我國沿海機動車輪胎磨損橡膠微粒釋放量初步估算

凌瑋，陳熙，高翊堯,，沈茜，田靜毅，安立會,*

1. 東北大學資源與土木工程學院，沈陽 110819 2. 東北大學秦皇島分校資源與材料學院，秦皇島 066004 3. 中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

微塑料通常是指最大尺寸<5 mm的纖維、碎片、薄膜和顆粒等形狀的塑料微粒[1]。微塑料體積小、難降解并且易于吸附環境污染物和病害微生物，一旦進入生物體就會對生物健康產生不利的影響，并會隨食物鏈傳遞最終對人體健康產生潛在風險[2-5]。2017年，第三屆聯合國環境大會鼓勵所有會員國根據當前海洋微塑料的來源和數量的現有知識，優先考慮在政策和措施層面制定管理對策，以避免微塑料進入海洋環境[6]。

環境微塑料主要來源于2個方面[7]，一是初生源(primary sources)，是指向環境中直接釋放塑料微粒的各種排放源，這些微粒可以是最初就添加在個人護理品中的塑料微珠，也可以是塑料在被動的磨損或使用中向環境中排放的微粒，例如，衣物洗滌釋放的纖維和機動車輪胎磨損產生的橡膠微粒；二是次生源(secondary sources)，即大塊塑料垃圾暴露在自然環境下，經過風化破損后形成的微塑料顆粒[8]，如廢棄塑料袋和漁網。盡管目前對于橡膠是否屬于微塑料還存在一定的爭議，但最新研究仍將橡膠微粒劃分入微塑料范圍[9-10]，因此，機動車輪胎與路面摩擦后釋放的橡膠微粒被認為是環境微塑料的最大初生源之一[11]。據估算，機動車輪胎磨損釋放的橡膠微粒占海洋微塑料排放總量的5%～10%，而空氣中PM2.5微粒也有3%～7%來源于機動車輪胎[12]。根據中國橡膠協會數據，2016年我國天然橡膠產量為77.4×104t，合成橡膠產量339.7×104t，橡膠輪胎產量高達94.7×106條，連續12年位居世界首位，可預測輪胎合成橡膠因摩擦向環境釋放的橡膠微粒總量不容忽視[13-14]。為從源頭加強環境微塑料管理和削減環境微塑料的潛在風險，急需對我國環境微塑料來源開展系統調查評估。

考慮到沿海地區排放的微塑料更易于進入海洋，本文基于我國沿海省各市機動車保有量和公路里程，初步估算了沿海地區機動車輪胎因摩擦向環境釋放橡膠微粒的量，以期為環境微塑料的管理提供科學依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區域

根據《2017年中國海洋統計年鑒》，我國沿海省份(包括自治區、直轄市)包括遼寧省、河北省、天津市、山東省、江蘇省、上海市、浙江省、福建省、廣東省、廣西壯族自治區和海南省。其中，遼寧省6個市，河北省3個市，山東省7個市，江蘇省3個市，浙江省7個市，福建省6個市，廣東省14個市，廣西壯族自治區3個市，海南省4個市、天津市和上海市，共計55個沿海城市[15]。

1.2 數據來源

本文統計了沿海各市公路總里程、高速公路里程、一級公路里程、二級公路里程、三級及以下公路里程和大、中、小型載客汽車、貨車和摩托車的保有量，具體數據來源如下：(1)統計年鑒，含國家、省和沿海各市統計年鑒；(2)公報，含國民經濟和社會發展統計公報和環境統計公報；(3)政府官網，含沿海各市政府官網、交通運輸局官網和交警隊官網；(4)數據估算。當某市缺少相關數據時，采用同省其他各市平均值替代。

在數據收集方面，筆者查閱了2015—2017年國家和沿海各省市工業和經濟發展統計年鑒、公報等，發現只有2016年的數據相對比較完整。同時，國外相關研究也是基于2016年的統計結果，因此為便于結果比較，最終確定以2016年為文章數據選取的基準年，并以2015、2017年數據作為必要補充進行數據統計；年鑒選擇上首先以地方年鑒數據為主，以各省和國家統計年鑒作為補充。如果地方、省級和國家年鑒均不能滿足數據要求，則以國民經濟發展公報與環境統計公報來對數據進行補充；若仍不能滿足數據需求，則在沿海各市政府官網、交通運輸局官網和地方交警隊官網上查找相關數據。數據統計遵循時效性、易得性和科學性原則，以確保數據質量。

根據上述年鑒統計數據，我國沿海公路總里程為56.30萬km，其中高速公路總里程為2.00萬km，一級、二級公路總里程為8.98萬km，三級以及三級以下公路總里程為45.32萬km。根據我國對機動車分類標準[16-17]，本文將機動車分為汽車和摩托車，汽車又分為乘用車和商用車，乘用車包括小、微型載客汽車，商用車包括大、中型載客汽車和貨車，小型客車包括轎車。在缺少小型和微型載客汽車數據情況下，用轎車替代乘用車進行估算。在這個數據統計原則下，2016年我國沿海市乘用車保有量為4 350.06萬輛，商用車保有量為747.76萬輛，摩托車保有量為1 580.98萬輛(表1和表2)。

1.3 估算方法

本文利用世界自然保護聯盟(IUCN)建立的經驗公式[18]，對我國沿海省市機動車輪胎磨耗釋放橡膠微粒量進行了初步估算。在估算過程中，筆者試圖采用我國的參數進行估算，但我國機動車輪胎工藝參數或采用了國際標準或當前沒有可用的相關參數。因此為了便于比較，本文估算參數取值也與IUCN方法保持了一致。

表1 中國沿海機動車保有量和類型Table 1 Vehicle ownership and types along the coast in China

注：乘用車是指小型載客汽車和微型載客汽車，而商用車是指大中型載客汽車和貨車。

Notes: Passenger vehicle includes light passenger vehicle and mini passenger vehicle; commercial vehicle includes medium passenger vehicle, large passenger vehicle, and truck.

表2 中國沿海公路里程Table 2 Road mileages along the coast in China

注：一級、二級公路并入城市公路計算，將三級及三級以下公路并入鄉村公路計算。

Notes: The first-class-highway and second-class-highway are regarded as urban road, and the third-class road and others are regarded as rural road.

(1)

(2)

(3)

式中：Esw是橡膠輪胎向水環境(地表水)中釋放微粒總量(t·a-1)；Esewer是橡膠輪胎向下水道中釋放微粒總量(t·a-1)；Esoil是橡膠輪胎向土壤中釋放微粒總量(t·a-1)；fair是空氣中含有橡膠微粒比例(PM10)；fpav是機動車輪胎因磨損而向周邊釋放微粒總量占周邊微粒比例；fsw是進入水環境微粒中橡膠粗微粒比例；fsoil是進入土壤環境微粒中橡膠粗微粒比例；fsewer是進入下水道微粒中橡膠粗微粒比例；EFwear是橡膠輪胎因磨耗向環境中釋放微粒的釋放因子(mg·km-1)；road type是公路類型；vehicle type是機動車類型；AR是每類機動車在每類公路上的行駛里程(106km)。上述各參數取值如表3和表4所示。

表3 橡膠輪胎釋放微粒參數表[18]Table 3 Parameters for calculating the emission of tire wear microparticles [18]

注：EFwear是橡膠輪胎因磨耗向環境中釋放微粒的釋放因子(mg·km-1)；fpav是機動車輪胎因磨損而向周邊釋放微粒總量占周邊微粒比例；fair是空氣中含有橡膠微粒比例(PM10)；fsoil是進入土壤環境微粒中橡膠粗微粒比例；fsw是進入水環境微粒中橡膠粗微粒比例；fsewer是進入下水道微粒中橡膠粗微粒比例。

Note: EFwearis the emission factor of tyre tread wear particulates per vehicle type per road type (mg·km-1); fpavis the fraction of car tyre wear that is available for run-off to adjacent soil and surface water and sewer; fairis the fraction of tyre tread particulates emitted into the air (fraction PM10); fsoilis the fraction of coarse particulates emitted into the soil; fswis the fraction of coarse particulates emitted directly to surface water; fseweris the fraction of coarse particulates emitted to the sewerage system.

表4 每類機動車在每類公路上的行駛里程Table 4 Activity rate per road type per vehicle expressed as traffic performance

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 我國沿海市機動車輪胎橡膠微粒釋放量估算

利用上述公式(1)～(3)，可估算我國2016年各省沿海市機動車(6 678.8萬輛)輪胎磨損釋放橡膠微粒為189 965.91 t (圖1)，相當于日本機動車(7 676.34萬輛)輪胎磨損橡膠微粒釋放量的79.23%(239 762 t)，顯著高于荷蘭機動車(961.23萬輛)橡膠輪胎磨損釋放量(8 834 t)和丹麥機動車(291.11萬輛)橡膠輪胎磨耗釋放量(6 721 t)，約是澳大利亞機動車輪胎磨損橡膠微粒釋放量的9.5倍[12]。從各省沿海市的釋放量來看，廣東省沿海市機動車輪胎釋放的橡膠微粒總量最大(45 772.13 t)，占我國沿海各市釋放總量的24.09%，約是意大利的91.54%(50 000 t)[12]；而廣西省沿海市機動車輪胎釋放的橡膠微粒總量最少(2 687.54 t)，僅占沿海各市釋放總量的1.41%。

需要指出的是，本文中上海市和天津市作為2個沿海市進行統計，估算其機動車輪胎微粒釋放量分別為9 795.23 t和9 244.30 t。從結果上看，兩市人口和經濟總量均明顯高于其他省的地級市，其橡膠微粒釋放量處于較高水平，如廣西自治區沿海各市的平均釋放量(895.85 t)僅為上海市釋放量的9.15%，是天津市釋放量的9.69%。

2.2 橡膠輪胎微塑料排放去向

從估算結果可知，我國沿海各市機動車輪胎磨損所產生的微塑料以鄉村公路的磨損釋放為主，其釋放量占橡膠微粒釋放總量的73.63%，而在高速公路的釋放量最少，僅占橡膠微粒釋放總量的0.55%(圖2)，這與鄉村公路和高速公路分別占公路總里程80.49%和3.55%的比值相近，說明機動車輪胎摩擦釋放微塑料主要取決于機動車行駛公路里程。另有研究表明，與瀝青混凝土路面相比，水泥混凝土路面能夠減少機動車輪胎磨耗50%[18]。而當前我國公路總體路面鋪裝率較低，其中32%的公路是無鋪裝路面，11%的路面為簡易鋪裝路面。在57%的鋪裝路面中，瀝青混凝土路面只有95萬km左右，占公路總里程的19%，水泥混凝土的占38%[19]。因此今后可通過發展水泥混凝土路面降低機動車輪胎的磨損，減少機動車輪胎的橡膠微粒釋放量。當然，機動車輪胎向環境中釋放的橡膠微粒量不僅與公路路面狀況、公路里程等相關，還與機動車類型和保有量有關。

圖1 2016年各省沿海市機動車輪胎磨損橡膠微粒釋放量Fig. 1 Emission of microparticles from vehicle tires wear along the coast in 2016 in China

圖2 2016年我國沿海市橡膠輪胎對不同公路類型的釋放量Fig. 2 Emission of microparticles from vehicle tires wear on different road types along the coast in China in 2016

對于機動車輪胎釋放微粒的具體去向(表5)，沿海鄉村公路和高速公路機動車輪胎釋放的橡膠微粒主要進入了土壤(90%)，而城市機動車釋放的橡膠微粒主要通過下水道進入環境(60%)，不同公路摩擦釋放的橡膠微粒顯示出不同的去向。同樣，各省沿海市機動車釋放的橡膠微粒也顯示出不同的去向(表6)，如廣東省沿海各市橡膠微粒釋放以土壤去向為主(75.83%)，而釋放到地表水的量(7.17%)低于釋放到下水道的量(17.00%)，并且遼寧、河北、天津、山東、上海、浙江、廣東、江蘇、福建和廣西的沿海各市表現出相似規律。然而，盡管海南省沿海各市橡膠微粒釋放去向仍以土壤為主(84.29%)，但釋放到地表水的量(8.86%)高于釋放到下水道的量(6.85%)，這與其他省份表現出不一致，這可能與海南省特殊的公路條件有關。

有研究表明，微塑料進入土壤后，不僅與土壤之間產生相互作用，影響土壤的微生物群落結構，還可能會對植物的營養傳輸產生不利影響，甚至可能會影響土壤接觸人群的健康[20-21]。因此，機動車輪胎磨耗釋放出的橡膠微粒對土壤的潛在影響需要及早引起關注。

2.3 機動車橡膠輪胎微塑料的環境賦存

上述估算結果表明，2016年我國沿海各市向環境釋放橡膠微粒總量為189 965.91 t。然而，在我國渤海、黃海和東海海域的水體和沉積物中檢出的各種材質微塑料顆粒中[22-28]，均未檢出橡膠材質微粒(順丁橡膠、丁苯橡膠和丁基橡膠)。這可能有2個原因，一是橡膠微粒因密度較大，進入水體后會快速沉積到沉積物中，傳輸距離較短而不會隨著地表徑流進入海洋；二是橡膠微粒體積微小(大部分<80 μm)[29]，當前分析方法還不能檢出。因此，盡管估算全球海洋中有5%～10%的微塑料來自于輪胎磨損釋放的橡膠微粒[12]，但對于輪胎橡膠微粒的環境行為還待于進一步深入研究。

表5 2016年我國沿海不同公路類型中機動車輪胎磨損橡膠微粒不同去向釋放量Table 5 Emission of vehicle tire microparticles per road type along the coast in China in 2016

表6 2016年我國沿海省(僅沿海市)機動車輪胎磨損橡膠微粒不同去向的釋放量Table 6 Emission of vehicle tire microparticles in coastal provinces (only cities along the coast) in China in 2016

2.4 橡膠輪胎磨損釋放微塑料的管理建議

盡管現有研究尚未在海洋環境中檢出橡膠微粒，但沿海各市向環境尤其土壤中釋放的橡膠微粒量較大，為削減輪胎磨損對海洋和土壤環境帶來的潛在危害，提出如下建議。

(1)開發環境微塑料高靈敏檢測方法。當前環境微塑料的檢測方式主要以目測挑選并結合儀器鑒定為主，對較大塑料微粒具有很好的檢出效果，但難于檢出極小塑料微粒(微米甚至納米級)，這就限制了對環境極小塑料微粒的檢測。通常情況下，尺寸較小的納米級微塑料更容易進入并累積到細胞和組織中[30]，這使得環境極小塑料微粒具有更大的環境意義。因此，急需通過提升儀器性能改進分析方法，提高對極小塑料微粒的分析能力。

(2)提高對橡膠微粒的攔截能力。控制公路釋放橡膠微粒的核心是限制橡膠微粒的擴散路徑，如在公路兩側的排水系統增加沉淀和過濾系統，在公路兩側增加自然植被吸收和滯留橡膠微粒。

(3)關注其他微塑料釋放源。除橡膠輪胎磨損釋放的橡膠微粒外，其他交通源釋放的微塑料也需及早引起關注，包括公路標識線涂料和城市道路鋪設的橡膠路面磨損等。

本研究的主要結論如下：利用世界自然保護聯盟(IUCN)提出的經驗公式，估算出2016年我國沿海各省(市)向環境釋放橡膠輪胎微粒189 965.91 t，其中廣東省沿海各市釋放總量最大(45 772.13 t)，廣西省最少(2 687.54 t)，并且橡膠輪胎在鄉村公路的磨耗釋放量最大(73.63%)；另外，土壤是橡膠微粒排放的主要去向，由此對土壤生態系統的潛在影響需引起足夠關注。