海洋塑料污染对碳循环的影响机制：Nature Sustainability研究解析 | 科学指南针

海洋塑料污染不仅威胁生态系统，还通过干扰生物地球化学过程影响全球碳循环。发表于《Nature Sustainability》（1区TOP，IF=27.1）的研究，通过耦合海洋塑料输运模型与生态系统模型，首次量化了塑料对海洋碳吸收能力的抑制效应。本文解析该研究的核心发现与创新点，科学指南针环境检测平台基于此类前沿成果，为海洋塑料污染及碳循环研究提供数据支持与技术方案。

研究背景与创新点

随着塑料废弃物持续增加，海洋塑料通过毒性效应、DOC释放和碳埋藏等路径扰动碳循环。该研究的创新在于：

• 模型耦合：整合NJU-MP塑料输运模型与Darwin生态系统模型，系统评估塑料对碳循环的三大影响路径。

• 多场景分析：通过156种参数组合的蒙特卡洛模拟，量化不确定性，明确塑料年减少海洋碳吸收最高达12.1 TgC。

• 尺寸效应发现：揭示塑料与浮游植物尺寸配对可缓解96%的毒性影响，为风险调控提供新视角。

Fig.1：模型结构示意图：塑料与海洋碳循环的耦合

核心结果解析

1.塑料碳埋藏路径​

模型显示，2020年全球海洋沉积物中年埋藏塑料碳0.13 TgC，海滩埋藏0.21 TgC，主要集中在近岸浅海区域（水深<100米）。亚洲东部沿海、北大西洋及北极地区因靠近排放源成为热点。

• 聚合物差异：PVC、PS等高密度塑料对埋藏碳贡献显著。

• 空间分布：超过75%的沉降发生于浅海，跨洋运输有限。

Fig.2：沉积物和海滩中的塑料碳埋藏。a,b,模拟的沉积物埋藏塑料碳（0.13 TgC yr⁻¹）。（a）海滩埋藏塑料碳（0.21 TgC yr⁻¹）（b）空间分布（颜色条从浅黄色到深蓝色表示埋藏碳的浓度变化范围）。（c）不同聚合物类型塑料的比例、质量及其对埋藏碳的贡献。（d）海面以下不同深度处沉降塑料的垂直累积质量我们选择2020年的碳储量为当前海洋塑料年埋藏碳量的基准）。a 和 b 中的底图来源于 Natural Earth。

2.DOC释放与碳通量变化​

塑料每年释放约0.25 TgC的溶解有机碳（DOC），主要分布于环流垃圾带和沿海区域。DOC虽被微生物利用，但对全球海洋CO₂通量影响微弱（年增加约0.0044 TgC）。

• 热点区域：北太平洋、印度洋等环流区DOC浓度最高。

• 酸化贡献：当前影响可忽略，但长期累积需关注。

Fig.3：海洋塑料释放的溶解性有机碳（DOC）对海洋碳循环的影响。a，海表DOC浓度变化。b，海-气二氧化碳通量变化。a 和 b 中的底图来源于 Natural Earth。

3.毒性效应对浮游植物及碳吸收的影响​

塑料毒性抑制浮游植物生长，导致部分海域CO₂通量净增加（年最高0.82 TgC）。硅藻等功能群响应差异显著，如太平洋垃圾带叶绿素增加7.2%，而印度洋等区域CO₂释放增强。

• 空间异质性：毒性效应受塑料类型、浓度及群落竞争调节。

• 缓冲机制：尺寸配对与群落竞争可减轻负面影响。

Fig.4：海洋塑料毒性效应对浮游植物群落和海洋二氧化碳通量的影响。a，无塑料影响下的海洋浮游植物生物量空间分布 (i)–(iv)。b，在“综合毒性效应（最大值）”情景下的浮游植物生长变化（红色和蓝色框分别标示太平洋垃圾带西部和东部区域）(i)–(iv)。b(v)，年平均海-气CO2通量的空间分布。b(v)，在“综合毒性效应（最大值）”情景下的海-气CO2通量变化。

研究结论与政策启示

海洋塑料通过毒性、DOC释放和埋藏三路径削弱碳吸收，预计到2050年累积碳损失达1.6 PgC。模型不确定性框架为政策制定提供科学依据，强调塑料治理需纳入全球气候议程。科学指南针环境检测平台依托模型验证与实地分析能力，支持海洋塑料污染、碳循环监测及生态风险评估，助力可持续发展目标实现。