地膜微塑料对玉米生长与养分吸收的影响

摘 "要：地膜残留及破碎形成的微塑料（Microplastics，MPs）持续增加，成为农田土壤MPs的重要来源之一。通过盆栽试验，分析地膜MPs处理水平（0.5%，1%和2%）对玉米形态、生理、生物量及养分吸收的影响。结果表明，与对照（CK）相比，0.5%地膜MPs对玉米生长无明显影响。随着地膜MPs水平增加（1%和2%）和暴露时间延长（拔节期和抽穗期），玉米株高、茎宽、叶面积、根系长度、表面积及生物量显著减少。叶片叶绿素含量、SOD酶含量减少而MDA含量升高表明地膜MPs导致玉米光合受损及氧化应激。较高水平地膜MPs（1%和2%）也会抑制玉米吸收养分。农田土壤地膜MPs积累对作物生长的抑制可能消减地膜覆盖栽培的优势。

关键词：微塑料；地膜；玉米；形态；生理；生物量；养分吸收

中图分类号：X171.5 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2096-9902（2024）08-0052-04

Abstract： The residual and broken microplastics（Microplastics，MPs） of mulch film continue to increase， which has become one of the important sources of MPs in farmland soil. A pot experiment was conducted to analyze the effects of mulch film MPs treatment levels （0.5% 1% and 2%） on the morphology， physiology， biomass and nutrient absorption of corn. The results showed that compared with the control （CK）， 0.5% mulch film MPs had no significant effect on the growth of corn. With the increase of MPs levels of mulch film （1% and 2%） and the prolongation of exposure time （jointing stage and heading stage）， corn plant height， stem width， leaf area， root length and surface area and biomass decreased significantly. The decrease of chlorophyll content and SOD enzyme content and the increase of MDA content in leaves indicated that mulch film mulching MPs caused photosynthetic damage and oxidative stress in corn. Higher levels of mulch film MPs （1% and 2%） also inhibited nutrient absorption by corn. The inhibition of MPs accumulation of soil mulch film on crop growth may reduce the advantage of mulch film mulching cultivation.

Keywords： microplastics; mulch film; corn; morphology; physiology; biomass; nutrient absorption

微塑料（Microplastics，MPs）指粒径小于5 mm的塑料类污染物，可通过多种途径输入农田土壤，如污泥和有机肥施用、废水灌溉、农膜残留、塑料废物丢弃及大气沉降等[1-2]。我国云南、山东、广东等地土壤调查结果显示，土壤MPs丰度最高达到40 800个/kg[3-5]。MPs作为一种持久性污染物，影响土壤理化性质、生物生长、养分循环，增加土壤污染风险[6]。因此，农田土壤MPs积累已成为影响作物产量、品质、安全的潜在威胁。目前，已开展了多种作物（小麦、玉米、水稻、生菜和黄瓜等）的MPs影响效应研究，结果因MPs种类、形状、粒径、浓度及作物种类不同而有所不同，相关机制仍不清楚[7-8]。

地膜覆盖栽培在我国农业生产中应用广泛。传统聚乙烯（PE）地膜，用量大，但回收率低，难降解[9-10]。我国覆膜农田土壤累积残膜量高达118.5万t[11]。残留地膜受机械力、光照、高温等环境作用及土壤生物作用不断碎裂。随着地膜覆盖的持续使用，地膜残留及破碎形成的MPs将持续增加，成为土壤MPs的重要来源之一[12-13]。因此，本研究以玉米（Zea mays L.）为供试作物，采用盆栽试验方法，分析土壤中不同地膜MPs水平对玉米形态、生理、生物量及养分吸收的影响，为深入研究土壤MPs积累的植物效应及对农田生态系统的影响提供参考。

1 "材料与方法

1.1 "试验材料

土壤取自安徽省淮北市某农田耕作层。基本性质如下：pH7.16；有机质86.16 g/kg；碱解氮206.38 mg/kg；速效磷3.02 mg/kg；速效钾156.30 mg/kg。

地膜为市售黑色LDPE膜，密度为0.910～0.925 g/cm3。地膜采用液氮冷冻破碎制得MPs，碎片状，尺寸在0.25～0.45 mm。

玉米品种为苏玉9号，选取饱满、大小均匀的种子。

1.2 "试验设计与培养

采用盆栽试验，以不加地膜MPs为对照（CK），设计3种MPs水平（以MPs与土壤重量的百分比表示）：0.5%（T1）、1%（T2）、2%（T3）。每处理4次重复。每5 kg土壤，加入MPs，充分混匀，装盆。人工温室内预培养2周，期间保持土壤水分在田间持水量的60%～80%。2周后，每盆播种10粒玉米种子。出苗后，每盆保留2株幼苗继续培养，保持土壤水分在田间持水量的70%～80%。玉米生长期中，分3次施加肥料（分析纯Ca（NO3）2、KH2PO4、K2SO4），每次施肥量以施入土壤N 60 mg/kg、P2O5 30 mg/kg、K2O 50 mg/kg为标准，配制养分溶液均匀施用。玉米生长到抽穗期末期，收获。

1.3 "测定指标及方法

1.3.1 "玉米形态

玉米苗期、拔节期及抽穗期，使用直尺测量株高、游标卡尺测量茎宽。从玉米顶端选取新长出并完全展开的叶片，测量叶长、叶宽，按下式计算叶面积

叶面积=0.75×叶长×叶宽[14]。

1.3.2 "玉米生理

抽穗期末期，使用便携式叶绿素仪（SPAD-502PLUS）测定叶片叶绿素含量（SPAD值）。随后，取同一新鲜叶片，冰浴下研磨，用磷酸盐缓冲液（pH 7.8）提取-NBT法测定叶片超氧化物歧化酶（SOD）含量，用5%三氯乙酸提取-硫代巴比妥酸法测定叶片丙二醛（MDA）含量[15]。

1.3.3 "根系形态

玉米抽穗期末期，沿土壤表面收获地上部，将根部小心挖出，清洗，吸干表面水分，利用根系扫描仪（Epson Perfection V700 Photo）扫描根系图像，用WinRhizoPro Vision5.0软件得到根系长度及表面积。

1.3.4 "生物量

玉米地上部和根部分别装入纸袋，70 ℃下杀青，105 ℃下烘至恒重。以单株玉米地上部及根系干重表示其干生物量。

1.3.5 "养分含量

玉米地上部和根系烘干后使用植物粉碎机磨细。H2SO4-H2O2消煮后，消解液中N、P、K含量分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法、火焰光度法测定[16]。

1.4 "数据处理

试验数据采用SPSS 19.0进行处理间差异显著性分析（Plt;0.05），用Origin 9.0绘图。图表中数据以平均值±标准误表示。

2 "结果与分析

2.1 "地膜MPs对玉米株高、茎宽及叶面积的影响

由图1（a）可知，相对CK，地膜MPs对苗期玉米株高没有明显影响；但到拔节期和抽穗期，T2处理株高分别显著减少16.06%和9.67%，T3处理株高显著减少18.49%和11.07%。由图1（b）可知，各处理茎宽在苗期和拔节期均差异不显著；到抽穗期，T2和T3处理茎宽相对CK显著减少11.74%和13.17%。由图1（c）可知，T3处理的叶面积在拔节期和抽穗期相对CK明显减少14.96%和11.76%，而其他处理相对CK差异不显著。因此，土壤中地膜MPs积累水平增加和暴露时间延长导致玉米生长形态明显抑制。这与地膜MPs暴露的水稻生长效应相似。Qi等[17]发现1%的可生物降解地膜MPs对分蘖期小麦株高产生一定的抑制，但到2个月收获期时，小麦茎宽、叶面积等生长指标也显著减少。

2.2 "地膜MPs对玉米根系形态的影响

由图2可知，相较CK，较低的地膜MPs水平（T1）对玉米根系长度和表面积无明显影响。随着地膜MPs处理水平增加，T2处理的根系长度差异仍不显著，但根系表面积显著减少19.33%。地膜MPs处理增加到T3水平，根系长度和表面积较CK显著减少13.89%和24.58%，而较T2差异不显著。因此，较高的地膜MPs水平也会抑制玉米根系长度和根系表面积。

2.3 "地膜MPs对玉米生物量的影响

由图3可知，与CK相比，T1处理的玉米地上部及根系生物量显著减少9.55%和21.46%。随着地膜MPs水平增加，T2和T3处理的玉米生物量减少更显著，相对CK，地上部生物量分别减少了19.20%和27.14%，根系生物量分别减少了37.34%和38.68%。因此，较高的地膜MPs处理会显著降低玉米生物量。在同样地膜MPs水平下，玉米根系受到的生长抑制作用更加明显。

图3 "地膜微塑料对玉米生物量的影响

2.4 "地膜MPs对玉米叶片SPAD值、SOD和MDA含量的影响

由图4可知，地膜MPs水平较低时（T1），玉米叶片SPAD值、SOD和MDA含量较CK差异不显著。但地膜MPs处理达到T2水平，玉米叶片SPAD值显著降低了14.43%，而MDA含量却显著增加了31.43%。T3处理中，叶片SPAD值、SOD和MDA含量较CK均差异显著，SPAD值、SOD含量分别降低15.36%和10.99%，而MDA含量增加34.28%。土壤MPs暴露的作物抑制效应可能与光合系统受损及生理氧化应激有关。地膜MPs对玉米产生一定氧化胁迫，叶片SOD活性下降，不足以消除细胞中过量活性氧（ROS），从而导致光合受损和生长抑制[7]。

2.5 "地膜微塑料对玉米养分吸收的影响

由图5可知，与CK相比，T2处理导致地上部和根系全N含量显著减少6.10%、12.21%，而T3处理导致全N含量减少更显著，地上部和根系分别达到13.28%、19.03%。与全N含量相似，地膜MPs处理水平达到1%（T2）和2%（T3）时，玉米地上部及根系全P含量平均减少25.26%、35.73%，地上部及根系全K平均减少12.77%、6.10%。因此，地膜MPs处理水平增加，玉米地上部和根系养分含量基本呈显著减少趋势，表明较高的地膜MPs水平（1%和2%）抑制玉米吸收土壤养分。首先，MPs可堵塞土壤孔隙，减少水分、养分运移。其次，薄膜状MPs易附着或包覆在根系表面，减少根系与土水接触界面。再者，PE地膜具有较强的疏水性，阻碍根系从土壤中吸收水分、养分[18]。

3 "结论

盆栽试验中，0.5%地膜MPs对玉米生长无明显影响，而较高的地膜MPs水平（1%和2%）一定程度上抑制了玉米生长形态、根系及生物量。较高的地膜MPs水平（1%和2%）导致玉米光合受损、氧化应激及养分吸收减少，从而抑制玉米生长。农田土壤地膜MPs积累对作物生长的抑制作用可能消减地膜覆盖栽培的优势。

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