張 彥,竇 明,鄒 磊,李 平,梁志杰,李桂秋 (1.鄭州大學水利科學與工程學院,河南 鄭州 0001；2.中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所,河南 新鄉(xiāng) 3002；3.農業(yè)農村部農產品質量安全水環(huán)境因子風險評估實驗室,河南 新鄉(xiāng)3002；.鄭州大學生態(tài)與環(huán)境學院,河南 鄭州 0001；.中國科學院地理科學與資源研究所,陸地水循環(huán)及地表過程院重點實驗室,北京 100101；6.中國農業(yè)科學院新鄉(xiāng)農業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站,河南 新鄉(xiāng) 3002)

微塑料作為一種全球公認的新型環(huán)境污染物,廣泛地存在于土壤生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、陸地水生環(huán)境系統(tǒng)以及海洋環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中,一般指直徑小于 5mm的塑料纖維、顆粒、碎片和薄膜等[1].由于塑料制品具有輕便、成本低、耐用和可塑性強等特點被應用于各個領域,據(jù)統(tǒng)計2019年我國塑料制品產量達到了8184萬t,其中農田地膜使用量約為140.4萬t;而塑料制品使用后進入生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中,在環(huán)境因素的作用下破碎成顆粒形成大量的微塑料[2].微塑料給生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn),同時也間接增加了人類健康的風險.

目前,微塑料的研究主要集中在海洋環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)和陸地水生環(huán)境系統(tǒng)中,如微塑料在海洋[3-5]、海岸[6-9]、河流[10-13]、河口[14]以及湖泊[15-17]水體或沉積物的賦存特征,以及微塑料在海洋水體中的遷移規(guī)律方面[18-19],而針對土壤生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中微塑料環(huán)境行為及其影響機制研究相對較少.相關研究表明土壤生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是微塑料的主要儲存地[20-21],其主要來源途徑有農用塑料地膜殘留、污泥利用、有機肥施用、地表徑流、再生水灌溉、大氣沉降以及塑料垃圾填埋等[22-25],進入土壤生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的微塑料不僅能夠影響土壤的理化性質和功能,還對土壤中的動植物生長、微生物多樣性及群落結構產生負面作用[26-28].對于微塑料影響植物生長方面目前研究涉及到的主要有小麥(Triticum aestivum L.)、大豆(Glycine max)、洋蔥(Allium cepa)、水芹(Lepidium sativum)和黑麥草(Lolium perenne L.)等,如廖苑辰等[29]研究表明高濃度聚苯乙烯熒光微球(Fluorescent polystyrene microspheres, PS-MPs)抑制小麥根莖生長的作用顯著,連加攀等[30]研究表明低中濃度的微塑料(＜500mg/L)對小麥種子發(fā)芽率有抑制作用,李瑞杰等[31]研究發(fā)現(xiàn)亞微米級聚苯乙烯(Polystyrene PS)塑料微球能被小麥吸收進入根部外皮層質外體空間和維管組織,Qi等[32]發(fā)現(xiàn)地膜類型對小麥生長影響較大且淀粉基生物降解塑料(Starch-based biodegradable plastic)地膜對小麥生長的負面影響強于低密度聚乙烯(Low-density polyethylene);吳佳妮等[33]發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯納米塑料(Polystyrene Nanoplastics, PSNPS)對大豆根莖苗長呈現(xiàn)“低濃度促進,中高濃度抑制”的現(xiàn)象;Giorgetti等[34]發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯納米塑料能夠內化于洋蔥根分生區(qū)細胞,Bosker等[35]發(fā)現(xiàn)不同粒徑的微塑料對水芹的發(fā)芽率均顯著降低且隨著粒徑的增加影響的負面作用也增加,Boots等[36]研究了不同類型的微塑料對土壤中蚯蚓與黑麥草生長的影響作用并評價了微塑料在土壤中的生物物理響應.

微塑料對植物生長的影響研究目前尚處于起步階段,因此,本文以小麥(Triticum aestivum L.)作為供試作物,設定不同微塑料類型、粒徑和質量濃度在自然環(huán)境下通過盆栽試驗揭示了不同微塑料賦存環(huán)境下對小麥種子發(fā)芽率、生長特征和生長趨勢的影響作用,以期為微塑料對植物生長的影響機理及其生態(tài)環(huán)境效應評估提供的數(shù)據(jù)支撐和技術依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤與處理 試驗土壤于2020年8月采自中國農業(yè)科學院新鄉(xiāng)農業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站周邊未使用農用塑料地膜和再生水灌溉的農田耕作層土壤(0～20cm),土壤質地為砂壤土.土壤經(jīng)過自然風干后篩選出肉眼可見的動植物殘渣、塑料碎片以及石塊等,之后用5mm篩網(wǎng)將土壤過篩備用,并取回部分土樣帶回實驗室測定供試土壤的基本理化性質及微塑料豐度,其中土壤微塑料提取采用密度懸浮法,具體情況如表1所示.

表1 供試土壤基本理化性質及微塑料豐度Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil and abundance of microplastics

1.1.2 供試種子與處理 試驗小麥(Triticum aestivum L.)種子選用百農4199(豫審麥2017003),購自新鄉(xiāng)市某市場,百農4199是國內首個高光效和半冬性中早熟小麥品種,適合河南省早中茬地種植.試驗前選擇籽粒飽滿和狀態(tài)健康的小麥種子,利用辛硫磷進行拌種,使辛硫磷和小麥種子表層充分混合備用.

1.1.3 微塑料的選取與處理 微塑料選用聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚乳酸生物可降解塑料(PLA)3種微塑料類型,購自東莞市鑫利塑膠原料有限公司,3種微塑料類型分別制作成粒徑為150μm、1000μm 和 4000μm 左右的粉或顆粒備用.不同微塑料表面特征掃描電鏡圖見圖1所示.

圖1 不同微塑料表面特征掃描電鏡Fig.1 Scanning electron micrograph of different microplastic surface characteristics

1.2 試驗設計及過程

試驗在中國農業(yè)科學院新鄉(xiāng)農業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站進行,根據(jù)已有農田土壤微塑料含量及粒徑大小調查研究[32,37-38],分別置3種微塑料類型(PP、HDPE 和 PLA)、粒徑(150μm、1000μm和 4000μm)和質量濃度(0.1g/kg、0.5g/kg和 1g/kg),并設置不添加微塑料的對照組(CK),共計28種處理方式,每個處理方式重復 3次.每種處理下利用供試土壤5kg,按比例將不同微塑料添加到土壤中充分均勻混合,置于塑料花盆(外口直徑 26.5cm、內口直徑23cm、高17.6cm和底部直徑15.7cm)中.將拌種后的小麥種子于2020年10月25日播種在處理好的花盆中,每盆播種 25粒小麥種子,播種后 7d內記錄每天小麥種子的發(fā)芽個數(shù);并于2020年10月30日、11月2日、11月5日、11月10日、11月16日、11月23日和11月30日利用厘米尺測量小麥幼苗生長的苗高,每盆測量固定的10株小麥幼苗,每個處理下的苗高為測量30株小麥幼苗苗高的平均值;另外,在整個小麥苗期生長試驗過程中未施用肥料.

1.3 測定指標方法

為了分析不同微塑料對小麥萌發(fā)的影響作用,根據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)依據(jù)以下相關公式計算小麥發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、平均發(fā)芽時間以及發(fā)芽抑制率等[30,39-40]指標,具體如下:

式中:Gt為小麥發(fā)芽開始后第td內的發(fā)芽個數(shù),Dt為對應的發(fā)芽時間,S為一定時期內的幼苗長度,F為小麥種子在第Xd的新發(fā)芽個數(shù),X是發(fā)芽天數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013和SPSS21.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和方差分析,試驗結果采用平均值±標準偏差(Mean±SD)表示,其中方差分析選取 95%置信水平,應用Duncan檢驗法對不同處理間的差異性進行多重比較分析.

2 結果與分析

2.1 微塑料對小麥種子發(fā)芽率的影響

小麥發(fā)芽率是表明小麥種子在微塑料暴露條件下其萌發(fā)能力大小的主要指標,不同微塑料對小麥種子平均發(fā)芽率和平均發(fā)芽抑制率的情況如圖2和圖 3所示.小麥種子平均發(fā)芽率和平均發(fā)芽抑制率在不同微塑料類型、粒徑和質量濃度處理間得差異性不顯著(P＜0.05),而不同微塑料類型、粒徑和質量濃度下小麥種子平均發(fā)芽率均低于對照組小麥種子平均發(fā)芽率,說明在整體上在微塑料暴露下一定程度上降低了小麥種子平均發(fā)芽水平.不同微塑料類型對小麥種子平均發(fā)芽抑制率呈現(xiàn)出HDPE＞PLA＞PP,說明 HDPE 對小麥發(fā)芽的抑制作用最大,PP對小麥發(fā)芽的抑制作用最小;對于微塑料粒徑和質量濃度,當粒徑為中粒徑(1000μm)時小麥種子平均發(fā)芽率最小為82.67%,平均發(fā)芽抑制率最大為 5.65%,而粒徑為低粒徑(150μm)和高粒徑(4000μm)時小麥種子平均發(fā)芽率具有增大的趨勢,且平均發(fā)芽抑制率有所下降,其中當粒徑為高粒徑(4000μm)時平均發(fā)芽抑制率最小為 0.20%;當質量濃度為中濃度(0.5g/kg)時小麥種子平均發(fā)芽率最小為83.36%,平均發(fā)芽抑制率最大為4.55%,而當質量濃度為低濃度(0.1g/kg)和高濃度(1g/kg)時小麥種子平均發(fā)芽率有所增加且平均發(fā)芽抑制率有所下降;因此當微塑料為中粒徑(1000μm)和中濃度(0.5g/kg)時對小麥種子發(fā)芽的抑制作用最大,而低或高粒徑和質量濃度時對小麥種子發(fā)芽的抑制作用有所減弱.

圖2 不同微塑料下小麥種子平均發(fā)芽率Fig.2 The average germination rates of wheat seed under different microplastics

圖3 不同微塑料下小麥種子平均發(fā)芽抑制率Fig.3 The germination inhibition rates of wheat seed under different microplastics

不同微塑料類型、粒徑和質量濃度對小麥種子發(fā)芽率影響的顯著性結果如表 2所示.在相同的微塑料粒徑和質量濃度條件下不同微塑料類型間小麥種子發(fā)芽率具有一定的差異,但差異性不顯著(P＞0.05),且不同微塑料類型間小麥種子發(fā)芽率變化趨勢不明顯.在相同的微塑料類型和質量濃度條件下不同微塑料粒徑間小麥種子發(fā)芽率具有一定的差異,其中在PP和質量濃度為低濃度(0.1g/kg)時小麥種子發(fā)芽率具有顯著差異性(P＜0.05),其余情況的差異性不顯著(P＞0.05);在PP和質量濃度條件下不同微塑料粒徑間小麥種子發(fā)芽率變化趨勢不明顯,在HDPE和質量濃度條件下微塑料粒徑為中粒徑(1000μm)時的小麥種子發(fā)芽率最低,在PLA和質量濃度條件下不同微塑料粒徑間小麥種子發(fā)芽率基本上呈現(xiàn) 150μm＜1000μm＜4000μm.在相同的微塑料粒徑和粒徑條件下不同微塑料質量濃度間小麥種子發(fā)芽率具有一定的差異,但差異性不顯著(P＞0.05),且不同微塑料質量濃度類型間小麥種子發(fā)芽率變化趨勢不明顯.微塑料為 PP且粒徑和質量濃度均為低粒徑(150μm)和低濃度(0.1g/kg)或中粒徑(1000μm)和中濃度(0.5g/kg)時小麥種子發(fā)芽抑制率最大為11.54%,粒徑和質量濃度分別為高粒徑(4000μm)和低濃度(0.1g/kg)時對小麥種子發(fā)芽具有一定的促進作用,發(fā)芽抑制率為-5.43%;微塑料為 HDPE且粒徑和質量濃度分別為中粒徑(1000μm)和低濃度(0.1g/kg)時小麥種子發(fā)芽抑制率最大為 17.57%,粒徑和質量濃度分別為高粒徑(4000μm)和中濃度(0.5g/kg)時對小麥種子發(fā)芽具有一定的促進作用,發(fā)芽抑制率為-1.14%;微塑料為 PLA且粒徑和質量濃度分別為低粒徑(150μm)和中濃度(0.5g/kg)時小麥種子發(fā)芽抑制率最大為11.54%,粒徑和質量濃度分別為高粒徑(4000μm)和低濃度(0.1g/kg)時對小麥種子發(fā)芽具有一定的促進作用,發(fā)芽抑制率為-1.14%.綜上可知,微塑料粒徑對小麥種子發(fā)芽率的影響作用較大,而微塑料類型和質量濃度次之.

表2 不同微塑料對小麥種子發(fā)芽率的影響Table 2 Effects of different microplastics on the germination rates of wheat seeds

2.2 微塑料對小麥種子生長特征的影響

為分析微塑料對小麥種子生長特征,以發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和平均發(fā)芽時間指標表征微塑料對小麥種子生長特征的影響作用,具體情況如表3和圖 4所示.對于微塑料 PP,與對照組相比不同粒徑和質量濃度間小麥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和平均發(fā)芽時間的差異性不顯著(P＞0.05),而活力指數(shù)具有顯著的差異性(P＜0.05).對于微塑料 HDPE,與對照組相比在不同粒徑條件下不同質量濃度間的發(fā)芽勢均具有顯著的差異性(P＜0.05),而發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和平均發(fā)芽時間在低和中粒徑(150μm和1000μm)下不同質量濃度間具有顯著的差異性(P＜0.05);與對照組相比在中濃度(0.5g/kg)條件下不同粒徑間的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和平均發(fā)芽時間均具有顯著的差異性(P＜0.05).對于微塑料 PLA,與對照組相比在低和高粒徑(150μm和4000μm)下不同質量濃度間的發(fā)芽勢和平均發(fā)芽時間具有顯著的差異性(P＜0.05),而發(fā)芽指數(shù)在低粒徑(150μm)下不同質量濃度間具有顯著的差異性(P＜0.05);與對照組相比低和中濃度(0.1g/kg和0.5g/kg)下不同粒徑間的發(fā)芽勢和平均發(fā)芽時間具有顯著的差異性(P＜0.05),而發(fā)芽指數(shù)在中濃度(0.5g/kg)下不同粒徑間具有顯著的差異性(P＜0.05);與對照組相比不同粒徑和質量濃度間小麥種子的活力指數(shù)均具有顯著的差異性(P＜0.05).總體來說,微塑料HDPE和PLA對小麥種子生長特征的影響作用比微塑料 PP的影響作用大,而不同微塑料類型、粒徑和質量濃度對小麥種子活力指數(shù)的影響最顯著.

表3 不同微塑料對小麥種子生長特征的影響Table 3 Effects of different microplastics on the growth characteristics of wheat seeds

由圖4可知,與對照組相比不同微塑料類型、粒徑和質量濃度均對小麥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和平均發(fā)芽時間指標具有抑制作用.當粒徑為中粒徑(1000μm)時,微塑料PP和HDPE對小麥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和平均發(fā)芽時間等的抑制作用最強,而PLA的抑制作用最弱,且當粒徑為低粒徑或高粒徑時其抑制作用呈現(xiàn)為相反的狀態(tài);當質量濃度為中濃度(0.5g/kg)時,微塑料HDPE和PLA對小麥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和平均發(fā)芽時間等的抑制作用最強,而 PP的抑制作用最弱,且當質量濃度為低濃度(0.1g/kg)或高濃度(1g/kg)時其抑制作用呈現(xiàn)為相反的狀態(tài).總之,當微塑料為中粒徑(1000μm)或中濃度(0.5g/kg)時微塑料對小麥種子生長特征指標的影響作用最為顯著.

圖4 不同微塑料對小麥種子生長影響的總覽Fig.4 An overview of the effects of different microplastics on wheat seed growth

2.3 微塑料對小麥幼苗生長趨勢分析

不同微塑料對小麥幼苗不同階段生長速率的影響作用如表4所示,對于第一階段(10月25日～11月 2日)與對照組相比微塑料 PP為低粒徑(150μm)和HDPE為中粒徑(1000μm)時小麥幼苗的生長速率在不同質量濃度間具有顯著的差異性(P＜0.05),而在微塑料PP、HDPE和PLA的質量濃度分別為低濃度(0.1g/kg)、中濃度(0.5g/kg)和高濃度(1g/kg)時小麥幼苗的生長速率在不同粒徑間具有顯著的差異性(P＜0.05).對于第二階段(11月3日～11月6日),與對照組相比微塑料不同粒徑和質量濃度間小麥幼苗的生長速率基本上均呈現(xiàn)顯著差異性(P＜0.05).對于第三階段(11月17日～11月30日),與對照組比較微塑料HDPE和PLA在不同粒徑條件下小麥幼苗的生長速率在不同質量濃度間具有顯著的差異性(P＜0.05),微塑料PP和HDPE在質量濃度為低濃度(0.1g/kg)和高濃度(1g/kg)而微塑料PLA在不同質量濃度下時小麥幼苗的生長速率在不同粒徑間具有顯著的差異性(P＜0.05).整體上在不同階段小麥幼苗的生長速率呈現(xiàn)逐步減小趨勢,同時不同微塑料之間小麥幼苗的平均生長速率呈現(xiàn)出 CK＞PP＞HDPE＞PLA.

表4 不同微塑料對不同階段小麥幼苗生長速率的影響Table 4 Effects of different microplastics on growth rate of wheat seedlings at different stages

續(xù)表4

根據(jù)圖5不同微塑料下小麥幼苗生長趨勢可知,與對照組相比在不同微塑料類型下小麥幼苗生長的變化趨勢從11月5日開始呈現(xiàn)明顯的變化趨勢,且均比對照組小麥幼苗生長趨勢低,說明不同微塑料類型對小麥幼苗生長均有抑制作用,抑制作用的強弱關系表現(xiàn)為 PLA＞HDPE＞PP.針對不同的微塑料粒徑和質量濃度,微塑料PP從11月16日開始小麥幼苗生長出現(xiàn)明顯的變化趨勢,且在低粒徑和低濃度時小麥幼苗受到的抑制作用相對較小;微塑料HDPE和PLA在不同粒徑或質量濃度條件下小麥幼苗生長趨勢變化不明顯.因此,微塑料類型對小麥幼苗生長的影響作用要比微塑料粒徑和質量濃度的影響作用大.

圖5 不同微塑料下小麥幼苗生長趨勢Fig.5 Growth trends of wheat seedlings under different microplastics

3 討論

微塑料具有體積相對較小、吸附能力強、持久性和環(huán)境危害性等特征[38],其進入土壤后會對植物生長產生了不利影響[41],但目前僅有較少學者通過室內培養(yǎng)的方式進行微塑料影響植物生長試驗研究,本研究是利用盆栽試驗在自然環(huán)境條件下進行,研究結果更貼近農業(yè)生產的實際情況,研究表明微塑料對小麥種子平均發(fā)芽抑制率的影響呈現(xiàn)出HDPE＞PLA＞PP,而對小麥幼苗生長的抑制作用呈現(xiàn)出 PLA＞HDPE＞PP,可見微塑料 PLA隨著小麥幼苗的生長其抑制作用有所增加,這可能是由于微塑料PLA作為一種生物可降解的聚乳酸,隨著時間的增加其在土壤中被降解增大了對小麥幼苗生長的影響作用,而微塑料聚丙烯PP在土壤中的穩(wěn)定性較好;微塑料為中粒徑或中濃度時微塑料對小麥種子生長特征指標的影響作用最為顯著,而低或高粒徑和濃度下的影響作用有所減弱,這可能是由于微塑料本身的特性或微塑料團聚后降低了小麥對微塑料的可接觸性引起的.

微塑料進入土壤中在環(huán)境作用下將被逐漸分解,形成不同粒徑的微塑料顆粒,進而改變了土壤的理化性質,如微塑料可為土壤水分運移通道而增加土壤水分的蒸發(fā)率,微塑料能與土壤團粒緊密結合進而影響土壤的容重、持水能力以及水穩(wěn)性團聚體的粒徑分級,微塑料會加強土壤的吸附性和反應性而改變土壤 pH、鹽堿、有機質、營養(yǎng)元素和離子狀態(tài)等,因此微塑料在影響土壤水分循環(huán)和土壤養(yǎng)分的運移的同時間接地對植物的生長產生不利影響.微塑料能為土壤微生物提供一定的吸附位點,其表面的細菌積累將具有更高的生物毒性,進而降低了土壤微生物量、微生物活性以及微生物多樣性,使土壤微生物環(huán)境得到破壞而影響了植物生長所需的土壤生態(tài)環(huán)境.當微塑料達到亞微米級和微米級微塑料時,土壤中的微塑料會通過植物根系進入植物體的莖葉中并富集,會損害植物葉片的光合作用,并將阻塞植物細胞壁氣孔而抑制水分吸收和影響營養(yǎng)物質傳輸,這些將直接影響植物的生長,另外微塑料進入植物體后如被食用將會給人體帶來潛在的風險而影響人類健康.雖然目前一些研究表明微塑料對土壤理化性質、動物生長發(fā)育、植物生長、微生物和酶活性均有不同程度的影響作用,但相關的影響作用機制尚不明確需要進一步的加強研究.

綜上所述,今后要加強土壤微塑料來源、遷移和累積機制研究,探究不同微塑料對土壤水分、鹽分以及養(yǎng)分的響應過程,深入研究微塑料對土壤動物、微生物以及植物體的損害作用機理,揭示微塑料與土壤污染物(如重金屬)相互影響機制,進一步探明微塑料在各生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的傳遞機制并加強其對人類健康風險的響應.

4 結論

4.1 小麥種子平均發(fā)芽率和平均發(fā)芽抑制率在不同微塑料類型、粒徑和質量濃度處理間得差異性不顯著;在微塑料暴露下一定程度上降低了小麥種子平均發(fā)芽水平,對小麥種子平均發(fā)芽抑制率呈現(xiàn)出HDPE＞PLA＞PP;微塑料為中粒徑(1000μm)和中濃度(0.5g/kg)時對小麥種子發(fā)芽的抑制作用最大,而低或高粒徑和濃度時對小麥種子發(fā)芽的抑制作用有所減弱;微塑料粒徑對小麥種子發(fā)芽率的影響作用較大,而微塑料類型和質量濃度次之.

4.2 微塑料HDPE和PLA對小麥種子生長特征的影響作用比微塑料PP的影響作用大,小麥種子活力指數(shù)受微塑料類型、粒徑和質量濃度的影響最為顯著;微塑料為中粒徑(1000μm)或中濃度(0.5g/kg)時微塑料對小麥種子生長特征指標的影響作用最為顯著.

4.3 小麥幼苗在不同階段的生長速率呈現(xiàn)逐步減小趨勢,且小麥幼苗的平均生長速率在不同微塑料類型處理中呈現(xiàn)出 CK＞PP＞HDPE＞PLA;不同微塑料類型對小麥幼苗生長均有抑制作用,其抑制作用的強弱呈現(xiàn)為 PLA＞HDPE＞PP;微塑料類型對小麥幼苗生長的影響作用要比微塑料粒徑和質量濃度的影響作用大.