微塑料对小麦农艺性状及氮素利用效率的影响

微塑料对小麦农艺性状及氮素利用效率的影响

周海波

巴林左旗三山乡人民政府 内蒙古 赤峰 025474

摘要：微塑料会覆盖在海洋微藻表面抑制其光合作用和生长，也会被斑马鱼、乌龟、海豚等许多生物摄入或吸附到体内，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。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。

关键词：微塑料；小麦农艺性状；氮素

前言

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，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”。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。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5mm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。

1土壤中塑料残留主要来源

陆地生态系统作为塑料污染的源和汇，对环境中塑料污染的分布、传播以及积累起到至关重要的作用。土壤中的塑料残留主要由人类活动产生，可通过污泥淤地、有机肥施用、污水及地表水灌溉、塑料薄膜覆盖以及大气沉降等方式进入土壤。通过污水处理厂处理或者地表水灌溉等途径，部分塑料残留会进入污泥中，这些污泥被用作肥料或者修复材料时，会导致大量塑料进入陆地环境中。

2土壤中塑料残留对植物的影响

残留于土壤中的塑料，一方面在耕作机械力的作用下，其破碎程度增加，并可与土壤颗粒聚合，从而可能在土体内传输；另一方面，受光照、水分以及土壤微生物的作用，进一步老化、降解，从而对植物生长及土壤环境产生影响。大量的塑料残留可能会影响土壤渗透性、土壤水含量，影响种子对水分和营养物质的吸收，从而破坏作物种子萌发和作物生长。土壤中因农膜的存在导致马铃薯减产显著，当塑料残留量为720kg∙hm-2时，减产幅度最大，与对照相比减产9.7%-14.5%。随着土壤中塑料残留量的增加，番茄幼苗的株高、茎粗、地上部分及根系鲜重逐渐降低，从而对农作物的生长及产量产生了明显的不良影响。通过盆栽试验和大田试验，结果表明随着残留地膜量的增加，小麦、玉米和棉花的生长发育均受到严重影响，小麦产量降低0.8%-22.1%，玉米籽粒产量降低2.1%-27.5%，棉花产量降低1%-7.5%。通过对比不同类型微小塑料颗粒和塑料残片对小麦的生长，结果表明：不同类型的地膜对小麦生长有很强的影响，生物可降解膜比轻密度聚乙烯膜具有更强的负面效应；大残片塑料对小麦生长的影响较弱，微塑料比塑料大残片负面影响显著。此外，尽管根系是植物从土壤中获取养分的主要途径，但其吸收的矿物质仅占总干物重的8%-9%，光合作用才是植物获取能量和积累养分的主要来源，光合产物累积量占总干物重的91%-92%。因此，土壤塑料残留对农作物生长及产量的影响不能仅考虑作物的萌发、根系生长及产量状况，还应对植物光合作用特征进行探究。

3微塑料对土壤中氮转化的影响

土壤也是微塑料污染的重要场所,其主要来源于农业使用的塑料薄膜、污水污泥、河水∕废水灌溉和堆肥等。微塑料进入土壤后会明显降低土壤的物理功能和关键生态功能(如土壤微生物活性和养分循环)。PE和PVC等微塑料的添加均抑制了土壤荧光素二乙酸酯水解酶的活性,并刺激了脲酶和酸性磷酸酶的活性,降低了微生物群落多样性,其中PE微塑料对土壤的影响更大。微塑料对土壤中氮转化会产生不同程度的影响。例如,土壤中PS微塑料的添加与关键氮循环酶、亮氨酸-氨基肽酶的抑制有关。低密度聚乙烯(LDPE)微塑料的添加则降低了土壤氨氧化细菌和亚硝酸盐还原酶的丰度,但对氨氧化古菌、亚硝酸盐还原酶和氧化亚氮还原酶的功能基因基本没有影响。PE微塑料可以通过影响土壤中脲酶的活性而干扰有机氮的水解。长期残留的塑料膜可以降低土壤无机氮含量,下调与氮循环相关的微生物基因,降低相关酶的活性。微塑料对土壤氮转化的影响与其聚合物性质及添加剂种类密切相关。相较于可生物降解的玉米淀粉共聚酯塑料,聚乳酸(PLA)微塑料改性的土壤具有更高的氨转化速率,导致NH4＋浓度降低更快。此外,微塑料释放的添加剂(如邻苯二甲酸酯)也会加速土壤污染,并通过限制关键的土壤酶活性而破坏养分循环。总之,微塑料主要是通过作用于土壤微生物和相关酶活性而影响土壤中的氮转化过程。受限于环境介质、微塑料浓度和聚合物类型等因素的差异,微塑料对环境中氮循环过程的影响并不一致.此外,微塑料除作用于硝化和反硝化作用外,是否会对厌氧氨氧化、硝酸盐异化还原成铵(DNRA)等氮循环过程产生影响及其潜在机理仍有待探究。

4展望

a)微塑料主要是通过影响硝化和反硝化过程而对环境中的氮转化过程产生影响。然而,已有研究主要在实验室条件下进行,实际环境中所涉及的生物地球化学过程往往受到许多外部条件(如温度、pH、Fe2＋浓度等)的影响,评估复杂环境因素条件下微塑料对氮转化过程的影响成为当务之急。

b)氮循环过程主要包含固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化和DNRA等过程,微塑料可以通过影响微生物定殖、释放添加剂、裂解成纳米颗粒诱导活性氧等途径影响氮的转化过程.但已有研究主要集中在微塑料对硝化和反硝化过程的影响方面,其是否会对其他氮循环过程造成影响及其潜在机理仍有待进一步探究,特别是对其相关的功能菌、酶活性及功能基因的影响.

c)短期内,微塑料的存在会影响氮转化过程,但在长期作用下氮转化过程是继续恶化还是随之恢复仍尚未可知。因此,有必要开展长期作用下微塑料对氮转化过程的影响研究。

d)目前微塑料对氮转化的影响研究主要集中于污泥和土壤,对水和沉积物中氮循环的影响仍处于起步阶段.总体环境相对单一,复杂环境介质(如潜流带、淹没带、潮间带等地球关键带)中的微塑料对氮素循环的干扰效应及其相关作用机制,尤其是微塑料垂向分布对氮转化的影响过程和机理,仍需进一步明确。

结束语

民以食为天，农业环境健康问题不容小觑。农田生态系统作为典型的人工生态系统，既是自然生态系统的一部分，又是人为能量向自然输入的入口，紧密连接着人类与自然生态的相互影响与相互制约。农田中的塑料制品是现代农业技术中常见的材料，研究证明土壤中塑料残留已广泛存在，同时塑料残留对于环境尤其是农业生态环境的影响已引起关注。但关于塑料残留对土壤结构、土壤生产力以及土壤中动植物的生存、生长影响的研究仍不够系统和全面，农田中塑料残留的监测仍缺少完善统一的标准和规范，导致对土壤塑料残留对于整个农田生态系统的影响仍缺乏有力的认识。仅考虑塑料残留对于土壤微生物量以及土壤酶活性的影响，可增加土壤微生物群落对于土壤微生物多样性以及群落结构的响应，进一步了解塑料残留对于土壤中微生物种群结构以及群落水平的动态影响。

参考文献：

[1]程建峰,陈根云,沈允钢.植物叶片特征与光合性能的关系.中国生态农业学报,2012(4):466-473.

[2]高青海,陆晓民.残留地膜对番茄幼苗形态和生理特性的影响.热带亚热带植物学报,2011,19(5):425-429.