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Science of the Total Environment :土壤微塑料对外来植物入侵的促进作用取决于微塑料的形态和浓度
外来植物的入侵已成为对生物多样性、粮食安全、经济和整体人类福祉的重大威胁。外来植物的成功入侵可以通过影响土壤理化性质，以及土壤生物群落多样性、结构、活性和功能改变生态系统的结构和功能。研究表明，全球变化因素由于创造了新的环境，如气候变暖、土地利用变化、干旱等，可以影响外来植物的入侵。事实上，与本地物种相比，许多入侵物种对环境污染和全球变化因素等干扰表现出更大的抵抗力。同样，微塑料，作为一个新兴的全球变化因素，也可能促进外来物种的入侵。近年来的研究表明，微塑料会影响土壤的理化性质、生物多样性和功能，从而影响植物的生产性能。微塑料在植物-土壤系统中的持续存在和迁移会影响植物整个生命周期的生长，不仅有负面影响也有积极影响。这包括种子发芽和根系发育、营养吸收、生理活动、组织发育等过程。此外，微塑料可以改变一些植物活性氧(ROS)的产生，这在调节植物生长发育，增强其对环境胁迫的抵抗力等方面起着至关重要的作用，而微塑料引起的ROS水平的变化可能导致抗氧化酶活性的变化。尽管已有研究表明入侵植物比本地物种更能适应环境胁迫，但对微塑料对原生和入侵植物的生长环境、抗氧化酶活性以及生物量的研究尚不足。因此，本研究针对不同形状(颗粒状和碎片状)和浓度(0、0.5%和2.0% (w/w))的微塑料对本地一枝黄花和加拿大一枝黄花生长的影响进行了探讨，分析了其对本地一枝黄花和加拿大一枝黄花生长环境、抗氧化酶活性以及生物量的影响。研究结果对于深入理解微塑料污染对于本地植物和入侵植物的差异性，以及其对可持续生态环境的发展和人类福祉的长远影响具有重要意义。
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我们的研究结果表明，微塑料对土壤性质的影响取决于植物种类、微塑料形状和浓度(图1)。微塑料处理改变了本地一枝黄花的土壤性质，如微塑料形状和浓度的功能(图1(a))。同样，微塑料的存在也影响了与入侵物种加拿大一枝黄花相关的土壤性质，但影响模式不同(图1(b))。 ![]()
图1微塑料对本地物种(a)和入侵物种(b)土壤性质影响的主成分分析(PCA)。
我们的研究结果表明，微塑料对土壤特性的不同影响导致了微塑料对植物性能的不同影响途径(图2和图3)。具体而言，根据Mantel检验结果(图2(a))，本地物种一枝黄花的过氧化物酶(P < 0.05)、超氧化物歧化酶(P < 0.05)、地上生物量(P < 0.01)和总生物量(P < 0.05)与DOC:P呈正相关(图2(a))。地上生物量与过氧化物酶、超氧化物歧化酶呈显著正相关(P < 0.01)，总生物量与过氧化物酶呈显著正相关(P < 0.05)。然而，加拿大一枝黄花的生长特性与环境因子的相关性呈现出不同的趋势(图2(b))。即过氧化物酶与DOC (P < 0.05)、DOC:P (P = 0.05)呈正相关，地上生物量与MBN (P < 0.05)、MBC / SOC (MBC:SOC)呈正相关，地下生物量与MBC (P < 0.05)呈正相关，总生物量与DOC (P < 0.05)、DOC:P (P < 0.05)、MBC:SOC (P < 0.05)呈正相关(图2(b))。此外，入侵物种加拿大一枝黄花的植物生物量与抗氧化酶之间没有显著的相关性。
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图2 影响本地物种(a)和入侵物种(b)的抗氧化酶活性与生物量的环境变量的Mantel检验。
方差分解分析(VPA)显示，微塑料引起的土壤性质、养分、土壤养分比例和植物抗氧化酶活性的变化分别解释了本地物种一枝黄花生物量变化的91.6%、51.7%、56.0%和47.8%(图3(a))。同时，仅土壤养分和养分比例能分别解释微塑料存在时入侵物种加拿大一枝黄花生物量变化的73.2%和53.6%(图3(b))。![]()
图3本地种(a)和入侵种(b)植物生物量的方差分解分析(VPA)由土壤性质(土壤水分、微生物生物量碳和氮)、养分条件(溶解有机碳、溶解有机氮和速效磷)、养分比例(溶解有机碳、氮和速效磷的比例)和抗氧化酶酸度(过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶)解释。
微塑料对植物生物量的影响途径在本地种一枝黄花和入侵种加拿大一枝黄花之间存在显著差异。偏最小二乘路径建模(PLS -PM)结果显示，微塑料引起的土壤水分、养分、养分比例和微生物生物量的变化最终会影响植物抗氧化酶活性和生物量(图4)。对于本地一枝黄花，微塑料对土壤养分如DOC、DON和SAP有显著的负面影响，而后显著影响养分比例和微生物生物量，最终导致植物生物量显著减少(图4(a))。此外，微塑料会轻微增加土壤水分，从而显著影响养分、养分比、土壤微生物量以及植物抗氧化酶活性和生物量(图4(a))。总体而言，植物抗氧化酶活性、土壤养分、水分和微生物生物量对微塑料引起的本地物种植物生物量变化有正向影响，而土壤养分比和微塑料负向影响(图4(c))。与本地种相比，微塑料对入侵种植物生物量的影响路径有显著差异。一方面，微塑料显著降低土壤水分，从而对土壤养分有显著的负面影响，另一方面，微塑料对土壤养分也有直接的正向影响，而后土壤养分显著正向影响土壤养分比和植物生物量(图4(b))。土壤养分比首先对土壤微生物生物量产生负向影响，然后对植物生物量产生负向影响。此外，土壤养分比也可以直接负向影响植物生物量(图4(b))。总体而言，微塑料对土壤水分和养分的影响是正向的，而土壤养分比例和微生物生物量对微塑料对入侵物种植物生物量的影响是负向的(图4(d))。土壤养分配比对两种植物的影响最显著(P < 0.05;图4(c)和(d))。因此，土壤养分比例成为驱动植物生物量变化的关键因素。
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图4 微塑性对土壤性质和植物生长影响的偏最小二乘路径模型(PLS-PM)，以及各因素的标准化总效应结果。(a)本地物种微塑料的PLS-PM通径分析；(b)微塑料对入侵物种的PLS-PM通径分析；(c)微塑料对本地物种的总影响；(d)微塑料对入侵物种的总影响。
总结：
我们的研究有助于更好地了解微塑料对本地一枝黄花和加拿大一枝黄花土壤性质、植物生物量和抗氧化酶的影响。我们发现，这些影响取决于微塑性形状、浓度、微塑性形状和浓度的相互作用，以及植物物种的特性。此外，我们的研究结果表明，微塑料对本地和入侵一枝黄花存在的土壤性质的影响不同，导致对植物性能的影响不同。其中，本地植物受微塑料的影响明显大于入侵植物。这表明加拿大一枝黄花可能对微塑料污染表现出更强的抵抗力，从而可能促进它们的入侵。然而，土壤微塑料污染对外来植物入侵过程和成功入侵的影响在很大程度上仍然未知。迫切需要对这一领域进行进一步的具体研究。如果对该篇文章感兴趣，请阅读原文：DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.172089
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