全球变暖背景下可生物降解微塑料对多样化陆地生态系统土壤碳激发效应的差异化影响

本研究针对可生物降解微塑料（PBS）在不同温度条件下对农田、森林和草地土壤碳激发效应（PE）的影响展开系统探究。通过多组学分析结合稳定碳同位素技术，揭示了微塑料通过改变土壤氮转化潜力与溶解性有机质（DOM）化学多样性驱动激发效应，且其响应随生态系统类型和温度条件显著分化。成果为预测全球变暖背景下微塑料污染对土壤碳循环的影响提供了关键理论依据。

　　

随着塑料制品的大规模使用，微塑料（MPs）污染已成为全球性环境问题。陆地生态系统作为微塑料的重要汇，其储存量可达海洋环境的4-23倍。尽管近年来关于微塑料生态效应的研究激增，但绝大多数集中在海洋环境或农业系统的毒理学效应，对其影响土壤碳循环的关键过程——特别是通过"激发效应"（Priming Effect, PE）加速土壤有机碳（SOC）分解的机制认知仍存在巨大空白。更值得关注的是，在全球变暖背景下，温度升高可能通过改变微生物活性和有机物降解速率，进一步干扰微塑料与土壤碳循环的相互作用。这种认知缺失使得我们难以准确预测未来气候变化情景下，微塑料污染对陆地碳库稳定性的潜在影响。

为应对这一挑战，来自中国的研究团队在《Geoderma》发表了创新性研究成果。该研究首次系统比较了可生物降解微塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）在农田、森林和草地三种典型陆地生态系统中诱导的土壤碳激发效应，并揭示了其对温度升高的差异化响应。通过采集中国东北跨越1200公里的多样化土壤样本，研究团队设计了为期56天的微宇宙培养实验，结合稳定碳同位素（δ¹³C）示踪、溶解性有机质（DOM）化学多样性分析、高通量定量PCR和酶活性测定等多学科技术手段，阐明了微塑料影响土壤碳循环的关键驱动因素。

关键技术方法包括：1) 跨生态系统采样策略（农田、森林、草地）；2) 双温度（25℃和29.5℃）控制下的微宇宙培养系统；3) 基于稳定碳同位素的激发效应量化模型；4) 傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）解析DOM分子组成；5) 高通量定量PCR检测碳氮循环功能基因；6) 胞外酶活性测定。

研究结果揭示了一系列重要发现：

3.1 微塑料显著增加土壤CO₂排放
无论生态系统类型和温度条件如何，PBS添加均显著提高了56天培养期间土壤总CO₂排放量。值得注意的是，升温使农田土壤中源自有机质的CO₂比例增加，而森林土壤则呈现相反趋势。

3.2 激发效应存在生态系统特异性
在25℃条件下，PBS在所有生态系统中均诱导正激发效应，强度依次为草地>农田>森林。升温使农田土壤累积激发效应强度小幅增加（22-32%），却使森林和草地土壤的激发效应分别从19%降至-32%和从51%降至-21%，发生了从促进到抑制SOC分解的显著转变。

3.3 土壤氮有效性起关键调控作用
Mantel分析显示，激发效应强度与溶解性总氮（DTN）、硝酸盐（NO₃^-）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）活性和硝化功能基因表达的响应比显著相关。这支持了"微生物氮挖掘"假说——微塑料输入通过降低土壤氮有效性，刺激微生物分解原生有机质获取氮素。

3.4 DOM化学多样性响应差异显著
FT-ICR MS分析表明，升温显著增加了农田土壤中PBS衍生的新DOM分子，但在森林和草地土壤中未观察到类似现象。特别在草地土壤中，升温促进了含氮DOM分子（CHON和CHONS类）的移除，反映了不同生态系统微生物利用策略的差异。

3.5 微生物功能基因表达分化
PBS添加降低了农田土壤硝化功能基因表达（尤其在升温条件下），而森林土壤中升温本身即显著抑制了碳氮循环相关功能基因。酶活性分析显示，PBS显著提升农田土壤β-1,4-N-乙酰葡萄糖胺酶（NAG）活性，但对其他水解酶和氧化酶影响有限。

这项研究的重要结论在于：首先，可生物降解微塑料通过改变土壤氮转化潜力和DOM化学多样性驱动激发效应，这一过程比微生物群落结构变化更具决定性。其次，微塑料诱导的激发效应对升温的响应呈现显著的生态系统依赖性——农田土壤表现为增强，而森林和草地土壤则转为抑制。这种分化主要源于不同生态系统DOM分子动态和氮利用策略的差异。

该研究的科学价值体现在三方面：1) 首次系统揭示了跨生态系统尺度下微塑料-气候变暖-土壤碳循环的互作机制；2) 建立了微塑料通过氮有效性调控激发效应的理论框架；3) 为预测全球变化背景下微塑料污染对陆地碳库的影响提供了实验依据。实践意义上，研究结果警示即使是可生物降解塑料也可能通过复杂机制影响土壤碳平衡，这对制定塑料污染治理政策和碳中和战略具有重要参考价值。未来研究需要结合长期野外观察和氮添加实验，进一步验证这些发现在自然条件下的普适性。