《Applied Soil Ecology》：Microplastic and trace element co-occurrence in cropping systems: Implications for soil properties and microbial communities
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本研究评估了玉米、燕麦、甜菜、番茄和小麦等五种作物系统对土壤微塑料（MPs）含量及化学、生物学特性的影响。结果表明，甜菜和燕麦土壤中MPs含量最高（260和200件/kg），番茄土壤养分有效性及酶活性（脲酶、磷酸酶、β-葡萄糖苷酶）显著升高，且cadmium浓度更高。微生物群落中放线菌门（Actinomycetota）占主导，番茄的芽孢杆菌门（Bacillota）尤为丰富。多元分析显示MPs与生物有效性重金属及β-葡萄糖苷酶活性弱相关。
安德烈斯·平托-波布雷特（Andrés Pinto-Poblete）|梅根·诺耶（Mégane Noyer）|埃尔韦·卡皮奥（Hervé Capiaux）|蒂埃里·勒博（Thierry Lebeau）|毛里西奥·舍比茨（Mauricio Schoebitz）
智利康塞普西翁大学（Universidad de Concepción）农学系土壤科学与自然资源系，邮政信箱160 C，康塞普西翁
摘要
土壤中微塑料（MPs）的存在日益引起关注，因为它们可能与其他污染物相互作用，并对土壤产生影响。本研究旨在评估种植制度对土壤中微塑料含量、微量元素（TE）、化学和生物性质以及微生物群落结构的影响。研究样本来自五种作物：玉米、燕麦、甜菜、番茄和小麦。通过16S和ITS测序技术，测定了微塑料浓度、化学参数、总微量元素和生物可利用微量元素浓度、酶活性以及微生物组成。甜菜和燕麦中的微塑料含量较高（分别为260和200个颗粒/千克），而玉米中的含量较低（60个颗粒/千克），其中聚丙烯是最主要的微塑料类型。番茄表现出更高的养分可利用性，Olsen P含量为98毫克/千克（是其他作物的3-8倍），尿酶、磷酸酶和β-葡萄糖苷酶活性增强，镉（Cd）含量也较高。细菌群落以放线菌门（Actinomycetota）为主，在所有种植系统中都有存在，但小麦中除外；杆菌门（Bacillota）在番茄中尤为丰富，这明显将其与其他作物区分开来。真菌群落主要由子囊菌门（Ascomycota）主导，担子菌门（Basidiomycota）所占比例较低，但在燕麦和甜菜中略高。还检测到了少量的 Mortierellomycota 和 Mucoromycota。多元分析显示微塑料、生物可利用微量元素和酶活性（β-葡萄糖苷酶）之间存在关联，尽管相关性较弱。这些结果表明，作物类型和管理措施是影响土壤微生物群落的主要因素，而微塑料对土壤生物响应的影响有限。
引言
过去六十年来，全球塑料产量呈指数级增长，超过了任何其他人造材料的产量（Gedde等人，2021年）。这种增长主要是由于塑料的物理特性、低成本及其抗降解性，使其具有高度多样性，但同时也成为持久性环境废物的主要来源（Jambeck和Walker-Franklin，2023年）。在这些废弃物中，微塑料（MPs，定义为直径小于5毫米的塑料颗粒）对陆地和水生生态系统构成了日益严重的威胁（Kumar等人，2024年）。在农业领域，塑料材料（如地膜、灌溉系统、包装材料以及含有塑料残渣的堆肥）的广泛使用显著加剧了耕作土壤中的微塑料污染（Uwamungu等人，2022年）。微塑料是通过物理、化学和生物过程（包括紫外线辐射、机械磨损和微生物活动）使较大塑料颗粒破碎而产生的（Gao等人，2024年；Klimasz和Grobelak，2024年）。随着微塑料在农业土壤中的积累，它们会改变土壤的物理、化学和生物性质，从而直接影响生态系统（Mondol等人，2025年）。研究表明，微塑料会改变土壤结构、孔隙度和保水性，并影响酶活性，进而间接影响养分可用性和植物生长（de Souza Machado等人，2019年）。此外，微塑料的存在还会影响土壤团聚体的稳定性，增加侵蚀和压实的风险（Ju等人，2023年）。从生物学角度来看，关键微生物群落的相对丰度变化可能改变生态系统功能，包括氮循环和其他生物地球化学过程（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b）。在某些情况下，微塑料作为惰性表面干扰酶活性或形成物理屏障，限制根系与根际环境的接触（de Souza Machado等人，2018年）。这些效应很大程度上取决于微塑料的类型、大小、浓度和形状，以及土壤的物理化学性质（Lozano等人，2021年）。
然而，尽管在了解微塑料对农业土壤的影响方面取得了一定进展，但在智利中南部等地区仍存在局限性，这些地区存在多种种植制度，且农业气候条件多变。该地区主要为安第斯土（Andisol），这种土壤由火山灰形成，具有高有机质含量和多孔结构，有利于植物生长（Escudey等人，2004年）。
除了塑料颗粒污染外，农业土壤还受到多种污染物的影响，包括微量元素。其中最重要的微量元素有砷（As）、铜（Cu）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）和镍（Ni），这些元素在土壤中的存在既可能来自自然来源，也可能来自人为活动（Velayatzadeh等人，2023年；Rashid等人，2023年）。虽然某些微量元素（如Cu和Zn）对土壤生物和植物至关重要，但在高浓度下可能产生毒害作用并扰乱养分动态（Arif等人，2016年）。土壤中的微塑料可以通过表面吸附、离子络合和在聚合物结构中的滞留作用改变微量元素的行为（Wu等人，2025年；Bi等人，2024年）。它们的负电荷表面有利于金属/类金属阳离子的静电结合，从而增强这些元素（如As、Cd、Pb和Ni）的移动性和生物可利用性（Medyńska-Juraszek和Jadhav，2022年）。这些过程受pH值、有机质含量和微塑料类型的影响（An等人，2023年）。例如，在pH值的影响下，镉（Cd）和铅（Pb）会强烈吸附在低密度聚乙烯微塑料上（Golia等人，2024年；Song等人，2024年），而镍（Ni）的吸附情况则取决于微塑料的类型、大小和老化程度（Ceylan等人，2024年）。在安第斯土中，高表面反应性和胶体含量会进一步促进污染物之间的相互作用（Dahlgren等人，2004年）。
尽管人们对微塑料和微量元素在农业土壤中的影响有了更多认识，但在实际生产系统中，关于它们同时存在及其对土壤生物和化学性质的综合影响的实证证据仍然有限（Bian等人，2024年）。安第斯土具有高表面反应性、低体积密度和高有机质含量，以及非晶矿物（如allophane和imogolite）占主导，这些特性增强了其吸附和滞留污染物的能力，从而影响污染物的移动性、生物可利用性和在土壤基质中的相互作用（Riveros等人，2024年）。
基于此，本研究旨在评估不同农业系统中微塑料和微量元素的存在与分布，并分析它们与土壤生物和化学参数的关系。我们假设微塑料和微量元素的存在受作物类型和农业管理方式的影响，并且这些污染物与土壤生物和化学性质的变化有关。
研究区域、实验设计和土壤采样
研究区域位于智利?uble地区（南纬36°31′；西经71°54′）（图1）。该地区属于温带地中海气候，平均气温适中，夏季炎热干燥，冬季寒冷湿润，年降水量为815毫米，主要集中在冬季和早春（INIA，2023年）。本研究评估的农业系统中的土壤类型为安第斯土（Melanoxerand）（Soil Survey Staff，2022年）。
为了确定微塑料和微量元素的存在及其
土壤中微塑料的含量
甜菜中的微塑料浓度最高（表1），分别比玉米、小麦和番茄高出330%、220%和60%。燕麦的含量处于中间水平，而甜菜、番茄和小麦之间的差异不显著。聚丙烯是最常见的微塑料类型，在所有种植系统中都有发现，并在番茄、燕麦和小麦中占主导地位；高密度聚乙烯和聚乳酸也在特定系统中被检测到。讨论
在所有分析的种植系统中都检测到了微塑料，包括那些未直接使用塑料覆盖物的系统。甜菜、燕麦和番茄中的微塑料浓度最高，这可能与作物管理、施肥或植物保护措施的不同有关（Jadhav和Medyńska-Juraszek，2024年）。这一现象表明，农用化学品配方和施肥系统是微塑料的间接扩散来源。
结论
本研究表明，微塑料含量、土壤化学性质、微量元素含量（尤其是镉（Cd）以及微生物群落的组成受到种植制度的显著影响。甜菜和燕麦种植系统中的微塑料含量高于玉米。番茄土壤通常表现出更高的养分可利用性和酶活性（如尿酶、磷酸酶和β-葡萄糖苷酶），同时砷（As）和铅（Pb）的浓度也较高，细菌和真菌群落也有所不同。
作者贡献声明
安德烈斯·平托-波布雷特（Andrés Pinto-Poblete）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学设计、调查、数据分析。梅根·诺耶（Mégane Noyer）：方法学设计、数据管理。埃尔韦·卡皮奥（Hervé Capiaux）：撰写——审稿与编辑、监督、方法学设计、调查、数据分析。蒂埃里·勒博（Thierry Lebeau）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学设计、调查、数据分析。毛里西奥·舍比茨（Mauricio Schoebitz）：撰写——审稿与编辑、验证、资源协调、项目支持
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
感谢ECOS ANID项目（编号220007）、Fondecyt项目（编号1220425）的支持，以及法国国家基础设施AnaEE下的UMR CNRS-USMB-UGA 5553实验室在eDNA平台方面的技术和支持。
