酸雨和酸沉降的研究進(jìn)展
摘 要：全面評述了20世紀(jì)90年代歐美和亞洲各國在酸雨和酸沉降方面的研究成果，并分析了酸雨和酸沉降未來的研究趨勢。分析表明歐美各國在酸雨模型和酸沉降臨界負(fù)荷等傳統(tǒng)領(lǐng)域繼續(xù)進(jìn)行研究的同時，更加關(guān)注降水化學(xué)組分、NOx模擬和控制技術(shù)研究；酸雨日趨嚴(yán)重的亞洲各國則在致酸物排放清單、酸性物質(zhì)的長距離傳輸和擴(kuò)散、酸沉降臨界負(fù)荷以及酸雨綜合防治對策等各個領(lǐng)域都開展了大量的研究？梢灶A(yù)見，未來酸雨研究的全球合作趨勢將得到進(jìn)一步加強(qiáng)，NOx在大氣中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、傳輸擴(kuò)散以及NOx的減排技術(shù)將繼續(xù)成為研究的熱點。此外，在生態(tài)系統(tǒng)對酸沉降的敏感性方面，人們將越來越關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)的生物學(xué)特性對酸輸入的響應(yīng)。
關(guān)鍵詞：酸雨 酸沉降 進(jìn)展趨勢
1 酸雨和酸沉降的研究背景
酸雨最早出現(xiàn)在挪威、瑞典等北歐國家，隨后擴(kuò)展到中歐和東歐，直至覆蓋整個歐洲。
20世紀(jì)80年代初，整個歐洲的降水pH值為4.0～5.0，雨水中的硫酸鹽含量明顯升高。1972年，歐洲經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）制定了空氣污染物長距離輸送合作研究計劃（LRTAP），該研究計劃證實，在歐洲確實存在硫化物的長距離傳輸。1984年3月6日，在渥太華召開的各國環(huán)境部長會議上，10個國家結(jié)成了“30%俱樂部”，即這些國家達(dá)成協(xié)議，最遲在1993年底削減SO2排放量的30%（以1980年的排放水平為基準(zhǔn)）。1984年，國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）綜合了歐洲20多年來的酸沉降研究成果開發(fā)出了綜合性酸雨模型——RAINS模型，該模型在歐洲的酸沉降談判和控制對策的制定中發(fā)揮了巨大的作用。
北美大陸發(fā)現(xiàn)酸雨較歐洲晚。1978年，當(dāng)時的美國總統(tǒng)卡特批準(zhǔn)實施大氣沉降物評價計劃（NADP）。同年，美加兩國組建了大氣污染遠(yuǎn)距離傳輸咨詢小組，并于1980年簽定了《跨國大氣污染備忘錄》。研究表明，在加拿大所有酸性沉降中至少有50%來自美國。迫于加拿大的壓力，當(dāng)時的里根政府拿出25億美元發(fā)展清潔煤技術(shù)（CCT），加拿大也花費(fèi)巨資削減其SO2排放量。美國國會于1990年通過了《清潔大氣法修正案》，規(guī)定電廠到2010年應(yīng)在1980年的基礎(chǔ)上，將SO2的排放量減少1000萬t，達(dá)到890萬t。
在亞洲，關(guān)注酸雨較多的國家是日本、韓國和中國。日本先后開展了2次全國性五年酸雨調(diào)查，結(jié)果表明，降水pH值為4.5～5.2，分布情況為東北高、西南低。韓國于1983年開始在全國范圍內(nèi)監(jiān)測酸雨，結(jié)果表明，未出現(xiàn)嚴(yán)重酸雨，但在冬季采暖期降水pH值低于5.0。我國于20世紀(jì)70年代末在北京、上海、南京、重慶和貴陽等城市開展了酸雨調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些城市不同程度存在著酸雨污染，西南地區(qū)較嚴(yán)重。1985～1986年我國開展全國范圍內(nèi)的酸雨監(jiān)測，結(jié)果表明，降水pH值小于5.0的地區(qū)主要集中在西南、華南及東南沿海一帶。“七五”和“八五”期間，酸雨研究連續(xù)2次被列為國家科技攻關(guān)項目。“七五”酸雨課題主要針對西南、華南兩大酸雨區(qū)展開了酸雨形成機(jī)理、傳輸擴(kuò)散、控制方法以及生態(tài)影響等研究。“八五”酸雨研究表明，我國酸雨污染已十分嚴(yán)重，長江以南的華東、華南、西南等地出現(xiàn)了大片酸雨區(qū)，約占國土面積的40%，“八五”酸雨課題提出了我國酸沉降控制對策，并開發(fā)了一系列清潔燃煤技術(shù)和脫硫技術(shù)。
2 歐美酸雨和酸沉降的研究進(jìn)展
歐美各國從20世紀(jì)80年代開始采取行動削減SO2排放量，90年代中期人們開始關(guān)注SO2排放量削減對酸雨的影響？茖W(xué)家們對大氣降水中化學(xué)組份的變化產(chǎn)生了濃厚的興趣。
20世紀(jì)90年代末，JAMESALYNCH等運(yùn)用線性最小平方趨勢分析法構(gòu)造了一個能夠識別和定量化降水化學(xué)變化趨勢的模型。應(yīng)用該模型對NADP1983～1994年的降水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了美國降水化學(xué)變化趨勢，并估算了1995～1997年的降水化學(xué)數(shù)據(jù)。用1995～1997年降水化學(xué)實測值與以上估算值相比較，得出了以下結(jié)論：《清潔大氣法修正案》第4款第1階段的執(zhí)行已經(jīng)削減了SO2排放量，直接導(dǎo)致了美國東部尤其是俄亥俄河谷、大西洋沿岸中部以及新英格蘭一帶的降水中SO42-濃度的顯著下降，降水中的H+濃度也相應(yīng)地顯著下降，相反，NO3-濃度卻幾乎不變。SO42-和H+濃度下降最顯著的地區(qū)恰恰是《清潔大氣法修正案》第4款規(guī)定削減排放量的主要大固定源的下風(fēng)向地區(qū)？梢姡肚鍧嵈髿夥ㄐ拚浮返4款的執(zhí)行已經(jīng)減少了美國東部的酸雨，尤其在東北部地區(qū)[1]。
歐洲、北美大氣降水中SO42-濃度逐年下降，而NO3-濃度卻幾乎不變。NOx既是酸雨的主要前體物，同時又在大氣光化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，于是空氣中的NOx越來越引起歐美科學(xué)家們的關(guān)注。
近年來，科學(xué)家們通過大量外場觀測，測量不同區(qū)域氮的干濕沉降量，并通過模擬實驗深入研究了大氣中NOx、CH以及O3的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，不斷改進(jìn)和完善區(qū)域酸沉降模型和空氣質(zhì)量模型的化學(xué)模塊，并用這些模型模擬NOx對酸沉降形成所起的作用。NoreenPoor等人于1996年8月～1999年7月的3年間觀測了Tampa灣河口的氮干濕沉降量，測量結(jié)果表明濕沉降占總沉降量的NOx總沉降量集中在夏季6月、7月和8月，在總沉降量中氨和銨鹽占58%，硝酸和硝酸鹽占42%[2]。HSievering等人運(yùn)用通量梯度法觀測得出克羅拉多針葉林區(qū)硝酸的平均干沉降速率為7.6cm/s，較大的干沉降速率主要?dú)w因于該區(qū)域湍流強(qiáng)度高和針葉林葉子的空氣動力學(xué)尺度小[3]。EdmundsHA等人開發(fā)了一個城市尺度的大氣擴(kuò)散模型（該模型包括了一個能夠預(yù)測大氣中NOx和O3濃度的綜合性化學(xué)模塊），根據(jù)NOx排放清單，預(yù)測了倫敦市空氣中NOx和NO2的濃度，并將模型預(yù)測的結(jié)果與4個測點的實測濃度進(jìn)行了對比[4]。與此同時，越來越多的人致力于各種NOx削減技術(shù)尤其是各種催化凈化技術(shù)的研究。BhattacharyyaS等人用銅離子置換X型沸石中的陽離子，開發(fā)出一種X型沸石催化劑，并測試了它對汽車發(fā)動機(jī)排氣中NOx的凈化作用，實驗結(jié)果表明，和貴金屬相比X型沸石催化劑在比較寬的空燃比范圍內(nèi)具有顯著的NOx還原能力，隨著空燃比的增加，還原NOx的能力降低得較慢[5]。
在人們熱衷于降水化學(xué)組分變化和NOX模擬和控制技術(shù)研究的同時，歐美其他一些科學(xué)家則繼續(xù)在酸沉降模型和酸沉降臨界負(fù)荷等傳統(tǒng)酸雨研究領(lǐng)域里辛勤耕耘，并使酸雨的研究日趨國際化。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）的研究者們吸收酸雨研究的最新成果，不斷開發(fā)RAINS模型的新版本，1999年開發(fā)出了RAINS8.0。目前的RAINS模型不僅分析、模擬SO2，而且考慮了NOx、NH3以及O3。90年代末，挪威氣象研究所的OlendrzynskiK等開發(fā)了一個三維EMEP歐拉網(wǎng)格模型，該模型主要用來以50km×50km的分辨率模擬歐洲大氣中酸性污染物的傳輸和沉降，該模型取代了傳統(tǒng)的EMEP拉格朗日軌跡模型，進(jìn)行歐洲各國之間的污染物輸送計算[6]。JonsonJE等人運(yùn)用以上模型，輸入專業(yè)氣象預(yù)測模型輸出的氣象數(shù)據(jù)和各國提供的NOx、NH3以及SO2的排放數(shù)據(jù)，模擬了歐洲大氣中氮的傳輸和沉降。計算中考慮了NOx、NH3和SO2在大氣中復(fù)雜的氧化反應(yīng)以及氮的干濕沉降，并將模擬結(jié)果與1992年的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了比較[7]。90年代中期，瑞典斯德哥爾摩環(huán)境研究所（SEI）在瑞典國際發(fā)展合作處（SIDA）的資助下，召集來自日本、俄羅斯、澳大利亞以及中國、印度、巴西等國家的科學(xué)家們，開展了一個名為全球酸沉降生態(tài)敏感性評價的研究項目。該項目提出了一個完全基于全球土壤緩沖能力的酸沉降生態(tài)敏感性研究方法，它以FAO1995年出版的世界土壤地圖為基礎(chǔ)，將基本飽和度、陽離子交換能力等參數(shù)分配給各種不同的土壤類型，根據(jù)土壤厚度等參數(shù)，得出了全球酸沉降生態(tài)敏感性地圖，并用區(qū)域性的酸沉降敏感性地圖以及以往的全球性研究結(jié)果進(jìn)行了校核[8]。
3 亞洲的酸雨和酸沉降研究進(jìn)展
進(jìn)入20世紀(jì)90年代，歐美各國由于多年來簽署的各項協(xié)議的實施，SO2排放量得以削減，酸雨和酸沉降的威脅趨于緩和，而亞洲各國由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，污染物排放量急劇增加，酸雨污染越來越嚴(yán)重。于是，歐美各國紛紛把目光轉(zhuǎn)向酸雨威脅最嚴(yán)重的亞洲，亞洲各國的科學(xué)家們也積極投入到酸雨研究當(dāng)中，亞洲地區(qū)的酸雨研究空前地活躍起來。
3.1致酸物排放清單的研究
致酸物排放清單是研究酸雨的重要前提。
20世紀(jì)90年代初，日本的Akimoto等估計了亞洲1987年SO2、NOx和CO2的1°×1°網(wǎng)格排放量，中國1987年SO2、NOX和CO2排放量分別為9995Gg/a、2243Gg/a、649Tg/a[9]。1997年美國依阿華大學(xué)的RLArndt和GRCarmichael等人公布了1987～1988年亞洲SO2的人為排放和火山排放（1°×1°），其中人為源的排放量31.6Tg、火山排放量3.8Tg。在東南亞和印度次大陸，來自薪材燃燒、電力和工業(yè)部門的排放量分別占16.7%，21.7%和12.2%，在印度、孟加拉國，薪材燃燒的排放量占很大比例。而馬來西亞和新加坡的大部分排放來自電廠[10]。
作為亞洲地區(qū)的排放大戶，中國的致酸物排放量成為人們關(guān)注的焦點。20世紀(jì)90年代中期，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心的白乃彬教授應(yīng)用國內(nèi)特定的排放因子和國家、部門及各省市統(tǒng)計年鑒公布的排放源數(shù)據(jù)，依1°×1°網(wǎng)格精度估計了1992年中國大陸CO2、SO2和NOx的排放數(shù)據(jù)[11]。薛志鋼、楊志明等調(diào)查了中國城市、電廠SO2排放量，對中國分省SO2排放量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行了校核；運(yùn)用中國分省、分行業(yè)能源消耗量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，合理選擇國外的相關(guān)排放因子，計算出了1995年中國地級行政單位和分省的NOx排放量，繪制了中國SO21°×1°網(wǎng)格、NOx分省分地區(qū)的排放量及排放強(qiáng)度示意圖，統(tǒng)計和計算結(jié)果得出，1995年中國SO2和NOx的排放量分別為2370萬t和1066萬t[12]。
3.2酸性物質(zhì)的長距離傳輸和擴(kuò)散
20世紀(jì)90年代中后期，美國依阿華大學(xué)的ArndtRL和CarmichaelGR運(yùn)用一個三層拉格朗日酸沉降模型計算了亞洲西起巴基斯坦，東至日本，北起蒙古南至印度尼西亞廣闊地區(qū)的1°×1°網(wǎng)格精度的硫沉降量，結(jié)果顯示在中國中南部局部地區(qū)硫沉降量超過了10g/m2[13]。之后，ArndtRL和CarmichaelGR等又在模式計算的基礎(chǔ)上估算了亞洲和印度次大陸各國硫沉降的季節(jié)性源和受點關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系分析了長距離傳輸對各國沉降量的影響，分析表明，在這一地區(qū)廣泛存在著硫的跨國輸送：越南的硫沉降35%來自本國排放，19%和39%分別來自泰國和中國；尼泊爾60%以上的硫沉降來自印度，中國對日本的影響表現(xiàn)出很強(qiáng)的季節(jié)性，冬春季的貢獻(xiàn)比夏秋季高出2.5倍，同時與濕清除率關(guān)系密切；中國和韓國對日本西南部的硫沉降起著重要作用，日本東北部的沉降量主要來自火山和本國的源排放[14]。國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）的科學(xué)家們于2000年開發(fā)出了RAINSASIA模型，該模型覆蓋了亞洲東南部的24個國家，能夠為這一地區(qū)的酸沉降控制提供決策依據(jù)。
20世紀(jì)90年代以來，亞洲各國科學(xué)家們在大氣污染物長距離傳輸領(lǐng)域進(jìn)行著不懈的努力。中國科學(xué)院大氣物理研究所王自發(fā)、黃美元等人建立了三維歐拉污染物輸送模式，進(jìn)行了中國和東亞酸性物質(zhì)輸送研究，得出了中國各省之間的硫傳輸矩陣[15]。清華大學(xué)的周學(xué)龍博士、南京大學(xué)的王體健等[16]也先后于20世紀(jì)90年代中期進(jìn)行了中國致酸物長距離傳輸模擬。日本中央電力研究所的IchikawaY建立了一個煙團(tuán)軌跡模型，模擬了東亞地區(qū)的硫濕沉降量，結(jié)果表明日本本國人為排放源和亞洲大陸排放源在日本引起的硫沉降比例為1：2[17]。韓國的KimJ和ChoSY建立了一個嵌套網(wǎng)格的硫傳輸歐拉模型，利用該模型模擬了韓國1996年6月10日的酸雨，發(fā)現(xiàn)氣相SO2和O3的濃度與現(xiàn)場監(jiān)測非常吻合，該模型計算了雨水中硫酸鹽和硝酸鹽的濃度，并進(jìn)一步識別了液相硫酸鹽和硝酸鹽的高濃度區(qū)[18]。
3.3酸沉降臨界負(fù)荷的研究
20世紀(jì)90年代以來，歐洲科學(xué)家與亞洲科學(xué)家們一起進(jìn)行了大量有關(guān)酸沉降臨界負(fù)荷的研究。1995年，荷蘭科學(xué)家HettelinghJP、瑞典科學(xué)家SverdrupH、中國科學(xué)院的趙殿武應(yīng)用源于歐洲的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量平衡法（SSMB），計算了包括中國、韓國、日本、菲律賓、印度尼西亞、印度次大陸在內(nèi)的東南亞地區(qū)的臨界負(fù)荷，繪制了臨界負(fù)荷分布圖，歐洲的臨界負(fù)荷是針對森林土壤和地表水進(jìn)行計算的。在亞洲，則區(qū)分了森林、草地、農(nóng)田、沙漠等31種植被類型進(jìn)行臨界負(fù)荷計算。該研究給出了亞洲1°×1°網(wǎng)格的臨界負(fù)荷分布圖，結(jié)果表明亞洲臨界負(fù)荷較低的區(qū)域主要發(fā)生在孟加拉國、印度尼西亞、中國南方，該研究得出的亞洲地區(qū)臨界負(fù)荷地理分布為在該區(qū)域進(jìn)行致酸物長距離傳輸?shù)膮^(qū)域風(fēng)險評價以及排放量的分配提供了依據(jù)[19]。
20世紀(jì)90年代末，中國的酸沉降臨界負(fù)荷研究更加活躍起來。清華大學(xué)的段蕾博士利用一種基于礦物風(fēng)化率和土壤狀況，并對溫度、土壤結(jié)構(gòu)、土地利用情況的影響進(jìn)行了修正的半定量方法，得出了中國土壤的酸沉降臨界負(fù)荷圖，中國土壤中對酸沉降最敏感的是中國東北的灰壤，其次是磚紅壤、黑褐森林土、黑土，南方的鐵鋁土居中，對酸沉降最不敏感的土壤是青藏高原的高山土壤以及西北的干旱土壤[20]。中國農(nóng)科院的陶福祿博士、中國科學(xué)院馮宗煒教授運(yùn)用一種適用于亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)的敏感性分類方法，研究了中國南方陸地生態(tài)系統(tǒng)的酸沉降敏感性，得出中國南方陸地生態(tài)系統(tǒng)的敏感性呈帶狀分布，總體說，生態(tài)系統(tǒng)的敏感性從西北向東南方向逐漸增加，其中最敏感的地區(qū)是浙江西北部和東南部，福建中部，廣東東北部以及廣西壯族自治區(qū)[21]。
3.4酸雨和酸沉降綜合防治對策研究
亞洲酸雨的日趨嚴(yán)重，引起了人們的高度重視。日本率先采取了一種再分配的方法，向排放SO2的固定源收費(fèi)，將收來的資金用于向空氣污染的受害者支付賠償金[1]。中國于20世紀(jì)90年代中期開始了防治酸雨的實際行動。1995年8月，人大常委會通過了新修訂的《中華人民共和國大氣污染防治法》，該法提出在全國范圍劃定酸雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)(簡稱兩控區(qū))。根據(jù)大氣法的規(guī)定，清華大學(xué)和中國環(huán)科院組成了聯(lián)合研究小組，在國家環(huán)保局的領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行了兩控區(qū)的劃分研究，1998年1月該方案由國務(wù)院批準(zhǔn)實施。1998年2月國家環(huán)保局召開了全國酸雨會議，會后各地編寫了《酸雨和二氧化硫污染綜合防治規(guī)劃》。2000年，中國環(huán)科院承擔(dān)了《兩控區(qū)酸雨和二氧化硫污染防治“十五”計劃》的編制。該計劃提出了“十五”期間兩控區(qū)酸雨和二氧化硫污染防治目標(biāo)，分配了2005年各省SO2排放總量指標(biāo)，提出了限制燃煤含硫量、電廠脫硫以及治理其它重點SO2排放源等控制措施，篩選出了SO2污染治理重點項目清單，同時提出在兩控區(qū)實行SO2排污收費(fèi)、排污許可證以及排污交易等管理和經(jīng)濟(jì)政策。
4 酸雨和酸沉降未來的研究趨勢
酸雨已經(jīng)成為一個全球化的環(huán)境污染問題。近年來歐美各國與亞洲國家的聯(lián)合研究，促進(jìn)了酸雨研究的國際化進(jìn)程？梢灶A(yù)見，全球網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程將進(jìn)一步加強(qiáng)未來酸雨研究的全球合作趨勢。隨著各門基礎(chǔ)學(xué)科的飛速發(fā)展，酸雨的形成機(jī)理、傳輸擴(kuò)散、臨界負(fù)荷以及治理技術(shù)的研究將更加深入，未來的酸雨模型將融合各門學(xué)科研究NOx在大氣層中十分活躍，在酸雨、光化學(xué)煙霧、臭氧層空洞以及溫室效應(yīng)等環(huán)境問題中都扮演重要角色，因此，在今后的研究中，NOx在大氣中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、傳輸擴(kuò)散以及NOx的減排技術(shù)將繼續(xù)成為研究的熱點。此外，在生態(tài)系統(tǒng)對酸沉降的敏感性方面，人們將越來越關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)的生物學(xué)特性對酸輸入的響應(yīng)，試圖將生態(tài)系統(tǒng)的敏感性與生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)酸沉降的生物學(xué)特性聯(lián)系起來
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