历史上积累的微塑料是否会影响覆有塑料薄膜的土壤中的二氧化碳排放及其对温度的敏感性？

《Applied Soil Ecology》：Do historically accumulated microplastics affect soil CO 2 emissions and their temperature sensitivity in plastic-film mulched soils?

本研究采集中国新疆塑料覆盖农田67份土壤样本，通过温度梯度培养实验发现，历史积累的微塑料浓度（0.4×10?-4.7×10? pieces/kg干土）与土壤CO?排放量及Q10值无显著相关性，但放线菌科丰度与两者呈显著正相关，提示微塑料可能通过影响放线菌间接调控碳动态。

　　

梅静文|胡新怡|舒浩|张彦霞|徐胜文|王凯|刘丽虎|杨宇毅|贾洪涛|余永祥|姚怀英

中国湖北省长江中游生物元素微生物转化与调控重点实验室，武汉理工大学环境生态与生物工程学院，武汉，430205

摘要

有研究表明，在受控实验条件下，微塑料可以促进土壤呼吸作用；然而，历史累积的微塑料与土壤二氧化碳（CO₂）动态之间的关系仍不清楚。本研究从使用塑料薄膜覆盖的农田中收集了67个土壤样本，并在温度梯度下进行了培养实验，以量化土壤CO₂排放量及其温度敏感性（Q₁₀）。同时测量了土壤中的微塑料含量、化学性质和微生物参数。微塑料含量范围为0.4 × 10⁴至4.7 × 10⁴个/千克干土，相应的质量含量为0.9–43.4毫克/千克干土。由于观察到的微塑料累积量相对较低，历史累积的微塑料浓度（以颗粒数或质量表示）与土壤CO₂排放量或Q₁₀值之间未观察到显著相关性。相反，放线菌似乎是CO₂排放及其热适应性的主要调节因子，而土壤有机质和碳氮比则分别作为影响CO₂排放和Q₁₀的次要因素。冗余分析表明，微塑料含量/质量与放线菌之间存在正相关关系，这表明实际的田间微塑料污染可能通过影响放线菌间接调节土壤碳动态。总体而言，我们的研究结果未发现微塑料与土壤CO₂动态之间存在显著关系，这意味着需要进一步研究历史累积的微塑料对土壤碳循环的生态风险。

引言

微塑料被定义为尺寸≤5毫米的塑料颗粒，由高分子量聚合物（根据ASTM D1986-14, 2021标准，大于10,000 Da）组成，如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龙）、丙烯酸、聚酯和聚苯乙烯。由于它们的持久性和潜在的生态毒性效应，微塑料已被广泛认为是全球性的污染物（Thompson等人，2024；Thompson等人，2004）。目前全球微塑料排放量估计为每年1000万至4000万吨，并预计在照常情况下到2040年将翻倍（Thompson等人，2024）。即使立即停止微塑料排放，由于现有塑料废物的持续破碎，其生态影响仍将持续数十年（Lau等人，2020）。微塑料污染已导致全球主要作物的年产量减少了1.1亿至3.61亿吨（Zhu等人，2025）。鉴于塑料的持续释放和大多数合成聚合物的低降解率，这种威胁预计将持续存在。

除了对作物生产力的负面影响外，陆地环境中的微塑料污染还与一系列有害的生态后果相关（Koelmans等人，2022；Wang等人，2024b；Weltmeyer和Ro?-Nickoll，2024），可能进一步导致碳（C）损失（Huang和Xia，2024）。微塑料已被确定为能够调节微生物活动和有机碳分解的全球变化因素（Chen等人，2025；Rillig等人，2019；Wang等人，2024a）。最近的一项荟萃分析表明，微塑料暴露可使二氧化碳（CO₂）排放量增加约25%（Zhao等人，2024），突显了它们在陆地碳平衡和气候反馈中的潜在作用。然而，评估微塑料在碳循环中的生态风险需要考虑历史累积的微塑料（MacLeod等人，2021；Qi等人，2025）。来自微塑料添加实验（特别是高剂量暴露实验）的发现可能会高估微塑料对土壤碳动态的实际影响。

根据“微生物挫败”假说，作为有机碳的一种形式，微塑料可以增加土壤中碳化合物的分子多样性，从而可能复杂化微生物对有机底物的整体处理过程（Rillig等人，2021）。与天然土壤有机碳（SOC）相比，这些低质量和复杂的碳化合物更难以分解，并且需要更高的活化能。因此，与“碳质量-温度”假说（Davidson和Janssens，2006）一致，微塑料的存在可能与微生物呼吸的温度敏感性（Q₁₀）升高有关，Q₁₀是一个关键参数，用于量化每升高10°C释放的额外CO₂量。

然而，微塑料也可能增加特定异养微生物（如变形菌和放线菌）的丰度（Zhao等人，2024）。这些分类单元相对丰度的变化可能导致在变暖条件下SOC分解的不同响应，因为放线菌比变形菌具有更强的降解顽固碳的能力（Berlemont和Martiny，2013）。这种功能差异可能在估计微塑料引起的SOC分解Q₁₀变化时引入不确定性。鉴于Q₁₀是地球系统模型中预测全球碳预算的关键参数，微塑料污染在调节不同土壤中Q₁₀的作用仍大部分未得到探索。

在中国干旱地区，广泛使用塑料薄膜覆盖通过保持土壤湿度和调节土壤温度提高了作物生产力（Bai等人，2024；Sun等人，2020）。然而，使用后塑料残余物的不完全回收导致农业土壤中微塑料的大量积累（Ding等人，2022；Wang等人，2022）。尽管塑料覆盖已被证明可以增加雨养高地的SOC池（Yu等人，2021）并通过改变微生物生态功能来改变SOC分解（Li等人，2022b），但累积的微塑料本身可能对区域碳动态产生显著影响（Li等人，2022a）。然而，干旱地区的非生物因素，如由于使用咸水灌溉导致的土壤碱化和高蒸发率（Zhang等人，2014），也起着关键作用。这些条件已被证明可以抑制CO₂排放并提高其Q₁₀（Yu等人，2020）。因此，微塑料可能不是这类土壤环境中CO₂释放的主要因素。

为了解决这一研究空白，我们从中国干旱地区的塑料覆盖农田中收集了土壤样本。本研究的目的是探讨历史累积的微塑料浓度与CO₂排放量或Q₁₀值之间的关系，并评估微塑料在调节CO₂释放及其温度敏感性方面的相对重要性。我们假设：（1）土壤CO₂排放量和Q₁₀随历史累积的微塑料浓度增加而增加；（2）微塑料不是控制这些土壤中CO₂排放量或Q₁₀的主要因素。

部分内容

土壤采样和基本性质测量

土壤样本取自中国新疆维吾尔自治区塑料覆盖农田的0–20厘米深度（图S1a）。收获后，从每个田地的三个随机选定点各收集约300克土壤作为混合样本。在土壤均匀化之前，移除了可见的作物残余物和石头。每个样本的一部分（100克）在室温下风干后用于后续的化学分析。测量了土壤的pH值和

土壤CO₂排放、温度敏感性及其与微塑料的关系

所有土壤的CO₂排放率范围为0.3至5.8毫克碳/千克土壤，相应的Q₁₀值范围为1.9至6.7（图1a）。土壤中的微塑料含量范围为0.4 × 10⁴至4.7 × 10⁴个/千克干土，质量含量范围为0.9至43.4毫克/千克干土（图1b）。统计分析显示，累积的微塑料含量（以颗粒数或质量表示）与土壤CO₂排放量（p > 0.12）或Q₁₀（p > 0.70）之间没有显著相关性（

土壤CO₂排放

与我们的第一个假设相反，未观察到微塑料浓度与土壤CO₂排放量之间的显著关系。这一发现表明，采样土壤中历史累积的微塑料可能不会显著改变SOC分解过程。我们的发现与报告微塑料添加后土壤呼吸作用增加25–54%的荟萃分析结果相反（Su等人，2024；Zhao等人，2024），这可能反映了微塑料的

结论

未观察到历史累积的微塑料与土壤CO₂排放量或其温度敏感性之间存在显著关系，表明实际田间的微塑料污染水平并未显著改变所研究土壤中的土壤有机碳分解或其热适应性。然而，放线菌成为调节土壤CO₂排放量和Q₁₀值的主要因素，而土壤有机质和碳氮比也起到了重要的调节作用

CRediT作者贡献声明

梅静文：撰写——原始草稿，方法论。胡新怡：方法论。舒浩：方法论。张彦霞：方法论。徐胜文：可视化。王凯：撰写——审稿与编辑。刘丽虎：撰写——审稿与编辑。杨宇毅：撰写——审稿与编辑。贾洪涛：方法论。余永祥：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，监督，方法论，概念化。姚怀英：撰写——审稿与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（U24A20626、42277109）、湖北省国际科技合作项目（2025EHA009）、武汉理工大学科学基金（K2023078）以及武汉理工大学研究生创新基金（CX2025176）的资助。我们感谢Ziyi Feng、Dandan Wang、Xing Li和Haoxin Fan的技术支持。