不同微塑料赋存环境对小麦萌发与幼苗生长影响研究

张 彦,窦 明,邹 磊,李 平,梁志杰,李桂秋 (1.郑州大学水利科学与工程学院,河南 郑州 0001；2.中国农业科学院农田灌溉研究所,河南 新乡 3002；3.农业农村部农产品质量安全水环境因子风险评估实验室,河南 新乡3002；.郑州大学生态与环境学院,河南 郑州 0001；.中国科学院地理科学与资源研究所,陆地水循环及地表过程院重点实验室,北京 100101；6.中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站,河南 新乡 3002)

微塑料作为一种全球公认的新型环境污染物,广泛地存在于土壤生态环境系统、陆地水生环境系统以及海洋环境生态系统中,一般指直径小于 5mm的塑料纤维、颗粒、碎片和薄膜等[1].由于塑料制品具有轻便、成本低、耐用和可塑性强等特点被应用于各个领域,据统计2019年我国塑料制品产量达到了8184万t,其中农田地膜使用量约为140.4万t;而塑料制品使用后进入生态环境系统中,在环境因素的作用下破碎成颗粒形成大量的微塑料[2].微塑料给生态环境系统带来了严峻的挑战,同时也间接增加了人类健康的风险.

目前,微塑料的研究主要集中在海洋环境生态系统和陆地水生环境系统中,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]水体或沉积物的赋存特征,以及微塑料在海洋水体中的迁移规律方面[18-19],而针对土壤生态环境系统中微塑料环境行为及其影响机制研究相对较少.相关研究表明土壤生态环境系统是微塑料的主要储存地[20-21],其主要来源途径有农用塑料地膜残留、污泥利用、有机肥施用、地表径流、再生水灌溉、大气沉降以及塑料垃圾填埋等[22-25],进入土壤生态环境系统中的微塑料不仅能够影响土壤的理化性质和功能,还对土壤中的动植物生长、微生物多样性及群落结构产生负面作用[26-28].对于微塑料影响植物生长方面目前研究涉及到的主要有小麦(Triticum aestivum L.)、大豆(Glycine max)、洋葱(Allium cepa)、水芹(Lepidium sativum)和黑麦草(Lolium perenne L.)等,如廖苑辰等[29]研究表明高浓度聚苯乙烯荧光微球(Fluorescent polystyrene microspheres, PS-MPs)抑制小麦根茎生长的作用显著,连加攀等[30]研究表明低中浓度的微塑料(＜500mg/L)对小麦种子发芽率有抑制作用,李瑞杰等[31]研究发现亚微米级聚苯乙烯(Polystyrene PS)塑料微球能被小麦吸收进入根部外皮层质外体空间和维管组织,Qi等[32]发现地膜类型对小麦生长影响较大且淀粉基生物降解塑料(Starch-based biodegradable plastic)地膜对小麦生长的负面影响强于低密度聚乙烯(Low-density polyethylene);吴佳妮等[33]发现聚苯乙烯纳米塑料(Polystyrene Nanoplastics, PSNPS)对大豆根茎苗长呈现“低浓度促进,中高浓度抑制”的现象;Giorgetti等[34]发现聚苯乙烯纳米塑料能够内化于洋葱根分生区细胞,Bosker等[35]发现不同粒径的微塑料对水芹的发芽率均显著降低且随着粒径的增加影响的负面作用也增加,Boots等[36]研究了不同类型的微塑料对土壤中蚯蚓与黑麦草生长的影响作用并评价了微塑料在土壤中的生物物理响应.

微塑料对植物生长的影响研究目前尚处于起步阶段,因此,本文以小麦(Triticum aestivum L.)作为供试作物,设定不同微塑料类型、粒径和质量浓度在自然环境下通过盆栽试验揭示了不同微塑料赋存环境下对小麦种子发芽率、生长特征和生长趋势的影响作用,以期为微塑料对植物生长的影响机理及其生态环境效应评估提供的数据支撑和技术依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤与处理 试验土壤于2020年8月采自中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站周边未使用农用塑料地膜和再生水灌溉的农田耕作层土壤(0～20cm),土壤质地为砂壤土.土壤经过自然风干后筛选出肉眼可见的动植物残渣、塑料碎片以及石块等,之后用5mm筛网将土壤过筛备用,并取回部分土样带回实验室测定供试土壤的基本理化性质及微塑料丰度,其中土壤微塑料提取采用密度悬浮法,具体情况如表1所示.

表1 供试土壤基本理化性质及微塑料丰度Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil and abundance of microplastics

1.1.2 供试种子与处理 试验小麦(Triticum aestivum L.)种子选用百农4199(豫审麦2017003),购自新乡市某市场,百农4199是国内首个高光效和半冬性中早熟小麦品种,适合河南省早中茬地种植.试验前选择籽粒饱满和状态健康的小麦种子,利用辛硫磷进行拌种,使辛硫磷和小麦种子表层充分混合备用.

1.1.3 微塑料的选取与处理 微塑料选用聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚乳酸生物可降解塑料(PLA)3种微塑料类型,购自东莞市鑫利塑胶原料有限公司,3种微塑料类型分别制作成粒径为150μm、1000μm 和 4000μm 左右的粉或颗粒备用.不同微塑料表面特征扫描电镜图见图1所示.

图1 不同微塑料表面特征扫描电镜Fig.1 Scanning electron micrograph of different microplastic surface characteristics

1.2 试验设计及过程

试验在中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站进行,根据已有农田土壤微塑料含量及粒径大小调查研究[32,37-38],分别置3种微塑料类型(PP、HDPE 和 PLA)、粒径(150μm、1000μm和 4000μm)和质量浓度(0.1g/kg、0.5g/kg和 1g/kg),并设置不添加微塑料的对照组(CK),共计28种处理方式,每个处理方式重复 3次.每种处理下利用供试土壤5kg,按比例将不同微塑料添加到土壤中充分均匀混合,置于塑料花盆(外口直径 26.5cm、内口直径23cm、高17.6cm和底部直径15.7cm)中.将拌种后的小麦种子于2020年10月25日播种在处理好的花盆中,每盆播种 25粒小麦种子,播种后 7d内记录每天小麦种子的发芽个数;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日利用厘米尺测量小麦幼苗生长的苗高,每盆测量固定的10株小麦幼苗,每个处理下的苗高为测量30株小麦幼苗苗高的平均值;另外,在整个小麦苗期生长试验过程中未施用肥料.

1.3 测定指标方法

为了分析不同微塑料对小麦萌发的影响作用,根据试验记录数据依据以下相关公式计算小麦发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、平均发芽时间以及发芽抑制率等[30,39-40]指标,具体如下:

式中:Gt为小麦发芽开始后第td内的发芽个数,Dt为对应的发芽时间,S为一定时期内的幼苗长度,F为小麦种子在第Xd的新发芽个数,X是发芽天数.

1.4 数据处理

利用Excel 2013和SPSS21.0对试验数据进行统计分析和方差分析,试验结果采用平均值±标准偏差(Mean±SD)表示,其中方差分析选取 95%置信水平,应用Duncan检验法对不同处理间的差异性进行多重比较分析.

2 结果与分析

2.1 微塑料对小麦种子发芽率的影响

小麦发芽率是表明小麦种子在微塑料暴露条件下其萌发能力大小的主要指标,不同微塑料对小麦种子平均发芽率和平均发芽抑制率的情况如图2和图 3所示.小麦种子平均发芽率和平均发芽抑制率在不同微塑料类型、粒径和质量浓度处理间得差异性不显著(P＜0.05),而不同微塑料类型、粒径和质量浓度下小麦种子平均发芽率均低于对照组小麦种子平均发芽率,说明在整体上在微塑料暴露下一定程度上降低了小麦种子平均发芽水平.不同微塑料类型对小麦种子平均发芽抑制率呈现出HDPE＞PLA＞PP,说明 HDPE 对小麦发芽的抑制作用最大,PP对小麦发芽的抑制作用最小;对于微塑料粒径和质量浓度,当粒径为中粒径(1000μm)时小麦种子平均发芽率最小为82.67%,平均发芽抑制率最大为 5.65%,而粒径为低粒径(150μm)和高粒径(4000μm)时小麦种子平均发芽率具有增大的趋势,且平均发芽抑制率有所下降,其中当粒径为高粒径(4000μm)时平均发芽抑制率最小为 0.20%;当质量浓度为中浓度(0.5g/kg)时小麦种子平均发芽率最小为83.36%,平均发芽抑制率最大为4.55%,而当质量浓度为低浓度(0.1g/kg)和高浓度(1g/kg)时小麦种子平均发芽率有所增加且平均发芽抑制率有所下降;因此当微塑料为中粒径(1000μm)和中浓度(0.5g/kg)时对小麦种子发芽的抑制作用最大,而低或高粒径和质量浓度时对小麦种子发芽的抑制作用有所减弱.

图2 不同微塑料下小麦种子平均发芽率Fig.2 The average germination rates of wheat seed under different microplastics

图3 不同微塑料下小麦种子平均发芽抑制率Fig.3 The germination inhibition rates of wheat seed under different microplastics

不同微塑料类型、粒径和质量浓度对小麦种子发芽率影响的显著性结果如表 2所示.在相同的微塑料粒径和质量浓度条件下不同微塑料类型间小麦种子发芽率具有一定的差异,但差异性不显著(P＞0.05),且不同微塑料类型间小麦种子发芽率变化趋势不明显.在相同的微塑料类型和质量浓度条件下不同微塑料粒径间小麦种子发芽率具有一定的差异,其中在PP和质量浓度为低浓度(0.1g/kg)时小麦种子发芽率具有显著差异性(P＜0.05),其余情况的差异性不显著(P＞0.05);在PP和质量浓度条件下不同微塑料粒径间小麦种子发芽率变化趋势不明显,在HDPE和质量浓度条件下微塑料粒径为中粒径(1000μm)时的小麦种子发芽率最低,在PLA和质量浓度条件下不同微塑料粒径间小麦种子发芽率基本上呈现 150μm＜1000μm＜4000μm.在相同的微塑料粒径和粒径条件下不同微塑料质量浓度间小麦种子发芽率具有一定的差异,但差异性不显著(P＞0.05),且不同微塑料质量浓度类型间小麦种子发芽率变化趋势不明显.微塑料为 PP且粒径和质量浓度均为低粒径(150μm)和低浓度(0.1g/kg)或中粒径(1000μm)和中浓度(0.5g/kg)时小麦种子发芽抑制率最大为11.54%,粒径和质量浓度分别为高粒径(4000μm)和低浓度(0.1g/kg)时对小麦种子发芽具有一定的促进作用,发芽抑制率为-5.43%;微塑料为 HDPE且粒径和质量浓度分别为中粒径(1000μm)和低浓度(0.1g/kg)时小麦种子发芽抑制率最大为 17.57%,粒径和质量浓度分别为高粒径(4000μm)和中浓度(0.5g/kg)时对小麦种子发芽具有一定的促进作用,发芽抑制率为-1.14%;微塑料为 PLA且粒径和质量浓度分别为低粒径(150μm)和中浓度(0.5g/kg)时小麦种子发芽抑制率最大为11.54%,粒径和质量浓度分别为高粒径(4000μm)和低浓度(0.1g/kg)时对小麦种子发芽具有一定的促进作用,发芽抑制率为-1.14%.综上可知,微塑料粒径对小麦种子发芽率的影响作用较大,而微塑料类型和质量浓度次之.

表2 不同微塑料对小麦种子发芽率的影响Table 2 Effects of different microplastics on the germination rates of wheat seeds

2.2 微塑料对小麦种子生长特征的影响

为分析微塑料对小麦种子生长特征,以发芽势、发芽指数、活力指数和平均发芽时间指标表征微塑料对小麦种子生长特征的影响作用,具体情况如表3和图 4所示.对于微塑料 PP,与对照组相比不同粒径和质量浓度间小麦种子的发芽势、发芽指数和平均发芽时间的差异性不显著(P＞0.05),而活力指数具有显著的差异性(P＜0.05).对于微塑料 HDPE,与对照组相比在不同粒径条件下不同质量浓度间的发芽势均具有显著的差异性(P＜0.05),而发芽指数、活力指数和平均发芽时间在低和中粒径(150μm和1000μm)下不同质量浓度间具有显著的差异性(P＜0.05);与对照组相比在中浓度(0.5g/kg)条件下不同粒径间的发芽势、发芽指数、活力指数和平均发芽时间均具有显著的差异性(P＜0.05).对于微塑料 PLA,与对照组相比在低和高粒径(150μm和4000μm)下不同质量浓度间的发芽势和平均发芽时间具有显著的差异性(P＜0.05),而发芽指数在低粒径(150μm)下不同质量浓度间具有显著的差异性(P＜0.05);与对照组相比低和中浓度(0.1g/kg和0.5g/kg)下不同粒径间的发芽势和平均发芽时间具有显著的差异性(P＜0.05),而发芽指数在中浓度(0.5g/kg)下不同粒径间具有显著的差异性(P＜0.05);与对照组相比不同粒径和质量浓度间小麦种子的活力指数均具有显著的差异性(P＜0.05).总体来说,微塑料HDPE和PLA对小麦种子生长特征的影响作用比微塑料 PP的影响作用大,而不同微塑料类型、粒径和质量浓度对小麦种子活力指数的影响最显著.

表3 不同微塑料对小麦种子生长特征的影响Table 3 Effects of different microplastics on the growth characteristics of wheat seeds

由图4可知,与对照组相比不同微塑料类型、粒径和质量浓度均对小麦种子的发芽势、发芽指数、活力指数和平均发芽时间指标具有抑制作用.当粒径为中粒径(1000μm)时,微塑料PP和HDPE对小麦种子的发芽势、发芽指数、活力指数和平均发芽时间等的抑制作用最强,而PLA的抑制作用最弱,且当粒径为低粒径或高粒径时其抑制作用呈现为相反的状态;当质量浓度为中浓度(0.5g/kg)时,微塑料HDPE和PLA对小麦种子的发芽势、发芽指数、活力指数和平均发芽时间等的抑制作用最强,而 PP的抑制作用最弱,且当质量浓度为低浓度(0.1g/kg)或高浓度(1g/kg)时其抑制作用呈现为相反的状态.总之,当微塑料为中粒径(1000μm)或中浓度(0.5g/kg)时微塑料对小麦种子生长特征指标的影响作用最为显著.

图4 不同微塑料对小麦种子生长影响的总览Fig.4 An overview of the effects of different microplastics on wheat seed growth

2.3 微塑料对小麦幼苗生长趋势分析

不同微塑料对小麦幼苗不同阶段生长速率的影响作用如表4所示,对于第一阶段(10月25日～11月 2日)与对照组相比微塑料 PP为低粒径(150μm)和HDPE为中粒径(1000μm)时小麦幼苗的生长速率在不同质量浓度间具有显著的差异性(P＜0.05),而在微塑料PP、HDPE和PLA的质量浓度分别为低浓度(0.1g/kg)、中浓度(0.5g/kg)和高浓度(1g/kg)时小麦幼苗的生长速率在不同粒径间具有显著的差异性(P＜0.05).对于第二阶段(11月3日～11月6日),与对照组相比微塑料不同粒径和质量浓度间小麦幼苗的生长速率基本上均呈现显著差异性(P＜0.05).对于第三阶段(11月17日～11月30日),与对照组比较微塑料HDPE和PLA在不同粒径条件下小麦幼苗的生长速率在不同质量浓度间具有显著的差异性(P＜0.05),微塑料PP和HDPE在质量浓度为低浓度(0.1g/kg)和高浓度(1g/kg)而微塑料PLA在不同质量浓度下时小麦幼苗的生长速率在不同粒径间具有显著的差异性(P＜0.05).整体上在不同阶段小麦幼苗的生长速率呈现逐步减小趋势,同时不同微塑料之间小麦幼苗的平均生长速率呈现出 CK＞PP＞HDPE＞PLA.

表4 不同微塑料对不同阶段小麦幼苗生长速率的影响Table 4 Effects of different microplastics on growth rate of wheat seedlings at different stages

续表4

根据图5不同微塑料下小麦幼苗生长趋势可知,与对照组相比在不同微塑料类型下小麦幼苗生长的变化趋势从11月5日开始呈现明显的变化趋势,且均比对照组小麦幼苗生长趋势低,说明不同微塑料类型对小麦幼苗生长均有抑制作用,抑制作用的强弱关系表现为 PLA＞HDPE＞PP.针对不同的微塑料粒径和质量浓度,微塑料PP从11月16日开始小麦幼苗生长出现明显的变化趋势,且在低粒径和低浓度时小麦幼苗受到的抑制作用相对较小;微塑料HDPE和PLA在不同粒径或质量浓度条件下小麦幼苗生长趋势变化不明显.因此,微塑料类型对小麦幼苗生长的影响作用要比微塑料粒径和质量浓度的影响作用大.

图5 不同微塑料下小麦幼苗生长趋势Fig.5 Growth trends of wheat seedlings under different microplastics

3 讨论

微塑料具有体积相对较小、吸附能力强、持久性和环境危害性等特征[38],其进入土壤后会对植物生长产生了不利影响[41],但目前仅有较少学者通过室内培养的方式进行微塑料影响植物生长试验研究,本研究是利用盆栽试验在自然环境条件下进行,研究结果更贴近农业生产的实际情况,研究表明微塑料对小麦种子平均发芽抑制率的影响呈现出HDPE＞PLA＞PP,而对小麦幼苗生长的抑制作用呈现出 PLA＞HDPE＞PP,可见微塑料 PLA随着小麦幼苗的生长其抑制作用有所增加,这可能是由于微塑料PLA作为一种生物可降解的聚乳酸,随着时间的增加其在土壤中被降解增大了对小麦幼苗生长的影响作用,而微塑料聚丙烯PP在土壤中的稳定性较好;微塑料为中粒径或中浓度时微塑料对小麦种子生长特征指标的影响作用最为显著,而低或高粒径和浓度下的影响作用有所减弱,这可能是由于微塑料本身的特性或微塑料团聚后降低了小麦对微塑料的可接触性引起的.

微塑料进入土壤中在环境作用下将被逐渐分解,形成不同粒径的微塑料颗粒,进而改变了土壤的理化性质,如微塑料可为土壤水分运移通道而增加土壤水分的蒸发率,微塑料能与土壤团粒紧密结合进而影响土壤的容重、持水能力以及水稳性团聚体的粒径分级,微塑料会加强土壤的吸附性和反应性而改变土壤 pH、盐碱、有机质、营养元素和离子状态等,因此微塑料在影响土壤水分循环和土壤养分的运移的同时间接地对植物的生长产生不利影响.微塑料能为土壤微生物提供一定的吸附位点,其表面的细菌积累将具有更高的生物毒性,进而降低了土壤微生物量、微生物活性以及微生物多样性,使土壤微生物环境得到破坏而影响了植物生长所需的土壤生态环境.当微塑料达到亚微米级和微米级微塑料时,土壤中的微塑料会通过植物根系进入植物体的茎叶中并富集,会损害植物叶片的光合作用,并将阻塞植物细胞壁气孔而抑制水分吸收和影响营养物质传输,这些将直接影响植物的生长,另外微塑料进入植物体后如被食用将会给人体带来潜在的风险而影响人类健康.虽然目前一些研究表明微塑料对土壤理化性质、动物生长发育、植物生长、微生物和酶活性均有不同程度的影响作用,但相关的影响作用机制尚不明确需要进一步的加强研究.

综上所述,今后要加强土壤微塑料来源、迁移和累积机制研究,探究不同微塑料对土壤水分、盐分以及养分的响应过程,深入研究微塑料对土壤动物、微生物以及植物体的损害作用机理,揭示微塑料与土壤污染物(如重金属)相互影响机制,进一步探明微塑料在各生态环境系统中的传递机制并加强其对人类健康风险的响应.

4 结论

4.1 小麦种子平均发芽率和平均发芽抑制率在不同微塑料类型、粒径和质量浓度处理间得差异性不显著;在微塑料暴露下一定程度上降低了小麦种子平均发芽水平,对小麦种子平均发芽抑制率呈现出HDPE＞PLA＞PP;微塑料为中粒径(1000μm)和中浓度(0.5g/kg)时对小麦种子发芽的抑制作用最大,而低或高粒径和浓度时对小麦种子发芽的抑制作用有所减弱;微塑料粒径对小麦种子发芽率的影响作用较大,而微塑料类型和质量浓度次之.

4.2 微塑料HDPE和PLA对小麦种子生长特征的影响作用比微塑料PP的影响作用大,小麦种子活力指数受微塑料类型、粒径和质量浓度的影响最为显著;微塑料为中粒径(1000μm)或中浓度(0.5g/kg)时微塑料对小麦种子生长特征指标的影响作用最为显著.

4.3 小麦幼苗在不同阶段的生长速率呈现逐步减小趋势,且小麦幼苗的平均生长速率在不同微塑料类型处理中呈现出 CK＞PP＞HDPE＞PLA;不同微塑料类型对小麦幼苗生长均有抑制作用,其抑制作用的强弱呈现为 PLA＞HDPE＞PP;微塑料类型对小麦幼苗生长的影响作用要比微塑料粒径和质量浓度的影响作用大.