【文献学习】长期农业管理下,微生物养分限制对可生物降解与传统微塑料的非线性响应

Nonlinear microbial nutrient limitation responses to biodegradable vs. conventional microplastics under long-term agricultural management

长期农业管理下，微生物养分限制对可生物降解与传统微塑料的非线性响应

文献信息：

影响因子：11.3

期刊：Journal of Hazardous Materials

日期：2025.12.09

网址：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.140777

摘要

塑料薄膜的广泛覆盖导致农业系统中微塑料（Mps）的积累，对土壤健康构成潜在威胁。然而，可生物降解与传统微塑料对微生物养分限制的影响尚未得到充分研究，尤其是在长期农业管理实践条件下。为此，对一个长期农业管理田间平台（包含不同施肥和种植制度）进行采样，并开展了涉及两类微塑料的微宇宙实验。采用胞外酶化学计量学及多元回归模型评估微生物养分限制及其与土壤化学和微生物性质的关系。结果表明，矿质肥料配施秸秆最有效地缓解了微生物碳（C）限制，其最小值约为0.61。可生物降解与传统微塑料的添加分别使微生物碳限制降低了14.9%和12.6%。微生物磷（P）限制受到种植制度、施肥制度和微塑料添加三者交互作用的影响。值得注意的是，可生物降解微塑料缓解微生物磷限制的效果优于传统微塑料，尤其在矿质施肥条件下。在无微塑料条件下，微生物碳限制与磷限制呈线性关系；而微塑料的添加则导致出现不同的非线性响应模式，具体取决于微塑料类型。无论微塑料类型如何，胞外酶活性和微生物性质均被确定为微生物养分限制的关键预测因子。总体而言，本研究强调，优化的农业管理措施——例如用可生物降解地膜替代传统塑料地膜，尤其是与秸秆还田相结合——可缓解微生物养分限制，并有助于维持土壤养分循环的平衡。

1.前言

覆盖塑料薄膜已被广泛应用于农业中，以在作物苗期保持土壤温度和湿度，从而促进植物生长[1]。然而，长期暴露于紫外线辐射及自然风化过程会导致塑料薄膜破碎，最终形成微塑料（Mps，直径< 5 mm）[2, 3]。作为一种新兴污染物，微塑料因其对陆地生态系统（尤其是农业系统）的潜在威胁而引发全球关注[4, 5]。这一环境问题与可持续发展目标（SDGs）中的目标2尤为相关，该目标强调，确保全球粮食安全和实现“零饥饿”在很大程度上依赖于维持农业土壤的健康和可持续生产力。

长期以来，传统微塑料一直是农业土壤中积累的主要类型。然而，其极慢的降解速率和在土壤中长达数十年的持久性促使人们将可生物降解微塑料作为一种更具环境可持续性的替代方案[6]。识别传统微塑料的可行替代品，并比较它们对农业生态系统功能的影响，对于减少环境污染、保护土壤健康和生物多样性至关重要，也符合可持续发展目标12和15中概述的可持续性目标。尽管可生物降解微塑料与传统微塑料在元素组成、结构稳定性和降解行为方面存在差异，但两类微塑料均作为外源性碳源，能够通过微生物介导的过程改变土壤养分循环。

土壤微生物是有机物分解的重要参与者，对肥料、作物秸秆及微塑料等外源性有机输入高度敏感。微生物的代谢活动与土壤健康和作物生产力密切相关[7, 8]。然而，多数微生物群落因能量或资源可获得性不足而面临养分限制，这严重制约了其代谢功能及土壤养分转化过程[9]。与碳、氮、磷循环相关的胞外酶活性（EEAs）化学计量变化反映了微生物的代谢策略[10]，表明微生物代谢需求与环境养分有效性之间的生物地球化学平衡[11]。为了量化微生物的资源需求，Moorhead等[12]提出基于胞外酶活性的相对变化计算“向量长度”和“向量角度”，分别代表微生物碳限制和氮/磷限制。尽管现有证据表明微塑料会影响微生物代谢过程和土壤养分循环[13]，但关于微塑料对微生物养分限制的具体影响仍知之甚少。

微塑料进入土壤后会引发一系列的迁移和转化过程，具有深远的生态影响。首先，微塑料表面为微生物定殖和增殖提供了独特的生态位，形成“塑料际”（plastisphere），并可通过地表径流和亚表层渗流进行迁移[14]。此外，微塑料可被螨虫、跳虫及其他土壤无脊椎动物等微型与中型动物群摄食，从而进入食物网，并进一步整合到能量流动和物质循环中[15]。微塑料还会改变土壤理化性质和生态化学计量，最终影响微生物养分限制和土壤养分循环[16]。Tang等[17]研究表明，微塑料可以缓解微生物碳限制，其中可生物降解微塑料的效果尤为显著，微生物优先利用这些易于获取的能量底物以最大化资源获取。为利用这一资源，微生物增强碳获取酶的分泌，促进有机物分解和养分活化，从而缓解碳限制[18]。与此同时，该分解过程释放养分，进而可能缓解氮/磷限制。可生物降解微塑料的结构类似于碳水化合物，主要由C、H和O组成，结构稳定性低，且含有易水解的不稳定酯键。通过特定微生物的酶解作用，这些微塑料最终矿化为约80%的CO₂和H₂O，而高达20%的成分被同化为微生物生物量[16]。该过程增强了微生物养分周转，使得可生物降解微塑料在缓解养分限制方面尤为有效。相比之下，传统微塑料（如聚氯乙烯）含有高比例的氯，且对生物降解具有高抗性。稳定的C-Cl键可能对微生物产生毒性效应[19]。此外，传统微塑料对污染物和养分具有较强的吸附能力，这会干扰矿化过程，螯合有效养分，最终阻碍微生物对养分的获取和利用，从而加剧养分限制。因此，微塑料对微生物代谢过程和土壤养分循环的影响因微塑料类型而异。

此外，矿质施肥可以部分抵消微塑料引起的高C：N比，提高土壤养分有效性；而矿质施肥与秸秆还田相结合则为微生物提供了额外的底物和能量，从而刺激酶合成，进一步缓解微生物养分限制[20]。植物种类也通过根系介导的养分获取和转化过程与微生物形成共生关系，从而显著影响土壤养分循环[21]。与连作相比，作物轮作有助于形成更均衡的土壤养分状况，并缓解持续的微生物养分限制。豆科植物的纳入尤其有益，因其可通过生物固氮减少氮损失[22]。不同类型的微塑料、施肥制度与种植制度共存，代表碳、氮、磷的多种来源，产生高度复杂的交互作用。由这些综合因素决定的微生物养分限制响应及其关键预测因子仍未被充分研究。

为此，研究采集了经34年长期农业管理的黑土农田土壤，开展了添加微塑料的微宇宙实验。旨在：（1）探究微塑料类型、施肥制度和种植制度对微生物养分限制的影响；（2）通过分析土壤化学性质、微生物生物量及土壤胞外酶活性，阐明其潜在机制。研究提出以下假设：（1）可生物降解和传统微塑料均能作为微生物的外源性碳源，从而缓解微生物碳限制。（2）由于可生物降解与传统微塑料在结构稳定性和可降解性上的差异，微生物氮/磷限制的方向以及微生物碳限制与氮/磷限制之间的关系将取决于微塑料类型。（3）土壤微生物和酶学性质将是微生物养分限制的主要预测因子，因为这些性质反映了微生物的养分需求、获取能力及生物地球化学转化潜力。

2.材料和方法

2.1田间试验设计

自1990年以来，在中国东北黑龙江省海伦县（47°26′N，126°28′E）开展了一项关于施肥制度和种植制度的长期田间试验。土壤为粉质黏壤土质地的软土[23]。试验包括六个处理，结合了两种种植制度（玉米-大豆轮作和玉米连作）与三种施肥制度：不施肥（CK）、矿质肥料（NPK）以及矿质肥料配施秸秆还田（NPKS）。每个施肥处理面积约为0.4公顷，由长100 m、宽0.65 m、高0.25 m的垄组成，每个处理共计60条垄。每个施肥组进一步分为两个子组，其中30条垄用于玉米连作制度，其余30条垄用于玉米-大豆轮作制度。每年在10月中旬休耕期前进行秸秆管理（移除和还田）。秸秆还田处理中，将所有秸秆切碎成4–5 cm小段，通过翻耕将其混入20 cm深的土层中。NPK和NPKS组的矿质肥料施用量相同：大豆施用尿素、磷酸氢铵和硫酸钾，施用量分别为64 kg N、70 kg P₂O₅和20 kg K₂O ha^-1y^-1；玉米则分别为138 kg N、70 kg P₂O₅和20 kg K₂O ha^-1y^-1。

2.2田间土壤采样与微塑料微宇宙实验

在上述试验平台上，于2024年4月春季播种前采集土壤样品。在每个处理组内，使用3 m× 3 m的样方，随机采集6个相距至少10 m的重复土壤样品，共获得36个土壤样品（6个处理 × 6个重复）。针对每个土壤样品，采用五点采样法采集土芯（直径4 cm，深度20 cm），即将每个样方内的5个土芯混合成为一个复合土壤样品。所有土壤样品经2 mm筛网过筛，以去除石块、根系和凋落物；随后用冰袋运至实验室进行微塑料培养实验。

考虑到传统微塑料在农业土壤中的大量积累以及可生物降解微塑料日益广泛的使用，研究选择聚乳酸（PLA；德国，Willich）作为可生物降解微塑料，选择聚氯乙烯（PVC；美国马萨诸塞州，Leominster）作为传统微塑料。上述微塑料购自中国鑫素玉环境材料有限公司，平均粒径为150 μm。所有微塑料在微宇宙实验前均进行元素分析（EDS，JEOL JSM-7800F，日本）和紫外线灭菌（30分钟）。将采集到的每个土壤样品分为三个处理：无微塑料添加（No-Mps）、添加2%（w/w）PLA（PLA）和添加2%（w/w）PVC（PVC），共获得108个土壤样品。所选2%（w/w）的微塑料浓度高于农业土壤中报道的典型环境水平。然而，该浓度旨在确保在短期实验期内可测得土壤养分循环的变化，同时避免过高浓度可能引起的微生物群落干扰[24]。每个样品置于100 mL广口瓶中，用带孔的塑料薄膜覆盖，在25 ±1℃的黑暗条件下培养。每五天添加无菌去离子水，使土壤含水量保持在田间持水量的60%。

培养60天后，将土壤样品分为三部分进行分析。第一部分保存在4℃，用于测定溶解性有机碳（DOC）、溶解性无机氮（DIN: NH₄⁺ + NO₃^-）、有效磷（Olsen-P）、有效钾（AK）及土壤EEAs。第二部分保存在-20℃，用于测定微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）和磷（MBP）。最后一部分风干，用于测定土壤pH、土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、总磷（TP）和总钾（TK）。

2.3土壤化学性质分析

土壤pH采用pH计（FE28，梅特勒-托利多，上海，中国）测定，土与CaCl₂溶液的比例为1:2.5（w/v）。SOC和TN使用元素分析仪（EA3000，Euro Vector，意大利）测定。分析前采用改进的密度分离方法去除微塑料[25]，因此认为微塑料对SOC测定的潜在影响可忽略不计。TP采用NaOH消解后的钼蓝比色法测定。TK采用NaOH消解后的火焰光度法测定。DOC和DON通过将土壤与0.5 M K₂SO₂在200 rpm下振荡30分钟提取，随后经0.45μm滤膜真空抽滤，并使用TOC分析仪（enviro TOC，Elementar，德国）进行分析。NH₄⁺和NO₃^-使用连续流动分析仪（AA3，Seal Analytical，Norderstedt，德国）测定。Olsen-P采用0.5 M NaHCO₃提取后的钼蓝比色法测定。AK采用1 M CH₃COONH₄提取后，使用火焰光度计（FP6410，仪电集团（上海）有限公司，上海，中国）测定。

2.4土壤微生物生物量与酶活性测定

土壤MBC、MBN和MBP采用氯仿熏蒸提取法测定[26]。将每个土壤样品置于干燥器中，用氯仿熏蒸24小时。熏蒸后，样品用0.5 M K₂SO₄提取，并使用TOC分析仪进行分析。MBC和MBN通过熏蒸与未熏蒸样品之间DOC和DON浓度的差值确定。对于MBP测定，熏蒸土壤用0.5 M NaHCO₃提取，采用钼蓝法在700 nm波长下通过紫外光度法测量。MBP通过熏蒸与未熏蒸样品之间Olsen-P的差值确定。采用的换算系数分别为：MBC为0.45，MBN为0.54，MBP为0.4 [27]。

采用改良的荧光技术测定四种EEAs [28]，包括碳获取酶：β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）；氮获取酶：β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和L-亮氨酸氨基肽酶（LAP）；以及磷获取酶：酸性磷酸酶（AP）。测定时，将1 g新鲜土壤悬浮于125 mL 50 mM乙酸钠缓冲液（土壤pH ± 0.5单位）中。随后，将200 μL悬浮液与50 μL对应底物在96深孔微孔板中混合，并在25°C下避光培养3小时。每个测定中设置六个重复和对照空白。通过加入10 μL 1 M NaOH终止反应。使用SpectraMax M5微孔板读数仪（Molecular Devices, San Jose, CA, USA）在360 nm激发波长和460 nm发射波长下测量荧光强度。

2.5微生物养分限制与碳利用效率的计算

采用向量分析法，通过评估土壤胞外酶C、N、P化学计量比来表征微生物养分限制[12]。微生物碳限制由向量长度表示，长度越大表示微生物碳限制越强。微生物氮/磷限制由向量角度表示。向量角度小于45°表示微生物氮限制（随着角度增大，限制程度减弱）；向量角度大于45°表示微生物磷限制（随着角度增大，限制程度增强）。计算方式如下：

其中，x代表碳获取酶与磷获取酶的比值[BG/(BG+AP)]，y代表碳获取酶与氮获取酶的比值[BG/(BG + NAG + LAP)]。

微生物碳利用效率（CUE）采用化学计量模型计算[18]，计算方式如下：

其中，EEA_C:N和EEA_C:P分别代表(BG)/(NAG + LAP)和(BG)/AP。M_C:N和M_C:P代表MBC：MBN和MBC：MBP。L_C:N和L_C:P代表SOC：TN和SOC：TP。最后，K_C:N、K_C:P和CUE_max的赋值分别为0.5、0.5和0.6 [29]。

2.6统计分析

采用IBM SPSS 20.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）进行三因素方差分析（ANOVA）及Bonferroni校正事后检验，以评估微塑料类型（M）、施肥制度（F）、种植制度（C）及其交互作用对土壤化学和微生物性质、土壤胞外酶活性及微生物养分限制的影响。方差分析前，检验数据的正态分布和方差齐性。结果以均值±标准误表示，显著性水平设定为p< 0.05。计算线性与非线性相关关系（p< 0.05），以评估不同微塑料类型下向量长度与角度之间的关联。

采用多元回归模型评估微生物养分限制的预测因子[30]。预测因子包括：土壤pH、总养分、有效养分、微生物生物量和土壤胞外酶活性。首先进行Pearson相关分析，检验预测因子之间及其与微生物养分限制的相关性。基于相关分析结果，在不同微塑料类型下选择适当的预测因子。进行模型分析前，对所有变量进行Z-score标准化。利用R软件中的“MuMIn”包进行分析和筛选。基于Akaike信息准则（AICc）对模型进行排序，选择ΔAICc < 2的模型。采用模型平均法（model.avg函数）获取估计参数及相应的p值。构建四个模型以更好地评估预测因子对微生物养分限制的重要性（模型1：包含土壤pH和总养分；模型2：包含土壤pH、总养分和有效养分；模型3：排除土壤胞外酶活性；模型4：包含所有预测因子）。具有较低AICc和较高R²值的模型被认为拟合更优（表S3–S8）。

采用结构方程模型（SEM）探究不同微塑料类型下，农业管理实践中各预测因子影响微生物养分限制的路径。相关系数标准如下：卡方检验p> 0.05，RMSEA < 0.08，CFI > 0.95 [27]。SEM分析使用Amos 24.0软件（Smallwaters Corporation, Chicago, IL, USA）进行。

3.结果

3.1土壤化学性质

土壤pH、SOC、TN、TP、DOC、DIN和Olsen-P受到种植制度、施肥制度和微塑料添加的主效应影响，同时这些土壤化学性质也受到种植制度、施肥制度和微塑料添加不同组合交互效应的调控（图1和表S1）。具体而言，土壤pH和SOC受三种类型交互作用的影响：种植制度与施肥之间、种植制度与微塑料之间以及施肥与微塑料之间。与CK相比，施肥降低了土壤pH，在NPK组中达到最低值（约4.94）。在CK中，玉米-大豆轮作制度下添加PVC使土壤pH从5.53降至5.42；而在NPK和NPKS组中，玉米连作制度下添加PLA分别使土壤pH从4.96升至5.09和从5.13升至5.35（图1a）。与无微塑料添加组相比，PLA和PVC添加均使SOC增加（图1b）。在无微塑料添加条件下，种植制度与施肥对TN和Olsen-P存在交互效应。在玉米-大豆轮作制度中，NPK组的TN比玉米连作制度高13.4%。微塑料添加降低了土壤TN，在PVC添加组检测到最低TN含量（约1.76 g kg^-1）（图1c）。TP受两种类型交互作用的影响：种植制度与施肥之间，以及种植制度与微塑料之间。无论种植制度如何，施肥处理中CK组的TP最低（约0.70 g kg^-1）；微塑料添加处理中PVC添加组的TP最低（约0.77 g kg^-1）（图1d）。

图1. 长期农业管理下微塑料类型对土壤pH (a)、SOC (b)、TN (c)、TP (d)和TK (e)的影响。C：种植制度（玉米-大豆轮作与玉米连作）；F：施肥制度（CK、NPK和NPKS）；M：微塑料类型（No-Mps、PLA和PVC）。SOC：土壤有机碳；TN：土壤总氮；TP：土壤总磷；TK：土壤总钾。显著性差异表示如下：*：p< 0.05；**：p< 0.01；***：p< 0.001。数据为均值 ± 标准误（n = 6）。

3.2土壤微生物生物量

种植制度、施肥制度及微塑料添加的主效应和交互效应对土壤MBC均有影响。两种微塑料添加均使MBC含量增加。在玉米连作制度下，NPKS组中添加PLA使MBC达到最高水平（约4775 mg kg^-1）（图2a）。种植制度、施肥制度与微塑料添加的交互效应对土壤MBN有影响。在玉米-大豆轮作制度下，NPKS处理使无微塑料添加和PVC添加组的MBN增加；在玉米连作制度下，NPKS处理使PLA和PVC添加组的MBN增加（图2b）。种植制度与施肥对MBP有显著的主效应和交互效应，而微塑料添加对MBP也有显著影响。NPK组中，玉米-大豆轮作制度下的土壤MBP比玉米连作制度高105%。与无微塑料添加和PLA添加组相比，PVC添加使MBP增加35.7–62.9%（图2c）。

图2. 长期农业管理下微塑料类型对MBC (a)、MBN (b) 和 MBP (c) 的影响。C：种植制度（玉米-大豆轮作与玉米连作）；F：施肥制度（CK、NPK和NPKS）；M：微塑料类型（No-Mps、PLA和PVC）。MBC：微生物生物量碳；MBN：微生物生物量氮；MBP：微生物生物量磷。显著性差异表示如下：*：p< 0.05；**：p< 0.01；***：p< 0.001。数据为均值 ± 标准误（n = 6）。

3.3土壤胞外酶活性

BG和NAG + LAP活性均受种植制度、施肥制度与微塑料添加交互效应的影响。在玉米-大豆轮作制度下，CK和NPKS组中微塑料添加分别使BG活性降低49.5–51.1%和25.7–32.3%（图3a）。NPKS添加使NAG + LAP活性增加，在NPKS与PLA添加联合处理中观察到最高活性（约88.0 nmol h^-1g^-1）（图3b）。施肥和微塑料添加对AP活性具有显著的主效应，但AP活性也依赖于种植制度、施肥制度和微塑料添加两两组合之间的交互效应。除玉米连作制度下的PVC添加组外，NPKS处理使AP活性增加。与PLA添加相比，在玉米连作制度下，无微塑料添加和PVC添加使CK和NPK组中的AP活性增加（图3c）。

图3. 长期农业管理下微塑料类型对BG (a)、NAG + LAP (b)、AP活性(c)和微生物CUE (d)的影响。C：种植制度（玉米-大豆轮作与玉米连作）；F：施肥制度（CK、NPK和NPKS）；M：微塑料类型（No-Mps、PLA和PVC）。BG：β-1,4-葡萄糖苷酶；NAG + LAP：β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和L-亮氨酸氨基肽酶；AP：酸性磷酸酶；CUE：微生物碳利用效率。显著性差异表示如下：*：p< 0.05；**：p< 0.01；***：p< 0.001。数据为均值 ± 标准误（n = 6）。

3.4土壤微生物养分限制与碳利用效率

多数数据点位于1:1线上方，表明土壤微生物群落存在强烈的磷限制（图4a）。向量长度（指示微生物碳限制）和向量角度（指示微生物磷限制）均受施肥和微塑料添加的影响（图4b和c）。向量角度还受到种植制度、施肥制度与微塑料添加交互效应的影响。施肥显著缓解了微生物碳限制，在NPKS组中碳限制达到最低值（约0.61）。与无微塑料添加组相比，PLA和PVC添加分别使微生物碳限制降低14.9%和12.6%（图4b）。在玉米-大豆轮作制度下，NPKS组中PLA添加处理出现最低的微生物磷限制，比PVC添加处理低12.3%。在玉米连作制度下，NPK组中PLA添加处理观察到最低的微生物磷限制（约49.4°）（图4c）。相关分析表明，不同微塑料添加处理下，向量长度与向量角度之间的关系呈现复杂模式（图4d）。在无微塑料添加条件下，向量长度与向量角度呈线性关系；而在PLA和PVC添加条件下，向量长度与向量角度呈非线性关系。种植制度与施肥之间的交互效应对微生物CUE有影响。与无微塑料添加组相比，PLA添加使CUE增加39.3%，PVC添加使CUE增加33.3%（图3d）。

图4. 胞外酶化学计量学中的碳氮获取与碳磷获取相对比例(a)，长期农业管理下微塑料类型对向量长度(b)、向量角度(c)及其相关性(d)的影响。C：种植制度（玉米-大豆轮作与玉米连作）；F：施肥制度（CK、NPK和NPKS）；M：微塑料类型（No-Mps、PLA和PVC）。显著性差异表示如下：*：p< 0.05；**：p< 0.01；***：p< 0.001。数据为均值 ± 标准误（n = 6）。

3.5影响土壤微生物养分限制的因素

不同微塑料类型下，土壤化学性质、微生物性质、化学计量比、酶活性、微生物CUE以及微生物C和P限制参数之间的相关性如图5a所示。预测不同微塑料类型下微生物养分限制的最佳线性模型包含所有预测因子（模型4），且同时具有最低的AICc和最高的R²（表S3–S8）。移除三个因子中的任意一个（无论是土壤胞外酶活性、微生物性质还是有效养分）均会降低模型的预测能力（模型1–3）。多元回归模型表明，不同微塑料类型下微生物养分限制的预测因子存在差异，但土壤胞外酶活性和微生物性质始终是关键预测因子。此外，有效养分解释了无微塑料条件下向量角度以及PLA条件下向量长度的变化比例，分别占22.4%和9.42%。土壤总养分解释了PLA条件下向量长度和PVC条件下向量角度的变化比例，分别占19.6%和40.2%（图5b）。结构方程模型分析表明，种植制度和施肥通过不同路径影响微塑料添加下的微生物养分限制。对于两种微塑料添加类型，AP均是与向量长度和向量角度相关的最重要因子。在无微塑料和PLA添加条件下，施肥直接影响向量长度；而在PVC添加条件下，向量长度受种植制度的直接影响。对于PLA添加，微生物CUE是直接影响向量长度的关键因子，并对向量角度产生间接影响（图6和表S9–S11）。

图5. 不同微塑料类型下土壤pH、土壤总养分和有效养分、微生物生物量及其化学计量比、微生物碳利用效率、土壤胞外酶活性与微生物养分限制之间的Pearson相关性(a)。最佳模型展示了不同微塑料类型下各因子及预测因子的占比(b)。显著性差异表示如下：*：p< 0.05；**：p< 0.01；***：p< 0.001。

图6. 结构方程模型评估了不同微塑料类型下种植制度与施肥对微生物养分限制的影响。实线表示变量之间的相关性，虚线表示变量之间无相关性。红色线条表示正向影响，绿色线条表示负向影响。边际R²表示每个内生变量的解释方差。显著性差异表示如下：*：p< 0.05；**：p< 0.01；***：p< 0.001。

4.讨论

4.1长期农业管理下微塑料类型对土壤参数的影响

研究揭示，除MBN外，微塑料添加显著影响了土壤化学和微生物性质。矿质肥料配施秸秆缓解了单施矿质肥料所引起的土壤酸化（图1a）。在玉米连作制度中，微塑料添加使土壤pH升高，这可能归因于微塑料通过其优异的吸附能力改变土壤溶液中离子交换的能力[31]。该效应也有助于缓解施肥诱导的土壤酸化，促进农业可持续性。与传统微塑料相比，可生物降解微塑料在NPK组中导致更高的SOC，并在玉米连作制度中带来更高的MBC（图1b和2a）。这归因于可生物降解微塑料固有的不稳定性，使其在充足养分供应条件下，在相对较短的时间内容易被微生物分解利用[32]。大量研究表明，通过适当的农业管理措施增加土壤有机碳，有助于将大气CO₂直接固存在土壤中，是农田生态系统减缓气候变化的关键途径[33]。与无微塑料处理相比，传统微塑料降低了土壤总量和有效氮、磷含量（图1c、d和表S1）。一方面，传统微塑料的高疏水性使其能够吸附溶解态养分，从而降低土壤养分有效性[34]。这些被吸附的养分可能随微塑料通过地表或亚表层径流迁移，加剧养分淋失。从生态学角度看，该过程会损害土壤肥力和作物生长，同时增加水体富营养化风险。另一方面，微塑料在土壤孔隙网络中的布朗扩散受疏水效应和静电相互作用的共同影响，促使其进入土壤孔隙结构[35]。土壤孔隙度决定通气状况和水分运动，从而间接影响厌氧和好氧微生物的丰度。这可能进一步抑制微生物矿化和硝化过程，进而降低土壤有效养分含量[36]。研究还发现，微塑料持续增加了土壤C：N比（表S2）。尽管微塑料的高碳含量使其能够通过微生物矿化直接贡献于土壤有机碳库[15]，但同时降低了全氮水平——这一动态可能由微塑料的吸附特性驱动。土壤C：N比的变化可导致土壤养分失衡，进而损害土壤生态系统功能。Han等[24]指出，微塑料添加所改变的SOC：TN比是土壤氮有效性的关键决定因子，可能进一步影响土壤氮的淋失或损失。

在无微塑料添加组中，玉米-大豆轮作制度下NPKS处理的MBN达到峰值，但这一趋势在微塑料添加后发生逆转（图2b）。矿质肥料配施秸秆提高了土壤持水能力和养分保持能力，从而减少氮损失并维持更大的氮库供微生物吸收[37]。同时，大豆茬口通过生物固氮贡献额外的氮。面对这种丰富且保持良好的氮供应，土壤微生物将无机氮同化到自身生物量中，导致所观察到的MBN峰值。微塑料添加下该趋势的逆转可能归因于玉米-大豆轮作制度中丰富的共生固氮微生物对微塑料高度敏感。微塑料可能破坏已建立的微生物网络，抑制这些关键微生物的生长和功能[38]。已有报道表明，土壤胞外酶活性在养分循环中起关键作用，并对土壤养分有效性的变化敏感响应[39]。本研究中，PLA添加在CK和NPKS组中导致最低的BG活性，在NPK组中导致最低的AP活性（图3a和c）。这些观察结果与先前报道一致，即微塑料可通过改变土壤养分底物有效性或通过直接吸附来抑制酶活性[40]。此外，微塑料可能与土壤微生物竞争生态位，从而降低微生物代谢，最终降低胞外酶活性。因此，在养分充足条件下，微生物群落可能将能量分配给生长，而不是用于生产获取资源的胞外酶。

4.2长期农业管理下微塑料类型对微生物养分限制的影响

养分限制在微生物群落中普遍存在，深刻影响土壤养分循环和生态功能[27]。研究表明，矿质肥料与秸秆配施缓解了微生物碳限制（图4b）。秸秆含有纤维素和木质素，可作为有机碳库。微生物可通过分泌BG直接分解有机物，从而为自身生长提供充足的碳和有效养分，缓解碳限制[41]。微塑料（尤其是可生物降解微塑料）的添加也有助于缓解微生物碳限制，且该效应与种植制度无关（图4b）。与传统观点相反，微塑料缓解微生物碳限制并不仅仅是通过BG介导的土壤有机碳分解释放碳源。相反，所观察到的土壤有机碳增加可能归因于微塑料阻碍了微生物对土壤有机碳的转化，导致其在土壤中积累[42]。因此，微塑料降低了DOC含量和BG活性，而非增加。作为高分子聚合物，微塑料（尤其是可生物降解PLA）主要通过以下途径缓解微生物碳限制：首先，土壤微生物定殖于聚合物薄膜表面；其次，微生物通过分泌胞外水解酶分解聚合物薄膜；最后，微生物同化并利用水解产物产生能量和形成生物量，从而增加MBC并缓解养分限制[43]。该过程也可能与微生物CUE相关。微塑料添加提高了微生物CUE（图3d），表明微生物群落将同化的碳有效地转化为用于生长和繁殖的生物量，而不是通过呼吸作用以CO₂形式释放回大气。这与Deng等[44]的报道一致，即较高的微生物CUE缓解了微生物碳限制。通过线性回归分析发现，与传统微塑料相比，可生物降解微塑料下微生物CUE的增加与微生物碳限制更快速的缓解相关（图S1）。这表明可生物降解微塑料可作为微生物易于同化的高质量碳源。微生物能够将该碳源高效地纳入MBC，将更多碳分配给生长而非呼吸代谢，从而更有效地缓解碳限制[45]。

研究发现向量角度主要大于45°，表明微生物群落受磷有效性限制。PLA显著缓解了微生物磷限制，而PVC未产生影响（图4c）。与土壤碳、氮循环不同，磷循环缺乏大气库进行补充，新的磷主要来源于岩石风化[46, 47]。具体而言，磷易通过吸附-沉淀过程被土壤胶体固定，导致其对微生物的生物有效性持续下降[48]。由于中国东北黑土的持续作物种植，植物与微生物对磷资源的竞争导致了广泛的磷限制。PLA缓解微生物磷限制可能与土壤Olsen-P的增加有关，因为有效养分是微生物可直接获取和利用的[8]。充足的土壤磷含量用于微生物生长，导致微生物磷限制降低。

4.3不同微塑料类型下微生物碳限制与磷限制的关系

在不同农业管理实践下，微生物碳限制与磷限制紧密耦合，但微塑料添加后二者的关系发生转变。所研究的土壤表现出强烈的微生物磷限制，微生物分泌磷酸酶以分解有机物并释放养分。在此过程中，碳同时被矿化，从而缓解微生物碳限制[49]。在无微塑料处理中，该过程不受干扰地进行，导致微生物碳限制与磷限制呈线性负相关关系。然而，微塑料的存在以类型依赖的方式改变了这一关系（图4d），使相互作用更为复杂。这些差异可能反映了微塑料影响养分循环的潜在因子和途径的不同，而传统与可生物降解微塑料的内在特性可能决定了碳限制与磷限制关系的具体形式。

PLA的降解是一个生物介导的酶促水解过程[50]。在初始分解阶段，微生物分泌水解酶（如脂肪酶和角质酶）以解聚PLA，该过程需要大量的碳和养分资源用于酶合成。一旦分解达到临界阈值，PLA衍生的低分子量碳化合物逐渐释放并被微生物同化，导致MBC增加和碳限制缓解。然而，由于PLA不含磷元素，其持续降解消耗有效磷以维持微生物生长。这逐渐加剧微生物磷限制，导致碳限制与磷限制呈反向关系。最终，这些动态变化在PLA添加下形成单峰模式。研究提出，碳限制的峰值可能对应于碳源开始从PLA释放的临界阈值。

相比之下，作为持久性且难降解的微塑料，PVC主要作为物理化学胁迫因子，通过降低土壤孔隙度、吸附养分以及对微生物产生毒性效应而发挥作用[13]。其影响趋势与无微塑料处理相似，但过程受到阻碍，导致微生物响应变慢并偏离线性，表现为曲线负相关关系。此外，土壤养分有效性的变化也可能导致不同类型微塑料之间微生物养分限制关系的差异。在无微塑料处理中，有效养分是微生物养分限制的关键预测因子。在PLA添加处理中，有效养分的影响减弱，而全量养分的重要性增加。相比之下，在PVC添加处理中，全量养分成为主导控制因子（图5b）。在未受扰动的土壤系统中，微生物代谢直接受即时有效养分的约束，导致微生物碳限制与磷限制呈同步线性响应。然而，微塑料的存在可能堵塞土壤孔隙，阻碍水分入渗，并抑制微生物对土壤有机质的矿化，从而限制微生物获取速效养分[51]。这种干扰可能是微塑料添加土壤中观察到的微生物碳限制与磷限制之间非线性相关关系的原因。

4.4不同微塑料类型及长期农业管理下影响微生物养分限制的因素

土壤胞外酶活性和微生物性质被确定为微生物养分限制的关键控制因子（图5b）。结构方程模型表明，在无微塑料处理下，种植制度影响DIN，进而改变MBC：MBN，最终影响微生物磷限制（图6a）。微生物代谢需要维持元素化学计量平衡，微生物生物量的变化不可避免地改变养分需求[44]。升高的MBC：MBN增加了微生物对氮的需求，导致优先获取氮用于生物量合成，从而减少对磷的依赖[52]。

添加PLA后，负责降解微塑料的微生物大量增殖。微生物CUE和AP活性成为与微生物养分限制最相关的因子（表S10）。这些转变反映了微生物群落组成和生命史策略的变化，进而影响代谢过程[53]。PLA易于分解的特性降低了微生物的资源获取门槛，支持更高的CUE。在碳丰富且频繁受干扰的环境中繁盛的r策略者通常表现出快速生长和繁殖速率。这类具有较高生长速率和生物量产量的r选择微生物的优势地位可能有助于缓解微生物养分限制[54]。结构方程模型进一步表明，随着磷限制的减弱，微生物对AP分泌的投入下降，反映了对复杂磷化合物矿化需求的减少（图6b）。

相比之下，PVC通过孔隙堵塞、养分吸附和直接毒性等机制充当物理化学胁迫因子。响应PVC添加时，微生物群落可能转向K选择策略，其特征为较慢的生长速率、增强的胁迫耐受投入以及对难降解碳利用的特化[55]。在此不利条件下，微生物优先考虑资源的高效利用和酶的合理分配，而非快速生长。研究发现，施肥和种植制度可通过增强AP活性进一步调节这些响应，促进养分释放并部分缓解微生物养分限制（图6c）。

然而，研究存在若干局限性，包括短期微宇宙实验设置以及使用较高微塑料浓度，可能无法完全代表真实田间条件下的过程。尽管结果揭示了潜在的早期阶段机制，但将这些发现外推至自然土壤环境时应谨慎。此外，土壤过筛的样品制备可能改变了天然土壤结构并影响微生物群落分布。尽管存在这些局限性，研究表明矿质肥料与秸秆还田的结合以及可生物降解微塑料的应用通过不同途径缓解了微生物养分限制，凸显其作为优化农业管理策略的潜力（图7）。未来研究应优先开展原位实验，以探究微塑料的迁移动态、淋溶行为及其对微生物养分限制的相关影响。最后，关键考虑因素应包括更长的实验周期、环境相关浓度梯度以及使用同位素示踪技术准确量化微塑料来源碳的通量及其对土壤养分循环的贡献。

图7. 描述优化农业管理策略影响微生物养分限制以支持农业可持续发展的概念图。

5.结论

研究表明，微塑料添加以及矿质肥料与秸秆配施显著缓解了微生物碳限制。在长期农业管理下，微生物磷限制的响应取决于微塑料类型：可生物降解微塑料缓解了微生物磷限制，而传统微塑料无显著影响。在无微塑料条件下，微生物碳限制与磷限制呈线性关系，微塑料添加后转变为非线性模式。无论微塑料是否存在，土壤胞外酶活性和微生物性质均为微生物养分限制的关键预测因子。研究结果表明，尽管可生物降解塑料薄膜在生产与降解过程中涉及能耗以及低聚物、添加剂和温室气体的释放，但其应用仍是保护土壤健康和维护生态系统稳定性的优选方案，这一结果与可持续发展目标12和15相一致。在未来的农业发展中，将可生物降解微塑料与矿质肥料和秸秆相结合，可能是缓解微生物养分限制的更有效策略。综上所述，本研究加深了对微塑料如何影响微生物养分循环和土壤生态系统稳定性的机制理解，从而为制定旨在减轻微塑料相关环境风险的农业策略提供了支持。