江俊濤，陳宏偉，閻薪竹，鄧嬌嬌，魏占波，4，周旺明，周莉，于大炮，王慶偉*

（1.沈陽(yáng)大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110044；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016；3.東北大學(xué)秦皇島分校，河北 秦皇島 066001；4.中國(guó)科學(xué)院綠色肥料工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016）

作為一種新型環(huán)境污染物，微塑料（microplastics）在土壤環(huán)境中的分布及其生物學(xué)效應(yīng)是當(dāng)前生態(tài)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。微塑料通常指粒徑小于5 mm 的塑料顆粒[2]、碎片、纖維及薄膜等[3]，農(nóng)田土壤微塑料主要來(lái)源于農(nóng)田地膜覆蓋[4]、污泥填埋[5]、堆肥[6]、灌溉[6]、大氣沉積[7]及汽車輪胎的磨損[8]等。以往微塑料的相關(guān)研究主要集中在海洋[9]、河流[10]、湖泊[11]及河口[12]等水域生態(tài)系統(tǒng)，近年來(lái)有關(guān)陸地生態(tài)系統(tǒng)微塑料污染問(wèn)題的研究也日益增多。塑料制品和農(nóng)田薄膜的大量使用，導(dǎo)致微塑料碎片或顆粒在土壤環(huán)境中大量累積，每年進(jìn)入土壤的微塑料量甚至比海洋環(huán)境高出4～23倍[13]，嚴(yán)重威脅陸地生態(tài)系統(tǒng)健康和糧食安全，受到全球的高度關(guān)注。在2016年的第二屆聯(lián)合國(guó)環(huán)境大會(huì)中，微塑料污染問(wèn)題被列入全球環(huán)境與生態(tài)研究領(lǐng)域第二大科學(xué)問(wèn)題[14]。

近些年農(nóng)田土壤中的微塑料污染問(wèn)題引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注[15]。目前，農(nóng)田土壤微塑料的類型主要包括聚丙烯（polypropylene，PP）、聚乙烯（polyethylene，PE）、聚苯乙烯（polystyrene，PS）和聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）等，其中，聚丙烯微塑料（PP-MPs）在農(nóng)田中占比較高[16]。Hu 等[17]發(fā)現(xiàn)PPMPs 在我國(guó)30 個(gè)農(nóng)田中總體占比可高達(dá)65.96%，微塑料不易降解，進(jìn)入土壤后可長(zhǎng)期存在并不斷積累，達(dá)到一定濃度則會(huì)改變土壤理化性質(zhì)，影響土壤微生物多樣性及作物對(duì)水肥的利用效率，從而直接或間接調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育[18-19]。研究結(jié)果表明，PP-MPs 添加能夠抑制地下結(jié)實(shí)作物胡蘿卜根生物量積累[20]，然而，其對(duì)地上結(jié)實(shí)作物番茄等根長(zhǎng)及根生物量影響較小[21-22]。此外，土壤微塑料的存在能夠顯著改變作物體內(nèi)可溶性蛋白和可溶性糖等營(yíng)養(yǎng)成分的含量[23]。以上研究結(jié)果表明，土壤微塑料污染能夠顯著改變作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)，其影響程度可能與作物結(jié)實(shí)類型直接相關(guān)，但目前微塑料對(duì)于不同結(jié)實(shí)類型作物響應(yīng)特征的比較研究尚未開(kāi)展。

鑒于此，本研究以地上結(jié)實(shí)作物大豆（Glycine max）和地下結(jié)實(shí)作物花生（Arachis hypogaeaL.）為研究材料，選用農(nóng)田土壤中占比較高的PP-MPs，采用大田原位實(shí)驗(yàn)，探究大豆和花生的形態(tài)、生長(zhǎng)、生理生化及籽粒品質(zhì)對(duì)PP-MPs 添加的響應(yīng)特征，為準(zhǔn)確評(píng)估PP-MPs 污染對(duì)不同功能類型的作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

實(shí)驗(yàn)樣地位于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，地處沈陽(yáng)南郊的蘇家屯區(qū)十里河鎮(zhèn)（41°32′ N，122°23′ E），平均海拔41 m。屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，四季分明。年均氣溫為7～8 ℃，年平均降水量650～700 mm，年總輻射量為504～567 kJ·cm-2，土壤的類型為潮棕壤[24]。

1.2 供試植物材料

供試作物大豆（冬豆88）和花生（白沙308）的種子均采購(gòu)于遼寧富友種業(yè)有限公司。

1.3 供試微塑料材料

PP-MPs 采購(gòu)于泰利化纖制品有限公司，微塑料纖維的長(zhǎng)度為3.00±0.03 mm，直徑約30 μm。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用雙因素設(shè)計(jì)，因素1 為作物種類，即大豆和花生；因素2為微塑料添加處理，共設(shè)2個(gè)水平，即不施加PP-MPs 的對(duì)照組（標(biāo)記為CK）和施加0.40%（微塑料的質(zhì)量與土壤質(zhì)量的比值）PP-MPs 的試驗(yàn)組，微塑料添加的濃度參考Lozano[25]，共4 個(gè)處理，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共16個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的面積為1 m×1 m。微塑料添加前將所有小區(qū)內(nèi)0～20 cm 的表層土取出，隨機(jī)選取8 個(gè)小樣方添加PP-MPs，PP-MPs 與表層土混勻后（8 個(gè)對(duì)照組僅將取出的表層土混勻），重新回填至各小區(qū)。

試驗(yàn)于2021 年6 月初至10 月初進(jìn)行，每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置9穴，作物的種植方式為穴播，每穴播種5粒種子，出苗后每穴定植一株。定期管理維護(hù)，包括田間除草，追施肥料（純硫酸鉀型復(fù)合型肥料，N-P2O5-K2O為12-18-15等。

1.5 測(cè)定方法

生理生化指標(biāo)：2021 年8 月27 日天氣晴朗，于9：00—11：00 及13：00—15：00，使用便攜式熒光儀（型號(hào)MINI-PAM-Ⅱ，Heinz-Walz 公司，德國(guó)）測(cè)定光系統(tǒng)Ⅱ的最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm）和光系統(tǒng)Ⅱ的實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率[Y（Ⅱ）]；使用Dualex 植物氮平衡指數(shù)測(cè)量?jī)x（型號(hào)FORCE-A，Orsay，法國(guó)）測(cè)定葉片的葉綠素含量（Chl）和類黃酮含量（Flav）。

植株形態(tài)指標(biāo)：使用剛卷尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量大豆和花生的株高和地徑；用CanoScan 圖像掃描儀對(duì)葉片進(jìn)行掃描，使用Fiji 軟件計(jì)算葉面積；將掃描后的葉片放入烘箱烘干至質(zhì)量恒定；植株的葉面積比值（SLA）按以下公式計(jì)算：

SLA=葉片面積（cm2）/葉片干質(zhì)量（g）

生長(zhǎng)指標(biāo)：作物成熟后，將其根、莖、葉、果實(shí)各部分分離，清洗干凈后置于烘箱烘干至質(zhì)量恒定，計(jì)算大豆和花生的地上生物量、地下生物量、總生物量、根冠比及相對(duì)生長(zhǎng)速率，采用下列公式計(jì)算根冠比和相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR）：

根冠比=地下生物量（g）/地上生物量（g）

式中：M1代表初始樣品總生物量；M2代表成熟期樣品總生物量。

籽粒品質(zhì)：隨機(jī)稱取烘干后的大豆和花生種子100 粒，計(jì)算百粒重；采用蒽酮比色法測(cè)定籽粒中的淀粉及可溶性糖含量[26]；采樣凱氏定氮法測(cè)定籽粒中的粗蛋白含量[27]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用廣義線性模型（GLM：Generalized Linear Models）分析PP-MPs添加、作物類型（大豆和花生）及其交互作用對(duì)植株形態(tài)、生長(zhǎng)、生理生化指標(biāo)及籽粒品質(zhì)的影響，選用獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)進(jìn)一步分析微塑料添加對(duì)大豆和花生的影響，并使用主成分分析（PCA）分析微塑料添加下作物性狀的響應(yīng)格局。統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS完成，使用OriginPro（2021）繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物形態(tài)對(duì)PP-MPs添加的響應(yīng)

PP-MPs添加與作物類型的交互作用對(duì)作物的株高和葉面積比值均存在顯著影響（χ2=4.80，P=0.03；χ2=4.47，P=0.03。表1）。PP-MPs 添加顯著降低花生植株的株高，降幅為2.64%，對(duì)大豆的株高無(wú)顯著影響（圖1A）；PP-MPs 添加對(duì)大豆和花生的地徑均無(wú)顯著影響；PP-MPs添加顯著增加了大豆的葉面積比值，增幅為28.07%，但對(duì)花生的葉面積比值無(wú)顯著影響（圖1C）。

圖1 大豆和花生植株形態(tài)對(duì)PP-MPs添加的響應(yīng)Figure 1 Morphological response of soybean and peanut to the polypropylene microplastic addition

表1 聚丙烯微塑料添加對(duì)大豆和花生主要功能性狀和生長(zhǎng)的影響Table 1 Response of functional traits of soybean and peanut to the polypropylene microplastics addition

2.2 作物生長(zhǎng)和生物量積累對(duì)PP-MPs的響應(yīng)

PP-MPs添加對(duì)作物的生物量積累和生長(zhǎng)速率均存在顯著影響（表1），與對(duì)照相比，PP-MPs 添加顯著降低大豆的地上生物量、總生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率，降幅分別為14.07%、13.61%和13.23%；同樣，PP-MPs添加顯著降低花生的地上生物量、總生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率，降幅分別為18.64%、17.10%和16.12%（圖2A、圖2C、圖2E）。此外，PP-MPs 添加與作物類型的交互作用對(duì)作物的地下生物量存在顯著影響（χ2=14.54，P＜0.01），PP-MPs 添加顯著降低了花生地下生物量積累，降幅為15.77%，但對(duì)大豆的地下生物量無(wú)顯著影響（圖2B）。PP-MPs 添加對(duì)大豆和花生的根冠比無(wú)顯著影響（圖2D）。

圖2 大豆和花生植株生長(zhǎng)與生物量分配對(duì)PP-MPs添加的響應(yīng)Figure 2 Response of growth and biomass allocation of soybean and peanut to the polypropylene microplastic addition

2.3 作物葉片生理生化特征對(duì)聚丙烯微塑料添加的響應(yīng)

PP-MPs添加與作物類型的交互作用對(duì)作物的葉綠素含量存在顯著影響（χ2=9.03，P＜0.01，表1）。PPMPs添加顯著降低大豆的葉綠素含量，降幅為5.74%，但對(duì)花生的葉綠素含量無(wú)顯著影響（圖3-C）。此外，PP-MPs 添加對(duì)大豆和花生葉片的Fv/Fm、Y（Ⅱ）及類黃酮含量均無(wú)顯著影響（圖3A、圖3B、圖3D）。

圖3 大豆和花生生理生化性狀對(duì)PP-MPs添加的響應(yīng)Figure 3 Response of physiological and biochemical traits of soybean and peanut to the polypropylene microplastic addition

2.4 作物籽粒品質(zhì)對(duì)PP-MPs添加的響應(yīng)

PP-MPs 添加顯著降低了大豆與花生籽粒的百粒重，降幅分別為7.84%和11.98%（圖4A）。此外，PP-MPs 添加與作物類型的交互作用對(duì)作物籽粒的百粒重和可溶性糖含量存在顯著交互作用（χ2=5.50，P=0.02；χ2=41.83，P＜0.01。表1），PP-MPs 添加顯著提高了大豆籽粒可溶性糖含量，增幅為25.82%；與之相反，PP-MPs 添加降低了花生籽?？扇苄蕴呛?，降幅為25.51%（圖4B）。PP-MPs 添加對(duì)大豆和花生的淀粉和粗蛋白含量無(wú)顯著影響（圖4C，圖4D）。

圖4 大豆和花生籽粒品質(zhì)對(duì)PP-MPs添加的響應(yīng)Figure 4 Response of grain quality of soybean and peanut to the polypropylene microplastic addition

2.5 作物功能性狀對(duì)PP-MPs添加響應(yīng)的分異特征

主成分分析結(jié)果表明，第一主成分的貢獻(xiàn)率為73.40%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為10.60%，前兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.00%，表明僅第一主成分和第二主成分即可以較好地解釋各個(gè)指標(biāo)的變化。地上生物量、株高、地徑、粗蛋白、地下生物量、總生物量、相對(duì)生長(zhǎng)速率及根冠比與第一序軸顯著相關(guān)，說(shuō)明以上因子是反映作物功能性狀對(duì)PP-MPs 添加響應(yīng)的重要指標(biāo)（圖5）。大豆和花生兩種作物對(duì)應(yīng)的點(diǎn)分別投影在PCA 二維平面的兩側(cè)，表明整體上花生和大豆功能性狀對(duì)PP-MPs 添加的響應(yīng)存在顯著差異。

圖5 作物功能性狀對(duì)PP-MPs添加響應(yīng)的主成分分析Figure 5 PCA among responses of crop functional traits to the polypropylene microplastic addition

3 討論

3.1 PP-MPs 添加對(duì)大豆和花生生長(zhǎng)和植株形態(tài)特征的影響

PP-MPs 添加顯著影響作物生長(zhǎng)、生物量積累以及植株形態(tài)的表達(dá)（表1、圖5）。本研究所使用的兩種作物在相對(duì)生長(zhǎng)速率和總生物量積累方面表現(xiàn)一致，均顯著降低（圖2C、圖2E），該結(jié)果證實(shí)了農(nóng)田土壤微塑料污染能夠?qū)ψ魑锷L(zhǎng)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響[28]。其中主要的作用機(jī)理可能是由于土壤中的PP-MPs 包裹在作物地下部分的表面，阻塞作物的細(xì)胞壁孔洞，阻礙作物對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)[29]，從而抑制大豆和花生的生長(zhǎng)速度及生物量積累。值得注意的是，PP-MPs 的添加顯著降低花生的地下生物量，但對(duì)大豆的地下生物量無(wú)顯著影響，這一差異的產(chǎn)生可能與作物的結(jié)實(shí)類型有關(guān)，PP-MPs僅聚集在大豆根部，但可以聚集在花生的根和果實(shí)處，而花生的果實(shí)在前期（果針、莢果）同樣具有從土壤中吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能[30]，因此與大豆相比，PP-MPs 添加對(duì)花生生殖生長(zhǎng)階段的地下部分可能產(chǎn)生更加嚴(yán)重的阻塞作用，從而導(dǎo)致PP-MPs 添加對(duì)花生地下生物量積累的抑制作用更加明顯。這一結(jié)果表明與地上結(jié)實(shí)的作物相比，地下結(jié)實(shí)的作物更易受到土壤微塑料的影響。由于目前對(duì)土壤微塑料對(duì)作物重要性狀及生長(zhǎng)影響的了解相對(duì)較少，相關(guān)機(jī)理需要更多的延續(xù)性研究及試驗(yàn)證據(jù)。

在植株形態(tài)方面，微塑料污染的影響在作物類型間呈現(xiàn)出明顯的分異特征。與對(duì)照相比，PP-MPs 添加下，花生的株高顯著降低2.64%，而大豆葉面積比值顯著增加28.07%（圖1A、圖1C），這說(shuō)明不同結(jié)實(shí)類型作物的植株形態(tài)對(duì)微塑料污染的響應(yīng)不同。大豆可能通過(guò)增大葉面積來(lái)增加植株的光截獲能力，在葉片生物量有限的條件下，利用較少的干物質(zhì)投資來(lái)捕獲更多的光以保證葉片的光合收益達(dá)到最大[31]，進(jìn)而抵御微塑料的負(fù)面影響。

3.2 PP-MPs添加對(duì)大豆和花生生理生化的影響

葉綠素作為參與光合作用最重要的色素之一，其含量一定程度上反映作物的光合能力[32]。Lian 等[33]發(fā)現(xiàn)萵苣的葉綠素a，葉綠素b 和類胡蘿卜素在微塑料脅迫下顯著降低，邱陳陳等[34]發(fā)現(xiàn)隨著微塑料質(zhì)量濃度的增加，大蒜葉片發(fā)生濃縮，從而增大單位面積的葉綠素含量（仍低于對(duì)照組）。本研究發(fā)現(xiàn)PP-MPs的添加顯著降低大豆葉片的葉綠素含量（圖3C），與上述研究結(jié)果一致，這可能是由于微塑料脅迫導(dǎo)致地上結(jié)實(shí)大豆的葉片葉面積比值顯著增大，葉片變的大而薄，從而使葉片單位面積的葉綠素含量降低。然而PP-MPs 添加對(duì)花生葉片的葉綠素含量無(wú)顯著影響，這可能是由于地下結(jié)實(shí)的花生在受到微塑料脅迫后可能通過(guò)自身調(diào)節(jié)維持葉綠素含量的穩(wěn)定，具體機(jī)理仍需進(jìn)一步探究。此外，葉綠素?zé)晒饽軌蛑苯踊蜷g接反映外界脅迫對(duì)植物生理狀況的影響[35]。本研究中PP-MPs 添加對(duì)大豆和花生葉片的Fv/Fm和Y（Ⅱ）無(wú)顯著影響，與葉子琪等[36]對(duì)生菜葉片的葉綠素?zé)晒獾难芯拷Y(jié)果一致，這可能是由于本實(shí)驗(yàn)所選用的微塑料類型、尺寸及濃度對(duì)大豆和花生的毒性較低。

3.3 PP-MPs添加對(duì)大豆和花生產(chǎn)量與籽粒品質(zhì)的影響

PP-MPs 添加下，大豆和花生的百粒重分別降低7.84%和11.98%，大豆和花生籽粒的飽滿程度受到影響（圖4A）。大豆和花生在形態(tài)和生理生化方面的響應(yīng)差異，表明大豆和花生百粒重的降低對(duì)微塑料添加的響應(yīng)機(jī)制不同。大豆百粒重的降低可能是由于其葉綠素含量降低抑制了光合碳同化效率[33]，在營(yíng)養(yǎng)階段和生殖階段減少了干物質(zhì)向大豆籽粒的運(yùn)輸和分配[37]。對(duì)于花生而言，花生莢果的生長(zhǎng)發(fā)育是花生籽粒中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累的關(guān)鍵，而花生莢果生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)雖由根和莢果共同提供，但有些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)只能依靠莢果自行吸收[38]，PP-MPs 聚集在花生的地下部分，阻礙花生莢果對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進(jìn)而抑制莢果的生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致花生籽粒的百粒重降低。

除產(chǎn)量外，微塑料污染能夠改變作物籽粒品質(zhì)，主要影響籽粒的可溶性糖含量。PP-MPs的添加顯著促進(jìn)了大豆籽粒可溶性糖含量的積累（25.82%），但花生的可溶性糖含量顯著降低25.51%（圖4B）?？扇苄蕴亲鳛橹参锶~片主要的光合產(chǎn)物，反映了塑料添加對(duì)作物光合碳的合成及運(yùn)輸影響[39]。對(duì)于地上結(jié)實(shí)的大豆，在微塑料添加下，雖然其產(chǎn)量（百粒重）受到抑制，但顯著增加的葉面積比值能夠提高光截獲能力及光合碳同化效率[31]，從而促進(jìn)相對(duì)豐富的可溶性糖等光合產(chǎn)物在籽粒積累。而花生方面，如上所述，其地下結(jié)實(shí)的特點(diǎn)更容易受到根際土壤微塑料富集的影響，微塑料的阻塞作用影響花生對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及運(yùn)輸，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的匱乏可能影響花生地上的光合產(chǎn)物向地下根系及籽粒運(yùn)移與分配，其中內(nèi)在的過(guò)程與機(jī)理，需要通過(guò)熒光標(biāo)記等方法進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證和探究。

4 結(jié)論

（1）聚丙烯微塑料（PP-MPs）添加對(duì)大豆和花生的生長(zhǎng)和生物量積累均表現(xiàn)出抑制作用。

（2）PP-MPs 添加下大豆葉片的葉綠素含量顯著降低5.74%，但對(duì)花生的葉綠素含量無(wú)顯著影響，同樣大豆和花生的Fv/Fm、Y（Ⅱ）及類黃酮含量也無(wú)明顯變化。

（3）PP-MPs 添加對(duì)大豆和花生籽粒的百粒重影響一致，但對(duì)大豆和花生籽粒的可溶性糖含量影響截然相反。