土壤微塑料污染改变了原生植物与入侵植物之间竞争中的相对优势

《Applied Soil Ecology》：Soil microplastic pollution shifts relative dominance in competition between native and invasive plants

　　

**摘要**
微塑料污染和植物入侵是陆地生态系统面临的两大主要环境挑战。然而，以往的研究大多集中在它们对单个入侵或本土植物物种，或植物群落的影响上，关于微塑料如何影响入侵植物与本土植物之间相互作用的知识仍然有限。在本研究中，我们使用了三对本土和入侵植物物种，并建立了两种微塑料类型的处理，这两种微塑料在聚合物形式和粒径上有所不同，即聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），同时结合三种种植模式：本土物种单独种植、入侵物种单独种植以及两组混合种植。结果表明，PE 降低了本土物种叶片中的 P 并增加了叶片的 N:P 比，但对入侵物种的生理性状没有显著影响。在 PP 处理下，入侵物种的比叶面积、冠幅、叶片氮浓度、地上生物量以及总生物量（TB）均显著减少。在本土物种中，丙二醛浓度和根冠比显著增加，而地上生物量、根生物量和 TB 显著下降。与对照组相比，在 PE 和 PP 处理下，本土和入侵物种仍保持了一定程度的功能性状分化。在 PE 和 PP 下，入侵物种的相对竞争力指数（RDI）显著高于 0.5，而对照组与 0.5 之间没有观察到差异，表明微塑料可以帮助最初处于劣势的入侵物种获得竞争优势。然而，两种微塑料类型的潜在机制不同。与种内竞争相比，PP 导致入侵物种与本土物种之间的种间相互作用对本土物种产生了显著的抑制作用，而 PE 可能通过破坏本土物种的营养平衡，增加了混合种植中入侵物种的相对生长优势。我们的研究结果表明，微塑料污染可以使原本处于劣势的入侵物种获得竞争优势，并为在加剧的微塑料污染下管理生物入侵提供了宝贵的见解。

**引言**
微塑料（MPs）是指直径≤5 毫米的塑料碎片（Khalid et al., 2020）。全球塑料制造的持续扩张，加上塑料产品的广泛和长期使用，导致塑料碎片在自然环境中不断积累（Cai et al., 2023; Geyer et al., 2017）。MPs 越来越多地被认可为一种新兴的污染物类，由于其潜在的生态风险而引起了相当大的关注（de Souza Machado et al., 2018; Ya et al., 2021）。越来越多的证据表明，MPs 可以破坏植物生长和相关生理功能（Fu et al., 2024b）。然而，关于微塑料污染的研究主要集中在水生生物（Horn et al., 2020; Horton et al., 2017; Lu et al., 2016）。尽管许多研究表明陆地生态系统是微塑料的重要汇，但它们在陆地系统中的生态后果仍探索不足（de Souza Machado et al., 2018; Khalid et al., 2020）。陆地植物是首先遇到微塑料污染的生物之一，是微塑料进入陆地食物网的关键门户（Wang et al., 2023; Wong and Taylor, 2025）。因此，阐明 MPs 如何影响陆地生态系统中植物表现具有生态意义和紧迫的重要性。

外来植物入侵是一个主要的全球性问题，鉴于它们有可能减少生物多样性并改变生态系统的结构和功能（Kumar Rai and Singh, 2020; Meng et al., 2024）。以往的研究表明，植物入侵受到多种全球变化驱动因素的影响，包括大气 CO? 浓度升高、氮沉降和重金属污染（Bradley et al., 2010; He et al., 2024; Wang et al., 2020），入侵植物通常表现出对这种环境变化的高度耐受性（Chen et al., 2025; Davidson et al., 2011）。微塑料越来越多地被认定广泛存在于土壤中（Nizzetto et al., 2016; Ya et al., 2021），可能加剧植物入侵。一些研究报告称，入侵植物对微塑料污染的抵抗力比本土物种大，因此在微塑料胁迫下保持优越的生长表现（Javed et al., 2023; Li et al., 2024）。然而，其他研究表明，MPs 对入侵物种的抑制作用比对本土物种更强（Fu et al., 2024b; Shi et al., 2024）。以往研究结果之间的差异可能不仅源于入侵和本土物种之间固有的响应差异，还源于微塑料理化特性和栽培模式的调节（Azeem et al., 2022; Javed et al., 2025; Lozano et al., 2021）。

迄今为止，大多数评估微塑料对本土和入侵植物影响的研究都依赖于单养实验（Fu et al., 2024b; Li et al., 2024; Zhang et al., 2024b）。然而，自然生态系统中入侵物种和本土物种之间的种间相互作用是决定入侵结果的关键驱动因素（Godoi et al., 2026; Golivets and Wallin, 2018; Leal et al., 2022）。鉴于植物在复杂群落中发挥作用，微塑料在组装层面的影响可能由种间相互作用介导（He et al., 2024）。一项研究报告称，微塑料暴露增加了入侵植物三裂叶豚草（Sphagnosticola trilobata）的竞争主导地位（Javed et al., 2023）。然而，该研究使用了聚苯乙烯和聚丙烯的混合物，并且只包含一对入侵和本土物种，这使得无法区分不同微塑料类型的独立影响，并限制了其结论的普遍性。其他研究表明，微塑料可以减少植物群落中入侵植物帕尔默蓼（Amaranthus palmeri）的生态位宽度（He et al., 2024; Meng et al., 2024），降低多年生黑麦草（Lolium perenne）的地上生物量（He et al., 2023），并增加本土群落对生物入侵的抵抗力（Javed et al., 2025）。尽管如此，在这些模拟群落实验中，根系纠缠使得难以评估地下生物量（Fu et al., 2024a; He et al., 2023），并且没有一个研究比较入侵和本土物种的生长或竞争能力。因此，涉及多种微塑料类型暴露的多个入侵和本土物种的竞争实验可以最大限度地减少复杂环境因素的影响，专注于种间竞争，并帮助评估微塑料胁迫下的生长和入侵动态（Fu et al., 2024b）。

当入侵植物和共存的本土物种经历相似的环境选择压力时，植物功能性状的差异成为塑造其竞争关系的关键（Chen et al., 2024; Wang et al., 2021）。从功能性状角度解释了植物入侵成功提出了两个相互矛盾的观点（Luo et al., 2016）。表型趋同假说强调生境过滤，认为具有与本土物种相似性状值的外来物种更有可能在本地群落中建立和传播（Maire et al., 2012; Thompson et al., 1995）。相反，表型分歧假说认为，入侵物种和本土物种之间更大的功能差异更有可能促进入侵成功（Ordonez et al., 2010; Wang et al., 2020）。虽然许多研究已经检查了在重金属污染、氮沉降和干旱等环境胁迫下入侵植物和本土植物之间的功能性状关系（Chen et al., 2024; Wang et al., 2020; Xiang et al., 2024），但微塑料污染对入侵植物及其共存本土对应物种之间性状趋同或分歧的影响仍未被探索。因为微塑料对功能性状分歧或趋同的影响可能是物种特异的，所以需要涉及多对入侵和本土物种的研究，以确保得出的结论具有普遍性。

在这项工作中，我们评估了两种常见微塑料类型对植物生长、生理性状和种间相互作用的影响。我们在单养和混养条件下进行了实验，使用了三种广泛分布的入侵菊科物种（小飞蓬 Conyza canadensis、大花金鸡菊 Coreopsis grandiflora 和鬼针草 Bidens pilosa）和三种同科的共存本土物种（艾草 Artemisia argyi、马兰 Kalimeris indica 和牛口刺 Cirsium setosum）。菊科是物种最丰富的被子植物科之一，包括许多引起全球关注的杂草和入侵植物（Sokornova et al., 2022; Vestena et al., 2023）。通过控制本土和入侵物种之间的系统发育相关性，同时保留每个物种对内的关键功能性状差异，这种设计允许更有效地比较入侵和本土植物对微塑料的差异响应。因此，我们假设：1) 微塑料将抑制植物生长，且这些影响的幅度和方向在微塑料类型之间会有所不同；2) 微塑料将以以下方式改变功能性状，通过生境过滤可能驱动入侵物种和本土物种之间的趋同；3) 微塑料将增强入侵物种相对于本土物种的竞争优势，在种间竞争期间。

**章节片段**
**研究地点**
温室实验在中国青岛农业大学城阳校区（36°31′ N, 120°39′ E）进行。研究区域位于暖温带季风气候区，特点是热和降水同步。在整个实验期间，进行了充分的通风以确保稳定且均质的环境条件。温室内的空气温度和相对湿度使用数字...

**不同微塑料类型对植物性状和土壤性质的影响**
微塑料（MPs）显著影响了几乎所有测量的变量，除了叶绿素含量和叶片生物量（表 1 和表 2）。与对照组（CK）相比，聚乙烯（PE）仅显著降低了叶片 N 含量和 Fv/Fm，并增加了叶片 N/P 比（图 1G 和 I）。其他测量的性状未检测到显著差异。相比之下，聚丙烯（PP）显著减少了总生物量、地上生物量、根生物量、高度、冠面积，...

**植物对不同微塑料类型的生长响应**
在我们的研究中，微塑料对植物表现产生了总体负面影响，这与许多先前的报告一致（de Souza Machado et al., 2019; Khalid et al., 2020; Wong and Taylor, 2025）。一些研究表明，微塑料可以积累在根表面并堵塞孔隙，从而阻碍植物对水和养分的吸收，破坏正常的生理和代谢过程（Jiang et al., 2019; Zhang et al., 2024c）。此外，我们发现微塑料...

**结论**
本研究表明，两种微塑料类型都对植物产生了负面影响：PE 仅影响植物的部分生理表现，而 PP 不仅加剧了生理损伤，还抑制了生长和生物量。入侵物种主要通过形态收缩、资源保存和维持根系吸收能力来缓冲 PP 胁迫，而本土物种在 PP 下表现出更明显的氧化损伤和更强的生长限制。通过...

**CRediT 作者贡献声明**
Mingyan Li：写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。Huizhen Zou：写作 – 审阅与编辑，形式分析，数据整理。Zhihang Sun：写作 – 审阅与编辑，数据整理。Qiang Wang：验证，方法论。Yanni Chen：方法论，数据整理。Lina Xu：方法论，资金获取。Change Zhou：验证。Xianhu Guo：验证，软件。Shaoxia Guo：验证，软件。Chixuan Xiang：数据整理。Xiaolei Jiang：验证，

**利益冲突声明**
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

**致谢**
本工作得到国家自然科学基金（编号：32271588, 42207255）、山东省自然科学基金（编号：ZR2025QC190, ZR2023QE128）、青岛农业大学博士启动基金（编号：6631120094）以及江西省生物入侵与生物安全重点实验室开放基金（编号：BIB202501）的支持。

Mingyan Li|Huizhen Zou|Zhihang Sun|Qiang Wang|Yanni Chen|Lina Xu|Change Zhou|Xianhu Guo|Shaoxia Guo|Chixuan Xiang|Xiaolei Jiang|Tong Wang|Xiao Guo
青岛农业大学风景园林与森林学院，山东省耐盐碱草木种质创新重点实验室，中国山东省青岛市长城路 700 号，266109