典型高原湖泊盆地土壤中微塑料与重金属污染的对比：分布格局、潜在来源及驱动因素

《Journal of Hazardous Materials》：Comparison of Microplastics and Heavy Metal Contamination in Soils of Typical Plateau Lake Basins: Distribution Patterns, Potential Sources, and Driving Factors

　　

摘要
作为典型的新兴污染物，微塑料（MPs）对脆弱的地面和水生生态系统构成日益严重的威胁。然而，MPs 和重金属（HMs）的共同出现模式、来源及驱动因素仍知之甚少。采集了中国内蒙古高原三个纬度不同的湖盆的 50 个表层土壤样品。结合正定矩阵因子分解（PMF）、偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）和 HYSPLIT 模型，分析了 MPs 的空间分布、来源及 MPs-HMs 共同出现情况。结果表明，MPs 丰度存在明显的纬度梯度，随纬度升高而降低。土壤中 MPs 的平均丰度在大海（DH）、达里诺尔（DLH）和乌拉盖（WLG）盆地分别为 4,693 n/kg、2,902 n/kg 和 2,147 n/kg。HMs 浓度表现出显著的盆地特异性异质性。混合的日常相关和农业活动是土壤 MPs 的主要来源，贡献了 87.4% 的 MPs 污染。PLS-SEM 结果阐明了控制高原土壤 MPs 分布的复杂驱动机制，并确定放牧强度是主要影响因素。本研究建立了一个稳健的框架，用于探索土壤生态系统中 MPs 和 HMs 耦合的来源和驱动机制。

引言
MPs 通常被定义为直径小于 5 mm 的塑料颗粒 [1]。由于 MPs 可以进行长距离传输且对生物有毒，MPs 污染已成为全球环境、生态和健康关注的焦点 [2]。人为释放的 MPs 主要来源于建筑废弃物、一次性塑料瓶和农业地膜，主要聚合物类型为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）[3]。最近的调查记录了包括高山冰川和深海环境在内的偏远地区 MPs 污染 [4], [5], [6]。MPs 可以通过大气沉降和地表径流传输到高海拔区域，对脆弱当地生态系统构成重大风险。土壤作为植物、动物和微生物群落的重要储库和栖息地。MPs 在土壤中积累可以通过食物链传输，最终危及人类健康 [7]。流行病学证据表明，暴露于 PE 和 PP MPs 与心血管疾病和中风风险增加有关，而 PVC 暴露与甲状腺功能减退和生殖损害有关。MPs 的大比表面积促进了共污染物的吸附，从而形成有毒的复合混合物，加剧区域生态风险。

重金属（HMs）作为传统的优先污染物，由于其高毒性和强生物累积潜力，已引起广泛的研究关注 [8]。铬（Cr）、镉（Cd）和铅（Pb）代表对人类健康构成重大威胁的典型有毒 HMs [9]。源自人为活动（包括工业排放和农业实践）的 HMs 可显著抑制植物生长并抑制土壤动物的生存和代谢活性。此外，HMs 可以通过食物链传输并在人体内积累，引发持久的不良健康后果。此外，土壤中 HMs 的存在显著重塑了土壤微生物群落的组成和功能活性。作为土壤污染物的两大类，MPs 和 HMs 可能通过多种相互作用机制共同调节土壤生态系统功能 [10]。在高原地区，表层土壤中的 MPs 通常作为 HMs 的有效载体，间接改变 HMs 的迁移范围、形态和生物有效性。此外，高原特有的环境条件，包括强烈的紫外线辐射、强风侵蚀和频繁的干湿循环，加速了 MPs 的老化并丰富了其表面官能团。这些变化显著增强了 MPs 吸附和解吸 HMs 的能力，最终增加了联合暴露相关的生态风险。

在全球范围内，研究已逐渐从 MPs 的个体污染风险转向由 MPs 与其他污染物共同出现引起的联合风险。MPs 和 HMs 通常在陆地生态系统中共存。以往研究表明，MPs 对 HMs 的吸附能力受聚合物类型、金属形态和土壤环境条件的影响。此外，MPs 和 HMs 之间的相互作用受人为干扰（如区域人类活动水平、农业生产和工业排放）的强烈调节。然而，对高原地区 MPs 和 HMs 污染的联合来源和潜在驱动机制的系统调查仍然有限。

湖泊 - 湿地系统在高地生态系统和生物地球化学循环中起着至关重要的作用 [11]。它们提供不可或缺的生态服务，包括气候调节和碳固存、水净化和污染缓解，以及维持生态稳定性和生物多样性。湿地土壤中 MPs 的过度积累会改变土壤物理化学性质，导致孔隙度降低、保水能力减弱和土壤肥力下降，这些不利影响可能持续数百年 [12]。迄今为止，研究主要集中在城市地区或受强烈人为干扰地区的 MPs 污染。由于其低密度和大比表面积，MPs 易于通过大气传输，从而扩散到偏远的原始地区 [13]。高原生态系统相对脆弱，使其特别容易受到 MPs 污染的影响。

内蒙古高原拥有众多湖泊，大多数是小而浅的咸水水体 [14]。在自然气候变化（如全球变暖）和人为活动（如农业灌溉和采矿）的压力下，湖泊数量显著减少，伴随土壤盐渍化、生物多样性丧失和水富营养化。此外，高原环境条件，包括强烈的紫外线辐射和显著的季风环流，可以促进 MPs 的降解和传输 [15]。大海（DH）盆地是典型的内陆干旱和半干旱盆地。降水少、地表径流有限、农业灌溉集约化和频繁的人为干扰导致土壤盐渍化、保水能力差和有机质含量低，这些条件大大促进了 MPs 在土壤中的滞留和积累 [16], [17]。与 DH 盆地相比，达里诺尔（DLH）盆地气候更加干旱，特征是降水不足、地表水补给弱和严重的土壤侵蚀。盆地主要被沙质和盐渍土覆盖，使该地区极易受到干旱压力和沙漠化的影响。相比之下，乌拉盖（WLG）盆地以沙质、盐碱和草原土壤为主，其特征是大粒径和高渗透性。这样的土壤性质促进了污染物通过包气带向下迁移进入地下水系统。不同气候条件、土壤性质和人类活动水平的组合可能导致三个盆地的 MPs 和 HMs 污染特征存在显著差异。此外，盛行的季风环流增强了盆地内污染物的大气传输和外源沉降。高原湖盆土壤中 MPs 的空间积累由区域气候条件、土地利用模式、人为干扰和 MPs 的内在性质共同控制。目前，针对不同湖盆土壤中 MPs 污染的系统研究仍然有限。因此，迫切需要阐明各种环境因素如何差异性地影响 MPs 污染。

识别和量化 MPs 和 HMs 的共同来源，以及控制它们在高原地区空间分布的关键驱动因素，是针对性污染防控的前提。自然因素（特别是大气传输）和人为干扰共同决定了土壤 MPs 和 HMs 的来源特征。尽管 MPs 的形态特征已被广泛用于追溯其潜在来源和影响因素，但对不同来源对 MPs 和 HMs 污染贡献的准确定量评估仍然是一个主要挑战。作为沉积物、土壤、大气颗粒和其他环境基质中污染物定量来源解析的稳健且广泛接受的工具，正定矩阵因子分解（PMF）模型可以同时区分自然和人为来源 [18]。该模型不仅能量化不同污染源的相对贡献，还能阐明 MPs 和 HMs 的共同出现特征和共享来源机制。MPs 丰度与各种 HMs 组分之间的相互作用和共享来源机制与 PMF 模型的核心算法原理非常吻合，使其成为解开自然强迫、人类活动与耦合的 MPs-HMs 污染来源之间复杂关系的可靠工具。使用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）量化环境因素和人类活动对 MPs 分布的独立和交互影响。该方法克服了描述性统计和单因素分析在解释 MPs 分布模式方面的局限性，进一步能够定量识别脆弱高原生态系统中土壤 MPs 的主要控制因素 [19]。作为经典的大气模拟工具，HYSPLIT 后向轨迹模型可以有效模拟气块轨迹、污染物扩散和长距离传输过程，从而识别大气传输路径与表层土壤 MPs 空间异质性之间的潜在关联 [4]。轨迹结果也可以为验证 MPs 污染物的迁移和来源路径提供有用的支持证据。

在本研究中，我们调查了内蒙古三个高原湖盆（即 DH、DLH 和 WLG 盆地）土壤中 MPs 和 HMs 的分布及潜在来源。通过整合基于 PMF 的定量来源贡献分析、PLS-SEM 驱动的驱动因素量化和基于 HYSPLIT 的大气传输追溯，我们建立了一个多证据来源解析框架（PMF–SEM–HYSPLIT）。该框架从多个角度评估了 MPs 来源解析的可靠性，包括定量来源贡献、机制驱动路径和大气传输证据。

具体目标是：
(1) 比较三个典型高原盆地土壤中 MPs 和 HMs 的污染特征，并使用 PMF 模型定量解析其潜在来源。
(2) 使用 PLS-SEM 分析环境因素影响 MPs 丰度的途径，并阐明各种环境因素与 MPs 分布之间的直接和间接关系。
(3) 使用 HYSPLIT 模型追溯影响三个盆地的气块的大气迁移轨迹和传输路径。

本研究有助于阐明各种因素如何影响土壤中 MPs 的空间分布，并为高原湖泊 - 湿地生态系统中 MPs 潜在来源提供了新见解。研究结果还为未来关于定量来源追溯和土壤 MPs 分布驱动机制调查的研究提供了创新且系统的分析范式。

章节片段
研究区域
DH、DLH 和 WLG 盆地均位于内蒙古高原湖泊、河流和湿地的复合生态区内，该区以干旱至半干旱气候、高蒸发率和脆弱的生态环境为特征。地理位置上，DH 盆地是三个盆地中西南最西端的，代表典型的内陆湖盆地，而 DLH 盆地位于 DH 的东北部。WLG 盆地位于内蒙古高原东部，并且是

土壤重金属的空间变异及潜在影响因素
在 50 个土壤样品中量化了 HMs 浓度，其浓度范围如图 2 所示。各盆地 HMs 的平均值、最大值、最小值、标准差和变异系数总结在表 S2 中。各采样点间单个 HMs 存在显著的空间变异。在 DH 和 DLH 盆地中，土壤 HMs 的平均浓度遵循相似的降序：Mn > V > Cr > Pb > Zn > Ni > Cu > Co > Cd。相比之下，降序

结论
本研究系统调查了内蒙古高原三个代表性盆地表层土壤中 MPs 和 HMs 的分布特征。结果表明，研究区土壤 MPs 丰度变化显著，范围为 650 至 9,800 n/kg，DH、DLH 和 WLG 盆地的平均值分别为 4,693 n/kg、2,902 n/kg 和 2,147 n/kg。PMF 来源解析表明土壤 MPs 和 HMs 有五个共同来源，即大气

环境意义
量化微塑料（MPs）和重金属（HMs）的共同来源及空间分布模式，对于预防和控制在高原地区土壤生态系统中它们造成的生态影响至关重要。当 MPs 和 HMs 共存时，老化 MPs 的粗糙表面结构和官能团可以为 HMs 提供吸附位点，促进 MPs–HMs 聚集体的形成和共传输。在高原地区，土壤系统与河流、湖泊紧密相连，并

CRediT 作者贡献声明
甘志远：验证，软件。
郁付蓉：监督，资源，调查。
胡晓先：验证，软件。
苏春利：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，调查。
王鹏：写作 – 原稿撰写，软件，方法论，调查，形式分析，概念化。
罗佳佳：验证，软件。
杨志航：验证，软件。
王晓宇：验证，软件。

唐启月：验证，软件。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本论文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（批准号 42177078）和内蒙古自治区水资源基本调查项目的资金支持。作者衷心感谢同行评审专家和编辑提出的宝贵意见。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本研究报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
王鹏|苏春丽|于芙蓉|甘志远|胡晓先|杨智航|罗佳佳|唐启月|王小宇
中国地质大学环境学院及教育部地下水质量与健康重点实验室，中国 武汉 430074