聚乙烯微塑料對大豆生長的影響

許學(xué)慧，胡海娜，陳 穎

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

“微塑料”是指環(huán)境中存在的粒徑小于5 mm的塑料類污染物，包括碎片、纖維、顆粒、發(fā)泡、薄膜等不同形態(tài)［1］。由于微塑料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在環(huán)境中不易分解而長時(shí)間存在，目前已經(jīng)作為一種新型污染物受到越來越廣泛的關(guān)注。土壤是環(huán)境中污染物的重要匯集地之一，微塑料顆?？梢酝ㄟ^農(nóng)用薄膜、堆肥、污泥、灌溉用水、生活中的塑料產(chǎn)品、大氣沉降等途徑進(jìn)入到土壤環(huán)境［2-3］。Fuller等［4］通過對澳大利亞悉尼某工業(yè)區(qū)土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn)工業(yè)區(qū)土壤微塑料含量高達(dá)6.7%。研究人員對瑞士洪泛平原地區(qū)土壤樣品中的微塑料污染調(diào)查中發(fā)現(xiàn)其污染程度與當(dāng)?shù)厝丝诿芏扔嘘P(guān)，說明人類活動是造成土壤環(huán)境微塑料污染的原因之一［5］。不僅國外土壤中檢測到了微塑料污染，我國土壤中也存在微塑料污染情況。對上海郊區(qū)20個(gè)菜地的表層土（0～3 cm）和深層土（3～6 cm）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淺層土壤和深層土壤中均檢測到了以聚丙烯和聚乙烯為主要成分的微塑料［6］；在云南省西南滇池農(nóng)田和河岸森林緩沖帶的50個(gè)土壤樣品中檢測到含量為7100～42960個(gè)·kg-1（平均18760個(gè)·kg-1）的以聚乙烯和聚丙烯為主的微塑料污染物，其中高達(dá)95%的微塑料粒徑范圍在0.05～1 mm［7］。由此可見，土壤微塑料污染問題已經(jīng)不容忽視。

地膜使用是農(nóng)田土壤中微塑料的一個(gè)重要來源［2］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，地膜覆蓋可以增溫保墑、維持土壤結(jié)構(gòu)、抑制雜草、防病蟲和自然災(zāi)害等，還可以實(shí)現(xiàn)反季節(jié)生產(chǎn)，極大地提高了農(nóng)作物的生產(chǎn)水平和農(nóng)民的收入［8-9］。但如果地膜回收不當(dāng)，就會導(dǎo)致殘膜在土壤中不斷積累，最終分解為微塑料顆粒，對土壤的理化性質(zhì)和生物多樣性產(chǎn)生影響［10］。而土壤質(zhì)量的高低直接決定了植物的生長狀況，土壤中存在的微塑料對植物生長、種子發(fā)芽等會產(chǎn)生影響。研究表明，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）、線性低密度聚乙烯（LLDPE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）3種微塑料在低中濃度（< 500 mg·L-1）時(shí)會抑制小麥種子發(fā)芽率，而LLDPE在10 mg·L-1時(shí)對小麥芽長有明顯抑制作用［11］。廖苑辰等［12］以聚苯乙烯熒光微球（PS-MPS）為對象分別在水培和土培條件下研究其對小麥生長的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水培條件下，高濃度（200 mg·L-1）的PS-MPS對小麥的根、莖有明顯抑制作用；土培條件下，PS-MPS在10 mg·L-1時(shí)對小麥生長影響最顯著。因此，土壤中微塑料對作物生長的影響不容忽視。

目前應(yīng)用最廣泛的地膜材料主要成分是聚乙烯和聚氯乙烯，具有難降解、韌性高、不透水等特點(diǎn)，在土壤中殘留會對土壤質(zhì)量及作物生長產(chǎn)生不良影響。長期殘留的農(nóng)膜還會進(jìn)一步破碎為粒徑更小的微塑料顆粒。然而，目前關(guān)于農(nóng)膜源微塑料對作物生長影響的研究報(bào)道十分有限，其對作物的毒性效應(yīng)尚不清楚，所以研究農(nóng)膜源微塑料對作物的毒性效應(yīng)對于全面認(rèn)識土壤中微塑料的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)具有十分重要的意義。為此，選用大豆為供試植物，以聚乙烯微塑料為研究對象，通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)研究施加不同粒徑以及不同濃度微塑料對大豆生長的影響，以揭示土壤中微塑料對植物的毒性效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 主要儀器

冷凍干燥機(jī)（ZCIENTZ-10ND，寧波），電子天平（CP224C，上海），臺式低速離心機(jī)（SC-3612，安徽），干燥箱（UF260，北京），優(yōu)普超純水機(jī)（UPR-I-40 L，成都），葉綠素測定儀（SPAD-502Plus，日本），紫外-可見分光光度計(jì)（SP-1920，上海），火焰光度計(jì)（M410，英國）。

1.1.2 主要試劑

聚乙烯微塑料購置于美國Thermo Fisher Scientific公司，粒徑分別為500和1000 μm。其形貌如圖1所示。

試驗(yàn)中所用到的藥品還包括牛血清蛋白、考馬斯亮蘭G-250、試亞鐵靈、硫酸亞鐵銨、酒石酸鈉、奈氏試劑、釩鉬酸銨試劑、2，6-二硝基酚指示劑、硝酸、鹽酸、硫酸，乙醇、磷酸、過氧化氫，均為分析純，購置于中國國藥集團(tuán)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤采集與處理

土壤樣品于2019年5月采集于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)地，所采集土壤為未鋪設(shè)過地膜樣地的表層土壤（0～20 cm），無微塑料顆粒檢出。將采回的土壤樣品去除植物根、大的石塊等雜質(zhì)，風(fēng)干，過0.85 mm篩。然后取直徑為15 cm的花盆，每盆裝1000 g土壤。分別向土壤中添加500和1000 μm 2種粒徑的聚乙烯微塑料，濃度設(shè)置為1%和5%2個(gè)處理，同時(shí)設(shè)置不添加微塑料作為對照處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。將微塑料與土壤充分混合均勻，使土壤狀態(tài)盡可能接近常規(guī)大田。穩(wěn)定15 d后，一次性施入磷酸二氫鉀和尿素作為基肥（控制土壤中氮磷鉀的質(zhì)量濃度比例為10∶8∶10），用去離子水澆灌，稱重法使土壤水分含量達(dá)到田間持水量的15%～20%。

1.2.2 盆栽試驗(yàn)

大豆（中黃37）購置于內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)研究院。選取均一飽滿的大豆種子，用自來水和蒸餾水沖洗后，棄去浮于水面的種子，剩余種子經(jīng)10%的H2O2浸泡消毒15 min后，用蒸餾水沖洗多次。將消毒后的種子置于蒸餾水中浸泡4～6 h后用于試驗(yàn)。每盆播種10粒大豆種子，試驗(yàn)在控制環(huán)境的溫室中進(jìn)行，植物均隨機(jī)擺放并每3 d更換一次位置，白天光照14 h，溫度25℃，夜間黑暗10 h，溫度20℃，相對濕度60%～70%，Osram 日光燈供應(yīng)光照250 μmol·m-2·s-1，每天以稱重法澆灌保證土壤濕度保持在田間持水量的60%左右。大豆生長45 d后收獲，連續(xù)種植兩茬。

1.2.3 樣品處理與分析

收獲前測定植株的株高和葉片的葉綠素值。收獲后，樣品先用自來水沖洗，清除葉片上的粉塵和根部黏附的泥土，再用去離子水清洗兩到三次，用濾紙擦干，然后將植物分為地上和地下兩部分，備用。主要指標(biāo)測定方法如下：

（1）出苗率：試驗(yàn)45 d收獲大豆，計(jì)算出苗率。出苗率（%）=（出苗數(shù)/播種數(shù)）×100

（2）株高：收獲時(shí)，用直尺量取從植株基部到莖稈最高端的垂直高度，同時(shí)測定每個(gè)處理下 5 株幼苗的株高，取平均值。

（3）鮮重：收獲后，立即用蒸餾水洗凈根際土，濾紙吸干表面水分后用天平稱重。

（4）葉綠素SPAD值：收獲前，選取6～8片完整的新葉和老葉，去除葉片表面的灰塵等污染物，用SPAD-502型葉綠素計(jì)（Minolta，日本）在葉片距葉緣的2/3處測定，每個(gè)葉片測定3次，然后取SPAD平均值，最后對每個(gè)處理的葉片葉綠素SPAD值取平均值，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（5）可溶性蛋白質(zhì)：考馬斯亮藍(lán)法［13］。

（6）纖維素：硫酸亞鐵銨滴定法［13］。

（7）氮磷鉀：H2SO4-H2O2消煮-奈氏比色法、H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法、H2SO4-H2O2消煮-火焰光度法［14］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，利用Excel 2010錄入、整理，采用SAS 9.0進(jìn)行單因子方差分析、Duncan多重比較，P<0.05時(shí)，表示處理組和對照組存在顯著差異。利用Sigmaplot 12.5進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚乙烯微塑料對大豆生長的影響

2.1.1 大豆出苗率的變化

從圖2可以看出，與對照相比，兩茬大豆種植中除添加1%粒徑500 μm的微塑料對出苗率有一定的促進(jìn)作用（P> 0.05），其它的微塑料處理均表現(xiàn)出對大豆發(fā)芽的抑制作用。從兩茬數(shù)據(jù)分析來看，添加5%粒徑500 μm的微塑料大豆的出苗率分別比對照處理降低了35.89%、42.11%。第一茬中添加1%和5%粒徑1000 μm的微塑料大豆的出苗率比對照分別降低了7.69%、14.10%，第二茬中添加1%和5%粒徑1000 μm的微塑料大豆的出苗率比對照分別降低了35.09%、64.91%。由此可見，大顆粒微塑料對大豆出苗率的影響更顯著，且隨著添加濃度的增加對出苗率的抑制作用增強(qiáng)。出苗率是說明土壤中存在微塑料的情況下種子存活能力的重要指標(biāo)，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，聚乙烯微塑料的存在會影響種子在土壤中的存活和萌發(fā)能力。

2.1.2 大豆鮮重和株高的變化

表1 是添加不同微塑料對大豆的鮮重和株高的影響。從表1中可以看出，與對照相比，第一茬種植中添加微塑料均表現(xiàn)出對大豆鮮重和株高的抑制作用，且添加粒徑500 μm的微塑料抑制作用最顯著，添加5%粒徑500 μm的微塑料處理中大豆鮮重比對照降低了28.94%（P<0.05），而添加1%粒徑500 μm的微塑料使大豆株高比對照降低18.40%（P<0.05）。在第二茬種植中微塑料對大豆鮮重和株高則表現(xiàn)為促進(jìn)作用，且隨著添加濃度和粒徑的增加，促進(jìn)作用隨之增加。其中添加5%粒徑1000 μm的微塑料對二者的促進(jìn)作用最顯著，分別比對照增加了28.75%和50.76%。

表1 聚乙烯微塑料對大豆鮮重和株高的影響

2.1.3 大豆葉綠素的變化

圖3 顯示添加不同粒徑、不同濃度的聚乙烯微塑料處理對大豆葉綠素SPAD值的影響。與對照相比，在第一茬大豆種植中添加微塑料對大豆葉片葉綠素SPAD值表現(xiàn)出一定抑制作用，而在第二茬大豆種植中添加微塑料則會使葉片葉綠素SPAD值有所增加，但影響并不顯著。

2.2 聚乙烯微塑料對大豆品質(zhì)的影響

2.2.1 大豆地上部纖維素含量的變化

由表2可知，與對照相比，添加微塑料會促進(jìn)大豆地上部纖維素的含量。兩茬種植中，添加1%粒徑1000 μm的微塑料處理下大豆地上部纖維素含量比對照分別增加了82.11%、56.03%。同一粒徑塑料顆粒，不同添加濃度處理之間沒有明顯的差異；但是在不同粒徑之間，在低濃度（1%）處理下，兩茬大豆種植中添加粒徑500 μm的微塑料處理地上部纖維素含量分別是對照的2.10、1.69倍；而添加粒徑1000 μm的微塑料處理地上部纖維素含量分別是對照的1.82、1.56倍。由此可見，小粒徑微塑料的添加對大豆地上部纖維素含量的促進(jìn)效果強(qiáng)于大粒徑。在高濃度處理下，微塑料添加對大豆地上部纖維素含量的影響表現(xiàn)出與低濃度處理下相似的變化規(guī)律，即添加小顆粒微塑料對大豆地上部纖維素含量的促進(jìn)效果更顯著。

表2 聚乙烯微塑料對大豆地上部纖維素含量的影響 （%）

2.2.2 大豆地上部可溶性蛋白質(zhì)含量的變化

由圖4可以看出，與對照相比，添加微塑料處理均會顯著抑制植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)的生成，但是兩茬種植中同一處理所表現(xiàn)出的抑制程度不同。在第一茬種植中，添加5%粒徑500 μm的微塑料處理對大豆地上部可溶性蛋白質(zhì)的抑制作用最大，其含量比對照降低了51.39%；而在第二茬種植中，添加1%粒徑500 μm的微塑料處理下大豆地上部可溶性蛋白質(zhì)含量比對照降低了61.67%，抑制作用最強(qiáng)。而大顆粒微塑料對大豆地上部可溶性蛋白質(zhì)生成的抑制作用要弱于小顆粒微塑料。

2.3 聚乙烯微塑料對大豆吸收累積養(yǎng)分的影響

表3 顯示添加微塑料對大豆吸收累積養(yǎng)分的影響。與對照相比，大豆中氮含量在添加高濃度（5%）微塑料處理下均表現(xiàn)出抑制作用，第一茬種植中添加粒徑500和1000 μm的微塑料處理對大豆吸收累積氮抑制率分別為19.90%、19.31%，第二茬種植中添加粒徑500和1000 μm的微塑料處理對大豆吸收累積氮抑制率分別為16.82%、29.55%。低濃度（1%）微塑料處理下，大豆中氮含量與對照相比，變化不顯著。

表3 聚乙烯微塑料對大豆氮、磷、鉀含量的影響 （%）

對于大豆鉀含量來說，與對照相比，第一茬種植中添加5%粒徑500 μm、1%粒徑1000 μm的微塑料提高大豆體內(nèi)鉀含量，分別增加了11.50%、11.06%；而添加5%粒徑1000 μm微塑料則表現(xiàn)出抑制作用，此時(shí)大豆體內(nèi)鉀含量比對照降低了3.10%。第二茬種植中，添加微塑料均會抑制大豆對鉀的吸收累積。其中大粒徑（1000 μm）微塑料的抑制作用更強(qiáng)，在添加1%和5%2個(gè)濃度下大豆中鉀的含量比對照分別降低了12.38%、26.73%。

與對照相比，兩茬種植中添加微塑料均表現(xiàn)出促進(jìn)大豆體內(nèi)磷的吸收和累積，且隨著添加量的增加和微塑料粒徑的增大，促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)。其中添加5%粒徑1000 μm微塑料，兩茬種植中大豆體內(nèi)磷含量分別比對照增加了48.15%和26.89%。

3 討論

自然狀態(tài)下，進(jìn)入土壤的微塑料很難降解，會持續(xù)積累，最終會通過改變土壤環(huán)境或與依靠土壤存活的動植物相互作用而影響土壤生物的適應(yīng)性和功能［15-17］。目前，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中微塑料污染已受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，但是關(guān)于土壤中的微塑料是否會影響作物生長以及如何影響作物生長方面的研究報(bào)道還十分有限。

3.1 微塑料對大豆生長的影響

本試驗(yàn)中，添加微塑料對大豆出苗率有一定的抑制作用，大顆粒微塑料對大豆出苗率的抑制作用要強(qiáng)于小顆粒，且隨著添加濃度的增加對出苗率的抑制作用增強(qiáng)，其中在添加5%粒徑1000 μm的微塑料處理下大豆的出苗率比對照降低了64.91%。聚乙烯微塑料對大豆鮮重和株高的影響在第一茬種植中表現(xiàn)出對大豆鮮重和株高的抑制作用，而在第二茬種植中微塑料對大豆鮮重和株高則表現(xiàn)為促進(jìn)作用，且隨著添加濃度和粒徑的增加，促進(jìn)作用隨之增加。與對照相比，兩茬種植中微塑料對葉綠素的影響不明顯，而且各處理之間差異也不顯著?？傮w而言，土壤中微塑料的存在對植物幼苗生長有一定的抑制作用。Qi等［18］對聚乙烯和降解的殘膜對小麥生長產(chǎn)生影響的研究中同樣發(fā)現(xiàn)微塑料會影響植物幼苗的生長。這可能是因?yàn)闅埩粼谕寥乐械乃芰项w粒會影響植物根的生長發(fā)育和對養(yǎng)分及水分的正常吸收，進(jìn)而影響植株地上部的生長發(fā)育［19］。

3.2 微塑料對大豆品質(zhì)的影響

蛋白質(zhì)和纖維素含量是評價(jià)大豆品質(zhì)的重要指標(biāo)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，添加微塑料會降低大豆體內(nèi)蛋白質(zhì)含量，但是會提高纖維素含量。在兩茬大豆種植中添加微塑料都明顯抑制大豆地上部蛋白質(zhì)的合成，其中添加500 μm的微塑料對大豆體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量影響更大，兩茬種植中相較于對照都降低了50%以上，說明土壤中微塑料的積累可影響大豆蛋白質(zhì)的合成代謝，從而降低對氮素的利用效率。這與陳熹等［20］對微塑料影響小麥農(nóng)藝性狀的研究結(jié)果一致。添加微塑料會促進(jìn)大豆體內(nèi)纖維素含量的增加，這可能是因?yàn)槲⑺芰嫌绊懘蠖拐５乃趾宛B(yǎng)分吸收造成的，但具體的生化機(jī)制機(jī)理還不清楚，需要進(jìn)一步探索和驗(yàn)證。

3.3 微塑料對大豆吸收累積養(yǎng)分的影響

微塑料添加影響大豆吸收累積養(yǎng)分。兩茬大豆種植中，添加微塑料處理對大豆體內(nèi)氮吸收累積的抑制率為2.75%～29.55%，但會促進(jìn)大豆體內(nèi)磷的吸收和累積，且隨著添加量的增加和微塑料粒徑的增大，促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)。在第一茬種植中添加微塑料對大豆吸收累積鉀表現(xiàn)出促進(jìn)作用，而在第二茬種植中添加微塑料均會抑制大豆對鉀的吸收累積。土壤中微塑料殘留一方面會造成作物根系生長發(fā)育困難，阻礙根系伸長，影響作物正常吸收水分和養(yǎng)分［18］。另外一方面，微塑料驅(qū)動的土壤理化特性變化可能影響土壤微生物的生物多樣性，對陸地生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵的共生組合產(chǎn)生潛在影響，如菌根［21］和固氮［22］組合。這種對土壤結(jié)構(gòu)和功能的潛在影響對作物生長尤其重要。本試驗(yàn)中，微塑料的添加會抑制大豆對氮的吸收和累積，可能是因?yàn)槲⑺芰蠈Υ蠖垢抗采旱挠绊懰隆?/p>

已有研究顯示，足夠小的微塑料顆?？梢酝高^細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等屏障，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，引起氧化脅迫，改變養(yǎng)分、水分的吸收和運(yùn)輸，影響植物的正常生長發(fā)育［23-24］，進(jìn)而產(chǎn)生潛在的生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)。本試驗(yàn)中微塑料粒徑較大，在植物表面的附著作用可能是其對作物產(chǎn)生影響的主要途徑。此外，可食作物中微塑料的積累，還可能會增加人體對塑料中添加化學(xué)品（包括可浸出添加劑和黏附污染物）直接暴露的風(fēng)險(xiǎn)，并可能進(jìn)一步對人類健康造成危害［25］。目前關(guān)于微塑料與植物互作的研究報(bào)道還十分有限，特別是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中作物對微塑料的吸收和積累機(jī)制及生態(tài)毒性效應(yīng)尚缺乏系統(tǒng)研究，評估土壤中微塑料對農(nóng)作物及蔬菜的潛在安全及健康風(fēng)險(xiǎn)方法與體系亟待建立。因此，未來應(yīng)加強(qiáng)對土壤中微塑料的生物效應(yīng)及其機(jī)制的研究。

4 結(jié)論

添加微塑料會影響大豆的出苗率和生長發(fā)育，大粒徑微塑料對大豆出苗率的抑制作用要強(qiáng)于小粒徑，小粒徑對大豆株高和鮮重的抑制更顯著，且隨著添加濃度的增加抑制作用增強(qiáng)。

添加微塑料會抑制大豆植株體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)的合成，且大粒徑微塑料的抑制效果要強(qiáng)于小粒徑微塑料，但會促進(jìn)大豆體內(nèi)纖維素的累積。

聚乙烯微塑料會影響大豆對養(yǎng)分的吸收累積，具體表現(xiàn)抑制大豆對氮的吸收累積，促進(jìn)對磷的吸收累積，而對鉀的吸收則是先促進(jìn)后抑制。