论文标题：Size-dependent effects of oxo-degradable plastic contamination on soil quality and the growth of Zea mays

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Do Thi Kim THANH, Robert W. BROWN, Martine GRAF, Michaela K. REAY, Charlotte E. M. LLOYD, Gupeng LI, David R. CHADWICK, Davey L. JONES

发表时间：30 Apr 2025

DOI： 10.15302/J-FASE-2025623

微信链接：点击此处阅读微信文章

农业塑料的应用与问题

Agricultural plastics application and problems

Volume 13 · Number 1 · February 2026

专 辑 文 章 介 绍

· 第三篇 ·

▎论文ID

Size-dependent effects of oxo-degradable plastic contamination on soil quality and the growth of Zea mays

可氧化降解塑料污染对土壤质量及玉米生长的尺寸依赖性效应

文章类型：Research Article

发表年份：2025年

第一作者：Do Thi Kim THANH

通讯作者：Davey L. JONES

Email: d.jones@bangor.ac.uk

作者单位：英国班戈大学

Cite this article :

Do Thi Kim THANH, Robert W. BROWN, Martine GRAF, Michaela K. REAY, Charlotte E. M. LLOYD, Gupeng LI, David R. CHADWICK, Davey L. JONES. Size-dependent effects of oxo-degradable plastic contamination on soil quality and the growth of Zea mays. Front. Agr. Sci. Eng., 2026, 13(1): 25623 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2025623

· 文 章 摘 要 ·

农用塑料地膜成为土壤微塑料污染的重要来源，引发了人们对土壤健康和粮食安全的担忧。可氧化降解塑料 (ODPs) 被视为当前塑料地膜的潜在可持续替代品，但其土壤降解速率及对土壤质量和作物健康的影响尚不明确。本研究评估了不同浓度 (0.01%、0.1%、1%和10%，w/w) 商用d2w ODP微塑料和大塑料在农业土壤中的动态变化及其对玉米生长的影响 (6周)。化学分析显示，该ODP含约0.29%添加剂，主要为抗氧化剂和润滑剂，重金属含量极低。ODP降解主要限于链断裂，仅部分形成含氧基团，羰基指数未增加，且降解速率与土壤浓度呈负相关。总体而言，典型田间塑料污染水平 (0.01%) 对土壤质量或作物生长影响甚微。但较高浓度ODP污染显著改变了土壤pH、电导率、硝酸根浓度和容重。在极高添加量 (10%) 下，微塑料和大塑料均显著抑制植物生长，且微塑料影响更大。细菌群落变化主要由酸杆菌门和芽单胞菌门驱动，大塑料显著改变了群落组成，而微塑料影响较小。研究表明，在现实田间浓度下，短期内ODPs对农业生态系统功能影响不大，但若连续多个种植周期使用，可能在土壤中长期存在并逐渐累积。

· 文 章 亮 点 ·

1. 首次开展ODPs微塑料与大塑料对土壤和植物影响的对比研究。

2. 高剂量 (> 1%) ODP会改变土壤质量，但典型田间施用量影响甚微。

3. 相较于大塑料，微塑料对土壤性质的干扰效应更为显著。

4. 高负荷条件下植株矮化、叶绿素含量下降，但对生物量无显著影响。

5. ODPs埋入土壤6周后降解程度十分有限。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

可氧化降解塑料 (ODPs) 自20世纪80年代问世以来，作为应对塑料污染的创新方案受到广泛关注。这类塑料添加促氧化剂，可在热或紫外线作用下发生链断裂并生成含氧基团，随后由微生物进一步降解。由于成本与传统塑料相当且初期性能相似，ODPs在农用地膜领域已应用四十余年。但其二次生物降解阶段的实际效果至今未充分验证，反而可能加剧土壤微塑料污染，导致欧盟等地区已立法限制其使用。同时，其在厌氧填埋条件下缓慢降解并产生甲烷的问题，以及金属添加剂的环境风险，也引发了持续争议。

塑料残留物在农业土壤中的累积已成为重大环境问题。常规微塑料 (< 5 mm) 和大塑料 (> 5 mm) 均已被证实对土壤系统产生负面影响：大塑料破坏土壤结构，微塑料则能通过作物进入食物链，影响土壤生物和养分循环。尽管ODPs已在农业中应用，但关于其对土壤质量和植物健康影响的系统评估仍十分有限。

本研究旨在以玉米为模式作物，首次系统探究不同尺寸ODPs对土壤生化特性与植物健康的影响，并解析其化学组成以阐明潜在毒性机制。我们提出三个假设：(1) ODP污染浓度升高会劣化土壤性质；(2) ODPs通过抑制根系生长限制植物发育；(3) 微塑料比大塑料影响更为显著。本研究旨在为制定农业ODP污染阈值提供科学依据。

▎结果

1. 可氧化降解塑料对植株生长的影响

ODP的尺寸和浓度均显著影响玉米地上部生长速率 (p < 0.001)，对收获期叶片叶绿素含量亦有显著影响 (p < 0.001)。生长抑制效应在第一周即显现。整体而言，宏塑料对株高的抑制作用更明显，但10%高浓度下微塑料与宏塑料效应相近。微塑料提高叶片叶绿素含量，宏塑料无此效应。地上部生物量仅在最高浓度受轻微负面影响 (p = 0.022，图1)。微塑料显著提高根系生物量 (p < 0.001)，尤其在低浓度 (0.01%) 时促进效应最显著；浓度效应较弱 (p = 0.048)。

图1 不同浓度ODP大塑料和微塑料污染对玉米 (a) 地上部生物量和 (b) 根系生物量的影响。

植株营养分析显示，塑料尺寸显著影响叶片磷、钾、钙、铁、铜、锰浓度，宏塑料处理通常高于微塑料处理；铁浓度差异最显著，最高浓度下宏塑料处理可达微塑料的4倍。塑料浓度对硫、氯、钾、钙、锰、铁、锌均有显著影响，高浓度普遍改变养分谱，但模式因元素而异。尺寸与浓度对钙、锰、氯、铁存在显著交互效应。

2. 可氧化降解塑料对土壤理化性质的影响

ODP显著影响土壤质量指标，多呈剂量依赖模式。微塑料在所有浓度均提高土壤pH，10%处理增幅达0.98个单位 (图2)；宏塑料对pH无显著影响。微塑料导致电导率剂量依赖性升高，最高浓度达对照的2倍；宏塑料影响较小且无一致剂量效应。有机质含量随塑料负荷增加而升高 (未扣除塑料碳源)。

图2 不同浓度ODP大塑料和微塑料污染对 (a) 土壤pH和 (b) 土壤电导率 (EC) 的影响。

微塑料与宏塑料均显著降低土壤容重，效应随浓度增强，10%处理降至0.59 g·cm^-3 (对照0.95 g·cm^-3，图3)，微塑料降低幅度略大于宏塑料。铵态氮和有效磷受影响轻微。硝态氮变化与电导率趋势一致：微塑料呈浓度依赖性升高，宏塑料无显著效应。

图3 不同浓度ODP大塑料和微塑料污染对 (a) 土壤容重和 (b) 土壤硝酸根浓度的影响。

3. 可氧化降解塑料对土壤微生物群落的影响

16S rRNA测序共鉴定22,955个细菌与古菌序列。变形菌门、酸杆菌门、放线菌门和芽单胞菌门为优势类群 (图4)。酸杆菌门 (H₍₈₎= 20.0, p = 0.01)、泉古菌门 (H₍₈₎ = 18.4, p = 0.02)、芽单胞菌门 (H₍₈₎ = 22.7, p = 0.004) 及其他稀有类群 (H₍₈₎ = 25.1, p = 0.002) 存在显著差异。酸杆菌门呈微弱的微塑料剂量依赖性下降趋势，芽单胞菌门和放线菌门则相反。大塑料0.1%、1%和10%处理的Chao1指数和Shannon多样性指数显著高于对照，微塑料处理与对照无显著差异 (图5)。NMDS分析显示群落结构存在变异 (BetaDisper p = 0.011)，仅10%微塑料处理与对照差异显著。

图4 不同塑料类型 (微塑料和大塑料) 和添加量 (0%、0.01%、0.1%、1%、10%, w/w) 处理下16S rRNA代谢条形码细菌群落 (n = 5)。

图5 不同塑料类型 (微塑料和大塑料) 和添加量 (0%、0.01%、0.1%、1%、10%, w/w) 处理下16S rRNA细菌群落α多样性，(a) Chao1指数，(b) Shannon指数，(c) Simpson指数 (n = 5)。

4. 土壤埋藏后可氧化降解塑料的化学变化

埋藏6周后，0.1%、1%和10%宏塑料处理的红外光谱峰强度相对于对照发生变化 (图6)：1032 cm^-1(C–O伸缩振动) 峰强度降低，1461 cm^-1(CH弯曲振动)、2844 cm^-1(CH₂对称伸缩) 和2915 cm^-1(CH₂不对称伸缩) 峰强度升高。峰强度变化在0.1%处理最大，随浓度升高而线性减弱 (R² = 0.81–0.99)。1700–1800 cm^-1(C=O区) 和3200–3600 cm^-1(O–H区) 无显著变化，表明氧化降解有限。

图6 (a) 对照组及0.1%、1%、10%塑料处理土壤中埋藏6周后回收塑料的ATR-FTIR光谱，(b) 所选波数峰强相对于对照组的变化百分比。

5. 塑料添加剂

ODP总添加剂含量为2.90 mg·g^-1，以抗氧化剂为主。三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯 (1.51 mg·g^-1) 及其氧化产物 (415 μg·g^-1) 含量最高，其次为初级抗氧化剂octadecyl 3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯 (211 μg·g^-1)。润滑剂包括外润滑剂十六烷酸 (435 μg·g^-1)、十八烷酸 (54.5 μg·g^-1) 和内润滑剂docosenamide (266 μg·g^-1)、oleanitrile (15.0 μg·g^-1)。添加剂降解产物包括2,4-二叔丁基苯酚 (211 μg·g^-1) 等。C₂₀–C₃₄线性及支链烷烃/烯烃总量2.22 mg·g^-1。重金属含量极低。

▎讨论

1. 可氧化降解塑料对土壤物理性质的影响

低浓度ODP污染即显著改变土壤物理性质，且影响呈尺寸和浓度依赖性。最显著变化为土壤容重降低，最高浓度下下降达40%，主要源于ODP密度较低 (0.92 g·cm^-3) 及其形成更大孔隙空间的能力。微塑料对容重影响大于大塑料，因其分布更均匀且更易干扰颗粒间相互作用。影响呈浓度依赖性，阈值效应明显：田间浓度下影响极小，高浓度下物理性质显著改变。

2. 可氧化降解塑料对土壤化学性质及养分有效性的影响

微塑料和大塑料对土壤化学性质的影响机制不同。微塑料处理中pH升高主要归因于添加剂 (如CaCO₃填料) 释放，而非微生物过程改变。电导率和NO₃^-同步升高表明氮循环受干扰，归因于pH升高促进硝化作用及通气改善减少反硝化损失。ODP对NH₄⁺和有效P无影响，表明部分养分循环未受干扰。田间浓度下ODP对土壤生物地球化学循环短期影响甚微。

3. 植物对可氧化降解塑料污染的响应

地上部生长仅在极端污染水平 (10% w/w) 下受抑制。低浓度微塑料促进根系生长，可能与土壤NO₃^-和pH升高有关。未发现大塑料对根系产生机械阻抗证据。微塑料处理中叶绿素含量升高表明氮获取能力增强，与多数研究结果相反。无重金属污染背景下，未发现ODP导致叶片金属元素积累的证据。

4. 可氧化降解塑料对土壤微生物群落结构/多样性的影响

群落差异主要由酸杆菌门、芽单胞菌门及其他低丰度门类驱动。α多样性方面，大塑料处理在浓度> 0.01%时Chao1和Shannon指数升高，而微塑料处理无变化，表明6周内ODP未充分降解。pH变化非主要驱动因素，碳输入 (最高达8.56% C) 及塑料表面微生境形成可能对微生物群落产生更大影响。

5. 可氧化降解塑料降解速率与塑料浓度呈负相关

C=O和O–H区域未见峰强增加，表明氧化降解有限，主要归因于紫外线照射缺乏。1032 cm^-1峰强增加表明部分氧化，1461、2844、2915 cm^-1峰强降低表明链断裂发生。抗氧化剂 (0.2% w/w) 抑制氧化进程。峰强变化与ODP浓度负相关，低浓度处理降解程度更高。结果表明ODP在土壤中分解有限，环境持久性远超预期，多个生长季累积可能导致土壤性质逐渐改变。

· 结 论 ·

本研究结果表明，对ODP在农业中的应用应采取预防性原则。降解不完全与潜在累积风险相结合，与近期部分国家限制ODP使用的政策决定相一致。在田间相关浓度下未观察到对植物和土壤健康的急性影响，不应减轻对长期累积风险的担忧。综合考虑，现有证据表明ODP在环境安全性方面可能并不比传统塑料更具优势。虽然ODP是作为塑料污染的创新解决方案被引入的，但本研究结果表明，它反而可能加剧农业微塑料污染的挑战。显然需要进一步研究：(1)评估ODP进入土壤的多种途径；(2) 在更长时间尺度上理解其在田间的分解速率和持久性；(3) 形成纳米塑料和释放添加剂的潜力；(4) 向水体和大气迁移的可能性。