地球科学进展, 2019, 34(9): 936-949 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.09.0936

综述与评述

海洋微塑料源汇搬运过程的研究进展

张晓栋,, 刘志飞,, 张艳伟, 赵玉龙

同济大学海洋地质国家重点实验室,上海 200092

Research Progress on Source-to-Sink Transport Processes of Marine Microplastics

Zhang Xiaodong,, Liu Zhifei,, Zhang Yanwei, Zhao Yulong

State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China

通讯作者: 刘志飞(1969-),男,江苏南京人,教授,主要从事海洋沉积学研究. E-mail:lzhifei@tongji.edu.cn

收稿日期: 2019-06-19   修回日期: 2019-08-10   网络出版日期: 2019-10-19

基金资助: 国家自然科学基金重大研究计划集成项目“南海深海沉积过程与机制”.  91528304
国家重点研发计划项目“南海南部巽他陆架沉积古环境演变”.  2018YFE0202402

Corresponding authors: Liu Zhifei (1969-), male, Nanjing City, Jiangsu Province, Professor. Research areas include marine sedimentology. E-mail:lzhifei@tongji.edu.cn

Received: 2019-06-19   Revised: 2019-08-10   Online: 2019-10-19

作者简介 About authors

张晓栋(1992-),男,山东泰安人,博士研究生,主要从事深海沉积搬运过程观测研究.E-mail:zhangxiaodong@tongji.edu.cn

ZhangXiaodong(1992-),male,TaianCity,ShandongProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludeobservationondeep-seasedimentationandtransportprocess.E-mail:zhangxiaodong@tongji.edu.cn

摘要

海洋微塑料是全球性的环境问题和挑战,受到了国际社会的广泛关注。然而,现阶段研究主要集中在调查海洋表层微塑料丰度及生态效应,对深海环境中微塑料的分布和沉积搬运过程认识不足。通过总结近10年海洋微塑料的相关研究,综述了海洋微塑料来源、分布以及从源到汇的搬运过程。实地调查表明,海洋表层和水柱都是海洋微塑料的重要聚集区,而深海表层沉积物却是海洋微塑料最终沉积聚集的汇。海洋微塑料搬运到深海沉积汇的过程包括2种方式:垂向沉降和侧向搬运。实验室模拟表明,海洋中微塑料颗粒沉降速率为300~1 000 m/d,沉降过程除了受控于颗粒密度等物理学性质外,还受海洋动力过程、生物作用和海洋雪聚集等因素的影响。沉积在海底的微塑料则可以随再悬浮沉积物向深海侧向运移,该过程与内波、深海浊流或气候事件等因素有关。但是,微塑料向深海搬运的速率和数量等问题远未解决,不利于全面理解海洋微塑料从源到汇的搬运和沉积过程。因此,建议利用分层沉积物捕集器原位观测微塑料的沉降通量,以便开展深海微塑料源汇搬运过程研究。

关键词: 海洋微塑料 ; 搬运过程 ; 从源到汇 ; 深海

Abstract

Microplastics in marine environment are global environmental issue and challenge and have received an extensive international concern. At present, most of researches focus on the investigation of microplastic abundance in the ocean surface water, and there is insufficient understanding of the distribution and transport processes of microplastics in the deep-sea environment. This paper reviewed marine microplastic studies carried out in the last decade, and summarized the source, global distribution and transport processes of microplastics. Field investigations showed that both surface water and water column were important accumulation areas for microplastics, while deep-sea surface sediments were final sinks for microplastic deposition and accumulation. Transport of microplastics to the deep sea included two modes: vertical settlement and lateral transport. Laboratory simulation showed that the sinking rate of microplastic particles in the ocean changed between 300 and 1 000 meters per day, and the sinking process was not solely controlled by particle physical properties such as particle density, but also influenced by ocean dynamic process, biological action and marine snow aggregation. Microplastics deposited on the seafloor could migrate laterally towards the deep sea with resuspended sediments, which were related to internal waves, deep-sea turbidity current or climatic events. However, there remain the key knowledge gaps in uncertain speed and quantity of microplastics moving to the deep sea, which is not conducive to the comprehensive understanding of the microplastic transport process from source to sink. Therefore, it is recommended to observe the vertical sinking flux of microplastics with layered sediment traps in order to study the source-to-sink transport processes of microplastics in deep-sea environment.

Keywords: Microplastics ; Transport process ; Source-to-sink ; Deep-sea environment.

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本文引用格式

张晓栋, 刘志飞, 张艳伟, 赵玉龙. 海洋微塑料源汇搬运过程的研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(9): 936-949 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.09.0936

Zhang Xiaodong, Liu Zhifei, Zhang Yanwei, Zhao Yulong. Research Progress on Source-to-Sink Transport Processes of Marine Microplastics. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(9): 936-949 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.09.0936

1 引 言

海洋微塑料是全球共同面对的环境问题和挑战。据统计,自20世纪50年代塑料大规模生产以来,近70年全球累计产生塑料垃圾为4 900 Mt[1],仅2010年全球沿海地区产生的塑料垃圾就达到275 Mt[2],预计到2050年塑料垃圾产量将达到12 000 Mt[1]。这些塑料垃圾若未经处理堆放在垃圾填埋场或排放到海洋环境中,会经过机械破碎、紫外辐射氧化和生物降解等共同作用逐渐分解成塑料碎屑。粒径在5 mm以下的塑料碎屑统称为“微塑料”(microplastics)[3],新的研究进一步将微塑料粒径范围限定在0.1 μm~5 mm,将小于0.1 μm的更小碎屑定义为“纳米塑料”(nanoplastics)[4]

近10年来,海洋微塑料研究进入快速发展时期,引起国际社会的广泛关注。其实,早在20世纪70年代就有关于海洋塑料碎屑的零星研究[5],2004年Thompson等[6]首次用“微塑料”命名微小的塑料碎屑,但直到2009年美国国家海洋和大气局才明确定义了微塑料粒径范围[3],海洋微塑料研究才得以快速发展。2013年,大西洋深海沉积物中首次检测出微塑料[7],促进了海洋微塑料研究向深海环境的转移。近年来,地中海、太平洋、大西洋和北冰洋,甚至包括全球最深的马里亚纳海沟,相继检测出微塑料碎屑,深海微塑料研究取得显著成果。大量研究表明,微塑料在海洋环境中普遍存在[8,9,10,11]

深层海水和深海表层沉积物作为海洋微塑料潜在的聚集汇,对评估海洋微塑料真实储量和研究海洋微塑料源汇搬运过程具有重要意义。但是纵观国内外海洋微塑料相关的研究性论文和综述,大部分文章仍是聚焦于讨论微塑料在海洋表层的分布及来源,缺少对深海微塑料最新研究进展的总结,更极少涉及微塑料从源头搬运到深海的过程,不利于全面地理解海洋微塑料从源到汇的搬运和沉积机理。本文在总结全球海洋表层、水柱和海底表层沉积物中微塑料来源和分布的基础上,归纳微塑料颗粒垂向沉降和侧向搬运过程及影响因素,旨在为进一步开展深海微塑料源汇搬运过程研究提供参考。

2 海洋微塑料的类型及来源

2.1 海洋微塑料类型

海洋微塑料可以根据起源或聚合物种类划分为不同的类型。根据微塑料起源分为原生微塑料(primary microplastics)和次生微塑料(secondary microplastics)。原生微塑料是指为特殊用途生产的塑料制品,比如个人护理品中添加的塑料微珠、3D打印使用的塑料粉末以及工业用树脂粉末等[12,13]。次生微塑料是指由大块塑料废弃物经过机械破碎、紫外辐射氧化或生物降解等过程形成的微小塑料颗粒,比如塑料制品碎屑、塑料袋碎片、包装薄膜以及合成纤维等[12,13]。其中,合成纤维是海洋水柱和沉积物中最常见的类型,占全部海洋微塑料颗粒的21.6%~95.9%[14]。就海洋微塑料的高分子聚合物成分而言,通常包括:聚乙烯(Polyethylene, PE)、聚丙烯(Poplypropylene, PP)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride, PVC)、聚酯(Polyester, PES)、聚氨酯(Polyurethane, PU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate, PET)、聚酰胺(Polyamide, PA)、聚芳酰胺(Aromatic polyamide, aPA)、聚己内酯(Polycaprolactone, PCL)、乙烯—乙酸乙烯酯(Ethylene Vinyl Acetate, EVA)、乙酸纤维素(Cellulose Acetate, CA)、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS)和聚苯乙烯—丁二烯—苯乙烯(Polystyrene Butadiene Styrene, SBS)等。识别和鉴定微塑料类型及聚合物化学组分是海洋微塑料研究中最为基础的环节,有助于对海洋环境中微塑料丰度进行定量分析。

2.2 海洋微塑料来源

海洋微塑料的源头包括陆地和海洋两种,与人类污染活动密切相关。微塑料的陆地来源包括河流、排污系统、旅游沙滩、水产养殖海滩、港口码头以及大气等多种输入源,而海洋来源包括海洋渔业、船舶运输和油气钻井平台等。据联合国海洋污染科学问题联合专家小组统计,大约80%的海洋塑料碎屑由陆地来源供给[15,16,17]。2010年,从陆地进入海洋的塑料垃圾量为4.8~12.7 Mt,占全球沿海地区塑料垃圾产量的1.7%~4.6%,预计到2025年陆源塑料垃圾量将增加1个数量级[2]

河流输入是陆地来源微塑料进入海洋环境的主要方式。据估计,全球河流每年向海洋输送的塑料垃圾量为1.15~2.41 Mt[18](或0.41~4.00 Mt[19]),占沿海地区入海塑料垃圾总量的2.8%~18.6%[18]。据相关研究显示,亚洲河流是全世界最大的陆源塑料碎屑贡献源,每年向海洋输送1.00~2.06 Mt塑料碎屑,占全球河流输送量的86%[18]。其中,我国长江和珠江可能是世界上输运塑料碎屑最多的河流[20,21,22],其次是印度、菲律宾和越南等国的入海河流[2,18,19]

3 海洋微塑料的分布

3.1 海洋表层

海洋表层水体是海洋微塑料最重要的聚集区,尤其是海盆规模的大洋环流区。根据海洋表层塑料碎屑的逐年拖网航次调查,全球90%表层水体中检测出微塑料[23],总数量估计达到1.5×1013~5.1×1013[24](或≥4.85×1012[23]),总质量达到0.093~0.236 Mt[24](或≥0.036 Mt[23]),且在近岸、边缘海和开放大洋都有不同程度的分布。同时,调查发现环流中心区微塑料质量丰度呈指数式快速增长[25],增长速度明显高于环流周边,表明海洋表层微塑料向大洋环流区不断聚集。如图1所示,北大西洋、南大西洋、北太平洋、南太平洋和印度洋的亚热带环流区都被确定为微塑料显著聚集区[26,27,28,29,30,31]。其中,位于北太平洋亚热带环流区的“太平洋大垃圾带”(25°~41°N, 130°~180°W)最受关注,其微塑料数量平均丰度为6.78×105 p/km2(个每平方公里),质量平均丰度为2.50×103 g/km2 [25],是目前全球开放大洋表层微塑料丰度最高的区域。此外,西北太平洋黑潮海区[32]、东北大西洋环流区[33]和北冰洋巴伦支海区[34,35]也被认为是微塑料的重要聚集区。

图1

图1   全球大洋表层塑料碎屑数量(a)和质量(b)丰度分布[24]

数据来自1972—2013年27项海洋表层漂浮塑料碎屑研究和11 854次表层拖网调查结果

Fig.1   Numerical (a) and mass (b) abundance distribution of global plastic debris floating on sea surface[24]

Data were obtained from total 27 floating debris studies with 11 854 surface trawls carried out between 1971 and 2013


海洋表层大量粒径较小的微塑料组份“失踪”。正常情况下,由于大块塑料碎屑的不断破碎和降解,海洋表层微塑料碎屑的粒径越小,数量应该越多。但分析全球大洋表层塑料碎屑的粒度组成发现,塑料碎屑数量随粒径呈正态分布,并在2 mm出现峰值[31]。当粒径进一步减小时,较小的(≤1 mm)微塑料数量反而快速降低[31]。全球海洋表层粒径范围0.33~1.00 mm的微塑料数量估计是1.83×1012个,明显小于粒径范围1.00~4.75 mm的微塑料数量(3.02×1012个)[23]。Koelmans等[36]认为“失踪”的微塑料组份实际上是脱离海洋表层潜没到水柱中,下潜的塑料碎屑数量占海洋塑料碎屑总量的99.8%左右,但是不能排除微塑料快速降解成纳米级塑料碎屑或被海洋生物摄食的可能。因此,有必要开展海洋水柱中微塑料含量调查,以便准确地评估海洋微塑料的真实存量。

3.2 海洋水柱

海洋微塑料在全水柱中都有分布,并呈现不均一性。据少量浮游生物分层拖网在北大西洋亚热带环流区的航次调查,发现微塑料碎屑广泛分布在水柱顶部0~5 m范围内,其含量随深度呈指数衰减,到5 m深度几乎为0[37,38,39]。美国加州岸外蒙特利湾调查结果显示(图2),水柱中微塑料含量峰值为15 p/m3,出现在200 m深度的混合层底边界,而低值(2.9 p/m3)出现在顶部5 m深度和底部1 000 m深度[40]。北冰洋中央海盆调查结果也同样发现微塑料含量峰值(0~375 p/m3)出现在上部混合层水体中[41],说明海洋微塑料在水柱中的垂直分布受到海水分层的影响。

图2

图2   蒙特利湾51 000 m水柱中微塑料含量垂向分布[40]

Fig.2   Microplastic concentrations varied across sample depths ranging from 5 to 1 000 m, in the offshore waters of the Monterey Bay[40]


海洋水柱也是海洋微塑料聚集的重要环境介质,且在特殊海域异常富集微塑料。东北太平洋近海表(水深4.5 m)微塑料含量的大范围航次调查结果显示,该海域微塑料数量丰度是8~9 180 p/m3 [42]。如图3所示,从加拿大西海岸向东北太平洋延伸,近海表水体中微塑料含量逐渐减少,这与受人类活动影响减弱、陆源微塑料输入量降低有关。但是,即使是远离人类活动影响的海沟,其微塑料含量也非常可观。最近在全球最深的马里亚纳海沟的调查,发现底层海水中微塑料数量高达2 060~13 510 p/m3图4a)[11],甚至超过了北太平洋环流区的微塑料含量,说明海洋水柱中同样聚集了大量的微塑料。

图3

图3   东北太平洋近海表(水深4.5 m)微塑料含量分布[42]

Fig.3   Total microplastic concentrations in near-surface waters (4.5 m) of the NE Pacific Ocean[42]


图4

图4   马里亚纳海沟深层海水(a)和海底表层沉积物(b)中微塑料分布及组成[11]

Fig.4   Profile of microplastic abundances and compositions in hadal water (a) and sediments (b) from Mariana Trench[11]


3.3 海底表层沉积物

深海海底表层沉积物是微塑料最终的沉积汇,是潜在的海洋微塑料聚集区。大约54%的塑料碎屑密度超过海水,能够沉积到海底。海洋微塑料在河口、海湾和泻湖等区域的沉积物中普遍存在,说明微塑料像陆源碎屑一样,会被困在沉积物堆积的低流速区[21,43]。深海海底微塑料引起学术界的广泛关注,始于大西洋深海沉积物中首次发现微塑料[7],随后在地中海、印度洋、太平洋及北冰洋等深海沉积物中同样检测出微塑料[8,9,10,11]。但由于采样难度的限制,目前关于深海微塑料丰度和储量的数据仍然有限。北冰洋HAUSGARTEN观测站附近沉积物中检测出的微塑料数量丰度为42~6 595 p/kg[10],是当前深海沉积物中检测出的微塑料最高含量。最近在马里亚纳海沟沉积物中也检测出微塑料,数量丰度为270~6 200 p/kg(图4b)[11]。深海环境中沉积的微塑料颗粒不断埋藏,很可能聚集了大量的海洋微塑料,有待更多实地调查结果的验证。

4 微塑料垂向搬运过程

4.1 颗粒物理性质

微塑料颗粒的物理性质决定了其在海洋环境中的行为。微塑料颗粒在海洋水柱中的垂向搬运涉及颗粒从海洋表层迁移到海底的整个过程,首先要考虑微塑料自身物理性质的影响,比如密度、形状和粒径大小等。利用水柱沉降实验,在不同盐度流体中对不同聚合物类型、密度、粒径尺寸和形状的微塑料颗粒进行试验,测试不同变量对微塑料沉降行为的潜在影响[44]。结果表明,微塑料颗粒与流体间的密度差异是控制颗粒沉降速率的主要因素,比如高密度颗粒一般以每秒几到几百毫米速率下沉[44,45,46,47]。此外,颗粒形状和大小同样影响其沉降速率,形状越不规则、粒径越小的颗粒,沉降速率越小(图5[44,45]。这些颗粒在自身沉降过程中,会因表面积较大而受到较大的流体压力和摩擦阻力,也会因体积小、稳定性差而发生旋转、振荡或翻滚,最终导致微塑料沉降速率降低[48]。可以用球度和平面度指数表征微塑料颗粒规则程度,方便研究微塑料颗粒形状对沉降速率的影响[44]。微塑料颗粒物理性质研究适用于分析微塑料在水柱中的沉降行为及沉降速度,为微塑料搬运过程数值模拟提供重要参数。

图5

图5   水柱实验测试微塑料物理性质对其沉降速度的影响[45]

微圆柱体(红色虚线)是底面圆直径与高相等的特殊圆柱体,其形状近似天然颗粒;Δρ/ρ表示微塑料颗粒相对于海水的过剩密度

Fig.5   Predicted settling velocities of microplastic particles of different physical characteristics [45]

Short isometric cylinders (red dash-dot curves) were circular rods with diameters equal to the length, approximating the natural grains; Δρ/ρ represent the relative excess densities of particles to seawater


4.2 海洋动力过程

海洋动力过程控制微塑料在上层水柱的潜没和垂直分布。通过分析海洋表层微塑料丰度与10 m高度风速及与海水摩擦速度间的关系[37],以及上层水柱中微塑料含量与蒲福风级间的关系[38,39],证实风力驱动海水混合控制着微塑料在上层水柱中的垂直分布。进一步研究发现,微塑料垂向下潜是风浪驱动的朗缪尔湍流混合作用的结果,与剪切湍流和破碎波引起的湍流动能增强无关(图6a和6b)[49]。通过湍流分解的大尺度涡模拟,发现海表热通量也能影响朗缪尔湍流对水柱中微塑料的垂向搬运:在理想昼夜加热循环模型下,日间海表升温会抑制微塑料颗粒下潜,夜间降温则有助于增加微塑料沉降通量(图6c)[50]

图6

图6   海洋动力状态对海表边界层(<0.25 m)微塑料碎片含量的影响[49,50]

(a)海洋表层塑料碎屑含量数据来自708个航次调查结果,碎屑含量超过4×105 p/km2的24个数据点没有显示;(b)航次调查结果(红线)和基于波平均纳维—斯托克斯方程的大尺度涡模拟结果(黑线),模型采用恒定的上浮速度1.4 cm/s;(c)航次调查全部结果(灰点)和海面10 m高度风速5~7 m/s情况下的结果(黑色加号)

Fig.6   Sea surface (<0.25 m)plastic concentrations influenced by ocean dynamic state[49,50]

(a) Surface plastic concentrations derived from a total of 708 observations, the 24 largest plastic concentration values greater than 4×105 p/km2 are not shown; (b) Regression lines for the observations (red line) and for the large eddy simulations (black lines) of the wave-averaged Navier-Stokes equation, given a terminal buoyant rise velocity as 1.4 cm/s; (c) Surface plastic concentrations of all observations (gray dots) and subsampled observations (black pluses) for 5<U10<7 m/s


4.3 海洋生物作用

生物淤积在微塑料表面能够有效增加塑料碎屑密度,“压舱作用”使原本具有浮力的微塑料脱离海洋表层下沉[12,31]。长期浸泡在海水中的塑料废弃物发生高度降解,表面积可增加到原始颗粒的2倍多[51],为环境中微生物、藻类和无脊椎动物附着提供可能。微生物淤积仅需要1周左右就会形成稳定生物膜[52,53],7周之内能够使漂浮微塑料发生沉降[54]。随着水深逐渐增加,到密度和温度跃层深度上,微塑料因密度近似于海水密度而呈悬浮态[55]。但根据Kooi等[56]研究,微塑料在生物淤积引起初次沉降后,不会悬浮在固定水位,而是在水柱中不断上升和下降。这是因为浸没在海面之下的微塑料颗粒,由于受光照消减、刮擦和碳酸盐溶解等因素干扰,表面附着的生物污垢可能在短时间内被去除,然后颗粒再次向上运动或重新浮出海面,微塑料在水柱中上下运动与表面附着藻类的生长周期密切相关[56]。估计海洋微塑料表面生物量高达0.001~0.015 Mt[57],对促进海洋表层漂浮微塑料沉降具有重要意义。

海洋动物摄食和排泄过程是生物影响微塑料垂向搬运的另一个重要机制。微塑料颗粒大小恰好符合海洋生物摄食范围,其表面附着的生物及其产物(如细胞外聚合物)使微塑料“闻”起来更像营养颗粒,很容易引起海洋生物误食。据统计,海洋生态系统各营养级生物都有直接或间接地摄食微塑料的行为,至少557种海洋生物体内检测出微塑料,包括浮游动物、底栖动物、鱼类、哺乳动物以及海鸟等[58,59,60],甚至包括生活在水深超过万米的超深渊生物[61,62]。Katija等[63]记录了滤食性浮游动物巨型尾海鞘(giant larvaceans)摄食和排泄微塑料的过程,微塑料随废弃“黏液房”和粪球沉积到海底的速率分别是800和300 m/d。

4.4 海洋雪聚集

海洋雪聚集有助于增加微塑料颗粒沉降速率,使其快速穿越水柱沉积到海底[7,64]。海洋雪是由水柱上层飘落的微小颗粒组成的富含有机物的聚集体,通常包含已死或将死的浮游植物和动物、微生物、粪便颗粒、颗粒有机物和无机陆源碎屑等。Zhao等[65]最早在水柱顶部2 m的天然海洋雪中检测出微塑料,Kowalski等[44]则在模拟破浪带机械应力对微塑料的影响时,观测到微塑料与黏土矿物和石英的聚集。实验室内模拟微塑料与浮游藻类聚集和沉降过程,测得微塑料沉降速率在聚集前后从每天数十米增加到数百米[60],能够在几天或几年内沉积到海底[7]。Porter等[66]更详细地测试了聚合物类型、形状和粒径大小对海洋雪沉降速率的影响,观测到微塑料能够引起海洋雪聚集体密度的增加或减少,从而加速或减缓聚集体沉降过程(图7)。微塑料与海洋雪聚集不仅改变了微塑料在水柱中的行为,同时改变了海洋雪沉降速率,影响水柱中颗粒有机物沉降通量。

图7

图7   实验室人工海洋雪对微塑料沉降速度的影响[66]

Fig.7   Images of marine snows with incorporated polymers and effect on sinking rates[66]


5 海洋微塑料侧向搬运过程

5.1 海洋表层微塑料的侧向搬运

海洋表层洋流系统控制了漂浮微塑料的侧向迁移。微塑料在波浪和洋流等动力作用下可以远距离搬运,基于洋流动力模型能够模拟微塑料分布的时空变化,有助于确定微塑料输入来源、搬运路径和聚集区域[67]。北大西洋、南大西洋、北太平洋、南太平洋和印度洋共5个微塑料聚集的亚热带环流区,就是通过洋流模型预测的结果[24,34,68],并且得到航次实地调查的证实(图1[26,27]。但是,模型预测与实际观测间往往存在一定差异,比如在北大西洋,模型预测微塑料含量高值应该在60°W左右的中心环流区,但调查发现微塑料含量高值出现在距中心环流区较远的东侧,模型估算的微塑料数量也低于实地调查结果。另一方面,在海洋微塑料扩散模型中假定颗粒大部分淹没在海面以下,忽略了颗粒高出水面部分所受到的风应力作用[69],估算出微塑料跨越太平洋需要数月甚至数年[42],很可能低估了表层微塑料随洋流侧向迁移的速度。

5.2 海底微塑料的侧向搬运

沉积在海底的微塑料颗粒能够随再悬浮沉积物向深海侧向运移。海底峡谷是所有陆源碎屑物质由浅海向深海运输的重要通道,其沉积物中塑料碎屑含量也要高于邻近陆架沉积物[70,71]。基于葡萄牙岸外纳扎雷海底峡谷(Nazaré Canyon)的地形和水动力环境,Ballent等[46,47]利用MOHID水体模型模拟高密度微塑料颗粒在海底峡谷的迁移过程。如图8所示,模型观测箱中微塑料残留颗粒分数呈现十分规律的正弦波振荡,具有全日和半日周期,说明潮汐是控制峡谷底层微塑料搬运的主要因素。模拟结果显示,海底峡谷地形、水动力环境限制了微塑料颗粒在峡谷顶部的搬运过程:微塑料颗粒在潮汐力作用下沿峡谷轴向往复搬运,秋冬季潮汐作用的搬运能力有所增强,但沿峡谷向下的净位移量仍不明显,微塑料从峡谷顶部迁移到深海盆估计需要百年甚至更长时间[47]。但是,海底峡谷中突发的内波会引起微塑料颗粒搬运过程中的剧烈扰动(图8b),强烈增加微塑料搬运速度、缩短搬运时间[47]。台风和风暴等极端天气还可能诱发河口—海底峡谷环境中的深海浊流[72],也会携带海底微塑料在内的沉积物从近岸搬运到深海盆,但深海浊流对微塑料的搬运过程还未有报道,有待深海原位观测结果的验证。

图8

图8   纳扎雷峡谷模型观测箱中高密度微塑料残留时间[47]

(a)2009年春/夏季共101天模拟结果;(b)2011年秋/冬季共101天模拟结果;观测箱按编号1~4沿峡谷轴部向下分布

Fig.8   Residence times of high-density benthic marine microplastic pellets in each monitor box of the Nazaré Canyon model simulation[47]

(a) 101-day model run of spring/ summer 2009; (b) 101-day model run of autumn/ winter 2011; Locations of the monitor boxes 1~4 were along the canyon axis


5.3 极地海冰的搬运作用

漂浮在极地海洋表层的海冰是微塑料搬运和富集的特殊介质。大部分海冰形成于大陆边缘浅海陆架上,在海冰生长过程中,能够清除悬浮在水柱中的微塑料;当海冰冻结到底床时,也能夹带海底微塑料碎屑[73,74]。极地海冰在洋流作用下能远距离漂移,如图9所示,根据北冰洋海冰漂移轨迹和冰芯中微塑料聚合物组成,发现海冰在北极贯穿流作用下,携带微塑料穿越北冰洋中央海盆到达边缘的巴伦支海[75]。当海冰融化时,大量残留微塑料将会重新释放到海洋中。但在另一方面,海冰也可以作为物理屏障,阻碍微塑料污染严重的大西洋表层水进一步入侵北冰洋[35,41]。数值模拟和实地调查结果都显示,微塑料在北冰洋巴伦支海区具有富集的趋势,冰芯中检测出微塑料数量为0.11×107~1.20×107 p/m3 [75],该海区未来很可能形成海洋微塑料新的聚集区[34,35]

图9

图9   北冰洋海冰冰芯中微塑料含量分布及迁移路径[75]

(a)冰芯(A~E和Ha~Hd)位置和北冰洋表层洋流系统;(b)微塑料总数量分布;(c)微塑料组份含量分布;(d)除A和Ha外的海冰冰芯漂移轨迹

Fig.9   Microplastic content and pathway of sea ice cores in the Central Arctic[75]

(a)Positions of sea ice cores (A~E and Ha~Hd) and a schematic view of surface current systems in the Arctic; (b) Total microplastic particle load; (c) Average % composition of microplastic polymers; (d) Drift trajectories of sea ice cores except core A and Ha


6 总 结

海洋微塑料问题已经引起全世界关注,联合国等国际组织以及世界各国都在积极地推动对海洋微塑料的调查研究和治理。综合国内外近10年研究成果,人们在微塑料来源、全球分布和从源到汇的搬运过程等方面获得重要认识:

海洋微塑料来源与人类活动密切相关,据此将微塑料源头分为陆地和海洋两种基本来源。海洋中的微塑料估计80%来自陆地,每年河流输送塑料碎屑1.15~2.41 Mt,占全球陆源塑料碎屑输入量的2.8%~18.6%。虽然目前认为海洋表层大洋环流区是全球最重要的微塑料聚集区,但近年来关于深海微塑料的研究表明,深海表层沉积物才是微塑料最终沉积的汇。地中海、太平洋、大西洋和北冰洋的海底沉积物或深层海水中,相继检测出微塑料碎屑。当前深海沉积物中检测出的微塑料最高丰度达到6 595 p/kg,随着海洋微塑料颗粒的不断沉积,深海环境很可能成为微塑料最终聚集的区域。

海洋微塑料从源头搬运到深海沉积汇的过程可以归纳为垂向沉降和侧向搬运两种方式。微塑料颗粒的垂向沉降使其能够脱离海洋表层,下沉到水柱或海底沉积物中。海洋微塑料沉降过程除了受控于微塑料颗粒自身密度、粒径等物理性质外,还受海洋动力过程、海洋生物作用以及海洋雪聚集等因素的影响。实验室模拟海洋水柱中微塑料的沉降速率为300~1 000 m/d,能够在几天或几年时间内沉积到海底。海洋表层微塑料在风浪、洋流以及漂浮海冰等介质搬运下,在海洋表层侧向迁移的同时,也会发生垂向搬运。沉积在海底的微塑料颗粒主要随再悬浮沉积物向深海侧向搬运,纳扎雷海底峡谷水动力环境模型模拟结果显示,内波或风暴事件能够强烈促进海底微塑料沿峡谷向深海的运输。

7 研究展望

基于对海洋微塑料来源、汇集和搬运过程研究现状的梳理,本文提出未来应当加强以下几个方面的研究:

(1)加强不同环境中微塑料数据集的对比。定量化地估算海洋微塑料的输入量、存储量和消失量,是准确评估海洋微塑料真实存量和研究海洋微塑料源汇过程的基础,需要进行不同海洋环境介质中微塑料数据间的对比。但是,由于不同研究人员采用的方法和技术不同,获得的结果可能大相径庭,从而严重影响微塑料数据的可靠性和可对比性。例如,采用不同数量单位表征环境中微塑料的丰度,常见单位有p/km2,g/km2,p/m3和p/kg,这些不同的单位明显影响了数据间的对比。因此,有必要建立起标准的海洋微塑料监测方法,出台不同环境介质中微塑料样品的采集和分析规范,明确数据间对比或转化的方式,加强海洋微塑料数据集的对比。

(2)发展纳米级塑料颗粒的检测分析手段。由于检测和鉴定技术限制,目前难以快速而准确地定量分析1 μm以下的微塑料及纳米塑料颗粒,无法判定深海沉积汇中的微塑料颗粒是持续聚集或是逐步降解。但是随着风化塑料碎屑越来越小,分析较小粒径微塑料组份及纳米级塑料颗粒是评估海洋微塑料真实存量的关键,也是未来必须解决的问题。

(3)加强深海微塑料源汇搬运过程的原位观测研究。虽然近年来国际海洋微塑料污染的研究热度持续升高,但多数研究集中在报道海洋特定环境中微塑料的丰度和分布特征,很少有研究能明确解释海洋微塑料从源头到深海沉积汇的迁移过程。关于微塑料颗粒搬运到深海的速度、通量、过程以及在水柱中的滞留时间等问题远未解决,但这些问题对于估算海洋微塑料的存量意义重大,也是海洋微塑料源汇过程研究的核心问题。传统的航次采样调查在时间和空间上不连续,不能有效地解决这些问题,需要开展连续的长时间原位观测研究。利用分层沉积物捕集器收集水柱中不同深度的沉降微塑料颗粒,结合海洋动力环境现场观测,不仅能定量计算海洋微塑料的沉降速率和沉降通量,还能研究微塑料向深海搬运和沉积的过程。

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