酸雨和酸沉降的研究进展

　　摘要：全面评述了20世纪90年代欧美和亚洲各国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来的研究趋势。分析表明欧美各国在酸雨模型和酸沉降临界负荷等传统领域继续进行研究的同时，更加关注降水化学组分、NOx模拟和控制技术研究；酸雨日趋严重的亚洲各国则在致酸物排放清单、酸性物质的长距离传输和扩散、酸沉降临界负荷以及酸雨综合防治对策等各个领域都开展了大量的研究。可以预见，未来酸雨研究的全球合作趋势将得到进一步加强，NOx在大气中的化学反应机理、传输扩散以及NOx的减排技术将继续成为研究的热点。此外，在生态系统对酸沉降的敏感性方面，人们将越来越关注生态系统的生物学特性对酸输入的响应。

　　关键词：酸雨酸沉降进展趋势

　　1酸雨和酸沉降的研究背景

　　酸雨最早出现在挪威、瑞典等北欧国家，随后扩展到中欧和东欧，直至覆盖整个欧洲。

　　20世纪80年代初，整个欧洲的降水pH值为4.0～5.0，雨水中的硫酸盐含量明显升高。1972年，欧洲经济合作与发展组织（OECD）制定了空气污染物长距离输送合作研究计划（LRTAP），该研究计划证实，在欧洲确实存在硫化物的长距离传输。1984年3月6日，在渥太华召开的各国环境部长会议上，10个国家结成了“30%俱乐部”，即这些国家达成协议，最迟在1993年底削减SO2排放量的30%（以1980年的排放水平为基准）。1984年，国际应用系统分析研究所（IIASA）综合了欧洲20多年来的酸沉降研究成果开发出了综合性酸雨模型——RAINS模型，该模型在欧洲的酸沉降谈判和控制对策的制定中发挥了巨大的作用。

　　北美大陆发现酸雨较欧洲晚。1978年，当时的美国总统卡特批准实施大气沉降物评价计划（NADP）。同年，美加两国组建了大气污染远距离传输咨询小组，并于1980年签定了《跨国大气污染备忘录》。研究表明，在加拿大所有酸性沉降中至少有50%来自美国。迫于加拿大的压力，当时的里根政府拿出25亿美元发展清洁煤技术（CCT），加拿大也花费巨资削减其SO2排放量。美国国会于1990年通过了《清洁大气法修正案》，规定电厂到2010年应在1980年的基础上，将SO2的排放量减少1000万t，达到890万t。

　　在亚洲，关注酸雨较多的国家是日本、韩国和中国。日本先后开展了2次全国性五年酸雨调查，结果表明，降水pH值为4.5～5.2，分布情况为东北高、西南低。韩国于1983年开始在全国范围内监测酸雨，结果表明，未出现严重酸雨，但在冬季采暖期降水pH值低于5.0。我国于20世纪70年代末在北京、上海、南京、重庆和贵阳等城市开展了酸雨调查，发现这些城市不同程度存在着酸雨污染，西南地区较严重。1985～1986年我国开展全国范围内的酸雨监测，结果表明，降水pH值小于5.0的地区主要集中在西南、华南及东南沿海一带。“七五”和“八五”期间，酸雨研究连续2次被列为国家科技攻关项目。“七五”酸雨课题主要针对西南、华南两大酸雨区展开了酸雨形成机理、传输扩散、控制方法以及生态影响等研究。“八五”酸雨研究表明，我国酸雨污染已十分严重，长江以南的华东、华南、西南等地出现了大片酸雨区，约占国土面积的40%，“八五”酸雨课题提出了我国酸沉降控制对策，并开发了一系列清洁燃煤技术和脱硫技术。

　　2欧美酸雨和酸沉降的研究进展

　　欧美各国从20世纪80年代开始采取行动削减SO2排放量，90年代中期人们开始关注SO2排放量削减对酸雨的影响。科学家们对大气降水中化学组份的变化产生了浓厚的兴趣。

　　20世纪90年代末，JAMESALYNCH等运用线性最小平方趋势分析法构造了一个能够识别和定量化降水化学变化趋势的模型。应用该模型对NADP1983～1994年的降水化学数据进行分析，得出了美国降水化学变化趋势，并估算了1995～1997年的降水化学数据。用1995～1997年降水化学实测值与以上估算值相比较，得出了以下结论：《清洁大气法修正案》第4款第1阶段的执行已经削减了SO2排放量，直接导致了美国东部尤其是俄亥俄河谷、大西洋沿岸中部以及新英格兰一带的降水中SO42-浓度的显著下降，降水中的H+浓度也相应地显著下降，相反，NO3-浓度却几乎不变。SO42-和H+浓度下降最显著的地区恰恰是《清洁大气法修正案》第4款规定削减排放量的主要大固定源的下风向地区。可见，《清洁大气法修正案》第4款的执行已经减少了美国东部的酸雨，尤其在东北部地区[1]。

　　欧洲、北美大气降水中SO42-浓度逐年下降，而NO3-浓度却几乎不变。NOx既是酸雨的主要前体物，同时又在大气光化学反应中发挥着重要作用，于是空气中的NOx越来越引起欧美科学家们的关注。

　　近年来，科学家们通过大量外场观测，测量不同区域氮的干湿沉降量，并通过模拟实验深入研究了大气中NOx、CH以及O3的化学反应机制，不断改进和完善区域酸沉降模型和空气质量模型的化学模块，并用这些模型模拟NOx对酸沉降形成所起的作用。NoreenPoor等人于1996年8月～1999年7月的3年间观测了Tampa湾河口的氮干湿沉降量，测量结果表明湿沉降占总沉降量的NOx总沉降量集中在夏季6月、7月和8月，在总沉降量中氨和铵盐占58%，硝酸和硝酸盐占42%[2]。HSievering等人运用通量梯度法观测得出克罗拉多针叶林区硝酸的平均干沉降速率为7.6cm/s，较大的干沉降速率主要归因于该区域湍流强度高和针叶林叶子的空气动力学尺度小[3]。EdmundsHA等人开发了一个城市尺度的大气扩散模型（该模型包括了一个能够预测大气中NOx和O3浓度的综合性化学模块），根据NOx排放清单，预测了伦敦市空气中NOx和NO2的浓度，并将模型预测的结果与4个测点的实测浓度进行了对比[4]。与此同时，越来越多的人致力于各种NOx削减技术尤其是各种催化净化技术的研究。BhattacharyyaS等人用铜离子置换X型沸石中的阳离子，开发出一种X型沸石催化剂，并测试了它对汽车发动机排气中NOx的净化作用，实验结果表明，和贵金属相比X型沸石催化剂在比较宽的空燃比范围内具有显著的NOx还原能力，随着空燃比的增加，还原NOx的能力降低得较慢[5]。

　　在人们热衷于降水化学组分变化和NOX模拟和控制技术研究的同时，欧美其他一些科学家则继续在酸沉降模型和酸沉降临界负荷等传统酸雨研究领域里辛勤耕耘，并使酸雨的研究日趋国际化。进入20世纪90年代，国际应用系统分析研究所（IIASA）的研究者们吸收酸雨研究的最新成果，不断开发RAINS模型的新版本，1999年开发出了RAINS8.0。目前的RAINS模型不仅分析、模拟SO2，而且考虑了NOx、NH3以及O3。90年代末，挪威气象研究所的OlendrzynskiK等开发了一个三维EMEP欧拉网格模型，该模型主要用来以50km×50km的分辨率模拟欧洲大气中酸性污染物的传输和沉降，该模型取代了传统的EMEP拉格朗日轨迹模型，进行欧洲各国之间的污染物输送计算[6]。JonsonJE等人运用以上模型，输入专业气象预测模型输出的气象数据和各国提供的NOx、NH3以及SO2的排放数据，模拟了欧洲大气中氮的传输和沉降。计算中考虑了NOx、NH3和SO2在大气中复杂的氧化反应以及氮的干湿沉降，并将模拟结果与1992年的监测结果进行了比较[7]。90年代中期，瑞典斯德哥尔摩环境研究所（SEI）在瑞典国际发展合作处（SIDA）的资助下，召集来自日本、俄罗斯、澳大利亚以及中国、印度、巴西等国家的科学家们，开展了一个名为全球酸沉降生态敏感性评价的研究项目。该项目提出了一个完全基于全球土壤缓冲能力的酸沉降生态敏感性研究方法，它以FAO1995年出版的世界土壤地图为基础，将基本饱和度、阳离子交换能力等参数分配给各种不同的土壤类型，根据土壤厚度等参数，得出了全球酸沉降生态敏感性地图，并用区域性的酸沉降敏感性地图以及以往的全球性研究结果进行了校核[8]。

　　3亚洲的酸雨和酸沉降研究进展

　　进入20世纪90年代，欧美各国由于多年来签署的各项协议的实施，SO2排放量得以削减，酸雨和酸沉降的威胁趋于缓和，而亚洲各国由于经济的快速发展，污染物排放量急剧增加，酸雨污染越来越严重。于是，欧美各国纷纷把目光转向酸雨威胁最严重的亚洲，亚洲各国的科学家们也积极投入到酸雨研究当中，亚洲地区的酸雨研究空前地活跃起来。

　　3.1致酸物排放清单的研究

　　致酸物排放清单是研究酸雨的重要前提。

　　20世纪90年代初，日本的Akimoto等估计了亚洲1987年SO2、NOx和CO2的1°×1°网格排放量，中国1987年SO2、NOX和CO2排放量分别为9995Gg/a、2243Gg/a、649Tg/a[9]。1997年美国依阿华大学的RLArndt和GRCarmichael等人公布了1987～1988年亚洲SO2的人为排放和火山排放（1°×1°），其中人为源的排放量31.6Tg、火山排放量3.8Tg。在东南亚和印度次大陆，来自薪材燃烧、电力和工业部门的排放量分别占16.7%，21.7%和12.2%，在印度、孟加拉国，薪材燃烧的排放量占很大比例。而马来西亚和新加坡的大部分排放来自电厂[10]。

　　作为亚洲地区的排放大户，中国的致酸物排放量成为人们关注的焦点。20世纪90年代中期，中国科学院生态环境研究中心的白乃彬教授应用国内特定的排放因子和国家、部门及各省市统计年鉴公布的排放源数据，依1°×1°网格精度估计了1992年中国大陆CO2、SO2和NOx的排放数据[11]。薛志钢、杨志明等调查了中国城市、电厂SO2排放量，对中国分省SO2排放量的统计数据进行了校核；运用中国分省、分行业能源消耗量统计数据，合理选择国外的相关排放因子，计算出了1995年中国地级行政单位和分省的NOx排放量，绘制了中国SO21°×1°网格、NOx分省分地区的排放量及排放强度示意图，统计和计算结果得出，1995年中国SO2和NOx的排放量分别为2370万t和1066万t[12]。

　　3.2酸性物质的长距离传输和扩散

　　20世纪90年代中后期，美国依阿华大学的ArndtRL和CarmichaelGR运用一个三层拉格朗日酸沉降模型计算了亚洲西起巴基斯坦，东至日本，北起蒙古南至印度尼西亚广阔地区的1°×1°网格精度的硫沉降量，结果显示在中国中南部局部地区硫沉降量超过了10g/m2[13]。之后，ArndtRL和CarmichaelGR等又在模式计算的基础上估算了亚洲和印度次大陆各国硫沉降的季节性源和受点关系，根据这些关系分析了长距离传输对各国沉降量的影响，分析表明，在这一地区广泛存在着硫的跨国输送：越南的硫沉降35%来自本国排放，19%和39%分别来自泰国和中国；尼泊尔60%以上的硫沉降来自印度，中国对日本的影响表现出很强的季节性，冬春季的贡献比夏秋季高出2.5倍，同时与湿清除率关系密切；中国和韩国对日本西南部的硫沉降起着重要作用，日本东北部的沉降量主要来自火山和本国的源排放[14]。国际应用系统分析研究所（IIASA）的科学家们于2000年开发出了RAINSASIA模型，该模型覆盖了亚洲东南部的24个国家，能够为这一地区的酸沉降控制提供决策依据。

　　20世纪90年代以来，亚洲各国科学家们在大气污染物长距离传输领域进行着不懈的努力。中国科学院大气物理研究所王自发、黄美元等人建立了三维欧拉污染物输送模式，进行了中国和东亚酸性物质输送研究，得出了中国各省之间的硫传输矩阵[15]。清华大学的周学龙博士、南京大学的王体健等[16]也先后于20世纪90年代中期进行了中国致酸物长距离传输模拟。日本中央电力研究所的IchikawaY建立了一个烟团轨迹模型，模拟了东亚地区的硫湿沉降量，结果表明日本本国人为排放源和亚洲大陆排放源在日本引起的硫沉降比例为1：2[17]。韩国的KimJ和ChoSY建立了一个嵌套网格的硫传输欧拉模型，利用该模型模拟了韩国1996年6月10日的酸雨，发现气相SO2和O3的浓度与现场监测非常吻合，该模型计算了雨水中硫酸盐和硝酸盐的浓度，并进一步识别了液相硫酸盐和硝酸盐的高浓度区[18]。

　　3.3酸沉降临界负荷的研究

　　20世纪90年代以来，欧洲科学家与亚洲科学家们一起进行了大量有关酸沉降临界负荷的研究。1995年，荷兰科学家HettelinghJP、瑞典科学家SverdrupH、中国科学院的赵殿武应用源于欧洲的稳态质量平衡法（SSMB），计算了包括中国、韩国、日本、菲律宾、印度尼西亚、印度次大陆在内的东南亚地区的临界负荷，绘制了临界负荷分布图，欧洲的临界负荷是针对森林土壤和地表水进行计算的。在亚洲，则区分了森林、草地、农田、沙漠等31种植被类型进行临界负荷计算。该研究给出了亚洲1°×1°网格的临界负荷分布图，结果表明亚洲临界负荷较低的区域主要发生在孟加拉国、印度尼西亚、中国南方，该研究得出的亚洲地区临界负荷地理分布为在该区域进行致酸物长距离传输的区域风险评价以及排放量的分配提供了依据[19]。

　　20世纪90年代末，中国的酸沉降临界负荷研究更加活跃起来。清华大学的段蕾博士利用一种基于矿物风化率和土壤状况，并对温度、土壤结构、土地利用情况的影响进行了修正的半定量方法，得出了中国土壤的酸沉降临界负荷图，中国土壤中对酸沉降最敏感的是中国东北的灰壤，其次是砖红壤、黑褐森林土、黑土，南方的铁铝土居中，对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]。中国农科院的陶福禄博士、中国科学院冯宗炜教授运用一种适用于亚热带生态系统的敏感性分类方法，研究了中国南方陆地生态系统的酸沉降敏感性，得出中国南方陆地生态系统的敏感性呈带状分布，总体说，生态系统的敏感性从西北向东南方向逐渐增加，其中最敏感的地区是浙江西北部和东南部，福建中部，广东东北部以及广西壮族自治区[21]。

　　3.4酸雨和酸沉降综合防治对策研究

　　亚洲酸雨的日趋严重，引起了人们的高度重视。日本率先采取了一种再分配的方法，向排放SO2的固定源收费，将收来的资金用于向空气污染的受害者支付赔偿金[1]。中国于20世纪90年代中期开始了防治酸雨的实际行动。1995年8月，人大常委会通过了新修订的《中华人民共和国大气污染防治法》，该法提出在全国范围划定酸雨控制区和二氧化硫污染控制区(简称两控区)。根据大气法的规定，清华大学和中国环科院组成了联合研究小组，在国家环保局的领导下进行了两控区的划分研究，1998年1月该方案由国务院批准实施。1998年2月国家环保局召开了全国酸雨会议，会后各地编写了《酸雨和二氧化硫污染综合防治规划》。2000年，中国环科院承担了《两控区酸雨和二氧化硫污染防治“十五”计划》的编制。该计划提出了“十五”期间两控区酸雨和二氧化硫污染防治目标，分配了2005年各省SO2排放总量指标，提出了限制燃煤含硫量、电厂脱硫以及治理其它重点SO2排放源等控制措施，筛选出了SO2污染治理重点项目清单，同时提出在两控区实行SO2排污收费、排污许可证以及排污交易等管理和经济政策。

　　4酸雨和酸沉降未来的研究趋势

　　酸雨已经成为一个全球化的环境污染问题。近年来欧美各国与亚洲国家的联合研究，促进了酸雨研究的国际化进程。可以预见，全球网络化的进程将进一步加强未来酸雨研究的全球合作趋势。随着各门基础学科的飞速发展，酸雨的形成机理、传输扩散、临界负荷以及治理技术的研究将更加深入，未来的酸雨模型将融合各门学科研究NOx在大气层中十分活跃，在酸雨、光化学烟雾、臭氧层空洞以及温室效应等环境问题中都扮演重要角色，因此，在今后的研究中，NOx在大气中的化学反应机理、传输扩散以及NOx的减排技术将继续成为研究的热点。此外，在生态系统对酸沉降的敏感性方面，人们将越来越关注生态系统的生物学特性对酸输入的响应，试图将生态系统的敏感性与生态系统响应酸沉降的生物学特性联系起来[22]。

　　5参考文献（略）