自1950年以来，塑料生产持续不断地增长，随之而来的是塑料废弃物的产生与管理不善。在环境中，塑料废弃物会碎裂成越来越小的碎片，包括微塑料和纳米塑料，从而对从北极到深海的无数生态系统产生负面影响。塑料污染与人类健康的多种影响相关联，如增加罹患癌症、心血管疾病和生殖健康问题的风险。塑料系统还在加速气候变化，其排放与相关石油和天然气的开采与加工、塑料生产以及塑料废弃物管理相关。全球南方国家承受着不成比例的塑料废弃物负担，塑料废弃物出口做法不均衡，且塑料聚合物工厂常选址于人们生活的社区附近，这些做法引发了重大的环境问题。
近年来，人们越来越关注在保留塑料积极作用的同时，努力消除其负面外部效应。2022年，人们开始着手制定一项具有法律约束力的国际条约，以试图遏制塑料污染。为助力这一进程，来自美国加利福尼亚大学伯克利分校的Douglas J McCauley教授团队开发了一个模型，该模型利用机器学习预测全球所有塑料到2050年的生产、使用和归宿趋势。该工作在此基础上，为其增添了新的内容。该工作以题为“Pathways to reduce global plastic waste mismanagement and greenhouse gas emissions by 2050”发表在《Science》上。
【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来源，作者建立了一个关于塑料生产、消费和终端处理（EOL）管理的数据库。该数据库涵盖了所有原生和回收树脂、纤维和添加剂的生产。将世界划分为四大主要塑料生产和消费区域：北美、中国、欧盟30国（欧盟加上英国、瑞士和挪威）以及其余地区，后者称为多数世界。每个地区的表观消费量是根据生产数据得出的，考虑了整个供应链中塑料或含塑料商品的贸易情况，并按聚合物类型对八个经济部门进行了建模：包装、建筑、纺织、家庭/休闲/运动、电子、交通、农业和其他。塑料废弃物的产生是通过应用特定行业的产品寿命分布来建模的。如果塑料废弃物没有被正式填埋、焚烧或回收，则被视为管理不善。
随后，作者利用历史质量流量数据和关键的社会经济数据，在蒙特卡洛模拟中开发并使用了基于机器学习的模型。该模型能够传播不确定性，并协调多个随机森林回归器，以生成至2050年的塑料生产、贸易和废弃物管理未来趋势的常规（BAU）预测。此外，该模型还通过使用塑料生产、转化和废弃物归宿的温室气体强度，来估算这些不同预测所对应的温室气体（GHG）总排放量。实际排放量将受到多种行业和消费者决策的控制。
2020年，全球塑料年消费量达到5.47亿吨，其中86%为原生塑料，14%为回收塑料。中国是最大的塑料消费国，占消费总量的36%；其次是多数世界国家（28%）、欧盟30国（18%）和北美（18%）。在全球范围内，塑料消费中占比最大的是包装业（32%），其次是建筑业（17%）和纺织业（16%）。各地区历史塑料使用情况和社会经济趋势存在显著差异，导致未来塑料消费预测在各地区之间存在较大差异。预计中国的消费量将在2030年左右达到峰值，然后下降。欧盟30国的消费量预计将在2025年左右趋于平稳，然后恢复到2020年的基线水平。相比之下，北美和多数世界国家的塑料总消费量预计将呈增长趋势。如果不进行干预，到2050年，全球年消费量将达到7.49亿吨，原生塑料和回收塑料的占比相同，行业分布也相似。这意味着30年间全球塑料消费量将增长37%。
2020年，北美和欧盟30国的人均塑料消费量最高，分别为195千克/人和187千克/人/年，其次是中国（138千克/人/年）。与北美和欧盟30国相比，多数世界国家的人均塑料消费量不到它们的六分之一，为29千克/人/年。预计到2050年，多数世界国家的人均塑料消费量将仅适度增长至34千克/人/年。在过去20年里，中国的人均消费量增长最快，但预计将达到158千克/人/年后趋于平稳，并恢复到2020年的水平。欧盟30国的人均消费量预计也将类似增长至211千克/人/年，然后同样恢复到2020年的水平。与之形成鲜明对比的是，预计到2050年，北美的人均塑料消费量将增长至389千克/人/年，比多数世界国家高出一个数量级。
2020年，全球产生了4.25亿吨塑料废弃物，其中39%被填埋，24%被正规焚烧，22%被回收。剩余的15%，被不当管理。大约90%的不当管理塑料废弃物发生在多数世界国家，而中国、北美和欧盟30国各自只产生了3-4%。全球年塑料废弃物产生量预计将在2050年增长62%，达到6.87亿吨。从全球平均水平来看，预期的填埋和焚烧比例保持不变，而回收比例下降了1-5%，不当管理比例增加了3%。塑料回收的绝对量预计将从9500万吨增加至1.27亿吨，而每年不当管理的塑料废弃物量预计将在2050年几乎翻倍，达到1.21亿吨。其中，多数世界国家预计将增加3.9亿吨的不当管理废弃物，而中国预计将增加1.6亿吨。2020年，塑料生产、转化和废物管理产生了约24.5亿吨二氧化碳当量（CO2e），占全球工业温室气体（GHG）排放量的5%。预计到2050年，这一数值将增加至33.5亿吨CO2e。
图1. 塑料的总体消耗曲线
图2. 2050年全球塑料消费预测
【测试全球政策干预的影响】
为了探索全球实施的政策如何改变2050年的基准情景（BAU）预测，作者模拟了条约草案中目前正在考虑的八项干预措施。经济干预措施（如税收、费用或投资）的动态变化是基于现有数据和文献建立的模型，这些数据包括在税收制度下观察到的消费减少情况、基础设施的实际资本支出以及不同废物归宿的运营支出。对于物理干预措施（如禁令、生产上限、最低收集率），质量流量的变化是通过机械方式计算的。政策之间的相互作用通过基于约束的方法进行管理。可以单独研究干预措施，也可以将其作为动态集合进行切换。鉴于条约的一个核心目标是消除不当管理的塑料废弃物，该模型侧重于减少不当管理的塑料废弃物的质量，同时计算总的温室气体影响。
此外，还有许多其他重要的政策正在考虑纳入条约中。例如，对一些生产者责任延伸（EPR）政策进行了建模。许多条约备选行动无法在这一特定分析框架中进行测试，但它们可能在人类健康和环境正义方面取得重大进展。在所关注的八项政策中，全球各行业实施40%的最低回收含量要求，是减少不当管理塑料废弃物效果最显著的单项政策。预计这一干预措施将使2050年的塑料不当管理量减半，从基准情景下的1.21亿吨减少到5900万吨。预计2050年的塑料消费量保持不变，但至少有40%的塑料将来自二次生产。这将使2050年的温室气体排放量从基准情景下的33.5亿吨二氧化碳当量减少到27.9亿吨二氧化碳当量。
将全球原生塑料产量限制在2020年水平，是减少不当管理塑料废弃物的第二大单项措施，能使2050年的塑料废弃物不当管理量从1.21亿吨减少到7200万吨。这一限制措施既减少了消费，又增加了回收。这两种反应不仅减少了塑料废弃物的不当管理，还导致塑料生产、转化和处理过程中的温室气体排放总量大幅减少。将2020年的生产水平作为上限，将使2050年的温室气体排放量从33.5亿吨二氧化碳当量减少到27.6亿吨二氧化碳当量。
对废弃物管理基础设施投资500亿美元，也能使不当管理的塑料废弃物量显著减少。此类投资的资金可通过EPR机制、费用或税收来筹集。预计500亿美元的投资将通过增加正规收集、焚烧和填埋，使2050年的塑料废弃物不当管理量从1.21亿吨减少到7400万吨。这一投资在投向多数世界国家时影响最大。这一干预措施不会直接影响塑料的生产或消费，但通过减少不当管理，从而减少塑料废弃物的露天焚烧，能使2050年的温室气体排放量从33.5亿吨二氧化碳当量减少到33.3亿吨二氧化碳当量。
对回收基础设施投资1000亿美元，将通过增加正规收集和回收，使2050年的不当管理塑料废弃物量从1.21亿吨减少到9100万吨。然而，由于塑料生产、消费和废弃物产生的总量预计会增加，这一政策的有效性有所减弱。总体而言，这一投资将使2050年的温室气体排放量从33.5亿吨二氧化碳当量略微减少到32.5亿吨二氧化碳当量。
规定全球塑料废弃物回收的最低收集率为40%，可使2050年的塑料废弃物不当管理量减少约3000万吨，即从1.21亿吨减少到9100万吨。这一比率是指回收收集的废弃物量与总体废弃物产生量之间的比例。与前面提到的回收含量政策相比，其影响减弱的另一个原因是，规定回收收集会增加总体生产和消费，因为由此产生的二次材料并不能一对一地替代原生材料。在这一干预措施的基准情景中，2050年的消费量从7.49亿吨增加到7.71亿吨。2050年的温室气体排放量从33.5亿吨二氧化碳当量减少到32.8亿吨二氧化碳当量。
上述所有政策干预措施均适用于所有八个塑料消费领域。在针对包装领域的政策干预措施中，建模显示最具影响力的单项政策干预措施是包装消费税。通过征收这种税，2050年的塑料包装消费量和由此产生的废弃物量将减少1.45亿吨。塑料废弃物的不当管理量将从1.21亿吨减少到9700万吨。在所有单项政策情景中，模拟的温室气体排放量经历了第二大降幅，从33.5亿吨二氧化碳当量减少到27.8亿吨二氧化碳当量。
第二项仅针对包装的政策模拟了强制减少一次性包装的措施。这一政策使总体塑料包装量减少了45%，2050年的包装消费量减少了9800万吨。这导致2050年的塑料废弃物不当管理量从1.21亿吨减少到1.03亿吨，并且模拟的与塑料相关的2050年温室气体排放量从33.5亿吨二氧化碳当量减少到29.6亿吨二氧化碳当量。
最后一项仅针对包装的政策研究是包装再利用指令。80%的再利用率将导致2050年塑料包装减少7400万吨，同时塑料废弃物的不当管理量从1.21亿吨减少到1.09亿吨，温室气体排放量从33.5亿吨二氧化碳当量减少到30.6亿吨二氧化碳当量。
虽然仅针对包装的政策干预措施在减少不当管理的塑料废弃物方面的影响小于其他跨部门干预措施，但由于轻质塑料包装泄漏到环境中的数量估计特别大，因此这些措施可能带来超乎寻常的环境效益。
图3. 全球和区域每年塑料消费情况
图4. 潜在政策对塑料消费的影响
总结，该工作主要探讨了全球塑料污染问题，特别是塑料垃圾的产生和管理不善对环境和人类健康的负面影响。文章指出，塑料污染不仅影响生态系统，还与多种健康问题相关，并加速了气候变化。研究者开发了一个机器学习模型，预测了全球塑料生产、使用和废弃趋势，并模拟了八种政策干预措施对全球塑料垃圾管理和塑料相关温室气体排放的影响。这些政策包括回收内容规定、原生塑料生产上限、废物管理基础设施投资等。研究结果表明，通过实施这些政策，可以显著减少管理不善的塑料垃圾和温室气体排放，为全球塑料污染治理提供了科学依据和政策建议。
来源：高分子科学前沿
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