评估河流塑料污染状况

《Water Research》：Assessing the state of river plastic pollution

　　

# 摘要

河流在全球塑料循环中发挥着重要作用。它们将塑料从陆地输送至下游，能够长期储存塑料，并将其中一部分导出至海洋环境。监测数据对于确定河流的基线污染水平、表征风险以及评估干预措施的影响至关重要。在评估微塑料的生态风险和宏观塑料的质量通量与储存方面，方法学上已取得进展。尽管关于河流塑料污染的数据可用性不断增加，但仍缺乏一种涵盖不同粒径范围和不同环境介质的综合方法来评估河流塑料污染的整体状况。在此，我们提出了水生塑料指数（Aquatic Plastic Index, API），这是一种多指标工具，用于评估淡水系统的塑料污染状况。我们在不同环境介质（表面、水体、河岸、沉积物）中定义了八项指标，涵盖微塑料（< 0.5 cm）和宏观塑料（≥ 0.5 cm）。API采用基于影响的阈值等级进行计算，同时考虑年度平均值和最差等级中的观测百分比。我们通过将其应用于荷兰的四条河流、两个河口和五个城市水系统来演示该方法。塑料污染状况表现出很强的时间和空间变异性，API得分在27到100之间（刻度从0 = 最低/最差到100 = 最高/最佳）。我们的研究结果表明，API方法可用于量化和比较不同地点、水体和时间之间的塑料污染状况。我们展示了不同系统和时间下，最终的API值可由不同的指标驱动。我们发现，尽管近年来观测和监测有所增加，但大多数指标在任何给定年份都无法计算。与城市水系统和微塑料相关的指标被量化的频率低于其他指标。通过识别监测空白并实现一致的评估，API为在更大地理尺度上的应用以及评估削减措施的紧迫性和有效性奠定了基础。展望未来，API也可调整为纳入政策发展，例如在淡水（包括河流、河口和城市水系统）中建立和完善微塑料和宏观塑料的阈值浓度。

# 引言

塑料污染是一个全球性挑战，对环境和人类社会产生负面影响（MacLeod等，2021；Cottom等，2024）。采取行动在短期和长期内减少塑料污染的影响至关重要（Bergmann等，2023；Villarrubia-Gómez等，2024）。在全球、国际、国家和地方层面，多项减少塑料污染的努力正在进行中。例如全球塑料条约（Syberg等，2024）、欧盟（EU）一次性塑料指令以及欧盟城市废水处理指令（欧洲议会和欧盟理事会，2019；欧盟委员会，1991）。塑料污染无处不在，在陆地、河流和海洋的所有环境介质中均可发现。河流在全球塑料污染的分布中发挥着关键作用（Besseling等，2017；Meijer等，2021；Strokal等，2023）。陆源塑料污染通过河流输运，并可在河流和河口中长期滞留（Nyberg等，2023；van Waterschoot等，2026；Van Emmerik等，2026）。一部分河流塑料被导出至海洋环境，使河流成为海洋和海滩塑料污染的重要贡献者（Van Emmerik等，2022）。因此，河流系统兼具塑料的储存库和输运通道的双重角色。可靠的监测数据是减少塑料污染措施的基础。塑料监测有助于确定基线污染水平，通过识别污染源为政策行动提供信息，识别累积区域或热点区域，识别趋势，通过风险评估为行动的紧迫性提供信息，以及评估干预措施的影响（Tasseron等，2024）。一种涵盖不同粒径范围的塑料污染综合评估工具将有助于制定和评估综合缓解策略。

多项努力试图增加全球河流和河口塑料污染的数据可用性。例如，法国（Philip等，2025）、意大利（Fortibuoni等，2025）和荷兰（Van Emmerik等，2020）的国家级政府主导监测，针对欧洲河流漂浮宏观塑料的RIMMEL项目（González-Fernández等，2021），针对欧洲和南美河岸宏观塑料的Plastic Pirates项目（Dittmann等，2023），以及沿莱茵河流域的微塑料采样（Mani等，2015）。尽管近年来塑料污染的观测和监测努力有所增加，特别是在河流和海洋环境中，但评估不同环境介质（如表面、悬浮、河岸、沉积物）中塑料污染状况的方法仍然缺乏。对于其他污染物，已有多项框架和方法可用，使用指标来表达水体的状况。一旦确定了指标，这将明确需要监测哪些变量以及在何种空间和时间尺度上进行监测。一个例子是全球广泛使用的水质指数（WQI）（Horton，1965；Chidiac等，2023）。WQI使用八项指标（如pH值、碱度和溶解氧），经过标准化、加权后聚合得出最终得分。指数值随后被归类为五个类别之一，从非常好到非常差。像WQI这样的方法提供了评估水质的简便工具。然而，数据质量问题可能导致最终得分评估的不确定性（Uddin等，2021）。此外，不适当的空间和时间聚合可能会掩盖真正的水质状况（Uddin等，2021）。对于塑料污染，Murray等（2023）最近提出了一种基于指标的评估工具，用于评估欧洲海域的海洋垃圾状况。在该工具中，定义了三项指标（海滩宏观塑料浓度、海床宏观塑料浓度、表面微塑料浓度）并进行聚合，得出一个总体评估结果。其他多指标评估工具也已针对河流生物水质（Nguyen等，2014）或生物多样性和生态系统健康（Reker等，2019）进行了开发。对于微塑料，Koelmans等（2020）、Mehinto等（2022）和Swart等（2025）开发了特定的基于风险的管理工具。基于指标的方法在时间和空间上具有可扩展性，可地理迁移，并可根据数据可用性进行适应。此外，多指标指数提供了切实且有说服力的洞察，有助于优先级确定、行动和监测。

在本文中，我们提出了水生塑料指数（API），这是第一个评估河流（包括河口和城市水系统）塑料污染整体状况的多指标工具。API将不同粒径下的水柱、沉积物和河岸塑料污染监测数据与阈值相结合，以实现河流塑料污染状况的评估。我们提出了一种灵活的方法，可应用于任何感兴趣的空间和时间尺度。我们的方法包含一套初始的八项指标，涵盖水面、水柱、沉积物和河岸中的微塑料（<0.5 cm）和宏观塑料（≥0.5 cm）。指标值基于超标效应阈值，因此是塑料污染实际影响的代理指标。根据数据可用性和质量的演变情况，具体的指标选择可以根据当地需求和条件进行调整或修改。指标值经过归一化和聚合，得出每个水体塑料污染状况的一个总体评估得分。我们将该方法应用于荷兰的水体（河流和过渡水域），因为有多年份的综合数据集可供使用。我们在年度尺度上确定了四条河流（莱茵河、默兹河、艾瑟尔河、下莱茵河-莱克河）、两个河口（莱茵河和默兹河）和五个城市水系统（阿姆斯特丹、代尔夫特、莱顿、鹿特丹和乌得勒支）的塑料污染状况。然而，我们的工具也适用于其他水生系统，如湖泊和水库。

我们的方法可供科学家、从业者、政府和其他利益相关者使用，以评估水体的塑料污染整体状况。这些评估可用于建立塑料污染的基线、识别监测需求、进行时间和空间趋势分析，以及评估干预措施的影响。通过本文，我们旨在为开发和实施评估全粒径范围内塑料污染状况的稳健定量工具作出贡献。

## 段落摘要

### 水生塑料污染指数（API）

我们提出了一种基于八项指标的多指标塑料污染评估工具。这些指标代表四个河流介质（表面、悬浮、河岸、沉积物）和两个粒径类别（微塑料和宏观塑料）中的塑料污染。我们的方法受到水质（Chidiac等，2023）、欧洲海域海洋垃圾（MALT；Murray等，2023）、有害物质（CHASE+；Andersen等，2016）以及生物多样性和生态系统健康（MESH+；Andersen等）评估中类似方法的启发。

### 荷兰水体的塑料污染状况

荷兰河流、河口和城市水系统的塑料污染状况在空间和时间上变化显著（图3）。在河流中，莱茵河通常具有最高的API得分（最低：2017年66分；最高：2022年92分），其次是艾瑟尔河（最低：2019年50分；最高：2023年91分）和下莱茵河-莱克河（最低：2019年53分；最高：2023年90分）。默兹河的API得分最低（最低：2017年27分；最高：2023年79分）。所有河流在2017年至2023年间均呈现总体上升趋势。河口的整体API……

### 数据可用性限制了有效评估

API方法为评估水体塑料污染的整体状况提供了一种简便易用的途径。然而，它严重依赖于数据可用性，API的有效应用将受益于协调一致的河流塑料监测计划的实施。在荷兰的案例中，有许多不同的数据集可供使用，涵盖了多个相关介质（漂浮、河岸、悬浮、沉积物）和粒径范围（微塑料和宏观塑料）。然而，存在……

## 结论

我们提出了一种简单、可迁移和可扩展的方法，用于评估塑料污染的整体状况。水生塑料指数（API）使用一组八项指标进行计算，涵盖粒径范围和环境介质。API可用于比较不同地点、水体之间的塑料污染状况，并追踪时间变化。

我们计算了2013年至2024年间荷兰的API，并展示了不同水体之间以及时间上的显著差异……

## CRediT作者贡献声明

T.H.M. van Emmerik：撰写——初稿，可视化，方法学，调查，形式化分析，数据整理，概念化。Naddi Liese：撰写——审阅与编辑，可视化，方法学，调查，形式化分析，数据整理，概念化。Miranda Stibora：撰写——审阅与编辑，可视化，方法学，调查，形式化分析，数据整理，概念化。Paolo F. Tasseron：撰写——审阅与编辑，可视化，方法学，……

## 生成式AI使用说明

本研究未使用生成式AI。

## 资金

TvE、MS、GE和DFG的工作由欧盟和欧洲气候、基础设施和环境执行署（CINEA）根据资助协议第101112879号（INSPIRE项目）资助。NL的工作得到NWO开放技术项目RUMBA（项目编号21193）的支持，该项目由荷兰研究理事会（NWO）资助。PT的工作得到"解决城市塑料汤"项目的支持，该项目（部分）由SESA计划（经济结构补贴……）资助。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

## 致谢

我们感谢水文与环境水力学河流塑料团队成员对API早期版本提供的宝贵反馈。我们感谢编辑和两位审稿人，他们的建设性反馈帮助改进了本稿件。

## 数据和代码可用性

所有原始数据来源均包含在方法部分中。本文结果支持的数据作为本论文的补充数据提供。

T.H.M. van Emmerik | Naddi Liese | Miranda Stibora | Paolo F. Tasseron | Louise J. Schreyers | Rose B. Pinto | Gert Everaert | Daniel González-Fernández | Chelsea M. Rochman | Christian Schmidt | Paul Vriend | Albert A. Koelmans

瓦赫宁根大学水文与环境水力学研究组，瓦赫宁根，荷兰