聚乙烯微塑料暴露对辣椒生长及产量的影响.pdf
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1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023,42(8):1695-17022023年8月杨国梅,李娟,龙健,等.聚乙烯微塑料暴露对辣椒生长及产量的影响J.农业环境科学学报,2023,42(8):1695-1702.YANG G M,LI J,LONG J,et al.Effects of polyethylene microplastics exposure on growth and yield of Capsicum annuum L.J.Journal of Agro-EnvironmentScience,2023,42(8):1695-
2、1702.聚乙烯微塑料暴露对辣椒生长及产量的影响杨国梅1,李娟2*,龙健1,廖洪凯1,冉泰山1,赵雨鑫1(1.贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室,贵阳 550001;2.贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳 550001)Effects of polyethylene microplastics exposure on growth and yield of Capsicum annuum L.YANG Guomei1,LI Juan2*,LONG Jian1,LIAO Hongkai1,RAN Taishan1,ZHAO Yuxin1(1.Key Laboratory
3、 for Information System of Mountainous Areas and Protection of Ecological Environment of Guizhou Province,GuizhouNormal University,Guiyang 550001,China;2.Department of Geography and Environmental Science,Guizhou Normal University,Guiyang550001,China)Abstract:To better understand the impacts of micro
4、plastics on the growth and yield of vegetable crops,indoor pot experiments wereadopted to study polyethylene microplastics(PE-MPs)from April to September of 2022.Effects of PE-MPs on the growth status,plantnutrients,photosynthetic pigment content and yield of Capsicum annuum L.at different growth st
5、ages(seedling,flowering and fruit stages)under different concentrations(0,50,500 and 2 500 mgkg-1)were studied.The results showed that PE-MPs increased the root length,fresh weight and carbon content of Capsicum annuum L.in the seedling stage,but inhibited the plant height and synthesis of photosynt
6、heticpigments when the concentration was 50 mgkg-1.At the flowering stage,PE-MPs promoted root length and carbon content of Capsicumannuum L.,but reduced plant height,fresh weight and phosphorus content,and promoted the synthesis of photosynthetic pigments at 2 500mgkg-1.In the fruit stage,PE-MPs pr
7、omoted root length,carbon content and leaf carotenoid content of Capsicum annuum L.,but inhibited收稿日期:2023-03-29录用日期:2023-05-23作者简介:杨国梅(1997),女,云南文山人,硕士研究生。E-mail:*通信作者:李娟E-mail:lijuan_基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFD1901505);贵州省科学技术基金重点项目(黔科合基20201Z036);贵州省百层次创新人才项目(黔科合平台人才20206010)Project supported:Nationa
8、l Key Research and Development Program of China(2022YFD1901505);Key Project of Science and Technology Fund ofGuizhou Province(Foundation of Guizhou Science and Technology Integration20201Z036);Project of Innovative Talents of Guizhou Province(Talents of Guizhou Science and Technology Integration Pla
9、tform20206010)摘要:为探讨微塑料对蔬菜作物生长及产量的影响,于2022年49月采用室内盆栽实验,研究聚乙烯微塑料(PE-MPs)在不同浓度下(0、50、500、2 500 mgkg-1)对辣椒(Capsicum annuum L.)不同生长阶段(幼苗期、开花期与结果期)的生长状况、植株养分、光合色素含量与产量的影响。结果表明:幼苗期,PE-MPs增加了辣椒的根长、鲜质量及植株中碳含量,而对株高有抑制作用,在浓度为50 mgkg-1时亦抑制了光合色素的合成;开花期,PE-MPs对辣椒的根长与碳含量有促进作用,而减少了其株高、鲜质量及磷含量,在浓度为2 500 mgkg-1时则能促进
10、光合色素的合成;结果期,PE-MPs对辣椒根长、碳含量及叶片类胡萝卜素含量有促进作用,对株高、鲜质量及磷含量有抑制作用;PE-MPs降低了辣椒产量,最多可使每株辣椒减产42.86%。由此可见,PE-MPs对辣椒根长与植株中碳含量有促进作用,但降低了株高与产量,对其生物量未见显著影响,鲜质量、光合色素含量与氮磷含量则与生长阶段和PE-MPs浓度有关。综上,PE-MPs对辣椒生长存在一定的影响,因此,农业生产等活动中应尽量避免微塑料进入土壤环境中。关键词:聚乙烯微塑料;光合色素;辣椒;植株养分;产量中图分类号:X173;S641.3文献标志码:A文章编号:1672-2043(2023)08-169
11、5-08doi:10.11654/jaes.2023-0233农业环境科学学报第42卷第8期微塑料是一种新兴有机污染物,其普遍存在于农田、河流、海洋甚至极地地区1。目前,针对微塑料的研究主要集中在海洋系统中,陆地系统中微塑料的研究相对较少。事实上,每年人类排放至陆地上的微塑料比海洋高423倍2。农田土壤中微塑料的来源,一方面是其他环境中的微塑料纤维、薄膜等以污水灌溉、污泥还田、有机肥等形式进入3-5;另一方面是残留的大块农用地膜经过物理、化学和生物作用裂解、破碎形成6。土壤中的微塑料影响了土壤容重7、水力特征及电导率等理化性质8,进而对植物的生长9、光合色素含量10及产量11等产生影响。微塑料
12、对植物的影响与其种类、形态特征、粒径和浓度有关,其通过影响植物种子空隙、水分和养分的吸收进而对作物生长产生影响12。研究表明,低密度聚乙烯能抑制小麦种子的发芽与幼苗生长9;其他研究也指出高浓度(5%)的聚乙烯微塑料(PE-MPs)降低了西红柿与辣椒种子的活性,并对其种子发芽、芽长与根长的生长均有抑制作用13。同时,微塑料对植物的光合色素含量也有一定的影响。如聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)显著降低了大蒜叶片叶绿素含量,且较高浓度(100 mgL-1)的 PS-NPs能影响大蒜叶片的营养品质10。此外,微塑料亦能影响作物的养分含量。研究发现大豆各器官中碳、氮、磷含量基本随聚乙烯农膜残片浓度的增加
13、而增加14。微塑料也将通过影响作物的生长进而影响其产量,研究发现聚丙烯微塑料(PP-MPs)能显著降低樱桃萝卜(Raphanus sativus L.var.radculus pers)的产量11。综上,微塑料能够显著影响作物生长、光合色素含量等,其影响程度与微塑料种类和浓度密切相关。聚乙烯是农用地膜的主要成分15,其在贵州等30个省市的农田土壤微塑料中检出比高达80%16。但目前对于不同浓度的PE-MPs对农作物不同生长时期的生长状况、光合色素、养分指标及产量的研究还较少,需进一步探究。辣椒是我国种植面积最大的蔬菜和消费量最大的辛辣调味品17,同时也是世界上最重要的蔬菜作物之一,其使用量在全
14、球范围内逐年升高18。辣椒质量与人们的健康息息相关。鉴于此,本研究选择辣椒为供试植物,研究不同浓度的PE-MPs对辣椒不同生长阶段的生长状况、光合色素含量、植株中养分含量以及辣椒产量的影响,旨在讨论PE-MPs对蔬菜作物辣椒的生态毒性,为微塑料污染治理提供依据。1材料与方法1.1 供试材料土壤选择贵州省贵阳市花溪区田园路(262156N,1063944E)郊区未使用过地膜覆盖和再生水灌溉(尽量避免多余塑料污染)的耕地进行采样,土壤类型为棕色石灰土。采集深度为020 cm,处理后过2 mm 筛网备用。辣椒(Capsicum annuum L.)品种为“贵辣21号”购自贵研农业公司。实验使用的PE
15、-MPs购自于中国丰泰塑化公司,其外观为规则球状。供试土壤基本理化性质:pH为7.51,有机碳(SOC)为26.06 gkg-1,全磷(TP)为0.83 gkg-1,速效磷(AP)为14.16 mgkg-1,硝态氮(NO-3-N)为4.48 mgkg-1,铵态氮(NH+4-N)为2.88 mgkg-1。1.2 盆栽实验第一步:将采集的土壤去除树枝、杂草与石子等杂质后进行自然风干,磨细过2 mm筛;第二步:处理后的土壤每盆称取2 kg备用(先称取400 g土壤和有机肥与 PE-MPs混合均匀,再分两次分别加入 800 g土壤,使其与先前处理的土壤充分混合均匀);第三步:提前一周将盆栽土壤浇水(超
16、纯水),第一次浇水确保将土壤浇透,后期每日根据土壤湿度进行适当浇水;第四步:选取颗粒饱满均匀、没有损坏的辣椒种子,放于培养皿进行催芽,待种子发芽完全后,挑选发芽一致的辣椒幼苗移栽至已处理过的盆栽盆(内径19 cm,高15 cm),前期每盆种植6株,定植后每盆留23株,开花后每盆留1株;第五步:定期观察并浇水施肥(采样一个月内不进行施肥),于幼苗期(移栽时)、开花期、结果期对辣椒植株进行破坏性采样,用于植物各指标的测定。plant height,fresh weight and phosphorus content.PE-MPs reduced Capsicum annuum L.yield b
17、y up to 42.86%per plant.In conclusion,PE-MPs can promote root growth and plant carbon content of Capsicum annuum L.,but reduces plant height and yield,and has nosignificant effect on its biomass.Fresh weight,photosynthetic pigment content,nitrogen and phosphorus content are related to growth stagean
18、d PE-MPs concentration.PE-MPs has a certain impact on the growth and yield of Capsicum annuum L.Therefore,microplastics shouldbe avoided in soil environments in agricultural production activities.Keywords:polyethylene microplastic;photosynthetic pigment;Capsicum annuum L.;plant nutrient;yield1696杨国梅
19、,等:聚乙烯微塑料暴露对辣椒生长及产量的影响2023年8月1.3 试验设计试验在贵州师范大学贵州省山地环境重点实验室进行,PE-MPs 粒径选择蔬菜土壤中常见的 0.2mm,浓度参考我国西南地区微塑料含量情况19。外源添加的 PE-MPs 浓度设置为 0、50、500、2 500 mgkg-1,标记为CK、M1、M2与M3;每个浓度设置3个重复,共12个样。每日观测,根据土壤湿度与辣椒生长周期进行浇水并施肥(种植前每盆施用有机肥0.2 g,幼苗期时施用1的尿素,开花期后施用1磷酸二氢钾;每盆每日浇水 15 mL;各处理施肥、浇水量一致,采样前一个月内不进行施肥),在幼苗期(定植时,约50 d)
20、、开花期(约40 d)、结果期(约45 d)分别对辣椒植株进行破坏性采样并对相关指标进行测定。1.4 测定方法在辣椒生长的三个阶段对植株进行破坏性采样,先用自来水洗净附着于植株表面的微塑料和土壤,然后用蒸馏水冲洗干净,最后用吸水纸擦干植株表面的水分,用于辣椒植株各项指标的测定。使用直尺(精确到 0.1 cm)测量辣椒的株高、根长;使用天平(精确到0.000 1 g)称量鲜质量后,将其置于105 的烘箱中杀青30 min,然后降温至70 烘干至质量恒定,称其干质量。将烘干的植物样磨碎,混匀,过 0.25 mm 筛备用;其中植物中全碳、全氮使用Elementar元素分析仪测定,植株中磷的含量采用H
21、2SO4-H2O2消煮,钼锑抗吸光光度法测定。取新鲜干净的辣椒叶片,去掉中脉,剪碎,混匀,称取剪碎的新鲜样品0.20 g,乙醇提取,用紫外分光光度计分别在波长665 nm(叶绿素a)、649 nm(叶绿素b)、470 nm(类胡萝卜素)下测定吸光度后进行计算20;辣椒植株第一次结果,果实使用天平(精确到0.000 1 g)称量其总鲜质量作为辣椒产量。1.5 数据处理与分析试验测定的指标均以平均值标准偏差(MeanSD)表示,数据的差异显著性通过软件SPSS 26.0用单因素方差分析(One-way ANOVA)中的 Duncan 多重比较检验法,图通过Origin 2021软件制作。2结果与分
22、析2.1 PE-MPs对辣椒生长状况的影响图1为不同浓度的PE-MPs处理下辣椒幼苗期、开花期与结果期的鲜质量、干质量、株高与根长的变化情况。幼苗期、开花期与结果期三个阶段辣椒植株干质量与空白相比均无显著性差异,即PE-MPs对辣椒植株干质量无显著性影响(图1A)。辣椒幼苗期,3个浓度的PE-MPs处理对其鲜质量均有促进作用,但其促进效果不显著(图1B);开花期,三个浓度的PE-MPs均抑制了辣椒鲜质量,2 500 mgkg-1PE-MPs处理下抑制作用最强,与空白相比减少 15.99%;结果期,2 500 mgkg-1PE-MPs处理下对其鲜质量有促进作用,其余处理均呈现抑制作用。可见,PE
23、-MPs对辣椒鲜质量表现出显著影响(P0.05),对干质量未见显著影响。幼苗期,PE-MPs处理促进了辣椒根长,而对其株高则无显著性影响(图1C、图1D);开花期,3个处理下其根长与空白相比均有增加,50 mgkg-1的PE-MPs处理下其根长最长,与空白相比增加了8.7%;而株高在 3 个处理下均比空白小,500 mgkg-1的 PE-MPs 处理下其株高最小,与空白相比株高减少了19.07%;结果期,50、500 mgkg-1PE-MPs处理下都促进了根长的生长,2 500 mgkg-1PE-MPs处理下与空白处理相比未见显著性差异,但3个浓度的PE-MPs处理均能抑制株高的生长;其中,5
24、00 mgkg-1PE-MPs处理下其株高最小,抑制作用最强,与空白相比减少了21.19%。2.2 PE-MPs对辣椒各生长阶段光合色素含量的影响图2为辣椒植株幼苗期、开花期与结果期叶片的光合色素含量变化情况。幼苗期,仅当PE-MPs浓度为50 mgkg-1时,抑制了光合色素的合成,其余处理均有促进作用,且PE-MPs浓度越高对光合色素的促进作用越强;开花期,PE-MPs 浓度为 2 500 mgkg-1时,对叶绿素a、叶绿素b与叶绿素总量有促进作用,其余处理下未见显著性影响,类胡萝卜素在3个处理下均未见显著性影响;结果期,3个处理下均抑制了叶绿素a、叶绿素b与叶绿素总量;类胡萝卜素含量与空白
25、相比均体现出促进作用,PE-MPs 浓度为 500mgkg-1时促进作用最强,与空白相比增加了37.19%。2.3 PE-MPs对辣椒植株养分含量的影响图3为不同浓度的PE-MPs对幼苗期、开花期与结果期辣椒植株养分含量(碳、氮、磷)影响的变化情况。幼苗期,500 mgkg-1的PE-MPs处理,辣椒植株碳含量与空白相比有所减少,但其余处理对植株碳含量有促进作用;2 500 mgkg-1的PE-MPs处理,氮含量无显著性影响,其余处理则有促进作用;50 mgkg-1的PE-MPs处理,磷含量与空白相比有所增加,其余处理无显著性影响。开花期,3个处理下均能促进其碳1697农业环境科学学报第42卷
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