湖泊、湿地和水库中微塑料积累与迁移的差异机制：华北平原三种生态系统类型的比较研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Differentiated Mechanisms of Microplastic Accumulation and Migration in Lakes, Wetlands and Reservoirs: A Comparative Study of Three Ecosystem Types in the North China Plain

　　

孙光胤|郝思宇|孟欣|曹新宇|穆永超

河北工程大学能源与环境工程学院，邯郸056038，中国

摘要

淡水生态系统对微塑料（MPs）的传输和积累至关重要，然而它们在湖泊、湿地和水库中的存在和命运差异仍不清楚。本研究调查了华北平原的三个典型系统：白洋淀湖、永年洼湿地和岳城水库。通过系统采样和FTIR鉴定，我们比较了水体和沉积物中的微塑料，并分析了其来源和传输机制。微塑料无处不在，但在空间上存在异质性。水体中的微塑料含量顺序为岳城水库 > 永年洼湿地 ≈ 白洋淀湖（p < 0.05），而在沉积物中未观察到显著差异。纤维类微塑料占主导地位（56.1-79.3%），且水库中含有更多小颗粒。聚合物类型表明了不同的来源：白洋淀湖主要为生活和渔业来源，永年洼湿地主要为农业和生活来源，岳城水库则来源于多种水源的混合。生态风险也存在差异：由于含有危险聚合物（如PVC和PU），白洋淀湖和岳城水库的生态风险较高。机制分析表明，污染水平主要由人为活动的强度决定。水动力条件（例如，水库中的强烈扰动与湿地中的静止状态）控制着微塑料的悬浮-沉降平衡。此外，湿地植被对细小纤维颗粒具有显著的滞留和稳定作用。本研究首次阐明，水文连通性、植被结构和扰动特征决定了微塑料的区域差异和风险。针对这三个生态系统提出了相应的管理策略。

引言

微塑料（定义为粒径小于5毫米的颗粒）在环境中具有持久性，能够在水生系统中长期存在并抵抗降解[1]。作为一种新兴污染物，微塑料在各种环境介质中广泛存在，尤其是在湖泊、水库和湿地等淡水系统中[2][3][4]。这些淡水环境不仅是微塑料的主要汇集地，还是它们从陆地传输到海洋系统的关键通道，因此对于理解和管理全球微塑料污染至关重要。

近年来，许多研究记录了不同淡水生态系统中的微塑料污染情况，范围从高海拔湖泊到城市化流域[5][6][7]，表明微塑料的数量和组成表现出明显的空间异质性，这种异质性受到人为来源、水文条件和生态系统特征的共同影响[8][9]。对不同类型水体中微塑料传输的研究表明，其命运受到水动力条件、颗粒特性（如密度、大小和形状）、生物扰动以及物理化学环境因素（如盐度和温度）的共同调节[10][11]。在人口密度高或工业化程度高的地区，微塑料浓度通常较高，而水流和风驱动的湍流进一步影响其分布模式和最终沉积[3]。尽管人们对微塑料有了更多的了解，但在人类活动频繁的生态重要区域（如华北平原），系统性的评估仍然较少。在同一区域内具有不同功能的淡水生态系统（如天然湖泊、人工水库和湿地）之间的比较研究也非常有限，这限制了我们对生态系统类型如何调节微塑料滞留、传输和最终命运的理解。

华北平原是中国人类活动密集和水资源短缺最严重的地区之一[12][13]，对其淡水生态系统造成了巨大的污染压力。该地区包括白洋淀湖（一个大型浅水湖）、永年洼湿地（一个天然内陆湿地）和岳城水库（一个重要的饮用水源），这三个系统具有不同的功能、水文系统和生态结构[14][15][16]，为上述比较研究提供了理想的自然实验室。

基于这一背景，本研究的目的是通过“自然实验”系统地比较这三个代表性淡水生态系统中的微塑料污染特征，并探讨这些特征背后的主导机制。本研究具体要探讨的科学问题包括：（1）这三个生态系统中的水体和沉积物之间的微塑料污染负荷、颗粒大小分布和聚合物组成存在哪些定量差异？（2）这些差异如何反映不同的污染源输入结构和环境传输过程？（3）哪些关键环境因素（自然因素和人为因素）决定了微塑料在这些系统中的空间分布和生态风险模式？（4）根据上述发现，如何制定差异化的生态风险管理框架？

我们提出以下假设：（H1）作为下游积聚区且水动力扰动较强的岳城水库，其水体中的悬浮微塑料浓度将显著高于主要受沉降作用影响的湖泊和湿地系统；（H2）微塑料的形状和聚合物特性将作为“指纹”，准确反映每个系统中主要的人类活动（如旅游、农业和渔业）；（H3）湿地水生植被会通过物理拦截显著改变微塑料的颗粒大小分布，使细小颗粒富集。通过验证这些假设，本研究旨在为“生态系统类型如何调节微塑料命运”这一理论问题提供实证证据，并为华北平原及类似地区的微塑料精确管理提供科学依据。

章节摘录

研究区域和样本采集

白洋淀湖、永年洼湿地和岳城水库是河北省非常重要的典型淡水生态系统。它们不仅拥有独特的自然环境和生态价值，还是该地区重要的饮用水来源。白洋淀湖是华北地区最具代表性的大型淡水湖，被称为“华北明珠”[17]，在地区生物多样性保护中发挥着重要作用，并对水质产生深远影响

微塑料的数量和空间分布模式

所有采样点的水体和沉积物样本中都检测到了微塑料，证实了它们在该研究区域中的广泛存在。然而，三种生态系统之间的污染负荷存在显著差异（图2）。

水体中的微塑料含量存在统计学上的显著差异（p<0.05）。Games-Howell事后检验显示，岳城水库中的平均微塑料含量（5911 ± 3167个/立方米）显著高于其他系统

污染负荷差异的机制调节过程

本研究最显著的发现是，岳城水库水体中的微塑料浓度显著高于湖泊和湿地系统，而沉积物中的浓度在三者之间没有显著差异。这种“高水-低沉积物”的分离模式凸显了水库生态系统在调节微塑料命运中的独特作用。与作为“通流系统”的河流或具有强沉淀作用的湿地不同

结论

通过对华北平原的白洋淀湖（湖泊）、永年洼湿地（湿地）和岳城水库（水库）进行系统比较，本研究揭示了生态系统类型对微塑料污染模式和风险的深刻调节作用。主要结论如下：

• (1)
  污染负荷具有系统特异性差异：作为密集人类活动和水动力扰动的共同产物，岳城水库中的微塑料浓度显著高于其他系统

CRediT作者贡献声明

曹新宇：数据整理、验证。郝思宇：撰写——初稿、正式分析、研究、方法学。穆永超：监督、资金筹集。孙光胤：研究、方法学、撰写——初稿、概念化。孟欣：监督、概念化、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了河北省高等教育机构科学研究项目（项目编号CXZX2025065）的支持。