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热带海洋学报 >

2021 , Vol. 40 >Issue 5: 123 - 133

DOI: https://doi.org/10.11978/2020137

海洋环境保护

西沙海域甘泉岛和全富岛海滩上的塑料垃圾与微塑料分布特征

  • 方周 , 1, 4 ,
  • 谭飞 1, 4 ,
  • 杨红强 , 1, 3, 5 ,
  • 徐辉龙 1 ,
  • 徐向荣 2, 3 ,
  • 李恒翔 , 2, 3
展开
  • 1.中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 510301
  • 2.中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 510301
  • 3.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
  • 4.中国科学院大学, 北京 100049
  • 5.中国科学院南沙海洋生态环境实验站, 海南 三沙 573199
李恒翔。email: ;
杨红强。email:

方周(1996—), 男, 河北省邢台市人, 主要从事南海环境地质研究。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2020-11-20

  要求修回日期: 2021-03-02

  网络出版日期: 2021-03-10

基金资助

中科院先导专项(XDA13010103)

中科院先导专项(XDA13020101)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0404)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0206)

中国科学院南海生态环境工程创新研究院自主部署项目(ISEE2019ZR03)

中国科学院南海生态环境工程创新研究院自主部署项目(ISEE2018PY01)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
收起

Distribution characteristics of plastic debris and microplastics on the beaches of Ganquan Island and Quanfu Island in Xisha Sea

  • FANG Zhou , 1, 4 ,
  • TAN Fei 1, 4 ,
  • YANG Hongqiang , 1, 3, 5 ,
  • XU Huilong 1 ,
  • XU Xiangrong 2, 3 ,
  • LI Hengxiang , 2, 3
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  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 5. Nansha Marine Ecological and Environmental Research Station, Chinese Academy of Sciences, Sansha 573199, China
LI Hengxiang. email: ;
YANG Hongqiang. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2020-11-20

  Request revised date: 2021-03-02

  Online published: 2021-03-10

Supported by

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA13010103)

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA13020101)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering, Guangdong Laboratory(Guangzhou)(GML2019ZD0404)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering, Guangdong Laboratory(Guangzhou)(GML2019ZD0206)

Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences(ISEE2019ZR03)

Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences(ISEE2018PY01)

Copyright

Copyright reserved © 2021.
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摘要

塑料污染现象在世界各地海滩随处可见, 日益成为海洋环境中的重要威胁。文章调查了西沙海域甘泉岛和全富岛海滩的塑料污染分布情况, 结果显示, 尽管研究区域远离大陆, 人类活动影响较小, 但是海岛海滩上的塑料污染普遍存在, 塑料垃圾(>5mm)的平均分布丰度为(85.07±70.48)个∙m-2, 平均重量为(40.23±78.15)g∙m-2; 微塑料(<5mm)的平均分布丰度为(1774.75±1534.37)个∙m-2或(100.82±87.18)个∙kg-1。塑料垃圾和微塑料在不同海岛间的丰度分布均无显著性的差异, 但无论是塑料垃圾的丰度还是微塑料的丰度, 在环礁内侧海滩都显著高于环礁外侧海滩。此外, 微塑料的丰度分布与塑料垃圾的丰度分布呈显著的线性相关。红外光谱分析得出塑料聚合物主要成分有聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯等, 其中以聚苯乙烯泡沫的比例占优。甘泉岛和全富岛海滩的塑料污染主要是通过其他地区的外源性塑料输送而来, 其在海岛上的不均匀空间分布受到区域海流作用、水动力条件、塑料降解等多种因素的影响。

关键词： 微塑料; 塑料垃圾; 海岛; 污染; 分布

本文引用格式

方周 , 谭飞 , 杨红强 , 徐辉龙 , 徐向荣 , 李恒翔 . 西沙海域甘泉岛和全富岛海滩上的塑料垃圾与微塑料分布特征[J]. 热带海洋学报, 2021 , 40(5) : 123 -133 . DOI: 10.11978/2020137

Abstract

Plastic pollution is ubiquitous on beaches throughout the world, which has become a threat to marine environment. However, plastic pollution in remote arears has been rarely reported. This study investigates the pollution and distribution of plastic waste on Ganquan Island and Quanfu Island in the Xisha Sea. Results show that plastic debris and microplastics were widespread over these island beaches, although these islands are far from the lands and direct impacts of human activities. The average abundance and weight of plastic debris were (85.07±70.48) item∙m-2and (40.23±78.15) g∙m-2, respectively, whereas the average abundance of microplastics was (1774.75±1534.37) item∙m-2or (100.82±87.18) item∙kg-1. The abundance of plastic debris or microplastics was not statistically different between Ganquan Island and Quanfu Island, but plastic debris and microplastics along the inner atoll were more than those around the outer atoll of the islands. There was a significant linear correlation in the abundances of microplastics and plastic debris. Infrared spectroscopy analysis shows that the main polymer components including polystyrene, polypropylene, polyethylene, etc., especially polystyrene foam that had a higher number in the samples. Plastic debris and microplastics in the uninhabited islands of Xisha might have been transported from other areas, and their spatial distributions around the islands had been affected by multiple forces, such as ocean currents, hydrodynamic condition and plastic fragments.

Key words： microplastic; plastic debris; island; pollution; distribution

塑料是19世纪工业革命时代诞生的新型材料, 是人工合成高分子材料的总称。塑料因具有轻质、防水、可塑性强和耐用等特点而被广泛使用, 同样的塑料特性也使其在环境中难以降解并发生大量蓄积, 危及环境质量、生态安全和人体健康。据报道全球每年约有480~1240万吨的塑料垃圾进入海洋(Jambeck et al, 2015), 未来全球的塑料排放量可能达到5300万吨(Borrelle et al, 2020)。海洋塑料污染已成为全球性的重大环境问题, 引起了国内外学者的广泛关注。
漂浮于海水表面的塑料垃圾在风浪和洋流等作用下涌上海滩, 并发生搁浅和不断蓄积。海滩上的塑料垃圾在紫外光照、潮汐冲刷、生物作用等影响下容易发生脆化和降解, 形成不同尺寸的塑料碎片甚至微塑料。“微塑料”是指粒径小于5mm的塑料碎片或微粒(Arthur et al, 2009)。与大尺寸的塑料相比, 微塑料在环境中分布更广、数量更多、更易被海洋生物摄入, 成为了当今海洋环境中的新型污染物(何蕾 等, 2018)。目前全世界对于塑料污染的关注在持续增加, 然而大部分研究关注的是近海海域, 对深海、极地以及岛礁等偏远地区的相关研究仍十分有限(Imhof et al, 2017)。
西沙群岛由永乐群岛和宣德群岛构成, 是我国珊瑚礁分布的主要区域, 拥有极其丰富的海洋生物资源和较高的生物多样性。由于西沙群岛远离大陆, 当前关于该区域的海洋塑料研究鲜有报道, 结果表明西沙海域的表层水体(Ding et al, 2019)、海底沉积物(Zhang et al, 2019)和生物体(Zhu et al, 2019)等已受到微塑料的威胁, 但对于西沙偏远珊瑚岛海滩上的塑料垃圾和微塑料研究目前未见报道。远海珊瑚岛礁极少受到人类活动的干扰, 是研究海洋环境中塑料污染累积及其来源的理想区域。因此, 本文选择了西沙群岛的甘泉岛和全富岛为研究区域。甘泉岛和全富岛均为珊瑚环礁发育成的天然灰沙岛, 位于南海珊瑚礁区域的核心地带, 所处位置偏远, 全富岛尚无居民居住, 甘泉岛仅少量渔民季节性值守。本论文对南海偏远无人珊瑚岛海滩上塑料垃圾和微塑料的分布规律进行研究, 研究结果对于评估南海珊瑚礁区域塑料污染状况, 解析塑料垃圾与微塑料之间的相互关系, 以及探明海岛海滩塑料污染的“源-汇”问题等具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域位于我国南海西沙群岛永乐环礁上的甘泉岛(111°35′8.45″E, 16°30′20.85″N)和全富岛(111°40′24.01″E, 16°34′29.69″N)(图1)。永乐环礁是西沙群岛西部岛群核心区, 属于典型的珊瑚环礁, 也是西沙群岛面积最大的环礁, 环礁面积300km2, 陆地面积1.67km2, 共发育有13个岛屿, 各岛屿四周都有沙堤包绕, 具有中间低平的海岛特征。甘泉岛位于永乐环礁西南部, 全富岛位于永乐环礁西北部, 两个海岛均无居民常驻, 属于自然海岛环境, 极少受到人类活动的污染影响。甘泉岛和全富岛均为珊瑚环礁发育成的灰沙岛, 其中甘泉岛呈椭圆形, 面积0.3km2, 岛上有土壤、淡水和植被; 全富岛为一牛轭形小沙洲, 面积0.02km2, 无植物生长, 地势地平, 海拔仅为1m。
图1 采样站点图

a. 南海区域图; b. 永乐环礁; c. 甘泉岛; d. 全富岛。图中蓝色五角星表示位于环礁外侧的站点, 红色三角形表示位于环礁内侧的站点。图a依据审图号GS(2016) 2937底图制作, 图b~d根据google卫星遥感图像制作

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 样品采集

本研究团队于2019年4月24日—26日调查了塑料垃圾(直径>5mm)和微塑料(直径<5mm)在两个海岛上的分布情况(图1)。由于塑料质轻和易漂浮性,由波浪和潮汐携带而来的塑料污染物主要出现在海滩高潮线上, 因此本文重点关注海岛高潮带的塑料污染, 在每个海岛环岛一周的潮滩高潮线处, 相隔约50m设置一个站点, 保证采样点均匀的分布在海岛的四周, 在甘泉岛海滩布设了20个采样点, 其中位于环礁外侧站点10个, 环礁内侧站点10个; 在全富岛海滩布设了21个采样点, 其中环礁外侧站点11个, 环礁内侧站点10个。采样时间是海区大潮退潮后, 在每个海岛高潮线上的不同采样点处随机放置一个面积为1m×1m的不锈钢样方, 首先在样方内收集肉眼可见的大尺寸的塑料垃圾样品(样品直径>5mm), 并储存于铝箔袋内。同时, 在样方的中心区设置一个25cm×25cm的取样区域, 使用不锈钢铲采集表层2cm的沙质沉积物, 装到铝箔袋内备用。本次调查共收集到塑料垃圾样品和微塑料样品各41份, 带回实验室做后续分析。

1.3 样品分离和鉴定

对于带回实验室的沉积物样品, 首先放入铝制样品盘内经60℃烘箱烘干水分, 对烘干的样品进行称重, 然后将样品分成5份, 再取其中一份进行称重, 每份重量为400g左右。然后将这份样品放入1L的干净烧杯内, 并加入10%的KOH溶液500mL, 在恒温振荡培养箱内进行消解24h, 将消解后的溶液上清液中的微塑料全部过滤到孔径20μm的微孔尼龙膜(NY2004700, Ireland)上。随后继续在样品中放入500mL的饱和氯化钠溶液(密度为1.2g∙cm-3), 将可能剩余的微塑料进行浮选, 经搅拌均匀后于室温下静止24h, 然后取上清液进行过滤, 整个浮选过程重复3次, 尽可能获取其中的微塑料样品, 之后再过滤到孔径20μm的微孔尼龙膜上, 所有过滤后的滤膜置于干净的玻璃培养皿内待检。
在高倍体视显微镜(OLYMPUS SZX10, Tokyo, Japan, 放大倍数为6.3~157.5倍)上观察滤膜中的样品, 根据塑料的材质、光泽和颜色等特性, 挑选出其中的疑似微塑料。对于所有的塑料垃圾和微塑料样品, 挑选其中部分典型的样品进一步使用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iN 10, Thermo Fisher, USA)与MCT检测器联用确定其聚合物成分。在每个样品上采集4000~400cm-1范围内的红外光谱3次, 获得相应的光学谱图, 再使用OMNIC软件(Thermo Fisher, USA)将所获得的光谱与标准数据库谱图进行比对, 认定匹配度>80%的样品为塑料成分, 并确定其聚合物类型。关于样品尺寸的测定, 大尺寸的塑料垃圾样品使用游标卡尺进行测量, 微塑料样品则利用Image J软件(1.46r, National Institutes of Health, USA)测量其大小。依据实验分析分别统计出塑料垃圾和微塑料的数量、形状、大小、颜色和组分等数据。

1.4 质控措施与数据分析

在微塑料的室内分析过程中要求身穿棉质实验服, 在洁净的实验室环境内进行微塑料检测, 实验所用的各种溶液都经0.7µm的微孔滤膜过滤。实验使用的玻璃器皿均经纯净水清洁干净和在马弗炉里400℃烘至4h, 在实验过程中时刻用铝箔纸包裹密封, 防止空气中的微塑料污染。同时, 实验过程中设置了程序空白样品和环境空白样品, 结果发现仅有一个环境空白样品中检出1个纤维状的微塑料, 并在样品中扣除与空白相类似的微塑料。
数据统计和绘图用python语言进行编程实现, 数据统计用到的python库有numpy、scipy、pandas和statsmodels, 绘图用到的python库主要有matplotlib和seaborn。

2 研究结果

2.1 塑料垃圾和微塑料的丰度分布

甘泉岛和全富岛海滩的塑料丰度分布规律如图2所示, 两个海岛海滩上塑料垃圾的平均丰度为(85.07± 70.48)个∙m-2, 其中最低分布丰度为1个∙m-2, 最高分布丰度为320个∙m-2, 质量比为(40.23±78.15) g∙m-2。微塑料的平均丰度为(1774.75±1534.37)个∙m-2或(100.82±87.18)个∙kg-1干重沉积物, 其中最低丰度为293.33个∙m-2, 最高丰度为8682.87个∙m-2。无论是塑料垃圾还是微塑料, 丰度的最低值都出现在环礁外侧, 最高值都出现在环礁内侧。通过分析不同站点的塑料垃圾和微塑料的丰度分布, 发现两者之间具有显著的线性相关(r=0.560, p<0.0001, 单因素线性拟合)(图3)。不同尺寸的微塑料占比分别为7.21% (4~5mm)、8.31% (3~4mm)、13.03% (2~ 3mm)、9.92% (1~2mm), 其中直径<1mm的占比最大, 为61.53%。
图2 甘泉岛(a)和全富岛(b)海滩不同站点的塑料丰度分布

Fig. 2 Distributions of plastic abundance at different sites of Ganquan Island (a) and Quanfu Island (b). Based on Google remote sensing images

图3 甘泉岛和全富岛海滩上塑料垃圾和微塑料的关系

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两个海岛之间的丰度分布均无显著性的差异(塑料垃圾: p=0.9777, 微塑料: p=0.9179, 双样本T检验, 图4), 其中甘泉岛的塑料垃圾丰度为(80.80±65.04)个∙m-2, 微塑料丰度为(1792.56±1958.70)个∙m-2; 全富岛的塑料垃圾丰度为(89.12±54.72)个∙m-2, 微塑料丰度为(1756.66± 1031.00)个∙m-2。两个海岛的环礁内侧海滩(面向海流)与外侧海滩(背向海流)的塑料垃圾和微塑料分布存在着明显差异(塑料垃圾: p=0.0051, 微塑料: p=0.0001, 双样本T检验, 图5), 其中环礁内侧海滩的塑料垃圾平均丰度为(114.32±80.32)个∙m-2, 微塑料平均丰度为(2624.37±1728.14)个∙m-2; 环礁外侧海滩的塑料垃圾平均丰度为(54.40±41.84)个∙m-2, 微塑料平均丰度为(882.11±419.41)个∙m-2。
图4 甘泉岛和全富岛海滩上塑料垃圾(a)和微塑料(b)的丰度分布

图中棱形为异常值

Fig. 4 Abundance distributions of plastic debris (a) and microplastics (b) on the beaches of Ganquan Island and Quanfu Island

图5 甘泉岛和全富岛环礁内外站点的塑料垃圾(a)和微塑料(b)丰度分布

图中棱形为异常值

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状分布

甘泉岛和全富岛的塑料垃圾和微塑料的外观形状均可分为4类(图6), 其中塑料垃圾中块状占比最高(44.42%), 其他分别为片状(29.07%)、纤维状(19.77%)和薄膜状(6.74%)。在微塑料中块状(38.13%)和片状(35.65%)占比最高, 其次为纤维状(21.12%), 薄膜状占比最少(5.11%)。总体上, 甘泉岛和全富岛塑料垃圾和微塑料的形状分布主要以块状和片状为主。
图6 甘泉岛和全富岛塑料垃圾和微塑料的形状分布

a. 甘泉岛塑料垃圾; b. 甘泉岛微塑料; c. 全富岛塑料垃圾; d. 全富岛微塑料

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颜色分布

在塑料的颜色分布方面, 塑料垃圾中白色占比最高(28.07%), 往下依次为透明(18.72%)、蓝色(17.43%)、黄色(13.76%)、绿色(11.01%)、黑色(6.19%)、红色(2.75%)和其他(2.06%)。微塑料中仍然是白色占比最高(28.43%), 其次分别为透明(23.26%)、绿色(15.25%)、蓝色(14.47%)、黑色(13.02%)、黄色(3.66%)和红色(1.92%)。总体上, 甘泉岛海滩塑料垃圾以白色、透明、黄色和蓝色为主,微塑料主要以白色、透明、绿色和蓝色为主。全富岛海滩塑料垃圾和微塑料则以白色、透明、绿色和蓝色为主(图7)。
图7 甘泉岛和全富岛塑料垃圾和微塑料的颜色分布

a. 甘泉岛塑料垃圾; b. 甘泉岛微塑料; c. 全富岛塑料垃圾; d. 全富岛微塑料

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组分分布

在所有样品中挑选了190个典型的塑料样品, 包括75个塑料垃圾和115个微塑料, 进行显微红外光谱的测定, 结果显示塑料垃圾中各类组分为: 聚苯乙烯(PS)占44.26%、聚丙烯(PP)占26.23%、聚乙烯(PE)占16.39%、聚对苯二甲酸乙二醇酯(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%、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)占9.09%、其他占13.64%。由此可见不同海岛的塑料垃圾和微塑料组分特征较为类似, 均以PS、PP和PE占主导(图8和图9)。
图8 甘泉岛和全富岛塑料垃圾和微塑料的组分分布

a. 甘泉岛塑料垃圾; b. 甘泉岛微塑料; c. 全富岛塑料垃圾; d. 全富岛微塑料。PE为聚乙烯, PP为聚丙烯, PS为聚苯乙烯, PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯

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

图9 甘泉岛和全富岛的主要聚合物红外光谱图

a. 聚丙烯类塑料的典型红外光谱图; b. 聚苯乙烯类塑料的典型红外光谱图; c. 聚乙烯类塑料的典型红外光谱图; d. 红外光谱图a对应的塑料图片; e. 红外光谱图b对应的塑料图片; f. 红外光谱图c对应的塑料图片

Fig. 9 The main polymer spectra in plastic samples from Ganquan Island and Quanfu Island

塑料垃圾和微塑料中PS主要是块状的泡沫, PP主要是渔网和塑料碎片, PE主要是塑料薄膜、碎片和纤维, PET主要是塑料纤维, 其他种类中包含聚丙烯-聚乙烯共聚物以及一些不常见的聚合物成分(图10和图11)。
图10 甘泉岛和全富岛的典型塑料垃圾成分

a. 聚苯乙烯泡沫; b. 聚丙烯碎片; c. 聚苯乙烯块状泡沫; d. 聚丙烯渔线; e. 聚乙烯薄膜; f. 聚乙烯碎片

Fig. 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

图11 甘泉岛和全富岛的典型微塑料成分

a. 聚丙烯碎片; b. 聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维; c. 聚丙烯纤维; d. 聚乙烯薄膜; e. 聚苯乙烯块状泡沫; f. 聚苯乙烯块状泡沫

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 讨论

3.1 环礁内外两侧的塑料污染丰度分布

本研究发现无论是微塑料的丰度分布还是塑料垃圾的丰度分布, 在靠近环礁内部一侧的岛礁海滩上都显著高于环礁外部一侧。Ding等(2019)在对西沙群岛海水中微塑料丰度分布的研究中也发现了类似的规律, 表现为环礁内部(潟湖)一侧海水中的微塑料丰度(15.9个∙L-1)明显高于环礁外部一侧海水中的微塑料丰度(2.4个∙L-1)。Zhang等(2019)研究了三亚、涠洲岛、西沙群岛和南沙群岛环礁周围沙质沉积物中的微塑料分布, 发现西沙群岛海区微塑料丰度甚至高于三亚、涠洲岛等人为活动密集的区域, 其推测可能与西沙群岛环礁地区的水交换能力差有关。此外, 在对马尔代夫地区环礁和夏威夷地区环礁的一些研究中也发现了类似的规律, 环礁内部区域相对于环礁外部区域分布有更高丰度的微塑料(McDermid et al, 2004; Saliu et al, 2018)。
相关研究表明, 在开阔海域微塑料的分布主要受海流运动影响, 表层流会对海水中的塑料污染进行长距离的输运(Browne et al, 2010; Bosker et al, 2018)。王道儒等(2012)在研究中指出西沙海区存在一个反气旋式环流, 反气旋式环流导致周围表层海水流经西沙海区, 因此也带来了南海周边国家排放的塑料污染。根据AVISO+数据中心公布的海流分布数据, 我们分析了采样时期内的甘泉岛和全富岛附近的海流情况(图12), 发现该处海流由东南流向西北, 而这两个海岛的环礁内部一侧正好面向海流方向。南海区域的海流将周边海水中的塑料污染物输运至本次调查的海域, 然后在环礁内部水域发生聚集, 最终在潮汐和风浪的作用下被冲向海滩并蓄积, 因此在面向海流方向环礁内部一侧海滩上的塑料污染相对严重。此外, 环礁内部分布有大量的珊瑚礁,其三维结构会显著降低波浪能, 使得环礁内部的水交换条件弱于环礁外部, 有利于塑料污染会长期聚集在此, 无法得到有效扩散, 从而导致大量的塑料垃圾在环礁内部累积并降解形成数量庞大的微塑料(Nie et al, 2019; Zhang et al, 2020)。有关研究也指出塑料污染往往更倾向于分布在相对封闭的水域(Li et al, 2016), 因而区域水动力作用是影响本地区塑料污染分布的重要原因。
图12 研究区域周边的海流分布图(时间: 2019年4月25日, 数据来源: AVISO)

图中红色五角星为本次调查的甘泉岛和全富岛

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 西沙无人岛礁的塑料污染分布

通过与其他地区的海滩微塑料分布丰度进行比较(表1), 发现本研究区域的塑料污染水平高于马尔代夫环礁上两个偏远珊瑚岛的塑料污染水平(Imhof et al, 2017; Saliu et al, 2018), 后者的采样方法也与本研究类似, 存在差异的原因可能是西沙群岛位于南海, 而南海周边国家和人口众多, 由此可能会带来更多的塑料污染物, 而马尔代夫处于印度洋中部、远离大陆, 受陆源塑料垃圾的影响相对较小。在韩国(Lee et al, 2015)、新西兰(Bridson et al, 2020), 以及我国的渤海(Yu et al, 2016)、香港(Fok et al, 2015)和长江口(Peng et al, 2017)等沿岸潮滩也普遍存在塑料垃圾和微塑料, 且塑料污染水平与区域人口活动和经济发展情况密切相关, 但由于在不同的研究中缺乏统一和标准化的采样与分析方法, 因此难以比较不同地区的塑料分布差异。
表1 本研究与其他研究的海滩微塑料数据比较

Tab. 1 Comparison of beach microplastics in different studies

调查区域 滤膜孔径/μm 微塑料丰度 微塑料主要成分 微塑料主要形状 参考文献
中国香港沿岸 315 5595个∙m-2 EPS 泡沫、碎片 Fok等(2015)
马尔代夫 50 22.7个∙m-2 PE、PP、PS 碎片、泡沫 Saliu等(2018)
马尔代夫 0.2 1029个∙m-2 PS、PE、PP 泡沫、碎片、薄膜 Imhof等(2017)
秘鲁沿岸 1000 174.1个∙m-2 PS 泡沫、碎片 De-la-Torre等(2020)
韩国沿岸 1000 918.7个∙m-2 PS 泡沫、纤维 Lee等(2015)
危地马拉沿岸 1000 279个∙m-2 PS、PP、PE 泡沫、碎片 Mazariegos-Ortíz等(2020)
新西兰沿岸 300 459个∙m-2 纤维素、PE 纤维、碎片、薄膜 Bridson等(2020)
西沙偏远海岛 20 1774.75个∙m-2 PS、PE、PP 泡沫、碎片、纤维 本研究
渤海沿岸 10 102.9~163.3个∙kg-1 PEVA、LDPE、 PS 碎片、薄片 Yu等(2016)
厦门湾沿岸 / 28.1~312. 7个∙kg-1 PE、PS 泡沫、碎片、纤维 刘启明等(2019)
象山港沿岸 10 1739个∙kg-1 PE泡沫、PE渔网 泡沫 Chen等(2018)
长江口沿岸 20 121个∙kg-1 尼龙、PE 纤维 Peng等(2017)
加勒比海沿岸 0.45 261个∙kg-1 / 纤维 Bosker等(2018)
西沙偏远海岛 20 100.82个∙kg-1 PS、PE、PP 泡沫、碎片、纤维 本研究

注: PE为聚乙烯, PP为聚丙烯, PS为聚苯乙烯, PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯, PEVA为聚乙烯—醋酸乙烯酯, LDPE为低密度聚乙烯, EPS为聚苯乙烯泡沫, / 表示缺乏相关数据

全富岛和甘泉岛属于无人岛礁, 目前尚未对外大规模开放旅游活动。本研究通过海岛实地考察和咨询附近渔民, 了解到该海域仅出现个别的渔业捕捞活动, 基本不存在由本地产生大规模塑料污染的可能性, 因此推测全富岛和甘泉岛的塑料污染主要是通过区域海流携带而来的外源性塑料污染物。

3.3 塑料垃圾与微塑料之间的相互关系

本研究通过对不同站点的微塑料丰度和大中型塑料垃圾丰度进行相关性分析, 发现两者之间具有显著的线性关系。同样, 赵新月等(2020)对黄海桑泥湾周围海滩的塑料垃圾进行了研究, 观察到不同大小的塑料碎片之间存在明显的线性相关, 再通过对塑料污染来源的识别, 得出塑料原地破碎是造成不同尺寸塑料丰度之间具有相关性的主要原因。本次研究也观察到同一样品中常出现相同类型而尺寸不同的塑料与微塑料, 再根据其表观特征和聚合物分析结果可以判定一部分微塑料为同一类型的塑料垃圾经环境风化在原地破裂而成(图13)。在有些站点中, 虽然塑料垃圾和微塑料具有不同的颜色、形状和组成特征, 但两者的丰度分布仍具有一定的相关性, 这可能是水动力的作用结果所造成。因为有些微塑料和大塑料的密度类似, 因此在相同的水动力条件下会倾向于在同一地方发生聚集(Song et al, 2018), 例如本次调查观察到海滩上塑料垃圾主要是团状的聚集分布, 而不是均匀的分布, 因此本研究认为塑料垃圾的原地破碎并非是造成塑料垃圾与微塑料密切联系的唯一因素, 海滩周围海域的水动力条件也是其中的重要影响因素。
图13 西沙海岛海滩上的聚苯乙烯泡沫原地破碎化现象

Fig. 13 The fragments of massive PS foam on the beaches of Xisha Islands

3.4 塑料污染的形状、颜色和组分分布

在塑料形状分布中, 占比最大的形状种类是块状, 而块状塑料中大部分是聚苯乙烯泡沫(83.05%), 这与南海北部海滩的调查结果类似(Fok et al, 2015; Li et al, 2018)。通过大量的文献查阅和总结, 发现在全球海底沉积物和海滩沉积物的塑料污染分布中, 多数海滩沉积物的主要塑料类型是聚苯乙烯泡沫(EPS), 多数海底沉积物的主要塑料类型是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET), 这可能是因为PET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搁浅在海滩上, 而且EPS的热变形温度范围在60~85℃, 容易在温度较高的海滩上发生风化与降解, 因此沿岸海滩成为以EPS为代表的轻质塑料的聚集地(Fok et al, 2015)。
塑料污染的“源-汇”问题一直以来都是塑料污染地球化学循环的核心问题, 而海滩往往作为海洋塑料污染“源”和“汇”的双重角色而存在, 由于之前对于海滩塑料污染的研究多集中在人为活动较多的沿海地区, 因而很难将沿岸海滩作为一个独立的汇进行研究, 而本次研究区域位于西沙群岛的偏远无人岛礁, 基本上很少受到人为活动影响的干扰, 因此西沙海域的海滩可单独作为海洋塑料污染的“汇”进行研究。本研究发现在海滩上以聚苯乙烯为代表的轻质塑料占比最大(40.01%), 该研究结果与同样作为塑料污染“汇”而存在的海底沉积物有明显的不同。海底沉积物中微塑料的主要类型为纤维(PET), 以泡沫塑料为代表的轻质塑料极少出现(Yao et al, 2019)。聚苯乙烯泡沫塑料被广泛用于沿岸海水养殖设施、捕捞器具和海产品贮存运输等领域, 且产量巨大, 是海洋环境中典型的塑料污染物, 而海底中极少出现轻质塑料污染, 因此无法解释轻质塑料的环境归宿问题。这次研究发现西沙偏远海岛上出现大量以泡沫塑料为代表的轻质塑料, 说明偏远地区的海滩可能作为轻质塑料一个重要的“汇”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认为具有一定的环境特征。因为在靠近人类活动污染源的地方, 彩色塑料占比会相对较高, 而塑料垃圾经过长时间的海上漂流, 塑料丰富的颜色在紫外光照、波浪和生物等影响下会逐渐褪去, 从而逐渐变成透明和白色(Vidyasakar et al, 2018), 因此透明/白色塑料的占比对于塑料受风化的时间有较强的环境指示意义(Tan et al, 2020)。与其他地区的研究结果对比, 本研究的透明/白色塑料占比相对较高(50.60%), 这说明西沙海岛的塑料污染可能是其他地区的塑料垃圾经长时间的海洋输运而来, 因此今后的研究需要重视外来塑料污染对偏远海岛环境的影响。

4 结论

1) 西沙海区甘泉岛和全富岛海滩沉积物中的塑料污染状况相类似, 其中塑料污染丰度在环礁内侧显著高于环礁外侧, 这可能是由于受到调查区域海流和环礁水体交换等因素的影响。
2) 微塑料与塑料垃圾的丰度分布呈显著的线性相关, 据推测这种情况可能与塑料垃圾原地风化破碎和海域水动力作用的影响有关。
3) 西沙海岛潮滩出现大量以聚苯乙烯泡沫为代表的轻质塑料, 主要是通过其他地区的塑料垃圾经海流输运而来。偏远海岛海滩成为轻质塑料污染一个重要的汇集地, 因此在以后的研究中需要关注外来轻质泡沫塑料对海岛海滩环境的污染影响。

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