水文季节性在尺度依赖的土地利用对河流微塑料污染的影响中起到了中介作用

《Water Research》：Hydrological Seasonality Mediates Scale-Dependent Land Use Effects on Riverine Microplastic Pollution

　　

陈秦伟|王鹏|刘茹|舒旺|刘光鹏|朱立新

江西师范大学地理与环境学院，中国南昌330022

摘要

河流是将陆地来源的微塑料（MPs）输送到海洋的主要途径，然而土地利用如何在不同空间尺度上影响河流中的微塑料分布仍知之甚少。本研究调查了袁河流域的微塑料情况，该流域具有明显的土地利用异质性。通过整合多变量统计方法和正矩阵分解（PMF），并利用2023年3月至2024年1月期间进行的六次野外调查数据，我们分析了水文季节性和多尺度土地利用对微塑料分布和来源的影响。微塑料的丰度表现出显著的时空变化特征：雨季的浓度（25,800 ± 17,120 个/立方米）显著高于旱季水平（12,240 ± 8,320 个/立方米），表明袁河流域的微塑料污染程度相对较高。值得注意的是，在高流量期间，次流域尺度的土地利用因素（43.4%）的影响超过了1公里圆形缓冲区的因素（19.6%），其中农田和森林布局，特别是最大斑块指数（LPI）和香农多样性指数（SHDI），是主要驱动因素。相反，在低流量条件下，1公里圆形缓冲区内的因素（41.4%）的影响超过了次流域尺度的因素（36.0%），主要受水体范围和河岸森林分布的影响。这种尺度依赖性的变化凸显了水文机制的作用——高流量时河流会整合并输送来自更广范围源区的微塑料，而低流量时则加剧了近岸输入的影响。PMF分析确定了三种主要的微塑料来源：城市生活污水（雨季占63.5%，旱季占75.5%）、农业活动（雨季占17.3%，旱季占17.7%）以及建筑和工业污染（雨季占19.1%，旱季占6.8%）。我们的研究结果强调了在风险评估中考虑水文季节性和跨尺度土地利用结构的必要性，并建议优先采取精细控制措施来治理城市生活污水和农业非点源污染。

引言

近几十年来，全球塑料产量不断增加，推动了社会经济发展，但也向环境中排放了大量废物（Stubbins等人，2021年），从而对水生生态系统和人类健康造成了持续的压力（Thompson等人，2024年）。到2022年，全球年塑料产量超过了4亿吨，估计每年有900万至2300万吨塑料废物进入河流、湖泊和海洋（Li等人，2024年；Nava等人，2023年）。微塑料（MPs，粒径小于5毫米）是环境塑料降解的主要产物（Koelmans等人，2022年；Thompson等人，2004年）。联合国环境计划（UNEP）将微塑料列为一种全球性新兴污染物，这一分类基于其微小的体积、难以降解的特性以及作为塑料增塑剂和阻燃剂等有毒物质载体的潜力（Tian等人，2023年）。研究表明，微塑料不仅会损害水生生物的生理功能（Li等人，2021年）、破坏群落结构并加剧水质恶化，还可能干扰关键的生物地球化学过程（Huang和Xia，2024年；Wu等人，2024年），包括碳和氮循环（Seeley等人，2020年；Su等人，2024年）。此外，微塑料可以在食物链中积累和生物放大，最终对人类健康构成潜在风险（Kozlov，2024年；Weiss等人，2021年）。

河流在陆地塑料污染物的传输和归宿中起着关键作用（González-Fernández等人，2023年；Lebreton等人，2017年）。作为流域内人类废物的主要接收者，河流生态系统不断积累大量塑料垃圾（van Emmerik等人，2023年）。同时，河流作为连接陆地与海洋的生态走廊，成为污染物跨介质传输的主要通道，尤其是微塑料进入全球海洋的主要途径（Strokal等人，2023年；Woodward等人，2021年）。尽管近年来关于河流微塑料污染的研究有所增加，包括采样方法、形态特征分析和污染评估等方面，但仍存在显著漏洞（Ivleva，2021年；Stock等人，2019年）。大多数现有研究依赖于零星或短期的采样活动，这限制了人们对由季节性和水文变化驱动的微塑料动态时空变化的全面了解（Li等人，2023年；Zhao等人，2024年）。

土地利用模式（如组成和空间配置）是理解河流微塑料污染驱动因素和来源分配的基础（Hu等人，2024年）。土地利用组成不仅决定了污染物的输入强度和途径，还影响了微塑料在流域内的传输、滞留和再迁移（Chen等人，2022年）。例如，城市建设用地通常伴随着高密度的生活污水和工业废水排放，是微塑料纤维和碎片的重要来源（Xu等人，2021年）；而农田则通过残余塑料地膜和其他农业塑料产品贡献了大量的薄膜状微塑料（Li等人，2024年）。空间配置指标（如最大斑块指数和景观多样性指数）进一步控制了污染源区域的连通性和空间分布，从而改变了不同季节和流量条件下进入河流的微塑料的数量和组成（Chen等人，2025年；Xia等人，2022年）。在选择研究空间尺度时，需要考虑土地利用与微塑料污染之间的关系。现有研究表明，微塑料污染对土地利用变化的响应存在明显的尺度依赖性（Liu等人，2023年；Wang等人，2023年）。然而，大多数先前工作仅限于土地利用与微塑料丰度之间的定性分析，不同土地利用类型与多个空间尺度之间的定量机制尚未得到充分探索（Zhang等人，2022年）。

在全球微塑料危机背景下，中小型河流中的污染过程和驱动机制仍缺乏了解。这一知识空白主要源于三个限制：缺乏连续的高频时间序列数据来描述季节性和年内的动态变化；对多空间尺度土地利用模式如何调节污染的定量评估不足；以及源分配研究的初步阶段。特别是，正矩阵分解（PMF）等定量方法与空间驱动机制的整合程度较低，严重阻碍了有效、基于科学的管理策略的发展。

为填补这些空白，本研究聚焦于中国南方的一条具有代表性的中小型河流。通过2023年3月至2024年1月期间的六次季节性采样活动，我们旨在探讨以下核心科学问题：多尺度土地利用模式如何在不同水文季节下调节河流中微塑料的时空分布、组成和来源？本研究的主要创新之处在于明确阐明了微塑料对土地利用的尺度依赖性响应。具体来说，本研究追求三个主要目标：（1）描述袁河流域中微塑料的时空分布；（2）量化不同季节土地利用的尺度依赖性效应，从而阐明控制主导空间尺度变化的水文机制；（3）结合基于PMF的源分配方法，确定不同微塑料来源的相对贡献。

节选

研究区域

袁河是赣江最大的支流，全长297公里，流域面积约为6,262平方公里。行政上，该流域涵盖了江西省平乡、宜春、新余和吉安四个地级市的部分地区，包括八个县级行政区（图1）。土地利用模式呈现出明显的纵向梯度：上游地区以森林山脉为主，中游地区则以...

袁河中微塑料丰度的空间和季节变化

在袁河流域的六次采样活动中，所有102个采样点都检测到了微塑料，表明其在水体中广泛存在。其丰度变化较大，支流中的浓度范围为4,250至104,450个/立方米，主河道中的浓度范围为4,400至50,200个/立方米（图2a–f）。空间分析显示，从上游到下游没有明显的浓度梯度；然而，主河道与其...

袁河在全球和国家尺度上的微塑料特征比较分析

袁河流域的微塑料（MP）浓度在整个水文期间都较高，雨季的浓度高于旱季（25,800 ± 17,120个/立方米 vs 12,240 ± 8,320个/立方米）。进行有意义的跨研究比较时，需要仔细考虑方法学的差异（表S3）。特别是，基于大体积拖网采样的研究通常报告的丰度较低，因为这些研究使用的网眼较大...

结论

本研究揭示，袁河中的微塑料污染程度相对于全球基准处于中等到高水平，带来了显著的生态风险。微塑料的存在具有明显的季节性特征，雨季的平均浓度（25,800 ± 17,120个/立方米）显著高于旱季（12,240 ± 8,320个/立方米）。水文过程是塑造这些时空模式和物理特性的主要自然因素。在雨季，增强的径流...

未引用文献

Li等人，2024年；Li等人，2021年；Xu等人，2023年

CRediT作者贡献声明

陈秦伟：撰写——初稿撰写、可视化、方法学设计、数据收集。王鹏：撰写——审稿与编辑、指导、经费申请。刘茹：软件使用、资源获取。舒旺：数据收集、数据分析。刘光鹏：资源协调、项目管理。朱立新：撰写——审稿与编辑、资源协调、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。