互动科普

大气尘埃与酸雨

Lars O. Hedin*，Gene E. Likens**

酸性空气污染物的排放已经有了显著的下降。那末为何酸雨仍然是一个问题呢?大气尘埃可能是造成酸雨问题的部分原因。

过去几十年来，科学家们一直在研究酸雨及其对环境的影响。随着酸性空气污染物所造成的有害后果日趋明朗，北美和欧洲的各国政府开始控制这些化合物的排放。欧洲联盟的各国已经实施了一系列控制二氧化碳和氮氧化物排放的法律。美国的清洁空气法也实行类似的控制。政策制订者们希望通过降低这些化合物的排放来恢复许多地区的森林、湖泊和溪流。从某些方面来看，问题似乎有所改善。

但是，酸雨问题并没有离开我们。为什么尽管有了更严厉的污染控制措施，北美和欧洲的部分地区仍在降酸雨呢?为什么有些自然生态系统(特别是森林)的酸雨损害程度比科学家原先预期的还要严重?

最近的发现表明，酸雨是比原先想象的要复杂得多的一种现象。由几项研究所得到的结果指明了大气中一种称为碱的化合物出乎意料地起了一种关键性作用。碱通过中和酸性污染物而对酸雨的作用进行抵消。我们发现，人们把全部注意力都集中到大气中的酸性物质，掩盖了碱排放也已经有所下降这一事实。看来有许多因素正在减少大气中这些碱的含量，从而加剧了酸雨对生态的影响。具有讽刺意义的是，在这些因素中有几个正是各国政府为改善空气质量而采取的措施。

酸和碱是由称为pH值的指标衡量的：溶液的pH值低于7的属于酸性，溶液的pH值高于7的属于碱性，溶液的pH值等于7的属于中性。家用的普通的酸有醋、橙汁和啤酒，而阿摩尼亚(氨水)、小苏打（碳酸氢钠)和解酸丸都是碱。大气中的大多数碱都能在称为大气尘埃的空中粒子中找到。这些尘埃粒子富含碳酸钙和碳酸镁等矿物质，这些矿物质溶于水中就起碱的作用。

大气尘埃粒子由多种来源共同形成。化石然料的燃烧，以及水泥生产、采矿和金属冶炼等工业活动，都会产生含碱的粒子。建筑工地、农场和在未经铺砌的道路上驾驶车辆也会造成尘埃粒子。森林火灾和因为风刮过干旱无植被土壤所造成的侵蚀这样一些尘埃源，都被认为是自然因素，但它们仍然可以与人类活动联系起来。

自然的解酸剂

在空气中，尘埃粒子中和酸雨的方式，与解酸剂在发生疼痛的胃中抵消过量的胃酸十分相似。在某种意义上，当酸与碱相遇时，它们互相抵消，产生一种更为中性的物质。当尘埃粒子溶解在酸性液态云滴中或直接与诸如二氧化硫或氧化氮之类的酸性气体结合时，中和作用就在大气中发生了。这些反应也产生所谓的碱阳离子(碱阳离子这一术语用来描述当无机碱溶解在水中后所生成的诸如钙和镁等元素带正电荷的原子)。

大气中的碱阳离子除了能降低降水的酸性之外，一旦它们落到地面还能中和酸雨，虽然这种化学作用与在大气中有一些不同，土壤中的小粒粘土和腐殖质(腐烂的有机物)带有负电荷，因此能吸引带正电荷的阳离子，如钙和镁离子。于是，土壤中便自然地储存着附着在土壤粒子和腐殖质粒子上的阳离子粒子。当酸性雨水落到地面上时，碱阳离子把它们的位置让给在酸中存在的带正电荷的氢离子。氢离子与土壤粒子结合得更紧密。由于土壤粒子束缚了氢离子，流经土壤的水份的酸性就保持在较低水平。在有些土壤中，这一过程变得更加复杂：酸雨引发了有毒的铝离子的溶解，而铝离子也取代了碱阳离子的位置。

只要土壤能提供充足的碱阳离子，这一缓冲系统(称为阳离子交换)就能保护森林免受酸雨的有害影响，但是如果天然缺碱的土壤在几十年中一直暴露在酸雨之下，就像在欧洲和北美地区那样，碱阳离子的自然储备就会耗尽。在这些地区，氢离子和铝离子已经置换了土壤中的大部份可用的碱阳离子，使得铝的含量上升，土壤高度酸化。此外这种酸化土壤不再能够保护下游生态系统抵御酸雨，从这些森林中下泄的水把酸和铝都带进了溪流、湖泊和江河之中。

尘埃粒子还可能起到另一个重要作用：诸如钙镁钠钾等元素都能在无机尘埃中找到它们是大多数植物的基本养份、酸雨不仅从土壤颗粒和腐殖质颗粒上洗掉了这些元素(植物正是从土壤颗粒和腐殖质颗粒上获得大都分养份的)。而且还把这些元素冲洗到了江河溪流之中，把生态系统中所储存的矿物质都耗尽了。除了本世纪50年代瑞典乌普萨拉农业大学的Hams  Egner和当时在英国淡水生物协会实验室工作的Eville Gorham做过一些早期的研究外，其他科学家对于大气可能是土壤中碱阳离子的一个重要来源这一设想都未给予足够的重视。科学家们传统上认为，土壤深处矿物质和岩石的缓慢溶解能补充碱阳离子，这种自然过程称为化学风化。

但是，最近包括我们的研究在内的发现正在修正关于碱如何进入土壤以及森林如何依赖大气所提供的矿物质和养份的普遍观念。在有些森林中，大气实际上似乎是碱阳离子的主要来源。这些新的研究结果表明，许多森林对大气中化学作用的变化的敏感性要超过科学家原来认为的程度。

尘埃越少，危害越大

减少酸性空气污染的努力最初产生了令人鼓舞的结果：例如，在欧洲和北美东部的许多地区大气中硫的含量水平在过去30年中大有下降。然而，我们两人开始担心，政策制订者与科学家一样，有可能在试图评价硫化合物的这些减少是否有益于环境时忽略了大气中碱的作用。考虑到碱性化合物对森林的生长和酸雨的防止都有意义，我们决定调查，由于新的法规要求降低排放量，大气尘埃的含量水平是否也随着时间有所变化。

正像科学家们已经了解了一段时间的那样，悬浮在空气中的微小粒子在吸气人体时会引起多种健康问题，还会降低能见度并引起许多其他环境问题，因此政府制订了限制尘埃排放的法规。20多年来北美和欧洲各国政府对微粒性物质定下了可接受空气质量标准。这些法规与那些针对酸性污染的法规有相当大的区别。(从其他来源产生的大气尘埃似乎也已经逐步减少了，伊利诺斯州水文局的Grary J. Stansland和Donald F. Grata发现，由于在未经铺砌的道路上交通流量的减少，含碱粒子的排放也减少了。)

我们与欧洲科学家一起，开始评估所能找到的最长的关于北美东部和欧洲西部的降水化学记录。通过测量溶解在雪和雨水中的碱阳离子，我们得以跟踪大气中无机碱的含量水平，并能监督这些碱阳离子对森林生态系统的输入。我们的发现是令人吃惊的：我们发现，在过去10到30年中，大气中的碱以一种出乎意料的速率急剧下降。北美洲现存的最长记录保存在新罕布什尔州的哈巴德布鲁克实验森林。该记录显示，从1965年以来，大气碱阳离子下降了49%。

在大西洋彼岸，我们发现欧洲高质量的最长记录在瑞典南部的舒恩厄森林地区。该记录显示，自1971年以来，碱阳离子下降了74%。我们对其它几个记录的分析都毫无例外地肯定，在欧洲和北美的大片地区，大气碱已经急剧地下降。

但是大气碱的这种削减是否强得足以抵消(或者甚至完全取消)预期的因减少酸性排放对环境带来的利益：我们的研究表明，事实上确实如此。我们发现，碱的下降常常反映了大气硫的下降，碱的下降速率足以抵消大部分的硫化合物下降。例如我们发现，在瑞典，碱阳离子下降抵消了大气硫下降的54%到68%；在北美东部的某些地区，碱阳离子下降甚至抵消了大气硫下降的100%。这些趋势意味着，尽管酸性排放物减少了，碱的减少使得大气对酸性化合物保持敏感。当我们开始进行这项研究时，我们当然没有预料到一种形式的污染物(尘埃粒子)的减少会降低减少另一种污染物（二氧化硫)的成功。

由于尘埃粒子的来源不计其数，又由于有关粒子排放的信息常常十分粗略，所以难以断定大气中碱的这种急剧减少为何得以发生。我们只知道，按照微粒物质排放规章开发出来的新颖和更洁净的工业技术是一个重要的因素。例如，改进燃烧效率和洗掉烟囱中的粒子的做

法已经减少了因燃烧化石燃料而产生的微粒污染物。要评估弥漫性尘埃源（如交通、农业生产方法和风蚀)所起的作用就更加困难。但是我们的研究表明，相对于自然因素来说，尘埃粒子的减少主要反映了人类行为的变化。

养份的主要来源

科学家们多年来一直注视着全世界森林土壤中钙、镁和钾的水平的下降。例如，瑞典乌普萨拉农业大学的Leif Hallbacken和Garl Olaf Tamm已记录到过去60年来挪威云杉林中可利用的阳离子已经损失了56%到74%。其它报告表明在英国、德国和美国存在着类似的碱阳离子严重损失。最近进行的关于受害森林的几个研究表明，降水中碱阳离子的损失可能是森林退化现象的一个关键性因素。Bayreuth大学的Ernst-Detlef Schulze及其同事指出，土壤中镁的减少在德国菲希特尔山的云衫林萎缩中起着重要作用。虽然位于田纳西州的国立橡树岭研究所的研究人员〔Samuel B. McLauhlin领导)所收集的证据不十分清晰，但他们发现，阿巴拉契亚山脉南部的红云杉树由于土壤中钙含量较低而放慢了生长速度。有趣的是，利用碱阳离子(特别是钙和镁)对某些森林所做的小规模施肥实验，改善了已经受害的森林，例如魁北克的糖槭林、挪威的云杉林和德国及法国的银极林。

这样一些报告使我们思索，某些土壤是否不仅由于持续接触酸雨，而且还由于它们不能从大气中获得足够的碱阳离子而受到影响。科学家们现在通过观察天然的同位素元素银(测定在一个银原子的原子核中有多少个中子)，来确认碱阳离子的来源和它们在森林生态系统中的运动踪迹。锶同位素可以作为钙的示踪剂。从基岩中衍生的锶原子和来自大气中的锶原子往往以同位素的不同比例混合物存在。这一技术已经阐明，大气尘埃实际上是许多森林生态系统的一个关键的无机离子源。

此外，在土壤已经被酸雨损坏或天然缺乏碱阳离子的某些地区，大多数的钙似乎来自大气，而不是来自基岩。例如，我们在智利未受污染的森林中测定，那里的主要树种——南方山毛桦所吸收的钙几乎全部来自大气。

这些观察结果表明，许多森林侧重依靠大气所提供的无机碱。因此，大气碱阳离子的减少已经导致森林土壤中关键性的碱和养份的补充更加缓慢。当然，大气尘埃的自然含量水平一直在变化，但通常是在几百年或几千年的尺度上变化的。新罕布什尔大学的Paul A. Maywski及其合作者对格陵兰冰芯所作的研究表明，大气中尘埃和钙的含量在过去2万年中受到气候变化的严重影响。在最寒冷最干燥的全球气候下，高水平的钙和尘埃占主导地位，而较湿润较温暖的时期则钙和尘埃水平较低。对公元700年至今的现代趋势的分析表明，与

过去2万年中的状况相比，目前的尘埃量属于较低的。一个显著的例外是本世纪30年代中期发生在美国西部的碗状尘暴，那是一次范围广泛的严重千旱。

留下的疑问

随着科学家们发现大气中碱的重要性以及他们最近发现大气尘埃排放和土壤中的养份之间的联系。他们开始重新描绘森林如何对大气看来不再站得住脚了。

完全有可能的是，持续的酸雨与有限的碱阳离子供给相结合，能够产生一些环境条件，这些条件是许多植物物种(特别是处于敏感的生态系统中的物种)在它们的进化过程中从未遇到过的。因此，要预测在今后几十年中它们将作出何种反应将是极其困难的。这些环境条件的作用也许并不局限于植物。格罗宁根大学的Jaap Graveland和他的同事指出，有些鸟类，如荷兰的大山雀，在受到酸雨严重危害并且土壤中储存的钙较少的森林中生下的鸟蛋壳薄易碎。

我们对酸雨和大气尘埃能做些什么呢?所提出的建议十分广泛；包括一些无法实现的和可以实现的。在我们最新研究的论文之一发表后，有一位读者写信来建议，可以开展一次热气球竞赛。通过从空中降下富钙粒子来抢救森林，这是一种既费钱又难实施的方案。有意增加微粒的释放也是不现实的，并且会使控制大气污染的进展倒退几十年。然而有一个合理的建议是，把酸性污染物的排放降低到大气中碱性化合物的天然含量能够缓冲的程度。这样一个目标将意味着持续减少二氧化硫和氮氧化物的排放，也许要比美国1990年清洁空气法修正案所规定的标准更低。

大气尘埃在生态上的两难困境。很可能还要伴随我们一段时间：土壤中的碱阳离子要许多年才能积累起来，森林需要几十年或更长的时间才能恢复它们丧失了的养份资源，即使酸性大气污染水平继续下降也是如此。与此同时，研究人员和各国政府必须制订出谨慎周密的战略，不仅要监督当前的森林状况，而且还要预测它们在下个世纪或更久以后的稳定性。简单的方案并不总是适用于复杂的生态系统。

（王世德/译；郭凯声/校）