微塑料與鎘復合污染對玉米幼苗生長及光合作用的影響

摘 要 為了探究微塑料（Microplastics，MPs）與鎘（Cadmium，Cd）復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）及其復合處理對玉米苗期葉片葉綠素含量、光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、株高、最大根長、葉面積指數、地上生物量、地下生物量及地上/地下生物量比值的影響。結果表明，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、葉面積指數和地上生物量；相較于單一MPs處理，MPs與Cd復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復合處理顯著降低了玉米苗期株高、葉面積指數、地下生物量和地上/地下生物量比值。總體而言，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 文獻標志碼：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在各種生態環境中的賦存會對生物產生毒性效應，造成嚴重的生態風險[1]。塑料垃圾的填埋、農用地膜的殘留分解、有機肥的施用及農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、無機鹽含量和保水能力，而土壤理化性質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生負向作用[3]。

鎘（Cadmium，Cd）是農田生態系統中常見的重金屬污染物，工業排放、動物糞便和磷肥的施用等都會增加農業土壤中Cd的濃度。在植物體內，Cd通過抑制養分吸收、抑制光合作用、阻礙植物生長和呼吸、誘導脂質過氧化和改變膜的抗氧化系統及功能引起藥害，進而導致植物出現高度降低、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經食物鏈進入人體后，會借助血液運輸，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行試驗，揭示MPs、Cd脅迫及兩者復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污染生態風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月在大棚內進行。供試土壤采自河南省開封市西姜寨鄉河南大學可持續農業試驗基地，自然風干，過2 mm篩。供試玉米品種為登海511，購自山東登海種業股份有限公司。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（土與水的質量比為1∶2.5），土壤全氮含量為0.51 g·kg-1，有機碳含量為10.58 g·kg-1，Cd含量為1.05 mg·kg-1。

1.2" 試驗設計

試驗共計15個處理，其中設置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的復合處理。每個處理重復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，出苗后每天根據玉米幼苗生長情況及土壤含水量，用噴壺定量補充水分，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對玉米葉片光合作用指標進行測定，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，葉面積指數計算公式

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

1.4" 數據分析

運用Excel 2010、SPSS 23.0軟件進行數據統計分析，并對各處理測定結果進行多重比較。

2" 結果與分析

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復合處理對玉米葉片氣孔導度無顯著影響。而在Cd單一處理中，玉米葉片氣孔導度表現出隨Cd濃度增加呈降低趨勢，但未達到顯著水平，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復合處理相較于Cd-10單一處理均有顯著降低。MP-10和Cd-15復合處理玉米株高最低。這表明添加MPs增強了高濃度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顯著減小，Cd-15處理下葉面積指數顯著減小，而其他Cd濃度對葉面積指數沒有顯著影響。相較于MPs單一處理，其與Cd-15復合處理下玉米葉面積指數顯著減小。MP-5與Cd的復合處理相較于Cd單一處理對玉米葉面積指數無顯著影響。MP-10和Cd-1、Cd-5、Cd-15復合處理與Cd單一處理相比玉米葉面積指數顯著降低。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復合處理使玉米幼苗地上生物量降到最低，MP與Cd復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效應由于高濃度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/地下生物量值的負效應逐漸增強。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復合處理顯著降低了地上/地下生物量的值。這說明MPs和Cd復合處理加重了對玉米幼苗生長的負面影響，同時外源MPs的添加對玉米幼苗根的生長具有一定的促進作用。

3" 結論與討論

外源MPs添加增強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復合處理對玉米幼苗的株高、最大根長、葉面積指數、地上生物量、地下生物量的抑制作用均強于單一的MPs脅迫，且兩者的復合效應中和了MPs對根部生長的刺激作用。此外，復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。總體而言，兩者的復合處理加重了MPs和Cd對玉米幼苗的光合作用和生長的負面影響。

參考文獻：

[1] 周倩，章海波，李遠，等.海岸環境中微塑料污染及其生態效應研究進展[J].科學通報，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與食物鏈風險[J].中國科學院院刊，2018，33（10）：1021-1030.

[3] 劉玲，洪婷婷，胡倩男，等.微塑料與鉛復合污染對水稻幼苗根系生長和氧化應激的影響[J].農業環境科學學報，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.

（責任編輯：劉寧寧）

收稿日期：2024-06-05

基金項目：南京工程學院創新基金項目（CKJB202006）。

作者簡介：林峰（1989—），博士，實驗師，主要從事農業生態及環境工程研究。E-mail：linfeng@njit.edu.cn。