《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Microplastics transport in subsurface environments: Mechanisms and multi-scale modeling
微塑料（MPs）是土壤、包气带和地下水中的持久性污染物，既可作为污染物本身，也可作为共污染物的载体。尽管关于其在地下环境中的来源与赋存的研究不断增多，但将这些认识转化为机理性与预测性的迁移模型仍然较为有限。不同于以赋存特征为中心的综述，本文采用面向模型的视角，考察如何在孔隙、土柱、包气带及场地尺度上表征微塑料来源特征、颗粒性质与迁移机制。研究人员综合了三个相互关联领域的最新进展：（a）与模型边界条件相关的来源及赋存模式；（b）控制微塑料迁移、滞留与再迁移的物理、地球化学与生物过程；以及（c）数值建模方法，包括连续介质迁移模型、变饱和包气带模型和孔隙尺度模拟。研究表明，微塑料不能被简单视为溶解态溶质或常规胶体，因为其宽粒径分布、不规则形态、密度差异、可变形性以及依赖老化过程的表面性质，会导致非菲克（non-Fickian）迁移、粒径依赖的筛滤、界面俘获以及动态附着–脱附行为。近期模型正越来越多地通过引入颗粒特异性滞留、双域交换、气–水界面过程以及多尺度参数化，对平流–弥散–反应（ADR）框架进行拓展；与此同时，晶格玻尔兹曼（LBM）、计算流体力学（CFD）和离散元模拟为颗粒–孔隙相互作用提供了机理约束。然而，在非饱和与优势流条件、生物介导迁移、场地尺度参数化以及微型计算机断层扫描（micro-CT）与孔隙尺度观测的尺度升级方面，仍存在重大缺口。因此，本文提出了一个聚焦的多尺度建模框架，将源项、基于过程的模型闭合、针对性实验与数据驱动参数化相联系，以提高对地下环境中微塑料污染的预测与风险评估能力。
1. Introduction
文章首先从全球塑料产量持续增长及其碎片化环境归趋出发，指出宏观塑料和中观塑料在机械磨损、紫外降解、水解和生物作用下不断破碎，形成粒径小于5 mm的微塑料（MPs）以及粒径小于1 μm的纳米塑料（NPs）。既有研究早期主要聚焦海洋累积区，但当前证据表明，土壤、包气带沉积物与地下水同样接收大量微塑料输入，并可能构成长期储库。文章强调，陆地与地下环境不仅是汇，而且是再分配域；不同来源类型控制输入强度、时间、颗粒组合与进入路径。农业覆膜、污泥或粪肥施用、再生水灌溉、垃圾填埋场渗滤液、轮胎磨损、暴雨径流入渗及污水管网泄漏，均可向浅层地下系统引入高度异质的微塑料组合。进入地下后，微塑料可经入渗、优势流及生物扰动向下迁移并进入包气带及含水层。文章进一步指出，地下多孔介质中的非均质流路、气–水界面和大孔隙结构，以及微塑料自身在粒径、形态、密度、弹性和表面化学上的高度差异，共同造成非均一、非平衡和非菲克（non-Fickian）迁移行为，从而对传统保守溶质模型和经典胶体过滤理论（CFT）构成挑战。基于此，本文提出核心问题：应在何种尺度上表征哪些关键机制，并依托何种实验约束，才能实现对土壤、包气带和含水层中微塑料迁移的预测。
1.1. Literature search and selection
本节说明文献检索与筛选遵循结构化流程，并参考PRISMA原则以提升透明性与可重复性。文献来源包括Web of Science Core Collection、Scopus、ScienceDirect，并辅以Google Scholar补充检索。检索时间范围为2018年1月至2026年3月，限定为英文同行评议论文。由于综述旨在评价微塑料迁移的机理与数值表征，因此优先纳入能够提供过程层面认识、模型构建、参数化策略或尺度传递启示的研究。检索式联合了微塑料/纳米塑料术语、地下环境术语及迁移/建模术语。去重后，作者基于标题、摘要及全文，按照预设纳入排除标准筛除与地下环境、颗粒迁移过程或迁移模型无关的研究，并提取环境背景、边界条件、颗粒性质、水力条件、主导机制、模型类型、控制方程、参数化方法、验证数据与局限性等信息，最终形成围绕源项、颗粒特异过程和滞留机制跨尺度数值表征的主题综合框架。
1.2. Source terms and occurrence patterns as constraints for transport modeling
本节指出，来源与赋存并非单纯的背景信息，而是约束模型边界条件和输入函数的关键因素。文章并不追求罗列所有已知来源，而是从建模角度筛选那些决定输入量级、发生时序、组成结构、空间分布与不确定性的来源信息。作者强调，建模关注点不只是微塑料“来自哪里”，更在于如何将不同来源类型转化为边界条件、脉冲负荷、汇流入渗以及颗粒性质分布。
1.3. Source categories as model input functions
作者将地下环境中的主要微塑料输入概括为三类模型输入函数。其一为农业输入，特点是时间上重复出现但波动性高，来源于农膜降解、污泥、粪肥、堆肥及再生水灌溉，且常含有不同粒径、密度、聚合物类型及风化状态的碎片与纤维，因此在模型中更适合表示为重复性、颗粒多样化源项，而非均一背景污染。其二为填埋场与渗滤液来源，这类来源局地性强、强度可能很高，降雨入渗、渗滤液形成、废物压实与衬层渗漏可促使微塑料进入包气带沉积物或含水层，因此宜被视为具有显著不确定性的点源或带状源，并尽可能显式表征释放速率、泄漏路径和颗粒组成。其三为城市径流、入渗及污水管网泄漏来源，主要通过暴雨径流、道路冲刷、入渗设施、透水铺装及地下基础设施泄漏输入地下，其颗粒如轮胎磨损颗粒与合成纤维在密度、弹性、表面包覆和添加剂组成上与农业来源颗粒不同，且常呈事件驱动、空间集中分布，因此不宜采用均一面源负荷假设，而应采用脉冲输入、汇流通道与基础设施控制入口的表示方式。
1.4. Occurrence patterns as field constraints for model evaluation
文章指出，野外观测和蒸渗仪实验普遍显示微塑料在表层土壤中浓度最高，尤其集中于0–10 cm层，反映出近地表的强滞留效应。但微塑料并不局限于浅层，小粒径颗粒，特别是小于100 μm者，可在降雨或灌溉入渗过程中随水下移，而根道、胀缩裂隙和生物大孔隙可促进偶发性深部迁移。生物再分配还可通过摄食–排泄循环将纤维和碎片带入洞穴衬层或更深土层。地下水方面，尽管证据仍有限，但市政井、浅层潜水含水层、喀斯特泉和河岸过滤系统中已检测到微塑料，这说明模型概念域应从表层土扩展至耦合包气带–地下水系统。同时，源通量、突破时间和颗粒性质分布仍缺乏约束，模型设定、校准和解释时需显式纳入这些不确定性。
1.5. Implications for model boundary conditions and source representation
本节总结认为，地下环境中的微塑料污染不能由单一、空间均一的输入函数描述。不同来源类型施加不同边界条件：农业系统多表现为持续或季节性重复加载，填埋场相关来源则具有局部性、泄漏控制性和高度不确定性，城市来源则多为间歇性、事件驱动且空间聚焦。进一步地，不同来源环境输出的微塑料颗粒组合在粒径谱、形态、密度、老化状态和表面特征上并不相同，而这些差异会直接影响过滤、筛滤、浮力再分配、异质聚集及固–水/气–水界面附着等过程。因此，源项表征应被视为模型构建的一部分，而非附属背景信息；连续或脉冲加载、弥散或聚焦进入、单分散或多分散颗粒级配等假设，都会显著影响预测的迁移深度、滞留剖面及突破行为。
2. Mechanisms of MP transport and implications for numerical modeling
本章围绕微塑料迁移的物理水动力学、地球化学及生物学机制展开，但重点不在一般性综述，而在其对数值模型构建、参数化和尺度传递的启示。作者强调，微塑料在尺寸异质性、不规则形态、可变形性、密度差和表面老化、生物膜定殖等方面的特征，使其行为仅部分与溶解态溶质和传统胶体重叠，因此需要在模型中显式表示那些最能突破经典框架假设的关键机制。
2.1. Physical and hydrodynamic processes
作者指出，平流和水动力弥散构成微塑料迁移的基础过程，但同时也揭示了传统平流–弥散或胶体过滤方法的不足。较小微塑料可较紧密地沿流线运动，其突破曲线有时接近保守示踪剂；而较大颗粒、长纤维和不规则碎片更易遭遇孔喉约束，发生筛滤、部分固定或在低流速区长时间停留。由此产生的提前到达、强拖尾或多峰突破曲线表明，单一有效弥散系数往往不足以描述微塑料迁移。作者进一步指出，虽然经典胶体过滤理论（CFT）可描述拦截、布朗扩散和重力沉降，但微塑料因形态不规则、可变形、密度对比明显且表面性质异质，常偏离其基本假设。尤其当颗粒尺度接近孔喉尺度时，筛滤会表现为物理俘获而非单纯附着沉积；沉积颗粒还可能堵塞集料位点、改变局部孔隙几何并促进后续滞留。风化或可降解微塑料由于表面更粗糙或更易形变，滞留可能增强；而密度差异会导致浮性聚合物在气–水界面或毛细带聚集，较重颗粒则可能在低渗区域优先沉积。因此，模型需要采用粒径依赖筛滤、形变相关俘获、密度驱动分选以及阻塞/熟化等状态依赖参数，而非固定一阶滞留系数。
2.2. Geochemical and surface interactions
本节强调，地球化学与表面相互作用决定附着、脱附与聚集是否能够用固定系数表征。环境暴露可通过氧化、生物膜形成及与溶解性有机质结合改变微塑料表面电荷、粗糙度、润湿性及其对土壤组分的亲和力。矿物表面的静电相互作用受离子强度和pH影响，疏水相互作用则可能增强有机质丰富土壤中的沉积，而溶解性有机质也可能通过形成空间位阻层或竞争吸附位点而提高迁移性。异质聚集同样重要，微塑料可与黏土矿物、铁铝氧化物及天然有机胶体聚集，从而改变其有效粒径、密度和表面特征；土壤有机质甚至可将微塑料包裹为可移动有机–塑料复合体，降低矿物黏附并促进迁移。由此，附着效率、聚集速率及有效颗粒性质均可能在时空上发生变化，实验室标定的固定相互作用系数难以稳定迁移到自然场地。
2.3. Biological controls
作者指出，生物过程是当前模型中表征最不足但潜在重要的组成部分。土壤动物尤其是蚯蚓可通过摄食、破碎和排泄重新分配颗粒，同时形成洞穴网络，构成生物学优势流路径。这种主动、非水动力再分配无法由扩散或基质流模型单独解释，且原本被认为不易迁移的纤维可能通过洞穴衬层或粪团进入更深层。微生物定殖则通过胞外聚合物（EPS）改变颗粒表面电荷、粗糙度和有效密度，进而影响聚集、附着和孔隙尺度堵塞；生物膜既可能将微塑料固定在EPS基质中，也可能改变局部导水率和流动路径。长期来看，生物扰动、生物膜发育和地球化学变化之间的耦合会产生动态非平衡条件，从而影响滞留和再迁移，这对当前模型构成明显挑战。
2.4. Preferential flow and macropore transport
本节认为，优势流是决定模型是否可以用单域迁移近似，抑或必须采用多域表述的核心问题。大孔隙、裂缝、胀缩结构和根道使微塑料在入渗事件中绕过缓慢基质流，已有野外和蒸渗仪研究表明，表层输入的微塑料可沿连通大孔隙网络迁移至远超均匀流模型预测的深度。但优势流并不必然增强迁移性，因为大孔隙与周围基质之间的侧向交换可能减缓整体输移，而孔隙入口处的过滤可限制较大或可变形颗粒通过。故而，大孔隙既可能是快速通道，也可能是暂时滞留区或移动域与弱移动域间的交换界面。简单将大孔隙视为旁路通道的模型难以再现实测差异，更合理的做法是引入双渗透或多域方法，显式描述交换通量、间歇激活和结构化土壤中的过滤过程。
3. Multi-scale numerical models and cross-scale parameterization of MP transport
本章系统评述微塑料地下迁移的多尺度数值模型。作者指出，由于微塑料与溶解态物质及传统胶体在粒径谱、形态、密度、可变形性和表面老化方面显著不同，建模工作必须在孔隙、土柱、包气带、含水层乃至流域尺度上同时考虑水动力学、地球化学和生物过程。现有模型虽已从简化平流–弥散公式发展为更具机理性的框架，但参数在尺度之间的一致传递仍然有限。
3.1. Pore-scale modeling and direct numerical simulation
作者认为，孔隙尺度模拟可提供土柱或野外观测难以直接获得的机制信息。借助微型计算机断层扫描（micro-CT）重建真实孔隙结构，并耦合晶格玻尔兹曼（LBM）、计算流体力学（CFD）、离散元法（DEM）或颗粒追踪求解器，可解析颗粒在粒级上的平移、旋转、形变、碰撞及孔壁相互作用。研究表明，控制颗粒运动的力平衡受粒径、形状、柔性、孔隙尺度速度梯度与表面化学共同影响；亚微米颗粒更多受布朗力和黏性力支配，而较大颗粒则更受流体阻力、接触应力和黏附作用影响。孔隙尺度模拟还揭示，筛滤并非仅由颗粒–孔隙尺寸比决定，颗粒可变形性、碰撞取向、表面粗糙度及聚集状态都会影响其穿越孔喉或被滞留的概率。此类模型的重要价值在于为大尺度模型提供闭合关系，如有效附着效率、脱附阈值、形变依赖筛滤准则及堵塞/解堵规则；但由于这些参数对局部几何、颗粒形态和瞬态流史高度敏感，尺度升级仍需依赖统计参数化、降阶模型或集合模拟。
3.2. Continuum-scale transport frameworks
在连续介质尺度，平流–弥散–反应（ADR）方程仍是描述饱和多孔介质中微塑料迁移的基础框架，通常用水相浓度与固相滞留浓度的耦合方程表示，并辅以一阶附着–脱附动力学。作者指出，该方法适用于拟合土柱突破曲线，但其内含假设是空间平均且时间不变的滞留行为。微塑料常打破这些假设：较大颗粒、长纤维和不规则碎片可能发生孔喉排斥、筛滤和粒径依赖固定，产生显著拖尾和非菲克（non-Fickian）输移。基于经典胶体过滤理论（CFT）的扩展通过引入粒径相关收集效率与黏附效率改善附着项表述，但仍默认球形刚性颗粒、清洁床层和相对稳定的表面作用。为适应微塑料特性，模型还需加入不可逆筛滤、阻塞或熟化函数、粒径分级附着效率及状态依赖参数。
3.3. Vadose-zone models and air–water interfacial retention
对于包气带，文章指出其控制机制包括水相中的平流–弥散运动、动态气–水界面、瞬态饱和度变化和毛细作用，水流通常由Richards方程表征。为了描述微塑料在气–水界面的滞留，模型常增设一个独立界面储库，并以界面比面积和界面附着速率控制传质。该表述对于聚乙烯、聚丙烯等浮性聚合物尤为重要，因为实验表明它们可在运动中的气–水界面富集，而入渗锋又可能使先前滞留的颗粒再迁移。润湿–干燥循环还会改变气–水–固三相几何结构、液膜厚度与界面面积，从而引发具有滞后性的俘获与释放行为。尽管如此，现有包气带模型仍缺乏关键参数约束，如界面附着速率、气–水界面面积、迁移阈值及气/水/固三相分配关系，并且通常简化了优势流、基质–大孔隙交换和生物再分配，因此未来需将Richards型流动模型与颗粒特异性滞留动力学、饱和度依赖界面项和多域交换公式更加紧密耦合。
3.4. Integrated catchment–river–aquifer models
在更大尺度上，微塑料会在坡面、河流、河岸带、河床带和含水层等相互连通的地表–地下水文单元间迁移。文章指出，集成的流域–河流–含水层模型正越来越多地采用拉格朗日颗粒追踪方法来模拟颗粒轨迹、停留时间、沉积、再悬浮及长距离输运。然而，多数大尺度模型仍将微塑料视为惰性或弱反应颗粒，忽略了在多孔介质中起主导作用的筛滤、聚集/解聚、生物膜介导性质变化、气–水界面俘获及聚合物特异密度与表面性质演化。因此，作者主张通过将水动力颗粒追踪与附着、筛滤、聚集、界面滞留和生物介导再分配等子模型耦合，构建混合型预测框架，以弥合场地尺度预测与孔隙/土柱尺度机理认识之间的脱节。
4. Experimental constraints for multi-scale model calibration
本章强调，实验与建模必须形成闭环，才能提高预测能力。作者提出，多尺度校准的目标在于把孔隙尺度机制、土柱突破行为、包气带多相过程和野外观测统一纳入连贯的参数约束框架。
4.1. Pore-scale visualization for validating model closures
孔隙尺度成像技术如微型计算机断层扫描（micro-CT）、共聚焦激光扫描显微镜和高分辨光学成像，可直接观察微塑料在真实孔隙网络中的轨迹、形变、架桥和困陷过程。特别是对纤维和碎片等非球形颗粒，这些观测能够揭示其弯折、重取向和折叠行为。与LBM、CFD和DEM模拟结合后，可进一步识别微尺度回流区、停滞点、孔喉约束及暂态聚集/解聚事件，为连续介质模型提取有效宏观参数提供依据。
4.2. Column and lysimeter experiments
土柱、蒸渗仪和入渗实验可在受控条件下生成突破曲线和滞留剖面，从而识别微塑料迁移对传统胶体理论的偏离，如非对称弥散、明显拖尾以及粒径依赖过滤或筛滤。通过系统改变颗粒粒径、形态、密度、表面老化状态、土壤质地、流态和化学条件，可分离附着、脱附、筛滤和再迁移的主导条件。其价值不仅在于标定附着/脱附系数，更在于揭示何时连续介质尺度假设失效，以及何时需要将阻塞、熟化、聚集和沉积–脱附转换等动态过程纳入模型。
4.3–4.5节进一步指出，包气带实验为饱和度依赖滞留、界面特异过程和多域交换提供约束；野外调查则用于检验实验室参数在自然边界条件、空间异质性和长期水文波动下的可迁移性；而分层贝叶斯、反演建模、数据同化、机器学习和物理约束数据驱动方法可辅助跨尺度参数识别与不确定性量化，但不应脱离机理基础而孤立使用。
5. Key challenges to predictive subsurface MP transport modeling
作者将当前预测性建模的主要瓶颈概括为六方面：其一，颗粒性质及环境转化高度复杂，导致附着效率、滞留系数、再迁移阈值和堵塞行为难以视为常数；其二，包气带多相过程表征不完整，尤其是气–水界面俘获、润湿–排水滞后、薄膜流与大孔隙交换尚缺乏可靠参数化；其三，生物作用贡献认识不足，生物扰动与生物膜发育尚未充分转化为模型参数；其四，从孔隙到场地的尺度升级困难，自然土壤中的团聚体、裂隙、大孔隙和生物通道使参数高度依赖局地条件；其五，高质量野外数据和边界条件稀缺，尤其是深层土壤、包气带沉积物和地下水中的微小颗粒监测不足；其六，水文、地球化学与生物过程的耦合表征仍较碎片化，缺乏可迁移的模块化耦合结构。
6. Conclusions and outlook
结论部分认为，微塑料地下迁移的核心特征在于其不可被简化为普通溶解质或常规胶体。宽粒径分布、不规则形态、密度差、可变形性、表面老化和生物膜定殖共同导致粒径依赖筛滤、动态附着–脱附、聚集、气–水界面俘获、润湿–干燥滞后及生物介导再分配等行为。文章的中心结论是，应将来源与赋存信息纳入模型构建本身，将农业、填埋场与城市来源分别转化为差异化边界条件与源项结构；同时，需要构建具有尺度意识的建模层级：孔隙尺度模拟提供闭合关系，土柱与蒸渗仪实验约束有效参数，包气带实验量化饱和度依赖滞留与再迁移，野外观测则用于检验参数在自然异质条件下的可迁移性。未来，只有将源项刻画、过程模型开发、控制实验、野外验证与不确定性分析更紧密整合，地下环境中微塑料迁移模型才能从描述性表征迈向可预测、基于过程且具尺度一致性的风险评估工具。
