2024, Vol. 45
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙 410125
2. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China
塑料制品因其成本低且质量轻等优点, 被广泛用于人们日常生产生活中.自20世纪50年代以来, 塑料工业迅速发展, 2021年全球塑料年总产量达到3.9亿t[1].然而, 我国废弃塑料回收利用率远低于发达国家, 约75%的塑料作为垃圾被排放至环境中, 并在长期的物理、化学和微生物作用下形成微塑料（MPs）碎片[2 ~ 4].土壤是微塑料的重要归宿地.农田土壤中微塑料一方面由未回收的大块农膜破碎、裂解形成；另一方面伴随灌溉、有机肥和大气沉降等途径而进入[5 ~ 7].据报道, 我国各省农田土壤均有微塑料检出, 最高丰度达到42 960个·kg-1, 主要形态为碎片、纤维和薄膜等, 聚合物组成则以聚乙烯（polyethylene, PE）、聚丙烯（polypropylene, PP）和聚苯乙烯（polystyrene, PS）等为主[8].
随着农田土壤中微塑料污染问题的逐渐显现, 微塑料对作物生长、品质及养分吸收等方面的影响也受到越来越多的关注.但是, 目前以单季种植方式得出的微塑料在作物生产过程中的效应尚无明确定论. Zhou等[9]的研究表明, 不同浓度聚苯乙烯的施入促进了水稻根系水通蛋白的活性, 显著增强了水稻根系的抗氧化酶活性.也有研究显示, 植物根系可通过裂缝进入模式吸收亚微米级（0.2 μm）的微塑料, 并通过堵塞植物气孔或者减少光照来抑制植物的正常生长[10].Bosker等[11]的研究表明, 微塑料尺寸越大, 对植物水芹种子发芽的抑制能力越强.然而, 随着微塑料进入土壤的时间变化, 其对作物生长发育的影响如何尚缺乏研究.
小白菜（Brassica campestris L.）作为叶茎类蔬菜, 具有生长周期短、口感鲜嫩、热量低等优点[12], 在我国有广泛的种植.因此, 本研究以我国农田土壤中普遍检出的PS微塑料为对象, 设置不同粒径处理, 通过连续种植3季小白菜, 分析小白菜生长发育和品质指标, 并结合土壤养分供给能力变化, 探讨PS微塑料对小白菜生长与品质的持续影响及其可能作用机制, 以期为我国农田微塑料污染生态风险科学评估提供依据.
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤采集自湖南省长沙县（112°58′E, 28°22′N）, 为花岗岩风化物发育的麻沙泥, 土样风干后过1 cm筛备用.基础土壤理化性质如表 1所示.
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表 1 供试土壤基础理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil |
供试PS材料购买于中国广东宝倩塑料技术有限公司, 以通过25、48、150和850 μm孔径尼龙筛, 分为粒径为 < 25 μm（PS-D1）、25~48 μm（PS-D2）、48~150 μm（PS-D3）和150~850 μm（PS-D4）的PS微塑料, 清洗晾干后备用.
1.2 小白菜试验本研究使用的盆高26 cm、底部直径24 cm、顶部直径30 cm, 每盆装10 kg土.试验设置对照（CK）和4个PS微塑料粒径处理（PS-D1、PS-D2、PS-D3和PS-D4）.参照课题组同期试验结果, 确定PS微塑料的添加量均为10 g·kg-1[13].每盆种植5株小白菜, 每个处理4次重复, 共计为20盆.试验在温室大棚中进行, 所种植的小白菜种子购买于武汉（武昌神牛种苗商行）, 连续种植3茬, 每30 d为1个试验季.
1.3 样品的采集与处理在3个季度小白菜成熟期（第30 d）进行取样, 分别采集土壤样品和小白菜植株样品.采集土壤样品时, 在盆栽土层的4个点进行取样, 以保证样品的代表性, 混匀后（约200 g干土）风干, 去除植物残体, 过0.85 mm（20目）和0.15 mm（100目）筛后保存备用.其余土壤重新搅拌均匀用作后续种植.采集每盆全部5株小白菜, 先用清水和去离子水洗净后, 使用吸水纸吸干小白菜表面水分, 称量鲜重（fresh weight, FW）.然后随机分为2份, 一份保存于-80 ℃冰箱, 用于叶绿素a和b、淀粉以及可溶性糖的测定；另一份在105 ℃烘箱中杀青30 min, 随后在60 ℃条件下烘干至恒重, 使用球磨机粉粹后过0.38 mm筛备用.
1.4 土壤理化性质的测定方法土壤pH采用酸度计（PHS-3C）法测定, 水土比为2.5∶1.土壤有机质采用重铬酸钾外加热法, 标准硫酸亚铁溶液滴定测定[14].土壤微量元素全量和有效态分别采用王水+高氯酸消解和二乙烯三胺五乙酸（diethylenetriaminepentaacetic acid, DTPA）浸提法[15], 溶液中微量元素浓度采用电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES 5110）测定.土壤全钾（total kalium, TK）采用酸溶-原子吸收法测定.土壤全氮（total nitrogen, TN）采用半微量凯氏定氮法[16]、土壤全磷（total phosphorus, TP）采用碱熔-钼锑抗比色法测定[17].土壤速效磷（available phosphorus, AP）和速效钾（available kalium, AK）分别采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[18]和乙酸铵浸提-原子吸收法测定[19].
小白菜微量元素含量采用HNO3+H2O2法[20], 电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES 5110）测定.小白菜叶绿素含量采用分光光度法, 紫外分光光度计（UV 2600）测定.小白菜淀粉和可溶性糖含量采用索莱宝试剂盒（BC0705和BC0035）, 多功能酶标仪（infinite M200 PRO）测定.
土壤和小白菜微量元素全量测定分别采用GB070405a（GSS-5a）、GBW07602为标样, 同时设置测试空白, 进行质量控制.加标回收率在90%~110%正常范围内.
1.5 数据处理与分析采用Excel 2016分析原始数据, 使用Origin 2019b绘图, 使用SPSS 27.0的单因素AVONO分析法进行显著性检验.
2 结果与分析 2.1 PS微塑料对小白菜生长的影响 2.1.1 小白菜生物量连续3季小白菜生物量变化如图 1所示.PS微塑料显著降低了第1、2季小白菜生物量（P < 0.05）, 但对第3季小白菜生物量无显著影响（P > 0.05）.第1季时, 除PS-D4外的其他粒径PS微塑料处理与CK相比, 小白菜生物量显著降低9.22%~22.20%；第2季时, 各粒径PS微塑料处理与CK相比, 小白菜生物量显著降低22.10%~30.40%.然而, 连续3季小白菜生物量在4个粒径PS微塑料处理间均无显著差异（P > 0.05）.可见, PS微塑料对小白菜生物量的影响效应随着连续种植季度的增加逐渐减弱.
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不同字母表示同一季处理间有显著差异（P < 0.05）, 下同 图 1 不同粒径PS微塑料对小白菜鲜重的影响 Fig. 1 Effect of polyethylene microplastics with different particle sizes on fresh weight of Chinese cabbage (Brassica campestris L.) |
各粒径PS微塑料显著降低了小白菜叶绿素（a+b）含量[图 2（a）], 其效应在连续3季间呈现相似的变化规律.与CK处理相比, 连续3季小白菜在PS微塑料的影响下, 叶绿素（a+b）含量分别降低了25.3%~67.1%、41.7%~52.0%和35.0%~40.2%（P < 0.05）.各粒径PS微塑料处理间, 小白菜叶绿素（a+b）含量仅在第1季时呈现出粒径越小含量越低的变化规律, PS-D1处理的叶绿素（a+b）含量仅为PS-D4处理的47.1%（P < 0.05）.第2、3季小白菜叶绿素（a+b）含量在不同粒径PS微塑料处理间无显著差异（P > 0.05）.
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图 2 不同粒径PS微塑料对小白菜叶绿素含量的影响 Fig. 2 Effect of polyethylene microplastics with different particle sizes on chlorophyll content of Chinese cabbage (Brassica campestris L.) |
然而, PS微塑料对连续3季小白菜叶绿素a含量均无明显影响（P > 0.05）, 而小白菜叶绿素b含量的变化规律与叶绿素（a+b）含量相似[图2（a）和2（b）].值得注意的是, 在第1季时, 小白菜叶绿素a含量在不同粒径PS微塑料处理间, 呈现出随粒径变小而显著降低的变化趋势（P < 0.05）.与CK处理相比, 4个粒径PS微塑料影响下, 3季小白菜叶绿素b含量分别显著降低71.6%~88.9%、60.8%~81.9%和51.5%~72.8%（P < 0.05）；连续3季小白菜叶绿素b的含量在PS微塑料的4个粒径处理之间并无明显的变化趋势, 其差异也大多未达到显著水平（除第3季的PS-D4和PS-D2间达到显著水平）.
总体来看, 随着小白菜连续种植季度的增加, PS微塑料对叶绿素（a+b）含量及叶绿素b含量的降低效应呈减弱的变化趋势.
2.2 PS微塑料对小白菜品质的影响 2.2.1 小白菜淀粉含量各粒径PS微塑料显著降低了小白菜淀粉含量（图 3）.PS微塑料虽然没有显著降低第1季小白菜淀粉含量（P > 0.05）, 但是在后两季中, 与CK处理相比, 小白菜淀粉含量显著降低, 第2季降低了20.6%~42.5%, 第3季降低了30.4%~73.2%（P < 0.05）.在第1季中, 各粒径PS微塑料处理之间小白菜淀粉含量不存在显著性差异（P > 0.05）, 但是第2季PS-D2处理小白菜淀粉含量显著低于PS-D3（27.6%）和PS-D4（25.4%）处理（P < 0.05）, 在第3季PS-D1和PS-D2处理小白菜淀粉含量较PS-D4处理分别显著降低61.5%和60.2%（P < 0.05）.小白菜淀粉含量在PS微塑料4个粒径处理之间, 呈现出随添加的PS微塑料粒径变小而降低的趋势, 而且这种差异有随着连续种植季度增加而增大的规律.
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图 3 不同粒径PS微塑料对小白菜淀粉含量的影响 Fig. 3 Effect of polyethylene microplastics with different particle sizes on starch content of Chinese cabbage (Brassica campestris L) |
各粒径PS微塑料显著增加小白菜可溶性糖含量（图 4）, 连续3季均呈现相似的规律.在第1季, 除了PS-D1和PS-D2处理外, 其它各粒径PS微塑料处理使小白菜的可溶性糖含量显著增加了33.8%~36.7%（P < 0.05）；在第2、3季, 与CK相比, 各粒径PS微塑料处理小白菜可溶性糖含量分别显著增加18.9%~37.1%和121%~220%（P < 0.05）.连续3季度各粒径PS微塑料影响相似：PS微塑料粒径越大, 小白菜可溶性糖含量越高.连续3季中, PS-D1处理小白菜可溶性糖含量分别仅为PS-D4处理的53.4%、13.2%和31.1%（P < 0.05）.总体来说, 随着连续种植季度的增加, PS微塑料对小白菜可溶性糖含量的增加效应存在增强趋势, 但其粒径间的差异则呈减弱趋势.
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图 4 不同粒径PS微塑料对小白菜可溶性糖含量的影响 Fig. 4 Effect of polyethylene microplastics with different particle sizes on sugar content of Chinese cabbage (Brassica campestris L.) |
各粒径PS微塑料对3季小白菜营养元素含量的影响在元素及季别间均存在明显的不同（图 5）.PS微塑料及其粒径大小对3季小白菜中磷（P）、钾（K）和铁（Fe）元素含量基本无明显影响（P > 0.05）.在第1季时, PS微塑料处理对小白菜锌（Zn）、锰（Mn）和铜（Cu）含量的影响相似.与CK相比, 各粒径PS微塑料显著降低小白菜Zn和Mn含量18.8%~23.2%和25.3%~36.7%（P < 0.05）, 然而小白菜Cu含量仅在PS-D3处理显著降低19.0%.但到第2季时, PS微塑料处理对小白菜Cu和Mn含量的影响较为一致, 整体上呈现随微塑料粒径增大而降低的趋势.与CK相比, PS-D2和PS-D4处理, 小白菜Cu含量显著降低20.1%和35.1%（P < 0.05）, 小白菜Mn含量显著降低51.6%~58.5%（P < 0.05）.到第3季时, 除PS-D2处理小白菜Zn含量有所升高外, PS微塑料对小白菜Cu和Mn含量无显著影响（P < 0.05）.可见, 随着连续种植季度的增加, PS微塑料对小白菜营养元素的降低效应逐渐减弱.
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图 5 不同粒径PS微塑料对小白菜营养元素的影响 Fig. 5 Effect of polyethylene microplastics with different particle sizes on nutritional elements of Chinese cabbage (Brassica campestris L.) |
PS微塑料对土壤速效磷（AP）和速效钾（AK）含量的影响存在一定的季别差异（图 6）.与CK相比, 第1季时各粒径PS微塑料处理没有显著降低土壤AP含量（P > 0.05）, 但第2季各粒径PS微塑料处理土壤AP含量显著降低20.5%~26.0%（P < 0.05）, 第3季PS-D4微塑料处理土壤AP含量显著降低19.0%（P < 0.05）, 其余各粒径土壤AP含量并无显著性差异（P > 0.05）.同样, 相比于CK处理, 第1季PS-D1微塑料处理土壤AK显著降低14.4%, 第2、3季PS各粒径微塑料处理土壤AK含量分别显著降低25.0%~55.8%、24.8%~28.2%（P < 0.05）.然而连续3季各粒径PS微塑料处理之间土壤AP、AK含量不存在明显规律性变化, 各粒径处理之间并不存在显著差异.总体来看, 随着连续种植季度的增加, PS微塑料对土壤速效磷含量的降低效应呈现先增强后减弱的趋势, 对土壤速效钾含量的降低效应则呈现逐渐增强的趋势.
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图 6 不同粒径PS微塑料对土壤速效磷、钾的影响 Fig. 6 Effect of polyethylene microplastics with different particle sizes on soil available phosphorus and potassium |
各粒径PS微塑料对土壤微量元素供应能力的影响并不明显（图 7）.相比于CK处理, 第1季各粒径PS微塑料略微降低土壤DTPA-Mn、DTPA-Cu和DTPA-Zn含量, 但均不存在显著差异（P > 0.05）.连续3季度PS微塑料处理4个粒径之间土壤微量营养元素的差异也不明显（除第2、3季度PS-D3处理对土壤Zn存在显著影响外）, 且不存在显著性差异（P > 0.05）.可见, PS微塑料对土壤微量营养元素的供应的影响基本无影响.
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图 7 不同粒径PS微塑料对土壤微量营养元素有效态含量的影响 Fig. 7 Effect of polyethylene microplastics with different particle sizes on soil available micronutrients |
植株鲜重生物量直接反映植物的生长状态, 是植物生长的重要指标.本研究结果显示, PS微塑料显著降低了连续种植3季的小白菜鲜重生物量, 但4个粒径PS微塑料处理间并无显著差异（图 1）.关于土壤中微塑料的存在会抑制植物的生长发育的结论已有广泛报道, 植物光合色素合成受限被指出与微塑料胁迫密切关联[21 ~ 23].这在本研究中也得到证实, PS微塑料存在下3季小白菜的叶绿素b和叶绿素（a+b）含量均显著降低, 且第1、2季中叶绿素（a+b）含量与小白菜生物量的相关系数（r）分别为0.549和0.787（P < 0.01, 图表未附）.植物生长发育的能量主要由光合作用提供, 光合作用速率取决于光合色素含量[24].光合色素含量的降低会限制光合作用速率, 进而影响植物的生长发育[25].此外, 土壤中微塑料的存在会影响植物根系吸收水分和营养物质[26], 这也被认为是影响小白菜生长的重要影响原因. 本研究中, PS微塑料的粒径虽然未影响小白菜植株氮、磷、钾等大量养分含量, 但一定程度降低了小白菜锰、锌和铜的含量, 势必会影响小白菜的生长发育.微塑料粒径大小对作物生长的抑制效应, 因植物栽培基质、植物类型、微塑料种类及粒径范围差异而存在诸多不同的结论[12,27]. 本研究中, PS微塑料粒径在25~180 μm之间, 其粒径变化对连续3季小白菜生长的抑制效应无明显差异.
Mn是叶绿体的重要组成物质和叶绿素合成酶的重要辅助因子, 在叶绿素的合成中发挥重要作用[27,28]. 3季小白菜叶绿素（a+b）总量与其Mn含量显著正相关（r为0.437~0.614, P < 0.05, 图表未附）.PS微塑料影响下小白菜叶绿素b和叶绿素（a+b）含量的降低与其吸收积累锰等微量营养元素的变化有关.值得注意的是, 本研究中PS微塑料粒径越小的处理小白菜叶绿素含量越低, 但这与处理间小白菜生物量及其锰等营养元素含量之间的差异规律均不一致. 有研究指出, PS微塑料的存在导致的植物叶绿素代谢紊乱和活性氧的积累, 也是叶绿素含量降低的原因[29,30], 这可在一定程度上解释上述指标在不同PS微塑料粒径间变化规律的不一致问题.综上, 土壤中PS微塑料的存在会显著抑制小白菜生长和降低叶绿素含量, 而且这种效应至少会持续3季以上, 但PS微塑料粒径大小对小白菜生长的影响及其机制尚需更为系统地研究.
3.2 PS微塑料对小白菜品质的影响碳水化合物和矿物质元素含量是影响蔬菜品质的重要因素[31,32].本研究结果显示, PS微塑料存在下, 连续3季小白菜植株淀粉含量显著降低而可溶性糖含量则显著升高（图 3和图 4）.作为高分子碳水化合物, 淀粉和可溶性糖会在植物的碳代谢过程中充当碳源和中间产物, 直接参与植物的生命活动能量供应[33].淀粉和可溶性糖的比例间接影响植物的碳代谢过程[34].当可溶性糖积累时, 表明植物的碳代谢过程受到阻碍.然而, 对于植物的正常生理代谢活动, 碳源的正常供应至关重要, 而碳代谢的受阻又会影响植物淀粉的合成[9].另外, 藻类的相关研究也指出, 微塑料会扰乱与糖类合成有关功能基因的表达, 从而使得其合成糖类物质功能受阻[35].值得注意的是, PS微塑料粒径越小植株体内淀粉含量越低, 而粒径越大小白菜体内可溶性糖含量越高.这说明, PS微塑料粒径在影响小白菜碳代谢和淀粉合成方面可能存在不同的作用路径, 其具体的分子机制还有待深入研究.
叶茎类蔬菜是人类吸收矿物质元素的主要源头[32].本研究发现, PS微塑料影响下小白菜氮、磷、钾等大量营养元素含量变化较小, 但显著降低了小白菜锰、锌、铜等微量营养元素的体内积累（图 5）.然而, PS微塑料对锰、铜、锌有效态含量基本无影响, 充分说明其主要是通过改变根系吸收过程发生作用.前期有研究表明, 小粒径微塑料可以进入到植物体内, 堵塞植物细胞连接或细胞壁间隙, 进而影响植物对营养物质元素的吸收[36,37].然而, 本研究中微塑料粒径为微米级, 理论上没有办法通过小白菜根系吸收进入体内.因此可以推断, PS微塑料降低小白菜锰、锌、铜等微量元素含量的主要原因是物理阻隔作用, 即PS微塑料通过附着根系表面或在根际土壤上, 限制营养元素向小白菜根系的扩散迁移, 进而影响小白菜对其的吸收和在体内的累积[38].这种物理阻隔作用存在极大的偶然性和随机性, 进而也同时印证了不同粒径PS微塑料间无规律性变化的结果.
3.3 PS微塑料对土壤养分有效性的影响土壤养分元素的有效性与植物吸收和生长发育密切相关[39]. 本研究中, PS微塑料显著降低了第2、3季土壤速效磷和钾的含量（图 6）, 但各粒径处理间无显著差异, 且对土壤中4种有效态微量营养元素含量均无显著影响（图 7）.前期大量研究证明, 微塑料具有粒径小、比表面积大的特点, 对土壤中的营养元素具备较强吸附能力, 能够降低土壤中磷、钾等速效养分含量[40].然而由于PS微塑料对离子的吸附以单层饱和吸附为主（主要是物理吸附作用[41]）, 且土壤中速效磷和钾的含量是锰、铜、锌等微量营养元素有效态含量的5~10倍甚至更高, 因而微量营养元素有效态含量变化较小.此外, PS微塑料会改变土壤中功能微生物群落结构以及抑制脲酶、蛋白酶和磷酸酶等酶活性[42,43], 这也是导致土壤中速效磷含量降低的重要原因[44].虽然大多数研究认为, 微塑料粒径越小土壤养分有效性的降低效应越强[45,46], 但也有研究表明微塑料粒径对土壤AP、AK的影响并不显著.总体来看, 土壤中微塑料的存在对土壤磷、钾的有效性存在一定的负面影响, 而且微塑料存在时间越长效应越明显.
4 结论（1）土壤中的PS微塑料对小白菜生长有胁迫效应, PS粒径越小其生物量和叶绿素b含量降幅越大, 连续种植次数增加效应减弱, 但至少维持3季.
（2）PS微塑料胁迫显著降低小白菜淀粉和提高可溶性糖含量, 而且PS粒径变小、连续种植次数增加其效应呈增强变化趋势.
（3）添加PS微塑料会降低小白菜植株锰、铜、锌含量, 而且微塑料粒径越小影响越强, 随连续种植次数增加效应减弱.
（4）不同粒径PS微塑料降低土壤速效磷、钾含量效果相近, 在连续种植的第2、3季降低效果更为明显.
感谢中国科学院亚热带农业生态研究所郭晓彬研究员在写作过程给予的大力帮助.
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