微塑料污染下的农业生态响应：聚丙烯与聚乙烯对荞麦生长及土壤微环境的短期影响研究

《Agronomy》：Impact of Microplastics on Fagopyrum esculentum: Altered Soil and Plant Responses Skaiste Dreskiniene, Modupe Olufemi Doyeni, Karolina Barcauskait? and Monika Vilkiene

本研究探讨了源自农用地膜的聚丙烯(PP)与聚乙烯(PE)微塑料(MPs)在短期暴露下对土壤性质与荞麦(Fagopyrum esculentum)生长的影响。结果发现，低浓度PP刺激荞麦生长，而PE多呈抑制作用，二者均能显著降低土壤微生物生物量碳(Cmicro)，但对土壤元素含量无显著影响，凸显了微塑料污染的生态风险存在聚合物类型与浓度依赖性。

　　

1. 引言

微塑料(MPs)是尺寸小于5毫米的塑料颗粒，其在农业土壤中的积累正日益引发科学界与公众的广泛担忧。在欧洲，每年有超过72万吨农用塑料投入使用，但回收率仅为24%，更有约3.4万吨在田间被焚烧，导致约95万公顷土壤面临污染风险。农用地膜是农业土壤中次级微塑料的主要来源之一，其中聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)是最常被检出的聚合物类型。这些微塑料在环境压力下长期存在并累积，可能对土壤健康和植物发育构成威胁。荞麦(Fagopyrum esculentum)作为一种具有高适应性的假谷物，是评估微塑料对土壤-植物-微生物系统影响的理想作物。然而，目前大多数研究集中于水培体系，对真实土壤条件下微塑料生态效应的理解仍存在空白，尤其是针对次级微塑料的研究较少。因此，本研究旨在探究PE和PP微塑料在短期暴露下对土壤特性、微生物生物量及荞麦生长的影响。

2. 材料与方法

本研究通过模拟农业土壤中的次级微塑料污染，选择了两种非生物降解的化石基塑料：PP农用纺织品和PE地膜。通过拉曼光谱确认了其聚合物组成，体视显微镜观察显示PP来源的微塑料呈白色纤维状，PE来源的则呈不规则形状的薄膜碎片，所有颗粒尺寸均小于2毫米。实验土壤采集自立陶宛的农业试验田，为壤土。将荞麦种子播种于混有四种不同浓度(0.05%, 0.1%, 0.3%, 0.5%) PE或PP微塑料的土壤中，并设置未污染对照。所有盆栽在人工气候室中培养50天，直至开花期。实验采取了严格的防污染措施，以最小化空气中微塑料的干扰。实验结束后，测量了荞麦的株高、根长、叶片数、干重等生理参数，分析了土壤和植物组织中的总碳(C_total)、总氮(N_total)等元素含量，并在第29、54、79天测定了土壤微生物生物量碳(C_micro)。

3. 结果

3.1. 荞麦的生理变化

荞麦对PP和PE处理的生理响应呈现聚合物类型和浓度依赖性。PP处理下，植物生长表现出明显的“低促高抑”现象。具体而言，0.1%的PP浓度显著促进了荞麦的株高和根长，但所有PP处理组的叶片数量均显著低于对照组。在最高浓度(0.5%)下，干重也显著降低。相比之下，PE处理对株高无显著影响，但显著抑制了根的生长，其中0.3%浓度处理下的根长最短。无论是PP还是PE处理，对照组植株的叶片数和干重通常都最高。

3.2. 养分动态

土壤分析: PE和PP处理在不同浓度下，土壤中C_total, N_total, Ca_total, Mg_total, K_total和P_total的含量仅有微小变化，与对照和初始土壤相比无统计学显著差异。

荞麦分析: 植物组织内的养分积累则受到微塑料影响。PE处理对荞麦氮含量产生了一个“U”型响应：在最低浓度(0.05%)时，N_total显著增加；在中等浓度(0.1% - 0.3%)时下降至不显著水平；而在最高浓度(0.5%)时，再次显著上升。PP处理对植物氮含量无显著影响。对于碳含量，不同浓度的PE无显著影响，而低浓度的PP可提高植物C_total，高浓度时此效应消失。

3.3. 土壤微生物生物量变化

土壤微生物生物量碳(C_micro)对微塑料的响应显示出时间和剂量依赖性。在实验早期（第29天，即播种前，只有微塑料存在于盆中），0.05%和0.3%的PP处理以及0.1%和0.5%的PE处理均观察到微生物生物量显著低于对照。到第54天，仅有最低浓度的PE处理(0.05%和0.1%)显示微生物生物量显著降低。在实验后期（第79天），PP处理组内部呈现出显著差异，多个PP浓度处理的微生物生物量显著高于对照，而PE处理与对照相比则大多无显著差异。

4. 讨论

本研究结果表明，即使在短期暴露下，微塑料也能显著改变关键的土壤生物参数和植物生理响应，且其效应高度依赖于塑料类型和浓度。PP在低浓度下可能通过产生含氧官能团影响微生物应激和养分动态，从而对植物生长产生“刺激效应”；而PE因其化学惰性更强，可能主要通过改变微生物群落结构和抑制与碳、氮、磷循环相关的酶活性来发挥抑制作用。植物生长的变化可能与微塑料诱导的氧化应激、光合作用受损等早期生理紊乱有关，而非直接改变土壤养分库。微生物效应的变化则可能通过改变植物-微生物相互作用和根际过程，间接影响植物对养分的吸收。例如，邻近植物的存在可显著改变荞麦根系分泌物的模式，而微塑料也可能通过影响参与氮转化的微生物功能群来调控养分循环。这些发现共同揭示了聚合物特异性效应，强调了微塑料可能通过土壤微生物和根际过程等间接途径发挥作用。

5. 结论

本项基于土壤的研究揭示了源自地膜的次级微塑料对土壤化学特性、微生物生物量碳及荞麦生理参数的影响。研究表明，荞麦的生理反应以及C_total和N_total含量在不同微塑料处理间存在变化，但并非所有差异都具有统计显著性，部分反应处于实验变异性范围内。土壤微生物生物量碳对PE和PP微塑料的响应模式不同，表明聚合物类型可能影响土壤生物过程。然而，短期暴露并未导致土壤养分组成的显著变化，说明在测试条件下主要养分库相对稳定。本研究强调了在接近自然环境的条件下，将微塑料作为胁迫因子研究植物响应的重要性，并建议未来研究开展长期试验，以评估微塑料污染的持久性影响，并进一步探究荞麦作为覆盖作物在缓解土壤微塑料污染方面的潜力。