷（P）的可用性以及土壤结构和微生物功能（Jiang等人，2021c年）（图1A）。因此，了解作物根系的独特特性和功能属性对于维持养分吸收、保持土壤健康和支持可持续农业实践至关重要（Carvalhais等人，2011年）。

收获后，包括根系在内的作物废弃物会经历分解过程，从而补充土壤有机质（SOM）（Stubbs等人，2009年）和有益微生物种群所需的养分（Bonanomi等人，2020年）。此外，根系分解还能增强土壤团聚，改善土壤结构、保水能力和整体土壤功能（Wallace等人，2009年）。根系分泌物（如有机酸）可以优化土壤pH值，提高植物对养分的吸收能力（Seema等人，2017年）。这些分泌物还能影响微生物多样性和根际群落结构，形成有益的关联，例如菌根共生（Ahmed等人，2022年）。然而，越来越多的证据表明，微塑料（MPs）会破坏根系-土壤-微生物之间的紧密耦合，对养分循环、土壤团聚和整个生态系统的韧性产生负面影响（图1B）。

微塑料污染已成为农业土壤中的一个迅速凸显的问题（图2）。微塑料是指尺寸小于5毫米的合成聚合物颗粒（Bouaicha等人，2022年）。尽管人们主要关注它们在水环境中的积累，但越来越多的证据表明，由于塑料地膜、堆肥、生物固体、灌溉水和大气沉降物的输入，土壤中的微塑料负荷更大（Sardar等人，2025年）。每年微塑料的产生量为4亿吨，且每年增加8.4%，但其处理效率却低于生产速度（Sardar等人，2025年）。因此，80%的微塑料以微塑料和纳米塑料的形式留在环境中（Ishfaq等人，2025年）。

一旦进入土壤基质，不可生物降解的微塑料会对土壤的物理化学性质、养分和根系衍生物、微生物活动及其群落结构产生连锁影响（Yu等人，2022b）。这些变化直接影响根系生长、分泌物模式和养分吸收，从而重塑根际功能。图1B展示了微塑料污染如何通过影响光合产物的分配、根际沉积、微生物群落组成和微生物碳处理及稳定来阻碍植物-根系介导的土壤过程。尽管人们越来越关注这一问题，但在微塑料如何影响地下植物-微生物相互作用和基本土壤过程方面仍存在关键的知识空白。此外，正如表1所示，以往的研究主要集中在与植物根系功能特性及其与受微塑料污染的根际干扰之间的关联方面，而根系特征和根际响应作为诊断工具的作用尚未得到充分重视。此外，虽然一些综述涉及根际工程方面，但它们通常针对特定研究主题，与本综述的核心关注点——微塑料污染情景关联不大。

根系生长和发育、分泌物模式、与微生物的有益关联以及养分吸收策略对环境压力（如微塑料）非常敏感，并整合了广泛的地下信号（Chaudhary等人，2020年；Mueller和Shann，2007年）。这使得作物根系和根际水平的响应成为评估耕地土壤中微塑料污染的新兴生物指示物。本文综合了当前关于微塑料污染如何改变植物根系特性和根际过程的知识，特别关注其对养分（碳、氮和磷）循环、土壤团聚、根系分泌物、根系更新速率和微生物功能的影响。为了认识到不同作物类型（如豆科植物、草本植物、蔬菜和饲料作物）对微塑料压力的根系响应差异，我们整合了跨植物类型的发现，并确定了支持多种植物物种SOC封存的特定根系响应。本文的具体目标是：（i）了解不同作物根系类型如何驱动根际过程并促进碳封存；（ii）综合当前关于微塑料污染对植物根系、微生物群落和农业土壤中根际功能直接和间接影响的知识；（iii）描述不同作物类型（如豆科植物、草本植物、蔬菜和饲料作物）在根系特性响应方面的差异；（iv）探讨基于根系的生物工程作为应对微塑料引起的压力并维持土壤韧性的适应性方法的潜力。

节选

农业生态系统中的根系介导的根际过程

根际是植物根系、微生物和土壤成分相互作用以调节养分循环、微生物-植物相互作用、根系分泌物和整体土壤健康的土壤热点区域（表2）。越来越多的数据显示，微塑料污染通过改变根系特性、微生物活动和土壤物理化学性质来破坏这些紧密关联的过程，从而影响根际的功能和土壤健康的维持（表2、表3）。

土壤中的微塑料：命运与根际干扰

过去50年来，微塑料产量的增加导致了环境退化。由于其尺寸小于5.0毫米，它们被归类为新兴的环境污染物，对环境造成显著影响（Pereao等人，2020年）。据估计，大约有23.6万吨塑料漂浮在海洋中，每年还有480万至1270万吨塑料进入海洋（Hale等人，2020年）。图2a展示了

微塑料压力下的根系特性与碳封存

植物根系周围土壤中的碳循环和储存取决于根际中的SOC动态。根系、微生物和土壤颗粒之间的相互作用影响着碳分子的命运（He，2019年）。根系分泌物中的糖类和有机酸为土壤微生物提供能量来源，刺激根际中微生物活动和碳代谢的增加（Amirhossein等人，2017年）。微生物吸收分泌物并进行呼吸作用，释放

人为污染物下的根系-土壤反馈

由于为了最大化作物产量而大量使用化学投入物，农田中常见化肥、粪肥和其他污染物（Jadhav等人，2019年）。这些物质提供了必需的大量和微量养分，增强了土壤结构，并促进了有益微生物群落的生长（Crawford，2014年）。但是，当土壤中存在微塑料时，根际功能（如共生作用）可能会受到干扰。

根系-土壤反馈是动态过程

培育具有增强碳输入能力的根系特性

培育具有增强根系特性的作物可以显著增加土壤中的碳输入，这对可持续农业和气候变化缓解至关重要。传统上，作物育种主要集中在地上性状（如产量和抗病性）上，而很大程度上忽视了根系的潜在作用（McGrail等人，2020年）。然而，下一阶段的植物育种必须更加重视根系的动态特性

基于根系的生物监测：优势、权衡和环境风险

根际工程在增强碳封存和管理农业土壤中的微生物群落方面具有优势和挑战。这被视为一种有前景的负排放技术，可以捕获和储存大气中的CO₂，从而显著促进农业土壤中的碳封存。这一过程不仅有助于减少温室气体排放，还带来了其他好处，如提高作物产量、减少平流层臭氧消耗等

结论与未来展望

将根际视为根系、微生物和土壤之间的动态界面对于评估微塑料（MPs）等新兴污染物的生态影响至关重要。本综述强调了现有证据，表明作物根系和根际过程对微塑料压力具有敏感和综合的响应，提供了农业生态系统中土壤健康退化的可测量生物指示指标。多种基于根系的生物指示物一致显示出对微塑料污染的响应

CRediT作者贡献声明

Hafiz Abdul Kareem：正式分析、数据管理。Nimra Maqsood：正式分析、数据管理。Adnan Mustafa：写作-审稿与编辑、正式分析、数据管理、概念化。Zia Ur Rahman Farooqi：写作-审稿与编辑、正式分析、数据管理。Xiankai Lu：写作-审稿与编辑、监督、概念化。Muhammad Naveed：写作-审稿与编辑、初稿撰写、概念化。Abdul Ghafoor：初稿撰写、资金筹集

未引用参考文献

Araujo, 2022; Astolfi等人，2020; B.D等人，2020; Broughton等人，2015; Chai和Schachtman，2022; Chen等人，2022; Eldhuset等人，2007; Etesami等人，2021; Garzón等人，2011; Herms等人，2022; Hu等人，2024a; Hu和Xiang，2023; Iannucci等人，2021; Jaffar等人，2024; Javed等人，2024; Jiang等人，2022a; Jilani等人，2021; Kong等人，2022; Kong和Liu，2022; Le Marquer等人，2019; Li等人，2024a; Li等人，2023d; Liu等人，2022a; Lopes等人，2022; Ma等人

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资助

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2024YFF1306600）、广东省重点研发计划（编号：2022B1111230001）和国家自然科学基金（编号：32271687）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。