微塑料对小麦农艺性状及氮素利用效率的影响

陈 熹， 马 琼， 陶宗娅， 吕浩宇， 李胜岚， 吴 国

（四川师范大学生命科学学院，四川成都610101）

塑料制品地膜为农作物增产作出了巨大贡献，被誉为“白色工程”.但地膜难以降解，大量残膜碎片堆积在耕作层，导致土壤含水量和孔隙度降低［1-2］，对土壤肥力、作物根系发育等产生了不同程度的影响，导致了“白色污染”［3］.光降解、生物降解等多种可降解地膜被认为是解决“白色污染”问题的最有效途径之一［4］.然而，可降解地膜被迅速降解为在土壤中肉眼难以识别的小颗粒，其中直径小于5 mm的颗粒被认为是微塑料，这些微塑料在土壤中仍然难以降解，其安全性有待进一步评价［5］.

微塑料具有疏水性、颗粒小等特征，更易吸附各种有机污染物、重金属等有毒的化学物质［6-7］.Lee等［8］研究发现聚乙烯型微塑料比聚丙烯型更易吸附多环芳烃；Wang等［9］研究发现聚乙烯对全氟辛烷磺酰胺的吸附结合能力强于聚氯乙烯、聚苯乙烯；微塑料对污染物的结合能力还与其粒径大小有关.陆地土壤的微塑料可通过降雨、灌溉、河流、洋流等途径对水体环境产生污染，并可远距离迁移，扩大污染范围［10-12］.已有研究发现，微塑料会覆盖在海洋微藻表面抑制其光合作用和生长［13］，也会被斑马鱼、乌龟、海豚等许多生物摄入或吸附到体内［14-16］，还可以通过食物链的富集效应，使得高级捕食者和人类受影响的概率增大［17］.目前，国内外关于微塑料危害的研究主要集中于海洋生态系统等水体环境，并已取得较多成果.对所谓的可降解地膜降解形成的微塑料在农田土壤耕作层积累对作物生长发育影响的研究还鲜有报道.

本研究着眼于可降解地膜降解后形成的微塑料颗粒在土壤中的累积对作物生长发育的影响，以不同分子质量的聚乙烯粉末模拟可降解地膜形成的微塑料颗粒，将不同量的聚乙烯粉末添加到河滩沙土中种植小麦.测定小麦的农艺性状，并检测土壤全氮和碱解氮含量、脲酶和蛋白酶活性以及小麦叶片硝酸还原酶（NR）活性和可溶性蛋白质含量，探究微塑料对小麦农艺性状及氮素利用效率的影响.研究微塑料对农作物生长发育影响的机制，为可降解地膜真正的环保安全性评价提供实验依据.

1 材料与方法

图1 不同分子质量聚乙烯粉末Fig.1 The polyethylene powders

表1 供试沙土理化性质Tab.1 The physical and chemical properties of soil used in the experiment

1.1 实验材料小麦（Triticum aestivum L.），品种为川农16，购自四川农科种业有限公司.聚乙烯粉末分子质量分别为2 000、5 000和100 000 D，如图1所示，购自中石化广东茂名分公司.供试土壤采用河滩沙土，其理化性质如表1.1.2 实验设计 将分子质量分别为2 000、5 000和100 000 D的微塑料粉末添加到沙土中，由生产中 90 kg／hm2覆膜量连续覆膜 1、5、10、50 和 100 a后降解形成的微塑料累积量，折算成质量浓度为0.042、0.212、0.424、2.121 和4.241 g／kg 的累积量，以不添加聚乙烯粉末的沙土作为对照组（CK）.

实验于2018年11月至2019年5月在四川师范大学盆栽场进行.自然播种，苗期匀苗定植，保持8～10株／盆.开花期取小麦新鲜功能叶片测定其硝酸还原酶（NR）活性、可溶性蛋白含量；成熟期进行拷种，测定其农艺性状；采用四分法采集土壤样本，于白瓷盘中阴凉风干后，分别过40目和80目标准筛，分别用于测定土壤氮含量及土壤脲酶和蛋白酶活性.

1.3 实验方法

1.3.1 小麦农艺性状测定 测定成熟小麦的株高、穗长，记录穗数、小穗数、穗粒数、穗粒重、千粒重等重要的农艺性状指标.

1.3.2 土壤氮及小麦氮代谢指标的测定 采用凯氏定氮法测全氮，碱解扩散法［18］测碱解氮含量；采用靛酚比色法［19］测定土壤脲酶活性，以 mg／（g·24h）FW表示；采用加勒斯江法［20］测定土壤蛋白酶活性，以 mg／（g·24h）FW 表示；采用离体法［21］测定NR活性，以μg／（g·h）FW表示；采用考马斯亮蓝法［21］测定可溶性蛋白含量.

1.4 数据分析采用SPSS 20软件进行单因素方差分析（ANOVA）分析，用Origin 2018绘图.

2 实验结果

2.1 微塑料对小麦农艺性状的影响由图2可见，同一分子质量的微塑料，其不同累积量处理对小麦株高、穗长、有效穗、小穗数、穗粒数和穗粒重无显著影响（图2A～F）.

累积量相同时，不同分子质量处理之间部分农艺性状指标有显著差异：

1）累积量为5年量时，5 000 D处理组的穗长显著低于CK，2 000 D处理组的有效穗和小穗数显著高于100 000 D处理组（图2B和D）；

2）累积量为10年量时，100 000 D的穗粒数显著低于2 000和5 000 D处理组（图2E）；

3）累积量为100年量时，5 000 D处理组的有效穗显著低于2 000和100 000 D处理组（图2C）.

由图2G可见，分子质量为2 000 D时，不同累积量处理的千粒重与CK相比均无显著差异；分子质量为5 000 D时，各累积量处理下的千粒重均显著低于CK，10年量处理组最低，相较CK降低了13.5%；分子质量为100 000 D时，各累积量处理下的千粒重也低于CK.结果表明，微塑料累积会显著降低小麦的千粒重，对种子的饱满度产生影响，且与分子质量大小密切相关，其中以5 000 D的分子质量影响最为显著.小麦籽粒饱满度与开花期氮素营养代谢密切相关，故深入分析分子质量为5 000 D的微塑料对小麦氮素利用的影响.

图2 微塑料对小麦农艺性状的影响Fig.2 Effects of microplastics on agronomic characters of wheat

2.2 微塑料对土壤氮素周转的影响

2.2.1 处理组土壤氮含量显著高于CK 由图3可见，随着分子质量为5 000 D的微塑料在土壤中积累量增加，土壤的全氮、碱解氮含量主要呈下降趋势，但均高于CK.在不同累积量下，全氮含量均显著高于CK，比CK高出5.7% ～36.0%（图3A）；1、5、10和100年量处理下的碱解氮含量也显著高于 CK，比 CK 升高了18.4% ～28.3%（图3B）.

图3 微塑料（5 000 D）对土壤全氮和碱解氮含量的影响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 由图4可见，分子质量为5 000 D的微塑料在土壤中积累，土壤脲酶和蛋白酶活性均显著高于CK.脲酶活性随累积量的增大而降低，但均显著高于CK（图4A），1～100年量处理下分别比 CK升高了70.1%、67.9%、61.8%、56.9%和 39.5%；蛋白酶活性也显著高于CK（图4B），随累积量增加其活性呈现先升高后降低的趋势，添加微塑料后蛋白酶活性比CK高出1～2倍.

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

2.3 对小麦可溶性蛋白及NR活性的影响由图5可见，随着分子质量为5 000 D的微塑料在土壤中累积量增加，小麦NR活性和可溶性蛋白质含量呈降低的趋势，在50年量处理下降至最低.1、5、10和100年量处理下NR活性均显著高于CK（图5A），分别比 CK 升高了161.9%、140.8%、101.8%和84.8%.可溶性蛋白质含量在5、10、50和100年量处理下均显著低于CK（图5B），分别比CK降低了 6.5%、15.1%、32.4%和 8.0%.

图5 微塑料（5 000 D）对小麦NR活性和可溶性蛋白质含量的影响Fig.5 Effects of microplastics（5 000 D）on NR activities and soluble protein content in wheat

3 讨论与结论

3.1 讨论本研究结果显示，微塑料在土壤中积累，小麦千粒重显著降低，其他农艺形状变化不显著，说明微塑料在土壤中积累会影响小麦籽粒的饱满度.微塑料分子质量和累积量的增加，对小麦千粒重的抑制程度先增强后减弱，这与聚苯乙烯微球和低密度线性聚乙烯等类型的微塑料对小麦种子萌发及幼苗生长的影响类似［22-23］.小麦籽粒饱满程度与开花期旗叶的氮素营养水平极显著相关［24］.植物主要以的形式吸收氮素，而NR是植物将无机硝态氮转化成为有机氮的关键酶，NR活性可在一定程度上指示小麦氮素利用效率.有研究表明：小麦开花期的NR水平与氮效率呈正相关，其他时期不相关甚至负相关［25］；是植物氮代谢的主要调节因子，可调节小麦NR的mRNA合成，并影响NR激酶的活性［26］.本研究发现，虽然微塑料在土壤中积累全氮和碱解氮（图1）含量都增加，土壤氮素肥力不受负面影响（图4），土壤中的氮素被小麦吸收后，也有效地诱导了NR的活性增强（图5A），促进转化为，但小麦可溶性蛋白含量却显著降低（图5B），表明微塑料在土壤中的积累可间接影响小麦蛋白质的合成代谢，从而降低对氮素的利用效率，导致饱满度降低而减产.

微塑料会影响土壤的理化因素以及微生物多样性进而影响土壤肥力.文献［27-28］研究发现不同分子质量的聚乙烯在土壤中的积累对土壤微生物多样性的影响差异较大，即多样性增加和减少的情况都有出现.张春惠［29］研究发现，土壤中的微塑料能够通过增加土壤孔隙度和持水量等改善土壤的物理性质，也能够提高土壤酶的活性，从而促进土壤氮素等的循环，具有改善土壤微环境的潜力.文献［30-31］研究发现微塑料可使微生物群落结构和多样性增加，并能改善土壤化学性质.有研究表明，微塑料可使土壤酶活性出现不同程度的升高，微生物的群落组成发生转变［32］.本研究结果显示，随着微塑料在土壤中的积累，全氮、碱解氮含量增加，土壤脲酶、蛋白酶活性被显著激活，促进土壤氮素周转，对河滩沙土肥力表现积极作用.

微塑料不会通过细胞壁进入植物体［33］，但容易吸附农药添加剂和重金属等有害物质，这与其形状、粒径、组分和老化程度密切相关［34］.本研究中分子质量为5 000 D的微塑料在土壤中的积累，对土壤氮素表现出积极作用，但对小麦产量影响显著，饱满度降低.这与小麦吸收土壤氮素后体内氮素利用率受到影响有关，推测5 000 D分子质量的微塑料更易吸附其他污染物，其具体机制有待进一步研究.

3.2 结论综上结论如下：

1）5 000 D微塑料在土壤中的积累，小麦千粒重显著降低，饱满度受到影响，而其他农艺性状变化不显著；

2）5 000 D微塑料积累会在一定程度上激活土壤脲酶和蛋白酶，促进土壤氮素周转，土壤全氮和碱解氮含量增加.

3）微塑料积累并不影响土壤氮素肥力，而是在小麦吸收氮素后，体内可溶性蛋白合成代谢受到影响，从而导致氮素利用率降低，籽粒不饱满，千粒重下降.

致 谢四川师范大学“创新创业训练计划”项目（S201910636445）和四川师范大学开放实验项目（KFSY2019008）对本文给予了资助，谨致谢意.