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植物受酸雨伤害前后

  pH值小于5.6的雨雪或其他形式的大气降水,是大气受污染的一种表现。最早引起注意的是酸性的降雨,所以习惯上统称为酸雨。

目录

概述

  纯净的雨雪降落时,空气中的二氧化碳(CO2)溶入其中形成碳酸,因而具有弱酸性。空气中的CO2浓度一般约在316ppm左右,这时,降水的pH值可达5.6。环境科学研究的是,由于人类活动的影响,pH值降低至5.6以下的酸性降水。

  古代的雨雪酸度没有记载。对大约 180年前的格陵兰积冰的测定表明,那时降雪的pH值为6~7.6。20世纪50年代以前,世界上降水的pH值一般大于5。少数工业区曾降酸雨。从60年代开始,随着工业的发展和矿物燃料消耗的增多,世界上一些地区(如北欧南部和北美东部)降水的pH值降到5以下,而且范围不断扩大,生态系统受到了明显的伤害。中国南方有些城市如重庆近年来也经常降落pH值在5以下的酸雨。

研究进展

  1872年英国化学家R.A.史密斯在其《空气和降雨:化学气候学的开端》一书中首先使用了“酸雨”这一术语,指出降水的化学性质受燃煤和有机物分解等因素的影响,也指出酸雨对植物和材料是有害的。20世纪50年代中期,美国水生生态学家E.戈勒姆进行了一系列研究工作,揭示了降水的酸度同湖水和土壤酸度之间的关系,并指出降水酸度是矿物燃料燃烧和金属冶炼排出的二氧化硫造成的。但是,他们的工作都没有受到注意。直到60年代间,瑞典土壤学家S.奥登首先对湖沼学、农学和大气化学的有关记录进行了综合性研究,发现酸性降水是欧洲的一种大范围现象,降水和地面水的酸度正在不断升高,含硫和含氮的污染物在欧洲可以迁移上千公里。1972年瑞典政府向联合国人类环境会议提出一份报告:《穿越国界的大气污染:大气和降水中的硫对环境的影响》。从此,更多的国家关注这一问题,研究的规模不断扩大。1975年 5月在美国俄亥俄州立大学举行了第一次国际酸性降水和森林生态系统讨论会。1982年 6月在瑞典斯德哥尔摩召开了国际环境酸化会议。酸雨已成为当前全球性的环境污染问题之一。

成因

  酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象。酸雨中含有多种无机酸和有机酸,绝大部分是硫酸和硝酸,多数情况下以硫酸为主。硫酸和硝酸是由人为排放的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)转化而成的,SO2和NOx可以是当地排放的,也可以是从远处迁移来的。

  煤和石油燃烧以及金属冶炼等释放到大气中的 SO2,通过气相或液相氧化反应生成硫酸。其化学反应过程是复杂的,可简单表示如下:

  气相反应 

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SO3+H2O──→H2SO4

  液相反应

SO2+H2O──→H2SO3
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  高温燃烧生成一氧化氮(NO),排入大气后大部分转化成为二氧化氮(NO2),遇水生成硝酸和亚硝酸。其化学反应过程可大致表示如下:

2NO+O2─→2NO2
2NO2+H2O─→HNO3+HNO2

  由于人类活动和自然过程,还有许多气态或固体物质进入大气,对酸雨的形成也产生影响。大气颗粒物中的Fe、Cu、Mg、V是成酸反应的催化剂。大气光化学反应生成的臭氧(O3)和过氧化氢 (H2O2)等又是使SO2氧化的氧化剂,飞灰中的氧化钙(CaO),土壤中的碳酸钙(CaCO3),天然和人为来源的氨 (NH3)以及其他碱性物质可与酸反应而使酸中和。

  降水的酸度实际上可用降水中主要阴阳离子的平衡来表示:

[H+]-[HCO婣]=[SO厈]+[NO婣]+[Cl-]-[Ca2+]
-[NH嬃]-[Na+]-[K+]-[Mg2+]

  上式中各种离子浓度都以每升微克当量计。当大气中SO2和NOx的浓度高时,降水中表示酸的SO厈和N婣的浓度也会较高。但如果降水中代表碱性物质的几个主要阳离子浓度也较高时,降水就不会有很高的酸度,甚至可能呈现碱性。在碱性土壤地区,或大气中颗粒物浓度高时,往往出现这种情况。相反,即使大气中SO2和NOx浓度不高,而碱性物质相对更少,则降水仍然会有较高的酸度。高烟囱可把SO2扩散到距离很远的地方,因而山区和荒野地带也降酸雨。

危害

  硫和氮是营养元素。弱酸性降水可溶解地壳中的矿物质,供动、植物吸收。如果酸度过高,例如pH值降到5以下,就可能使生态系统受害。

  在土壤盐基饱和度低的地区或土层薄的岩石地区,酸性雨水降落地面后得不到中和,可使土壤、湖泊、河流酸化。湖水或河水的pH值降到5以下时,鱼的繁殖和发育会受到严重影响。流域土壤和水体底泥中的金属(例如铝)可被溶解进入水中,毒害鱼类。水体酸化还会导致水生生物的组成结构发生变化,耐酸的藻类、真菌增多,而有根植物、细菌和无脊椎动物减少,有机物的分解率降低。因此,酸化的湖泊、河流中鱼类减少。瑞典和挪威南部以及美国东北部许多湖泊已成为无鱼的死湖。例如美国东部阿迪朗达克山区,海拔 700米以上的湖泊,目前半数以上湖水pH值在 5.0以下,90%已无鱼,而在1929~1937年间,只有4%的湖泊的pH值在5.0以下或者是无鱼的。瑞典18000多个大中型湖泊已经酸化,其中约4000个酸化严重,水生生物受到很大伤害。

  酸雨抑制土壤中有机物的分解和氮的固定,淋洗与土壤粒子结合的钙、镁、钾等营养元素,使土壤贫瘠化。酸雨伤害植物的新生芽叶,从而影响其发育生长。酸雨腐蚀建筑材料、金属结构、油漆等。古建筑、雕塑像也会受到损坏。作为水源的湖泊和地下水酸化后,由于金属的溶出,可能对饮用者的健康产生有害影响。

  控制酸雨的根本措施是减少SO2和NOx的人为排放量。瑞典等国试验在已酸化的土壤和水体中施加石灰,在短期内曾取得较好的效果。

  参考书目

  Proceedings of the First International Symposium on Acid Precipitation and the Forest Ecosystem,Special Issue,Water,Air and Soil Pollution,Vol.6,No.2~4,1976.

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