PED模型：一个从源头到终点的框架，用于描述塑料颗粒的传输、深海封存以及人类世地层学（Anthropocene stratigraphy）的过程

《Journal of Marine Systems》：The PED model: A source-to-sink framework for plastic particle transport, deep-sea sequestration, and Anthropocene stratigraphy

　　阿卜杜勒-里姆·埃尔蒂尼亚伊（Abdelrhim Eltijnai）、穆萨布·A.A. 穆罕默德（Musaab A.A. Mohammed）和雅诺什·盖格尔（Janos Geiger）
匈牙利塞格德大学地质系

**摘要**
近期关于海洋塑料预算的研究表明，估计的塑料输入量与观测到的表面浓度之间的明显差异可以通过垂直运输和深海封存过程来解释。然而，这些过程尚未充分整合到一个能够预测塑料运输和保存的沉积学框架中。在这里，我们提出了“塑料卷入-沉积”（Plastic Entrainment-Deposition, PED）模型，该模型将塑料颗粒视为受流体力学、水力等效性和早期成岩作用影响的沉积颗粒。通过将塑料纳入从源头到沉积地的框架中，该模型提供了对其在海洋环境中运输、分选和积累的过程性描述。通过对包括圣巴巴拉盆地（Santa Barbara Basin）和别府湾（Beppu Bay）在内的海洋盆地的年代地层记录进行综合分析，我们发现塑料封存可以通过三种途径来解释：表面平流、生物介导的垂直通量以及底部电流引起的底栖重新分布。我们还定义了“塑料层”（Plastic Stratum），这是一个具有全球一致性的现代人类活动时期，其特征是自1950年左右开始出现塑料颗粒，并伴随着颗粒数量的增加和聚合物种类的多样化。PED模型是一个概念性假设，它能够生成关于微塑料通量、颗粒大小分布和沉积模式的可验证预测，从而为理解塑料的长期地质命运提供了基于过程的模型。

**引言**
自20世纪中叶以来，合成聚合物已实现工业化生产，它们在自然系统中的积累现已变得不可逆转。与许多会随时间降解或分散的人为污染物不同，塑料持续存在，并逐渐以耐久的颗粒形式融入沉积环境中（Andrady, 2015; Chen et al., 2025; Thompson et al., 2004; Turner et al., 2018; Zalasiewicz et al., 2016）。本文中的塑料颗粒被定义为不同尺寸级别的合成聚合物碎片，包括微塑料（microplastics, MPs），除非另有说明。它们在20世纪中叶的沉积物中的首次广泛出现与“快速增长期”（Great Acceleration）的开始相吻合，为人类活动提供了一个连贯的地层信号，并可能成为定义“人类世”（Anthropocene）的标志（Weber and Lechthaler, 2021; Zalasiewicz et al., 2016）。尽管微塑料在环境中的普遍存在已有充分记录（Andrady, 2017; Rillig et al., 2024; Russell et al., 2023; Shang et al., 2025; Wang et al., 2019），但控制其运输、埋藏和保存的沉积学原理仍不完全清楚（Syvitski et al., 2020）。

**开放海洋的观测结果**
开放海洋中的微塑料浓度一直远低于全球生产和输入量的估计值，这引发了“缺失的塑料”问题（Cózar et al., 2014; Eriksen et al., 2014）。这一问题后来通过认识到垂直运输过程（如生物污损引起的沉降和底栖封存）得到了显著解决（Koelmans et al., 2017; Lebreton et al., 2018）。早期的研究则强调表面平流作用，并将塑料颗粒视为浮性示踪剂（Armitage and Rohais, 2025; Law et al., 2010），忽略了控制其垂直通量和深海沉积的机制。虽然垂直运输过程现已被广泛认为是关键机制（Chen et al., 2025; Galgani et al., 2022; Ikenoue et al., 2024; Kane et al., 2020; Pereira et al., 2025; Woodall et al., 2014），但它尚未系统地整合到沉积学运输框架中。从流体动力学的角度来看，这种早期的忽视反映了颗粒尺度物理过程的不充分考虑。在沉积学中，沉积物运输受颗粒大小、密度和流体速度的控制（Hjulstr?m, 1935; Shields, 1936）。塑料不应再被视为垃圾，而应被视为由合成聚合物组成的人为碎屑。尽管塑料起源于人工合成，但它们遵循流体力学定律，并能影响共运输沉积物的沉降行为（Parrella et al., 2025）。它们的运输发生在由低密度和高表面积与体积比决定的过渡流动状态下（Khatmullina and Chubarenko, 2019; Waldschl?ger et al., 2022; Waldschl?ger and Schüttrumpf, 2019a）。这一观点与将塑料视为新型沉积成分的最新研究（Russell, 2025; Russell et al., 2025）以及将塑料视为动态地质材料的框架（Rangel-Buitrago et al., 2026）相一致。

**现有术语**
现有的“人为物质”术语，如“技术化石”（Zalasiewicz et al., 2014）和塑料凝块（plastiglomerates, Corcoran et al., 2014），主要描述了塑料的来源或保存状态，而非其运输行为。虽然这些术语捕捉到了其存在的重要方面，但并未涉及其在沉积系统中的卷入、沉降和重新分布过程。在本研究中，塑料颗粒被视为沉积学框架中的人为碎屑，无需修改碎屑的定义。塑料颗粒的运输受到生物污损引起的密度变化的影响，这些变化改变了它们的水力等效性，进而影响其沉降和沉积路径。

**模型的核心概念**
该框架的核心在于认识到塑料颗粒表现为动态演变的颗粒。进入水环境后，它们会被一个称为“塑料圈”（Plastosphere）的微生物群落所定殖（Amaral-Zettler et al., 2020; Wright et al., 2020; Zettler et al., 2013）。这种定殖代表了成岩作用的早期阶段，可以解释为“原位成岩作用”。与保持相对恒定密度的矿物颗粒不同，塑料颗粒的密度会随时间变化（Amaral-Zettler et al., 2021; Kooi et al., 2017）。由此产生的生物地球化学界面促进了有机物的清除，并促进了与天然粘土颗粒的絮凝，从而改变了塑料颗粒的沉降速度（ωs）（Long et al., 2015; Michels et al., 2018）。这些过程导致了从表面平流到垂直沉降的转变，通过海洋雪（marine snow）将塑料颗粒输送到深海（图1）。

**模型开发**
本研究通过开发“塑料卷入-沉积”（PED）模型将塑料纳入沉积学框架。该模型应用了从源头到沉积地的（Source-to-Sink, S2S）动力学原理（Allen, 2008; Milliman and Syvitski, 1991），为塑料在地质记录中的全球分布提供了机制性解释。第2节讨论了塑料颗粒的物理性质和水力等效性原理；第3节介绍了PED模型并描述了三种主要的运输途径（表面、沉降和底栖）；第4节使用密西西比河三角洲（Mississippi Delta）和第勒尼安海（Tyrrhenian Sea）的实证数据集评估了该模型，并定义了新兴的“塑料层”；第5节提供了标准采样协议（SSP），用于回收和报告塑料颗粒浓度。

**塑料颗粒的物理性质和水力等效性的核心作用**
塑料颗粒占据了一个独特的沉积性质空间。它们的大小和形状是由制造和破碎过程决定的，而非机械风化作用（Wayman and Niemann, 2021），这挑战了传统的颗粒大小模型（Liang and Yang, 2023）。例如，纤维的细长形状导致沉降速度降低，因为其形状阻力较大，与相同质量的球形颗粒相比具有不同的临界剪切应力（Nguyen et al.,）。

**塑料卷入-沉积模型**
海洋沉积物的观测表明，微塑料并不遵循单一的运输路径，而是通过表面平流、垂直通量和底栖再分布进行重新分配。为了整合这些过程，我们提出了一个概念模型（图1），该模型根据三个主要变量预测塑料颗粒的扩散路径和最终沉积位置：初始颗粒性质、生物膜生长潜力以及沉积系统的能量。

**沉积学研究的新方向**
为了从污染研究转向高分辨率的年代地层学，我们提出了标准化采样协议（SSP），确保不同盆地收集的数据具有可比性，适合进行地质建模，解决了MP研究中普遍存在的方法学一致性和可比性问题（Hermsen et al., 2018; Hidalgo-Ruz et al., 2012）。

**局限性**
PED模型是一个概念性的、基于过程的框架，目前还不旨在提供塑料通量或积累率的定量预测。尽管它将已建立的沉积学原理与新兴的塑料运输观测结果相结合，但仍存在一些不确定性。在自然条件下，难以准确约束颗粒的沉降行为，因为海洋雪中的聚集和变化的湍流会显著影响颗粒动态。

**结论**
将塑料纳入沉积学框架是从描述性污染研究向基于过程的理解转变的必要步骤。通过将塑料颗粒视为受水力等效性、对比效应和形状依赖性阻力控制的海沉积颗粒，塑料卷入-沉积（PED）模型为解释其在沉积系统中的运输、重新分布和保存提供了统一的框架。

**未来方向**
虽然PED模型提供了理论基础，但从描述性监测向预测性建模的过渡仍需解决以下问题（表4）。

**作者贡献声明**
阿卜杜勒-里姆·埃尔蒂尼亚伊（Abdelrhim Eltijnai）：可视化、调查、正式分析、概念化、初稿撰写；
穆萨布·A.A. 穆罕默德（Musaab A.A. Mohammed）：验证、方法论、审稿与编辑；
雅诺什·盖格尔（Janos Geiger）：验证、监督、审稿与编辑、初稿撰写。

**未引用的参考文献**
De Leo et al., 2021
Geyer et al., 2017

**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的研究结果。