聚丙烯微塑料添加对大豆和花生生长及生理生态特征的影响

江俊涛，陈宏伟，阎薪竹，邓娇娇，魏占波，4，周旺明，周莉，于大炮，王庆伟*

（1.沈阳大学生命科学与工程学院，沈阳 110044；2.中国科学院沈阳应用生态研究所森林生态与管理重点实验室，沈阳 110016；3.东北大学秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066001；4.中国科学院绿色肥料工程实验室，沈阳 110016）

作为一种新型环境污染物，微塑料（microplastics）在土壤环境中的分布及其生物学效应是当前生态、农业和环境科学研究的热点问题之一[1]。微塑料通常指粒径小于5 mm 的塑料颗粒[2]、碎片、纤维及薄膜等[3]，农田土壤微塑料主要来源于农田地膜覆盖[4]、污泥填埋[5]、堆肥[6]、灌溉[6]、大气沉积[7]及汽车轮胎的磨损[8]等。以往微塑料的相关研究主要集中在海洋[9]、河流[10]、湖泊[11]及河口[12]等水域生态系统，近年来有关陆地生态系统微塑料污染问题的研究也日益增多。塑料制品和农田薄膜的大量使用，导致微塑料碎片或颗粒在土壤环境中大量累积，每年进入土壤的微塑料量甚至比海洋环境高出4～23倍[13]，严重威胁陆地生态系统健康和粮食安全，受到全球的高度关注。在2016年的第二届联合国环境大会中，微塑料污染问题被列入全球环境与生态研究领域第二大科学问题[14]。

近些年农田土壤中的微塑料污染问题引起各国学者的广泛关注[15]。目前，农田土壤微塑料的类型主要包括聚丙烯（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）在农田中占比较高[16]。Hu 等[17]发现PPMPs 在我国30 个农田中总体占比可高达65.96%，微塑料不易降解，进入土壤后可长期存在并不断积累，达到一定浓度则会改变土壤理化性质，影响土壤微生物多样性及作物对水肥的利用效率，从而直接或间接调控作物生长发育[18-19]。研究结果表明，PP-MPs 添加能够抑制地下结实作物胡萝卜根生物量积累[20]，然而，其对地上结实作物番茄等根长及根生物量影响较小[21-22]。此外，土壤微塑料的存在能够显著改变作物体内可溶性蛋白和可溶性糖等营养成分的含量[23]。以上研究结果表明，土壤微塑料污染能够显著改变作物的生长、产量和品质，其影响程度可能与作物结实类型直接相关，但目前微塑料对于不同结实类型作物响应特征的比较研究尚未开展。

鉴于此，本研究以地上结实作物大豆（Glycine max）和地下结实作物花生（Arachis hypogaeaL.）为研究材料，选用农田土壤中占比较高的PP-MPs，采用大田原位实验，探究大豆和花生的形态、生长、生理生化及籽粒品质对PP-MPs 添加的响应特征，为准确评估PP-MPs 污染对不同功能类型的作物生长、产量和品质影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验地概况

实验样地位于中国科学院沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站，地处沈阳南郊的苏家屯区十里河镇（41°32′ N，122°23′ E），平均海拔41 m。属于温带半湿润大陆性季风气候，雨热同期，四季分明。年均气温为7～8 ℃，年平均降水量650～700 mm，年总辐射量为504～567 kJ·cm-2，土壤的类型为潮棕壤[24]。

1.2 供试植物材料

供试作物大豆（冬豆88）和花生（白沙308）的种子均采购于辽宁富友种业有限公司。

1.3 供试微塑料材料

PP-MPs 采购于泰利化纤制品有限公司，微塑料纤维的长度为3.00±0.03 mm，直径约30 μm。

1.4 试验设计

田间试验采用双因素设计，因素1 为作物种类，即大豆和花生；因素2为微塑料添加处理，共设2个水平，即不施加PP-MPs 的对照组（标记为CK）和施加0.40%（微塑料的质量与土壤质量的比值）PP-MPs 的试验组，微塑料添加的浓度参考Lozano[25]，共4 个处理，每个处理4个重复，采用随机区组设计，共16个小区，每个小区的面积为1 m×1 m。微塑料添加前将所有小区内0～20 cm 的表层土取出，随机选取8 个小样方添加PP-MPs，PP-MPs 与表层土混匀后（8 个对照组仅将取出的表层土混匀），重新回填至各小区。

试验于2021 年6 月初至10 月初进行，每个小区内设置9穴，作物的种植方式为穴播，每穴播种5粒种子，出苗后每穴定植一株。定期管理维护，包括田间除草，追施肥料（纯硫酸钾型复合型肥料，N-P2O5-K2O为12-18-15等。

1.5 测定方法

生理生化指标：2021 年8 月27 日天气晴朗，于9：00—11：00 及13：00—15：00，使用便携式荧光仪（型号MINI-PAM-Ⅱ，Heinz-Walz 公司，德国）测定光系统Ⅱ的最大光能转换效率（Fv/Fm）和光系统Ⅱ的实际光能转换效率[Y（Ⅱ）]；使用Dualex 植物氮平衡指数测量仪（型号FORCE-A，Orsay，法国）测定叶片的叶绿素含量（Chl）和类黄酮含量（Flav）。

植株形态指标：使用刚卷尺和游标卡尺测量大豆和花生的株高和地径；用CanoScan 图像扫描仪对叶片进行扫描，使用Fiji 软件计算叶面积；将扫描后的叶片放入烘箱烘干至质量恒定；植株的叶面积比值（SLA）按以下公式计算：

SLA=叶片面积（cm2）/叶片干质量（g）

生长指标：作物成熟后，将其根、茎、叶、果实各部分分离，清洗干净后置于烘箱烘干至质量恒定，计算大豆和花生的地上生物量、地下生物量、总生物量、根冠比及相对生长速率，采用下列公式计算根冠比和相对生长速率（RGR）：

根冠比=地下生物量（g）/地上生物量（g）

式中：M1代表初始样品总生物量；M2代表成熟期样品总生物量。

籽粒品质：随机称取烘干后的大豆和花生种子100 粒，计算百粒重；采用蒽酮比色法测定籽粒中的淀粉及可溶性糖含量[26]；采样凯氏定氮法测定籽粒中的粗蛋白含量[27]。

1.6 数据处理

使用广义线性模型（GLM：Generalized Linear Models）分析PP-MPs添加、作物类型（大豆和花生）及其交互作用对植株形态、生长、生理生化指标及籽粒品质的影响，选用独立样本T 检验进一步分析微塑料添加对大豆和花生的影响，并使用主成分分析（PCA）分析微塑料添加下作物性状的响应格局。统计分析使用SPSS完成，使用OriginPro（2021）绘图。

2 结果与分析

2.1 作物形态对PP-MPs添加的响应

PP-MPs添加与作物类型的交互作用对作物的株高和叶面积比值均存在显著影响（χ2=4.80，P=0.03；χ2=4.47，P=0.03。表1）。PP-MPs 添加显著降低花生植株的株高，降幅为2.64%，对大豆的株高无显著影响（图1A）；PP-MPs 添加对大豆和花生的地径均无显著影响；PP-MPs添加显著增加了大豆的叶面积比值，增幅为28.07%，但对花生的叶面积比值无显著影响（图1C）。

图1 大豆和花生植株形态对PP-MPs添加的响应Figure 1 Morphological response of soybean and peanut to the polypropylene microplastic addition

表1 聚丙烯微塑料添加对大豆和花生主要功能性状和生长的影响Table 1 Response of functional traits of soybean and peanut to the polypropylene microplastics addition

2.2 作物生长和生物量积累对PP-MPs的响应

PP-MPs添加对作物的生物量积累和生长速率均存在显著影响（表1），与对照相比，PP-MPs 添加显著降低大豆的地上生物量、总生物量和相对生长速率，降幅分别为14.07%、13.61%和13.23%；同样，PP-MPs添加显著降低花生的地上生物量、总生物量和相对生长速率，降幅分别为18.64%、17.10%和16.12%（图2A、图2C、图2E）。此外，PP-MPs 添加与作物类型的交互作用对作物的地下生物量存在显著影响（χ2=14.54，P＜0.01），PP-MPs 添加显著降低了花生地下生物量积累，降幅为15.77%，但对大豆的地下生物量无显著影响（图2B）。PP-MPs 添加对大豆和花生的根冠比无显著影响（图2D）。

图2 大豆和花生植株生长与生物量分配对PP-MPs添加的响应Figure 2 Response of growth and biomass allocation of soybean and peanut to the polypropylene microplastic addition

2.3 作物叶片生理生化特征对聚丙烯微塑料添加的响应

PP-MPs添加与作物类型的交互作用对作物的叶绿素含量存在显著影响（χ2=9.03，P＜0.01，表1）。PPMPs添加显著降低大豆的叶绿素含量，降幅为5.74%，但对花生的叶绿素含量无显著影响（图3-C）。此外，PP-MPs 添加对大豆和花生叶片的Fv/Fm、Y（Ⅱ）及类黄酮含量均无显著影响（图3A、图3B、图3D）。

图3 大豆和花生生理生化性状对PP-MPs添加的响应Figure 3 Response of physiological and biochemical traits of soybean and peanut to the polypropylene microplastic addition

2.4 作物籽粒品质对PP-MPs添加的响应

PP-MPs 添加显著降低了大豆与花生籽粒的百粒重，降幅分别为7.84%和11.98%（图4A）。此外，PP-MPs 添加与作物类型的交互作用对作物籽粒的百粒重和可溶性糖含量存在显著交互作用（χ2=5.50，P=0.02；χ2=41.83，P＜0.01。表1），PP-MPs 添加显著提高了大豆籽粒可溶性糖含量，增幅为25.82%；与之相反，PP-MPs 添加降低了花生籽粒可溶性糖含量，降幅为25.51%（图4B）。PP-MPs 添加对大豆和花生的淀粉和粗蛋白含量无显著影响（图4C，图4D）。

图4 大豆和花生籽粒品质对PP-MPs添加的响应Figure 4 Response of grain quality of soybean and peanut to the polypropylene microplastic addition

2.5 作物功能性状对PP-MPs添加响应的分异特征

主成分分析结果表明，第一主成分的贡献率为73.40%，第二主成分的贡献率为10.60%，前两个主成分的累计贡献率为84.00%，表明仅第一主成分和第二主成分即可以较好地解释各个指标的变化。地上生物量、株高、地径、粗蛋白、地下生物量、总生物量、相对生长速率及根冠比与第一序轴显著相关，说明以上因子是反映作物功能性状对PP-MPs 添加响应的重要指标（图5）。大豆和花生两种作物对应的点分别投影在PCA 二维平面的两侧，表明整体上花生和大豆功能性状对PP-MPs 添加的响应存在显著差异。

图5 作物功能性状对PP-MPs添加响应的主成分分析Figure 5 PCA among responses of crop functional traits to the polypropylene microplastic addition

3 讨论

3.1 PP-MPs 添加对大豆和花生生长和植株形态特征的影响

PP-MPs 添加显著影响作物生长、生物量积累以及植株形态的表达（表1、图5）。本研究所使用的两种作物在相对生长速率和总生物量积累方面表现一致，均显著降低（图2C、图2E），该结果证实了农田土壤微塑料污染能够对作物生长产生一定的负面影响[28]。其中主要的作用机理可能是由于土壤中的PP-MPs 包裹在作物地下部分的表面，阻塞作物的细胞壁孔洞，阻碍作物对水分和营养物质的吸收及转运[29]，从而抑制大豆和花生的生长速度及生物量积累。值得注意的是，PP-MPs 的添加显著降低花生的地下生物量，但对大豆的地下生物量无显著影响，这一差异的产生可能与作物的结实类型有关，PP-MPs仅聚集在大豆根部，但可以聚集在花生的根和果实处，而花生的果实在前期（果针、荚果）同样具有从土壤中吸收水分和营养物质的功能[30]，因此与大豆相比，PP-MPs 添加对花生生殖生长阶段的地下部分可能产生更加严重的阻塞作用，从而导致PP-MPs 添加对花生地下生物量积累的抑制作用更加明显。这一结果表明与地上结实的作物相比，地下结实的作物更易受到土壤微塑料的影响。由于目前对土壤微塑料对作物重要性状及生长影响的了解相对较少，相关机理需要更多的延续性研究及试验证据。

在植株形态方面，微塑料污染的影响在作物类型间呈现出明显的分异特征。与对照相比，PP-MPs 添加下，花生的株高显著降低2.64%，而大豆叶面积比值显著增加28.07%（图1A、图1C），这说明不同结实类型作物的植株形态对微塑料污染的响应不同。大豆可能通过增大叶面积来增加植株的光截获能力，在叶片生物量有限的条件下，利用较少的干物质投资来捕获更多的光以保证叶片的光合收益达到最大[31]，进而抵御微塑料的负面影响。

3.2 PP-MPs添加对大豆和花生生理生化的影响

叶绿素作为参与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]发现莴苣的叶绿素a，叶绿素b 和类胡萝卜素在微塑料胁迫下显著降低，邱陈陈等[34]发现随着微塑料质量浓度的增加，大蒜叶片发生浓缩，从而增大单位面积的叶绿素含量（仍低于对照组）。本研究发现PP-MPs的添加显著降低大豆叶片的叶绿素含量（图3C），与上述研究结果一致，这可能是由于微塑料胁迫导致地上结实大豆的叶片叶面积比值显著增大，叶片变的大而薄，从而使叶片单位面积的叶绿素含量降低。然而PP-MPs 添加对花生叶片的叶绿素含量无显著影响，这可能是由于地下结实的花生在受到微塑料胁迫后可能通过自身调节维持叶绿素含量的稳定，具体机理仍需进一步探究。此外，叶绿素荧光能够直接或间接反映外界胁迫对植物生理状况的影响[35]。本研究中PP-MPs 添加对大豆和花生叶片的Fv/Fm和Y（Ⅱ）无显著影响，与叶子琪等[36]对生菜叶片的叶绿素荧光的研究结果一致，这可能是由于本实验所选用的微塑料类型、尺寸及浓度对大豆和花生的毒性较低。

3.3 PP-MPs添加对大豆和花生产量与籽粒品质的影响

PP-MPs 添加下，大豆和花生的百粒重分别降低7.84%和11.98%，大豆和花生籽粒的饱满程度受到影响（图4A）。大豆和花生在形态和生理生化方面的响应差异，表明大豆和花生百粒重的降低对微塑料添加的响应机制不同。大豆百粒重的降低可能是由于其叶绿素含量降低抑制了光合碳同化效率[33]，在营养阶段和生殖阶段减少了干物质向大豆籽粒的运输和分配[37]。对于花生而言，花生荚果的生长发育是花生籽粒中营养物质积累的关键，而花生荚果生长所需的营养物质虽由根和荚果共同提供，但有些营养物质只能依靠荚果自行吸收[38]，PP-MPs 聚集在花生的地下部分，阻碍花生荚果对营养物质的吸收，进而抑制荚果的生长，最终导致花生籽粒的百粒重降低。

除产量外，微塑料污染能够改变作物籽粒品质，主要影响籽粒的可溶性糖含量。PP-MPs的添加显著促进了大豆籽粒可溶性糖含量的积累（25.82%），但花生的可溶性糖含量显著降低25.51%（图4B）。可溶性糖作为植物叶片主要的光合产物，反映了塑料添加对作物光合碳的合成及运输影响[39]。对于地上结实的大豆，在微塑料添加下，虽然其产量（百粒重）受到抑制，但显著增加的叶面积比值能够提高光截获能力及光合碳同化效率[31]，从而促进相对丰富的可溶性糖等光合产物在籽粒积累。而花生方面，如上所述，其地下结实的特点更容易受到根际土壤微塑料富集的影响，微塑料的阻塞作用影响花生对水分和营养物质的吸收及运输，营养物质的匮乏可能影响花生地上的光合产物向地下根系及籽粒运移与分配，其中内在的过程与机理，需要通过荧光标记等方法进一步进行验证和探究。

4 结论

（1）聚丙烯微塑料（PP-MPs）添加对大豆和花生的生长和生物量积累均表现出抑制作用。

（2）PP-MPs 添加下大豆叶片的叶绿素含量显著降低5.74%，但对花生的叶绿素含量无显著影响，同样大豆和花生的Fv/Fm、Y（Ⅱ）及类黄酮含量也无明显变化。

（3）PP-MPs 添加对大豆和花生籽粒的百粒重影响一致，但对大豆和花生籽粒的可溶性糖含量影响截然相反。