微塑料（MPs）广泛存在于陆地生态系统中，但关于不同土地利用类型土壤中MPs的老化特性及其对有机碳组分的影响尚不清楚。青藏高原被誉为“世界屋脊”，对全球气候变化高度敏感，具有重要的生态功能，进入陆地生态系统的MPs代表一种碳源，将影响土壤碳库。本研究将聚乙烯（PE）和生物可降解（Bio）的MPs分别以0%、0.03%和0.3%（w/w）的剂量添加到青海省草地、农田和设施大棚土壤中，进行为期八周的室内培养。通过量化羰基指数（CI）来探究MPs的老化程度；同时分析土壤有机碳（SOC）及其组分颗粒态有机碳（POC）、矿物结合态有机碳（MAOC）和微生物残体碳的变化。旨在为控制MPs污染和明确MPs对陆地碳库的影响提供数据支撑，同时为调节高寒生态系统碳平衡的重要碳库——青藏高原的生态保护提供理论依据。

结果表明：与原始MPs相比，所有经过处理的PE-MPs的傅立叶变换红外光谱在2920、2850、1460和720 cm^-1处显示出的四个特征吸收峰（对应于-CH₂-振动）明显变弱（图 1a）。培养八周后，在不同的土地利用类型土壤中，Bio-MPs在2950 cm^-1处的峰值（-CH₂-振动）变弱（图 1b）。在草地和设施大棚土壤中，Bio-MPs在1715、1453和727 cm^-1处出现了微弱的吸收峰，分别为C=O和C=C的振动，以及苯环C-H键的平面外变形。

培养后的MPs发生老化，0.03% PE-MPs的CI值从0.05升至0.27（农田）和0.26（设施大棚）（图1c, p < 0.05）。农田和设施土壤中PE-MPs的CI值明显高于草地（p < 0.05）。0.03%和0.3% Bio-MPs的老化程度在草地土壤中最为显著，CI分别下降了46.6%和69.0%（图1d, p < 0.05）。MPs的CI值与其添加量呈负相关。农田土壤中Bio-MPs的CI比值明显高于设施大棚和草地（p < 0.05）。

图1 原始MPs和不同土地利用类型土壤中处理八周的PE和Bio-MPs的傅里叶变换红外（FTIR）光谱和羰基指数（Carbonyl index, CI）

与对照（CK）处理相比，0.3%的PE-MPs使草地和设施大棚土壤中的SOC含量分别减少了8.2%和6.0%（图2，p < 0.05）。在草地和设施大棚土壤中，MPs处理增加了MAOC含量，降低了POC含量（p < 0.05），在农田土壤中也有同样的趋势，但不显著。0.03% Bio-MPs处理后，草地和农田土壤中的溶解性有机碳（DOC）含量分别增加33.1%和38.3%，而所有土地利用类型中的土壤微生物生物量碳（MBC）含量都显著下降。0.3%PE和 Bio-MPs处理使设施大棚土壤中的MBC（41.2%和37.5%）含量明显下降。

在含有0.3% PE-MPs的草地和农田土壤中，细菌残体C含量下降，约为对照处理的一半；但在设施大棚中，细菌残体C含量提高了51.2%（p < 0.05）。与CK相比，0.03% PE-MPs处理的草地和农田土壤中，真菌残体C分别降低了0.40 g kg^-1和 0.48 g kg^-1（p < 0.05）。在Bio-MPs处理的草地土壤中，微生物残体C对SOC的贡献率比CK处理提高了30.5%（p < 0.05）。

图2 不同添加量PE-MPs和Bio-MPs处理的草地、农田和设施大棚土壤中有机碳组分的变化

PE-MPs和Bio-MPs 的CI值与其添加量呈负相关（图3a、b，p < 0.05）。农田和设施大棚土壤中的POC含量随着PE-MPs CI值的增加而减少。随着Bio-MPs CI值的增加，真菌残体C含量降低（图1d、2g、3b，p < 0.05）。MP类型、用量及其交互作用对农田土壤中真菌残体C有显著影响。此外，MP类型对草地土壤中细菌残体C的影响最大，占34.5%（p < 0.01）。

PE-MPs添加量直接影响土壤养分（DOC和TN）（r∂ = -0.39，p < 0.05）和pH值（r∂ = -0.53，p < 0.01）（图3c）。酶活性（BG、NAG和AP）受pH值和养分的影响，而pH值和养分直接影响MBC（p < 0.01）。此外，Bio-MPs的添加量影响pH值和土壤养分（r∂ = -0.40，p < 0.05）（图3d）。土壤养分（DOC、DON和TN）和 pH 值对酶活性有很强的正向影响（p < 0.001）。pH值（r∂ = -0.58，p < 0.01）和酶活性（r∂ = 0.89，p < 0.001）与真菌残体C直接相关，最终影响SOC。

图3 整个培养期间土壤有机碳组分、酶活性、养分、MPs老化指数（羰基指数）和MPs剂量之间的相互作用（a和 b），每对指标（节点）之间的直线代表强正（红色）或负（绿色）相互作用（p < 0.05）。偏最小二乘路径分析结果（PLS-PM）（c和d）表明了MPs与土壤酶活性、养分、微生物生物量、微生物残体碳和土壤有机碳之间的关系。r_∂表示路径系数，*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001。

综上，经过八周的培养，所有土地利用类型土壤中的MPs 都经历了老化。农田土壤（CI: 0.15-0.27）和设施大棚土壤（CI: 0.15-0.26）中PE-MPs的老化程度高于草地土壤（CI: 0.06-0.07），而且随着添加量从0.03%增加到0.3%，老化程度显著降低。草地土壤中Bio-MPs的老化程度最高，其次是设施大棚和农田土壤，并受到土壤胞外酶活性的显著影响。草地和设施大棚土壤受MPs（尤其是PE）污染会导致C损失，不利于碳封存。与CK相比，0.03%和0.3%的PE-MPs处理使农田土壤中的真菌残体C分别减少20.7%和14.0%（p < 0.05）。此外，MPs的添加量通过土壤pH值、养分和胞外酶活性直接或间接调节真菌残体C含量，最终影响土壤C库。因此，本研究表明MPs通过影响土壤微生物酶活性和真菌残体而对SOC动态产生强烈影响（图4）。

图4 PE和Bio-MPs对青海省草地、农田和设施大棚土壤有机碳的影响过程

本研究以“Mechanism of polyethylene and biodegradable microplastic aging effects on soil organic carbon fractions in different land-use types”为题发表于国际知名期刊《Science of the Total Environment》。西北农林科技大学资源环境学院张海鑫博士研究生为论文第一作者，黄懿梅教授为通讯作者。该研究工作得到了第二次青藏高原综合科学考察研究-专题“土地利用变化及其环境效应”（2019QZKK0603）项目的资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723075903?dgcid=author