关于微塑料对土壤氮循环影响的全球层次荟萃分析

《Environmental Research》：Global hierarchical meta-analysis of microplastic-induced changes in the soil nitrogen cycle

微塑料通过物理吸附和碳供应机制显著改变土壤氮循环，影响微生物群落及基因表达，温湿度条件加剧效应，提出精准管理策略。

　　

刘冰倩|方华军|程淑兰|郭一帆|史芳颖|王慧|陈龙|蒲海光|胡云哲|薛静|杨慧敏|尹家豪

中国科学院资源与环境学院，北京 100049，中国

摘要：

微塑料（MPs）通过改变土壤的物理化学性质和微生物群落，显著扰乱了土壤氮（N）循环，影响了土壤肥力和作物生产力。然而，大多数研究都是短期的，缺乏对微塑料类型、大小和浓度的全面评估。这项全球性元分析评估了微塑料对土壤氮循环的影响，探讨了微塑料特性的作用机制，并为精确的管理策略提供了依据。结果表明，高浓度（>1%）和微小粒径（1–100 μm）的微塑料通过物理吸附和降解提供的碳两种机制，同时增加了总碳（TC，+22.3%）、溶解有机碳（DOC，+23.0%）和微生物生物量碳（MBC，+23.5%），从而为土壤微生物提供了易于利用的碳源。尽管微塑料对总氮（TN）没有显著影响，但它们显著增加了NH₄⁺-N（+36.5%）并促进了NO₃^--N的消耗（?26.7%）。这种模式在温暖（10–30 °C）和湿润（>400 mm）的气候条件下更为明显，这可能是由于高温和高湿度条件下反硝化作用增强所致。功能基因的反应与这些化学变化紧密相关：1–100 μm的微塑料显著上调了反硝化基因nirK（+49.2%）和nosZ（+35.0%），直接推动了NO₃^--N的减少，而大颗粒（1000–5000 μm）和超细颗粒（<1 μm）的微塑料则优先刺激了硝化相关基因（aoa>4⁺-N的积累）。可生物降解的微塑料进一步释放了易分解的碳，导致nirK的丰度增加了24.2%，这解释了它们更强的反硝化促进作用。总体而言，微塑料的浓度、粒径和生物降解性共同通过首先改变碳的可用性和微环境条件，然后指导硝化或反硝化过程来调节土壤氮循环，这些效应在温暖和湿润的气候条件下更为显著。这些发现强调了微塑料作为生态调节者的作用，其影响远超传统的物理污染物，并为可持续氮管理和土壤污染缓解提供了重要见解。

引言

微塑料（MPs）被定义为小于5毫米的塑料颗粒，它们来源于较大塑料碎片的破碎（次级微塑料）或作为微米级材料有意制造（初级微塑料）（Zhang等人，2025年）。它们通过多种途径进入陆地生态系统，包括农业塑料薄膜的降解、污水灌溉、大气沉降和轮胎磨损（Rashid等人，2025年）。近年来，土壤中的微塑料污染日益严重，成为全球性的环境问题。每年约有3.67亿吨塑料废物被排放到环境中，其中相当一部分降解为微塑料（Ioni等人，2025年）。在中国某些地区，农业土壤中的微塑料浓度高达每千克4,536.6个颗粒，远超全球平均水平（Song等人，2025年）。微塑料在土壤中的积累对农业生态系统和生态系统服务构成了重大风险。微塑料破坏了土壤结构，阻碍了水分和空气的渗透，抑制了根系的生长，并减少了植物对养分的吸收，最终影响了植物的生长和产量（Mohasin等人，2025年；Yang等人，2025年）。此外，微塑料可以吸附重金属和有机污染物等有害物质，形成有毒复合物，威胁土壤生物，并可能进入食物链（Wang等人，2019年）。除了物理和化学效应外，微塑料还改变了土壤微生物群落，扰乱了关键的生物地球化学过程，包括氮循环，进而影响了土壤肥力和作物生产力（Ma等人，2024年）。

在这些过程中，微塑料对土壤氮可用性和植物氮利用效率（NUE）的影响引起了越来越多的科学关注。研究表明，微塑料的类型、粒径和浓度等变量会影响土壤氮的动态。例如，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）会负面影响土壤的通气和保水能力，抑制根系功能并减少植物对氮的吸收（Li和Liu，2022年）。特别令人担忧的是小于1微米的微塑料，因为它们可以渗透土壤孔隙并阻塞氧气和水分的扩散，从而阻碍矿化、硝化和反硝化等微生物过程（theana等人，2025年）。影响的程度取决于浓度：低浓度的微塑料（<0.1%）通常影响较小，而高浓度（>1%）则显著抑制氮的转化并降低植物的氮利用效率（Zhou等人，2024年）。证据表明，聚丙烯（PP）对氮的矿化、氨化和硝化有明显的抑制作用，导致土壤氮可用性降低，并对土壤肥力和生态系统功能构成风险（Dindar等人，2024年）。长期使用塑料薄膜会显著增加0–10厘米表土层中微塑料的积累，并通过改变土壤的物理化学性质和微生物活性来调节关键的土壤氮转化过程（Zhang等人，2025年）。此外，聚氯乙烯（PVC）在有氧条件下显著降低了土壤中的NO₃^--N浓度，同时增加了厌氧反硝化的潜力（Ma等人，2024年）。

微塑料还影响氮循环相关功能基因的丰度和活性。例如，发现聚乙烯（PE）微塑料会抑制包括AOA-amoA、AOB-amoA、nirK、nirS和nosZ等基因的表达，而聚丙烯（PP）的影响相对较小（Lin等人，2024年）。粒径的影响同样显著，因为较小的微塑料能更有效地与微生物相互作用，导致关键硝化基因的丰度减少了25–40%（Zhou等人，2024年）。此外，微塑料还可以改变氮气排放：1%的PE微塑料使N₂O排放增加了25%，NH₃排放减少了18%（Yu等人，2022年）。微塑料引起的土壤结构变化也与NO₃^-的淋溶增强有关（Wang等人，2024年）。尽管有这些发现，关于微塑料长期和大规模生态效应的研究仍然有限。大多数现有研究都是短期的，并在受控条件下进行，基于野外或跨区域的研究很少。此外，不同研究和环境条件下的研究结果存在很大差异。微塑料特性（如类型、大小、浓度）与多种环境变量之间的相互作用仍不完全清楚。

为了解决这些知识空白，这项元分析旨在：（1）综合全球关于微塑料污染对农田土壤中氮可用性、转化过程和气体排放影响的数据；（2）确定微塑料特性影响土壤氮循环的具体机制；（3）评估不同地区、土壤类型和气候条件下微塑料影响的差异。全面理解这些机制对于制定土壤管理策略、指导农业实践和制定环境政策至关重要。这项元分析还将支持开发和实施技术和干预措施——如可生物降解的替代品和土壤修复技术——以减轻微塑料污染并保护土壤生态功能和农业可持续性。

数据收集和文献筛选

进行了系统的文献搜索，以收集有关微塑料对土壤氮转化影响的相关数据。搜索的数据库包括Web of Science（http://apps.webofknowledge.com）和中国国家知识基础设施（CNKI）（http://www.cnki.net）。使用的关键词组合为：（“microplastic*” OR “nanoplastic” OR “plastic” OR “MPs”）AND （“nitrogen cycle” OR “nitrogen transformation” OR “N transformation” OR “nitrification” OR “denitrification” OR “DNRA” OR

研究的全球分布

为了评估全球范围内微塑料对土壤氮循环影响的研究情况，我们根据研究地点的纬度和经度分析了122项相关研究的地理分布（图1）。结果表明，研究主要集中在北半球，特别是在亚洲、欧洲和北美，南半球的研究数量明显较少。东亚（如中国和日本）和东南亚（如印度尼西亚）的研究也较少

微塑料富集对土壤碳和氮可用性的影响

我们的研究表明，当微塑料浓度超过1%，粒径在1–100 μm之间，并且是可生物降解类型时，微塑料显著增加了土壤中的碳含量。这些发现表明，作为人为来源的有机物质，微塑料可以通过多种途径参与并调节土壤碳的储存和动态。高浓度和微小粒径还改变了土壤中的无机氮组分，增加了NH₄⁺-N并减少了NO₃^--N，而总氮（TN）保持不变

结论

本研究系统地研究了微塑料及其不同特性（如粒径、浓度和生物降解性）如何影响土壤氮循环。研究结果表明，微塑料不仅通过直接影响土壤中的碳和氮含量来改变氮的可用性，还通过改变土壤的物理化学性质和参与氮循环的关键功能基因的表达来扰乱氮的转化过程。微塑料对氮循环的影响取决于其粒径

CRediT作者贡献声明

方华军：写作 – 审稿与编辑、可视化、监督、资金获取、概念构思。程淑兰：方法学、数据管理。郭一帆：可视化、调查。史芳颖：调查。刘冰倩：写作 – 原稿撰写、可视化、调查、正式分析、概念构思。薛静：调查。杨慧敏：调查。尹家豪：调查。王慧：调查。陈龙：调查。蒲海光：调查。胡云哲：

未引用的参考文献

Dindar, 2024; Ma等人，2024; Su等人，2022; Zhang等人，2025.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可在补充信息中的数据集S1中获取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32371725、41977041）、井冈山农业高科技产业示范区的“揭开清单”和技术项目（编号：20222-051244）、中国科学院的战略重点研究计划（编号：XDA0440404、XDA28130100）以及吉安市科技计划项目（编号：20244-018652、2024H-090166）的资助。