中国七大区降水化学特性的空间差异及成因

谢娜，薛丽洋

摘要：选取中国七大区的３３个省及城市20世纪９０年代降水监测资料，通过对比分析，对中国七大区的降水化学特性、空间差异及成因进行了初步研究。结果表明，七大区降水中离子组成基本一致，但是主要离子含量差别较大；降水酸性也表现出明显的差异，总体表现为北方偏碱性，南方偏酸性，并且自东北向华南呈增强趋势；20世纪９０年代中国大气硫污染突出，东北、西北地区ＳＯ４２－及Ｃａ２＋含量是其他地区的2倍以上，并且北方降水中ＮＨ４＋浓度较高，因而针对不同地区的降水化学特性，应采取不同的污染防治措施。

关键词：七大区；降水化学特性；酸性；空间差异

中图分类号：Ｘ５１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）14－2971-05

The Spatial Differences of Chemical Characteristics of Precipitation in Seven

Regions of China

ＸＩＥ Ｎａ，ＸＵＥ Ｌｉ－ｙａｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｏｆ ３３ ｐｒｏｖｉｎｃｅｓ ａｎｄ ｃｉｔｉｅｓ in China ｉｎ １９９０ｓ， ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅｖｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｉｏｎｓ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｓｅｖｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ ｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｏｎｓ ｗａｓ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ． Ｔｈｅ ａｃｉｄｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｙ ｉｎ ｔｈｅｓｅ ｓｅｖｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ． Ｉｎ ｄｅｔａｉｌ， ｔｈｅ ａｃｉｄｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｎｏｒｔｈｅａｓｔ ｔｏ ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ． Ｓｕｌｐｈｕｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｅｒｒｉｂｌｅ ｉｎ １９９０ｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ with the concentrations of ＳＯ４２－ and Ca2+ in northeast and northwest China 2 times higher than in other areas ａｎｄ ｔｈｅ ＮＨ４＋ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈ． Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ， ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｍｅｄｙｉｎｇ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｇｉｏｎｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｅｖｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ； ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ； ａｃｉｄｉｔｙ； ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ

关于区域降水化学特征方面的研究，在国内已取得了很多进展［１－４］。近年来众多学者对国内不同省（市）进行了区域降水化学特性方面的研究，其结果普遍表明各地区降水因受自然地理条件和人为因素的影响差异而表现出不同的特性，这些研究成果为降水化学特性影响因素的研究打下了理论基础，也为进一步研究降水的空间差异及其所采取的防治降水污染措施等提供了重要依据。但他们多集中于研究单一省（市）的局地降水化学特性，而综合对比研究某范围内不同地区（省、市）空间差异及成因方面的内容较少，如孙玉鹏等［５］仅研究了我国沿海和西北地区降水化学特性的差异，黄美元等［６］对中国和日本降水化学特性的差异作了对比分析。

我国幅员辽阔，由南向北、自东向西的自然地理条件差异较大，横跨多个气候区与土壤区；东、南、西、北不同地区的资源（能源）消耗（消费）结构和人群生活习性不同，对区域降水化学特征的影响差异较为明显。为此，通过对比分析我国境内东北、华北、西北、华中、华南、西南、华东等七大区的降水化学特征差异及其影响因素，旨在为全国范围内降水污染及其防治措施研究提供基础资料。

１数据收集整理

根据20世纪９０年代我国七大区（包括东北、华北、西北、华中、华南、西南、华东地区）所含部分省及城市的降水监测数据，对降水中８种主要离子ＳＯ４２－、Ｃａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、Ｎａ＋、ＮＨ４＋、ＮＯ３－、Ｃｌ－的浓度总结结果见表１。

２我国降水化学特性空间差异及影响因素分析

２．１降水化学特征的空间差异性

各地区８种主要离子的平均浓度、ＳＯ４２－／ＮＯ３－以及（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）／（ＮＯ３－＋ＳO４２－）、ｐＨ等指标的综合分析结果见表２。ｐＨ是衡量降水化学特性最重要的指标之一，ｐＨ愈低，降水酸度愈高，对环境造成的影响愈严重［２7］。由表２可知，东北、华北、西北3个地区的ｐＨ＞５．６，属于正常降水，对环境酸化不造成影响；华东、西南两地的ｐＨ为５．０～5．６，属于轻度酸性，对环境酸化影响不大；华中、华南两地的ｐＨ为４．５～５．０，属于酸性降水，对环境酸化有明显影响；酸性最强的是华中地区，最弱的是东北地区。降水中ＳＯ４２－／ＮO３－比值可以反映降水的酸型、来源以及估计ＳＯ４２－、ＮO３－对降水酸度的相对贡献［２7］，表２中７个地区ＳＯ４２－／ＮO３－的平均值几乎都大于３，说明在此期间，我国大气污染属于典型的燃煤型污染，同时表２中数据也反映出西北和东北地区是ＳＯ４２－含量最高的两个地区。西北、东北和华北3个地区的ＮＨ４＋浓度高于华南、华东及西南地区，而降水中较多的ＮＨ４＋是由排放到大气中的ＮＨ３转化而来的，北方地区20世纪９０年代大兴土木，使用了大量的混凝土外加剂，其中的含氨氮成分在墙体中随着温度、湿度等环境因素的变化而还原成氨气从墙体中缓慢释放于外界环境中，是导致北方地区ＮＨ４＋含量较高的原因之一。

２．２降水化学特性的空间差异及成因分析

根据表１中七大区３３个省及城市降水的离子浓度，选取其中的４种主要离子Ｃａ２＋、ＮＯ３－、ＳＯ４２－、ＮＨ４＋的浓度（表2）计算出各大区的平均值，标示于中国行政区划图上（图１）。

由图１可见，研究区中阴离子平均表现为ＳＯ４２－浓度最高，并且东北和西北两个地区的平均值明显大于华北、华中、华东、华南及西南地区，说明１９９０年代我国大部分空气污染主要表现为硫污染，并且北方地区硫污染较南方地区严重；东北、西北和华北是ＮO３－含量较高的地区，西南、华南和华东地区居中，华中地区最小，出现该现象的原因主要是１９９０年代北方经济欠发达，如素有“老工业基地”之称的东北及西北几所城市的经济支柱均以重工业为主，因技术欠缺、厂房设备落后造成工厂在排污前对污染物未经有效净化和减排处理，且缺乏有效的后期治理措施。而长江以南地区经济发展迅速，能源结构的改善和汽车保有量的急剧增加，使得硫污染特征有所减弱，氮氧化物污染逐渐突出，表现出了氮污染。降水中的Ｃａ２＋和ＮＨ４＋是中和酸性离子的主要阳离子，西北、东北地区这两种离子的浓度远远高于其他5个地区，而西南地区Ｃａ２＋浓度最低、华南地区ＮＨ４＋浓度最低（图１），这主要是由于北方地区春季沙尘暴频繁发生。空气中大量的沙尘、悬浮物带来较多碱性物质，极大地中和了酸性离子，而南方空气中此类碱性离子较少。

由表２中数据得出不同地区（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）／（ＳＯ４２－＋ＮＯ３－）以及各个地区所有离子总和的大小分别见图２、图３。（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）／（ＮＯ３－＋ＳＯ４２－）的比值反映了降水中影响酸度的主要阴、阳离子的比例，研究区其比值均大于１（图２），说明降水中酸性离子少于碱性离子，但是由于华南、华中2个地区大气中可能还存在其他的致酸离子，使得这些地区表现出明显的酸性。华北和东北两地区的比值分别为１．７７和１．４７，并且这两个地区的降水也表现出偏碱性，这主要与北方空气中自然尘含量较高有很大关系；对于西北地区而言，ｐＨ较大，但是（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）／（ＮＯ３－＋ＳＯ４２－）的比值较小，甚至比华南、西南地区还小，这与西北几座典型工业城市的硫污染有关，例如地处黄河上游的兰州市，由于其所处的地形地貌和气候特点的影响，使得污染物难以扩散稀释，加之受冬季逆温天气的影响［２8］，表现出较强的硫污染。图３是研究区降水化学组分分布图，其中东北、西北2个地区阴阳离子总含量明显高于其他地区，尤其是ＳＯ４２－、Ｃａ２＋，表现出了北方地区颗粒污染较南方地区严重的状况。

２．３降水酸性的空间差异及成因分析

通常在未受污染的大气环境下，由于大气背景ＣＯ２、ＮＯＸ、ＳＯ２的溶解平衡，天然降水的ｐＨ为５．０～５．６［２9］。研究区降水ｐＨ比较见图４。图４显示，研究区降水的ｐＨ均在４.0以上，为东北＞西北＞华北＞西南＞华东＞华南＞华中。华中地区ｐＨ最小，为４．8，说明１９９０年以来华中地区酸雨污染超过西南地区，成为全国酸雨污染最严重的地区；不同地区降水酸度差距较大，东北、华北、西北3个地区的ｐＨ明显大于华中、华南、东南及西南地区，总体表现出北方偏碱性，南方偏酸性的状况。

造成以上各地区降水酸度存在明显差异的原因主要是因为南北大气中的颗粒物浓度及其性质有差异。北方大气颗粒物浓度高于南方，这是因为大气颗粒物主要来自飞扬尘土，其组成与土壤组成基本相同，颗粒物酸碱性主要取决于土壤性质，如我国南方地区，地表多红壤、砖红壤等亚热带、热带土壤类型，多呈酸性，因此南方地区大气降水酸碱度本底值偏向酸性；相反北方干旱地区，多发育棕钙土、荒漠土等土壤类型，呈弱碱性，所以北方地区的大气降水酸碱度本底值则多偏向于弱碱性［30］，因此，对同样的降水，北方大气颗粒物对降水酸性的缓冲能力要比南方大得多。同时，气候特点也是造成这些差异的原因之一，我国酸雨专家王文兴指出，太阳光照度和水蒸气浓度将促进二氧化硫的转化［31］，南方大部分地区属于热带季风气候，雨热同期，降水充沛且多集中于夏季，全年较温和，这样的气候场适宜酸雨的转化形成。加之，降水量也对降水ｐＨ大小和酸雨频次有一定的影响作用，南方多雨也使得该地区降水酸性明显。

３结论

１）研究区降水中所含离子种类基本相同，但降水化学特性有所不同，北方偏碱性，南方偏酸性，酸雨危害多出现于南方；北方降水中离子浓度均较高，其中以Ｃａ２＋、ＮＨ４＋、ＳＯ４２－最为显著，南方相对较低。

２）２０世纪９０年代，我国大气污染属于典型的燃煤型污染，汽车保有量较小，排放的氮氧化物也较少，因而硫污染较显著；在此期间，北方地区化工厂排放的氨气、含氮化肥的大量使用以及建筑物的大量兴建，使得大气中ＮＨ４＋含量较高，导致北方降水中ＮＨ４＋浓度高于南方。

３）华南和华中地区（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）∕（ＳＯ４２－＋ＮＯ３－）的比值均在１以上，而这2个地区的降水表现出了较明显的酸性，说明南方地区降水中存在诸多的致酸因子。

４）研究区降水化学特性不同，造成酸性降水的物质来源、影响因素和形成机制有较大的差异，因此，还应进行进一步的相关研究来针对性地提出合理的防治措施。

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