不同土地利用類型土壤中聚乙烯和生物可降解微塑料老化對有機碳組分的影響機理
微塑料（MPs）廣泛存在于陸地生態系統中，但關于不同土地利用類型土壤中MPs的老化特性及其對有機碳組分的影響尚不清楚。青藏高原被譽為“世界屋脊”，對全球氣候變化高度敏感，具有重要的生態功能，進入陸地生態系統的MPs代表一種碳源，將影響土壤碳庫。本研究將聚乙烯（PE）和生物可降解（Bio）的MPs分別以0%、0.03%和0.3%（w/w）的劑量添加到青海省草地、農田和設施大棚土壤中，進行為期八周的室內培養。通過量化羰基指數（CI）來探究MPs的老化程度；同時分析土壤有機碳（SOC）及其組分顆粒態有機碳（POC）、礦物結合態有機碳（MAOC）和微生物殘體碳的變化。旨在為控制MPs污染和明確MPs對陸地碳庫的影響提供數據支撐，同時為調節高寒生態系統碳平衡的重要碳庫——青藏高原的生態保護提供理論依據。
結果表明：與原始MPs相比，所有經過處理的PE-MPs的傅立葉變換紅外光譜在2920、2850、1460和720 cm-1處顯示出的四個特征吸收峰（對應于-CH2-振動）明顯變弱（圖 1a）。培養八周后，在不同的土地利用類型土壤中，Bio-MPs在2950 cm-1處的峰值（-CH2-振動）變弱（圖 1b）。在草地和設施大棚土壤中，Bio-MPs在1715、1453和727 cm-1處出現了微弱的吸收峰，分別為C=O和C=C的振動，以及苯環C-H鍵的平面外變形。
培養后的MPs發生老化，0.03% PE-MPs的CI值從0.05升至0.27（農田）和0.26（設施大棚）（圖1c, p < 0.05）。農田和設施土壤中PE-MPs的CI值明顯高于草地（p < 0.05）。0.03%和0.3% Bio-MPs的老化程度在草地土壤中最為顯著，CI分別下降了46.6%和69.0%（圖1d, p < 0.05）。MPs的CI值與其添加量呈負相關。農田土壤中Bio-MPs的CI比值明顯高于設施大棚和草地（p < 0.05）。
圖1 原始MPs和不同土地利用類型土壤中處理八周的PE和Bio-MPs的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜和羰基指數（Carbonyl index, CI）
與對照（CK）處理相比，0.3%的PE-MPs使草地和設施大棚土壤中的SOC含量分別減少了8.2%和6.0%（圖2，p < 0.05）。在草地和設施大棚土壤中，MPs處理增加了MAOC含量，降低了POC含量（p < 0.05），在農田土壤中也有同樣的趨勢，但不顯著。0.03% Bio-MPs處理后，草地和農田土壤中的溶解性有機碳（DOC）含量分別增加33.1%和38.3%，而所有土地利用類型中的土壤微生物生物量碳（MBC）含量都顯著下降。0.3%PE和 Bio-MPs處理使設施大棚土壤中的MBC（41.2%和37.5%）含量明顯下降。
在含有0.3% PE-MPs的草地和農田土壤中，細菌殘體C含量下降，約為對照處理的一半；但在設施大棚中，細菌殘體C含量提高了51.2%（p < 0.05）。與CK相比，0.03% PE-MPs處理的草地和農田土壤中，真菌殘體C分別降低了0.40 g kg-1和 0.48 g kg-1（p < 0.05）。在Bio-MPs處理的草地土壤中，微生物殘體C對SOC的貢獻率比CK處理提高了30.5%（p < 0.05）。
圖2 不同添加量PE-MPs和Bio-MPs處理的草地、農田和設施大棚土壤中有機碳組分的變化
PE-MPs和Bio-MPs 的CI值與其添加量呈負相關（圖3a、b，p < 0.05）。農田和設施大棚土壤中的POC含量隨著PE-MPs CI值的增加而減少。隨著Bio-MPs CI值的增加，真菌殘體C含量降低（圖1d、2g、3b，p < 0.05）。MP類型、用量及其交互作用對農田土壤中真菌殘體C有顯著影響。此外，MP類型對草地土壤中細菌殘體C的影響最大，占34.5%（p < 0.01）。
PE-MPs添加量直接影響土壤養分（DOC和TN）（r? = -0.39，p < 0.05）和pH值（r? = -0.53，p < 0.01）（圖3c）。酶活性（BG、NAG和AP）受pH值和養分的影響，而pH值和養分直接影響MBC（p < 0.01）。此外，Bio-MPs的添加量影響pH值和土壤養分（r? = -0.40，p < 0.05）（圖3d）。土壤養分（DOC、DON和TN）和 pH 值對酶活性有很強的正向影響（p < 0.001）。pH值（r? = -0.58，p < 0.01）和酶活性（r? = 0.89，p < 0.001）與真菌殘體C直接相關，最終影響SOC。
圖3 整個培養期間土壤有機碳組分、酶活性、養分、MPs老化指數（羰基指數）和MPs劑量之間的相互作用（a和 b），每對指標（節點）之間的直線代表強正（紅色）或負（綠色）相互作用（p < 0.05）。偏最小二乘路徑分析結果（PLS-PM）（c和d）表明了MPs與土壤酶活性、養分、微生物生物量、微生物殘體碳和土壤有機碳之間的關系。r?表示路徑系數，*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001。
綜上，經過八周的培養，所有土地利用類型土壤中的MPs 都經歷了老化。農田土壤（CI: 0.15-0.27）和設施大棚土壤（CI: 0.15-0.26）中PE-MPs的老化程度高于草地土壤（CI: 0.06-0.07），而且隨著添加量從0.03%增加到0.3%，老化程度顯著降低。草地土壤中Bio-MPs的老化程度最高，其次是設施大棚和農田土壤，并受到土壤胞外酶活性的顯著影響。草地和設施大棚土壤受MPs（尤其是PE）污染會導致C損失，不利于碳封存。與CK相比，0.03%和0.3%的PE-MPs處理使農田土壤中的真菌殘體C分別減少20.7%和14.0%（p < 0.05）。此外，MPs的添加量通過土壤pH值、養分和胞外酶活性直接或間接調節真菌殘體C含量，最終影響土壤C庫。因此，本研究表明MPs通過影響土壤微生物酶活性和真菌殘體而對SOC動態產生強烈影響（圖4）。
圖4 PE和Bio-MPs對青海省草地、農田和設施大棚土壤有機碳的影響過程
本研究以“Mechanism of polyethylene and biodegradable microplastic aging effects on soil organic carbon fractions in different land-use types”為題發表于國際知名期刊《Science of the Total Environment》。西北農林科技大學資源環境學院張海鑫博士研究生為論文第一作者，黃懿梅教授為通訊作者。該研究工作得到了第二次青藏高原綜合科學考察研究-專題“土地利用變化及其環境效應”（2019QZKK0603）項目的資助。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723075903?dgcid=author