Science丨全球塑料污染与温室气体排放的科学治理路径

摘要：塑料的生产和污染对环境造成了严重的负面影响。结合全球与区域塑料相关数据及社会经济数据，本研究运用机器学习预测：若无干预措施，到2050年，每年误处理的塑料废弃物将几乎翻倍，达到1.21亿吨（95%置信区间：1亿至1.39亿吨）；塑料系统相关的年温室气体排放量预计将增长37%，达到33.5亿吨二氧化碳当量（95%置信区间：30.9至35.4亿吨）。联合国塑料污染条约为改变这一趋势提供了重要契机。美国加州大学伯克利分校 Douglas J McCauley 教授团队通过模拟八项候选条约政策，本研究发现，仅实施其中四项政策的组合，便可将误处理的塑料废弃物减少91%（86%-98%），并将塑料相关温室气体排放削减三分之一。

1. 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。

近年来，国际社会在减少塑料负面影响的同时，努力保留其积极作用。2022年，联合国通过了一项决议，启动制定具有法律约束力的国际条约以遏制塑料污染。为支持这一工作，本研究开发了一种基于机器学习的模型，用于预测到2050年全球塑料的生产、消费及其最终处理路径。模型还用于模拟八种政策干预措施对塑料误处理及相关温室气体排放的影响，包括单独实施和联合实施的情景。八项政策措施包括：1）再生含量的强制性要求；2）限制原生塑料生产；3）投资废弃物管理设施；4）加强回收基础设施建设；5）提高回收率的强制规定；6）塑料包装税；7）减少一次性包装使用；以及 8）推广包装重复使用。此外，还开发了一款开放源码的交互式软件，方便用户灵活探索政策干预的潜在影响。本研究在现有建模工作的基础上提供了新的补充，为制定有效的塑料污染治理政策提供了科学支持和工具参考。

预测塑料未来的机器学习方法

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。虽然实际排放可能受产业和消费行为影响，但模型为排放规模和趋势提供了有价值的参考。

图1塑料的总消费量和人均消费量

全球塑料消费量(预计到 2050 年)按四个世界地区划分：中国、欧盟(EU)、北美(NA)和多数世界(MW)。塑料总消费量(百万吨)(A)按地区划分的所有塑料行业和聚合物类型，以及(B)人均塑料消费量(公斤/年)。虚线表示对2021年后未来消费的建模预测

1.1 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22050 年全球塑料预测

预计到 2050 年，塑料总质量(百万吨)将在全球八个行业消费，(B)在全球四个地区消费，(C)在四个生命周期内结束。2050 年八项政策干预措施(D)对减少管理不善的塑料垃圾质量和相关温室气体 (GHG)排放量(百万公吨 CO2e)的估计影响。此处描述了同时实施所有8项策略的结果，并包括这些策略之间的预计交互。

1.2 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3全球和区域年度塑料垃圾

按命运划分的年度报废塑料数量，包括(A)全球和世界四个地区：(B)欧盟 30 国，(C)北美，(D)中国和(E)世界多数地区。历史数据呈现至2020年，并在2050年的正常情景下进行建模。报废塑料废物管理分为四类：正规回收、焚烧、填埋和管理不善的塑料废物。

1.3 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。通过上述数据的量化分析，为未来塑料治理政策的制定提供了科学依据。

全球政策干预对塑料污染的影响评估

为研究全球政策干预如何改变2050年的“商业常规”（BAU）情景，本研究模拟了条约草案中的八项候选政策。这些政策包括经济措施（如税收、费用或投资）和物理措施（如禁令、生产上限、最低回收率要求），并通过现有数据和文献进行建模分析。我们还提供了交互式工具，便于调整政策假设并评估其联合效果。

2.1 八项政策干预效果

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。

图4潜在政策的预计影响

联合国塑料条约中正在考虑的八项政策对塑料废物管理不善、塑料生产(初级和次级)以及与塑料相关的温室气体(GHG)总排放的预计影响。每项政策的影响都是相对于2050年的正常营业(BAU)来衡量的。条形图显示我们在线工具中指示的最佳假设参数，而这些条形图顶部的线条显示蒙特卡洛的95%置信区间(每个策略500次试验)。总的来说，到2050年，该政策包预计将减少约91%的管理不善的塑料垃圾，减少三分之一的温室气体排放。

2.2 政策组合的优势

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。

这些发现说明，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，为全球塑料治理提供了科学支持。

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。

我们意识到模型和数据存在一定的不确定性。由于缺乏区域填埋、回收和焚烧等细分数据，本研究假设不同部门间废弃物处理模式相似。未来，通过提升数据透明度和报告机制，这些局限性有望得到改善。此外，模型基于政策能够成功实施的假设。如果实际执行效果较差，则需要更高的政策目标才能实现相同的治理成果。尽管如此，“商业常规”预测清楚地表明，若无干预措施，全球塑料废弃物误处理问题将持续恶化，尤其是低收入国家将承担更多不平等的负担，而这些国家的人均塑料消费量最低。

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。

即便如此，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。

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