美洲大陆尺度下基于公民科学的水生底层垃圾污染格局与政策启示：海洋与淡水生境的对比研究

本研究针对美洲地区水生底层垃圾污染的系统性数据缺乏问题，通过标准化公民科学项目“Dive Against Debris?”收集的潜水员调查数据，首次开展了大陆尺度的海洋与淡水生境底层垃圾对比分析。研究发现拉丁美洲及加勒比地区（LAC）的塑料及一次性塑料（SUP）密度显著高于北美（NA），且北美淡水环境中金属垃圾占比最高（42%）。渔业装备（如钓线）在海洋垃圾中占比突出（NA达40.56%）。研究揭示了不同区域和生境垃圾组成的差异，强调了渔业活动对海洋垃圾的贡献，并证明了公民科学数据在支持沿海污染治理政策制定方面的潜力。

　　

随着全球塑料产量在2023年达到4.188亿公吨，塑料废弃物对水生生态系统的压力日益加剧。尤其令人担忧的是，据预测，若不改变管理政策，到2030年每年进入全球水生生态系统的塑料排放量可能高达9000万公吨。海洋和淡水环境中的塑料垃圾已超过其他材料，成为最丰富的废弃物，甚至被视为潜在的“行星边界威胁”。然而，关于这些废弃物最终去向的谜团依然存在——模型预测的输入量与实地测量值之间存在数个数量级的差异，这些“消失的塑料”究竟是累积在难以采样的深海，还是进入了食物链，目前尚不清楚。

在各类水生环境中，底层栖息地（Benthic habitats）被认为是大多数海洋垃圾的最终汇，也是野生动物受影响最严重的地方。但与海滩垃圾或漂浮垃圾相比，对底层垃圾的评估往往不足，这主要受制于资金和技术限制。传统的底层垃圾采样方法，如拖网调查和使用遥控潜水器（ROV）的遥感技术，虽然ROV调查具有连续作业、精确定位和不破坏敏感栖息地等优势，但大规模应用成本高昂、资源密集。在此背景下，公民科学（Citizen Science, CS）项目为收集从局部到全球的垃圾数据提供了宝贵机会，有助于克服时间和资源的限制。

尽管公民科学项目潜力巨大，但全球超过70%的公民科学倡议集中在海滩垃圾上，漂浮垃圾和底层垃圾，尤其是淡水环境中的底层垃圾，代表性不足。在美洲地区，以往的研究也主要关注海滩垃圾，针对水生底层垃圾的研究稀少且空间尺度有限。为了填补这一关键信息空白，由意大利斯特森动物研究所的研究人员Pierpaolo Consoli、Gaia Grasso等领导的研究团队，利用全球公民科学倡议“Dive Against Debris?”项目中志愿者潜水员收集的标准化数据，首次对美洲（包括北美、拉丁美洲和加勒比地区）海洋和淡水环境中的底层大型垃圾污染进行了大陆尺度的评估。这项研究旨在提供可靠且最新的美洲水生垃圾污染概况，以支持各国政府改进废弃物管理政策，促进减少水生污染的缓解行动。相关成果发表在《Ocean 》期刊上。

主要技术方法

本研究的核心数据来源于“Dive Against Debris?”公民科学项目。研究人员从该项目提供的数据库中提取了2019年至2024年间在美洲进行的共计7867次潜水调查记录。潜水志愿者使用标准化的调查数据卡，在水下清理并记录从底层收集的垃圾物品，将其按8种材料类别（塑料、玻璃陶瓷、金属、橡胶、加工木材、布料、纸板、混合材料）和100种参考物品进行分类。记录的信息包括GPS坐标、总调查面积（m²）、调查持续时间、生态系统参数以及垃圾总数量和重量。研究团队对原始数据集进行了严格的清洗，排除了存在空间坐标、调查面积、垃圾数量或重量测量错误的记录，并将英制单位转换为公制单位以确保统计一致性。根据地理坐标，潜水地点被分类为海洋或淡水（河流和湖泊）环境。国家被划分为北美（NA）和拉丁美洲及加勒比（LAC）两个宏观区域。数据分析主要包括计算垃圾密度（物品数/100 m²）、各类别垃圾的百分比贡献，并识别各地区（NA/LAC）以及NA区域内海洋与淡水环境中最主要的十类垃圾物品。统计分析采用了置换检验（PERMANOVA）来评估区域和环境因素对垃圾丰度的影响，并使用SIMPER分析识别造成差异的主要垃圾类别。此外，还利用Mann-Kendall趋势检验和Theil-Sen斜率估计器分析了2019年至2023年间垃圾丰度的变化趋势。

研究结果

3.1. “北美”与“拉丁美洲和加勒比地区”的海洋垃圾

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  3.1.1. 垃圾密度和百分比丰度：分析显示，在NA的海洋环境中进行了5228次调查（总面积4.81 km²），平均底层垃圾密度为22.48 ± 2.13 项/100 m²。在LAC进行了2019次调查（总面积3.75 km²），平均密度显著更高，为36.45 ± 3.44 项/100 m²。塑料是两地区最丰富的垃圾类别，在NA占垃圾总量的44.44%，在LAC占60.45%。金属和玻璃/陶瓷次之。
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  3.1.2. 前十类垃圾物品：前十类垃圾物品在NA和LAC分别占总垃圾量的71.91%和68.91%。钓鱼线是两地区最常见的物品（NA: 20.52%, LAC: 16.12%）。在NA，钓鱼坠、诱饵和钩（15.72%）以及玻璃瓶（8.66%）也很常见。在LAC，塑料碎片（11.8%）和铝罐（7.47%）是主要物品。
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  3.1.3. 一次性塑料和渔具：LAC的海洋SUP平均密度（9.90 ± 1.09 项/100 m²）显著高于NA（1.64 ± 0.22 项/100 m²）。SUP在LAC总垃圾和总塑料中的占比（分别为26.53%和43.88%）也远高于NA（8.86%和19.95%）。渔具在NA总海洋垃圾中占比高达40.56%，在LAC为21.84%。钓鱼线是两地区最主要的渔具物品。

3.2. 北美海洋与淡水环境对比

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  3.2.1. 垃圾密度和百分比丰度：在NA，淡水环境（594次潜水，总面积1.33 km²）的底层垃圾密度（42.97 ± 6.95 项/100 m²）显著高于海洋环境（22.48 ± 2.13 项/100 m²）。海洋环境以塑料为主（44.44%），而淡水环境以金属为主（41.99%），其次是塑料（31.25%）和玻璃/陶瓷（17.39%）。
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  3.2.2. 前十类垃圾物品：在NA淡水环境中，铝制饮料罐（30.97%）和玻璃饮料瓶（12.26%）是最主要的垃圾物品，与海洋环境中渔具占主导地位（钓鱼线20.52%，钓鱼坠等15.72%）形成鲜明对比。
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  3.2.3. 一次性塑料和渔具：NA淡水环境中的SUP密度（5.68 ± 1.44 项/100 m²）显著高于海洋环境，且SUP占淡水总塑料的比例（43.18%）也高于海洋环境（19.95%）。渔具在淡水垃圾中的占比（7.76%）远低于海洋环境（40.56%）。

3.3. “北美”和“拉丁美洲和加勒比地区”海洋垃圾丰度趋势

2019年至2023年间，虽然年度间差异不显著，但趋势分析显示两地区的垃圾平均丰度总体呈下降趋势。在北美，总物品数显示出显著的下降趋势（Mann-Kendall检验, τ = -1.0, p = 0.027），中位数为每年减少6.95项。在拉丁美洲和加勒比地区，总物品数也观察到下降趋势（τ = -0.8, p = 0.09），但未达到统计显著性水平。其他类别如“渔具”、“塑料”和“SUP”在两地区均呈非显著下降趋势。

研究结论与意义

本研究首次基于标准化的公民科学数据，提供了美洲大陆尺度下海洋和淡水底层垃圾污染的系统性评估。研究结果揭示了显著的地区差异：LAC的塑料和SUP污染比NA更严重，反映了废弃物管理政策和经济发展水平的差异。同时，生境类型的比较揭示了污染物沉降机制的差异：密度较低的塑料更容易被输送到海岸并最终在海洋底层积聚，而密度较高的金属和玻璃物品则更多留在其被丢弃的淡水环境中。一个关键的发现是渔具，特别是钓鱼线，在海洋底层垃圾中占据了极高比例，尤其是在NA，这凸显了休闲和商业渔业活动对海洋污染的显著贡献。

这些发现强调了针对特定区域和生境的污染源采取针对性措施的必要性。例如，在LAC和淡水环境中，需要加强对SUP和消费后废弃物的管控，包括推行更严格的区域禁令和生产者责任延伸制度。对于海洋环境，尤其是NA，亟需关注渔业部门，通过预防（如减少渔具丢失的教育）、缓解（如使用可降解材料）和治理（如清理丢失渔具）相结合的策略来应对废弃、丢失或丢弃的渔具问题。

本研究充分证明了结构良好的公民科学倡议，如“Dive Against Debris?”，在提供有价值的定量数据以进行长期监测，以及支持制定基于证据的沿海污染缓解政策方面的巨大潜力。它为利用公民科学填补关键环境数据空白、引导有效的政策干预和提升公众环保意识提供了一个成功的范例。