方周, 譚飛, 楊紅強(qiáng), 徐輝龍, 徐向榮 , 李恒翔

1. 中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國科學(xué)院南海海洋研究所, 中國科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東廣州 510301;

2. 中國科學(xué)院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國科學(xué)院南海海洋研究所, 中國科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院,廣東 廣州 510301;

3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

4. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

5. 中國科學(xué)院南沙海洋生態(tài)環(huán)境實(shí)驗(yàn)站, 海南 三沙 573199

塑料是19世紀(jì)工業(yè)革命時(shí)代誕生的新型材料,是人工合成高分子材料的總稱。塑料因具有輕質(zhì)、防水、可塑性強(qiáng)和耐用等特點(diǎn)而被廣泛使用, 同樣的塑料特性也使其在環(huán)境中難以降解并發(fā)生大量蓄積, 危及環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)安全和人體健康。據(jù)報(bào)道全球每年約有480～1240萬噸的塑料垃圾進(jìn)入海洋(Jambeck et al, 2015), 未來全球的塑料排放量可能達(dá)到5300萬噸(Borrelle et al, 2020)。海洋塑料污染已成為全球性的重大環(huán)境問題, 引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

漂浮于海水表面的塑料垃圾在風(fēng)浪和洋流等作用下涌上海灘, 并發(fā)生擱淺和不斷蓄積。海灘上的塑料垃圾在紫外光照、潮汐沖刷、生物作用等影響下容易發(fā)生脆化和降解, 形成不同尺寸的塑料碎片甚至微塑料?！拔⑺芰稀笔侵噶叫∮?mm的塑料碎片或微粒(Arthur et al, 2009)。與大尺寸的塑料相比,微塑料在環(huán)境中分布更廣、數(shù)量更多、更易被海洋生物攝入, 成為了當(dāng)今海洋環(huán)境中的新型污染物(何蕾 等, 2018)。目前全世界對(duì)于塑料污染的關(guān)注在持續(xù)增加, 然而大部分研究關(guān)注的是近海海域, 對(duì)深海、極地以及島礁等偏遠(yuǎn)地區(qū)的相關(guān)研究仍十分有限(Imhof et al, 2017)。

西沙群島由永樂群島和宣德群島構(gòu)成, 是我國珊瑚礁分布的主要區(qū)域, 擁有極其豐富的海洋生物資源和較高的生物多樣性。由于西沙群島遠(yuǎn)離大陸,當(dāng)前關(guān)于該區(qū)域的海洋塑料研究鮮有報(bào)道, 結(jié)果表明西沙海域的表層水體(Ding et al, 2019)、海底沉積物(Zhang et al, 2019)和生物體(Zhu et al, 2019)等已受到微塑料的威脅, 但對(duì)于西沙偏遠(yuǎn)珊瑚島海灘上的塑料垃圾和微塑料研究目前未見報(bào)道。遠(yuǎn)海珊瑚島礁極少受到人類活動(dòng)的干擾, 是研究海洋環(huán)境中塑料污染累積及其來源的理想?yún)^(qū)域。因此, 本文選擇了西沙群島的甘泉島和全富島為研究區(qū)域。甘泉島和全富島均為珊瑚環(huán)礁發(fā)育成的天然灰沙島, 位于南海珊瑚礁區(qū)域的核心地帶, 所處位置偏遠(yuǎn), 全富島尚無居民居住, 甘泉島僅少量漁民季節(jié)性值守。本論文對(duì)南海偏遠(yuǎn)無人珊瑚島海灘上塑料垃圾和微塑料的分布規(guī)律進(jìn)行研究, 研究結(jié)果對(duì)于評(píng)估南海珊瑚礁區(qū)域塑料污染狀況, 解析塑料垃圾與微塑料之間的相互關(guān)系, 以及探明海島海灘塑料污染的“源-匯”問題等具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于我國南海西沙群島永樂環(huán)礁上的甘泉島(111°35′8.45″E, 16°30′20.85″N)和全富島(111°40′24.01″E, 16°34′29.69″N)(圖1)。永樂環(huán)礁是西沙群島西部島群核心區(qū), 屬于典型的珊瑚環(huán)礁,也是西沙群島面積最大的環(huán)礁, 環(huán)礁面積300km2,陸地面積1.67km2, 共發(fā)育有13個(gè)島嶼, 各島嶼四周都有沙堤包繞, 具有中間低平的海島特征。甘泉島位于永樂環(huán)礁西南部, 全富島位于永樂環(huán)礁西北部, 兩個(gè)海島均無居民常駐, 屬于自然海島環(huán)境,極少受到人類活動(dòng)的污染影響。甘泉島和全富島均為珊瑚環(huán)礁發(fā)育成的灰沙島, 其中甘泉島呈橢圓形,面積0.3km2, 島上有土壤、淡水和植被; 全富島為一牛軛形小沙洲, 面積0.02km2, 無植物生長(zhǎng), 地勢(shì)地平, 海拔僅為1m。

圖1 采樣站點(diǎn)圖a. 南海區(qū)域圖; b. 永樂環(huán)礁; c. 甘泉島; d. 全富島。圖中藍(lán)色五角星表示位于環(huán)礁外側(cè)的站點(diǎn), 紅色三角形表示位于環(huán)礁內(nèi)側(cè)的站點(diǎn)。圖a依據(jù)審圖號(hào)GS(2016) 2937底圖制作, 圖b～d根據(jù)google衛(wèi)星遙感圖像制作Fig. 1 Map of the sampling stations, where blue star represents the site outside the atoll and red triangle represents the site inside the atoll. The left panel is from the base map of GS(2016) 2937, and the rest are from remote sensing images of Google Earth

1.2 樣品采集

本研究團(tuán)隊(duì)于2019年4月24日—26日調(diào)查了塑料垃圾(直徑>5mm)和微塑料(直徑<5mm)在兩個(gè)海島上的分布情況(圖1)。由于塑料質(zhì)輕和易漂浮性,由波浪和潮汐攜帶而來的塑料污染物主要出現(xiàn)在海灘高潮線上, 因此本文重點(diǎn)關(guān)注海島高潮帶的塑料污染, 在每個(gè)海島環(huán)島一周的潮灘高潮線處, 相隔約50m設(shè)置一個(gè)站點(diǎn), 保證采樣點(diǎn)均勻的分布在海島的四周, 在甘泉島海灘布設(shè)了20個(gè)采樣點(diǎn), 其中位于環(huán)礁外側(cè)站點(diǎn)10個(gè), 環(huán)礁內(nèi)側(cè)站點(diǎn)10個(gè); 在全富島海灘布設(shè)了21個(gè)采樣點(diǎn), 其中環(huán)礁外側(cè)站點(diǎn)11個(gè), 環(huán)礁內(nèi)側(cè)站點(diǎn)10個(gè)。采樣時(shí)間是海區(qū)大潮退潮后, 在每個(gè)海島高潮線上的不同采樣點(diǎn)處隨機(jī)放置一個(gè)面積為1m×1m的不銹鋼樣方, 首先在樣方內(nèi)收集肉眼可見的大尺寸的塑料垃圾樣品(樣品直徑>5mm), 并儲(chǔ)存于鋁箔袋內(nèi)。同時(shí), 在樣方的中心區(qū)設(shè)置一個(gè)25cm×25cm的取樣區(qū)域, 使用不銹鋼鏟采集表層2cm的沙質(zhì)沉積物, 裝到鋁箔袋內(nèi)備用。本次調(diào)查共收集到塑料垃圾樣品和微塑料樣品各41份, 帶回實(shí)驗(yàn)室做后續(xù)分析。

1.3 樣品分離和鑒定

對(duì)于帶回實(shí)驗(yàn)室的沉積物樣品, 首先放入鋁制樣品盤內(nèi)經(jīng)60℃烘箱烘干水分, 對(duì)烘干的樣品進(jìn)行稱重, 然后將樣品分成5份, 再取其中一份進(jìn)行稱重, 每份重量為400g左右。然后將這份樣品放入1L的干凈燒杯內(nèi), 并加入10%的KOH溶液500mL, 在恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行消解24h, 將消解后的溶液上清液中的微塑料全部過濾到孔徑20μm的微孔尼龍膜(NY2004700, Ireland)上。隨后繼續(xù)在樣品中放入500mL的飽和氯化鈉溶液(密度為1.2g·cm-3), 將可能剩余的微塑料進(jìn)行浮選, 經(jīng)攪拌均勻后于室溫下靜止24h, 然后取上清液進(jìn)行過濾, 整個(gè)浮選過程重復(fù)3次, 盡可能獲取其中的微塑料樣品, 之后再過濾到孔徑20μm的微孔尼龍膜上, 所有過濾后的濾膜置于干凈的玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)待檢。

在高倍體視顯微鏡(OLYMPUS SZX10, Tokyo,Japan, 放大倍數(shù)為6.3～157.5倍)上觀察濾膜中的樣品, 根據(jù)塑料的材質(zhì)、光澤和顏色等特性, 挑選出其中的疑似微塑料。對(duì)于所有的塑料垃圾和微塑料樣品, 挑選其中部分典型的樣品進(jìn)一步使用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet iN 10, Thermo Fisher,USA)與MCT檢測(cè)器聯(lián)用確定其聚合物成分。在每個(gè)樣品上采集4000～400cm-1范圍內(nèi)的紅外光譜3次, 獲得相應(yīng)的光學(xué)譜圖, 再使用OMNIC軟件(Thermo Fisher, USA)將所獲得的光譜與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫譜圖進(jìn)行比對(duì), 認(rèn)定匹配度>80%的樣品為塑料成分, 并確定其聚合物類型。關(guān)于樣品尺寸的測(cè)定,大尺寸的塑料垃圾樣品使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量,微塑料樣品則利用Image J軟件(1.46r, National Institutes of Health, USA)測(cè)量其大小。依據(jù)實(shí)驗(yàn)分析分別統(tǒng)計(jì)出塑料垃圾和微塑料的數(shù)量、形狀、大小、顏色和組分等數(shù)據(jù)。

1.4 質(zhì)控措施與數(shù)據(jù)分析

在微塑料的室內(nèi)分析過程中要求身穿棉質(zhì)實(shí)驗(yàn)服, 在潔凈的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行微塑料檢測(cè), 實(shí)驗(yàn)所用的各種溶液都經(jīng)0.7μm的微孔濾膜過濾。實(shí)驗(yàn)使用的玻璃器皿均經(jīng)純凈水清潔干凈和在馬弗爐里400℃烘至4h, 在實(shí)驗(yàn)過程中時(shí)刻用鋁箔紙包裹密封, 防止空氣中的微塑料污染。同時(shí), 實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置了程序空白樣品和環(huán)境空白樣品, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅有一個(gè)環(huán)境空白樣品中檢出1個(gè)纖維狀的微塑料, 并在樣品中扣除與空白相類似的微塑料。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪圖用python語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)用到的python庫有numpy、scipy、pandas和statsmodels, 繪圖用到的python庫主要有matplotlib和seaborn。

2 研究結(jié)果

2.1 塑料垃圾和微塑料的豐度分布

甘泉島和全富島海灘的塑料豐度分布規(guī)律如圖2所示, 兩個(gè)海島海灘上塑料垃圾的平均豐度為(85.07±70.48)個(gè)·m-2, 其中最低分布豐度為1個(gè)·m-2, 最高分布豐度為320個(gè)·m-2, 質(zhì)量比為(40.23±78.15) g·m-2。微塑料的平均豐度為(1774.75±1534.37)個(gè)·m-2或(100.82±87.18)個(gè)·kg-1干重沉積物, 其中最低豐度為293.33個(gè)·m-2, 最高豐度為8682.87個(gè)·m-2。無論是塑料垃圾還是微塑料, 豐度的最低值都出現(xiàn)在環(huán)礁外側(cè), 最高值都出現(xiàn)在環(huán)礁內(nèi)側(cè)。通過分析不同站點(diǎn)的塑料垃圾和微塑料的豐度分布, 發(fā)現(xiàn)兩者之間具有顯著的線性相關(guān)(r=0.560,p<0.0001, 單因素線性擬合)(圖3)。不同尺寸的微塑料占比分別為7.21%(4～5mm)、8.31% (3～4mm)、13.03% (2～ 3mm)、9.92%(1～2mm), 其中直徑<1mm的占比最大, 為61.53%。

圖2 甘泉島(a)和全富島(b)海灘不同站點(diǎn)的塑料豐度分布Fig. 2 Distributions of plastic abundance at different sites of Ganquan Island (a) and Quanfu Island (b). Based on Google remote sensing images

圖3 甘泉島和全富島海灘上塑料垃圾和微塑料的關(guān)系Fig. 3 Relationship between plastic debris and microplastics on the beaches of Ganquan Island and Quanfu Island

塑料垃圾和微塑料在兩個(gè)海島之間的豐度分布均無顯著性的差異(塑料垃圾:p=0.9777, 微塑料:p=0.9179, 雙樣本T檢驗(yàn), 圖4), 其中甘泉島的塑料垃圾豐度為(80.80±65.04)個(gè)·m-2, 微塑料豐度為(1792.56±1958.70)個(gè)·m-2; 全富島的塑料垃圾豐度為(89.12±54.72)個(gè)·m-2, 微塑料豐度為(1756.66±1031.00)個(gè)·m-2。兩個(gè)海島的環(huán)礁內(nèi)側(cè)海灘(面向海流)與外側(cè)海灘(背向海流)的塑料垃圾和微塑料分布存在著明顯差異(塑料垃圾:p=0.0051, 微塑料:p=0.0001, 雙樣本T檢驗(yàn), 圖5), 其中環(huán)礁內(nèi)側(cè)海灘的塑料垃圾平均豐度為(114.32±80.32)個(gè)·m-2, 微塑料平均豐度為(2624.37±1728.14)個(gè)·m-2; 環(huán)礁外側(cè)海灘的塑料垃圾平均豐度為(54.40±41.84)個(gè)·m-2,微塑料平均豐度為(882.11±419.41)個(gè)·m-2。

圖4 甘泉島和全富島海灘上塑料垃圾(a)和微塑料(b)的豐度分布圖中棱形為異常值Fig. 4 Abundance distributions of plastic debris (a) and microplastics (b) on the beaches of Ganquan Island and Quanfu Island

圖5 甘泉島和全富島環(huán)礁內(nèi)外站點(diǎn)的塑料垃圾(a)和微塑料(b)豐度分布圖中棱形為異常值Fig. 5 Abundance distributions of plastic debris (a) and microplastics (b) at inside and outside sites of the atolls of Ganquan Island and Quanfu Island

2.2 塑料垃圾和微塑料的形狀分布

甘泉島和全富島的塑料垃圾和微塑料的外觀形狀均可分為4類(圖6), 其中塑料垃圾中塊狀占比最高(44.42%), 其他分別為片狀(29.07%)、纖維狀(19.77%)和薄膜狀(6.74%)。在微塑料中塊狀(38.13%)和片狀(35.65%)占比最高, 其次為纖維狀(21.12%), 薄膜狀占比最少(5.11%)?？傮w上, 甘泉島和全富島塑料垃圾和微塑料的形狀分布主要以塊狀和片狀為主。

圖6 甘泉島和全富島塑料垃圾和微塑料的形狀分布a. 甘泉島塑料垃圾; b. 甘泉島微塑料; c. 全富島塑料垃圾; d.全富島微塑料Fig. 6 Morphological distributions of plastic debris and microplastics in Ganquan Island and Quanfu Island. (a)Plastic debris in Ganquan Island; (b) microplastics in Ganquan Island; (c) plastic debris in Quanfu Island; and (d)microplastics in Quanfu Island

2.3 塑料垃圾和微塑料的顏色分布

在塑料的顏色分布方面, 塑料垃圾中白色占比最高(28.07%), 往下依次為透明(18.72%)、藍(lán)色(17.43%)、黃色(13.76%)、綠色(11.01%)、黑色(6.19%)、紅色(2.75%)和其他(2.06%)。微塑料中仍然是白色占比最高(28.43%), 其次分別為透明(23.26%)、綠色(15.25%)、藍(lán)色(14.47%)、黑色(13.02%)、黃色(3.66%)和紅色(1.92%)?？傮w上, 甘泉島海灘塑料垃圾以白色、透明、黃色和藍(lán)色為主,微塑料主要以白色、透明、綠色和藍(lán)色為主。全富島海灘塑料垃圾和微塑料則以白色、透明、綠色和藍(lán)色為主(圖7)。

圖7 甘泉島和全富島塑料垃圾和微塑料的顏色分布a. 甘泉島塑料垃圾; b. 甘泉島微塑料; c. 全富島塑料垃圾; d.全富島微塑料Fig. 7 Color distributions of plastic debris and microplastics in Ganquan Island and Quanfu Island. (a)Plastic debris in Ganquan Island; (b) microplastics in Ganquan Island; (c) plastic debris in Quanfu Island; and (d)microplastics in Quanfu Island

2.4 塑料垃圾和微塑料的組分分布

在所有樣品中挑選了190個(gè)典型的塑料樣品,包括75個(gè)塑料垃圾和115個(gè)微塑料, 進(jìn)行顯微紅外光譜的測(cè)定, 結(jié)果顯示塑料垃圾中各類組分為: 聚苯乙烯(PS)占44.26%、聚丙烯(PP)占26.23%、聚乙烯(PE)占16.39%、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)占3.28%、其他占9.84%; 在微塑料中, 聚苯乙烯(PS)占39.39%、聚丙烯(PP)占22.72%、聚乙烯(PE)占15.15%、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)占9.09%、其他占13.64%。由此可見不同海島的塑料垃圾和微塑料組分特征較為類似, 均以PS、PP和PE占主導(dǎo)(圖8和圖9)。

圖8 甘泉島和全富島塑料垃圾和微塑料的組分分布a. 甘泉島塑料垃圾; b. 甘泉島微塑料; c. 全富島塑料垃圾; d.全富島微塑料。PE為聚乙烯, PP為聚丙烯, PS為聚苯乙烯, PET為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯Fig. 8 Types of plastic waste and microplastics in Ganquan Island and Quanfu Island. (a) Plastic debris in Ganquan Island; (b) microplastics in Ganquan Island; (c)plastic debris in Quanfu Island; and (d) microplastics in Quanfu Island

圖9 甘泉島和全富島的主要聚合物紅外光譜圖a. 聚丙烯類塑料的典型紅外光譜圖; b. 聚苯乙烯類塑料的典型紅外光譜圖; c. 聚乙烯類塑料的典型紅外光譜圖; d. 紅外光譜圖a對(duì)應(yīng)的塑料圖片; e. 紅外光譜圖b對(duì)應(yīng)的塑料圖片; f. 紅外光譜圖c對(duì)應(yīng)的塑料圖片F(xiàn)ig. 9 The main polymer spectra in plastic samples from Ganquan Island and Quanfu Island

塑料垃圾和微塑料中PS主要是塊狀的泡沫, PP主要是漁網(wǎng)和塑料碎片, PE主要是塑料薄膜、碎片和纖維, PET主要是塑料纖維, 其他種類中包含聚丙烯-聚乙烯共聚物以及一些不常見的聚合物成分(圖10和圖11)。

圖10 甘泉島和全富島的典型塑料垃圾成分a. 聚苯乙烯泡沫; b. 聚丙烯碎片; c. 聚苯乙烯塊狀泡沫; d. 聚丙烯漁線; e. 聚乙烯薄膜; f. 聚乙烯碎片F(xiàn)ig. 10 Typical plastic debris from Ganquan Island and Quanfu Island. (a) PS foam; (b) fragmented PP; (c) massive PS foam;(d) PP linear; (e) PE film; and (f) fragmented PE

圖11 甘泉島和全富島的典型微塑料成分a. 聚丙烯碎片; b. 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維; c. 聚丙烯纖維; d. 聚乙烯薄膜; e. 聚苯乙烯塊狀泡沫; f. 聚苯乙烯塊狀泡沫Fig. 11 Typical microplastics from Ganquan Island and Quanfu Island. (a) Fragmented PP; (b) fibrous PET; (c) fibrous PP; (d)PE film; (e) massive PS foam; and (f) massive PS foam

3 討論

3.1 環(huán)礁內(nèi)外兩側(cè)的塑料污染豐度分布

本研究發(fā)現(xiàn)無論是微塑料的豐度分布還是塑料垃圾的豐度分布, 在靠近環(huán)礁內(nèi)部一側(cè)的島礁海灘上都顯著高于環(huán)礁外部一側(cè)。Ding等(2019)在對(duì)西沙群島海水中微塑料豐度分布的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律, 表現(xiàn)為環(huán)礁內(nèi)部(潟湖)一側(cè)海水中的微塑料豐度(15.9個(gè)·L-1)明顯高于環(huán)礁外部一側(cè)海水中的微塑料豐度(2.4個(gè)·L-1)。Zhang等(2019)研究了三亞、潿洲島、西沙群島和南沙群島環(huán)礁周圍沙質(zhì)沉積物中的微塑料分布, 發(fā)現(xiàn)西沙群島海區(qū)微塑料豐度甚至高于三亞、潿洲島等人為活動(dòng)密集的區(qū)域,其推測(cè)可能與西沙群島環(huán)礁地區(qū)的水交換能力差有關(guān)。此外, 在對(duì)馬爾代夫地區(qū)環(huán)礁和夏威夷地區(qū)環(huán)礁的一些研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律, 環(huán)礁內(nèi)部區(qū)域相對(duì)于環(huán)礁外部區(qū)域分布有更高豐度的微塑料(McDermid et al, 2004; Saliu et al, 2018)。

相關(guān)研究表明, 在開闊海域微塑料的分布主要受海流運(yùn)動(dòng)影響, 表層流會(huì)對(duì)海水中的塑料污染進(jìn)行長(zhǎng)距離的輸運(yùn)(Browne et al, 2010; Bosker et al,2018)。王道儒等(2012)在研究中指出西沙海區(qū)存在一個(gè)反氣旋式環(huán)流, 反氣旋式環(huán)流導(dǎo)致周圍表層海水流經(jīng)西沙海區(qū), 因此也帶來了南海周邊國家排放的塑料污染。根據(jù)AVISO+數(shù)據(jù)中心公布的海流分布數(shù)據(jù), 我們分析了采樣時(shí)期內(nèi)的甘泉島和全富島附近的海流情況(圖12), 發(fā)現(xiàn)該處海流由東南流向西北, 而這兩個(gè)海島的環(huán)礁內(nèi)部一側(cè)正好面向海流方向。南海區(qū)域的海流將周邊海水中的塑料污染物輸運(yùn)至本次調(diào)查的海域, 然后在環(huán)礁內(nèi)部水域發(fā)生聚集, 最終在潮汐和風(fēng)浪的作用下被沖向海灘并蓄積,因此在面向海流方向環(huán)礁內(nèi)部一側(cè)海灘上的塑料污染相對(duì)嚴(yán)重。此外, 環(huán)礁內(nèi)部分布有大量的珊瑚礁,其三維結(jié)構(gòu)會(huì)顯著降低波浪能, 使得環(huán)礁內(nèi)部的水交換條件弱于環(huán)礁外部, 有利于塑料污染會(huì)長(zhǎng)期聚集在此, 無法得到有效擴(kuò)散, 從而導(dǎo)致大量的塑料垃圾在環(huán)礁內(nèi)部累積并降解形成數(shù)量龐大的微塑料(Nie et al, 2019; Zhang et al, 2020)。有關(guān)研究也指出塑料污染往往更傾向于分布在相對(duì)封閉的水域(Li et al, 2016), 因而區(qū)域水動(dòng)力作用是影響本地區(qū)塑料污染分布的重要原因。

圖12 研究區(qū)域周邊的海流分布圖(時(shí)間: 2019年4月25日, 數(shù)據(jù)來源: AVISO)圖中紅色五角星為本次調(diào)查的甘泉島和全富島Fig. 12 Current distribution around the study area on April 25, 2019. Data source: AVISO. Red stars mark Ganquan Island and Quanfu Island

3.2 西沙無人島礁的塑料污染分布

通過與其他地區(qū)的海灘微塑料分布豐度進(jìn)行比較(表1), 發(fā)現(xiàn)本研究區(qū)域的塑料污染水平高于馬爾代夫環(huán)礁上兩個(gè)偏遠(yuǎn)珊瑚島的塑料污染水平(Imhof et al, 2017; Saliu et al, 2018), 后者的采樣方法也與本研究類似, 存在差異的原因可能是西沙群島位于南海, 而南海周邊國家和人口眾多, 由此可能會(huì)帶來更多的塑料污染物, 而馬爾代夫處于印度洋中部、遠(yuǎn)離大陸, 受陸源塑料垃圾的影響相對(duì)較小。在韓國(Lee et al,2015)、新西蘭(Bridson et al, 2020), 以及我國的渤海(Yu et al, 2016)、香港(Fok et al, 2015)和長(zhǎng)江口(Peng et al, 2017)等沿岸潮灘也普遍存在塑料垃圾和微塑料, 且塑料污染水平與區(qū)域人口活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況密切相關(guān), 但由于在不同的研究中缺乏統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化的采樣與分析方法, 因此難以比較不同地區(qū)的塑料分布差異。

表1 本研究與其他研究的海灘微塑料數(shù)據(jù)比較Tab. 1 Comparison of beach microplastics in different studies

全富島和甘泉島屬于無人島礁, 目前尚未對(duì)外大規(guī)模開放旅游活動(dòng)。本研究通過海島實(shí)地考察和咨詢附近漁民, 了解到該海域僅出現(xiàn)個(gè)別的漁業(yè)捕撈活動(dòng), 基本不存在由本地產(chǎn)生大規(guī)模塑料污染的可能性, 因此推測(cè)全富島和甘泉島的塑料污染主要是通過區(qū)域海流攜帶而來的外源性塑料污染物。

3.3 塑料垃圾與微塑料之間的相互關(guān)系

本研究通過對(duì)不同站點(diǎn)的微塑料豐度和大中型塑料垃圾豐度進(jìn)行相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)兩者之間具有顯著的線性關(guān)系。同樣, 趙新月等(2020)對(duì)黃海桑泥灣周圍海灘的塑料垃圾進(jìn)行了研究, 觀察到不同大小的塑料碎片之間存在明顯的線性相關(guān), 再通過對(duì)塑料污染來源的識(shí)別, 得出塑料原地破碎是造成不同尺寸塑料豐度之間具有相關(guān)性的主要原因。本次研究也觀察到同一樣品中常出現(xiàn)相同類型而尺寸不同的塑料與微塑料, 再根據(jù)其表觀特征和聚合物分析結(jié)果可以判定一部分微塑料為同一類型的塑料垃圾經(jīng)環(huán)境風(fēng)化在原地破裂而成(圖13)。在有些站點(diǎn)中, 雖然塑料垃圾和微塑料具有不同的顏色、形狀和組成特征, 但兩者的豐度分布仍具有一定的相關(guān)性, 這可能是水動(dòng)力的作用結(jié)果所造成。因?yàn)橛行┪⑺芰虾痛笏芰系拿芏阮愃? 因此在相同的水動(dòng)力條件下會(huì)傾向于在同一地方發(fā)生聚集(Song et al,2018), 例如本次調(diào)查觀察到海灘上塑料垃圾主要是團(tuán)狀的聚集分布, 而不是均勻的分布, 因此本研究認(rèn)為塑料垃圾的原地破碎并非是造成塑料垃圾與微塑料密切聯(lián)系的唯一因素, 海灘周圍海域的水動(dòng)力條件也是其中的重要影響因素。

圖13 西沙海島海灘上的聚苯乙烯泡沫原地破碎化現(xiàn)象Fig. 13 The fragments of massive PS foam on the beaches of Xisha Islands

3.4 塑料污染的形狀、顏色和組分分布

在塑料形狀分布中, 占比最大的形狀種類是塊狀, 而塊狀塑料中大部分是聚苯乙烯泡沫(83.05%),這與南海北部海灘的調(diào)查結(jié)果類似(Fok et al, 2015;Li et al, 2018)。通過大量的文獻(xiàn)查閱和總結(jié), 發(fā)現(xiàn)在全球海底沉積物和海灘沉積物的塑料污染分布中,多數(shù)海灘沉積物的主要塑料類型是聚苯乙烯泡沫(EPS), 多數(shù)海底沉積物的主要塑料類型是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET), 這可能是因?yàn)镻ET的密度(1.4g·cm-3)比海水(1.02g·cm-3)大, 其更容易沉降至海底; 聚苯乙烯泡沫(EPS)的密度小(0.05g·cm-3), 其更容易漂浮于海面并擱淺在海灘上, 而且EPS的熱變形溫度范圍在60～85℃, 容易在溫度較高的海灘上發(fā)生風(fēng)化與降解, 因此沿岸海灘成為以EPS為代表的輕質(zhì)塑料的聚集地(Fok et al, 2015)。

塑料污染的“源-匯”問題一直以來都是塑料污染地球化學(xué)循環(huán)的核心問題, 而海灘往往作為海洋塑料污染“源”和“匯”的雙重角色而存在, 由于之前對(duì)于海灘塑料污染的研究多集中在人為活動(dòng)較多的沿海地區(qū), 因而很難將沿岸海灘作為一個(gè)獨(dú)立的匯進(jìn)行研究, 而本次研究區(qū)域位于西沙群島的偏遠(yuǎn)無人島礁, 基本上很少受到人為活動(dòng)影響的干擾, 因此西沙海域的海灘可單獨(dú)作為海洋塑料污染的“匯”進(jìn)行研究。本研究發(fā)現(xiàn)在海灘上以聚苯乙烯為代表的輕質(zhì)塑料占比最大(40.01%), 該研究結(jié)果與同樣作為塑料污染“匯”而存在的海底沉積物有明顯的不同。海底沉積物中微塑料的主要類型為纖維(PET),以泡沫塑料為代表的輕質(zhì)塑料極少出現(xiàn)(Yao et al,2019)。聚苯乙烯泡沫塑料被廣泛用于沿岸海水養(yǎng)殖設(shè)施、捕撈器具和海產(chǎn)品貯存運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域, 且產(chǎn)量巨大, 是海洋環(huán)境中典型的塑料污染物, 而海底中極少出現(xiàn)輕質(zhì)塑料污染, 因此無法解釋輕質(zhì)塑料的環(huán)境歸宿問題。這次研究發(fā)現(xiàn)西沙偏遠(yuǎn)海島上出現(xiàn)大量以泡沫塑料為代表的輕質(zhì)塑料, 說明偏遠(yuǎn)地區(qū)的海灘可能作為輕質(zhì)塑料一個(gè)重要的“匯”而存在。

在本研究中, 透明和白色的塑料占比最高, 而透明/白色塑料的分布通常被認(rèn)為具有一定的環(huán)境特征。因?yàn)樵诳拷祟惢顒?dòng)污染源的地方, 彩色塑料占比會(huì)相對(duì)較高, 而塑料垃圾經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的海上漂流, 塑料豐富的顏色在紫外光照、波浪和生物等影響下會(huì)逐漸褪去, 從而逐漸變成透明和白色(Vidyasakar et al, 2018), 因此透明/白色塑料的占比對(duì)于塑料受風(fēng)化的時(shí)間有較強(qiáng)的環(huán)境指示意義(Tan et al, 2020)。與其他地區(qū)的研究結(jié)果對(duì)比, 本研究的透明/白色塑料占比相對(duì)較高(50.60%), 這說明西沙海島的塑料污染可能是其他地區(qū)的塑料垃圾經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的海洋輸運(yùn)而來, 因此今后的研究需要重視外來塑料污染對(duì)偏遠(yuǎn)海島環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

1) 西沙海區(qū)甘泉島和全富島海灘沉積物中的塑料污染狀況相類似, 其中塑料污染豐度在環(huán)礁內(nèi)側(cè)顯著高于環(huán)礁外側(cè), 這可能是由于受到調(diào)查區(qū)域海流和環(huán)礁水體交換等因素的影響。

2) 微塑料與塑料垃圾的豐度分布呈顯著的線性相關(guān), 據(jù)推測(cè)這種情況可能與塑料垃圾原地風(fēng)化破碎和海域水動(dòng)力作用的影響有關(guān)。

3) 西沙海島潮灘出現(xiàn)大量以聚苯乙烯泡沫為代表的輕質(zhì)塑料, 主要是通過其他地區(qū)的塑料垃圾經(jīng)海流輸運(yùn)而來。偏遠(yuǎn)海島海灘成為輕質(zhì)塑料污染一個(gè)重要的匯集地, 因此在以后的研究中需要關(guān)注外來輕質(zhì)泡沫塑料對(duì)海島海灘環(huán)境的污染影響。