大氣酸沉降及其對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的研究進(jìn)展

謝燕華 康玉芬 馮淑興

(中山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣東 中山 528400)

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、城市化進(jìn)程加快和能源結(jié)構(gòu)的改變，大氣污染日益嚴(yán)重。大氣污染物的排放顯著影響大氣中酸性物質(zhì)和降水酸性，帶來(lái)酸沉降等問(wèn)題。而大氣酸沉降會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量帶來(lái)消極影響，體現(xiàn)在影響生態(tài)系統(tǒng)生物總量和土壤等物理化學(xué)性質(zhì)。長(zhǎng)期酸沉降易腐蝕建筑材料，其含有的致病物質(zhì)會(huì)間接影響人體健康。此外，除了大氣污染物排放，酸沉降過(guò)程受地理位置和氣象條件影響，具有不同時(shí)空分布特征和季節(jié)變化特征。因此需對(duì)影響酸沉降的相關(guān)因素綜合分析，認(rèn)識(shí)酸沉降的形成過(guò)程，減輕酸沉降帶來(lái)的危害。

2 酸沉降的影響因素

早在18世紀(jì)，人們就已開(kāi)始研究酸沉降中濕沉降的組成及其化學(xué)性質(zhì)。1850年前后，英國(guó)建設(shè)了第一個(gè)降水監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)降水的化學(xué)組成進(jìn)行連續(xù)測(cè)定。1872年，英國(guó)科學(xué)家R.A.Smith首次運(yùn)用“酸雨”這一名詞，并探討了影響降水的相關(guān)因素及酸雨對(duì)植物和材料的危害。一般，酸沉降是指大氣中酸性污染物的自然沉降，分為干沉降和濕沉降。其中濕沉降是指發(fā)生降水事件時(shí)，高空雨滴吸收大氣中酸性污染物降到地面的沉降過(guò)程，包括雨、雪、雹、霧等。而在不發(fā)生降水時(shí)，大氣中酸性污染物受重力、顆粒物吸附等作用由大氣沉降到地表的過(guò)程稱(chēng)為干沉降[1]。研究指出影響酸沉降的因素主要有地理位置、氣象條件和污染物排放等。

2.1 地理位置及氣象條件

廣東省地勢(shì)北高東低，空氣污染物極易積聚于腹地珠三角，易導(dǎo)致酸雨形成。由于廣東省冬季和夏季分別以北風(fēng)和東南風(fēng)為主，大氣呈南北輸送和擴(kuò)散，酸雨特征為以廣州-清遠(yuǎn)為軸線的南北主導(dǎo)風(fēng)向上的條狀分布特征[2]。而在不同天氣系統(tǒng)(冷鋒，低壓槽及臺(tái)風(fēng))下，風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度及逆溫對(duì)酸雨形成的貢獻(xiàn)不同[3]。降水pH與降雨量和風(fēng)速成正相關(guān)。

氣象條件影響污染物輸送和擴(kuò)散，進(jìn)而作用于酸雨形成。溫和濕潤(rùn)氣候易促使SO2轉(zhuǎn)化成SO3和H2SO4[4]。廣州酸雨的形成與污染源及污染物在遷移擴(kuò)散過(guò)程的天氣系統(tǒng)和邊界層氣象特征均相關(guān)[5]。一般酸雨現(xiàn)象在春、冬季較重，夏、秋季較輕，且春、冬季酸雨頻率高，降水酸度更強(qiáng)[4]。

2.2 污染物排放影響

大氣酸性物質(zhì)和降水酸性受大氣污染物排放顯著影響，如：SO2、NOx、顆粒物和NH3。SO2主要來(lái)源于以煤或石油為燃料的工廠企業(yè)排放，NO2來(lái)源于燃料燃燒、城市汽車(chē)尾氣及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程[6]。大氣中氣態(tài)污染物和可吸入顆粒物與降水酸度呈正相關(guān)[7]，雨水中的酸性物質(zhì)主要來(lái)源于顆粒物中的硫酸鹽和硝酸鹽[8]。朱建林等[9]通過(guò)建立大氣酸沉降元胞自動(dòng)機(jī)模型(ACA)重現(xiàn)大氣酸沉降復(fù)雜性的主要特征，從機(jī)理上解釋并重現(xiàn)大氣污染對(duì)大氣酸沉降復(fù)雜性的影響。

致酸物質(zhì)除常規(guī)無(wú)機(jī)陰陽(yáng)離子，還有有機(jī)小分子酸。一般酸沉降樣品中的陰離子以F-、Cl-、NO3-、SO42-為主，陽(yáng)離子以Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+居多。其中，降水pH 主要受SO42-、NO3-Ca2+和NH4+影響[7,10,11]。向仁軍等[12]研究指出南方典型酸雨區(qū)的大氣干沉降酸性物質(zhì)主要是SO2、SO42-、NO2，主要堿性物質(zhì)是NH4+、Ca2+、K+。由于Ca2+、NH4+中和作用不同，長(zhǎng)江以南廣大地區(qū)和四川盆地的降水酸性高于北方地區(qū)。此外，樹(shù)木釋放和人為排放的有機(jī)物經(jīng)大氣光化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，其也是降水酸度的致酸物質(zhì)，如甲酸、乙酸和乙二酸等[12]。Fosco等[13]指出氣溶膠中的硫酸根、硝酸根和草酸是由二氧化硫、氮氧化物及揮發(fā)性有機(jī)物和臭氧及羥基自由基反應(yīng)生成。

伍世豐等[14]研究2001-2010年珠三角地區(qū)酸雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知研究期間內(nèi)酸雨頻率增加，SO42-濃度與SO2排放量呈正相關(guān)性，酸雨的空間分布格局與該地區(qū)SO2、NO2和PM10的高值分布區(qū)格局基本一致。葉延瓊等[15]通過(guò)研究廣東省大氣環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空分布特征，可以1998-2017年間，廣東省降水pH大多位于5.0～5.6之間，酸雨發(fā)生頻率均屬輕酸雨，全省SO2質(zhì)量濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，大氣主要污染物NO2濃度升高，PM10污染較為嚴(yán)重。酸雨由硫酸性轉(zhuǎn)向硫酸與硝酸混合型。此外，研究人員提出酸沉降臨界負(fù)荷(酸性化合物的最高沉降量)，低于該值不會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工程發(fā)生長(zhǎng)期有害影響的化學(xué)變化。該指標(biāo)是國(guó)際上較為通用的關(guān)于酸沉降控制決策的科學(xué)手段。

3 酸沉降危害

酸沉降破壞自然生態(tài)系統(tǒng)平衡和影響生態(tài)系統(tǒng)生物量。氮、硫沉降加速土壤酸化過(guò)程，土壤中和能力弱化，樹(shù)木生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)因素及K+、Ca2+、Mg2+等元素流失，所以酸沉降影響土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)[16]。酸沉降也直接影響植物生長(zhǎng)。王代長(zhǎng)等指出森林暴露在高濃度SO2和NOx下時(shí)會(huì)衰退[17]。植物細(xì)胞組織和形態(tài)結(jié)構(gòu)因其受直接傷害，尾葉桉和馬尾松的樹(shù)高、胸徑和材積生長(zhǎng)明顯受抑制，污染區(qū)樣地的馬尾松林和尾葉桉林總生物量均低于其在清潔區(qū)樣地[18]。此外，酸雨中重金屬落入水體，進(jìn)入魚(yú)類(lèi)機(jī)體，從而進(jìn)入生物鏈。

4 結(jié)語(yǔ)

酸沉降是全球性環(huán)境問(wèn)題之一，跟大氣污染狀況緊密相關(guān)。本文簡(jiǎn)要概述酸沉降與大氣污染物排放、地理位置的聯(lián)系，也論述了酸沉降對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。在未來(lái)的研究中，大氣污染物的控制與酸沉降的聯(lián)系，酸沉降對(duì)生態(tài)環(huán)境影響機(jī)制及酸沉降臨界負(fù)荷的研究具有實(shí)際意義。