全球河流入海塑料通量研究

黃亞玲 鞠茂偉 穆景利

塑料因其輕便、耐用、耐蝕、價格低廉且用途廣泛等優點被全世界大量使用，為人類的生產、生活帶來諸多便利。但由于使用和管理不當等原因，陸地活動、濱海旅游、船舶運輸和海上養殖與捕撈等產生的塑料垃圾會排入海洋，加之塑料垃圾自身難以降解的特性，引發了一系列生態環境問題。現有研究普遍認為，陸源輸入是海洋塑料垃圾的主要來源，而入海河流則是陸源塑料輸入海洋的重要途經。明確河流在塑料遷移轉化過程中的作用及其入海塑料通量，有助于厘清海洋塑料的來源、傳輸路徑及物料平衡，為科學制定塑料陸源入海防治策略提供支撐。

研究現狀

1.從物理空間而言

（1）全球尺度研究現狀。Jambeck等人（2015）首次基于全球192個沿海國家和地區海岸帶50km范圍內人口數量、人均年垃圾產生量、塑料垃圾占總垃圾的比例、未合理管理的塑料垃圾比例以及可能進入海洋的未管理塑料垃圾比例（15%-40%）等因素估算入海垃圾通量，估測2010年全球有480萬-1270萬噸的塑料垃圾進入海洋[1]。Lebreton等人（2017）估算全球40760條河流入海塑料通量為115-241萬噸/年，且河流系統的入海塑料通量存在明顯的時空變異性[2]。其中，亞洲的入海塑料通量占全球入海通量2/3（67%）以上。在全球微塑料污染最嚴重的前20條河流中，我國占7條，而長江以每年輸運31萬-48萬噸成為全球輸運塑料垃圾量最大的河流。從時間尺度來說，74.5%的入海塑料通量集中在5-10月，峰值出現在8月，1月的入海通量最小。Schmidt等人（2017）估算了全球1350條河流入海微塑料、大塑料以及全部塑料的入海通量，結果發現排名前十的河流入海塑料通量占全球河流入海通量的88%-95%[3]。但是，現有全球尺度的研究均報道我國及主要河流的入海塑料通量對全球入海垃圾貢獻量大且數據驚人，導致中國陸源輸入海洋的垃圾問題在國際上產生重大不良影響。

（3）中國研究現狀。Bai等人（2018）通過建立物質流模型，估算我國2011-2017年塑料垃圾入海通量，并對2018-2020年進行預測[4]。該研究模擬了兩個情況：一是僅使用模型進行預測，二是考慮政府采取的塑料垃圾管控等措施影響情況下，基于模型對塑料垃圾入海量進行預測。結果表明，2011年我國進入海洋的塑料垃圾量為55-75萬噸，2011-2017年的年均增長率為4.55%。從2017年開始，無論是只考慮模型進行預測，還是考慮政府管控措施影響進行預測，垃圾入海量都快速下降。兩種預測結果所顯示數量上的差異（39-53萬噸），即為政府管控措施的影響。該模型結果修正了西方學者對我國入海塑料量的高估，受到國內外關注；同時揭示了我國入海塑料垃圾的重要來源，對今后國家制定管控政策和法規制定，消減我國海洋塑料垃圾產生量具有重要意義。

2.從方法學角度而言

精確估算全球尺度陸源塑料或微塑料入海通量難度較大，因此，開展區域或流域尺度的研究用以校驗全球尺度的結果顯得尤為重要。近年來越來越多的學者開始關注區域或者流域尺度入海塑料/微塑料通量研究，但目前大部分研究在發達國家或地區開展。通過對比全球尺度和區域尺度不同研究的結果發現，使用不同的數據、不同的方法估算河流入海塑料通量的結果存在較大的差異。而文獻調研獲得的數據與實測所得存在較大差異，這也是導致長江、珠江塑料/微塑料年入海量被嚴重高估的主要原因之一。針對這個問題，我國學者基于現場監測以及模型構建，估算長江、珠江入海塑料垃圾和微塑料通量[5][6]，結果遠低于國際上現有關于中國河流入海塑料或微塑料垃圾通量的估算。

存在的問題

1.全球尺度研究實測數據缺乏

現有全球尺度入海塑料通量研究主要通過文獻調研獲得數據，同時結合數學模型或概念模型進行估算。由于影響塑料從陸地到海洋遷移過程的因素眾多，且其遷移轉化過程研究存在較大空白，若缺乏實測數據會增加估算結果的不確定性，影響結果的準確性。如目前有關微塑料的來源、沉降和分解過程的數據較少，恰恰這對淡水生態系統塑料的尺寸和空間分布具有重要的作用。已有研究發現大河流中有可觀數量的微塑料并沒有輸出到海洋[7]。因此，若用單一的數學模型或概念模型估算全球尺度的入海河流塑料通量，從科學角度而言是不準確的。若未考慮國家或區域的法律法規以及管控政策，并采用研究區的實測數據，會導致估算結果存在較大的不確定性，甚至錯誤。

2.全球大部分研究僅用一次采樣數據

受氣候變化或變異性影響，河流水文狀況存在明顯的季節變化或年際變化，若僅用單次數據會產生較大不確定性和誤差，導致全年入海微塑料通量被高估或低估。

3.全球缺乏統一的監測和分析方法

迄今為止，大部分研究僅估算表層水的入海微塑料通量，而非全部通量，且采集的水深、水量以及用于估算入海塑料或微塑料通量使用的數據和估算方法也不一樣，這些均增加了估算結果的不確定性，降低了不同區域或流域研究結果的可比性。

4.我國對中小尺度近海流域的研究不夠

相比大流域，中小流域的影響因素相對單純，但其水文循環更容易受到洪澇、干旱等因素的影響，水體中塑料的遷移轉化過程則受到土地利用、大壩修建等人類活動和氣候、水文、土壤等自然因素雙重調控。此外，中小尺度流域相對較小的空間尺度，也避免了大尺度流域橫跨全球通量評估變化特征較大的區域。因此，在中小尺度流域系統地開展塑料或微塑料“源-匯”過程驅動機制及其入海塑料通量等研究，必將為大尺度流域及其他區域相關研究提供重要的借鑒和參考。

5.微塑料相關流域模型研究較少

我國淡水微塑料垃圾通量研究起步較晚，缺乏長期的監測數據和機理研究，因此微塑料的入海通量研究主要采用概念模型和數學模型等，暫未發現流域模型在國內應用的相關報道。國際上，一些研究者基于營養鹽或顆粒物的流域模型開發微塑料流域模型，如INCAContaminants，但由于缺少輸入到土壤和河流的微塑料量以及農業土壤中微塑料的含量，該研究也僅是提出一個概念模型，其模擬結果未能得到有效驗證[8]。

研究展望

1.開展長時間序列監測，提高觀測頻率

微塑料作為新興污染物，我國相關領域的研究尚處于起步階段，缺乏長時間、高頻率的監測數據，無疑會影響入海微塑料通量估算準確性，且不利于明晰其影響機制研究。水文特征是影響水環境微塑料遷移轉化過程的重要因素，將來可以考慮在水文數據便于獲取的站點開展長時間、高頻率監測。此外，需要加強表層、中層和底層微塑料的垂直觀測，有助于探究河流微塑料遷移轉化過程及相關的物理過程，提高對河流在陸地塑料傳輸到海洋的角色認識。

2.加強淡水環境中微塑料“源-匯”過程研究，強化微塑料流域模型開發力度

目前大部分關于河流生態系統微塑料研究主要關注表層水或底泥微塑料的形態特征及豐度的研究，今后需要加強多時空尺度監測和相關機理研究，包括污水處理場微塑料的去除率、河流微塑料的降解和滯留、未合理處置垃圾入河量、河流大塑料降解為微塑料比例及其相關影響因素、河流中大垃圾的滯留時間、源于陸地大塑料降解的微塑料量等[9]，有助于厘清微塑料的來源、遷移轉化途徑和歸趨，為機理模型構建提供基礎。但僅依靠傳統的監測和分析方法不僅費時費力，且難以系統闡明微塑料循環過程，需加大力度開發流域微塑料模型，有助于系統理解塑料或微塑料在環境中是如何富集，在哪里富集以及入海通量預測。

3.從土地利用和氣候變異性視角，研究山頂-海洋微塑料的驅動機制

土地利用和氣候變化是影響全球水環境問題的兩大驅動力?，F有研究普遍認為，土地利用等人類活動是影響河流水質的主要因素，而氣候狀況通過影響水文等其他因素間接影響水質，包括稀釋、濃縮以及非直接物質轉移等過程。已有研究表明，河流微塑料含量與城市化水平和人口密度、農業活動、流量、污染物指標等密切相關，說明微塑料的來源與其他污染物相似。中小尺度近海流域受人類活動和氣候變化雙重擾動劇烈，但是目前國際上關于從土地利用和氣候變異性等角度研究中小流域微塑料驅動機制的較少。如何有效地從氣候變異性和土地利用模式等角度揭示中小河流微塑料遷移轉化過程的驅動機制是值得深入探討的科學問題。