长白山温带森林生态系统中土壤和降水中微塑料的特性及其与气象因素的关系

《Journal of Hazardous Materials》：Characteristics of microplastics in soil and throughfall and their relationships with meteorological factors in a temperate forest ecosystem of the Changbai Mountains

　　摘要
微塑料（MPs）可以通过大气长距离传输并沉积在偏远的森林中。然而，森林生态系统中微塑料的存在和行为仍缺乏足够的了解。本研究考察了长白山地区温带森林中微塑料的丰度、特征及其与气象因素的相关性。微塑料存在于土壤中（209.8 ± 9.6 件/kg），以及降水中（11.9 ± 0.7 件/100 mL），年降水中微塑料的沉积通量为 9.22 × 10^4 件/m^2·年。土壤中的微塑料主要为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），其中碎片形态占 31.1%，薄膜形态占 29.2%；而降水中的微塑料主要为聚氯乙烯（PVC），纤维形态占 35.7%，薄膜形态占 28.2%。小尺寸微塑料（1–100 微米）在降水中占 42%，但在土壤中仅占 19.7%。夏季的沉积通量最高。土壤和降水中的微塑料丰度与风速和湿度等气象变量存在特定的聚合物和形态相关性。这些结果表明，微塑料的沉积和积累可能与微塑料的性质和气象条件之间的复杂相互作用有关。因此，我们的发现强调了将树冠介导的大气输入和土壤动态纳入温带森林生态系统区域生态风险评估的重要性。

引言
塑料因其多功能性、经济可行性和化学稳定性而在全球范围内得到广泛应用[1]。到2019年，全球塑料产量已达到约4亿吨，尽管有广泛的回收计划，但仍有大量塑料垃圾最终会累积在环境中[2]。较大的塑料碎片会经历渐进的物理、化学和生物降解，形成微塑料（MPs），定义为尺寸小于5毫米的颗粒[3],[4]。由于微塑料具有较大的比表面积，它们具有吸收和输送多种污染物的能力，随着时间的推移，它们可能会释放有毒添加剂和降解产物[5],[6]。微塑料的持久性以及它们干扰生物过程和破坏生态系统功能的潜力，使它们被归类为重要的环境污染物[7],[8]。
早期关于降水中含有微塑料浓度的研究主要在巴黎（法国）、汉堡（德国）和伦敦（英国）等主要城市中心进行[9],[10],[11]。然而，作为新兴污染物，微塑料的出现并不仅限于人口密集地区[12]。最近的研究记录了在比利牛斯山脉、青藏高原和南极洲等偏远地区也存在微塑料[13],[14],[15]。这些发现表明，微塑料可以通过大气风力传输机制长距离传播，并随后沉积在包括远离主要城市中心的孤立生态系统中[12],[16]。森林作为覆盖全球约38%陆地面积的主要陆地生态系统，是微塑料全球循环和封存的重要但未被充分认识的储存库[17],[18],[19]。尽管有关农业生态系统中微塑料的研究很多，但由于数据不足，我们对东亚温带山区森林生态系统中微塑料的丰度和动态了解仍然有限[17]。因此，填补这些知识空白对于全面理解微塑料在陆地森林环境中的命运和生态风险至关重要[20]。
大气沉积是微塑料进入温带森林生态系统的主要途径，并受到降水量、相对湿度、风速、大气压和温度等各种气象因素的调节[18],[21]。降水通过从大气中捕获微塑料并促进其转移到陆地环境中起着关键作用[22],[23]。在降雨过程中，空气中的微塑料被雨滴带走，这种现象通常被称为“塑料雨”[24]。实证研究表明，微塑料的沉积动态强烈依赖于降水的发生和强度[13],[25]。较大的、形状不规则的颗粒（如纤维和碎片）由于碰撞概率较高且空气动力学稳定性较低，比较小或更球形的颗粒更有效地从大气中去除[24],[26]。这种形状依赖的空气动力学行为减少了它们的悬浮时间，从而更容易被雨滴拦截[13],[27]。值得注意的是，与干燥季节相比，潮湿季节微塑料的沉积率显著增加[28],[29]。研究表明，大气湿度的增加会提高微塑料的沉积率，同时抑制表面层的再悬浮[30]。这种现象是由于水分引起的颗粒聚集，增加了有效颗粒大小，从而增强了细小微塑料的重力沉降[25],[31],[32]。
除了气象条件外，微塑料本身的内在属性也对其大气传输行为有重要影响。风速对微塑料的传输和沉积有显著影响，这种影响取决于颗粒的大小和形态。较高的风速有助于小型纤维状微塑料的长距离传输，因为它们具有较低的沉降速度并且与气流的方向一致[33]。相比之下，较大或更紧凑的微塑料碎片在低风速条件下更倾向于沉积，因为它们的传输能力较低且重力沉降效率较高[13],[27]。因此，风速和方向的变化会影响微塑料的局部和长距离传输，从而在其分布模式中产生空间和时间上的异质性[13],[34]。此外，低气压和稳定性较差的大气条件会通过削弱垂直混合和增强细颗粒的重力沉降来促进微塑料的沉积[25],[35],[36]。相反，不稳定的大气条件可能通过促进微塑料在大气柱中的垂直传输和悬浮来延长它们的大气停留时间[25]。因此，研究大气中对微塑料传输和沉积的复杂多变的气象影响对于深入了解它们在温带森林生态系统中的沉积过程至关重要。

如上所述，气象条件与微塑料本身的内在属性（包括形状、大小和聚合物组成）共同显著影响它们的大气停留时间、传输距离、沉积率以及随后的土壤积累[27],[37]。大气中的微塑料主要呈现非球形形态，如纤维和碎片[11],[13],[30]。值得注意的是，据报道，纤维状微塑料的沉积面积是球形颗粒的3.4到9.9倍[10]。因此，非球形的增加与更广的水平 和垂直传输范围相关[26]。微塑料的平均大小取决于采样和分析的颗粒大小范围，导致不同研究中的大小组分存在显著差异[3],[38]。总体而言，大气中的微塑料通常比土壤中的微塑料更小[11],[13],[30]。土壤中微塑料的大小是决定其环境命运及其与土壤生物和植物相互作用的关键因素。此外，微塑料的毒性效应依赖于大小，较小的颗粒比较大的颗粒更具毒性[39],[40]。聚合物密度的变化也会影响微塑料的大气传输路径。密度较低的聚合物（如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）常见于大气沉降物中，而密度较高的聚合物（如聚氯乙烯（PVC）和聚酯（PES）则更倾向于沉积在陆地表面[30]。
最近的研究表明，长白山地区的微塑料污染最为严重，这归因于该地区东北部降雪量较大[41]。先前的研究表明，添加聚苯乙烯微塑料显著影响了根际土壤性质和细根特性，从而改变了这种混合温带森林生态系统中的多种树种的资源获取策略[8],[20]。在本研究中，我们对2023年一年内收集的土壤和降水样本进行了全面的定性和定量分析。主要目标是：（1）描述土壤和降水中华微塑料的丰度、大小分布、形态和聚合物组成；（2）研究微塑料特征与气象变量之间的关系。这项研究旨在提高对中国东北长白山地区温带森林生态系统中微塑料存在和环境动态的理解。

地点描述和样本采集
本研究在中国东北部长白山地区的混合森林中进行（图1）。该地区具有温带季风气候，年平均温度为4.8°C，年降水量约为793毫米，主要集中在5月至10月之间。森林土壤来源于火山灰沉积物，被分类为富含腐殖质的灰色森林土壤，pH值约为5.11，有机物含量较高。

土壤和降水中的微塑料丰度特征
在土壤和降水样本中均检测到了微塑料，表明它们在长白山温带森林生态系统中广泛存在。土壤中微塑料的最大和最小丰度分别出现在1月（238.8 件/kg）和3月（174.4 件/kg），而在降水中的这些数值分别出现在4月（15.1 件/100 mL）和8月（8.1 件/100 mL）（图2a；表S2）。从季节上看，降水中微塑料的丰度最高。

土壤和降水中的微塑料组成差异
本研究的一个显著发现是，在这个温带森林生态系统中，土壤和降水中的微塑料组成存在显著差异（图3）。具体来说，土壤中的微塑料主要由PET和碎片形态组成，而降水中的微塑料主要以PVC和纤维形态为主，这与先前的研究结果一致[18],[48],[49]。这些组成模式可能反映了地区间塑料使用情况的差异。

意义和结论
本研究为评估温带森林生态系统中的微塑料污染提供了几个重要的见解，特别是因为森林及其土壤已被认为是全球塑料污染的重要但未被充分认识的储存库[17]。土壤和降水中的微塑料组成差异强调了大气沉积作为微塑料进入森林土壤的主要途径的关键作用。值得注意的是，

环境影响
本研究突出了大气沉积作为微塑料进入森林土壤的关键途径，这一过程受到颗粒属性和气象条件相互作用的影响。降水中的微塑料与土壤中的微塑料特征不同，表明在大气-土壤界面存在选择性的传输和保留过程。降水中小尺寸微塑料的富集表明它们具有长距离传输和在土壤中垂直迁移的潜力。

作者贡献声明
谢磊：撰写——初稿，可视化，正式分析，数据管理。
寇新昌：方法论，调查。
郑星波：正式分析，数据管理。
戴冠华：撰写——审稿与编辑，监督，资源，方法论，调查，数据管理，概念化。
周英同：撰写——初稿，可视化，正式分析，数据管理。
冷明凯：方法论，调查。
王军妮：可视化，调查。
刘佳新：调查。

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
这项工作得到了中国自然科学基金（项目编号42171051）的财务支持。
谢磊|周英同|戴冠华|郑星波|寇新昌|郭伟|刘佳新|王军妮|冷明凯|徐世汉|刘小月|童泽军|杨琳青|王聪国|李梅和
中国教育部长白山地理过程与生态安全重点实验室；东北师范大学地理科学学院，长春，中国