形态依赖的西太平洋深海盆地微塑料输运潜力与沉积分布：基于全水深剖面与表层沉积物的整合研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Morphology-Dependent Transport Potential and Sedimentary Distribution of Microplastics in an Abyssal Pacific Basin

　　

研究人员量化了西太平洋Pigafetta盆地（PB）两个全水深剖面（至5650 m）水体中的微塑料（MP）丰度浓度（以items/L计）与沉积物MP储量（以items/kg干重（dw）计），并表征了33个站位表层沉积物的MP储量。MP贯穿整个水体（0.7 ± 0.4–7.9 ± 2.8 items/L；均值3.0 ± 1.5 items/L），总体自真光层向深渊层和底层水递减。表观耗氧量（AOU）最大值与营养盐再生增强出现在800–1000 m，而MP丰度与AOU及位势密度呈负相关。该模式与MP相关载体相及悬浮状态的变化一致，而非在再矿化极大值层的局地累积。纤维和碎片主导水体，而表层沉积物含相对更多的纤维和更小的颗粒，表明形态和粒径存在分室差异。沉积物丰度为6.5–180.1 items/kg dw。一个保守的、受傅里叶变换红外光谱（FTIR）约束的、形态分辨的自由颗粒沉降模型估算出平均沉降速度为17.6 m/d，模拟自由颗粒垂直输运潜力为2.82 × 10⁴ items/m²/d，其中非纤维颗粒贡献87%。该输运潜力区别于沉积通量和埋藏通量，本研究未直接测量后两者。这些模拟值代表特定自由颗粒假设下的输运潜力，并非沉积通量、埋藏或长期封存的直接测量。结果识别出形态依赖沉降与载体相转化为可能影响MP在水体与表层沉积物之间分布的过程。

深海常被视为海洋微塑料（MP）的最终归宿，但这一论断更多是合理性推断而非机制性证明。MP已在表层水、中层水和深层水、海沟及深海沉积物中被广泛报道，表明塑料颗粒能够跨越密度、压力、温度和生物活性等巨大垂直梯度。然而，连接水体输运与沉积储量的过程仍缺乏约束。这种不确定性尤为关键，因为深水中的低MP丰度本身并不能量化向海底的向下输送；反之，高沉积物储量也可能不仅反映局地沉积，还反映水动力聚焦、再悬浮、历史累积和沉积后再分配。西太平洋是检验这些过程的关键区域：它接收来自人口稠密和工业化边缘的塑料输入，受强烈海洋环流和水团交换影响，并拥有地球上一些最深的深渊和海沟系统。在这一背景下，Pigafetta盆地（PB）代表一个大型深渊沉积环境，自上大洋输送的悬浮颗粒可在此被再分配、转化并最终保留于沉积物中。以往西太平洋及邻近深海系统的研究已证实MP的广泛存在，但许多数据集仍呈分室化特征，或聚焦于水体丰度，或聚焦于沉积物储量。这种分离使得难以确定深海沉积物究竟是下沉塑料的被动储库，还是受物理和生物地球化学过程塑造的活跃水–沉积连续体的一部分。

MP的垂直输运受聚合物密度之外更多因素控制。低密度聚合物如聚乙烯和聚丙烯可保持悬浮或浮力，但其有效密度可通过生物污损、矿物附着、掺入粪粒或与海雪聚集而增加。较高密度聚合物和致密碎片可能更易下沉，但其轨迹仍可被层化、湍流和侧向平流改变。颗粒形态进一步使这一行为复杂化。纤维、薄膜、碎片和泡沫在阻力、表面积、聚集潜力和生物定殖易感性方面存在差异。因此，仅凭丰度无法充分推断MP沉降；需要结合颗粒形状、粒径和聚合物组成以及水柱水文结构加以考虑。生物地球化学梯度为MP垂直归趋提供了额外控制层。表观耗氧量（AOU）、溶解氧、营养盐浓度和位势密度提供关于水团结构和有机质再矿化的互补信息，从而有助于表征载MP颗粒所经历的环境条件。在中层水中，增强的再矿化和颗粒改造可能促进有机聚集体和粪粒的破碎或解聚，潜在释放相关MP并降低直接垂直转移效率。尽管颗粒通量通常随深度衰减，但持久组分可继续向下层水和底层水供应物质及潜在相关MP。因此，以强烈再矿化为特征的中层水不应必然解释为MP累积带；相反，它可能代表一个转化带，MP在其中被释放、再聚集、再包装或在沉降与悬浮颗粒库之间再分配。沉积物–水界面代表一个动态边界，输送来的MP在最终埋藏前可在此沉积、再悬浮或侧向再分配。其在表层沉积物中的滞留可能受沉积物粒径、有机质含量、矿物结合、氧化还原条件和孔隙水化学影响，但这些因素的相对重要性在深海环境中仍未充分约束。因此，沉积MP组合应被视为选择性沉降、水体转化、近底平流、水动力分选和沉积后再活化的综合产物，而非仅垂直输入的直接记录。因此，解析深海MP封存机制和效率需要协同测量水体与沉积物中的MP以及水文、生物地球化学、沉积学和孔隙水地球化学观测。

基于此，研究人员在PB开展研究，利用两个全水深剖面和33个表层沉积物站位，进一步估算形态和密度约束的沉降速度与自由颗粒垂直输运潜力，以评估观测到的水体模式是否与向深渊深度的潜在向下输运一致。具体目标为：（1）表征PB中MP的垂直和沉积分布；（2）识别水团结构和再矿化如何影响MP通过水柱的输运；（3）评估颗粒形态和聚合物组成在调控沉降行为中的作用；（4）确定该盆地主要作为被动汇还是主动转化与封存带。

在技术方法上，研究人员于2024年7月11日至8月22日搭乘"海洋地质6号"船在PB采样，水深一般超过5500 m，采用CTD–采水器系统在24个离散深度（0–约5650 m）采集海水，并用箱式取样器采集33个站位的0–5 cm表层沉积物。海水和沉积物样品经H₂O₂消化、密度浮选（NaI，1.7 g/cm³）和20 μm/5 μm尼龙膜过滤后镜检，按纤维、碎片、薄膜、颗粒分类；对338个水柱颗粒和223个沉积物颗粒进行显微傅里叶变换红外光谱（μ-FTIR）鉴定聚合物。水柱MP浓度以items/L计、沉积物以items/kg dw计；水文参数采用WOA23气候态温度盐度计算密度、氧饱和、AOU和位势密度异常。质量控制采用批次匹配空白校正。沉降速度与通量采用形状校正的修正Stokes方程（非纤维）和低雷诺数细长颗粒近似（纤维）估算，并以拖曳乘数×2为主情景；同时以FTIR确认的合成聚合物比例（W1为0.606，W2为0.473）校正丰度，并传播其置信区间不确定性。统计分析采用SPSS、OriginPro和ArcMap，组间差异采用ANOVA或Kruskal–Wallis/Mann–Whitney U检验，相关性采用Spearman或Pearson相关，p值仅作描述性报告。

研究结果如下：

3.1 水柱MP垂直分布与水柱水文生物地球化学结构。MP在两个5650 m剖面的全部48个水样中被检出，丰度0.73 ± 0.41至7.82 ± 2.82 items/L，均值3.02 ± 1.48 items/L；W1最大值在200 m（6.82 items/L），W2最大值在表层（7.82 items/L）。AOU在约800–1000 m达最大值（W1为231.35 μmol/kg，W2为233.18 μmol/kg），σθ自表层21.85–22.25 kg/m³增至深渊约27.78 kg/m³。MP丰度与AOU呈描述性负相关（W1 r = ?0.397，p = 0.0553；W2 r = ?0.354，p = 0.0901），与位势密度负相关（W1 r = ?0.597，p = 0.0018；W2 r = ?0.564，p = 0.0038）。营养盐随深度增加（磷酸盐自<0.13增至约3.0 μmol/L，硝酸盐最高176.96 μmol/L），但与最高MP丰度不重合。研究表明，再矿化并不直接使悬浮MP丰度最大化，而可能改变MP的载体相和滞留状态；AOU–MP解耦与颗粒载体相转化和悬浮状态变化一致。

3.2 水柱选择性输运与水动力分选的形态学证据。水柱形态数据集含1673个颗粒，纤维占49.3%、碎片44.6%、颗粒5.3%、薄膜0.8%；粒径0.02–4.22 mm（中位数0.48 mm，均值0.72 ± 0.64 mm）。W1纤维占57.6%、碎片34.3%；W2碎片48.6%、纤维46.1%。颜色以白色（36.8%）、蓝色（18.1%）、透明（17.3%）和灰色（16.8%）为主。FTIR确认W1合成聚合物比例为60.6%（95% Wilson置信区间53.5–67.4%），以PES（57.9%）、PP（20.2%）、PE（12.3%）为主；W2为47.3%（39.5–55.3%），以PES（63.4%）、PE（14.1%）、PP（11.3%）为主。深层悬浮组合粒径总体较小，与粒径依赖的垂直去除一致，表明较大、较致密颗粒在到达最深采样层前被更有效去除，而小纤维和细长碎片因高阻力和低有效沉降速度滞留更久，并受锋面、层化和沿密度面输运的侧向再分配影响。

3.3 表层沉积物MP的空间累积与地球化学背景。33个站位表层沉积物MP丰度为6.49–180.10 items/kg dw，均值67.36 ± 42.15 items/kg dw，中位数56.87 items/kg dw；最高在S24，最低在S20，空间异质性显著。沉积物pH 6.90–7.28（均值7.17 ± 0.10），Eh 529.80–609.00 mV（均值564.82 ± 20.60 mV），温度19.8–23.9 °C。MP丰度与Eh呈较明显的正相关（r = 0.354，p = 0.042），与pH相关性较弱（r = 0.220，p = 0.218），与温度几乎无关（r = ?0.023，p = 0.899）；经Benjamini–Hochberg校正后Eh关联不显著（q ≈ 0.13），故均视为探索性关联。研究表明，沉积MP丰度与近表层地球化学条件存在探索性关联，但单一变量难以解释，因为表层沉积物储量反映颗粒供应、沉积历史、水动力再分配和沉积后过程的综合效应；且仅采样0–5 cm，不能用于量化埋藏速率或长期封存。

3.4 水柱与沉积物MP的粒径与形态对比。沉积物MP中位粒径0.19 mm、均值0.53 ± 0.68 mm，小于水柱（中位0.48 mm、均值0.72 ± 0.64 mm）。沉积物696个颗粒中纤维55.7%、碎片38.9%、颗粒4.6%、薄膜0.7%，纤维与碎片合计94.6%；纤维/碎片比自水柱1.11升至沉积物1.43。FTIR确认沉积物合成聚合物比例为37.7%（95% Wilson置信区间31.5–44.2%），以PES（63.1%）、PE（14.3%）、尼龙（7.1%）为主；非合成颗粒占62.3%，以纤维素、人造丝、棉、玻璃纸和不可鉴定矿物/有机颗粒为主。研究表明，沉积物中更小的粒径和更高的纤维/碎片比与水柱–沉积物界面的分室分选一致，但现有数据无法区分直接重力沉降、聚集体介导输运、近底侧向平流、再悬浮和沉积后再分配；因水柱剖面与沉积物站位未同址配对，该对比不构成同址质量平衡或直接转移路径的证据。

3.5 形态分辨的自由颗粒输运潜力。按纤维和非纤维分别建模，非纤维采用投影面积等效半径，纤维采用长度、直径和长径比，并施加主要拖曳×2情景的形态阻力校正。深度分辨模拟自由颗粒垂直输运潜力在剖面内和剖面间变化显著且不随深度单调下降；W1在约5000 m出现明显局地最大值，W2总体向海底下降。W1和W2的平均模拟输运潜力分别为2.43 × 10⁴和3.22 × 10⁴ items/m²/d。48个深度层估计的模拟平均沉降速度为4.29–66.93 m/d（中位数14.00 m/d），总输运潜力为3.92 × 10³–8.89 × 10⁴ items/m²/d（中位数1.98 × 10⁴ items/m²/d）。合并平均输运潜力在拖曳×1.5、×2、×3情景下分别为3.77 × 10⁴、2.82 × 10⁴和1.88 × 10⁴ items/m²/d。非纤维颗粒在所有深度带主导模拟输运，其贡献自表层/真光层83.8%增至中层/OMZ过渡带88.4%、深水89.1%和深渊/底层水95.2%；纤维贡献相应自16.2%降至4.8%。各深度带平均总通量自表层/真光层3.86 × 10⁴降至中层/OMZ过渡带2.54 × 10⁴和深水1.46 × 10⁴ items/m²/d，随后在深渊/底层水回升至2.36 × 10⁴ items/m²/d。合并平均模拟输运潜力为2.82 × 10⁴ items/m²/d（中位数2.04 × 10⁴ items/m²/d），非纤维颗粒占87.0%、纤维占13.0%。研究表明，模拟通量取决于FTIR校正丰度与形态分辨沉降速度的联合作用，悬浮丰度本身不是向下输运潜力的可靠代理；纤维在沉积物中相对富集（55.7%）提示其输送和累积可能涉及自由颗粒沉降模型未涵盖的过程，如掺入海雪和生物成因聚集体、包装入粪粒和生物介导再包装、生物污损改变密度以及细长几何对沉降取向和截获的影响。需强调，这些值为特定自由颗粒沉降情景下的模拟输运潜力，并非沉积通量、埋藏通量、再悬浮或滞留效率的直接测量；模型未显式解析湍流、侧向平流、聚集–解聚、生物再包装、近底再悬浮和沉积后再分配，航次亦未采集独立的沉降柱、沉积物捕集器或原位沉积通量数据。

讨论与结论部分：研究人员指出，水柱MP浓度不应被视为向下输送的直接代理，表层沉积物储量也不应被解释为局地垂直输入的直接记录，因为后者还可能反映侧向聚焦、再悬浮、历史累积和沉积后再分配。形态分辨结果表明，在评估MP穿越深海的潜在运移时应考虑颗粒形状和载体相转化，但并未确立从采样水体到单个沉积物站位的转移效率。未来研究应结合同址全水深剖面与沉积物捕集器或沉降柱测量、更深的沉积物岩芯以及对聚集、生物污损、侧向平流和近底再悬浮的直接观测，以确定垂直输运与沉积后过程的相对贡献。结论部分指出：MP贯穿5650 m水柱并存在于西太平洋PB表层沉积物中，揭示出空间上分异的悬浮与沉积MP组合；表层沉积物相对水柱组合含更多纤维和更小颗粒，表明可能存在多种输运和沉积后过程导致的分室形态和粒径差异；由于水柱剖面与沉积物站位未通过同址质量平衡相连，这些对比表明组合间的一致性而非从采样水体到采样沉积物直接转移路径的证明；实测沉积物pH、Eh和温度有助于描述近表层底栖环境，但其与MP丰度的探索性关联未证明地球化学对沉积物储量的直接控制；受FTIR约束的保守形态分辨自由颗粒沉降模型得出合并平均模拟输运潜力2.82 × 10⁴ items/m²/d，非纤维颗粒占87.0%，模拟输运潜力在深渊和底层水深度持续存在但在两个剖面间差异显著；这些值不应被解释为实测沉积通量、埋藏通量、滞留效率或永久封存；需要直接测量沉降、沉积、再悬浮和埋藏以确立向深渊沉积物转移及持久性的效率。本研究的主要积极意义在于MP在全水柱和表层沉积物中均被检出，且形态分辨模拟表明深渊和底层水深度存在非零输运潜力；这些结果识别出颗粒形态、载体相转化和自由颗粒沉降潜力为影响MP在悬浮与沉积分室间分布的可能过程；主要局限在于现有观测和模型未能确立表层水MP库中有多少实际被沉积、再悬浮、埋藏或永久保留在深渊沉积物中，因此深渊海底应被视为重要的观测沉积分室和进一步过程研究的目标，而非已被证实的永久MP汇。