环境降解地膜降解产物对作物生长代谢及土壤关键酶活性的影响

【摘要】：农田白色污染越来越严重，北方有些地区甚至严重影响作物生长造成作物减产。治理白色污染成为世界性攻关课题，其中环境降解地膜的研制和推广是从源头解决白色污染的高效、实用途径。环境降解地膜能够在较短的时间内碎片化，并能进一步由残碎片降解为分子量更低的粉末状或颗粒状残留物，经一段时间与泥土混合后难以辨认。因此，环境降解地膜的研制和推广使用被认为提供了一条彻底地解决白色污染的有效途径。但这类低分子量物质仍然具有极强的疏水性，在环境中短时间很难被降解完全，残留于土壤对农作物生长或土壤微环境是否造成危害，存在较大的争议，研究也甚少，是急需解决的问题。此外，以聚乙烯醇等为主要原料，以DBP为主要增塑剂生产的完全降解薄膜的问世，也带来了新的疑惑，相对于聚乙烯（PE）来说这些有机物具有可溶性，易被植物根系吸收，对植物生长生理是否有危害，对其细胞毒理作用如何也急需探究。解决好以上两个问题为环境降解地膜的推广使用具有重要的参考价值。 本研究采用盆栽小麦的方式，利用低分子量聚乙烯（LMWPE）为外源处理因素，模拟农田生态系统中可降解地膜降解后的低分子量残留物滞留于土壤中的环境，分别在三种质地的土壤（壤土、沙土、粘土）中添加不同分子量（M1=2000，M2=5000，M3=100000以上）和不同累积量[0.04241g·kg-1(A)、0.21205g·kg-1（B）、0.4241g·kg-1（C）、2.1205g·kg-1（D）和4.2410g·kg-1（E）]的LMWPE于盆栽土壤中，种植小麦。在小麦分蘖期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期和成熟期等测定其主要农艺性状和产量构成要素，在拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期等测定其光合参数和荧光动力学参数、叶绿体色素含量、叶片硝酸还原酶活性、可溶性蛋白质、可溶性磷含量等，探讨可降解地膜降解产物积累于土壤中对小麦生长发育和代谢的影响。在小麦各生育期采集土壤样本，测定与土壤C、N、P、S元素代谢及氧化还原性相关的7种关键酶活性，研究LMWPE对土壤微环境的影响。采用室内溶液培养法，用不同浓度的DBP和PVA溶液处理蚕豆，测定胚根生长和抗氧化酶系统活性，观察根尖细胞微核率和染色体畸变、分析胚根细胞总DNA片段化，研究DBP和PVA抗氧化酶活性变化及细胞遗传毒理。 本文将分三章分别阐述LMWPE对小麦生长发育和代谢的影响、对土壤关键酶活性的影响及DBP和PVA对蚕豆胚根生长、抗氧化酶系统的影响及细胞遗传毒理效应的研究结果： (1) LMWPE对小麦生长发育和代谢的影响 壤土中LMWPE分子量因素对小麦分蘖期至拔节期主要农艺性状影响不显著，孕穗期至成熟期对小麦株高、分蘖数、穗数、穗粒数等影响显著。LMWPE分子量100000以上（M3）处理下小麦分蘖数、单株穗数、千粒重等显著降低，对小麦生长及产量造成不利影响。LMWPE总体上不会对小麦的农艺性状和产量构成要素产生严重危害。 从小麦单叶光合功能上来看，LMWPE分子量＜5000处理表现出叶绿素合成、叶绿体PSⅡ量子效率增强，气孔导度、净光合速率升高，在一定程度上有利于促进小麦光合作用；LMWPE＞5000的处理及高累积量（2.1205g·kg-1以上）则表现对小麦光合作用的抑制。 在小麦氮代谢方面，不同分子量LMWPE对壤土中小麦分蘖期至开花期叶片NR活性无显著性影响， LMWPE累积量达4.2410g·kg-1时分蘖期和孕穗期叶片NR活性在一定程度上受到抑制；不同分子量LMWPE处理拔节期叶片可溶性蛋白质含量增加，不同累积量LMWPE处理对各生育期叶片可溶性蛋白含量的影响不显著。 LMWPE对小麦磷代谢的影响与氮代谢相似，LMWPE分子量2000的处理下叶片磷含量在一定程度上增加，而分子量达100000以上时叶片磷含量降低；LMWPE累积量＜0.4241g·kg-1时磷含量有所增加，累积量高达4.2410g·kg-1时叶片磷含量才显著降低。 （2）LMWPE对土壤关键酶活性的影响 多元方差分析表明，LMWPE分子量因素和累积量因素对小麦各生育期不同质地土壤中关键酶活性影响均较大。生育期相同时LMWPE分子量因素对土壤酶活性的影响强于LMWPE累积量因素。LMWPE分子量因素对小麦各生育期不同土壤中的酶活性均存在不同程度的影响。壤土中蔗糖酶主要表现为活性升高，脲酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶、过氧化物酶主要表现为活性降低；沙土中蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、过氧化物酶和过氧化氢酶均主要表现为活性降低；粘土中蛋白酶、芳基硫酸酯酶、过氧化物酶和脱氢酶主要表现为活性升高，蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性降低。 （3）DBP和PVA对蚕豆胚根生长、抗氧化酶系统及细胞遗传毒理效应 DBP和PVA对蚕豆根尖的生长、抗氧化酶系统活性影响和对根尖细胞微核效应具有相似的作用。暴露于DBP和PVA的蚕豆胚根生长减缓，出现褐变、黑斑等症状，生长受到明显抑制；胚根脯氨酸含量显著高于对照，可溶性蛋白质含量则有所降低，表明DBP、PVA的胁迫效应明显；SOD活性上升，POD、CAT活性则受到不同程度的抑制，活性氧代谢失衡，这种氧化损伤是胚根生长被显著抑制的原因之一；DBP、PVA暴露的根尖细胞微核率均显著升高，染色体结构发生畸变类型多样，有丝分裂指数（MI）减少，细胞分裂活动受到抑制，是胚根生长被显著抑制的另一个重要原因。