Science最新研究：全球塑料污染与温室气体排放的科学治理路径
Science最新研究：全球塑料污染与温室气体排放的科学治理路径
塑料污染和温室气体排放是全球面临的重大环境挑战。一项最新研究通过机器学习模型预测了未来塑料污染和温室气体排放的趋势，并评估了八项政策干预措施的效果。研究表明，通过合理的政策设计和组合实施，可以显著减少塑料污染及其对气候的影响。
研究背景
自1950年以来，塑料产量持续增长，与之相伴的是塑料废弃物的生成和管理问题日益严重。在环境中，塑料废弃物逐渐分解为微塑料和纳米塑料，对从极地到深海的生态系统产生了广泛的负面影响。此外，塑料污染还与癌症、心血管疾病和生殖健康问题等多种人类健康风险相关。
塑料的整个生命周期，包括石油和天然气的开采与加工、生产过程及废弃物管理，都排放了大量温室气体，从而加剧了气候变化。同时，全球南方国家承受了不成比例的塑料废弃物管理压力，而废弃物出口的不平等和塑料工厂邻近弱势社区的分布模式进一步加剧了环境不公平问题。
研究方法
本研究建立了一套综合数据库，用于分析塑料的生产、消费及生命周期管理。数据库基于现有数据进行扩展和区域化处理，涵盖原生与再生塑料树脂、纤维及添加剂。全球被划分为四大区域：北美（包含加拿大、墨西哥和美国）、中国、欧洲30国（包括欧盟成员国、英国、瑞士和挪威）以及“大多数其余国家”。各区域的表观消费量通过生产数据结合塑料商品在供应链中的贸易流向计算，并按包装、建筑、纺织、家居、电子产品、交通运输、农业和其他八个经济部门分类建模。塑料废弃物管理状态按是否正规填埋、焚烧或回收分类，若不符合这些条件，则标记为“误处理”。
基于该数据库，研究开发了一种结合蒙特卡罗模拟的机器学习模型，通过历史质量流数据和社会经济因素（如人口和经济变化）预测未来趋势。模型运用了随机森林回归算法来生成2050年的“商业常规”（BAU）情景，预测塑料的生产、贸易及废弃物管理走向。同时，利用塑料生命周期各环节的温室气体排放强度，估算了与不同情景相关的温室气体排放量。
研究发现
塑料消费与废弃物生成的区域特点
2020年，全球塑料消费量为5.47亿吨，其中86%为原生塑料，14%为再生塑料。中国是最大消费国，占36%；其后是“大多数其余国家”（28%）、欧洲30国（18%）和北美（18%）。包装业是塑料消费的主要领域，占32%，其次是建筑（17%）和纺织（16%）。区域间差异显著，例如中国塑料消费预计在2030年达到峰值后下降，欧洲30国则将在2025年后恢复至2020年的水平，而北美和“大多数世界”的消费量将持续增长。若无干预，到2050年，全球塑料消费量预计增长37%，达到7.49亿吨。
2020年北美和欧洲30国的人均塑料消费量分别为195千克和187千克，而中国为138千克，“大多数世界”仅为29千克。到2050年，“大多数世界”人均消费量预计仅小幅增长至34千克，而北美将大幅增加至389千克，是“大多数世界”的十倍以上。
图1：塑料的总消费量和人均消费量
塑料废弃物与管理现状
2020年，全球塑料废弃物生成量为4.25亿吨，其中39%被填埋，24%被焚烧，22%被回收，其余15%（约6200万吨）被误处理。90%的误处理废弃物来自“大多数世界”，而中国、北美和欧洲30国的误处理比例仅为3%至4%。若无政策干预，到2050年，全球塑料废弃物生成量预计增至6.87亿吨，其中误处理比例将增长3个百分点，达到1.21亿吨。
图2：2050 年全球塑料预测
温室气体排放趋势
塑料生产、加工和废弃物管理在2020年产生了约2.45亿吨二氧化碳当量，占全球工业排放的5%。这一排放量预计到2050年增长至3.35亿吨，进一步凸显塑料系统对气候变化的显著影响。
政策干预效果评估
研究评估了以下八项政策在减少塑料废弃物误处理和温室气体排放方面的影响：
- 最低40%再生塑料含量：此政策能将2050年误处理废弃物从1.21亿吨降至5900万吨，同时将温室气体排放从33.5亿吨减少至27.9亿吨。
- 限制原生塑料生产：将原生塑料产量限制在2020年水平，可将误处理废弃物减少至7200万吨，并将温室气体排放降至27.6亿吨。
- 废弃物管理投资：对废弃物管理体系投资500亿美元，能将误处理废弃物减少至7400万吨，减排效果有限，仅将温室气体降至33.3亿吨。
- 回收基础设施投资：投资1000亿美元发展回收体系，预计将误处理废弃物降至9100万吨，对温室气体排放的减排作用较小，仅降至32.5亿吨。
- 最低回收率要求：要求40%的塑料废弃物被回收，可减少误处理废弃物至9100万吨，但因塑料消费增加，温室气体排放仅减少至32.8亿吨。
- 塑料包装税：对塑料包装征税，可将误处理废弃物降至9700万吨，温室气体排放减少至27.8亿吨。
- 一次性包装减少：减少45%的一次性包装使用，可将误处理废弃物减少至1.03亿吨，并将温室气体排放降至29.6亿吨。
- 包装重复使用：推广80%的包装重复使用率，可将误处理废弃物降至1.09亿吨，温室气体排放降至30.6亿吨。
研究表明，政策组合的效果显著优于单一政策。例如，将限制原生塑料生产、包装税、最低再生含量要求和废弃物管理投资相结合，预计到2050年可将误处理废弃物减少91%，降至1100万吨，并将温室气体排放削减三分之一，降至20.9亿吨。
图4：潜在政策的预计影响
结论
研究结果显示，通过适当的政策干预，可以显著减少塑料废弃物误处理这一全球性环境难题。然而，达到这一目标需要政策的严谨设计和有效执行，这对决策制定者提出了更高要求。
研究表明，不同政策在减少误处理废弃物方面的效果差异明显。其中，最低再生塑料含量要求、投资废弃物管理基础设施、限制原生塑料生产和塑料包装税等措施，无论单独实施还是联合应用，均表现出显著成效。政策组合尤其强大，可将误处理废弃物降至极低水平。
此外，尽管应对误处理废弃物的政策通常带来温室气体减排的协同效应，但两者的减排方向和幅度并不总是一致。例如，限制原生塑料生产等上游措施对温室气体减排的效果最显著。未来研究可进一步探讨误处理废弃物对气候的潜在影响（如微塑料对碳循环的干扰），以完善模型预测。
尽管如此，本研究的政策组合方案对全球温室气体减排的总体贡献仍有限（仅占当前年度工业排放的不到3%），塑料产业的排放仍将保持高位。
总之，这些发现为联合国塑料污染条约的制定和实施提供了科学支持，表明在技术和政治意愿的推动下，可以显著改善塑料废弃物管理问题。本研究还展示了一种灵活的政策评估方法，利用交互式模拟工具为环境决策提供参考，推动更有效的政策制定。
图5：全球和区域年度塑料垃圾