Environmental Science & Technology：刘国彬团队在微塑料影响土壤溶解性有机质研究方面取得新进展

刘国彬团队农业环境科学

近日，西北农林科技大学水土保持科学与工程学院(水土保持研究所)刘国彬研究员黄土高原生态修复科研创新团队在Environmental Science & Technology发表题为“Effects of Microplastics on the Transport of Soil Dissolved Organic Matter in the Loess Plateau of China”的研究论文。林学院博士生郭子琪为论文第一作者，水土保持科学与工程学院薛萐研究员为通讯作者。

微塑料（MPs）污染和溶解有机质（DOM）影响土壤质量和功能。然而，MPs对DOM的影响及其潜在机制尚未阐明，这对保持土壤健康提出了挑战。为了更好地理解MPs生态效应，需根据其与DOM的相互作用来考虑MPs作用及其相对贡献。据此，研究通过土壤柱试验和吸附试验评估了环境相关条件下，聚丙烯颗粒在调节土壤DOM含量变化中的主要作用，还进一步分析了调节离子（Ca²⁺）强度变化在MPs-DOM系统中的动态竞争过程（图1）。

图1 概念图显示土壤环境中影响MPs与PO₄^3-和NH₄⁺相互作用的主要因素。MPs由白色不规则球体表示，PO₄^3-和NH₄⁺分别由橙色和蓝色球体表示。(A)概述MPs直接影响因素（如MPs粒径敏感性和调节离子的竞争）。(B)重点关注MPs相关土壤环境因素的间接影响，包括土壤性质（如土壤结构和含水量）和土壤养分（如硝化和反硝化过程）。

研究表明，粒径和浓度是影响MPs环境行为的重要因素。MPs通过吸附作用降低土壤柱滤液中PO₄^3-（13.30%~34.46%）和NH₄⁺（9.03%~19.65%）淋溶，而MPs相关DOC则增加渗滤液中表观DOC含量（＞100%）。其中，PO₄^3-变化很大程度上取决于MPs的直接吸附，且与较大尺寸（500 μm）密切相关（图2）。进一步观察显示，Ca²⁺的存在阻碍了MPs对PO₄^3-的吸附，这一方面可能与碱性环境中Ca²⁺和PO₄^3-形成络合物有关，另一方面也可能与Ca²⁺以竞争方式占据吸附位点有关。此外，研究还发现除吸附作用以外，MPs相关土壤性质解释了NH₄⁺的大部分变化。对于评估的每个土壤性质参数，土壤含水量（SWC）及其相关影响因素在一定程度上解释了土壤NH₄⁺的积极变化。当进一步考虑MPs浓度变化，NH₄⁺渗滤液浓度随MPs强度增加（> 0.5%）而降低（图2）。MPs通过增加以NH₄⁺为底物的硝化速率而减少NH₄⁺淋溶，虽然较高的有机物含量和氧浓度也可能增强矿化作用，但硝化速率似乎足以去除过量的NH₄⁺。进一步观察，研究发现与500 μm MPs和PO₄^3-间的强相互作用不同，DOC对小尺寸MPs（20 μm）似乎更敏感（图2）。土壤DOC含量的变化通常取决于积累和消耗之间的不平衡。MPs相关DOC具有较高的生物利用度，拥有较大比表面积的小尺寸MPs可能会通过增加相关 DOC含量，为微生物提供更多的活底物而增强微生物活性。然而，这一消耗率可能远低于MPs相关DOC含量的增加。

图2 MPs影响土柱渗滤液含量的驱动因素。(A) 方差分配分析确定MPs粒径和浓度与土壤环境因子（土壤养分和土壤性质）的相对贡献。(B) 基于相关和最优多元回归模型，确定MPs粒径、浓度、土壤养分和土壤性质的贡献。(C) 主成分分析显示土柱渗滤液含量变化的影响因素。(D)随机森林模型用于估计各环境变量相对贡献。