微塑料對(duì)小麥農(nóng)藝性狀及氮素利用效率的影響

陳 熹， 馬 瓊， 陶宗婭， 呂浩宇， 李勝嵐， 吳 國(guó)

（四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川成都610101）

塑料制品地膜為農(nóng)作物增產(chǎn)作出了巨大貢獻(xiàn)，被譽(yù)為“白色工程”.但地膜難以降解，大量殘膜碎片堆積在耕作層，導(dǎo)致土壤含水量和孔隙度降低［1-2］，對(duì)土壤肥力、作物根系發(fā)育等產(chǎn)生了不同程度的影響，導(dǎo)致了“白色污染”［3］.光降解、生物降解等多種可降解地膜被認(rèn)為是解決“白色污染”問(wèn)題的最有效途徑之一［4］.然而，可降解地膜被迅速降解為在土壤中肉眼難以識(shí)別的小顆粒，其中直徑小于5 mm的顆粒被認(rèn)為是微塑料，這些微塑料在土壤中仍然難以降解，其安全性有待進(jìn)一步評(píng)價(jià)［5］.

微塑料具有疏水性、顆粒小等特征，更易吸附各種有機(jī)污染物、重金屬等有毒的化學(xué)物質(zhì)［6-7］.Lee等［8］研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯型微塑料比聚丙烯型更易吸附多環(huán)芳烴；Wang等［9］研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯對(duì)全氟辛烷磺酰胺的吸附結(jié)合能力強(qiáng)于聚氯乙烯、聚苯乙烯；微塑料對(duì)污染物的結(jié)合能力還與其粒徑大小有關(guān).陸地土壤的微塑料可通過(guò)降雨、灌溉、河流、洋流等途徑對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生污染，并可遠(yuǎn)距離遷移，擴(kuò)大污染范圍［10-12］.已有研究發(fā)現(xiàn)，微塑料會(huì)覆蓋在海洋微藻表面抑制其光合作用和生長(zhǎng)［13］，也會(huì)被斑馬魚(yú)、烏龜、海豚等許多生物攝入或吸附到體內(nèi)［14-16］，還可以通過(guò)食物鏈的富集效應(yīng)，使得高級(jí)捕食者和人類受影響的概率增大［17］.目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于微塑料危害的研究主要集中于海洋生態(tài)系統(tǒng)等水體環(huán)境，并已取得較多成果.對(duì)所謂的可降解地膜降解形成的微塑料在農(nóng)田土壤耕作層積累對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究還鮮有報(bào)道.

本研究著眼于可降解地膜降解后形成的微塑料顆粒在土壤中的累積對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，以不同分子質(zhì)量的聚乙烯粉末模擬可降解地膜形成的微塑料顆粒，將不同量的聚乙烯粉末添加到河灘沙土中種植小麥.測(cè)定小麥的農(nóng)藝性狀，并檢測(cè)土壤全氮和堿解氮含量、脲酶和蛋白酶活性以及小麥葉片硝酸還原酶（NR）活性和可溶性蛋白質(zhì)含量，探究微塑料對(duì)小麥農(nóng)藝性狀及氮素利用效率的影響.研究微塑料對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的機(jī)制，為可降解地膜真正的環(huán)保安全性評(píng)價(jià)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 材料與方法

圖1 不同分子質(zhì)量聚乙烯粉末Fig.1 The polyethylene powders

表1 供試沙土理化性質(zhì)Tab.1 The physical and chemical properties of soil used in the experiment

1.1 實(shí)驗(yàn)材料小麥（Triticum aestivum L.），品種為川農(nóng)16，購(gòu)自四川農(nóng)科種業(yè)有限公司.聚乙烯粉末分子質(zhì)量分別為2 000、5 000和100 000 D，如圖1所示，購(gòu)自中石化廣東茂名分公司.供試土壤采用河灘沙土，其理化性質(zhì)如表1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 將分子質(zhì)量分別為2 000、5 000和100 000 D的微塑料粉末添加到沙土中，由生產(chǎn)中 90 kg／hm2覆膜量連續(xù)覆膜 1、5、10、50 和 100 a后降解形成的微塑料累積量，折算成質(zhì)量濃度為0.042、0.212、0.424、2.121 和4.241 g／kg 的累積量，以不添加聚乙烯粉末的沙土作為對(duì)照組（CK）.

實(shí)驗(yàn)于2018年11月至2019年5月在四川師范大學(xué)盆栽場(chǎng)進(jìn)行.自然播種，苗期勻苗定植，保持8～10株／盆.開(kāi)花期取小麥新鮮功能葉片測(cè)定其硝酸還原酶（NR）活性、可溶性蛋白含量；成熟期進(jìn)行拷種，測(cè)定其農(nóng)藝性狀；采用四分法采集土壤樣本，于白瓷盤(pán)中陰涼風(fēng)干后，分別過(guò)40目和80目標(biāo)準(zhǔn)篩，分別用于測(cè)定土壤氮含量及土壤脲酶和蛋白酶活性.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 小麥農(nóng)藝性狀測(cè)定 測(cè)定成熟小麥的株高、穗長(zhǎng)，記錄穗數(shù)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重等重要的農(nóng)藝性狀指標(biāo).

1.3.2 土壤氮及小麥氮代謝指標(biāo)的測(cè)定 采用凱氏定氮法測(cè)全氮，堿解擴(kuò)散法［18］測(cè)堿解氮含量；采用靛酚比色法［19］測(cè)定土壤脲酶活性，以 mg／（g·24h）FW表示；采用加勒斯江法［20］測(cè)定土壤蛋白酶活性，以 mg／（g·24h）FW 表示；采用離體法［21］測(cè)定NR活性，以μg／（g·h）FW表示；采用考馬斯亮藍(lán)法［21］測(cè)定可溶性蛋白含量.

1.4 數(shù)據(jù)分析采用SPSS 20軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）分析，用Origin 2018繪圖.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 微塑料對(duì)小麥農(nóng)藝性狀的影響由圖2可見(jiàn)，同一分子質(zhì)量的微塑料，其不同累積量處理對(duì)小麥株高、穗長(zhǎng)、有效穗、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和穗粒重?zé)o顯著影響（圖2A～F）.

累積量相同時(shí)，不同分子質(zhì)量處理之間部分農(nóng)藝性狀指標(biāo)有顯著差異：

1）累積量為5年量時(shí)，5 000 D處理組的穗長(zhǎng)顯著低于CK，2 000 D處理組的有效穗和小穗數(shù)顯著高于100 000 D處理組（圖2B和D）；

2）累積量為10年量時(shí)，100 000 D的穗粒數(shù)顯著低于2 000和5 000 D處理組（圖2E）；

3）累積量為100年量時(shí)，5 000 D處理組的有效穗顯著低于2 000和100 000 D處理組（圖2C）.

由圖2G可見(jiàn)，分子質(zhì)量為2 000 D時(shí)，不同累積量處理的千粒重與CK相比均無(wú)顯著差異；分子質(zhì)量為5 000 D時(shí)，各累積量處理下的千粒重均顯著低于CK，10年量處理組最低，相較CK降低了13.5%；分子質(zhì)量為100 000 D時(shí)，各累積量處理下的千粒重也低于CK.結(jié)果表明，微塑料累積會(huì)顯著降低小麥的千粒重，對(duì)種子的飽滿度產(chǎn)生影響，且與分子質(zhì)量大小密切相關(guān)，其中以5 000 D的分子質(zhì)量影響最為顯著.小麥籽粒飽滿度與開(kāi)花期氮素營(yíng)養(yǎng)代謝密切相關(guān)，故深入分析分子質(zhì)量為5 000 D的微塑料對(duì)小麥氮素利用的影響.

圖2 微塑料對(duì)小麥農(nóng)藝性狀的影響Fig.2 Effects of microplastics on agronomic characters of wheat

2.2 微塑料對(duì)土壤氮素周轉(zhuǎn)的影響

2.2.1 處理組土壤氮含量顯著高于CK 由圖3可見(jiàn)，隨著分子質(zhì)量為5 000 D的微塑料在土壤中積累量增加，土壤的全氮、堿解氮含量主要呈下降趨勢(shì)，但均高于CK.在不同累積量下，全氮含量均顯著高于CK，比CK高出5.7% ～36.0%（圖3A）；1、5、10和100年量處理下的堿解氮含量也顯著高于 CK，比 CK 升高了18.4% ～28.3%（圖3B）.

圖3 微塑料（5 000 D）對(duì)土壤全氮和堿解氮含量的影響Fig.3 Effects of microplastics（5 000 D）on soil total nitrogen and alkali-hydrolyzed nitrogen content

2.2.2 土壤脲酶和蛋白酶活性升高 由圖4可見(jiàn)，分子質(zhì)量為5 000 D的微塑料在土壤中積累，土壤脲酶和蛋白酶活性均顯著高于CK.脲酶活性隨累積量的增大而降低，但均顯著高于CK（圖4A），1～100年量處理下分別比 CK升高了70.1%、67.9%、61.8%、56.9%和 39.5%；蛋白酶活性也顯著高于CK（圖4B），隨累積量增加其活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，添加微塑料后蛋白酶活性比CK高出1～2倍.

圖4 微塑料（5 000 D）對(duì)土壤脲酶和蛋白酶活性的影響Fig.4 Effects of microplastics（5 000 D）on soil urease and protease activities

2.3 對(duì)小麥可溶性蛋白及NR活性的影響由圖5可見(jiàn)，隨著分子質(zhì)量為5 000 D的微塑料在土壤中累積量增加，小麥NR活性和可溶性蛋白質(zhì)含量呈降低的趨勢(shì)，在50年量處理下降至最低.1、5、10和100年量處理下NR活性均顯著高于CK（圖5A），分別比 CK 升高了161.9%、140.8%、101.8%和84.8%.可溶性蛋白質(zhì)含量在5、10、50和100年量處理下均顯著低于CK（圖5B），分別比CK降低了 6.5%、15.1%、32.4%和 8.0%.

圖5 微塑料（5 000 D）對(duì)小麥NR活性和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.5 Effects of microplastics（5 000 D）on NR activities and soluble protein content in wheat

3 討論與結(jié)論

3.1 討論本研究結(jié)果顯示，微塑料在土壤中積累，小麥千粒重顯著降低，其他農(nóng)藝形狀變化不顯著，說(shuō)明微塑料在土壤中積累會(huì)影響小麥籽粒的飽滿度.微塑料分子質(zhì)量和累積量的增加，對(duì)小麥千粒重的抑制程度先增強(qiáng)后減弱，這與聚苯乙烯微球和低密度線性聚乙烯等類型的微塑料對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響類似［22-23］.小麥籽粒飽滿程度與開(kāi)花期旗葉的氮素營(yíng)養(yǎng)水平極顯著相關(guān)［24］.植物主要以的形式吸收氮素，而NR是植物將無(wú)機(jī)硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成為有機(jī)氮的關(guān)鍵酶，NR活性可在一定程度上指示小麥氮素利用效率.有研究表明：小麥開(kāi)花期的NR水平與氮效率呈正相關(guān)，其他時(shí)期不相關(guān)甚至負(fù)相關(guān)［25］；是植物氮代謝的主要調(diào)節(jié)因子，可調(diào)節(jié)小麥NR的mRNA合成，并影響NR激酶的活性［26］.本研究發(fā)現(xiàn)，雖然微塑料在土壤中積累全氮和堿解氮（圖1）含量都增加，土壤氮素肥力不受負(fù)面影響（圖4），土壤中的氮素被小麥吸收后，也有效地誘導(dǎo)了NR的活性增強(qiáng)（圖5A），促進(jìn)轉(zhuǎn)化為，但小麥可溶性蛋白含量卻顯著降低（圖5B），表明微塑料在土壤中的積累可間接影響小麥蛋白質(zhì)的合成代謝，從而降低對(duì)氮素的利用效率，導(dǎo)致飽滿度降低而減產(chǎn).

微塑料會(huì)影響土壤的理化因素以及微生物多樣性進(jìn)而影響土壤肥力.文獻(xiàn)［27-28］研究發(fā)現(xiàn)不同分子質(zhì)量的聚乙烯在土壤中的積累對(duì)土壤微生物多樣性的影響差異較大，即多樣性增加和減少的情況都有出現(xiàn).張春惠［29］研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的微塑料能夠通過(guò)增加土壤孔隙度和持水量等改善土壤的物理性質(zhì)，也能夠提高土壤酶的活性，從而促進(jìn)土壤氮素等的循環(huán)，具有改善土壤微環(huán)境的潛力.文獻(xiàn)［30-31］研究發(fā)現(xiàn)微塑料可使微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性增加，并能改善土壤化學(xué)性質(zhì).有研究表明，微塑料可使土壤酶活性出現(xiàn)不同程度的升高，微生物的群落組成發(fā)生轉(zhuǎn)變［32］.本研究結(jié)果顯示，隨著微塑料在土壤中的積累，全氮、堿解氮含量增加，土壤脲酶、蛋白酶活性被顯著激活，促進(jìn)土壤氮素周轉(zhuǎn)，對(duì)河灘沙土肥力表現(xiàn)積極作用.

微塑料不會(huì)通過(guò)細(xì)胞壁進(jìn)入植物體［33］，但容易吸附農(nóng)藥添加劑和重金屬等有害物質(zhì)，這與其形狀、粒徑、組分和老化程度密切相關(guān)［34］.本研究中分子質(zhì)量為5 000 D的微塑料在土壤中的積累，對(duì)土壤氮素表現(xiàn)出積極作用，但對(duì)小麥產(chǎn)量影響顯著，飽滿度降低.這與小麥吸收土壤氮素后體內(nèi)氮素利用率受到影響有關(guān)，推測(cè)5 000 D分子質(zhì)量的微塑料更易吸附其他污染物，其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究.

3.2 結(jié)論綜上結(jié)論如下：

1）5 000 D微塑料在土壤中的積累，小麥千粒重顯著降低，飽滿度受到影響，而其他農(nóng)藝性狀變化不顯著；

2）5 000 D微塑料積累會(huì)在一定程度上激活土壤脲酶和蛋白酶，促進(jìn)土壤氮素周轉(zhuǎn)，土壤全氮和堿解氮含量增加.

3）微塑料積累并不影響土壤氮素肥力，而是在小麥吸收氮素后，體內(nèi)可溶性蛋白合成代謝受到影響，從而導(dǎo)致氮素利用率降低，籽粒不飽滿，千粒重下降.

致 謝四川師范大學(xué)“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目（S201910636445）和四川師范大學(xué)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（KFSY2019008）對(duì)本文給予了資助，謹(jǐn)致謝意.