微塑料污染对大豆-玉米轮作系统中土壤氮及其生物有效性的影响

《Soil and Tillage Research》：Effects of microplastic contamination on soil nitrogen and its bioavailability in soybean-maize rotation system

微塑料污染抑制大豆生长期土壤总氮积累并促进休闲期氮素损失，同时加速铵态氮向硝态氮转化，抑制根际土壤氮代谢酶活性，可能威胁大豆-玉米轮作系统的氮可持续性。

　　### 微塑料污染对土壤-植物系统中氮循环的影响

随着塑料制品的广泛使用以及管理不当，微塑料污染已成为全球环境中的重要问题。微塑料不仅存在于海洋、河流和大气中，还通过农业活动进入土壤，对土壤生态系统的健康和可持续性构成威胁。研究表明，土壤中的微塑料总量已达150万至660万吨。农业中常用的低密度聚乙烯（LDPE）薄膜是微塑料污染的主要来源之一，其在土壤中具有较强的持久性，可能通过改变土壤的理化性质，影响土壤微生物群落的结构，进而对植物和土壤动物的健康产生不利影响。此外，尽管可降解塑料如聚（己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯）（PBAT）和聚乳酸（PLA）被开发为传统塑料的替代品，但其易老化并分解为微小颗粒，从而引发对土壤健康的担忧。

氮是土壤生物地球化学循环中的关键成分，涉及硝化、反硝化、氨化和固氮等过程，这些过程决定了土壤中营养物质的含量以及植被生长速率的可持续性。已有研究表明，可降解微塑料能够刺激氮循环相关微生物的活性，加速土壤代谢过程，如硝化和氨化，从而将土壤有机氮转化为无机氮（硝酸盐和铵）。然而，这些微塑料的降解过程也可能导致土壤中形成厌氧条件，促进反硝化作用，加速氮的释放，进一步增加土壤氮的损失。此外，微塑料的存在可能影响土壤中氮的形态转换和生物可利用性，进而影响植物对氮的吸收和利用效率。

在大豆-玉米轮作系统中，大豆的固氮能力对玉米生长至关重要。这种轮作方式旨在通过大豆的固氮作用为玉米提供必要的养分，从而减少氮肥的使用和相关氮损失。然而，随着塑料薄膜的大量使用，土壤中的微塑料污染可能对这一轮作系统的氮循环产生显著影响。因此，本研究在田间条件下进行实验，以评估来自传统LDPE和PBAT薄膜的微塑料碎片及LDPE微粒对土壤氮含量、硝态氮和铵态氮动态变化的影响，以及氮相关酶活性的变化。

### 微塑料对土壤氮动态的影响

实验结果显示，在大豆生长期间，PBAT碎片、LDPE碎片和LDPE微粒均显著抑制了土壤总氮（TN）的增加。然而，在休耕期间，这些微塑料则促进了TN的减少。这一现象表明，微塑料对土壤氮含量的影响具有时间依赖性，可能在不同的生长阶段表现出不同的效应。在大豆收获阶段，PBAT碎片和LDPE碎片对铵态氮（NH4+-N）的增加表现出显著的抑制作用，而对硝态氮（NO3--N）则没有明显影响。相比之下，在玉米生长期间，PBAT碎片、LDPE碎片和LDPE微粒显著促进了硝态氮的增加，并刺激了铵态氮向硝态氮的转化。这些变化可能与微塑料对土壤微生物群落结构的改变有关，从而影响氮的转化路径。

此外，微塑料对大豆和玉米根际土壤中的氮相关酶活性产生了显著影响。具体而言，PBAT碎片、LDPE碎片和LDPE微粒显著抑制了亮氨酸氨基肽酶（LAP）和丙氨酸氨基转移酶（ALT）的活性，但仅对大豆根际土壤中的N-乙酰-β-葡萄糖苷酶（NAG）活性产生刺激作用。这些酶活性的变化可能进一步影响土壤中氮的分解和转化过程，从而影响植物对氮的吸收和利用效率。实验结果表明，微塑料污染可能通过抑制生物固氮作用，降低土壤中氮的积累，同时通过促进氮的转化和流失，增加氮的损失风险。

### 微塑料对土壤氮可用性的调控

研究还发现，微塑料污染对土壤中氮的可用性具有复杂的影响。在大豆生长期间，PBAT碎片和LDPE碎片对铵态氮的积累表现出抑制作用，而在休耕期间，这些微塑料则促进了硝态氮的增加。这种变化可能与微塑料对土壤微生物群落的影响有关，尤其是在促进氮的矿化和转化方面。在玉米生长期间，微塑料污染显著促进了硝态氮的减少，表明其可能加速了氮的转化过程，从而影响了土壤中氮的形态分布。

此外，微塑料对土壤中氮相关酶活性的影响也显示出显著的差异。在大豆根际土壤中，微塑料显著抑制了LAP和ALT的活性，但刺激了NAG的活性。这种酶活性的变化可能影响土壤中氮的分解和转化过程，从而影响植物对氮的吸收和利用。在玉米根际土壤中，微塑料对LAP和ALT的抑制作用更为明显，而对NAG的刺激作用则相对较弱。这表明，不同类型的微塑料可能对土壤中不同氮相关酶的活性产生不同的影响，从而进一步影响氮的生物可利用性。

### 微塑料对土壤氮循环的潜在影响

微塑料污染对土壤氮循环的影响不仅限于氮含量和可用性的变化，还可能通过改变土壤的物理结构和微生物群落，影响氮的转化和迁移。例如，LDPE碎片和微粒可能通过堵塞土壤孔隙，限制氧气的扩散，从而诱导局部缺氧条件，促进反硝化作用，加速氮的损失。此外，微塑料可能通过改变土壤结构，影响土壤的通气性和水渗透性，从而抑制植物根系对氮的吸收。PBAT碎片和LDPE碎片可能通过影响根瘤的形成和固氮微生物的活性，降低大豆的固氮能力，进而影响土壤中氮的积累。

研究还发现，微塑料污染可能通过改变土壤微生物群落的组成，影响氮的矿化和转化过程。例如，某些微塑料可能促进特定微生物的生长，如假单胞菌、根瘤菌和放线菌，从而影响土壤中氮的转化路径。此外，微塑料可能通过形成“塑料球土”（plastisphere）环境，支持特定微生物的生长，进一步影响氮的循环过程。这些变化可能对土壤氮的可持续性和生物可利用性产生深远影响，尤其是在长期使用塑料薄膜的农田中。

### 微塑料污染对农业可持续性的挑战

综上所述，微塑料污染对土壤氮循环的影响是复杂且多方面的。不同类型的微塑料（如PBAT碎片、LDPE碎片和LDPE微粒）可能通过不同的机制影响土壤中氮的积累和转化。在大豆生长期间，微塑料污染可能抑制氮的积累，而在休耕和玉米生长期间，可能促进氮的转化和流失。这些变化可能对农业系统的可持续性构成挑战，尤其是在长期使用塑料薄膜的农田中，可能需要额外的氮输入以维持土壤肥力。此外，微塑料污染还可能通过改变土壤微生物群落的结构和功能，影响氮的生物可利用性，从而影响植物的生长和产量。

因此，本研究的结果强调了微塑料污染对农业土壤氮循环的潜在负面影响，并指出不同类型的微塑料可能对土壤氮的动态变化产生不同的效应。这些发现对于评估农业中塑料污染的风险以及制定相应的管理措施具有重要意义。未来的研究应进一步探讨微塑料污染对土壤微生物群落的长期影响，以及其对氮循环过程的具体机制，以便更好地理解和应对这一环境问题。