我国沿海机动车轮胎磨损橡胶微粒释放量初步估算

凌玮，陈熙，高翊尧,，沈茜，田静毅，安立会,*

1. 东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819 2. 东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，秦皇岛 066004 3. 中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

微塑料通常是指最大尺寸<5 mm的纤维、碎片、薄膜和颗粒等形状的塑料微粒[1]。微塑料体积小、难降解并且易于吸附环境污染物和病害微生物，一旦进入生物体就会对生物健康产生不利的影响，并会随食物链传递最终对人体健康产生潜在风险[2-5]。2017年，第三届联合国环境大会鼓励所有会员国根据当前海洋微塑料的来源和数量的现有知识，优先考虑在政策和措施层面制定管理对策，以避免微塑料进入海洋环境[6]。

环境微塑料主要来源于2个方面[7]，一是初生源(primary sources)，是指向环境中直接释放塑料微粒的各种排放源，这些微粒可以是最初就添加在个人护理品中的塑料微珠，也可以是塑料在被动的磨损或使用中向环境中排放的微粒，例如，衣物洗涤释放的纤维和机动车轮胎磨损产生的橡胶微粒；二是次生源(secondary sources)，即大块塑料垃圾暴露在自然环境下，经过风化破损后形成的微塑料颗粒[8]，如废弃塑料袋和渔网。尽管目前对于橡胶是否属于微塑料还存在一定的争议，但最新研究仍将橡胶微粒划分入微塑料范围[9-10]，因此，机动车轮胎与路面摩擦后释放的橡胶微粒被认为是环境微塑料的最大初生源之一[11]。据估算，机动车轮胎磨损释放的橡胶微粒占海洋微塑料排放总量的5%～10%，而空气中PM2.5微粒也有3%～7%来源于机动车轮胎[12]。根据中国橡胶协会数据，2016年我国天然橡胶产量为77.4×104t，合成橡胶产量339.7×104t，橡胶轮胎产量高达94.7×106条，连续12年位居世界首位，可预测轮胎合成橡胶因摩擦向环境释放的橡胶微粒总量不容忽视[13-14]。为从源头加强环境微塑料管理和削减环境微塑料的潜在风险，急需对我国环境微塑料来源开展系统调查评估。

考虑到沿海地区排放的微塑料更易于进入海洋，本文基于我国沿海省各市机动车保有量和公路里程，初步估算了沿海地区机动车轮胎因摩擦向环境释放橡胶微粒的量，以期为环境微塑料的管理提供科学依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区域

根据《2017年中国海洋统计年鉴》，我国沿海省份(包括自治区、直辖市)包括辽宁省、河北省、天津市、山东省、江苏省、上海市、浙江省、福建省、广东省、广西壮族自治区和海南省。其中，辽宁省6个市，河北省3个市，山东省7个市，江苏省3个市，浙江省7个市，福建省6个市，广东省14个市，广西壮族自治区3个市，海南省4个市、天津市和上海市，共计55个沿海城市[15]。

1.2 数据来源

本文统计了沿海各市公路总里程、高速公路里程、一级公路里程、二级公路里程、三级及以下公路里程和大、中、小型载客汽车、货车和摩托车的保有量，具体数据来源如下：(1)统计年鉴，含国家、省和沿海各市统计年鉴；(2)公报，含国民经济和社会发展统计公报和环境统计公报；(3)政府官网，含沿海各市政府官网、交通运输局官网和交警队官网；(4)数据估算。当某市缺少相关数据时，采用同省其他各市平均值替代。

在数据收集方面，笔者查阅了2015—2017年国家和沿海各省市工业和经济发展统计年鉴、公报等，发现只有2016年的数据相对比较完整。同时，国外相关研究也是基于2016年的统计结果，因此为便于结果比较，最终确定以2016年为文章数据选取的基准年，并以2015、2017年数据作为必要补充进行数据统计；年鉴选择上首先以地方年鉴数据为主，以各省和国家统计年鉴作为补充。如果地方、省级和国家年鉴均不能满足数据要求，则以国民经济发展公报与环境统计公报来对数据进行补充；若仍不能满足数据需求，则在沿海各市政府官网、交通运输局官网和地方交警队官网上查找相关数据。数据统计遵循时效性、易得性和科学性原则，以确保数据质量。

根据上述年鉴统计数据，我国沿海公路总里程为56.30万km，其中高速公路总里程为2.00万km，一级、二级公路总里程为8.98万km，三级以及三级以下公路总里程为45.32万km。根据我国对机动车分类标准[16-17]，本文将机动车分为汽车和摩托车，汽车又分为乘用车和商用车，乘用车包括小、微型载客汽车，商用车包括大、中型载客汽车和货车，小型客车包括轿车。在缺少小型和微型载客汽车数据情况下，用轿车替代乘用车进行估算。在这个数据统计原则下，2016年我国沿海市乘用车保有量为4 350.06万辆，商用车保有量为747.76万辆，摩托车保有量为1 580.98万辆(表1和表2)。

1.3 估算方法

本文利用世界自然保护联盟(IUCN)建立的经验公式[18]，对我国沿海省市机动车轮胎磨耗释放橡胶微粒量进行了初步估算。在估算过程中，笔者试图采用我国的参数进行估算，但我国机动车轮胎工艺参数或采用了国际标准或当前没有可用的相关参数。因此为了便于比较，本文估算参数取值也与IUCN方法保持了一致。

表1 中国沿海机动车保有量和类型Table 1 Vehicle ownership and types along the coast in China

注：乘用车是指小型载客汽车和微型载客汽车，而商用车是指大中型载客汽车和货车。

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

表2 中国沿海公路里程Table 2 Road mileages along the coast in China

注：一级、二级公路并入城市公路计算，将三级及三级以下公路并入乡村公路计算。

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是橡胶轮胎向水环境(地表水)中释放微粒总量(t·a-1)；Esewer是橡胶轮胎向下水道中释放微粒总量(t·a-1)；Esoil是橡胶轮胎向土壤中释放微粒总量(t·a-1)；fair是空气中含有橡胶微粒比例(PM10)；fpav是机动车轮胎因磨损而向周边释放微粒总量占周边微粒比例；fsw是进入水环境微粒中橡胶粗微粒比例；fsoil是进入土壤环境微粒中橡胶粗微粒比例；fsewer是进入下水道微粒中橡胶粗微粒比例；EFwear是橡胶轮胎因磨耗向环境中释放微粒的释放因子(mg·km-1)；road type是公路类型；vehicle type是机动车类型；AR是每类机动车在每类公路上的行驶里程(106km)。上述各参数取值如表3和表4所示。

表3 橡胶轮胎释放微粒参数表[18]Table 3 Parameters for calculating the emission of tire wear microparticles [18]

注：EFwear是橡胶轮胎因磨耗向环境中释放微粒的释放因子(mg·km-1)；fpav是机动车轮胎因磨损而向周边释放微粒总量占周边微粒比例；fair是空气中含有橡胶微粒比例(PM10)；fsoil是进入土壤环境微粒中橡胶粗微粒比例；fsw是进入水环境微粒中橡胶粗微粒比例；fsewer是进入下水道微粒中橡胶粗微粒比例。

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 每类机动车在每类公路上的行驶里程Table 4 Activity rate per road type per vehicle expressed as traffic performance

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 我国沿海市机动车轮胎橡胶微粒释放量估算

利用上述公式(1)～(3)，可估算我国2016年各省沿海市机动车(6 678.8万辆)轮胎磨损释放橡胶微粒为189 965.91 t (图1)，相当于日本机动车(7 676.34万辆)轮胎磨损橡胶微粒释放量的79.23%(239 762 t)，显著高于荷兰机动车(961.23万辆)橡胶轮胎磨损释放量(8 834 t)和丹麦机动车(291.11万辆)橡胶轮胎磨耗释放量(6 721 t)，约是澳大利亚机动车轮胎磨损橡胶微粒释放量的9.5倍[12]。从各省沿海市的释放量来看，广东省沿海市机动车轮胎释放的橡胶微粒总量最大(45 772.13 t)，占我国沿海各市释放总量的24.09%，约是意大利的91.54%(50 000 t)[12]；而广西省沿海市机动车轮胎释放的橡胶微粒总量最少(2 687.54 t)，仅占沿海各市释放总量的1.41%。

需要指出的是，本文中上海市和天津市作为2个沿海市进行统计，估算其机动车轮胎微粒释放量分别为9 795.23 t和9 244.30 t。从结果上看，两市人口和经济总量均明显高于其他省的地级市，其橡胶微粒释放量处于较高水平，如广西自治区沿海各市的平均释放量(895.85 t)仅为上海市释放量的9.15%，是天津市释放量的9.69%。

2.2 橡胶轮胎微塑料排放去向

从估算结果可知，我国沿海各市机动车轮胎磨损所产生的微塑料以乡村公路的磨损释放为主，其释放量占橡胶微粒释放总量的73.63%，而在高速公路的释放量最少，仅占橡胶微粒释放总量的0.55%(图2)，这与乡村公路和高速公路分别占公路总里程80.49%和3.55%的比值相近，说明机动车轮胎摩擦释放微塑料主要取决于机动车行驶公路里程。另有研究表明，与沥青混凝土路面相比，水泥混凝土路面能够减少机动车轮胎磨耗50%[18]。而当前我国公路总体路面铺装率较低，其中32%的公路是无铺装路面，11%的路面为简易铺装路面。在57%的铺装路面中，沥青混凝土路面只有95万km左右，占公路总里程的19%，水泥混凝土的占38%[19]。因此今后可通过发展水泥混凝土路面降低机动车轮胎的磨损，减少机动车轮胎的橡胶微粒释放量。当然，机动车轮胎向环境中释放的橡胶微粒量不仅与公路路面状况、公路里程等相关，还与机动车类型和保有量有关。

图1 2016年各省沿海市机动车轮胎磨损橡胶微粒释放量Fig. 1 Emission of microparticles from vehicle tires wear along the coast in 2016 in China

图2 2016年我国沿海市橡胶轮胎对不同公路类型的释放量Fig. 2 Emission of microparticles from vehicle tires wear on different road types along the coast in China in 2016

对于机动车轮胎释放微粒的具体去向(表5)，沿海乡村公路和高速公路机动车轮胎释放的橡胶微粒主要进入了土壤(90%)，而城市机动车释放的橡胶微粒主要通过下水道进入环境(60%)，不同公路摩擦释放的橡胶微粒显示出不同的去向。同样，各省沿海市机动车释放的橡胶微粒也显示出不同的去向(表6)，如广东省沿海各市橡胶微粒释放以土壤去向为主(75.83%)，而释放到地表水的量(7.17%)低于释放到下水道的量(17.00%)，并且辽宁、河北、天津、山东、上海、浙江、广东、江苏、福建和广西的沿海各市表现出相似规律。然而，尽管海南省沿海各市橡胶微粒释放去向仍以土壤为主(84.29%)，但释放到地表水的量(8.86%)高于释放到下水道的量(6.85%)，这与其他省份表现出不一致，这可能与海南省特殊的公路条件有关。

有研究表明，微塑料进入土壤后，不仅与土壤之间产生相互作用，影响土壤的微生物群落结构，还可能会对植物的营养传输产生不利影响，甚至可能会影响土壤接触人群的健康[20-21]。因此，机动车轮胎磨耗释放出的橡胶微粒对土壤的潜在影响需要及早引起关注。

2.3 机动车橡胶轮胎微塑料的环境赋存

上述估算结果表明，2016年我国沿海各市向环境释放橡胶微粒总量为189 965.91 t。然而，在我国渤海、黄海和东海海域的水体和沉积物中检出的各种材质微塑料颗粒中[22-28]，均未检出橡胶材质微粒(顺丁橡胶、丁苯橡胶和丁基橡胶)。这可能有2个原因，一是橡胶微粒因密度较大，进入水体后会快速沉积到沉积物中，传输距离较短而不会随着地表径流进入海洋；二是橡胶微粒体积微小(大部分<80 μm)[29]，当前分析方法还不能检出。因此，尽管估算全球海洋中有5%～10%的微塑料来自于轮胎磨损释放的橡胶微粒[12]，但对于轮胎橡胶微粒的环境行为还待于进一步深入研究。

表5 2016年我国沿海不同公路类型中机动车轮胎磨损橡胶微粒不同去向释放量Table 5 Emission of vehicle tire microparticles per road type along the coast in China in 2016

表6 2016年我国沿海省(仅沿海市)机动车轮胎磨损橡胶微粒不同去向的释放量Table 6 Emission of vehicle tire microparticles in coastal provinces (only cities along the coast) in China in 2016

2.4 橡胶轮胎磨损释放微塑料的管理建议

尽管现有研究尚未在海洋环境中检出橡胶微粒，但沿海各市向环境尤其土壤中释放的橡胶微粒量较大，为削减轮胎磨损对海洋和土壤环境带来的潜在危害，提出如下建议。

(1)开发环境微塑料高灵敏检测方法。当前环境微塑料的检测方式主要以目测挑选并结合仪器鉴定为主，对较大塑料微粒具有很好的检出效果，但难于检出极小塑料微粒(微米甚至纳米级)，这就限制了对环境极小塑料微粒的检测。通常情况下，尺寸较小的纳米级微塑料更容易进入并累积到细胞和组织中[30]，这使得环境极小塑料微粒具有更大的环境意义。因此，急需通过提升仪器性能改进分析方法，提高对极小塑料微粒的分析能力。

(2)提高对橡胶微粒的拦截能力。控制公路释放橡胶微粒的核心是限制橡胶微粒的扩散路径，如在公路两侧的排水系统增加沉淀和过滤系统，在公路两侧增加自然植被吸收和滞留橡胶微粒。

(3)关注其他微塑料释放源。除橡胶轮胎磨损释放的橡胶微粒外，其他交通源释放的微塑料也需及早引起关注，包括公路标识线涂料和城市道路铺设的橡胶路面磨损等。

本研究的主要结论如下：利用世界自然保护联盟(IUCN)提出的经验公式，估算出2016年我国沿海各省(市)向环境释放橡胶轮胎微粒189 965.91 t，其中广东省沿海各市释放总量最大(45 772.13 t)，广西省最少(2 687.54 t)，并且橡胶轮胎在乡村公路的磨耗释放量最大(73.63%)；另外，土壤是橡胶微粒排放的主要去向，由此对土壤生态系统的潜在影响需引起足够关注。