中国东北农田黑土中微塑料的空间分布：田间管理与塑料来源的作用机制解析

本研究针对农田土壤微塑料(MPs)污染源解析与迁移机制不明的科学问题，通过分析长期覆膜农田中三种管理模式(MMs)下0-30 cm土层的MPs分布特征，结合地统计学与经典统计方法，揭示了PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)等7种MPs的垂直分布规律，发现施肥剂量(0.201-0.248)比耕作频率(0.170-0.188)更显著影响MPs丰度，证实大塑料(MaPs)分布直接决定MPs空间格局，为农田MPs污染防控提供了理论依据。

　　

在当代农业生产中，塑料地膜覆盖技术因其保温保墒作用被广泛应用，但残留塑料在环境中逐渐降解形成的微塑料(MPs)已成为新型污染物。这些直径小于5毫米的塑料颗粒不仅会改变土壤物理性质，还可能通过食物链威胁生态系统和人类健康。更令人担忧的是，目前对农田MPs的迁移规律及其驱动因素仍缺乏系统认知，特别是不同田间管理模式(MMs)与周边污染源如何共同塑造MPs的空间分布格局，成为环境科学领域亟待破解的难题。

中国东北黑土区作为重要粮仓，长期覆膜种植模式使该区域面临严峻的MPs污染风险。来自哈尔滨的研究团队在《Geoderma》发表的研究，首次系统揭示了黑土(Mollisols)农田中MPs的三维分布特征及其形成机制。研究人员选取具有13年覆膜历史的蔬菜田，设置高施肥中耕作(MM1)、中施肥高耕作(MM2)、低施肥低耕作(MM3)三种管理模式，采用网格法(45 m×35 m)采集86个采样点的0-20 cm和20-30 cm土层样本。通过锌氯化物密度浮选结合有机质消化提取MPs，利用显微傅里叶变换红外光谱(μ-FTIR)进行组分鉴定，结合莫兰指数和变异系数等空间分析方法，系统解析了MPs的分布驱动机制。

主要技术方法：研究采用密度浮选-消化联合法提取土壤MPs，通过μ-FTIR进行聚合物类型鉴定；运用地统计学分析空间自相关性；建立聚合物风险指数(PRI)评估生态风险；采用多元回归模型和层次分割法量化管理措施、MaPs和周边环境对MPs分布的贡献率。

3.1 农田黑土中MPs的类型、尺寸和形状特征
研究发现0-30 cm土层存在PE、PP、PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEUR(聚醚型聚氨酯)和PE:PP混合物7种MPs。其中1-5 mm的PE-MPs和<1.0 mm的非PE-MPs(NPE-MPs)占主导，20-30 cm土层近灌溉井区域MPs丰度显著高于表层。碎片和薄膜是主要形态，且PE-MPs在表层富集现象明显(p<0.05)。

3.2 MPs的空间分布与自相关特征
地统计分析显示，MPs在0-20 cm和20-30 cm土层的变异系数(C.V.)均>1，呈现高度空间异质性。莫兰指数I均为负值(Z得分介于-1.96-0)，表明MPs呈随机分布模式，不受周边污染源的显著影响。值得注意的是，东南部表层和灌溉井附近的深层土壤出现MPs富集热点。

3.3 管理模式对MPs丰度的影响
在0-20 cm土层，高施肥的MM1处理TMPs丰度(3093 items kg^-1)显著高于MM2和MM3(p<0.05)。多元回归显示施肥剂量对PE-MPs的标准化回归系数(0.248)高于耕作频率(0.188)，证实化学肥料的促降解作用强于机械耕作的物理破碎效应。

3.4 聚合物风险指数评估
41.9%样点的PRI达到IV级高风险，主要分布在农田边界和垃圾场周边。值得注意的是，低施肥低耕作的MM3处理高风险样点比例比MM1降低45.4%，表明优化管理可有效降低生态风险。

3.5 MPs来源解析
研究发现采样点与污染源(居民区、垃圾场等)的距离与MaPs丰度显著相关(p<0.05)，但与MPs无直接关联。层次分割分析表明MaPs对PE-MPs和NPE-MPs的解释率分别达100%和90.9%，而周边环境仅贡献9.1%，证实农田残留塑料的原位破碎是MPs主要来源。

讨论与结论
该研究颠覆了"周边污染源直接输入主导MPs分布"的传统认知，首次证实：1) 农田残留MaPs的分布直接控制MPs空间格局；2) 施肥通过改变微生物活性促进MaPs降解，其影响权重(20.1%-24.8%)超过耕作(17.0%-18.8%)；3) 灌溉井周边形成的MPs垂向迁移热点提示农事操作的关键调控作用。这些发现为建立基于源解析的MPs防控策略提供了科学依据，建议通过优化施肥制度、提高地膜回收率、规范农资包装管理等多重措施协同治理。

研究创新性地将地统计学应用于MPs空间分析，建立的PRI评估体系为风险预警提供了量化工具。未来研究可结合分子生物学手段，深入揭示施肥影响MPs降解的微生物学机制。该成果对保障黑土区农业可持续发展具有重要实践价值，为全球类似生态区的MPs治理提供了范式参考。