劉躍東 劉祥 林等

摘 ?要：為明確農藥和重金屬復合污染對煙草生長和光合性能的影響，通過盆栽試驗模擬煙田在農藥甲霜靈和重金屬鎘單一及復合污染條件下煙草生長發(fā)育及光合性能對污染脅迫的響應。研究結果表明，20 mg/kg甲霜靈單一污染對煙草根生物量、葉綠素和類胡蘿卜素等光合色素含量和凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率等光合參數(shù)均有不同程度抑制作用，但在生長前期對株高有顯著促進作用;20 mg/kg鎘單一污染對煙草主要植物學性狀、總生物量、光合色素含量及光合參數(shù)指標均具有不同程度抑制作用;在甲霜靈和鎘復合污染條件下，兩種污染物對煙草總生物量及光合參數(shù)的抑制，在整個生育期均表現(xiàn)為協(xié)同作用，其對煙草光合色素含量的抑制則在煙草生育前期表現(xiàn)為協(xié)同、后期表現(xiàn)為拮抗作用。此外，等濃度鎘污染對煙草生物量、光合色素及光合作用的抑制作用強于甲霜靈。研究結果顯示，甲霜靈與鎘復合污染對煙草生長發(fā)育及光合性能均產生一定生態(tài)毒性效應，且毒性效應會隨著煙草發(fā)育進程而改變。

關鍵詞：煙草;甲霜靈;鎘;復合污染;光合作用

中圖分類號：S572.01 ?????????文章編號：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

當前工業(yè)“三廢”無序排放、礦質肥料及化學農藥的不合理施用，使農業(yè)生產環(huán)境遭受不同程度的污染。根據(jù)2014年全國土壤污染狀況調查公報顯示，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，土壤污染

總超標率為16.1%，其中鎘污染的點位超標率為7%[1]。同時化學農藥的利用率僅為30%，大部分農藥流失到土壤中，使農田環(huán)境遭受不同程度的污染破壞。農藥污染會對作物光合作用[2]、營養(yǎng)物質代謝[3]及體內酶活性[4]等產生不同程度損傷，影響農作物生產過程及農產品質量安全，直接或間接危害人類健康[5-6]。

鎘作為一種生物毒性很強的重金屬，會被植物吸收并在體內富集，一方面鎘通過破壞植物細胞膜的結構和功能[7]，產生氧化脅迫，破壞葉綠素結構，抑制光合作用及呼吸作用，使根系營養(yǎng)元素吸收受阻，導致碳水化合物代謝及其他一系列生理代謝紊亂，最終影響植物的生長發(fā)育和產量品質[8-10]，對植物產生毒害作用;另一方面鎘通過食物鏈進入人體，在人體內富集并對各器官產生不可逆的損傷[11]。甲霜靈作為一種苯基酰胺類高效、低毒內吸性殺菌劑，廣泛以灌根方式應用于煙草黑脛病的防治中[12-13]，在土壤中殘留較大，能被煙草吸收并隨體內水分運輸?shù)礁鱾€器官積累[14]，已成為煙田環(huán)境中不可忽視的問題。重金屬與農藥常共存于污染農田土壤中，并不是單一污染的狀態(tài)，而是以多元化和復雜化的復合污染為主[15]，因此，重金屬和農藥的復合污染現(xiàn)已成為農業(yè)環(huán)境科學領域關注的熱點問題[16-18]。關于農藥與重金屬復合污染對植物生長影響的研究中，戴靈鵬等[19]研究發(fā)現(xiàn)銅與乙草胺對浮萍表現(xiàn)出聯(lián)合協(xié)同毒性作用，抑制葉綠素含量及鮮重。黃河等[20]研究發(fā)現(xiàn)鎘與乙草胺、芐嘧磺隆復合污染降低水稻幼苗中硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性，影響氮代謝并抑制水稻幼苗生長。這些研究均是針對大田糧食作物開展的，關于復合污染對煙草等經濟作物的研究較少，重金屬與農藥復合污染現(xiàn)象在我國區(qū)域煙田中普遍存在，并亟待研究探索。

近年來，關于農藥甲霜靈和重金屬鎘單一污染

條件下對煙草生長發(fā)育及積累分配的影響已有一些報道[21-22]，但兩者復合污染對煙草發(fā)育及光合性能的研究尚未見報道。因此，本研究通過盆栽模擬試驗的方法，探討土壤中添加甲霜靈與鎘復合污染對煙草生長發(fā)育及光合性能的影響，明確其對煙草發(fā)育的毒理效應，以期為煙田污染土壤的治理修復及風險評估提供重要依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?供試材料

盆栽試驗于2016年在山東濰坊煙草公司諸城試驗站溫室大棚內進行。供試土壤為典型褐土，采自當?shù)責熖?～20 cm的耕作層。供試土壤的基本理化性質為pH 7.05，有機質9.65 g/kg，全氮4.30 g/kg，堿解氮57.50 mg/kg，有效磷8.38 mg/kg，速效鉀192.00 mg/kg。

供試藥劑：農藥甲霜靈（30%可濕性粉劑，浙江禾本科技有限公司）、乙酸鎘[分析純Cd（CH3COO）2·2H2O，國藥集團];種植煙草品種為中煙100。

1.2 ?試驗設計與方法

1.2.1 ?試驗設計 ?根據(jù)甲霜靈的田間推薦用量、重污染地區(qū)鎘含量和前期預備試驗結果，在模擬長期污染積累條件下，設定該試驗中甲霜靈與鎘的添加濃度均為20 mg/kg。共設置1個空白對照和3個不同污染脅迫處理，分別為CK：無添加空白對照;T1：甲霜靈添加量為20 mg/kg干土的處理;T2：鎘添加量為20 mg/kg干土的處理;T3：甲霜靈和鎘添加量均為20 mg/kg干土的處理。每個處理設30次重復（30盆）。

1.2.2 ?試驗方法 ?將采集的耕層土壤風干碾碎后過5 mm篩，同時按照當?shù)責熖锸┓蕵藴?，將土壤與肥料充分混勻，每盆裝風干土15 kg，然后灌以足夠水分使土壤沉實。每盆移栽生長一致的健康無病煙苗1株。待移栽煙株生長到小團棵時，將各處

理對應的甲霜靈或乙酸鎘溶解于1000 mL蒸餾水中，一次性均勻澆入各盆中，對照只澆等量蒸餾水。試驗期間，每間隔3～5 d稱重補水，使土壤含水量大致保持在60 %田間持水量水平。

1.3 ?樣品檢測與分析

1.3.1 ?煙草植物學性狀及各部位生物量的測定

在煙株生育期內進行2次植物學性狀測量和8次取樣分析，即在污染脅迫后第28天（旺長期）和第84天（平頂期）進行株高、莖圍、有效葉數(shù)、葉長和葉寬等植物學性狀測量，并在脅迫后第1、3 、7、14、28、56、84及112天進行破壞性取樣，每個處理分別取代表性煙株3株，分根、莖、葉部位進行殺青烘干并測量其生物量。

1.3.2 ?葉綠素含量測定 ?在每個處理每次取樣時選取上部第4片功能葉，采用王學奎等[23]的方法測定。

1.3.3 ?煙草光合作用測定 ?在脅迫后的第14、28、56、84和112 d（對應煙草團棵期、旺長期、現(xiàn)蕾期、平頂期和成熟期），分別在9：00—11：00用LI-6400便攜式光合儀（LI-COR， Gene Company Limited）在25 ℃、1200 mol/（m2·s）紅藍光源、開放環(huán)境下測定各處理中部葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等參數(shù)。

1.4 ?數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件對煙草各生長發(fā)育指標進行方差分析（ANOVA）和多重比較（Duncan法），采用Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，并采用Origin 9.0軟件作圖。

2 ?結 ?果

2.1 ?甲霜靈與鎘復合污染對煙草植物學性狀的影響

從煙草旺長期（表1）和平頂期（表2）的植物學性狀可以看出，在旺長期，T1處理的株高、莖圍、最大葉長均為最大值，其中T1的株高顯著高于其他3個處理，相比CK、T3和T2處理分別增加了7.63%、13.55%和15.26%，各處理的莖圍無顯著差異。T3處理的株高、有效葉數(shù)和最大葉寬等指標最小，且顯著低于CK及T1處理。在平頂期，除T2和T3處理的株高及中部葉長顯著低于CK和T1處理外，其余指標在4個處理間無顯著差異，而且T3處理的株高、莖圍及中部葉長寬等指標在所有處理中均為最低?？梢姡姿`污染對煙草前期生長具有一定促進作用，主要表現(xiàn)在株高方面，后期促進作用減弱。鎘單一污染及與甲霜靈的復合污染在生育期內均抑制煙株生長，且兩者復合污染表現(xiàn)為一定協(xié)同作用。

2.2 ?甲霜靈與鎘復合污染對煙草生物量的影響

甲霜靈與鎘復合污染下煙草不同部位的生物量如圖1所示，隨著煙草的發(fā)育進程，各處理煙草的根、莖、葉生物量均明顯增加，在污染脅迫后的

第3天，莖和葉的生物量開始出現(xiàn)差異，T2與T3處理的生物量均低于CK;在第14天，T1處理的莖、葉及總生物量均為最高，且顯著高于CK和T3處理（p<0.05）;在第56天，T3處理根、莖、葉的生物量最低且顯著低于T1及CK處理（p<0.05）;

在第84及112天，各處理根的生物量表現(xiàn)為：CK>T1>T2>T3，且T1、T2和T3處理的根生物量均顯著低于CK（p<0.05），特別在第112天時，T3處理的根生物量與CK相比減少了31.57%，莖和葉生物量則無顯著差異。因此，甲霜靈污染能一定程度促進莖和葉的發(fā)育而抑制根的生長，而鎘單一污染及復合污染則對煙草根、莖、葉各部位的生長產生抑制作用，且復合污染的抑制作用更強。

2.3 ?甲霜靈與鎘復合污染對煙葉光合色素的影響

甲霜靈與鎘復合污染對煙葉光合色素含量（總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素）的影響如圖2所示，各處理煙草的葉綠素（總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b）和類胡蘿卜素含量變化趨勢一致，均隨煙草生育進程呈先增加后下降的趨勢，在污染脅迫的第7天，各處理的煙葉葉綠素及類胡蘿卜素含量出現(xiàn)差異，其中T3及T2處理的含量相對最低且顯著低于CK（p<0.05）;在脅迫的第28天及56天（旺長期及現(xiàn)蕾期），CK、T1及T2處理的葉綠素和類胡蘿卜素含量繼續(xù)增加并在第56天

達到最大值，且CK處理的光合色素含量顯著高于其他處理（p<0.05），而T3處理的光合色素含量最低。在脅迫第84天及112天（平頂期及成熟期），T3處理的葉綠素及類胡蘿卜素含量開始高于T2處理，而T2處理的光合色素含量最低且與CK及T1差異顯著（p<0.05）。這表明，甲霜靈與鎘單一及復合污染均對煙葉中葉綠素和類胡蘿卜素等光合色素含量有不同程度抑制作用，且甲霜靈與鎘復合污染在旺長及現(xiàn)蕾期表現(xiàn)為協(xié)同作用，在平頂期及成熟期則表現(xiàn)為拮抗作用。

2.4 ?甲霜靈與鎘復合污染對煙草光合作用的影響

甲霜靈單一及復合污染對煙草光合作用的影響如圖3所示，不同處理煙草的光合參數(shù)隨生育期而變化，凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均隨煙草生育期呈先增加后降低的變化趨勢，均在旺長期最高，成熟期最低。胞間CO2濃度的變化趨勢則與此不同，在團棵期最高，現(xiàn)蕾期最低。甲霜靈與鎘單一及復合污染對煙草光合參數(shù)的影響方面，除胞間CO2濃度外，其余指標均表現(xiàn)不同程度的抑制作用，而且各處理凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率大小順序表現(xiàn)為：CK>T1>T2>T3，其中T3和T2處理的凈光合速率和氣孔導度指標在各生育期均顯著低于CK（p<0.05）。在旺長期，各處理的凈光合速率和氣孔導度均達到最大值。在現(xiàn)蕾期，除T3處理的蒸騰速率達到最大值且高于T1和T2處理外，其余處理的光合參數(shù)均較旺長期下降。而胞間CO2濃度指標在各生育期中，整體以T2處理相對較高而T3處理稍低，但各處理間差異不大?？梢?，甲霜靈與鎘單一及復合添加均對煙草光合作用產生一定抑制作用，且發(fā)育前期的抑制作用較強后期減弱。等濃度鎘的抑制作用強于甲霜靈，且兩者復合污染對煙草光合作用的抑制表現(xiàn)為協(xié)同作用。

3 ?討 ?論

甲霜靈與鎘單一及復合污染對煙草植物學性狀及各部位的生物量具有重要影響，甲霜靈單一污染可抑制煙草根系發(fā)育而促進地上部莖和葉的生長。煙草根系對于外源污染物較為敏感，甲霜靈灌根后可對根系環(huán)境及根系生長產生一定毒害作用。但也有研究表明吡蟲啉對番茄生物量及主根長等指標有促進作用[26]，這可能與不同污染物的性質有關。同時甲霜靈對煙草生長發(fā)育的影響隨各器官及生育期的變化而不同，甲霜靈添加到土壤中后會不斷被吸附和降解，其毒性效應及其對煙株的影響會隨之發(fā)生變化。在鎘對煙草的影響方面，有研究顯示低濃度鎘處理促進翠碧1號和云煙87的生長，高濃度鎘處理則抑制其生長[27]，同時低濃度鎘也能促進野燕麥幼苗生長和生物量的積累[28]。但不同濃度鎘脅迫對煙草生長發(fā)育的影響閾值及其作用機理，還需要進一步系統(tǒng)研究。

光合色素作為光合作用的主要參與者，對植物營養(yǎng)物質積累和生長發(fā)育具有重要意義。本研究中甲霜靈與鎘單一及復合污染均對煙草光合色素產生抑制作用，這與許多研究結果相類似，如馮緒猛等[3]發(fā)現(xiàn)井岡霉素及三唑磷農藥會不同程度地降低葉綠素含量，譚偉等[4]發(fā)現(xiàn)乙草胺對葡萄葉綠素熒光特性產生抑制作用。慈敦偉等[29]也發(fā)現(xiàn)重金屬鎘會抑制小麥幼苗葉綠素的形成，降低其含量。一方面，污染脅迫會通過破壞參與合成葉綠素的酸酯而導致葉綠素含量降低[30]。另一方面，污染脅迫會通過減小葉片的氣孔開度，抑制參與光合作用的關鍵酶活性[31]，從而抑制葉綠素的形成。同時單一及復合污染也對煙草光合作用產生重要影響，且等濃度鎘的抑制作用高于甲霜靈，這可能是由于鎘較強的穩(wěn)定性和生物毒性所導致的。鎘脅迫不僅能通過破壞光合器官或者抑制暗反應的酶活性來降低光合作用，而且能造成植物體內活性氧積累損傷細胞膜結構，造成代謝紊亂，從而抑制光合作用[33]。

在復合污染條件下，污染物的聯(lián)合毒性效應有3種形式：拮抗作用、協(xié)同作用和加和作用，復合污染中污染物的性質及濃度不同，其表現(xiàn)形式也有所不同[34-35]。本研究中甲霜靈與鎘復合污染對煙草植物學性狀、生物量及光合作用均產生協(xié)同作用，

而對葉綠素含量在煙草生育前期產生協(xié)同作用，后期則產生拮抗作用，這與銅和乙草胺復合污染對浮萍的聯(lián)合毒性效應隨時間變化，由拮抗作用轉變?yōu)橄嗉幼饔迷俎D變?yōu)閰f(xié)同效應的結果類似[36]。復合污染聯(lián)合毒性效應方式的改變，可能與甲霜靈的降解及鎘的鈍化使煙株中污染物濃度和有效性降低，同時煙葉對甲霜靈及鎘污染脅迫的適應性增強有關。由于本研究中僅討論了固定濃度下的復合污染，關于不同濃度梯度及污染物組合對煙草的生態(tài)毒理及作用機制方面，還需要后續(xù)做進一步的深入研究。

4 ?結 ?論

（1）盆栽模擬試驗結果表明，甲霜靈單一污染在一定程度上可促進煙株地上部的發(fā)育而抑制根系生長，其對根冠比的影響在生育后期逐漸減弱。

（2）鎘單一及與甲霜靈復合污染在生育期內均能抑制煙株生物量積累、光合色素形成及光合作用強度，且等濃度鎘污染的抑制作用強于甲霜靈。

（3）甲霜靈與鎘復合污染對煙草的生長發(fā)育

及光合性能具有聯(lián)合毒性效應，在對煙草生物量及光合作用抑制方面表現(xiàn)為協(xié)同作用，在對煙草光合色素影響方面，生育前期是協(xié)同作用后期則為拮抗作用。

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