甲霜灵与镉复合污染对烟草生长发育及光合性能的影响

刘跃东 刘祥 林等

摘  要：为明确农药和重金属复合污染对烟草生长和光合性能的影响，通过盆栽试验模拟烟田在农药甲霜灵和重金属镉单一及复合污染条件下烟草生长发育及光合性能对污染胁迫的响应。研究结果表明，20 mg/kg甲霜灵单一污染对烟草根生物量、叶绿素和类胡萝卜素等光合色素含量和净光合速率、气孔导度及蒸腾速率等光合参数均有不同程度抑制作用，但在生长前期对株高有显著促进作用;20 mg/kg镉单一污染对烟草主要植物学性状、总生物量、光合色素含量及光合参数指标均具有不同程度抑制作用;在甲霜灵和镉复合污染条件下，两种污染物对烟草总生物量及光合参数的抑制，在整个生育期均表现为协同作用，其对烟草光合色素含量的抑制则在烟草生育前期表现为协同、后期表现为拮抗作用。此外，等浓度镉污染对烟草生物量、光合色素及光合作用的抑制作用强于甲霜灵。研究结果显示，甲霜灵与镉复合污染对烟草生长发育及光合性能均产生一定生态毒性效应，且毒性效应会随着烟草发育进程而改变。

关键词：烟草;甲霜灵;镉;复合污染;光合作用

中图分类号：S572.01          文章编号：1007-5119（2019）01-0041-08      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.01.006

Abstract： In order to study the combined influence of pesticides and heavy metals on tobacco growth and photosynthetic performance， we conducted a pot experiment to investigate the response of tobacco growth and photosynthetic performance systematically under the single and combined pollution conditions by using metalaxyl and cadmium. The results indicated that， the single addition of 20 mg/kg metalaxyl had an inhibition effect on tobacco root biomass， chlorophyll and carotenoid contents and main photosynthetic parameters （net photosynthetic rate， stomatal conductance and transpiration rate）， but it could promote tobacco height significantly at the early stage. The single addition of 20 mg/kg cadmium had different degrees of inhibition on main botanical characters， total biomass， content of photosynthetic pigment， and main photosynthetic parameters of tobacco. Under the combined pollution conditions， the two pollutants inhibited the total biomass and main photosynthetic parameters significantly at the whole growth period， and showed synergistic effect. But they inhibited the contents of chlorophyll and carotenoid differently， having synergistic effect at the early stage and antagonistic effect at the late stage of tobacco growth. Furthermore， the inhibition effect of cadmium addition on tobacco biomass， chlorophyll and carotenoid content and photosynthetic parameters was stronger than that of metalaxyl addition， which might be attributed to the degradation and metabolization of metalaxyl in tobacco field. In summary， the ecological toxic effects of combined pollution of metalaxyl and cadmium on tobacco growth and photosynthetic performance changed with the tobacco growth stages.

Keywords： tobacco; metalaxyl; cadmium; combined pollution; photosynthesis

當前工业“三废”无序排放、矿质肥料及化学农药的不合理施用，使农业生产环境遭受不同程度的污染。根据2014年全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，土壤污染

总超标率为16.1%，其中镉污染的点位超标率为7%[1]。同时化学农药的利用率仅为30%，大部分农药流失到土壤中，使农田环境遭受不同程度的污染破坏。农药污染会对作物光合作用[2]、营养物质代谢[3]及体内酶活性[4]等产生不同程度损伤，影响农作物生产过程及农产品质量安全，直接或间接危害人类健康[5-6]。

镉作为一种生物毒性很强的重金属，会被植物吸收并在体内富集，一方面镉通过破坏植物细胞膜的结构和功能[7]，产生氧化胁迫，破坏叶绿素结构，抑制光合作用及呼吸作用，使根系营养元素吸收受阻，导致碳水化合物代谢及其他一系列生理代谢紊乱，最终影响植物的生长发育和产量品质[8-10]，对植物产生毒害作用;另一方面镉通过食物链进入人体，在人体内富集并对各器官产生不可逆的损伤[11]。甲霜灵作为一种苯基酰胺类高效、低毒内吸性杀菌剂，广泛以灌根方式应用于烟草黑胫病的防治中[12-13]，在土壤中残留较大，能被烟草吸收并随体内水分运输到各个器官积累[14]，已成为烟田环境中不可忽视的问题。重金属与农药常共存于污染农田土壤中，并不是单一污染的状态，而是以多元化和复杂化的复合污染为主[15]，因此，重金属和农药的复合污染现已成为农业环境科学领域关注的热点问题[16-18]。关于农药与重金属复合污染对植物生长影响的研究中，戴灵鹏等[19]研究发现铜与乙草胺对浮萍表现出联合协同毒性作用，抑制叶绿素含量及鲜重。黄河等[20]研究发现镉与乙草胺、苄嘧磺隆复合污染降低水稻幼苗中硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性，影响氮代谢并抑制水稻幼苗生长。这些研究均是针对大田粮食作物开展的，关于复合污染对烟草等经济作物的研究较少，重金属与农药复合污染现象在我国区域烟田中普遍存在，并亟待研究探索。

近年来，关于农药甲霜灵和重金属镉单一污染

條件下对烟草生长发育及积累分配的影响已有一些报道[21-22]，但两者复合污染对烟草发育及光合性能的研究尚未见报道。因此，本研究通过盆栽模拟试验的方法，探讨土壤中添加甲霜灵与镉复合污染对烟草生长发育及光合性能的影响，明确其对烟草发育的毒理效应，以期为烟田污染土壤的治理修复及风险评估提供重要依据。

1  材料与方法

1.1  供试材料

盆栽试验于2016年在山东潍坊烟草公司诸城试验站温室大棚内进行。供试土壤为典型褐土，采自当地烟田0～20 cm的耕作层。供试土壤的基本理化性质为pH 7.05，有机质9.65 g/kg，全氮4.30 g/kg，碱解氮57.50 mg/kg，有效磷8.38 mg/kg，速效钾192.00 mg/kg。

供试药剂：农药甲霜灵（30%可湿性粉剂，浙江禾本科技有限公司）、乙酸镉[分析纯Cd（CH3COO）2·2H2O，国药集团];种植烟草品种为中烟100。

1.2  试验设计与方法

1.2.1  试验设计  根据甲霜灵的田间推荐用量、重污染地区镉含量和前期预备试验结果，在模拟长期污染积累条件下，设定该试验中甲霜灵与镉的添加浓度均为20 mg/kg。共设置1个空白对照和3个不同污染胁迫处理，分别为CK：无添加空白对照;T1：甲霜灵添加量为20 mg/kg干土的处理;T2：镉添加量为20 mg/kg干土的处理;T3：甲霜灵和镉添加量均为20 mg/kg干土的处理。每个处理设30次重复（30盆）。

1.2.2  试验方法  将采集的耕层土壤风干碾碎后过5 mm筛，同时按照当地烟田施肥标准，将土壤与肥料充分混匀，每盆装风干土15 kg，然后灌以足够水分使土壤沉实。每盆移栽生长一致的健康无病烟苗1株。待移栽烟株生长到小团棵时，将各处

理对应的甲霜灵或乙酸镉溶解于1000 mL蒸馏水中，一次性均匀浇入各盆中，对照只浇等量蒸馏水。试验期间，每间隔3～5 d称重补水，使土壤含水量大致保持在60 %田间持水量水平。

1.3  样品检测与分析

1.3.1  烟草植物学性状及各部位生物量的测定

在烟株生育期内进行2次植物学性状测量和8次取样分析，即在污染胁迫后第28天（旺长期）和第84天（平顶期）进行株高、茎围、有效叶数、叶长和叶宽等植物学性状测量，并在胁迫后第1、3 、7、14、28、56、84及112天进行破坏性取样，每个处理分别取代表性烟株3株，分根、茎、叶部位进行杀青烘干并测量其生物量。

1.3.2  叶绿素含量测定  在每个处理每次取样时选取上部第4片功能叶，采用王学奎等[23]的方法测定。

1.3.3  烟草光合作用测定  在胁迫后的第14、28、56、84和112 d（对应烟草团棵期、旺长期、现蕾期、平顶期和成熟期），分别在9：00—11：00用LI-6400便携式光合仪（LI-COR， Gene Company Limited）在25 ℃、1200 mol/（m2·s）红蓝光源、开放环境下测定各处理中部叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）等参数。

1.4  数据分析

采用SPSS 20.0软件对烟草各生长发育指标进行方差分析（ANOVA）和多重比较（Duncan法），采用Excel 2010软件对试验数据进行统计整理，并采用Origin 9.0软件作图。

2  结  果

2.1  甲霜灵与镉复合污染对烟草植物学性状的影响

从烟草旺长期（表1）和平顶期（表2）的植物学性状可以看出，在旺长期，T1处理的株高、茎围、最大叶长均为最大值，其中T1的株高显著高于其他3个处理，相比CK、T3和T2处理分别增加了7.63%、13.55%和15.26%，各处理的茎围无显著差异。T3处理的株高、有效叶数和最大叶宽等指标最小，且显著低于CK及T1处理。在平顶期，除T2和T3处理的株高及中部叶长显著低于CK和T1处理外，其余指标在4个处理间无显著差异，而且T3处理的株高、茎围及中部叶长宽等指标在所有处理中均为最低。可见，甲霜灵污染对烟草前期生长具有一定促进作用，主要表现在株高方面，后期促进作用减弱。镉单一污染及与甲霜灵的复合污染在生育期内均抑制烟株生长，且两者复合污染表现为一定协同作用。

2.2  甲霜灵与镉复合污染对烟草生物量的影响

甲霜灵与镉复合污染下烟草不同部位的生物量如图1所示，随着烟草的发育进程，各处理烟草的根、茎、叶生物量均明显增加，在污染胁迫后的

第3天，茎和叶的生物量开始出现差异，T2与T3处理的生物量均低于CK;在第14天，T1处理的茎、叶及总生物量均为最高，且显著高于CK和T3处理（p<0.05）;在第56天，T3处理根、茎、叶的生物量最低且显著低于T1及CK处理（p<0.05）;

在第84及112天，各处理根的生物量表现为：CK>T1>T2>T3，且T1、T2和T3处理的根生物量均显著低于CK（p<0.05），特别在第112天时，T3处理的根生物量与CK相比减少了31.57%，茎和叶生物量则无显著差异。因此，甲霜灵污染能一定程度促进茎和叶的发育而抑制根的生长，而镉单一污染及复合污染则对烟草根、茎、叶各部位的生长产生抑制作用，且复合污染的抑制作用更强。

2.3  甲霜灵与镉复合污染对烟叶光合色素的影响

甲霜灵与镉复合污染对烟叶光合色素含量（总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素）的影响如图2所示，各处理烟草的叶绿素（总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b）和类胡萝卜素含量变化趋势一致，均随烟草生育进程呈先增加后下降的趋势，在污染胁迫的第7天，各处理的烟叶叶绿素及类胡萝卜素含量出现差异，其中T3及T2处理的含量相对最低且显著低于CK（p<0.05）;在胁迫的第28天及56天（旺长期及现蕾期），CK、T1及T2处理的叶绿素和类胡萝卜素含量继续增加并在第56天

达到最大值，且CK处理的光合色素含量顯著高于其他处理（p<0.05），而T3处理的光合色素含量最低。在胁迫第84天及112天（平顶期及成熟期），T3处理的叶绿素及类胡萝卜素含量开始高于T2处理，而T2处理的光合色素含量最低且与CK及T1差异显著（p<0.05）。这表明，甲霜灵与镉单一及复合污染均对烟叶中叶绿素和类胡萝卜素等光合色素含量有不同程度抑制作用，且甲霜灵与镉复合污染在旺长及现蕾期表现为协同作用，在平顶期及成熟期则表现为拮抗作用。

2.4  甲霜灵与镉复合污染对烟草光合作用的影响

甲霜灵单一及复合污染对烟草光合作用的影响如图3所示，不同处理烟草的光合参数随生育期而变化，净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均随烟草生育期呈先增加后降低的变化趋势，均在旺长期最高，成熟期最低。胞间CO2浓度的变化趋势则与此不同，在团棵期最高，现蕾期最低。甲霜灵与镉单一及复合污染对烟草光合参数的影响方面，除胞间CO2浓度外，其余指标均表现不同程度的抑制作用，而且各处理净光合速率、气孔导度和蒸腾速率大小顺序表现为：CK>T1>T2>T3，其中T3和T2处理的净光合速率和气孔导度指标在各生育期均显著低于CK（p<0.05）。在旺长期，各处理的净光合速率和气孔导度均达到最大值。在现蕾期，除T3处理的蒸腾速率达到最大值且高于T1和T2处理外，其余处理的光合参数均较旺长期下降。而胞间CO2浓度指标在各生育期中，整体以T2处理相对较高而T3处理稍低，但各处理间差异不大。可见，甲霜灵与镉单一及复合添加均对烟草光合作用产生一定抑制作用，且发育前期的抑制作用较强后期减弱。等浓度镉的抑制作用强于甲霜灵，且两者复合污染对烟草光合作用的抑制表现为协同作用。

3  讨  论

甲霜灵与镉单一及复合污染对烟草植物学性状及各部位的生物量具有重要影响，甲霜灵单一污染可抑制烟草根系发育而促进地上部茎和叶的生长。烟草根系对于外源污染物较为敏感，甲霜灵灌根后可对根系环境及根系生长产生一定毒害作用。但也有研究表明吡虫啉对番茄生物量及主根长等指标有促进作用[26]，这可能与不同污染物的性质有关。同时甲霜灵对烟草生长发育的影响随各器官及生育期的变化而不同，甲霜灵添加到土壤中后会不断被吸附和降解，其毒性效应及其对烟株的影响会随之发生变化。在镉对烟草的影响方面，有研究显示低浓度镉处理促进翠碧1号和云烟87的生长，高浓度镉处理则抑制其生长[27]，同时低浓度镉也能促进野燕麦幼苗生长和生物量的积累[28]。但不同浓度镉胁迫对烟草生长发育的影响阈值及其作用机理，还需要进一步系统研究。

光合色素作为光合作用的主要参与者，对植物营养物质积累和生长发育具有重要意义。本研究中甲霜灵与镉单一及复合污染均对烟草光合色素产生抑制作用，这与许多研究结果相类似，如冯绪猛等[3]发现井冈霉素及三唑磷农药会不同程度地降低叶绿素含量，谭伟等[4]发现乙草胺对葡萄叶绿素荧光特性产生抑制作用。慈敦伟等[29]也发现重金属镉会抑制小麦幼苗叶绿素的形成，降低其含量。一方面，污染胁迫会通过破坏参与合成叶绿素的酸酯而导致叶绿素含量降低[30]。另一方面，污染胁迫会通过减小叶片的气孔开度，抑制参与光合作用的关键酶活性[31]，从而抑制叶绿素的形成。同时单一及复合污染也对烟草光合作用产生重要影响，且等浓度镉的抑制作用高于甲霜灵，这可能是由于镉较强的稳定性和生物毒性所导致的。镉胁迫不仅能通过破坏光合器官或者抑制暗反应的酶活性来降低光合作用，而且能造成植物体内活性氧积累损伤细胞膜结构，造成代谢紊乱，从而抑制光合作用[33]。

在复合污染条件下，污染物的联合毒性效应有3种形式：拮抗作用、协同作用和加和作用，复合污染中污染物的性质及浓度不同，其表现形式也有所不同[34-35]。本研究中甲霜灵与镉复合污染对烟草植物学性状、生物量及光合作用均产生协同作用，

而对叶绿素含量在烟草生育前期产生协同作用，后期则产生拮抗作用，这与铜和乙草胺复合污染对浮萍的联合毒性效应随时间变化，由拮抗作用转变为相加作用再转变为协同效应的结果类似[36]。复合污染联合毒性效应方式的改变，可能与甲霜灵的降解及镉的钝化使烟株中污染物浓度和有效性降低，同时烟叶对甲霜灵及镉污染胁迫的适应性增强有关。由于本研究中仅讨论了固定浓度下的复合污染，关于不同浓度梯度及污染物组合对烟草的生态毒理及作用机制方面，还需要后续做进一步的深入研究。

4  結  论

（1）盆栽模拟试验结果表明，甲霜灵单一污染在一定程度上可促进烟株地上部的发育而抑制根系生长，其对根冠比的影响在生育后期逐渐减弱。

（2）镉单一及与甲霜灵复合污染在生育期内均能抑制烟株生物量积累、光合色素形成及光合作用强度，且等浓度镉污染的抑制作用强于甲霜灵。

（3）甲霜灵与镉复合污染对烟草的生长发育

及光合性能具有联合毒性效应，在对烟草生物量及光合作用抑制方面表现为协同作用，在对烟草光合色素影响方面，生育前期是协同作用后期则为拮抗作用。

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