微塑料對小麥幼苗生長、葉綠素含量及光系統II的影響

摘"要：探究土壤中微塑料對農作物生長發育的影響對保障我國糧食安全尤為重要。本試驗研究了不同濃度（0、0.7、1.4、2.1、2.8 g/kg）粒徑（＜6 um）的聚丙烯微塑料（polypropylene-microplastics，PP-MPs）對小麥幼苗生長、葉片葉綠素含量和光系統II的影響。結果表明：處理7 d后，0.7～2.8 g/kg PP-MPs濃度對小麥比葉面積（SLA）均產生促進作用；處理14 d后，中低濃度和中高濃度（0.7～2.1 g/kg）的PP-MPs均降低了小麥的葉綠素a（Chla）和總葉綠素（Chla+b）含量，低濃度（0.7g/kg）PP-MPs顯著降低了葉片的初始熒光（Fo）和最大熒光（Fm）值；處理21d后，低濃度PP-MPs顯著降低了葉片的Chla、葉綠素a/b（Chla/b）和Fo值；各處理的葉綠素熒光快速誘導曲線（OJIP）得到標準化后差異較小；不同濃度PP-MPs均降低了小麥第14天光系統II（PSII）放氧復合體（OEC）的活性；小麥第21天中高濃度（2.1 g/kg）PP-MPs的電子產額（QY）達到最大值。綜上，不同濃度（0.7～2.8 g/kg）PP-MPs對小麥的生長、葉綠素含量和光系統II均存在顯著影響，其中低濃度（0.7g/kg）PP-MPs對小麥幼苗生長和葉綠素含量的抑制作用最明顯。

關鍵詞：微塑料；小麥幼苗；生長發育；光合作用 ；毒性機制

中圖分類號：S512.101"文獻標識碼：A"文章編號：0488-5368（2025）03-0037-08

（1.College of Geography and Environment， Baoji， Shaanxi 721013， China；2.School of Surveying and Mapping，

Henan Polytechnic University， Jiaozuo， Henan 454003， China;3.Baoji University of Arts and Sciences/Shaanxi

Provincial Key Laboratory of "Disaster Monitoring and Mechanism Simulation， Baoji， Shaanxi 721013， China）

Abstract： "Understanding the effects of microplastics in soil on crop growth and development is important for ensuring food security in China. This study examined how polypropylene microplastics （PP-MPs） at different concentrations （0， 0.7， 1.4， 2.1， and 2.8 g/kg） affect the growth of wheat seedlings， leaf chlorophyll content， and photosystem II activity.The results showed that after 7 days， PP-MPs at concentrations between 0.7 and 2.8 g/kg helped increase the specific leaf area （SLA） of wheat seedlings. After 14 days， medium-low and medium-high concentrations of PP-MPs （0.7～2.1 g/kg） caused a decrease in chlorophyll a （Chla） and total chlorophyll （Chla+b） content， while a low concentration （0.7 g/kg） greatly reduced initial fluorescence （Fo） and maximum fluorescence （Fm） values. After 21 days， low-concentration PP-MPs （0.7 g/kg） further decreased Chla， the Chla/b ratio， and Fo values. Standardized chlorophyll fluorescence rapid induction curves （OJIP） showed only small differences between treatments. Regardless of concentration， PP-MPs reduced the activity of the photosystem II （PSII） oxygen-evolving complex （OEC） on the 14th day. On the 21st day， wheat seedlings exposed to 2.1 g/kg PP-MPs had the highest electron yield （QY）. In conclusion， PP-MPs at concentrations of 0.7～2.8 g/kg have significant effects on wheat seedling growth， chlorophyll content， and PSII activity， with 0.7 g/kg PP-MPs showing the strongest inhibitory effect on growth and chlorophyll levels.

Key words：Microplastics; Wheat seedlings; Growth and development; Photosynthesis; Toxicity mechanism

農業地膜覆蓋技術已廣泛應用于農作物生產過程中，但絕大多數地膜由于重復利用率低、人為處理不當和不易降解往往被殘留在土壤之中[1]，經過犁地翻耕被埋進土壤更深層，再通過生物降解和機械磨損逐漸變為塑料碎片[2， 3]，并可能進一步轉化為直徑小于5mm的微塑料[4]（microplastics，MPs）。研究表明，微塑料能夠改變土壤的理化性質，進而影響到農作物的出苗和根系生長[5， 6]。微塑料還具有極強的吸附性，往往聚集在植物根部被吸收并積累在植物體內[7]，通過食物鏈被人類攝入并產生潛在的健康風險。微塑料對植物產生的毒性效應包括延遲種子萌發[8]、抑制植物生長[9]、干擾

光合作用[10]等。安菁[11]等發現隨著生育期的延遲，中高濃度微塑料顯著降低了大豆植株的葉面積、株高和根系活力；劉菳菳[12]等發現粒徑為0.002 3～0.003 8 mm的高濃度（100 mg/g）微塑料會顯著抑制綠豆根和芽的生長發育；李瑞靜[13]等人發現不同濃度的PS、PVC和PE對黃瓜葉片的葉綠素a和葉綠素b含量的促進作用不一致；但也有研究發現，特定濃度下的微塑料可顯著增加空心菜的地上和地下生物

量[14]；聚乙烯微球對浮萍葉片的比葉生長速率和光合色素含量無顯著影響，但對其根系具有明顯的機械阻斷作用[15]。由此可見，微塑料對植物生長和生理作用的影響與微塑料類型、粒徑、濃度以及植物種類、生長周期多種因素有關。

目前關于微塑料對農業的影響研究還處于起步階段，微塑料對農作物的生長發育的研究更是鮮有報道[16，17]，基于此，本研究采用冬小麥（Triticum aestivum）作為研究對象，通過添加不同濃度的PP-MPs來研究其對小麥幼苗生長發育及光合生理的影響，為后期評估微塑料對植物的毒性效應和抗逆性機制提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試小麥種子選自西北農林科技大學培育的西農822，聚丙烯微塑料（PP-MPs）購自東莞市樟木頭華創塑膠原料商行有限公司，粒徑＜6 μm。

1.2試驗方法

土壤采自寶雞地區大田土壤并與栽培基質（植物營養土）按5∶1混合而成，土壤基本理化性質為全氮1.21 g/kg，全磷為0.72 g/kg，pH值為7.1。試驗前過20目篩，以去除土壤中的有機碎屑和小石頭等雜質，每盆裝土350 g。試驗盆栽的直徑為12 cm，高為10 cm，盆底墊有化學濾紙以防土壤漏出。將PP-MPs顆粒與過篩土壤充分攪拌使其完全混合，采用稱重法使土壤水分含量達到田間最大持水量（WHC）的60%。

本研究以寶雞市農膜殘留量5.588 kg/hm2為參考依據[18]，換算每盆盆栽的PP-MPs基礎添加量為0.023 3 g/kg，設置不添加PP-MPs的對照組（CK），添加30倍PP-MPs（T1），添加60倍PP-MPs（T2），添加90倍的PP-MPs（T3），添加120倍的PP-MPs（T4），每個處理設置3次重復（表1）。

試驗于寶雞文理學院地理與環境學院植物生長模擬室內進行，所有試驗盆栽放置在光源培養箱（FytoScope LED）光源培養箱中培養，設置光照周期為16/8 h，晝夜溫度為25℃/15℃。將約50粒的小麥種子放在已消毒并鋪有濾紙培養皿（直徑15 cm）內，加入20 mL去離子水，放置-5℃冰箱進行24 h催芽，待2～3 d小麥出苗后移栽到試驗盆栽中，早晚各澆水一次，并于7 d、14 d和21 d后進行樣品采集和生長、光合生理指標的測定。

1.3植株樣品采集與測定

小麥葉片用去離子水沖洗干凈，用濾紙擦干之后置于透明密封袋放進-5℃冰箱保存備用。主要指標測定方法如下：

1.3.1比葉面積的測定隨機選取一株幼苗，測量旗葉的長度和最寬的寬度，再將測量后的葉片于烘箱中烘干48 h，稱量葉片恒重，利用葉面積計算公式：0.76×葉長（cm）×葉寬（cm）計算葉面積[19]。計算公式如下：

SLA=葉面積（cm2）/葉重（g）

1.3.2葉綠素含量的測定隨機剪下一片葉片，用電子天平稱取0.1 g，將葉片洗干凈后剪碎，裝入25 mL的試管中，立即加入丙酮-無水乙醇混合浸提液，用722型分光光度計分別在波長645 nm、663 nm處測定并記錄光密度值，測定時以混合浸提液作為對照。根據測得的光密度值，計算出小麥葉片每克鮮重含葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素的含量（mg/g）[20]。計算公式如下：

Ca=12.71A663-2.59A645

Cb=22.88A645-4.67A663

C=Ca+Cb=20.29A645+8.04A663

葉綠素a含量（mg/g）=Ca×V/W

葉綠素b含量（mg/g）=Cb×V/W

葉綠素總量（mg/g）=C×V/W

上式中：V為提取液的體積（L）；W為材料的鮮重（g）

1.3.3快速葉綠素熒光誘導動力學和參數的測定隨機選取幼苗的一片葉片，先進行20 min的暗適應，再使用FluorPen FP 100 Max手持熒光儀對葉片進行熒光誘導動力學曲線和快速光響應曲線的測定。熒光參數如表2所示。

為了比較OJIP曲線及其之間的歸一化PF瞬態曲線，使用以下公式：

Vt=（Ft-Fo）/（Fp-Fo）

ΔVt=VtTR-VtCK

1.4數據處理

利用Excel2010進行數據統計；采用SPSS22.0進行one way-ANOVA分析和LSD多重比較（P＜0.05），采用Origin2018進行作圖。

2結果與分析

2.1微塑料對小麥幼苗比葉面積的影響

不同濃度PP-MPs對小麥各測定時期的比葉面積（SLA）影響如圖1所示。隨著生育期的延遲，除CK外，T1、T2、T3、T4的SLA均呈下降趨勢。隨著微塑料濃度的增加，處理7 d后小麥的SLA均存在差異（P＜0.05），其中以T3處理的比葉面積最高，分別比T1、T2、T4處理高5.51%、5.84%和21.39%。處理14 d后的SLA存在極顯著差異（P＜0.01），其中以T3處理下的比葉面積最高，分別比T1、T2、T4處理高34.74%、42.90%和36.65%。處理21 d后的SLA存在極顯著差異（P＜0.01），其中以T3處理下的比葉面積最高，分別比T1、T2、T4處理高54.53%、32.95%和32.81%。

2.2微塑料對小麥葉綠素含量的影響

不同濃度PP-MPs對小麥各測定時期的葉綠素含量影響如表3所示。處理7d后的葉綠素a、葉綠素b、以及總葉綠素含量均無顯著性差異（F=2.84、1.73、2.94、1.38，P＞0.05）。14 d后的葉綠素a和總葉綠素含量差異性較為顯著（F=2.84、2.94，P＜0.05），其中葉綠素a含量以CK和T4（2.8 g/kg）處理較高，分別較T1、T2、T3處理高21.22%、21.01%、17.75%和14.48%、14.25%、10.72%，總葉綠素含量以CK和T4（2.8 g/kg）處理最高，分別較T1、T2、T3處理高18.54%、17.28%、16.62%和13.49%、12.16%、11.45%。處理21d后的葉綠素a和葉綠素a/b含量差異性較為顯著（F=3.39、3.38，P＜0.05），葉綠素a含量以CK、T3（2.1 g/kg）和T4（2.8 g/kg）處理較高，分別較T1和T2處理高34.94%、29.47%、38.41%、33.23%和41.19%、36.24%，葉綠素a/b值以CK、T3（2.1 g/kg）和T4（2.8 g/kg）處理較高，分別較T1、T2處理高39.00%、23.50%、37.76%、21.94%和44.04%、29.82%。

2.3微塑料對小麥葉綠素基本熒光參數的影響

不同濃度PP-MPs對小麥各測定時期的基本熒光參數影響如表4所示。不同濃度PP-MPs對處理7 d幼苗的基本熒光并無顯著影響（P＞0.05）。處理14 d后，T4處理的Fo（初始熒光）最大，與T1、T2處理存在顯著差異（P＜0.01），分別比T1、T2高23.96%、10.47%。處理21 d后，T4處理的Fo最大，除CK處理外（P＞0.05），與其他處理差異顯著（P＜0.01），分別比T1、T2和T3處理高11.64%、10.27%和11.91%。不同微塑料添加濃度處理14 d后的Fm（最大熒光）以T4處理為最大，顯著大于T1處理（P＜0.01），比T1高26.60%。處理21 d后，Fm以CK處理為最大，除T4處理以外，與其他處理差異顯著（P＜0.01），分別比T1、T2、T3高11.28%、12.34%和18.11%。

2.4微塑料對小麥快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響

不同濃度PP-MPs對各測定時期小麥快速葉綠素熒光動力學曲線（OJIP）和相對可變曲線（Vt）如圖2所示。A、D表示處理7d后小麥OJIP曲線和Vt曲線，與CK相比，其余處理組的熒光趨勢逐漸升高，其中以T2處理下的熒光值增長趨勢最大，5個處理組的相對可變熒光在I點（30ms）差異最為顯著，其中T2的相對可變熒光值最高。B、E表示處理14d后小麥的OJIP和Vt曲線，與CK相比，T1處理下的熒光值增長趨勢最大，5個處理組的相對可變熒光在I點（30ms）差異最為顯著，其中T4的相對可變熒光值最高。C、F表示處理21d后小麥OJIP和Vt曲線，O-J階段T3的熒光值增長加快，J-I段CK的熒光值增長較快，在P點處，熒光值逐漸趨于穩定，以CK的熒光值為最大。

2.5微塑料對小麥相對CK可變熒光曲線和葉片光響應曲線的影響

不同濃度PP-MPs對各測定時期小麥的相對CK的可變熒光（ΔVt）和葉片光響應曲線（LC3）如圖3所示。H、J和L表示測定時期為7 d、14 d和21d后小麥的ΔVt曲線，5個處理組間的差異均存在先增大后縮小的趨勢。處

理7 d和21 d后小麥的的ΔVt＞0，處理14 d后小麥的ΔVt＜0。I、K和M表示測定時期為7 d、14 d和21 d后小麥的葉片光響應曲線（LC3），處理7 d后，T2處理下葉片的量子產額（QY值）為0.63，在20μmol/（m2·s） PPFD達到最大，說明其光補償點（LCP）在20 μmol/（m2·s） PPFD左右；處理14 d后，T2處理下葉片的QY值為0.67，在50 μmol/（m2·s） PPFD達到最大，說明其光補償點（LCP）在50 μmol/（m2·s） PPFD左右；處理21 d后， T3處理下葉片的QY值為0.67，在50 μmol/（m2·s） PPFD達到最大，說明其光補償點（LCP）在50 μmol/（m2·s） PPFD左右。

3討論與結論

幼苗期是農作物生長發育的關鍵環節，也是植物生命周期中最重要階段，會直接影響農作物的產量和品質[21]。本研究發現，處理7d后不同濃度（0.7～2.4 g/kg）PP-MPs均對小麥葉面積生長起到顯著促進作用，這可能由于微塑料一定程度上改變了土壤容重，提高了小麥根系生長初期對水分的吸收能力[22]。處理14和21 d后，低濃度（0.7 g/kg）和高濃度（2.8 g/kg）對小麥的比葉面積具有明顯抑制作用，這可能是由于生育期的延遲，低濃度微塑料更易被植物吸收，影響了植物生長代謝過程[23]；而微塑料在土壤中聚集過多則會增加土壤孔隙度，阻止小麥根系與土壤的接觸，從而抑制了植物的生長發育[24]。由此可以推測，低濃度（0.7 g/kg）PP-MPs抑制了小麥葉片的生長，而中高濃度（2.1 g/kg）PP-MPs達到了植株的生長損傷的臨界值，激發了小麥體內的抗逆性機制，從而促進了葉片的生長。

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，是表達植物生長狀況的重要指標之一[25]。本研究發現，處理7d后不同濃度（0.7～2.8 g/kg）PP-MPs對小麥的葉綠素含量影響不大，這可能因為該時期小麥的根系正處于發育階段，對土壤中的微塑料并不敏感。在植物光合系統中，葉綠素a（Chla）負責接收和傳遞光能[26]。處理14 d和21 d后，低濃度（0.7 g/kg）PP-MPs顯著降低了葉片的葉綠素a含量（Chla），這可能是隨著生育期的延長，微塑料暴露時間的增加，低濃度的微塑料顆粒更容易被植物根系吸收，從而抑制了葉片中與葉綠素a合成相關的蛋白酶，導致葉片光合色素的合成受阻，最終導致植物體內的葉綠素a含量的下降[14]。葉綠素a/b（Chla/b）的變化表現為植物抵御不良環境的一種自我保護[11]。處理21 d后，低濃度（0.7 g/kg）PP-MPs顯著降低了小麥葉片的Chla/b，這可能是由于微塑料阻礙了部分葉綠素的合成途徑，而Chla/b的降低則可以緩解微塑料對小麥光系統II的損傷[27]。

葉綠素熒光與植物光合作用聯系密切，葉綠素熒光參數與葉綠素含量相結合可以更為準確地反映植物的生長狀態[28]。初始熒光（Fo）值可以反映色素對光能的吸收作用，Fo值越低光能利用效率越高[29]。處理14 d和21 d后，隨著PP-MPs濃度的增加，葉片的初始熒光（Fo）呈現先減少后上升的趨勢，說明低濃度（0.7 g/kg）PP-MPs在一定程度上提高了光系統II（PSII）中光能的利用效率，緩解了葉綠素含量的下降對小麥光合作用造成的損傷。最大熒光（Fm）值的高低則反映了電子反應活躍度的大小[30]。處理14 d和21 d后，隨著PP-MPs濃度的增加，Fm值大致呈上升趨勢，說明小麥在高濃度（2.8 g/kg）PP-MPs下PSII的電子較為活躍，這可能與高濃度PP-MPs在一定程度上促進光合色素生成有關。Fv/Fm在植物受到環境脅迫時會下降[31]，不同濃度PP-MPs對小麥PSII的Fv/Fm影響不大，這與葉子琪[32]等得出PE-MPs對蠶豆葉片的Fv/Fm影響研究結果一致，說明PP-MPs未對小麥的光合電子傳遞過程造成影響。

葉綠素熒光快速誘導曲線（OJIP）可以反映出PSII反應中心原初光化學信息，相對可變熒光Vt可以使OJIP曲線得到標準化并減少誤差[33]。通過OJIP曲線可以發現各處理組的趨勢大致相同，且各處理的Vt曲線幾乎重合，說明PP-MPs添加未對小麥PSII反應中心造成損傷。處理14 d和21 d后，中高濃度（2.1～2.8 g/kg）促進了小麥PSII中電子產額（QY），說明該濃度下的PP-MPs有助于提高植物的光合活性，增強植物對強光的耐受能

力[34]。

綜上所述，本研究結果表明，隨著植株生育期的延長，低濃度（0.7 g/kg）PP-MPs添加顯著抑制了對小麥生長，光合色素的合成，但提高了PSII光能利用效率。中高濃度（2.1～2.8 g/kg）PP-MPs一定程度上促進了小麥葉面積的生長，光合色素的合成以及PSII電子活躍度。未來除了加大對農田塑料薄膜的回收利用，還應該進一步深入研究不同粒徑、不同種類的微塑料對植物體內產生的累積效應和毒性機制。

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