聚丙烯微塑料添加對大豆和花生生長及生理生態特征的影響

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.沈陽大學生命科學與工程學院，沈陽 110044；2.中國科學院沈陽應用生態研究所森林生態與管理重點實驗室，沈陽 110016；3.東北大學秦皇島分校，河北 秦皇島 066001；4.中國科學院綠色肥料工程實驗室，沈陽 110016）

作為一種新型環境污染物，微塑料（microplastics）在土壤環境中的分布及其生物學效應是當前生態、農業和環境科學研究的熱點問題之一[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]，農田土壤微塑料主要來源于農田地膜覆蓋[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]等水域生態系統，近年來有關陸地生態系統微塑料污染問題的研究也日益增多。塑料制品和農田薄膜的大量使用，導致微塑料碎片或顆粒在土壤環境中大量累積，每年進入土壤的微塑料量甚至比海洋環境高出4～23倍[13]，嚴重威脅陸地生態系統健康和糧食安全，受到全球的高度關注。在2016年的第二屆聯合國環境大會中，微塑料污染問題被列入全球環境與生態研究領域第二大科學問題[14]。

近些年農田土壤中的微塑料污染問題引起各國學者的廣泛關注[15]。目前，農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）在農田中占比較高[16]。Hu 等[17]發現PPMPs 在我國30 個農田中總體占比可高達65.96%，微塑料不易降解，進入土壤后可長期存在并不斷積累，達到一定濃度則會改變土壤理化性質，影響土壤微生物多樣性及作物對水肥的利用效率，從而直接或間接調控作物生長發育[18-19]。研究結果表明，PP-MPs 添加能夠抑制地下結實作物胡蘿卜根生物量積累[20]，然而，其對地上結實作物番茄等根長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可溶性蛋白和可溶性糖等營養成分的含量[23]。以上研究結果表明，土壤微塑料污染能夠顯著改變作物的生長、產量和品質，其影響程度可能與作物結實類型直接相關，但目前微塑料對于不同結實類型作物響應特征的比較研究尚未開展。

鑒于此，本研究以地上結實作物大豆（Glycine max）和地下結實作物花生（Arachis hypogaeaL.）為研究材料，選用農田土壤中占比較高的PP-MPs，采用大田原位實驗，探究大豆和花生的形態、生長、生理生化及籽粒品質對PP-MPs 添加的響應特征，為準確評估PP-MPs 污染對不同功能類型的作物生長、產量和品質影響提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

實驗樣地位于中國科學院沈陽農田生態系統國家野外科學觀測研究站，地處沈陽南郊的蘇家屯區十里河鎮（41°32′ N，122°23′ E），平均海拔41 m。屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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）的種子均采購于遼寧富友種業有限公司。

1.3 供試微塑料材料

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

1.4 試驗設計

田間試驗采用雙因素設計，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2個水平，即不施加PP-MPs 的對照組（標記為CK）和施加0.40%（微塑料的質量與土壤質量的比值）PP-MPs 的試驗組，微塑料添加的濃度參考Lozano[25]，共4 個處理，每個處理4個重復，采用隨機區組設計，共16個小區，每個小區的面積為1 m×1 m。微塑料添加前將所有小區內0～20 cm 的表層土取出，隨機選取8 個小樣方添加PP-MPs，PP-MPs 與表層土混勻后（8 個對照組僅將取出的表層土混勻），重新回填至各小區。

試驗于2021 年6 月初至10 月初進行，每個小區內設置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，包括田間除草，追施肥料（純硫酸鉀型復合型肥料，N-P2O5-K2O為12-18-15等。

1.5 測定方法

生理生化指標：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MINI-PAM-Ⅱ，Heinz-Walz 公司，德國）測定光系統Ⅱ的最大光能轉換效率（Fv/Fm）和光系統Ⅱ的實際光能轉換效率[Y（Ⅱ）]；使用Dualex 植物氮平衡指數測量儀（型號FORCE-A，Orsay，法國）測定葉片的葉綠素含量（Chl）和類黃酮含量（Flav）。

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

SLA=葉片面積（cm2）/葉片干質量（g）

生長指標：作物成熟后，將其根、莖、葉、果實各部分分離，清洗干凈后置于烘箱烘干至質量恒定，計算大豆和花生的地上生物量、地下生物量、總生物量、根冠比及相對生長速率，采用下列公式計算根冠比和相對生長速率（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：隨機稱取烘干后的大豆和花生種子100 粒，計算百粒重；采用蒽酮比色法測定籽粒中的淀粉及可溶性糖含量[26]；采樣凱氏定氮法測定籽粒中的粗蛋白含量[27]。

1.6 數據處理

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）及其交互作用對植株形態、生長、生理生化指標及籽粒品質的影響，選用獨立樣本T 檢驗進一步分析微塑料添加對大豆和花生的影響，并使用主成分分析（PCA）分析微塑料添加下作物性狀的響應格局。統計分析使用SPSS完成，使用OriginPro（2021）繪圖。

2 結果與分析

2.1 作物形態對PP-MPs添加的響應

PP-MPs添加與作物類型的交互作用對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%，對大豆的株高無顯著影響（圖1A）；PP-MPs 添加對大豆和花生的地徑均無顯著影響；PP-MPs添加顯著增加了大豆的葉面積比值，增幅為28.07%，但對花生的葉面積比值無顯著影響（圖1C）。

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

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

2.2 作物生長和生物量積累對PP-MPs的響應

PP-MPs添加對作物的生物量積累和生長速率均存在顯著影響（表1），與對照相比，PP-MPs 添加顯著降低大豆的地上生物量、總生物量和相對生長速率，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、總生物量和相對生長速率，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%，但對大豆的地下生物量無顯著影響（圖2B）。PP-MPs 添加對大豆和花生的根冠比無顯著影響（圖2D）。

圖2 大豆和花生植株生長與生物量分配對PP-MPs添加的響應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聚丙烯微塑料添加的響應

PP-MPs添加與作物類型的交互作用對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%，但對花生的葉綠素含量無顯著影響（圖3-C）。此外，PP-MPs 添加對大豆和花生葉片的Fv/Fm、Y（Ⅱ）及類黃酮含量均無顯著影響（圖3A、圖3B、圖3D）。

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

2.4 作物籽粒品質對PP-MPs添加的響應

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 添加降低了花生籽粒可溶性糖含量，降幅為25.51%（圖4B）。PP-MPs 添加對大豆和花生的淀粉和粗蛋白含量無顯著影響（圖4C，圖4D）。

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

2.5 作物功能性狀對PP-MPs添加響應的分異特征

主成分分析結果表明，第一主成分的貢獻率為73.40%，第二主成分的貢獻率為10.60%，前兩個主成分的累計貢獻率為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指標的變化。地上生物量、株高、地徑、粗蛋白、地下生物量、總生物量、相對生長速率及根冠比與第一序軸顯著相關，說明以上因子是反映作物功能性狀對PP-MPs 添加響應的重要指標（圖5）。大豆和花生兩種作物對應的點分別投影在PCA 二維平面的兩側，表明整體上花生和大豆功能性狀對PP-MPs 添加的響應存在顯著差異。

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

3 討論

3.1 PP-MPs 添加對大豆和花生生長和植株形態特征的影響

PP-MPs 添加顯著影響作物生長、生物量積累以及植株形態的表達（表1、圖5）。本研究所使用的兩種作物在相對生長速率和總生物量積累方面表現一致，均顯著降低（圖2C、圖2E），該結果證實了農田土壤微塑料污染能夠對作物生長產生一定的負面影響[28]。其中主要的作用機理可能是由于土壤中的PP-MPs 包裹在作物地下部分的表面，阻塞作物的細胞壁孔洞，阻礙作物對水分和營養物質的吸收及轉運[29]，從而抑制大豆和花生的生長速度及生物量積累。值得注意的是，PP-MPs 的添加顯著降低花生的地下生物量，但對大豆的地下生物量無顯著影響，這一差異的產生可能與作物的結實類型有關，PP-MPs僅聚集在大豆根部，但可以聚集在花生的根和果實處，而花生的果實在前期（果針、莢果）同樣具有從土壤中吸收水分和營養物質的功能[30]，因此與大豆相比，PP-MPs 添加對花生生殖生長階段的地下部分可能產生更加嚴重的阻塞作用，從而導致PP-MPs 添加對花生地下生物量積累的抑制作用更加明顯。這一結果表明與地上結實的作物相比，地下結實的作物更易受到土壤微塑料的影響。由于目前對土壤微塑料對作物重要性狀及生長影響的了解相對較少，相關機理需要更多的延續性研究及試驗證據。

在植株形態方面，微塑料污染的影響在作物類型間呈現出明顯的分異特征。與對照相比，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），這說明不同結實類型作物的植株形態對微塑料污染的響應不同。大豆可能通過增大葉面積來增加植株的光截獲能力，在葉片生物量有限的條件下，利用較少的干物質投資來捕獲更多的光以保證葉片的光合收益達到最大[31]，進而抵御微塑料的負面影響。

3.2 PP-MPs添加對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]發現萵苣的葉綠素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]發現隨著微塑料質量濃度的增加，大蒜葉片發生濃縮，從而增大單位面積的葉綠素含量（仍低于對照組）。本研究發現PP-MPs的添加顯著降低大豆葉片的葉綠素含量（圖3C），與上述研究結果一致，這可能是由于微塑料脅迫導致地上結實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 添加對花生葉片的葉綠素含量無顯著影響，這可能是由于地下結實的花生在受到微塑料脅迫后可能通過自身調節維持葉綠素含量的穩定，具體機理仍需進一步探究。此外，葉綠素熒光能夠直接或間接反映外界脅迫對植物生理狀況的影響[35]。本研究中PP-MPs 添加對大豆和花生葉片的Fv/Fm和Y（Ⅱ）無顯著影響，與葉子琪等[36]對生菜葉片的葉綠素熒光的研究結果一致，這可能是由于本實驗所選用的微塑料類型、尺寸及濃度對大豆和花生的毒性較低。

3.3 PP-MPs添加對大豆和花生產量與籽粒品質的影響

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）。大豆和花生在形態和生理生化方面的響應差異，表明大豆和花生百粒重的降低對微塑料添加的響應機制不同。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]，在營養階段和生殖階段減少了干物質向大豆籽粒的運輸和分配[37]。對于花生而言，花生莢果的生長發育是花生籽粒中營養物質積累的關鍵，而花生莢果生長所需的營養物質雖由根和莢果共同提供，但有些營養物質只能依靠莢果自行吸收[38]，PP-MPs 聚集在花生的地下部分，阻礙花生莢果對營養物質的吸收，進而抑制莢果的生長，最終導致花生籽粒的百粒重降低。

除產量外，微塑料污染能夠改變作物籽粒品質，主要影響籽粒的可溶性糖含量。PP-MPs的添加顯著促進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）。可溶性糖作為植物葉片主要的光合產物，反映了塑料添加對作物光合碳的合成及運輸影響[39]。對于地上結實的大豆，在微塑料添加下，雖然其產量（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]，從而促進相對豐富的可溶性糖等光合產物在籽粒積累。而花生方面，如上所述，其地下結實的特點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水分和營養物質的吸收及運輸，營養物質的匱乏可能影響花生地上的光合產物向地下根系及籽粒運移與分配，其中內在的過程與機理，需要通過熒光標記等方法進一步進行驗證和探究。

4 結論

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

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

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