低密度聚乙烯微塑料和镉对黄土理化性质与玉米生长的影响及其机制

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目前,土壤环境中微塑料(MPs)和重金属污染已成为国内外学者关注的主要环境污染问题之一。已有大量研究表明,进入土壤环境中的MPs会对土壤结构和理化性质,植物生长等产生影响;重金属Cd是我国农田土壤中最常见的污染物。土壤中的MPs可通过影响土壤理化性质和植物生长,进而影响土壤中重金属的形态构成以及重金属的植物有效性。然而,目前MPs和Cd复合污染对土壤-植物系统的影响尚不清楚。由于农用地膜的大量使用,导致地膜中最常用的低密度聚乙烯(LDPE)微塑料在土壤环境中的大量积累,土壤中LDPE与Cd复合污染对土壤-植物系统的影响研究尚属空白。本研究设置了盆栽实验,探究了不同粒径和投加量的LDPE微塑料和Cd复合污染对土壤性质、玉米生长及玉米吸收累积Cd的影响,试图揭示MPs和Cd复合污染对Cd植物有效性影响的规律和机制,以期为探究土壤中MPs和Cd复合污染对土壤-植物系统的生态风险及其作用机制提供有价值的参考。研究所得的主要结果如下:(1)BET表征结果表明,盆栽实验后提取出的LDPE组,以及LDPE和Cd复合污染组LDPE的比表面积没有显著变化;与LDPE组相比,LDPE与Cd复合污染时,100μm LDPE的总孔体积和平均孔径无明显变化,1 mm LDPE的总孔体积和平均孔径减小。从SEM表征结果可以看出,LDPE与Cd复合污染时LDPE的表面形貌无明显差异。FTIR表征结果表明,盆栽实验后提取出来的LDPE的FTIR光谱中没有出现新的吸收峰,官能团强度有所不同。从XPS表征结果得出,LDPE主要由碳元素组成,盆栽实验后提取出来的LDPE表面氧元素峰强增强,碳元素峰强减弱;LDPE与Cd复合污染时LDPE的表面化学特性无明显差异。(2)与CK组相比,单独添加LDPE时,投加量为1%粒径为100μm LDPE使得土壤EC降低了47.1%;与LDPE组对比,LDPE与Cd复合污染时,MP-L0.1%+Cd、MP-L1%+Cd和MP-S1%+Cd组的EC均增大,MP-S0.1%+Cd组的EC减小了44.5%。与CK组对比,单独添加LDPE降低了土壤CEC;与LDPE组对比,LDPE与Cd复合污染时均增大了CEC但差异性不显著。与LDPE组对比,LDPE与Cd复合污染时土壤SOC没有发生显著变化。LDPE粒径和投加量单一因素及二者交互作用显著影响土壤SOC。与CK组对比,MP-L0.1%、MP-S0.1%、MP-L1%和MP-S1%组分别使得过氧化氢酶活性降低了28.1%、12.2%、55.9%和32.1%;与LDPE组相比,LDPE与Cd复合污染时对过氧化氢酶活性影响不显著,LDPE粒径显著影响土壤过氧化氢酶活性。与LDPE组对比,LDPE与Cd复合污染时降低了土壤蔗糖酶活性但差异性不显著。LDPE与Cd复合污染时,与Cd组对比,MP-L0.1%+Cd处理组使得土壤有效态Cd含量增加了16.4%,与LDPE组相比,LDPE与Cd复合污染时土壤有效态Cd含量均显著增加。(3)与LDPE组对比,LDPE与Cd复合污染时使得玉米株高显著降低,玉米株高与LDPE投加量显著相关,LDPE投加量和Cd双因素交互作用显著影响株高。与LDPE组相比,LDPE与Cd复合污染对玉米茎粗无显著影响,Cd的添加显著抑制玉米茎粗的生长。与CK组对比,LDPE组显著降低了根长;与LDPE组相比,LDPE与Cd复合污染时增加了根长。与CK组相比,单独添加LDPE时,MP-S0.1%、MP-L1%和MP-S1%组分别使得MDA含量增加了27.6%、29.9%和20.1%;与LDPE组对比,MP-L0.1%+Cd、MP-S0.1%+Cd和MP-L1%+Cd组均使得MDA含量增加。与CK组相比,单独添加LDPE时,降低了POD活性;与LDPE组对比,LDPE和Cd复合污染时均增加了POD活性。与CK组对比,单独添加LDPE增加了SOD活性;与LDPE组相比,LDPE和Cd复合污染时都使得SOD活性增加。与CK组对比,单独添加LDPE降低了CAT活性;与LDPE组对比,LDPE和Cd复合污染时均使得CAT活性降低,LDPE粒径和投加量单一因素与玉米茎叶中CAT活性显著相关。与CK组相比,单独添加LDPE时,MP-L0.1%组显著降低了叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量;与LDPE组对比,LDPE与Cd复合污染时,MP-L0.1%+Cd、MP-S0.1%+Cd、MP-L1%+Cd和MP-S1%+Cd组均使得叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量增加。与Cd组对比,LDPE与Cd复合污染增加了茎叶和根中的Cd含量但影响不显著。Cd添加显著影响玉米茎叶和根中Cd含量,LDPE粒径单一因素,Cd和粒径双因素交互作用显著影响茎叶中的Cd含量,LDPE粒径和投加量单一因素对根中Cd含量影响较为显著。
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