2024, Vol. 45
2. 河北省山区农业技术创新中心, 保定 071001;
3. 国家北方山区农业工程技术研究中心, 保定 071001;
4. 河北农业大学河北省山区研究所, 保定 071001
2. Agricultural Technology Innovation Center in Mountainous Areas of Hebei Province, Baoding 071001, China;
3. Agricultural Engineering Technology Research Center of National North Mountainous Area, Baoding 071001, China;
4. Hebei Agricultural University Hebei Mountain Research Institute, Baoding 071001, China
塑料因耐磨、实用和延展性好等特性被广泛应用于工业生产和日常生活[1]. 由于社会需求较大, 全球每年塑料制品产量约增加7%左右（1950~2012年）[2]. 预计到2050年, 累计产量可达到330亿t[3]. 相较于发达国家, 我国废弃塑料回收率较低（约25%）, 其余未经适当处理的则会堆积在自然环境中[4]. 主要的塑料垃圾来源是塑料袋和快餐盒等常用的包装制品, 它们多数在使用后会被丢弃到环境中, 随着时间的推移, 经过一系列物理、化学和生物因素作用破碎或降解, 产生大量微塑料（microplastics, MPs）[5, 6]. 除包装制品外, 农用地膜也是土壤微塑料的重要来源. 我国地膜覆盖面积自1994年以来呈增加趋势, 平均每年增长66万hm2, 2015年达到1 800多万hm2[7]. 作为农业生产中大面积使用的塑料薄膜, 在我国聚乙烯薄膜覆盖面积约占世界的90%[8]. 虽然地膜通常在作物收获后去除, 但由于成本高和操作不当, 无法完全去除, 经常会留下一些残膜, 从而导致农田土壤中积累大量的微塑料碎片[9]. 作为一种新型污染物, MPs对土壤生态系统的潜在威胁很大程度上还有待进一步探索[10].
土壤是进行农业生产的重要基础. 多项研究证实了MPs对土壤性质的负面影响. 以土壤理化性质为例, 具体表现为会改变土壤容重、保水性、土壤孔隙结构、土壤pH和电导率（EC）等[11], 从而对土壤微生物群落产生不利影响, 同时降低土壤肥力[12]. MPs还会通过改变土壤养分含量从而对养分循环造成一定影响, 通常在相对质量分数较高的情况下, MPs的影响可能更显著[13, 14]. 除了影响土壤理化性质, MPs还会影响土壤生物指标, 如土壤酶活性. 一项在中国高原黄土中添加了不同质量分数MPs（0%、7%和28%）的研究发现, 添加MPs的第7~30 d显著提高了荧光素二乙酸水解酶（fluorescein diacetate hydrolase, FDAse）活性, 7~14 d显著提高了苯酚氧化酶活性, 且提高效果与微塑料质量分数呈正相关[15]. Liu等[16]研究了聚乙烯微塑料（polyethylene microplastics, PE MPs, 1%和5%, 质量分数）对土壤酶活性的影响, 发现添加PE MPs增加了碱性磷酸酶活性, 而抑制了N循环相关酶脲酶的活性.
近年来, MPs对土壤生态系统影响的研究取得了重要进展. MPs对土壤性质的影响因种类、粒径和质量分数而异, 而PE MPs是最常见的微塑料污染物之一[17~19]. 基于此, 本文以PE MPs为研究对象, 探究不同质量分数和粒径的PE MPs对土壤化学性质、养分和酶活性的影响, 以期为土壤环境中微塑料的生态风险评价提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤取自河北省保定市满城区农用地（115°34′E, 38°52′N）. 土壤经晾晒风干后过5 mm筛备用. 土壤基础理化性质：pH为7.89, ω[有机质（OM）]为18.34 g·kg-1, ω[全氮（TN）]为0.80 g·kg-1, ω[速效钾（AK）]为84 mg·kg-1, ω[有效磷（AP）]为148.95 mg·kg-1. 供试塑料颗粒购自东莞市樟木头华创塑胶原料商行, 经扫描电镜观察所有的MPs都呈不规则形状, 通过测定MPs的粒径分布, 发现100目和30目PE MPs的平均粒径分别为（108.43 ± 54.09）μm和（591.82 ± 175.49）μm（图 1）. 试验于河北省保定市河北农业大学西校区科研大楼（115°45′E, 38°49′N）光照培养室进行.
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数据为均值±标准误 图 1 相同放大倍数下100目和30目聚乙烯微塑料的扫描电镜图片及其粒径分布 Fig. 1 Scanning electron microscope images of 100 mesh and 30 mesh polyethylene microplastics at the same magnification and their particle size distributions |
本研究设计了双因素试验, 包括3个微塑料质量分数（1%、2.5%和5%）和2个粒径（30目和100目）, 另设一组空白对照. 每个处理设4个重复, 共计7个处理. CK表示未添加PE MPs的土壤, 1% PE MPs表示土壤中添加了1%质量分数的聚乙烯微塑料, 以此类推. 按照目标剂量将PE MPs与土壤混匀后装盆, 每盆总重4 kg, 培养期间每5 d浇一次水, 用称重法补充水量. 全生育期光照强度为9 000 lx, 每天持续光照14 h, 室内温度25~27℃, 空气相对湿度为44%~55%, 培养4个月.
1.3 测定指标和方法收集培养完成的土样过2 mm筛, 筛分后的土样分两份, 一份样品自然风干后过筛, 用于测定土壤化学性质和养分；另一份样品于-80℃条件下保存, 用于测定土壤酶活性. 测定方法参考文献[20]. 土壤pH和电导率使用pH测定仪（STARTER2100）和电导率测定仪（STARTER3100C）测定, 土水比为1∶5, AK含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定, AP含量采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定, OM含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定, TN采用凯氏定氮法测定, 铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）采用氯化钾溶液提取-流动分析仪测定. 土壤蔗糖酶（soil sucrase, S-SC）、土壤脲酶（soil urease, S-UE）、土壤过氧化氢酶（soil catalase, S-CAT）和土壤碱性磷酸酶（soil alkaline phosphatase, S-AKP/ALP）活性均使用购自北京索莱宝生物技术有限公司的试剂盒测定.
1.4 数据处理数据采用Excel 2019和IBM SPSS Statistics 26进行处理与统计分析, 双因素方差分析微塑料质量分数和粒径对土壤性质的主效应和交互作用, 对照和处理之间采用单因素方差分析（LSD检验）, 设定P < 0.05为显著水平. 通过Canoco 5软件进行冗余分析, 选取影响土壤酶活性变化的主要因子. 采用Amos 24.0进行结构方程模型拟合分析. 使用Origin 2023进行绘图.
2 结果与分析 2.1 土壤指标对PE MPs粒径及质量分数的响应方差分析结果表明（表 1）, 在测定的指标中, 土壤pH、OM、TN含量、AP含量、NHNH4+含量、S-CAT活性和S-AKP/ALP活性对PE MPs粒径的响应均达到显著水平（P < 0.05）, 土壤pH、TN含量、AP含量、NHNH4+含量、NO3-含量和S-SC活性对PE MPs质量分数的响应均达到显著水平（P < 0.05）. 除EC、土壤AK含量、S-UE活性和S-AKP/ALP活性外, 其余指标均受到PE MPs粒径和质量分数交互作用的显著影响（P < 0.05）.
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表 1 聚乙烯微塑料粒径和质量分数双因素方差分析结果（F值）1） Table 1 Significance levels (F value) of PE MPs mass concentration and size based on a two-way ANOVA |
2.2 PE MPs添加下土壤pH和EC的变化
当粒径为30目时, 不同质量分数PE MPs处理之间土壤pH不存在显著差异；当粒径为100目时, 相较于CK, pH在2.5% PE MPs处理和5% PE MPs处理下显著降低了3.42%和5.07%. 在相同质量分数不同粒径情况下, 100目2.5% PE MPs处理比30目2.5% PE MPs处理pH显著降低2.31%, 100目5% PE MPs处理比30目5% PE MPs处理显著降低4.71%[图 2（a）]. 不同粒径不同质量分数PE MPs添加对EC不存在显著差异[图 2（b）]. 当粒径为30目时, 各质量分数处理下EC较CK呈下降趋势；当粒径为100目时, 不同质量分数PE MPs处理间不存在显著差异, 而且添加相同质量分数时, 不同粒径间的差异性也不显著.
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不同小写字母表示同一粒径不同质量分数PE MPs间的差异显著（P < 0.05）, *表示同一质量分数PE MPs不同粒径之间差异显著, 未标记的表明结果不存在显著差异 图 2 聚乙烯微塑料对土壤pH和电导率的影响 Fig. 2 Effects of polyethylene microplastics on soil pH and electrical conductivity |
当粒径为30目时, 土壤NH4+含量在不同质量分数处理间差异不显著[图 3（e）]. 土壤AK含量、AP含量和NO3-含量在添加PE MPs后降低, 与CK相比, 土壤AK含量在各质量分数处理下依次显著减少了17.56%、14.29%和19.94%；土壤AP含量和NO3-含量均在1% PE MPs处理下最低, 分别显著降低了23.30%和37.73%[图 3（d）和3（f）]. 不同质量分数处理对土壤OM和TN含量影响差异显著, 相较于CK, 土壤OM在5% PE MPs处理下最高, 显著增加了63.79%, 土壤TN含量在2.5% PE MPs处理下最高, 5% PE MPs处理下最低[图 3（a）和3（b）].
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不同小写字母表示同一粒径不同质量分数PE MPs间的差异显著（P < 0.05）, *表示同一质量分数PE MPs不同粒径之间差异显著, 未标记的表明结果不存在显著差异 图 3 聚乙烯微塑料对土壤养分含量的影响 Fig. 3 Effects of polyethylene microplastics on soil nutrient content |
当粒径为100目时, 与CK相比, 各质量分数处理下土壤OM依次显著增加了120.39%、114.07%和43.46%, 土壤NH4+含量在2.5%和5% PE MPs处理下依次增加了27.98%和150.69%[图 3（a）和3（e）]. AK含量在5% PE MPs处理下最低[图 3（c）]. TN含量在2.5% PE MPs处理下最低, 相较于CK显著减少了9.27%[图 3（b）]. AP含量在1% PE MPs处理下最低, 相比CK显著减少了12.07%[图 3（d）]. 1%和5% PE MPs处理土壤NO3-含量分别比CK显著减少了25.59%和43.83%（[图 3（f）].
在相同质量分数不同粒径情况下, 相比30目1% PE MPs处理, 100目1% PE MPs处理下土壤OM和AP含量分别显著增加了95.74%和14.64%[图 3（a）和3（d）]. 100目2.5% PE MPs处理比30目2.5% PE MPs处理土壤OM和NH4+含量分别显著增加了39.67%和25.20%[图 3（a）和3（e）]. 100目5% PE MPs处理比30目5% PE MPs处理土壤AP含量和NH4+含量分别显著增加了12.35%和175.08%[图 3（d）和3（e）].
2.4 PE MPs添加下土壤酶活性的变化当粒径为30目时, 各质量分数处理均降低了S-SC活性, 其中1% PE MPs处理下S-SC活性最低, 较CK显著降低了10.51%[图 4（a）]. S-CAT活性在5% PE MPs处理下最高[图 4（c）]. 不同质量分数PE MPs处理对S-UE和S-AKP/ALP活性不存在显著影响[图 4（b）和4（d）].
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不同小写字母表示同一粒径不同质量分数PE MPs间的差异显著（P < 0.05）, *表示同一质量分数PE MPs不同粒径之间差异显著, 未标记的表明结果不存在显著差异 图 4 聚乙烯微塑料对土壤酶活性的影响 Fig. 4 Effects of polyethylene microplastics on soil enzyme activity |
当粒径为100目时, S-SC活性在5% PE MPs处理下最低, 显著低于CK处理11.10%[图 4（a）]. S-CAT活性在不同质量分数PE MPs处理下较CK依次显著增加了25.99%、30.00%和29.27%[图 4（c）]. S-AKP/ALP活性在5% PE MPs处理下最高, 较CK显著增加了13.09%[图 4（d）].
在相同质量分数不同粒径时, 100目1% PE MPs处理比30目1% PE MPs处理S-SC活性显著增加10.67%, 100目5% PE MPs处理比30目5% PE MPs处理显著降低6.42%[图 4（a）]. 对于S-CAT活性, 100目1%、2.5%和5% PE MPs处理依次比30目相同质量分数处理显著增加了33.36%、34.75%和24.32%[图 4（c）]. 100目2.5% PE MPs处理比30目2.5% PE MPs处理S-AKP/ALP活性显著增加15.26%[图 4（d）].
2.5 土壤酶变化的路径分析冗余分析结果表明, 所有解释变量中, 土壤pH贡献率最高（83.5%）, 是影响土壤酶活性的最显著因子（P < 0.01）, 其次是土壤TN含量（8.7%）、AP含量（4%）和NH4+含量（1%）, 见表 2, 因此, 本研究选择土壤pH、TN含量、AP含量和NH4+含量作为主要环境因子, 通过结构方程模型（SEM）来分析PE MPs粒径和质量分数对土壤酶活性的影响（图 5）. SEM表明, 不同粒径和质量分数PE MPs会通过改变土壤NH4+含量来影响S-SC活性. 对于S-CAT活性, 不同粒径和质量分数PE MPs会通过对土壤AP含量作用从而间接影响其活性, 此外不同粒径PE MPs会直接影响S-SC和S-CAT活性. 不同粒径和质量分数PE MPs对S-UE和S-AKP/ALP活性无显著影响.
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表 2 土壤酶活性指标差异的解释变量冗余分析 Table 2 Redundancy analysis of explanatory variables for differences in soil enzyme activity indices |
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χ2：卡方值, DF：自由度, GFI：适配度指数, RMSEA：近似误差均方根；*表示P < 0.05, **表示P < 0.01, ***表示P < 0.001；红色箭头表示有显著正向影响, 蓝色箭头表示有显著负向影响, 箭头线粗细表示模型中路径系数的大小, 黄色虚线表示无显著影响 图 5 土壤酶变化的路径分析 Fig. 5 Path analysis of soil enzyme changes |
土壤pH值用来表征土壤酸化程度. 黄艳[21]研究发现PE残膜在辣椒全生育期均显著降低了土壤pH, 土壤EC整体呈下降趋势. 本研究中当粒径为100目时, 高质量分数PE MPs处理显著降低了土壤pH, 土壤EC较CK呈下降趋势（图 2）. 多数试验也得到了类似的结果[22, 23]. 一项探究聚乙烯微塑料薄膜添加对黑土和黄土性质影响的研究发现, 对土壤pH和EC的影响因土壤类型和温度而异, 添加MPs处理的黄土pH降低[24]. 除了在老化过程中释放影响土壤酸碱度的化学物质[25], 微塑料会通过提高氨氧化细菌的丰度来降低土壤的pH值[26].
3.2 添加PE MPs对土壤养分含量的影响有机质在维持土壤肥力、生态系统稳定性和养分循环方面发挥着重要作用[27]. Yu等[28]研究发现添加1%质量分数的PE MPs可以使土壤有机质的含量增加72%~324%, 且有机质随着PE MPs添加量的增加而升高[29]. 这与本文各质量分数PE MPs处理均显著提高了土壤OM含量结果一致[图 3（a）]. 因为MPs的主要组成成分为聚乙烯, 聚乙烯的含碳量较高, 同时, MPs会通过生物和非生物过程与土壤矿物质或有机化合物结合, 将一些含碳化合物固定在土壤团聚体中, 增加土壤含碳量, 因此土壤中MPs可以作为非植物来源碳的一部分[11, 30], 但其在生态系统中的可利用性还有待进一步探索.
有研究证实了MPs对土壤养分影响的差异. 研究发现添加PE地膜残留能显著降低土壤AK含量和土壤AP含量[31]. 本研究中当粒径为30目时, 不同质量分数处理下土壤AK含量显著减少, 土壤AP含量表现为“低抑高促”, 1% PE MPs处理下最低, 相同质量分数下添加小粒径PE MPs会增加土壤AP含量[图 3（c）和3（d）]. 林晓华等[32]研究发现PE MPs会显著降低土壤AP含量, 受土壤类型、MPs粒径和质量分数的影响. 唐子超等[33]探究了不同质量分数聚苯乙烯微塑料对土壤磷吸附的影响及相关机制, 发现MPs质量分数达到5%以上时, 磷吸附容量显著升高, 且微塑料粒径越小, 磷的吸附容量越大. 可以解释为MPs粒径的减小会增大体系的总比表面积, 从而增加对磷的吸附容量.
氮在维持土壤的一些关键生态功能方面起着关键作用, 例如硝化作用、氨化作用和反硝化作用[34]. 本研究中土壤全氮在30目2.5% PE MPs处理下较CK显著增加[图 3（d）], 一项关于PE MPs的培养试验发现, 添加5%质量分数PE MPs显著增加了土壤TN含量, 这是因为高质量分数MPs会通过改变土壤孔隙结构和团聚体影响土壤反硝化作用, 同时促进固氮细菌生长来增加TN含量[35]. 而添加微塑料降低了土壤NO3-含量, 当粒径为100目时, 高质量分数PE MPs处理显著增加了土壤NH4+含量[图 3（e）和3（f）]. 刘晨磊等[29]为期6个月培养试验的结果表明, PE MPs的添加会促进土壤NH4+转化为土壤NO3-, 这与本文结果相反. 通过Liu等[15]不同时间段的取样研究可以看出, 在添加微塑料的情况下, 土壤NH4+含量和NO3-含量是不断变化的. 吾兰·恩特马克[36]研究发现随着微塑料添加量增加, 土壤NH4+含量呈积累趋势, 而NO3-含量降低, 最高添加量（2%, 质量分数）使土壤NO3-含量减少了52%. 0~1 mm和1~5 mm的微塑料均可导致有效铵含量增加, 相较于1~5 mm, 0~1 mm的微塑料处理下有效硝酸盐含量显著降低[17]. 这与本试验结果类似, 主要原因可分为两个方面：一是大量微塑料积累会堵塞土壤孔隙, 降低含氧量进而抑制土壤硝化过程, 二是影响了土壤氮循环相关微生物[37]. 此外还应关注试验周期不同所造成的结果差异[17].
3.3 添加PE MPs对土壤酶活性的影响作为土壤微生物群落中的重要成分, 土壤酶在催化土壤物质循环和能量流动方面发挥着重要的作用[38]. 本文对土壤中常见的4种酶进行了研究. 蔗糖酶的酶促作用产物与土壤养分含量和循环密切相关[39]. 本研究结果表明, 添加PE MPs会抑制S-SC活性, 相较于不同质量分数, 粒径对S-SC活性影响较明显[图 4（a）和图 5]. 一项在大田覆膜的研究发现, 相较于不覆膜, 所有覆膜处理（包括PE薄膜）均降低了S-SC活性[40]. Yang等[41]研究发现添加不同尺寸或不同施用量的高密度PE MPs会显著影响S-SC的活性, 小粒径能够显著抑制该酶活性. 土壤过氧化氢酶可以表征土壤微生物的代谢水平[42]. 本研究中添加100目的PE MPs促进了S-CAT活性[图 4（c）]. 关于不同类型微塑料的培养试验有类似发现, 质量分数为7%和14% PE MPs处理相比于CK均显著增加了S-CAT活性[43]. Huang等[7]研究发现, 在培养的第30 d和第90 d, 添加微塑料的S-CAT活性显著提高了149%和139%, 作为可以表征需氧微生物指标的酶, S-CAT活性与需氧微生物的数量密切相关[15], 所以该酶活性的变化可能归因于微塑料对土壤结构的影响.
脲酶和磷酸酶在土壤氮磷循环中发挥着重要作用, 本研究中添加不同质量分数和粒径的PE MPs对S-UE活性没有显著影响[图 4（b）], 表明MPs对土壤中该酶活性的作用有限. 土壤磷酸酶是评价土壤磷生物转化方向和强度的重要指标[35]. 在种植蚕豆的土壤中添加低分子量PE MPs的研究表明, 低分子量PE MPs对S-AKP/ALP活性有不同程度的促进作用[44]. 本研究中100目5% PE MPs处理显著提高了碱性磷酸酶活性[图 4（d）], 而土壤AP含量不是影响碱性磷酸酶活性的主要环境因子（图 5）. 在一些情况下, 添加MPs会降低AP含量, 但其与磷酸酶活性无显著相关性[45]. PE MPs很有可能通过影响土壤中参与磷代谢的微生物间接影响土壤磷酸酶的活性[46]. 不同类型MPs的土壤培养试验结果表明, 高密度PE MPs对S-UE和S-AKP/ALP活性不存在显著影响[47], 目前MPs对土壤碱性磷酸酶的影响情况尚未得到统一认识.
MPs可以通过改变土壤理化性质, 从而影响土壤酶活性[48]. 而MPs也会影响土壤脲酶、酸性磷酸酶、蛋白酶、脱氢酶和过氧化物酶的三级结构而抑制相关酶活性, 从而降低土壤养分含量[49]. 本研究中, PE MPs对土壤酶活性影响并不明显, 只有部分小尺寸高质量分数有显著影响. 结合前人研究结果, MPs对土壤酶活性会有不同程度的增加、减少或不变, 这可能是由于土壤特性、微塑料颗粒大小及培养时间不同引起的, 其背后的机制仍有待探究[50~53].
4 结论（1）2种粒径PE MPs在高质量分数（2.5%和5%）下显著降低了土壤pH, 而对EC无显著影响.
（2）PE MPs对土壤养分含量的影响较显著. 添加PE MPs会显著降低土壤AK、AP和NO3-含量, 而显著增加了土壤OM和NH4+含量, 在相同质量分数添加下, 100目对土壤养分的增加效果显著.
（3）随着PE MP添加量的增加, 100目处理下S-CAT和S-AKP/ALP活性均增加. 鉴于土壤酶活性的变化很少, 部分可归因于土壤化学性质和养分的变化, 土壤微生物可能也在其中发挥了一定作用.
（4）总体而言, 土壤性质在不同质量分数和粒径的PE-MPs处理间存在差异, 小粒径高质量分数对土壤养分和酶活性的影响较大.
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