海洋“白色污染”——塑料垃圾日益受到关注，它对海洋生物的生长生存甚至人类健康都产生极大的威胁。前人研究对全球塑料废弃物入海通量的估计相差2-3个数量级，我院张彦旭教授与雷荔傈教授课题组采用“自上而下”的方法反演了该通量，将不确定性缩小为1.5个数量级。该成果以“Plastic waste discharge to the global ocean constrained by seawater observations”为题，于2023年3月13日在线发表于《Nature  Communications》杂志（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37108-5）。

图1. 前人研究估算的全球塑料废弃物入海通量。

海洋塑料垃圾主要来自陆地，包括河流输送和沿海地区的排放。航海和渔业活动也会直接向海洋倾倒塑料垃圾，该排放量约占陆地源的25%。目前已经有很多研究对全球塑料废弃物入海通量进行了估算，但这些研究都存在一定局限性。现有的研究只关注了大约10²条河流的入海通量，但是全球有>10⁶条河流的存在。这些研究采用回归模型，建立起观测到的塑料废弃物入海通量和代用数据（如人口、塑料使用量、塑料废弃物产生量、收入水平、人类发展指数、土地使用、径流和降水量等）之间的关系，随后将模型应用到没有观测通量的河流以获得全球的入海通量。不同的研究往往采用不同的河流集合以及代用数据，这导致估计的全球塑料废弃物入海通量相差高达3个数量级。对于沿海地区塑料废弃物排放量的估计也存在类似的问题。

图2. 模型集合反演出的全球塑料废弃物入海通量。

和有限的塑料废弃物入海通量的观测相比，对海表塑料垃圾浓度的观测数量庞大。因此，该研究采用三维变分方法，利用已有的全球塑料废弃物入海通量估算和海表塑料垃圾观测浓度的数据集，结合团队开发的迄今最为完善的全球海洋塑料传输模型NJU-MP（Nanjing University Marine Plastic Model），反演出全球塑料废弃物入海通量。传输模型考虑了塑料颗粒在海洋中经历的主要过程：下沉/上浮、漂移、分裂、海滩搁浅和生物附着。针对这些过程，已有研究给出了关键参数（如分裂速率和搁浅速率）的大小。该研究选择了3个相差较大的排放清单（Lebreton et al. 2017; Mai et al., 2020; Weiss et al. 2021），在前人研究已报道的范围内对模型参数进行50组随机抽样，并将随机抽取的参数的最高值和最低值设置成额外两组实验以包含极端情景，这样形成了含有156（=3 × 52）个成员的模型集合。对每个集合成员通过最小化与先验排放值的偏差和海表塑料浓度模拟值与观测值的偏差来获得一个最佳排放估计。反演得到的全球塑料废弃物入海通量（包括陆地源和海洋源）在1.5个数量级之间变化，最佳通量为0.70百万吨/年，95%置信区间为0.13-3.8百万吨/年。研究还发现排放清单引起的海表塑料垃圾浓度的差异要高于模型参数引起的差异。未来更多对塑料废弃物入海通量的观测、对海表以及海水中塑料垃圾浓度的观测以及更准确的模型参数，有助于进一步优化该研究对全球塑料废弃物入海通量的估计。

全球最大的赌钱网(亚洲)集团有限公司张彦旭教授、雷荔傈教授和暨南大学环境学院曾永平教授为论文的共同通讯作者，张彦旭教授和2019级直博生吴培培为论文的共同第一作者，合作作者包括来自南京大学、美国斯克里普斯海洋研究、暨南大学、清华大学、荷兰代尔夫特理工大学、美国佛罗里达州立大学、南方科技大学和北京大学的学者。该研究得到国家重点研发计划（2019YFA0606803），国家自然科学基金（42177349），南京大学关键地球物质循环前沿科学中心，中央高校基础研究基金（14380168，14380188）和江苏省气候变化协同创新中心的资助。