大氣酸沉降及其對生態環境影響的研究進展

謝燕華康玉芬馮淑興

(中山市環境監測站，廣東中山528400)

1 引言

隨著社會經濟高速發展、城市化進程加快和能源結構的改變，大氣污染日益嚴重。大氣污染物的排放顯著影響大氣中酸性物質和降水酸性，帶來酸沉降等問題。而大氣酸沉降會對生態環境質量帶來消極影響，體現在影響生態系統生物總量和土壤等物理化學性質。長期酸沉降易腐蝕建筑材料，其含有的致病物質會間接影響人體健康。此外，除了大氣污染物排放，酸沉降過程受地理位置和氣象條件影響，具有不同時空分布特征和季節變化特征。因此需對影響酸沉降的相關因素綜合分析，認識酸沉降的形成過程，減輕酸沉降帶來的危害。

2 酸沉降的影響因素

早在18世紀，人們就已開始研究酸沉降中濕沉降的組成及其化學性質。1850 年前后，英國建設了第一個降水監測網，對降水的化學組成進行連續測定。1872年，英國科學家R.A.Smith首次運用“酸雨”這一名詞，并探討了影響降水的相關因素及酸雨對植物和材料的危害。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。其中濕沉降是指發生降水事件時，高空雨滴吸收大氣中酸性污染物降到地面的沉降過程，包括雨、雪、雹、霧等。而在不發生降水時，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程稱為干沉降[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

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

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

2.2 污染物排放影響

大氣酸性物質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主要來源于以煤或石油為燃料的工廠企業排放，NO2來源于燃料燃燒、城市汽車尾氣及工業生產過程[6]。大氣中氣態污染物和可吸入顆粒物與降水酸度呈正相關[7]，雨水中的酸性物質主要來源于顆粒物中的硫酸鹽和硝酸鹽[8]。朱建林等[9]通過建立大氣酸沉降元胞自動機模型(ACA)重現大氣酸沉降復雜性的主要特征，從機理上解釋并重現大氣污染對大氣酸沉降復雜性的影響。

致酸物質除常規無機陰陽離子，還有有機小分子酸。一般酸沉降樣品中的陰離子以F-、Cl-、NO3-、SO42-為主，陽離子以Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+居多。其中，降水pH 主要受影響[7,10,11]。向仁軍等[12]研究指出南方典型酸雨區的大氣干沉降酸性物質主要是SO2、SO42-、NO2，主要堿性物質是NH4+、Ca2+、K+。由于Ca2+、NH4+中和作用不同，長江以南廣大地區和四川盆地的降水酸性高于北方地區。此外，樹木釋放和人為排放的有機物經大氣光化學反應會產生有機酸，其也是降水酸度的致酸物質，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、氮氧化物及揮發性有機物和臭氧及羥基自由基反應生成。

伍世豐等[14]研究2001-2010年珠三角地區酸雨監測數據可知研究期間內酸雨頻率增加，SO42-濃度與SO2排放量呈正相關性，酸雨的空間分布格局與該地區SO2、NO2和PM 10 的高值分布區格局基本一致。葉延瓊等[15]通過研究廣東省大氣環境質量的時空分布特征，可以1998-2017年間，廣東省降水pH大多位于5.0～5.6之間，酸雨發生頻率均屬輕酸雨，全省SO2質量濃度呈現下降趨勢，大氣主要污染物NO2濃度升高，PM 10污染較為嚴重。酸雨由硫酸性轉向硫酸與硝酸混合型。此外，研究人員提出酸沉降臨界負荷(酸性化合物的最高沉降量)，低于該值不會引起生態系統的結構和工程發生長期有害影響的化學變化。該指標是國際上較為通用的關于酸沉降控制決策的科學手段。

3 酸沉降危害

酸沉降破壞自然生態系統平衡和影響生態系統生物量。氮、硫沉降加速土壤酸化過程，土壤中和能力弱化，樹木生長的營養因素及K+、Ca2+、Mg2+等元素流失，所以酸沉降影響土壤理化性質，進而影響植物生長[16]。酸沉降也直接影響植物生長。王代長等指出森林暴露在高濃度SO2和NOx下時會衰退[17]。植物細胞組織和形態結構因其受直接傷害，尾葉桉和馬尾松的樹高、胸徑和材積生長明顯受抑制，污染區樣地的馬尾松林和尾葉桉林總生物量均低于其在清潔區樣地[18]。此外，酸雨中重金屬落入水體，進入魚類機體，從而進入生物鏈。

4 結語

酸沉降是全球性環境問題之一，跟大氣污染狀況緊密相關。本文簡要概述酸沉降與大氣污染物排放、地理位置的聯系，也論述了酸沉降對生態環境的影響。在未來的研究中，大氣污染物的控制與酸沉降的聯系，酸沉降對生態環境影響機制及酸沉降臨界負荷的研究具有實際意義。