Science｜到 2050 年减少全球塑料废物管理不善和温室气体排放的途径

文章信息

标题：Pathways to reduce global plastic waste mismanagement and greenhouse gas emissions by 2050

作者：A. Samuel Pottinger[加州大学伯克利分校]；Roland Geyer[加州大学圣芭芭拉分校]；Nivedita Biyani[加州大学圣芭芭拉分校]；Ciera C Martinez[加州大学伯克利分校]……Douglas J McCauley[加州大学伯克利分校]

期刊：Science

类型：Research article

时间：2024.11.14

链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3837

引用：A. Samuel Pottinger et al.,Pathways to reduce global plastic waste mismanagement and greenhouse gas emissions by 2050.Science0,eadr3837

摘要

塑料生产和塑料污染对我们的环境、环境正义和气候变化产生了负面影响。利用详细的全球和区域塑料数据集以及社会经济数据，我们利用机器学习预测，如果不进行干预，到 2050 年，每年因管理不善而产生的塑料垃圾将增加近一倍，达到 1.21 亿吨（100 - 139 亿吨 95% CI）。预计在同一时期，塑料系统的年度温室气体排放量将增长 37%，达到 3.35 Gt CO₂e（3.09 - 3.54 CO₂e）。联合国塑料污染条约为重塑这些结果提供了独特的机会。我们模拟了八项候选条约政策，发现仅四项就可以将管理不善的塑料垃圾减少 91%（86% - 98%），并将塑料相关的温室气体总排放量减少三分之一。

自1950年以来，随着塑料产量的增长，塑料废物及其管理问题日益严重。塑料废物在环境中分解为微塑料和纳米塑料，对全球生态系统造成负面影响，并与人类健康风险增加相关，如癌症、心血管疾病和生殖健康问题。此外，塑料产业加速了气候变化，其生产和废物管理过程中的排放加剧了这一趋势。全球南方国家承受了不成比例的塑料废物负担，加剧了环境正义问题。

近年来，社会逐渐意识到需要在保持塑料的正面效益同时减少其负面影响。2022年，国际社会通过了一项旨在遏制塑料污染的联合国决议，启动了具有法律约束力的条约制定进程。为此，我们开发了一个基于机器学习的模型，预测至2050年的全球塑料生产、使用和最终命运的趋势，并评估了八种政策干预措施单独或组合应用的影响，包括：1) 再生材料要求；2) 原生塑料生产上限；投资 3) 废物管理基础设施或 4) 回收基础设施；5) 回收率要求；6) 包装税；7) 减少一次性包装；8) 包装再利用要求。我们提供的开源软件支持用户对这些政策方案进行深入探究，本研究扩展并补充了以往的重要建模成果。

一种预测塑料未来的机器学习方法

通过扩展和区域化现有数据源，建立了塑料生产、消费和报废管理数据库，涵盖原生和再生树脂、纤维及添加剂。世界被划分为北美（加拿大、墨西哥、美国）、中国、欧盟30国（欧盟加英国、瑞士、挪威）和多数世界四大区域。各区域的表观消费量基于生产数据，考虑了塑料商品的贸易，并按八大经济领域聚合物类型建模。塑料废物生成通过特定行业的使用寿命分布建模，未正式处理的塑料垃圾视为管理不善。

采用基于机器学习的模型结合历史质量流动数据和关键社会经济指标，在蒙特卡罗模拟中预测至2050年的塑料生产、贸易和废物管理趋势，以及相关温室气体排放。模型提供了未来趋势的基本预测，并估算了不同情景下的温室气体总排放量，尽管实际排放受行业和消费者行为影响，但仍有助于理解排放的大致规模和趋势。

2020年，全球塑料消费5.47亿吨，86%为原生塑料，14%为再生塑料。中国占36%，为最大消费国；其余依次为多数国家28%、欧盟18%、北美18%。塑料主要用于包装（32%）、建筑（17%）、纺织品（16%）。因地区差异，未来消费预测各异。中国消费量预计2030年达峰后下降，欧盟约2025年平稳后恢复2020年水平，北美和多数国家则持续增长。如无干预，2050年全球消费或达7.49亿吨，较2020年增长37%，低于经合组织预估的9.76亿吨。

2020年，北美和欧盟30国人均塑料消费量最高，分别为195和187 kg yr^-1，中国为138kg yr^-1，多数国家仅为29 kg yr^-1。预计至2050年，多数国家人均消费增至34 kg yr^-1，中国稳定于 158kg yr^-1，欧盟增至211 kg yr^-1，北美升至 389kg yr^-1，远超多数国家水平。

2020年，全球产生4.25亿吨塑料垃圾，39%填埋，24%焚烧，22%回收，15%（6200万吨）管理不善。90%的管理不善垃圾来自多数国家，中国、北美和欧盟30国各占3-4%。预计2050年塑料垃圾增62%至6.87亿吨，填埋和焚烧比例不变，回收减少1-5%，管理不善增加3%。塑料回收量预计增至1.27亿吨，管理不善塑料垃圾近翻倍至1.21亿吨，其中3900万吨额外垃圾来自多数国家，1600万吨来自中国。2020年，塑料相关活动产生2.45亿吨CO₂e，占全球工业排放5%；预计2050年增至3.35亿吨。

测试全球政策干预的影响

为了评估全球政策对2050年塑料垃圾影响，我们模拟了条约草案中的八项干预措施。这些包括经济措施（如税收、投资）和物理措施（如禁令、生产上限）。最低40%再生材料含量的规定是最有效的单一干预，预计能将2050年的管理不善塑料垃圾从1.21亿吨减半至5900万吨，并维持塑料消费量不变，同时将至少40%的消费转向再生材料。这还将使2050年的温室气体排放从3.35亿吨降至2.79亿吨CO₂e。此外，模型还考虑了生产者责任延伸等政策，但未涵盖所有可能的政策，如可变费用目标和押金退款系统。

设定2020年水平的全球原生塑料产量上限，可使2050年管理不善的塑料垃圾从1.21亿吨减少到7200万吨，同时将温室气体排放从3.35亿吨CO₂e减少到2.76亿吨CO₂e。500亿美元的废物管理基础设施投资，如建设卫生垃圾填埋场和增加收集计划，也能显著减少管理不善的塑料垃圾，从1.21亿吨减少到7400万吨，温室气体排放微降至3.33亿吨CO₂e。1000亿美元的回收基础设施投资，将管理不善的塑料垃圾减少到9100万吨，温室气体排放略降至3.25亿吨CO₂e。要求全球塑料废物回收率达到40%，将管理不善的塑料垃圾减少到9100万吨，温室气体排放降至3.28亿吨CO₂e。包装行业的政策，如包装消费税、一次性包装减少和包装重复使用规定，也能有效减少塑料垃圾和温室气体排放。组合政策，包括产量上限、高包装消费税、最低再生材料要求及500亿美元投资，预计2050年管理不善的塑料垃圾减少91%，温室气体排放减少三分之一。

结论

这些结果展示了大幅减少管理不善塑料废物的可能性，突显了政策方案的重要性。尽管存在建模不确定性和数据限制，但联合国条约的改进措施有望解决这些问题。模型假设政策执行有效，否则需提高目标以达成相同效果。BAU预测显示，若不采取行动，塑料废物问题将加剧，尤其影响最不富裕国家。

政策如最低回收含量规定、废物管理投资、原生塑料生产限制和包装消费税，无论是单独还是组合使用，都能显著减少管理不善的塑料废物。组合政策可将废物管理不善降至极低水平。虽然这些政策有助于减少温室气体排放，但减排与减少管理不善的塑料废物并不总是同步。上游干预如原生塑料生产限制，在减少温室气体排放方面效果最佳。

尽管这些政策对气候有正面影响，但对《巴黎协定》目标的贡献有限。即使如此，这些措施仍显示出减少塑料污染的技术潜力，关键在于政治意愿。本研究提供了一种方法论，支持通过互动模拟测试政策，以指导未来的环境决策。