微塑料对农业生态系统多功能性的影响：从作物生长到土壤微生物多样性及功能的系统解析

针对微塑料(MPs)污染对农业生态系统的潜在威胁，研究人员通过玉米-土壤微宇宙实验，系统评估了聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)三种MPs在不同浓度(0.1-5%)下对植物生理、土壤养分循环、微生物群落及生态系统多功能性(EMF)的影响。研究发现MPs显著抑制玉米生长，改变土壤C/N/P循环相关酶活性，并通过重塑微生物网络结构影响EMF，为农业塑料污染治理提供科学依据。

　　

随着全球塑料年产量的持续增长（年增长率约5%），微塑料（Microplastics, MPs）污染已成为威胁农业生态系统的隐形杀手。农用地膜、有机肥施用等农业活动导致土壤中MPs浓度高达12,560 items kg^-1，其中聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)占比近80%。这些直径<5 mm的颗粒不仅可能阻碍作物生长，更会通过改变土壤理化性质和微生物群落，影响养分循环和生态系统多功能性(Ecosystem multifunctionality, EMF)。然而，现有研究对MPs类型和浓度差异的生态效应缺乏系统认知，特别是对玉米这类全球主粮作物的影响机制尚不明确。

为解决这一科学问题，中国科学院华南植物园（South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences）的研究团队设计了系统的微宇宙实验。通过设置PE、PP、PS三种MPs在0.1%、1%、5%三个浓度梯度，结合玉米栽培体系，综合运用植物生理指标测定、土壤酶活性检测、高通量测序和网络分析等技术，首次揭示了MPs通过"植物-微生物-土壤"互作网络影响EMF的级联效应。

关键技术方法
研究采用激光粒度分析测定MPs粒径分布（47.93-69.90 μm），通过叶绿素荧光仪(MINI-PAM-II)监测光合参数，利用16S rRNA和ITS基因扩增测序解析微生物群落，结合结构方程模型(SEM)量化环境因子对EMF的贡献率。土壤酶活性涵盖β-1,4-葡萄糖苷酶(βG)、脲酶等7种C/N/P循环关键酶。

3.1 MPs对玉米生长的影响
PP MPs表现出最强抑制作用，5%浓度使株高降低23.6%。所有MPs减少根系表面积（PE 1%处理降幅达34.7%）和生物量，但PS 5%对总生物量无显著影响。生理指标显示PE MPs使可溶性糖降低31.2%，而PP 5%和PS 5%显著抑制过氧化氢酶(CAT)活性（分别下降42.5%和38.3%），表明高浓度MPs削弱植物抗氧化防御。

3.3 MPs对土壤理化性质的影响
1% PE和5% PP使土壤容重增加12.4%，5% MPs处理显著降低有效磷(AP)含量（PE组下降29.8%）。值得注意的是，所有MPs提升土壤总碳(TC)存储，但1% PE使微生物生物量碳(MBC)减少18.6%，反映碳利用效率的改变。

3.5 MPs对土壤微生物群落的影响
低浓度MPs（0.1% PE、1% PP）提升细菌α多样性（Shannon指数增加15.3%），但5% PP使真菌丰富度降低。网络分析显示1% PE使细菌网络节点数增加47个，而0.1% PE反而降低网络稳定性，说明MPs浓度与微生物互作强度呈非线性关系。

3.6 MPs对EMF的影响
0.1% PE和PS通过提升细菌多样性（+22.4%）和C循环酶活性（βG增加56.3%）使EMF提高18.7%，但5% MPs的促进作用消失。SEM分析揭示土壤水分（路径系数0.38）和NH₄⁺-N含量（0.29）是调控EMF的关键驱动因子。

这项发表于《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》的研究首次系统阐明了不同类型MPs的浓度依赖性生态效应。其重要意义在于：① 确定PP MPs对作物的最强毒性效应，提示农业需优先控制PP类塑料制品；② 揭示低浓度MPs可能通过"微生物唤醒效应"暂时提升EMF，但长期高浓度暴露将导致功能退化；③ 建立的"MPs-微生物-酶活性-EMF"作用框架为生态风险评估提供新范式。研究人员建议未来重点开展大田验证实验，并开发针对MPs污染土壤的磷活化技术，以保障粮食安全与生态可持续性。