三峡水库消落带土壤中微塑料对 CO2排放的影响：解锁碳循环新密码

本文聚焦三峡水库消落带（WFB）土壤，研究微塑料（MPs）对土壤 CO2排放的影响。发现不同类型 MPs（如 PLA、PE、PET）及老化程度对其影响各异，通过改变土壤理化性质和微生物组成，作用于碳循环。研究为评估水库碳预算提供依据，意义重大。

　　

一、引言

水电常被视为清洁可再生能源，水电项目在发电、防洪、航运和水资源利用等方面作用关键。水库消落带是大型水库典型的生态脆弱区，也是元素生物地球化学循环的热点区域，特别是碳（C）循环。过往研究表明，消落带是水库温室气体（GHGs）的重要来源，这对水电 “清洁能源” 的定位提出质疑，而且消落带因人类活动面临严重外源污染。目前，CO₂排放如何响应外源污染物尚不清楚，这可能影响水电生产的碳足迹以及水库碳预算的评估。

微塑料（MPs，粒径 < 5mm）在陆地和水生生态系统中广泛存在，主要源于塑料垃圾的不当处理和风化。此前研究发现，水库是微塑料的聚集热点，消落带土壤是水库中微塑料的重要汇。微塑料的积累会改变土壤理化性质，如容重、持水能力、团聚体稳定性、pH 值、溶解性有机碳（DOC）等，进而影响微生物性质，如酶活性、微生物群落结构等，最终影响土壤碳循环过程和土壤 CO₂排放。已有研究显示，微塑料对土壤 CO₂排放有促进或抑制作用，这主要取决于聚合物类型和土壤类型。然而，现有研究存在两大不足：一是大多以原始微塑料为实验材料，忽视了老化对微塑料环境效应的影响；二是对微塑料对土壤 DOC 组成和化学多样性的影响了解不足。本研究通过培养实验，探究不同类型微塑料（包括一种可生物降解的聚乳酸 [PLA] 和两种不可生物降解的聚乙烯 [PE]、聚对苯二甲酸乙二酯 [PET]）及其老化程度对土壤 CO₂排放的影响，并分析其对土壤理化和微生物性质的作用机制。

二、结果与讨论

（一）微塑料对消落带土壤 CO₂排放的影响

微塑料的存在会影响土壤 CO₂排放，其影响程度取决于微塑料的聚合物类型（传统微塑料和可生物降解微塑料）和老化程度 。对于原始微塑料，两种传统微塑料（PE 和 PET）均抑制土壤 CO₂排放。在 80 天的培养期后，添加 PE 和 PET 微塑料的土壤中 CO₂累积排放量分别仅为 12.06mg CO₂-C/kg 土壤和 12.19mg CO₂-C/kg 土壤，而未添加微塑料的土壤中 CO₂累积排放量达到 13.99mg CO₂-C/kg 土壤。然而，原始可生物降解微塑料（PLA）的存在显著增加了土壤 CO₂排放量。例如，添加 PLA 微塑料的土壤在 80 天培养期后的 CO₂累积排放量达到 62.08mg CO₂-C/kg 土壤，约为未添加微塑料土壤（对照土壤，CK 组）的 4 倍。

有趣的是，老化改变了微塑料对土壤 CO₂排放的聚合物类型依赖性影响。老化的 PET（APET）微塑料相比未添加微塑料的土壤，增强了土壤 CO₂排放，累积 CO₂排放曲线上升，与原始 PET 微塑料的作用完全相反。对于 PLA 微塑料，虽然原始 PLA 微塑料对土壤 CO₂排放有增强作用，但老化的 PLA（APLA）微塑料进一步加剧了这种作用，累积 CO₂排放量更高，达到 94.13mg CO₂-C/kg 土壤 。相比之下，老化的 PE（APE）微塑料对 CO₂排放基本没有影响，累积 CO₂排放曲线几乎重叠。

CO₂排放是土壤环境中重要的生物地球化学过程，主要由土壤微生物对土壤有机碳的矿化作用调节。微塑料的存在可以改变土壤结构、土壤 DOC 的含量和化学组成、酶活性以及微生物群落，这些影响因微塑料的聚合物类型而异，最终影响土壤碳循环 。一般来说，可生物降解微塑料（如 PLA 微塑料）更容易降解，会向土壤环境中释放大量 DOC，从而影响土壤酶活性并改变微生物组成。相反，传统微塑料（如 PE 和 PET 微塑料）化学稳定性高，在土壤环境中难以降解，对土壤 DOC 含量和微生物群落结构的影响较小。因此，PLA 微塑料可能比 PE 和 PET 微塑料对土壤 DOC 含量和微生物群落结构产生更强的改变，这可能是可生物降解微塑料（PLA 微塑料）和传统微塑料（PE 和 PET 微塑料）对土壤 CO₂排放产生不同影响的主要原因。此外，老化可以改变微塑料的理化性质，如表面粗糙度、官能团和疏水性，这可能导致与原始微塑料相比，对土壤理化和微生物性质产生不同的影响。与 PLA 和 PET 微塑料相比，PE 微塑料是不含杂原子（如氧）的 C-C 主链聚合物，使其更稳定，更能抵抗环境压力（如紫外线辐射和微生物活动）引起的老化。因此，与 APE 相比，APLA 和 APET 对土壤理化性质和微生物组成变化的影响可能更明显，因为它们更容易老化。为了理解不同聚合物类型和老化程度的微塑料对土壤 CO₂排放的差异影响，对添加和未添加微塑料的土壤进行了理化和微生物性质分析。

（二）微塑料对土壤理化性质的影响

1. 土壤团聚体：土壤团聚体是土壤结构的基本组成部分，在调节养分有效性、塑造土壤微生物栖息地以及土壤有机碳的固存和转化方面起着至关重要的作用。添加微塑料可以改变土壤团聚体的分布，这种影响主要取决于微塑料的类型。在未添加微塑料的情况下，微团聚体（<0.25mm）、小团聚体（0.25 - 2mm）和大团聚体（>2mm）的比例分别为 3.9%、44.1% 和 52.0%。然而，原始 PE 和原始 PET 微塑料的存在导致小团聚体比例分别增加到 53.0% 和 48.9%，大团聚体比例分别下降到 42.8% 和 46.6% 。值得注意的是，原始 PLA 微塑料的添加对土壤团聚体组成的影响最小，CK 组和 PLA 组不同大小团聚体的比例相似。此外，无论微塑料的类型如何，用原始微塑料处理的土壤和用老化微塑料处理的土壤之间的团聚体组成没有差异。这种聚合物依赖性效应的一个合理解释是，可生物降解微塑料比传统微塑料（PE 和 PET）具有更高的 O - 官能团表面含量，这增强了微塑料与土壤有机质之间的相互作用，如极性相互作用，最终促进了更大团聚体的形成。此外，与传统微塑料相比，可生物降解微塑料具有相对较高的表面电荷负性，有利于微生物在其表面定殖，即形成塑料球。土壤微生物可以分泌胞外聚合物（EPSs），作为粘合剂，从而促进大团聚体的形成。
2. 土壤 NO₃^?-N 和 NH₄⁺-N：微塑料对土壤 NO₃^?-N 含量的影响表现出聚合物依赖性效应。无论微塑料是原始的还是老化的，可生物降解微塑料与 CK 组相比，均显著降低了土壤 NO₃^?-N 水平。例如，在未添加微塑料的情况下，经过 80 天的培养实验，土壤 NO₃^?-N 含量保持较高水平，约为 5.91mg/kg，而在添加 PLA 微塑料的情况下，原始和老化 PLA 微塑料处理的土壤中 NO₃^?-N 含量分别仅达到 0.24mg/kg 和 0.11mg/kg。与可生物降解微塑料显著促进土壤 NO₃^?-N 消耗形成对比的是，PE 和 PET 微塑料对土壤 NO₃^?-N 储存的影响最小。此外，值得注意的是，无论微塑料的类型如何，其存在对土壤 NH₄⁺-N 含量基本没有影响。

土壤 NO₃^?-N 的动态变化在很大程度上取决于其产生过程，如矿化和硝化，以及消耗过程，如固定和反硝化。与传统微塑料相比，可生物降解塑料可以向周围环境释放更多的低分子量 DOC，导致土壤中不稳定碳显著增加，难降解碳减少，这有利于微生物介导的氮同化和固定。先前的研究还发现，可生物降解微塑料诱导的富碳环境促进了土壤微生物活动和氮周转，加剧了氮限制，即土壤 NO₃^?-N 含量显著下降。这一点得到了土壤 DOC 含量与土壤 NO₃^?-N 含量之间显著负相关的支持。此外，可生物降解微塑料的存在可以选择性地改变参与硝化作用的关键微生物类群，从而影响土壤 NO₃^?-N 含量。在本研究中，与 CK 组和用传统微塑料（PE 和 PET 微塑料）处理的土壤相比，原始和老化的 PLA 微塑料均降低了绿弯菌门（Chloroflexi）和硝化螺旋菌门（Nitrospirota）的相对丰度，它们是亚硝酸盐氧化的关键参与者，因此抑制了硝化过程。本研究中微塑料对土壤硝化作用的抑制作用与使用 PLA 微塑料的文献结果一致。因此，PLA 微塑料导致土壤 NO₃^?-N 显著下降可能归因于微生物代谢活动增强，如同化作用，增加了 NO₃^?-N 的消耗，以及抑制硝化作用，抑制了 NO₃^?-N 的形成。值得注意的是，添加 PLA 微塑料促进的微生物同化作用也可能导致土壤中 NH₄⁺-N 的消耗。然而，用 PLA 微塑料处理的土壤与 CK 组土壤的 NH₄⁺-N 含量没有显著差异。这可能是由于 PLA 微塑料抑制了硝化作用，在一定程度上补偿了 NH₄⁺-N 的消耗。与 PLA 微塑料相比，传统微塑料（PE 和 PET 微塑料）在土壤环境中稳定且不易生物降解。因此，与可生物降解微塑料相比，PE 和 PET 微塑料不能增加土壤不稳定碳含量，因此对土壤微生物组成和元素（如氮）转化的影响有限。实验验证了这一点，与 CK 组相比，PE 和 PET 微塑料对土壤 DOC 含量和细菌组成的影响最小。因此，传统微塑料（PE 和 PET 微塑料）对土壤 NH₄⁺-N 和 NO₃^?-N 含量没有显著影响是合理的。
3. 土壤 DOC 含量：添加微塑料增加了土壤 DOC 含量，其影响程度取决于微塑料的类型和老化程度。具体而言，经过 80 天的培养，PLA 微塑料的存在与 CK 组相比显著增加了 DOC 含量。例如，用原始 PLA 微塑料处理的土壤样品中 DOC 的平均浓度为 89.42mg C/kg，显著高于 CK 组的相应值 53.42mg C/kg。与可生物降解微塑料（如 PLA）相比，原始 PE 和 PET 微塑料在培养后对 DOC 含量的影响最小。这与原始 PLA 微塑料对土壤 CO₂排放的显著增强作用一致。值得注意的是，APLA 微塑料比原始 PLA 微塑料进一步增加了土壤 DOC 含量，用 APLA 微塑料处理的土壤中 DOC 含量达到 109.44mg C/kg。然而，对于传统微塑料，APE 和 APET 微塑料与它们的原始对应物相比，对土壤 DOC 含量的影响可以忽略不计。

先前的研究报道了添加可生物降解塑料会导致土壤 DOC 含量增加，PLA 微塑料和聚己二酸 / 对苯二甲酸丁二酯（PBAT）微塑料比 PE 微塑料导致土壤 DOC 增加得更多。这些结果表明，可生物降解微塑料进入环境后可能更容易受到老化过程的影响，如光降解、生物降解和水解降解，这将导致低分子量有机物（如低聚物）的更大淋溶，从而显著增加土壤 DOC。为了进一步验证可生物降解微塑料和传统微塑料之间 DOC 淋溶能力的差异，进行了微塑料的 DOC 淋溶实验。正如预期的那样，PLA 微塑料的 DOC 淋溶量显著高于 PE 和 PET 微塑料。对于原始微塑料，PLA 微塑料的 DOC 淋溶能力为 13.52mg C/g，而 PE 和 PET 溶液中的值分别仅为 1.64mg C/g 和 1.71mg C/g。有趣的是，老化可以进一步增强 PLA 塑料的 DOC 淋溶能力，而对 PE 和 PET 的影响可以忽略不计。特别是，APLA 溶液中 DOC 的浓度增加到 25.55mg C/g，大约是原始 PLA 微塑料的两倍，这支持了老化对 PLA 微塑料降解的显著影响。这与老化导致可生物降解微塑料处理的土壤中 CO₂排放增加一致。因此，可以推断 PLA 微塑料对土壤 CO₂排放的显著增强作用主要归因于其较高的 DOC 淋溶能力，这导致了土壤有机质的增加。尽管原始和 APET 微塑料对土壤 DOC 含量的影响最小，但 APET 微塑料与原始微塑料相比促进了土壤 CO₂排放。这些结果表明，除了土壤 DOC 含量外，还需要考虑 DOC 的其他性质，如荧光性质，以充分解释不同微塑料对土壤 CO₂排放影响的差异。
4. 土壤 DOC 的荧光特性：为了进一步表征土壤 DOC 的化学多样性，基于平行因子分析（PARAFAC）模型，从激发发射矩阵（EEM）数据中识别出三个荧光组分，包括两个类蛋白组分和一个类腐殖质组分。具体而言，组分 1（C1）在激发 / 发射（Ex/Em）为 250/410nm 处显示出最大强度，在先前的研究中被归类为类腐殖质组分。组分 2（C2）在 Ex/Em 为 220/340nm 处有特征峰，组分 3（C3）在 Ex/Em 为 250/315nm 处有特征峰，它们被归类为类蛋白组分。值得注意的是，PLA 微塑料的存在显著增加了类蛋白组分的含量，这通过荧光强度最大值（F_max）值得以体现。一般来说，C2 和 C3 通常被定义为微生物来源的溶解有机物（DOM），较高水平的类蛋白组分与增强的微生物活性相关。相应地，用 PLA 微塑料处理的土壤中类蛋白组分的强度显著较高，这可能表明 PLA 微塑料促进了土壤微生物的活性，导致微生物来源的 DOM 分泌增加。此外，类蛋白组分的 F_max值与土壤累积 CO₂排放量呈正相关，证实了 PLA 微塑料刺激了土壤微生物的活性，增加了土壤有机碳的矿化。对于 PET 微塑料，APET 微塑料与 CK 组相比显著增加了土壤中类蛋白组分的强度，而原始 PET 微塑料对这些组分的强度影响可以忽略不计。这与 APET 微塑料和原始 PET 微塑料对土壤 CO₂排放的影响差异一致。对于 PE 微塑料，原始 PE 和 APE 微塑料都略微降低了土壤中类蛋白组分的强度，这与这些材料对土壤 CO₂排放的抑制作用一致。

（三）微塑料对土壤酶活性的影响

添加微塑料会影响土壤酶活性，这种影响因微塑料的类型和老化程度而异。对于原始微塑料，添加原始 PLA 微塑料与 CK 组相比显著增加了 β- 葡萄糖苷酶的活性，而 PE 和 PET 微塑料略微降低了 β- 葡萄糖苷酶的活性。然而，对于老化微塑料（AMPs），APET 与原始 PET 微塑料相比显著增加了土壤中 β- 葡萄糖苷酶的活性。同样，APLA 显著增强了土壤 β- 葡萄糖苷酶的活性，该土壤酶的活性高于用原始 PLA 微塑料处理的土壤。与 PET 和 PLA 微塑料相比，APE 微塑料降低了土壤 β- 葡萄糖