李燕

国家海洋环境预报中心

liy@nmefc.cn

 

 

    微塑料污染目前已经成为一个非常热门的话题，本文将就微塑料在近海-大洋中的传输机制机理方面研究进行总结梳理并对其中存在的一些问题进行探讨。

 

    首先我们了解一下微塑料的产生。塑料在进入环境之后，在机械、风化、生物分解等作用下会逐渐分解，从大塑料变成小塑料，或塑料碎片。这些微小的塑料碎片在2004年的一篇《Science》上的文章中首次提到，并将粒径小于5毫米的定义为微塑料。

 

    海洋中的微塑料可分为初生微塑料和次生塑料：初生塑料指的是指工业、农业、医疗及运输等生产过程中原初就被制备成为小粒径塑料颗粒；次生塑料微粒是由于较大塑料制品的破碎和风化而形成的。

 

    那么海洋中的微塑料主要来自哪里？总的来说，进入海洋的微塑料主要来自这5个渠道：河流的输入、滨海旅游、海上养殖捕捞、船舶输运、大气沉降。河流的输入，这里包含了沿河流区域人口消费塑料进入河流，以及工业、农业生产过程中直接排放入河流中的塑料。滨海旅游，滨海旅游游客遗留在岸滩的塑料垃圾会在风和潮汐作用下进入海洋，部分塑料垃圾直接被遗弃入海，该部分随着旅游业的兴起呈现逐年递增的趋势，但未来相信在加强管理方面的工作将消减该部分的增幅。海上养殖捕捞，主要是塑料泡沫浮筒、塑料网等养殖所需的材料，还包括海水渔业养殖从业人员产生的生活垃圾。船舶输运产生的塑料废物主要为生活垃圾和塑料泡沫箱。大气沉降输运也是海洋表层水体微塑料潜在却极为重要的输入途径之一，是海洋微塑料污染的重要来源。

 

    微塑料进入海洋后要经历诸多的物理及生物化学过程，包括微塑料入海后随海流漂移扩散过程、在波浪等作用下的进一步破碎降解、生物淤积和生物降解、沉降及再悬浮过程、太阳紫外线的风化作用，以及被生物摄食后随着生物迁移、在海洋悬浮过程中积聚沉降、沉降海底后由于生物扰动重归海水等过程。联合国环境规划署在2016年的统计分析资料中显示，海洋微塑料的储量开阔大洋占了39%、沿岸33.7%，近海海域占26.8%，表层海水中仅占0.5%。

 

图1 影响海洋微塑料归宿及分布的自然过程及海洋微塑料储量分布图（来源：参考文献1）

 

    由于微塑料在海洋中经历过程的复杂性，我们实际尚未真正掌握其输运及归宿的物理化学及生物机制。

 

 

    下面以我国主要河流实测及模型研究结果为例，通过分析了解目前关于入海通量估算方面的研究进展来探讨其中存在的问题。

 

    微塑料入海通量较早比较有名的研究是2017年Lebreton et al.发表的估算全球河流微塑料入海通量的文章，该文章估算全球40760条河流微塑料入海通量为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。排名前20的河流中，中国占7条。长江以31万-48万吨位居第一。随后出现了很多关于河流入海通量的估算的研究文章，主要包括MFA（物质流分析)模型、MPW（管理不当的塑料废弃物）模型和HDI（人类发展指数）模型。MFA模型（物质流分析)的主要组成部分包括材料的来源、途径、中间体和最终汇(Van Eygen et al., 2017)；MPW（管理不当的塑料废弃物），MPW低估了发达国家而高估了发展中国家的贡献，严重放大了不同经济发展水平产生的地区差异；HDI（人类发展指数），包含三个基本维度：预期寿命、获取知识的能力及人均国民总收入，HDI是一个比MPW更好的指标来估计全球河流塑料流量。但这些研究基本都集中于大型流域，中小型流域相对较少，使用模型估算的河流入海通量通常都高于现场观测值。

 

    随着大家研究的深入，各种评估方法的建立，我们开展大量河流入海口微塑料通量的观测，利用观测数据来验证各种估算方法，我们发现以前的计算方法高估了微塑料入海通量两到三个数量级，并且海洋微塑料可能会在比以前认为的更长的事件内持续存在和降解。

 

    目前，河流微塑料的研究仍处于初级阶段，仍然存在许多不确定性。Bai 2022年的文章中对2021年6月前发表的83篇关于河流微塑料通量的科学文章和评论进行了整理分析，发现各国和机构的观测方法和资料主要存在两个方面问题：

 

    1）不统一的采样方法，使得利用观测数据汇总整理和估算全球微塑料的河流通量存在问题；拖网全水层采样占68.49%，拖网用的网还都不一样，网眼大小也不一样； 有限水层的直接采样占24.66%；采用泵抽全水层取样的占6.85%；

 

    2）受河流性质、微塑料性质等影响，河流中微塑料的显著时空变化对河流微塑料通量的估算也有重要影响。

 

    这就使得我们想获得一套各河流可比较的通量数集存在很大困难，难以了解和掌握整体全局。

 

图2 不同抽样测量方法在83篇文献中的占比示意图（来源：文献2）  

 

    国内大量学者近几年也开展了各海区主要河流的微塑料入海通量的观测，下图包含国内比较有代表性的研究团队（可能会有疏漏），研究区域主要集中在长江口和珠江口，灰色为模型数据，可以看到模型数据和观测数据结果差异较大。

 

图3 国内主要河流的微塑料入海通量研究有代表性研究团队示意图

（来源：厦门大学蔡明刚教授微塑料研究团队）

 

    国家海洋环境预报中心也开展了我国微塑料的河流入海通量估算工作，基于《中国渔业统计年鉴》及相关省市统计年鉴数据和国家统计局人口统计数据，考虑沿岸人口和河流中船舶输运等活动影响，建立估算模型，估算结果（见下图）同2017年Lebreton 的结果相比要小10倍之多。

 

图4 河流入海通量估算方法及结果（来源：国家海洋环境预报中心微塑料研究团队）

 

    总的来说，目前微塑料入海通量的观测依旧不足，应当加强在流域-河口耦合过程、长时间序列及生物地球化学过程影响方面的观测。此外，目前入海通量研究主要集中在长江、珠江口等大型流域，中、小型流域研究也需要重视。流域微塑料的迁移机制应考虑与水文及土地利用参数相耦合。最后，要加强实测数据与模型定量化预测结果的相互验证和相互促进。

 

 

    微塑料在河口至近海的传输过程受地形、入海河流流量、潮汐、外海环流、风等多种重要素的综合影响，也包含了层化、混合，锋面、地转输送等动力过程的影响，到了大洋中洋流的影响就更加显著。在此择其要者进行分析。

 

1）河口羽流扩散的影响复杂且季节多变

 

    微塑料经河流入海，河口冲淡水形态及其动力学条件决定了微塑料在冲淡水影响海域内的漂移途径、聚集及传输过程，从源头上影响其时空分布。微塑料在河口-近海的传输主要依赖河口冲淡水形成的漂浮羽流。典形河口冲淡水形态分布，包括河口抬升离岸区(Source, lift off)，近端潮汐锋面区(Near field, Tidal plume front)，中间淡水包区(Mid-field plume, bulge)，远端沿岸流区(Far field,coastal current)

 

2）潮汐作用对微塑料输运扩散及分布特征的影响研究

 

    沿海地区具有复杂的水动力结构，与潮汐、河口羽流以及洋流相互作用，对微塑料微粒从海岸到海洋的运输发挥着重要作用。潮汐不仅影响微塑料颗粒停留在近岸区域的数量，还会影响运输路径和运输时间。潮汐大大延长了微塑料离开中国海所需的时间。在未来的微塑料输运研究中，建议深入研究关键的海岸动力过程，使用全球无潮模式数据来模拟沿海地区的微塑料运输或陆地微塑料向公海的输运扩散过程将影响其结果的准确率。

 

图5 长江口排放微塑料在不同季节释放的颗粒，在有潮无潮情况下运输途径和穿越不同的海峡百分比的差异对比图

 （来源：参考文献3）

 

3）海洋环流对微塑料输运的影响研究

 

    从大量的数值模拟案例以及观测案例中，我们都发现，微塑料在海洋中的聚集区域和浓度分布的季节变化同海洋环流结构有高度相关性（UNEP and GRID-Arendal, 2016）。国家海洋环境预报中心开展了中国沿岸37个城市排放微塑料海面漂移10年的数值模拟，模拟结果显示微塑料在海面的漂移分布特征和聚集区域特征等都同海洋环流结构有密切相关；针对孟加拉湾主要入海河流排入海洋的微塑料开展模拟，海面微塑料在海洋中的聚集区域和浓度分布的季节变化同海洋环流结构有高度相关性。

 

    不同类别的微塑料因为密度的不同，以及长时间在海水中积聚或生化作用下密度的改变，将存在于不同的水层输运漂移。国家海洋环境预报中心数值模拟了不同密度的微塑料从沿岸入海后的分布特征，可以看到，密度大的基本会在沿岸海域沉底或者靠岸，但也会有少量粒子悬浮于海水层中进入中国海外缘海域，密度中等的也会有较多机会悬浮在海水层中进入中国海外缘海域，密度小的会大量的存在于海水表层随洋流向深海输运，这个过程中海洋的环流结构及其季节性的变化特征将对微塑料的输运及归宿产生重要作用。

 

图6 海洋微塑料大洋分布系统图（来源：参考文献1）

 

图7 中国37个沿海城市排放微塑料在不同海流再分析资料驱动下在海上漂移扩散10年分布特征图

（来源：国家海洋预报中心微塑料研究团队）

 

图8 孟加拉湾主要入海河流排入海洋的微塑料漂移运动2年模拟结果（来源：国家海洋预报中心微塑料研究团队）

 

图9 不同密度的微塑料从沿岸入海后的数值模拟5个月漂移扩散分布特征（来源：国家海洋预报中心微塑料研究团队）

 

4）生物地球化学行为

 

    微塑料在海洋中的生物地球化学行为，对生态系统的影响，在生态系统食物链中的传播过程等是一个更为复杂的过程，目前研究尚非常不成熟，数值模型中通常尚未加入这部分过程的考虑，这里我们不做深入介绍。

 

    总之，微塑料从陆地进入边缘海，然后漂移输运到大洋的过程是一个非常复杂的过程，其运动规律尚需继续深入开展研究。除了实测，数值模拟亦是大洋微塑料传输研究的有效方法，能够更全面地表达出海洋中微塑料的分布情况，是探索微塑料在海洋中输运扩散机制的有效手段和方法。由“源” 到“汇” 的传输，及传输过程中由生物、化学和物理过程引起的漂浮、沉降和再悬浮等输运过程的机制机理需要进一步深入研究。生态系统对微塑料输运及分布特征的影响尚需开展评估和深入研究。

 

 

    目前我们大洋及边缘海等都有一定的观测数据积累，但这些数据都有什么特点，该如何使用？

 

    国家海洋环境预报中心和厦门大学合作收集整理了37篇大洋观测的文章，获得657个有效站点的观测数据。这些观测数据主要来自拖网采样，数据在全球分布不均，太平洋和北冰洋是研究较多的区域，边缘海相对大洋数据更为丰富。对这些观测数据取对数分析和渲染后，从不同视角的图显示两级浓度偏低，印度附近偏高。在对这些观测资料的整理分析过程中，我们发现在采样方法、采样深度、粒径分类及观测位置的分布等方面都存在较大的差异，这对观测资料的使用带来一定的难度，具体如下：

 

    关于方法： 泵抽、拖网数据存在1-2个以上数量级的差别，两种类型数据是否只能分类使用？在哪种情况下使用哪类数据来开展研究分析。

 

    关于采样深度：不同采样方式导致表层采样的具体深度存在差异；微塑料浓度、种类等，可能因为这些深度差别，产生结果不同。

 

    关于粒径分类：目前分粒级各自分类，有较大差别，存在较大的统计难度；计划进行整理性分类统计，按照大家普遍接受的大类进行分类（重点在0-1 mm的分类）。

 

    关于信息的不均衡：关于太平洋附近海域的文献多，站位点密集，而关于其他地方较少，对于推测及建立模型模拟较难等；建议选择重点边缘海、重点大洋（或其部分区域），开展建模研究。

 

    通过以上对微塑料在近海-大洋中的传输机制机理方面研究成果的梳理，和存在问题的讨论，我们希望能给相关研究人员提供参考，促进微塑料方面的研究和交流，共同规范和标准化微塑料观测技术和方法、源排放估算方法，提高数值模拟技术，充分利用观测数据更好地开展微塑料研究工作，推广已有研究方法和成果得到国际更广泛认可，为国际微塑料相关政策制定提供可靠的技术支持和指导，为地球环保事业贡献力量，共同保护蓝色海洋。

 

感谢：国家海洋环境预报中心微塑料小组研究团队成员，合作团队（厦门大学蔡明刚教授微塑料小组）