摘 要 為了探究微塑料（Microplastics，MPs）與鎘（Cadmium，Cd）復(fù)合污染對玉米幼苗光合作用和生長的影響，通過盆栽試驗，測定外源添加MPs（0、5、10 g·kg-1）和重金屬Cd（0、1、5、10、15 mg·kg-1）及其復(fù)合處理對玉米苗期葉片葉綠素含量、光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、株高、最大根長、葉面積指數(shù)、地上生物量、地下生物量及地上/地下生物量比值的影響。結(jié)果表明，與對照相比，MPs處理顯著降低了葉片胞間CO2濃度、株高、葉面積指數(shù)和地上/地下生物量比值，但提高了地下生物量；高濃度Cd（Cd-15）處理顯著降低了葉片葉綠素含量、光合速率、胞間CO2濃度、株高、葉面積指數(shù)和地上生物量；相較于單一MPs處理，MPs與Cd復(fù)合處理顯著降低了葉片光合速率、最大根長、地上生物量、地上/地下生物量比值；與Cd單一處理相比，MPs與Cd復(fù)合處理顯著降低了玉米苗期株高、葉面積指數(shù)、地下生物量和地上/地下生物量比值?？傮w而言，土壤外源MPs對玉米幼苗的地上部生長具有抑制作用，對其根部生長具有促進(jìn)作用。高濃度Cd處理（15 mg·kg-1）對玉米幼苗光合作用、生長均有抑制作用，而低濃度Cd處理（1 mg·kg-1）在一定程度上可刺激根的伸長。

關(guān)鍵詞 玉米；幼苗；微塑料（MPs）；鎘（Cd）；光合作用；生長

中圖分類號：X503.231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.13.003

微塑料（Microplastics，MPs）是一種直徑小于5 mm的塑料碎片、顆粒。MPs在各種生態(tài)環(huán)境中的賦存會對生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，造成嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險[1]。塑料垃圾的填埋、農(nóng)用地膜的殘留分解、有機(jī)肥的施用及農(nóng)用灌溉水等都是土壤中MPs的主要來源[2]。MPs的類型、形狀、濃度及土壤類型都可能影響土壤的密度、無機(jī)鹽含量和保水能力，而土壤理化性質(zhì)的改變可能會通過植物的根系間接影響植物體的生長。較小粒徑的MPs可以被植物體吸收，富集在植物的根和葉片中。目前，有研究表明，外源MPs添加對水稻等作物的生長均產(chǎn)生負(fù)向作用[3]。

鎘（Cadmium，Cd）是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中常見的重金屬污染物，工業(yè)排放、動物糞便和磷肥的施用等都會增加農(nóng)業(yè)土壤中Cd的濃度。在植物體內(nèi)，Cd通過抑制養(yǎng)分吸收、抑制光合作用、阻礙植物生長和呼吸、誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化和改變膜的抗氧化系統(tǒng)及功能引起藥害，進(jìn)而導(dǎo)致植物出現(xiàn)高度降低、根部褐變、卷葉、黃化和壞死等癥狀[4]。食用受Cd污染的食物是動物和人類接觸鎘的主要來源。Cd經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體后，會借助血液運(yùn)輸，在腎臟、肝臟和腸道中積累，對人體健康具有巨大危害[5]。

土壤中的MPs和Cd廣泛共存，而苗期是作物生長的關(guān)鍵時期，對后期作物的生長具有重要的影響。因此，筆者選擇糧食作物玉米作為材料進(jìn)行試驗，揭示MPs、Cd脅迫及兩者復(fù)合污染對玉米幼苗光合作用和生長的影響，旨在為土壤種MPs、Cd污染生態(tài)風(fēng)險評估提供理論參考。

1" 材料與方法

1.1" 供試材料

試驗于2021年7—8月在大棚內(nèi)進(jìn)行。供試土壤采自河南省開封市西姜寨鄉(xiāng)河南大學(xué)可持續(xù)農(nóng)業(yè)試驗基地，自然風(fēng)干，過2 mm篩。供試玉米品種為登海511，購自山東登海種業(yè)股份有限公司。研究中MPs選用粒徑為0.5 mm和1.0 mm的均勻混合聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）顆粒，購自廣東省東莞市旺達(dá)塑膠原料廠。硫酸鎘（CdSO4·8/3H2O）購自麥克林公司。試驗栽培盆外徑20 cm、內(nèi)徑19 cm，高17 cm，底徑14 cm，每盆裝土3 kg。供試土壤砂、粉、黏粒含量分別為65.9%、16.5%、17.6%，土壤pH值為8.2（土與水的質(zhì)量比為1∶2.5），土壤全氮含量為0.51 g·kg-1，有機(jī)碳含量為10.58 g·kg-1，Cd含量為1.05 mg·kg-1。

1.2" 試驗設(shè)計

試驗共計15個處理，其中設(shè)置3個MPs濃度水平，分別為MP-0（0 g·kg-1）、MP-5（5 g·kg-1）、MP-10（10 g·kg-1），每個MPs濃度水平再設(shè)置5個Cd污染水平，分別為Cd-0（0 mg·kg-1）、Cd-1（1 mg·kg-1）、Cd-5（5 mg·kg-1）、Cd-10（10 mg·kg-1）、Cd-15（15 mg·kg-1），其中包括1個空白對照（MP-0+Cd-0）、4個MP-0情況下不同濃度的Cd處理、2個Cd-0情況下不同濃度的MPs處理，以及8個MPs和不同濃度Cd的復(fù)合處理。每個處理重復(fù)6次，共計90盆。分別稱取0、15、30 g MPs粉末置于3 kg備用土中進(jìn)行拌勻，后裝入盆栽中備用，并配制濃度為410.84 mg·mL -1的CdSO4·8/3H2O母液。每盆播種玉米種子4粒，出苗后每天根據(jù)玉米幼苗生長情況及土壤含水量，用噴壺定量補(bǔ)充水分，保證土壤含水量在70%～80%。

1.3" 項目測定

1.3.1" 光合指標(biāo)的測定

幼苗生長4周后，以植株頂部第3片葉片為材料，使用LI-6800便攜式光合作用測定系統(tǒng)對玉米葉片光合作用指標(biāo)進(jìn)行測定，葉室光源為1 500 μmol m?2·s?1的LED燈，包括測定葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度。以植物頂部的第2、3片葉片為材料，使用葉綠素測量儀（SPAD-502PLUS）測量葉片葉綠素含量，最后取平均值。

1.3.2" 生長指標(biāo)的測定

幼苗生長4周后，用直尺（精確度0.1 cm）測定株高、幼苗葉片最長和最寬、最大根長；用普通天平（精確度0.1 g）測定植株地上部分和根的鮮質(zhì)量；將地上部和根用剪刀分開，地上部和根置于烘箱中105 ℃殺青，然后于65 ℃下烘干至質(zhì)量恒定；用分析天平（精確度0.001 g）測定玉米幼苗地上和地下生物量。其中，葉面積指數(shù)計算公式

式中：I為葉面積指數(shù)；P為植物密度，株·m-2；L為葉片最長，cm；W為葉片最寬，cm；α為玉米的補(bǔ)償系數(shù)，取值0.75。

1.4" 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2010、SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并對各處理測定結(jié)果進(jìn)行多重比較。

2" 結(jié)果與分析

2.1" MPs與Cd對玉米幼苗光合作用的影響

由圖1（a）可知，MP-5單一處理下玉米幼苗葉片葉綠素含量較對照顯著升高，而MP-10單一處理與對照無明顯差異。Cd-15處理下葉片葉綠素含量最低。MPs與Cd復(fù)合處理較MPs和Cd單一處理無顯著差異。

由圖1（b）可知，MPs單一處理對玉米幼苗葉片光合速率作用效果與對照相比均未達(dá)到顯著水平。高濃度Cd（Cd-15）單一處理顯著抑制玉米幼苗光合作用。相較于單一MP-5處理，MP-5與Cd復(fù)合處理均顯著降低了玉米苗期葉片光合速率。

由圖1（c）可知，相較于對照處理，MPs單一處理及MPs與Cd復(fù)合處理對玉米葉片氣孔導(dǎo)度無顯著影響。而在Cd單一處理中，玉米葉片氣孔導(dǎo)度表現(xiàn)出隨Cd濃度增加呈降低趨勢，但未達(dá)到顯著水平，但高濃度Cd（Cd-15）單一處理相較于對照顯著降低了葉片的氣孔導(dǎo)度。

由圖1（d）可知，相較于對照，MPs單一處理顯著降低了玉米葉片的胞間CO2濃度；Cd單一處理顯著降低了葉片胞間CO2濃度。而MPs與Cd復(fù)合處理同MPs、Cd單一處理相比無顯著差異。

2.2" MPs與Cd對玉米幼苗生長的影響

由圖2（a）可知，與對照相比，MPs單一處理下玉米幼苗株高無顯著差異。高濃度Cd（Cd-15）單一處理下玉米幼苗株高顯著低于對照。MPs與高濃度Cd復(fù)合處理相較于MPs單一處理均顯著降低了玉米幼苗的株高，MPs與Cd-10復(fù)合處理相較于Cd-10單一處理均有顯著降低。MP-10和Cd-15復(fù)合處理玉米株高最低。這表明添加MPs增強(qiáng)了高濃度Cd處理對玉米株高的抑制作用。

由圖2（b）可知，與對照相比，MP-10單一處理顯著增加了玉米幼苗最大根長，而MP-5單一處理影響不顯著；低濃度Cd（Cd-1）處理顯著刺激了根的伸長，高濃度Cd處理對最大根長的影響不顯著。相較于MP-10單一處理，MP-10與Cd-15復(fù)合處理顯著降低了玉米幼苗最大根長。由此可見，Cd的添加抑制了MP-10所引起的玉米幼苗根的伸長。復(fù)合處理相較于Cd單一處理對最大根長的影響無顯著差異。

由圖2（c）可知，MPs處理使玉米葉面積指數(shù)顯著減小，Cd-15處理下葉面積指數(shù)顯著減小，而其他Cd濃度對葉面積指數(shù)沒有顯著影響。相較于MPs單一處理，其與Cd-15復(fù)合處理下玉米葉面積指數(shù)顯著減小。MP-5與Cd的復(fù)合處理相較于Cd單一處理對玉米葉面積指數(shù)無顯著影響。MP-10和Cd-1、Cd-5、Cd-15復(fù)合處理與Cd單一處理相比玉米葉面積指數(shù)顯著降低。由此可見，高濃度MPs和高濃度Cd的添加能夠加劇二者對玉米幼苗葉面積增大的抑制作用。

由圖2（d）可知，MPs單一處理對玉米幼苗地上生物量影響不顯著。Cd-15處理下玉米幼苗地上生物量較對照顯著降低。MP-10和Cd-15復(fù)合處理使玉米幼苗地上生物量降到最低，MP與Cd復(fù)合處理間玉米幼苗地上生物量無顯著差異。

由圖2（e）可知，MP-10單一處理較對照玉米幼苗地下生物量顯著增加。Cd單一處理對玉米幼苗地下生物量影響不顯著。Cd-10、Cd-15與MP-10的復(fù)合處理分別較MP-10單一處理玉米幼苗地下生物量顯著降低25.52%、28.17%。與對照相比，MP-10處理對玉米幼苗地下生物量的促進(jìn)效應(yīng)由于高濃度Cd的添加而被中和。

由圖2（f）可知，隨著MPs濃度增加，MPs對地上/地下生物量值的負(fù)效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。Cd-5、Cd-15單一處理顯著降低了地上部/地下生物量的值。相較于Cd單一處理，MPs和Cd-1、Cd-10復(fù)合處理顯著降低了地上/地下生物量的值。這說明MPs和Cd復(fù)合處理加重了對玉米幼苗生長的負(fù)面影響，同時外源MPs的添加對玉米幼苗根的生長具有一定的促進(jìn)作用。

3" 結(jié)論與討論

外源MPs添加增強(qiáng)了玉米苗期的光合作用，對玉米幼苗的地上部生長具有抑制作用，對根部生長具有促進(jìn)作用。高濃度Cd脅迫對玉米幼苗的光合作用、生長均起到抑制作用，但經(jīng)低濃度鎘脅迫（Cd-1）處理的玉米最大根長顯著伸長，其他處理沒有影響。MP-10和Cd-15復(fù)合處理對玉米幼苗的株高、最大根長、葉面積指數(shù)、地上生物量、地下生物量的抑制作用均強(qiáng)于單一的MPs脅迫，且兩者的復(fù)合效應(yīng)中和了MPs對根部生長的刺激作用。此外，復(fù)合處理相較于單一的Cd處理顯著降低了玉米幼苗的株高和葉面積指數(shù)?？傮w而言，兩者的復(fù)合處理加重了MPs和Cd對玉米幼苗的光合作用和生長的負(fù)面影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周倩，章海波，李遠(yuǎn)，等.海岸環(huán)境中微塑料污染及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報，2015，60（33）：3210-3220.

[2] 駱永明，周倩，章海波，等.重視土壤中微塑料污染研究防范生態(tài)與食物鏈風(fēng)險[J].中國科學(xué)院院刊，2018，33（10）：1021-1030.

[3] 劉玲，洪婷婷，胡倩男，等.微塑料與鉛復(fù)合污染對水稻幼苗根系生長和氧化應(yīng)激的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2021，40（12）：2623-2633.

[4] SHAHID M，DUMAT C，KHALID S，et al.Cadmium bioavailability，uptake，toxicity and detoxification in soil-plant system[J].Reviews of Environmental Contamination and Toxicology，2017（241）：73-137.

[5] SATARUG S.Dietary cadmium intake and its effects on kidneys[J].Toxics，2018，6（1）：15.

（責(zé)任編輯：劉寧寧）

收稿日期：2024-06-05

基金項目：南京工程學(xué)院創(chuàng)新基金項目（CKJB202006）。

作者簡介：林峰（1989—），博士，實驗師，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)及環(huán)境工程研究。E-mail：linfeng@njit.edu.cn。