中国西南高原湖泊草海沉积物中微塑料的分布、历史累积及其影响因素

《Ecological Informatics》：Microplastic distribution, historical accumulation and influencing factors in sediments of Caohai Lake, a plateau lake in Southwest China

　　

微塑料（MPs）被广泛认为是水环境中的普遍污染物，对全球生态系统构成显著风险。湖泊沉积物作为微塑料的重要汇，记录了其长期累积过程并反映了历史时期的人类活动影响。然而，高原湖泊沉积物中微塑料的累积特征及其影响因素仍鲜有报道。本研究采用沉积学与地球化学方法，对云贵高原草海湖的表层沉积物及沉积物岩芯进行分析，以探究微塑料污染程度、生态风险及其累积的控制因素。微塑料丰度为200～1300 items/kg，表层沉积物中的平均丰度（873 items/kg）高于沉积物岩芯（平均690 items/kg）。微塑料以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维和聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）薄膜为主，多数颗粒粒径小于0.5 mm。此外，检测到的高危害聚合物（包括聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（PS））导致区域平均聚合物危害指数（PHI >1000）和潜在生态风险指数（PERI）值偏高。同时，区域平均污染负荷指数（PLI = 2.0）表明总体污染水平相对较低。对0～50 cm沉积物岩芯的地球化学分析识别出四个沉积单元，记录了沉积环境的历史变化。微塑料的垂直分布呈现出显著波动，表明其累积具有明显的时空变异性。综合沉积学、地球化学和社会经济信息后发现，这些变化受外部输入波动、沉积环境条件、区域社会经济发展及环境管理措施的共同驱动。上述发现为理解高原湖泊沉积物中微塑料累积的历史演变及其驱动机制提供了新的见解。

**草海沉积物微塑料的分布、历史累积与影响因素——研究解读**

**一、研究背景与科学问题**

微塑料（Microplastics, MPs）通常指粒径小于5 mm的塑料碎片或颗粒，已成为全球关注的新型污染物。随着塑料制品的广泛生产与消费，大量塑料废弃物通过多种途径进入环境，并在物理风化与降解作用下逐渐破碎为微塑料。微塑料因粒径小、比表面积大，能够吸附重金属和有机污染物，并可能沿食物链传递，对生态系统和人体健康构成潜在威胁。湖泊沉积物被认为是微塑料的重要汇，既能反映当前污染负荷，又能记录历史时期微塑料污染的演变过程，为揭示其累积规律和驱动因素提供宝贵档案。

然而，现有研究多集中于河流和海岸带环境，对高原湖泊沉积物中微塑料的历史记录研究仍十分有限。高原湖泊通常位于生态脆弱区，对环境变化高度敏感，其微塑料累积过程可能受多重因素共同影响，包括外源输入、水动力条件、沉积环境和区域人类活动等。以往研究多将沉积物中微塑料的垂直变化归因于区域塑料生产和人为输入，而对沉积环境变迁的作用关注不足，将社会经济发展与环境管理措施相结合的综合分析尤为缺乏。因此，亟需对高原湖泊沉积物中微塑料的历史累积特征及调控因素开展系统研究。

草海位于云贵高原，是贵州省最大的天然淡水湖泊，已被列入中国生物多样性保护行动计划优先区域。湖泊周边分布有城镇和农田，长期受人类活动影响，接纳大量人为污染物，其沉积物为研究人类活动强烈干扰下高原湖泊微塑料累积提供了理想材料。本研究以草海为对象，通过分析表层沉积物和沉积物岩芯中微塑料的分布特征，结合沉积物年代学与地球化学指标，旨在：（i）查明表层沉积物中微塑料的空间分布、理化性质、聚合物组成及生态风险；（ii）分析沉积物岩芯中微塑料的垂直分布特征，评估沉积环境变化对微塑料累积的影响；（iii）评价社会经济发展与环境管理措施对沉积物微塑料记录的可能影响。研究成果可深化对高原湖泊微塑料长期累积规律及驱动机制的认识，为区域微塑料污染防控提供科学依据。

**二、主要技术方法**

研究人员于2023年5月在草海S1点位采集两根沉积物岩芯，分别用于年代学与地球化学分析及微塑料分析；于2024年6月采集11个点位（S1–S11）的表层沉积物样品，样点覆盖河流入口、城镇污水处理厂排放口附近及湖泊中心区域。在实验分析中，采用高纯锗γ能谱仪测定²¹⁰Pb和²²⁶Ra活度，利用恒定通量恒定沉积速率（CFCS）模型建立岩芯年代框架；通过灼烧减量法（LOI）测定沉积物中有机质（OM）和碳酸盐含量；采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定Al、Ti和K等保守元素浓度，作为陆源输入变化的指示指标。微塑料的分离采用饱和ZnCl₂溶液（密度1.6 g/cm³）进行密度浮选，配合30% H₂O₂消解去除有机质，然后使用体视显微镜进行目视分选，并通过显微傅里叶变换红外光谱仪（μ-FTIR）对聚合物类型进行鉴定（匹配度≥70%）。风险评估综合运用聚合物危害指数（PHI）、污染负荷指数（PLI）和潜在生态风险指数（PERI）三种模型。

**三、研究结果**

**1. 表层沉积物中微塑料的分布与特征**

微塑料在草海全部11个表层沉积物采样点均有检出，丰度范围为200～1300 items/kg，平均值为872.7 items/kg。空间分布上，两条河流入口和城镇污水处理厂排放口附近（S1、S2、S3点位）以及湖泊中心水动力较弱区域（S9、S10点位）呈现较高丰度（超过1000 items/kg），表明外源输入和水动力条件是控制表层沉积物中微塑料空间分布的重要因素。从形态特征来看，薄膜（38.5%）和纤维（35.4%）是主要形状，其次为碎片（25.0%），颗粒（1.0%）占比最低。粒径以0.1～0.2 mm为主（30.2%），其次为0.2～0.5 mm（25.0%）和0.5～1 mm（21.9%），小于0.1 mm和大于1 mm的颗粒各占11.5%。透明微塑料占比最高（49.0%），其次为蓝色（17.7%）和黄色（12.5%）。聚合物鉴定结果表明，聚乙烯（PE，36.5%）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，27.1%）是主要的聚合物类型，其次为聚丙烯（PP，10.4%）和聚苯乙烯（PS，7.3%），其余少量聚合物包括聚氯乙烯（PVC，3.1%）、聚酰胺（PA，3.1%）等。

**2. 表层沉积物中微塑料的生态风险**

根据模型计算，草海表层沉积物的PHI值范围为6.5～2648.8，PERI值范围为22.5～10595.0，表明不同采样点间微塑料相关风险存在较大空间差异。PHI风险分级显示，27.3%的采样点处于II级风险，45.5%处于III级，18.2%处于IV级，9.1%处于V级。相比之下，PERI分级显示72.7%的点位处于I级风险，9.1%处于III级，18.2%处于V级。PLI值范围为1.0～2.5，区域PLI_zone为2.0，对应风险I级，表明基于PLI的污染负荷处于较低水平。不同评价指数结果存在差异，主要原因是PLI仅考虑微塑料丰度和背景值，而PHI侧重于聚合物类型的危害评分，PERI则综合了丰度与聚合物毒性系数。高危害聚合物如PVC和PS的存在是推高PHI和PERI值的关键因素。

**3. 沉积物岩芯地球化学特征与沉积单元划分**

对沉积物岩芯的Al、Ti、K、LOI₅₅₀和LOI₉₅₀等指标进行Pearson相关分析，结果显示Al、Ti、K之间呈极显著正相关（r>0.99，p<0.001），且与LOI₉₅₀呈显著负相关（r550呈正载荷（0.8），LOI₉₅₀呈负载荷（?0.4），区分了有机质与碳酸盐的变化。

根据地球化学指标和主成分得分随深度的变化，沉积物岩芯可划分为四个沉积单元。单元I（约0～15 cm）：PC1得分为负值，对应高碳酸盐含量和低陆源元素浓度，有机质含量相对稳定（18.1%～18.6%），与碳酸盐呈强正相关（r=0.92，p<0.01），与陆源元素呈强负相关（r
**4. 沉积物岩芯中微塑料的垂直分布**

沉积物岩芯中微塑料丰度呈现不规则的垂直波动，范围为300～1200 items/kg，平均值为690 items/kg，变异系数为38.7%。最低丰度出现在岩芯底部（单元IV），最高丰度出现在岩芯中部的单元III。在可建立可靠年代框架的上部0～15 cm区间（对应单元I），²¹⁰Pb年代学显示2003—2023年沉积物质量累积速率为0.12 g cm^?2 yr^?1，与青藏高原青海湖的报道值（0.10 g cm^?2 yr^?1）相当，支持了定年结果的可靠性。在定年区间内，微塑料丰度从2003年至2015年总体上升，2015年达到最大值，随后2016—2023年呈下降和波动趋势，2020年记录到最低值。

在岩芯下部未定年区间，单元III中微塑料丰度最高（700～1200 items/kg，平均值967 items/kg），是岩芯中微塑料最富集的层段。单元IV微塑料丰度显著较低，仅为300 items/kg。从微塑料特征来看，岩芯中纤维（45.5%）、碎片（28.8%）和薄膜（25.8%）为主要形态，与表层沉积物相比，纤维和碎片比例相对增加。灰色颗粒是岩芯中最丰富的颜色类别（37.9%），其次为蓝色（25.8%）和透明颗粒（19.7%）。岩芯中共鉴定出5种聚合物类型，远少于表层沉积物中的12种，但主要聚合物类型与表层沉积物一致，PET、PE和PP分别占37.9%、37.9%和16.7%。不同沉积单元间微塑料特征存在差异：灰色颗粒比例随深度增加而增加，有色颗粒呈下降趋势；大于1 mm的颗粒主要集中在单元I和单元III；纤维在单元I和单元IV中占主导，而碎片在单元III中占优势（44.8%）；PMMA仅在单元I中检出，PE+PP共聚物仅在单元III中出现，单元IV聚合物组成最简单，仅包含PP、PE和PET。

**四、讨论与结论**

在讨论部分，研究人员将草海沉积物中微塑料的分布与全球其他淡水系统进行了对比。草海表层沉积物中微塑料丰度与太湖、刘家峡水库、加拿大锡姆科湖和印度安查尔湖相当，但明显高于青藏高原和内蒙古高原湖泊及其他淡水系统，表明高原湖泊可经历与城市化、农业活动和废水排放相关的显著微塑料污染。岩芯中微塑料丰度低于中国湖光岩玛珥湖、剑湖以及芬兰塞马湖和美国雷斯顿湖，但与中国阿哈湖、星湖以及英国和美国的某些淡水系统相当，总体处于相对较低水平。需要指出的是，不同研究间方法学差异（如采样深度、粒径下限、提取方法和鉴定标准等）可能影响结果的可比性。

关于微塑料的来源，纤维是草海沉积物中最常见的形态（占42.5%），其中大部分PET以纤维形式存在（表层和岩芯中分别占PET总数的64%和80%）。PET广泛用于纺织工业，生活污水被认为是纤维状微塑料的重要来源。薄膜和碎片主要由PE和PP组成，鉴于草海周边农田广泛使用塑料地膜，薄膜微塑料可能部分来源于残留农用地膜。以上结果表明，生活污水、农业塑料残留和塑料废弃物是草海流域微塑料污染的重要潜在来源。

关于微塑料分布的影响因素，表层沉积物中微塑料的空间分布主要受外源输入和水动力条件控制。高丰度点位靠近河流入口和城市污水处理厂排放口，而湖泊中心水动力较弱区域也有利于微塑料的沉积和保留。对于沉积物岩芯，上部定年区间（2003—2023年）的记录表明，微塑料通量在2003—2015年期间总体增加，与同期地区生产总值（GRP）、常住人口、农膜和化肥用量的显著增长相吻合，表明社会经济发展可能促进了微塑料在草海沉积物中的累积。2015年后，尽管社会经济持续发展，微塑料通量却出现下降和波动，这与草海流域实施强化环境管理措施的时期相吻合——2015—2018年间，草海周边森林覆盖率和城镇污水处理率分别从14.7%和64.7%提高到27.28%和94.5%，而农膜使用量从49.2×10²吨降至15×10²吨。这表明强化陆源废物管理和生态修复措施可能促进了2015年后微塑料输入的减少。

在岩芯下部未定年区间，沉积环境变化对微塑料累积产生了重要影响。单元IV中最低的有机质和自生碳酸盐含量指示湖泊生产力降低和有机质保存条件较差，这与草海1971年排水工程导致湖泊面积从31 km²缩小至5 km²的历史事件相符，湖泊萎缩可能减少了内生有机质产生，而暴露湖床上的氧化条件促进了有机质分解。单元III中有机质和自生碳酸盐含量显著增加，与1981年恢复蓄水后湖泊水位上升和生产力恢复一致。该单元微塑料丰度在岩芯中最高（平均967 items/kg），主要归因于中国经济快速增长时期塑料生产和消费的大幅增加，以及流域内水土流失对微塑料的额外输送。微塑料丰度与有机质呈显著正相关（r=0.67，p<0.05），表明有机质富集可能促进了微塑料在沉积物中的共沉降和保留。

研究结论如下：本研究调查了中国草海表层沉积物和沉积物岩芯中微塑料的分布，并评估了控制其时空变化的关键因素。微塑料在整个沉积物剖面中广泛分布，丰度为200～1300 items/kg。纤维和薄膜是主要形态，多数颗粒小于0.5 mm。PET、PE和PP是主要聚合物类型。源分析表明，农用地膜和生活污水是湖泊沉积物中微塑料的主要贡献者。生态风险评估显示不同指数的结果存在差异：尽管PLI指示总体污染水平相对较低，但PVC和PS等高危害聚合物的存在导致PHI和PERI值升高，表明聚合物组成是决定微塑料生态风险的重要因素。表层沉积物中微塑料的空间分布主要受外源输入和水动力条件控制。在沉积物岩芯中，最高微塑料丰度出现在20～45 cm层段，可能反映了二十世纪后期加剧的社会经济活动和增强的水土流失。相比之下，上部沉积单元（0～15 cm）微塑料丰度较低，与生态恢复措施后水土流失减少相吻合。根据²¹⁰Pb年代框架，微塑料丰度在2003—2015年间随区域社会经济快速发展而增加，但在2015年后尽管经济持续增长却出现下降，该趋势表明强化的环境管理和农膜使用减量可能有效限制了微塑料向湖泊的输入。上述发现表明，有效缓解高原湖泊微塑料污染需要源头控制和流域综合管理并重。研究结果阐明了高原湖泊沉积物中微塑料的历史演变和驱动因素，为管理这些脆弱生态系统提供了科学依据。