全球河流入海塑料通量研究

黄亚玲 鞠茂伟 穆景利

塑料因其轻便、耐用、耐蚀、价格低廉且用途广泛等优点被全世界大量使用，为人类的生产、生活带来诸多便利。但由于使用和管理不当等原因，陆地活动、滨海旅游、船舶运输和海上养殖与捕捞等产生的塑料垃圾会排入海洋，加之塑料垃圾自身难以降解的特性，引发了一系列生态环境问题。现有研究普遍认为，陆源输入是海洋塑料垃圾的主要来源，而入海河流则是陆源塑料输入海洋的重要途经。明确河流在塑料迁移转化过程中的作用及其入海塑料通量，有助于厘清海洋塑料的来源、传输路径及物料平衡，为科学制定塑料陆源入海防治策略提供支撑。

研究现状

1.从物理空间而言

（1）全球尺度研究现状。Jambeck等人（2015）首次基于全球192个沿海国家和地区海岸带50km范围内人口数量、人均年垃圾产生量、塑料垃圾占总垃圾的比例、未合理管理的塑料垃圾比例以及可能进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，估测2010年全球有480万-1270万吨的塑料垃圾进入海洋[1]。Lebreton等人（2017）估算全球40760条河流入海塑料通量为115-241万吨/年，且河流系统的入海塑料通量存在明显的时空变异性[2]。其中，亚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严重的前20条河流中，我国占7条，而长江以每年输运31万-48万吨成为全球输运塑料垃圾量最大的河流。从时间尺度来说，74.5%的入海塑料通量集中在5-10月，峰值出现在8月，1月的入海通量最小。Schmidt等人（2017）估算了全球1350条河流入海微塑料、大塑料以及全部塑料的入海通量，结果发现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，现有全球尺度的研究均报道我国及主要河流的入海塑料通量对全球入海垃圾贡献量大且数据惊人，导致中国陆源输入海洋的垃圾问题在国际上产生重大不良影响。

（3）中国研究现状。Bai等人（2018）通过建立物质流模型，估算我国2011-2017年塑料垃圾入海通量，并对2018-2020年进行预测[4]。该研究模拟了两个情况：一是仅使用模型进行预测，二是考虑政府采取的塑料垃圾管控等措施影响情况下，基于模型对塑料垃圾入海量进行预测。结果表明，2011年我国进入海洋的塑料垃圾量为55-75万吨，2011-2017年的年均增长率为4.55%。从2017年开始，无论是只考虑模型进行预测，还是考虑政府管控措施影响进行预测，垃圾入海量都快速下降。两种预测结果所显示数量上的差异（39-53万吨），即为政府管控措施的影响。该模型结果修正了西方学者对我国入海塑料量的高估，受到国内外关注；同时揭示了我国入海塑料垃圾的重要来源，对今后国家制定管控政策和法规制定，消减我国海洋塑料垃圾产生量具有重要意义。

2.从方法学角度而言

精确估算全球尺度陆源塑料或微塑料入海通量难度较大，因此，开展区域或流域尺度的研究用以校验全球尺度的结果显得尤为重要。近年来越来越多的学者开始关注区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发达国家或地区开展。通过对比全球尺度和区域尺度不同研究的结果发现，使用不同的数据、不同的方法估算河流入海塑料通量的结果存在较大的差异。而文献调研获得的数据与实测所得存在较大差异，这也是导致长江、珠江塑料/微塑料年入海量被严重高估的主要原因之一。针对这个问题，我国学者基于现场监测以及模型构建，估算长江、珠江入海塑料垃圾和微塑料通量[5][6]，结果远低于国际上现有关于中国河流入海塑料或微塑料垃圾通量的估算。

存在的问题

1.全球尺度研究实测数据缺乏

现有全球尺度入海塑料通量研究主要通过文献调研获得数据，同时结合数学模型或概念模型进行估算。由于影响塑料从陆地到海洋迁移过程的因素众多，且其迁移转化过程研究存在较大空白，若缺乏实测数据会增加估算结果的不确定性，影响结果的准确性。如目前有关微塑料的来源、沉降和分解过程的数据较少，恰恰这对淡水生态系统塑料的尺寸和空间分布具有重要的作用。已有研究发现大河流中有可观数量的微塑料并没有输出到海洋[7]。因此，若用单一的数学模型或概念模型估算全球尺度的入海河流塑料通量，从科学角度而言是不准确的。若未考虑国家或区域的法律法规以及管控政策，并采用研究区的实测数据，会导致估算结果存在较大的不确定性，甚至错误。

2.全球大部分研究仅用一次采样数据

受气候变化或变异性影响，河流水文状况存在明显的季节变化或年际变化，若仅用单次数据会产生较大不确定性和误差，导致全年入海微塑料通量被高估或低估。

3.全球缺乏统一的监测和分析方法

迄今为止，大部分研究仅估算表层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数据和估算方法也不一样，这些均增加了估算结果的不确定性，降低了不同区域或流域研究结果的可比性。

4.我国对中小尺度近海流域的研究不够

相比大流域，中小流域的影响因素相对单纯，但其水文循环更容易受到洪涝、干旱等因素的影响，水体中塑料的迁移转化过程则受到土地利用、大坝修建等人类活动和气候、水文、土壤等自然因素双重调控。此外，中小尺度流域相对较小的空间尺度，也避免了大尺度流域横跨全球通量评估变化特征较大的区域。因此，在中小尺度流域系统地开展塑料或微塑料“源-汇”过程驱动机制及其入海塑料通量等研究，必将为大尺度流域及其他区域相关研究提供重要的借鉴和参考。

5.微塑料相关流域模型研究较少

我国淡水微塑料垃圾通量研究起步较晚，缺乏长期的监测数据和机理研究，因此微塑料的入海通量研究主要采用概念模型和数学模型等，暂未发现流域模型在国内应用的相关报道。国际上，一些研究者基于营养盐或颗粒物的流域模型开发微塑料流域模型，如INCAContaminants，但由于缺少输入到土壤和河流的微塑料量以及农业土壤中微塑料的含量，该研究也仅是提出一个概念模型，其模拟结果未能得到有效验证[8]。

研究展望

1.开展长时间序列监测，提高观测频率

微塑料作为新兴污染物，我国相关领域的研究尚处于起步阶段，缺乏长时间、高频率的监测数据，无疑会影响入海微塑料通量估算准确性，且不利于明晰其影响机制研究。水文特征是影响水环境微塑料迁移转化过程的重要因素，将来可以考虑在水文数据便于获取的站点开展长时间、高频率监测。此外，需要加强表层、中层和底层微塑料的垂直观测，有助于探究河流微塑料迁移转化过程及相关的物理过程，提高对河流在陆地塑料传输到海洋的角色认识。

2.加强淡水环境中微塑料“源-汇”过程研究，强化微塑料流域模型开发力度

目前大部分关于河流生态系统微塑料研究主要关注表层水或底泥微塑料的形态特征及丰度的研究，今后需要加强多时空尺度监测和相关机理研究，包括污水处理场微塑料的去除率、河流微塑料的降解和滞留、未合理处置垃圾入河量、河流大塑料降解为微塑料比例及其相关影响因素、河流中大垃圾的滞留时间、源于陆地大塑料降解的微塑料量等[9]，有助于厘清微塑料的来源、迁移转化途径和归趋，为机理模型构建提供基础。但仅依靠传统的监测和分析方法不仅费时费力，且难以系统阐明微塑料循环过程，需加大力度开发流域微塑料模型，有助于系统理解塑料或微塑料在环境中是如何富集，在哪里富集以及入海通量预测。

3.从土地利用和气候变异性视角，研究山顶-海洋微塑料的驱动机制

土地利用和气候变化是影响全球水环境问题的两大驱动力。现有研究普遍认为，土地利用等人类活动是影响河流水质的主要因素，而气候状况通过影响水文等其他因素间接影响水质，包括稀释、浓缩以及非直接物质转移等过程。已有研究表明，河流微塑料含量与城市化水平和人口密度、农业活动、流量、污染物指标等密切相关，说明微塑料的来源与其他污染物相似。中小尺度近海流域受人类活动和气候变化双重扰动剧烈，但是目前国际上关于从土地利用和气候变异性等角度研究中小流域微塑料驱动机制的较少。如何有效地从气候变异性和土地利用模式等角度揭示中小河流微塑料迁移转化过程的驱动机制是值得深入探讨的科学问题。