大气酸沉降及其对生态环境影响的研究进展

2020-01-14谢燕华康玉芬冯淑兴

化工管理 2020年2期

谢燕华康玉芬冯淑兴

(中山市环境监测站，广东中山 528400)

1 引言

随着社会经济高速发展、城市化进程加快和能源结构的改变，大气污染日益严重。大气污染物的排放显著影响大气中酸性物质和降水酸性，带来酸沉降等问题。而大气酸沉降会对生态环境质量带来消极影响，体现在影响生态系统生物总量和土壤等物理化学性质。长期酸沉降易腐蚀建筑材料，其含有的致病物质会间接影响人体健康。此外，除了大气污染物排放，酸沉降过程受地理位置和气象条件影响，具有不同时空分布特征和季节变化特征。因此需对影响酸沉降的相关因素综合分析，认识酸沉降的形成过程，减轻酸沉降带来的危害。

2 酸沉降的影响因素

早在18世纪，人们就已开始研究酸沉降中湿沉降的组成及其化学性质。1850年前后，英国建设了第一个降水监测网，对降水的化学组成进行连续测定。1872年，英国科学家R.A.Smith首次运用“酸雨”这一名词，并探讨了影响降水的相关因素及酸雨对植物和材料的危害。一般，酸沉降是指大气中酸性污染物的自然沉降，分为干沉降和湿沉降。其中湿沉降是指发生降水事件时，高空雨滴吸收大气中酸性污染物降到地面的沉降过程，包括雨、雪、雹、雾等。而在不发生降水时，大气中酸性污染物受重力、颗粒物吸附等作用由大气沉降到地表的过程称为干沉降[1]。研究指出影响酸沉降的因素主要有地理位置、气象条件和污染物排放等。

2.1 地理位置及气象条件

广东省地势北高东低，空气污染物极易积聚于腹地珠三角，易导致酸雨形成。由于广东省冬季和夏季分别以北风和东南风为主，大气呈南北输送和扩散，酸雨特征为以广州-清远为轴线的南北主导风向上的条状分布特征[2]。而在不同天气系统(冷锋，低压槽及台风)下，风速、风向、相对湿度及逆温对酸雨形成的贡献不同[3]。降水pH与降雨量和风速成正相关。

气象条件影响污染物输送和扩散，进而作用于酸雨形成。温和湿润气候易促使SO2转化成SO3和H2SO4[4]。广州酸雨的形成与污染源及污染物在迁移扩散过程的天气系统和边界层气象特征均相关[5]。一般酸雨现象在春、冬季较重，夏、秋季较轻，且春、冬季酸雨频率高，降水酸度更强[4]。

2.2 污染物排放影响

大气酸性物质和降水酸性受大气污染物排放显著影响，如：SO2、NOx、颗粒物和NH3。SO2主要来源于以煤或石油为燃料的工厂企业排放，NO2来源于燃料燃烧、城市汽车尾气及工业生产过程[6]。大气中气态污染物和可吸入颗粒物与降水酸度呈正相关[7]，雨水中的酸性物质主要来源于颗粒物中的硫酸盐和硝酸盐[8]。朱建林等[9]通过建立大气酸沉降元胞自动机模型(ACA)重现大气酸沉降复杂性的主要特征，从机理上解释并重现大气污染对大气酸沉降复杂性的影响。

致酸物质除常规无机阴阳离子，还有有机小分子酸。一般酸沉降样品中的阴离子以F-、Cl-、NO3-、SO42-为主，阳离子以Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+居多。其中，降水pH 主要受SO42-、NO3-Ca2+和NH4+影响[7,10,11]。向仁军等[12]研究指出南方典型酸雨区的大气干沉降酸性物质主要是SO2、SO42-、NO2，主要碱性物质是NH4+、Ca2+、K+。由于Ca2+、NH4+中和作用不同，长江以南广大地区和四川盆地的降水酸性高于北方地区。此外，树木释放和人为排放的有机物经大气光化学反应会产生有机酸，其也是降水酸度的致酸物质，如甲酸、乙酸和乙二酸等[12]。Fosco等[13]指出气溶胶中的硫酸根、硝酸根和草酸是由二氧化硫、氮氧化物及挥发性有机物和臭氧及羟基自由基反应生成。

伍世丰等[14]研究2001-2010年珠三角地区酸雨监测数据可知研究期间内酸雨频率增加，SO42-浓度与SO2排放量呈正相关性，酸雨的空间分布格局与该地区SO2、NO2和PM10的高值分布区格局基本一致。叶延琼等[15]通过研究广东省大气环境质量的时空分布特征，可以1998-2017年间，广东省降水pH大多位于5.0～5.6之间，酸雨发生频率均属轻酸雨，全省SO2质量浓度呈现下降趋势，大气主要污染物NO2浓度升高，PM10污染较为严重。酸雨由硫酸性转向硫酸与硝酸混合型。此外，研究人员提出酸沉降临界负荷(酸性化合物的最高沉降量)，低于该值不会引起生态系统的结构和工程发生长期有害影响的化学变化。该指标是国际上较为通用的关于酸沉降控制决策的科学手段。

3 酸沉降危害

酸沉降破坏自然生态系统平衡和影响生态系统生物量。氮、硫沉降加速土壤酸化过程，土壤中和能力弱化，树木生长的营养因素及K+、Ca2+、Mg2+等元素流失，所以酸沉降影响土壤理化性质，进而影响植物生长[16]。酸沉降也直接影响植物生长。王代长等指出森林暴露在高浓度SO2和NOx下时会衰退[17]。植物细胞组织和形态结构因其受直接伤害，尾叶桉和马尾松的树高、胸径和材积生长明显受抑制，污染区样地的马尾松林和尾叶桉林总生物量均低于其在清洁区样地[18]。此外，酸雨中重金属落入水体，进入鱼类机体，从而进入生物链。