R

成果简介：

微塑料（MP）污染可能影响全球土壤碳（C）动态，但MP对土壤呼吸的影响及程度仍不清楚。我们进行了一项全球尺度Meta分析，以确定MP污染对土壤微生物和CO2排放的影响。我们发现，MP污染显著增加了土壤有机碳（SOC）（21%）和溶解性有机碳（DOC）（12%）的含量、荧光素二乙酸酯水解酶（FDAse）的活性（10%）以及微生物生物量（17%），但导致微生物多样性下降（3%）。特别是土壤碳组分和微生物生物量的增加进一步促进了土壤CO2排放（25%），但MPs对土壤C排放的影响远大于对土壤碳组分和微生物生物量的影响。其原因可能是MPs对微生物生物量和多样性的相反影响，土壤中MP的积累招募了一些功能重要的细菌，并为特定异养微生物提供了额外的碳底物，同时抑制了自养类群（如Chloroflexi, Cyanobacteria）的生长。该研究表明，MP污染可以通过引起土壤微生物群的变化来增加土壤CO2排放。这些结果强调了塑料污染对陆地碳通量以及气候反馈的潜在重要性。

背景介绍：

自人类世以来，由于废物管理不当和回收不足，约80%的塑料废物已经进入了陆地生态系统，导致土壤成为微塑料（MPs，粒径< 5 mm）的主要储存库。由于MPs富含碳且具有持久性，研究MP污染对土壤碳（C）排放的影响变得至关重要。MPs作为独立于光合作用和初级生产力的C源进入陆地生态系统，成为C循环的重要因素或组成部分。研究表明，MPs可以影响土壤有机碳（SOC）的稳定性和生物有效性，进而影响微生物对C的利用，并可能导致全球气候变化。其次，MPs对土壤CO2排放的影响可能取决于多种因素，如MPs的类型、尺寸和浓度、土壤类型以及实验条件（如持续时间、方法）。例如，可生物降解塑料被视为替代传统塑料以减轻土壤MP污染的绿色替代品。然而，它们通常被降解成更小尺寸的MPs，而不是完全分解，这意味着MPs对土壤C排放的潜在影响仍不确定。因此，综合现有证据以揭示MP污染如何调节土壤中的CO2排放是当务之急。

基于此，我们进行了一项全球Meta分析（来自125篇文章，共1102对观测数据）以探索MPs对土壤C排放和微生物的影响。我们假设：（i）MPs可以通过刺激微生物活动和增加微生物生物量来促进土壤CO2排放；（ii）在MPs暴露下，一些功能性微生物类群可能在土壤CO2排放中发挥关键作用；（iii）MPs对土壤CO2排放的影响可能在很大程度上取决于MPs的类型、尺寸、浓度、暴露时间、土壤类型和实验因素。本研究提供了MPs如何通过调节全球尺度的土壤微生物组来影响土壤CO2排放的新见解。

研究结果：

1.MPs促进土壤有机碳（SOC）向溶解性有机碳（DOC）的转化，从而为微生物提供更容易获取的碳源。充足的养分供给增加土壤微生物生物量，促进土壤CO2排放。然而，MPs释放的有毒添加剂可以通过抑制特定微生物类群来减少微生物群落的多样性，从而减少土壤CO2的排放。此外，各种因素（如MP性质、土壤类型和实验条件）都可能改变MP对土壤CO2排放的影响。

2.SOC，土壤有机碳；DOC，溶解性有机碳；MBC，土壤微生物生物量碳；MBN，土壤微生物量氮；FDAse，荧光素二乙酸酯水解酶；细菌多样性包括Shannon、Simpson、Chao和ACE指数；真菌多样性包括ShannonF、SimpsonF和ChaoF。地图线条描绘了研究区域，不一定表示公认的国家边界。

图2  采样点分布（a）和MPs对土壤CO2排放、SOC、DOC、MBC和MBN含量、酶活性和微生物多样性的影响（b）。

3.SOC，土壤有机碳；DOC，溶解性有机碳。

4.SOC，土壤有机碳；DOC，溶解性有机碳；MBC，土壤微生物生物量碳；MBN，土壤微生物生物量氮；FDAse，荧光素二乙酸酯水解酶。

5.MBC，土壤微生物生物量碳；MBN，土壤微生物量氮；细菌多样性包括Shannon、Simpson、Chao和ACE指数。

6.SOC、土壤有机碳的关系；DOC，溶解性有机碳；MBC，土壤微生物生物量碳；MBN，土壤微生物生物量氮；细菌多样性包括Shannon、Simpson、Chao和ACE指数；真菌多样性包括shannonF、simpsonF和ChaoF指数。

图6 土壤C与微生物多样性的关系（a）；土壤CO2排放与SOC（b）、DOC（c）、MBC（d）、MBN（e）的关系。

7.红线和蓝线分别表示因果关系的正负流动。线上的数字表示相关系数，细菌和真菌的Shannon指数计算与土壤SOC和DOC的相关性。***，P < 0.001；**，P < 0.01；*，P < 0.05。SOC，土壤有机碳；DOC，溶解性有机碳；MBC，土壤微生物生物量碳；MBN，土壤微生物生物量氮；FDAse，荧光素二乙酸酯水解酶。

结论：

我们提供的证据表明，MPs增加了土壤C库（部分原因很可能是塑料碳被捕获为土壤C）和微生物生物量，从而促进了土壤CO2的排放。总体而言，细菌对MPs的敏感性高于真菌，随着MP浓度的增加，两者的多样性都呈下降趋势。尽管MPs降低了土壤微生物群落的多样性，但微生物生物量的同时增加以及DOC与MBC/MBN/FDAse之间的正相关性表明，MPs可以招募降解塑料的微生物或为土壤微生物提供可利用的碳源，特别是异养微生物（如Proteobacteria，Actinobacteria，和Gemmatimonadetes）。因此，这些优势菌群的繁盛大大增加了土壤CO2的排放。特别是，可生物降解MPs对土壤CO2排放的积极作用更为明显。在MPs浓度为5%或暴露时间为30-60天时，MPs对土壤CO2排放的影响最大。本研究不仅推进了我们对MPs影响土壤生态系统的理解，而且鉴于这种影响的全球性，还强调了地球系统层面MPs对气候影响相关的潜在反馈机制。

该研究以“Microplastic pollution promotes soil respiration: A global-scale meta-analysis”为题发表于期刊Global Change Biology上。中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心博士生赵淑玲为论文第一作者，通讯作者为方临川研究员，共同作者包括德国柏林自由大学Matthias C. Rillig教授和崔勇兴博士，中国科学院成都山地灾害与环境研究所邴海健研究员，中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心崔庆亮、刘佰艳，西北农林科技大学邱天逸、边诗琪，西班牙全球生态研究所Josep Peñuelas教授，意大利帕多瓦大学Fazel Abdolahpur Monikh研究员，武汉大学陈静教授。该研究得到了国家自然科学基金重点项目（U21A20237）和中国科学院战略先导科技专项（XDB40020202）等基金的资助。

论文链接: https://doi.org/10.1111/gcb.17415