酸性大气污染物的排放量已经大大的减少了，为何酸雨危害仍然十分严重？大气粉尘可能是其中的一个原因。

在过去的几十年里，科学家不断地研究酸雨及其对环境所造成的影响。随着对酸性大气污染物危害作用的逐渐了解，北美和欧洲一些国家的政府开始控制这些化合物的排放，并建立了一系列的法律来控制二氧化硫和氮氧化物的排放。政府希望酸性化合物排放量的减少能使许多地区的森林、湖泊和河流重新恢复生机。从某些方面来说，这个问题好像已经解决了。

但是酸雨问题并没有随之消失。为什么在加强了污染控制后，酸雨仍不断地降落在欧洲和北美的部分地区？为什么一些自然生态系统（尤其是森林）出现了比科学家们原先预料的更为严重的酸雨危害？

最近的发现显示了酸雨是一个比原先设想的更为复杂的现象。很多研究结果指出：大气中碱性化合物具有重要的作用，它能通过中和酸性污染物来抵消酸雨的影响。我们发现对大气中酸性化合物的重视造成了对另一个事实的忽略，那就是碱性物质的排放量也减少了。很多因素造成了大气中碱性物质含量的削减，而酸雨的生态影响随着它们的减少而加剧。具有讽刺意义的是：这些因素中有一些正是政府为了提高空气质量而采取的措施。

酸和碱可以通过pH值来测量：pH小于7的溶液为酸性；pH大于7的溶液为碱性；pH等于7的为中性。一般家庭常备的酸性物质包括醋、橙汁和啤酒；氨水、发酵粉和抗酸药片都是碱性物质。大多数的碱性物质能在被称为大气粉尘的大气颗粒上找到。这些粉尘颗粒含有丰富的矿物质，例如：CaCO₃和MgCO₃，当它们溶于水时能产生碱性。

大气粉尘颗粒具有多种起源。矿物燃料的燃烧和工业活动，例如水泥生产、矿山开采和金属冶炼加工等，都能产生含碱的颗粒物质。建筑工地、农场和裸露路面上的交通也是来源之一。森林火灾和由大风吹过未覆盖植被的干旱土壤造成的土壤侵蚀虽被认为是大气粉尘的自然来源，但实际上它们仍与人类活动有一定的关系。

一种自然的抗酸剂

就像抗酸剂中和胃中过多的胃酸一样，在大气中，粉尘颗粒能以相同的方式中和酸雨。在某种意义上，当酸和碱结合时，它们相互抵消，形成一种更中性的物质。当粉尘颗粒溶解于酸性云-雨滴或直接与酸性气体，如二氧化硫和氮氧化物结合时，大气中的中和反应就发生丁。这些反应同时还产生了盐基离子，即当矿物质碱溶于水中而产生的钙、镁等带正电荷的离子。

除了降低降水的酸性而外，大气盐基离子一旦接触地面，还能中和酸雨，尽管化学反应机理与大气中有所不同。土壤中的粘土和腐殖质小颗粒带有负电荷，因此能吸附带正电荷的阳离子，从而在土壤中形成吸附在这些颗粒上盐基离子的天然储存库。当酸性雨水流入土壤时，盐基离子被酸雨中带正电荷的氢离子所取代，因为氢离子与土壤颗料能更紧密地结合在一起。而且土壤颗粒阻留了氢离子，所以流经土壤的水其酸性保持较低。在某些类型的土壤中，酸雨激发了也能取代盐基离子的毒性铝离子之溶解。

只要土壤含有充足的盐基离子，这个被称为阳离子交换的缓冲系统就能保护森林免受酸雨的危害。但是，如果自然缺碱的土壤长期受到酸雨的影响，这种自然的盐基离子储存库会被耗尽，正如欧洲和北美一些地区出现的情况一样。在这些地区，氢离子和铝离子已经取代了土壤中大部分可供利用的盐基离子，造成土壤铝含量上升和土壤高度酸性化。此外，这种酸化的土壤不再能保护下游的生态系统免遭酸雨污染。因为从这些森林中流出的水携带着大量的酸和铝汇入湖泊和河流。

粉尘颗粒还可以发挥另外一个重要的作用。在矿物质粉尘中能找到的元素，如钙、镁、钠、钾等。对大多数植物来说是非常重要的营养物质。酸雨不仅把这些元素从粘土和腐殖质颗粒（通过它们植物获得绝大多数自身生长所需的营养）上代换掉，而且把它们冲洗入河流，造成生态系统矿物质储存的耗竭。除了本世纪50年代瑞典Uppsala农业大学的汉斯 · 埃格纳（Hans Egner）和英国天然水体生物试验协会的埃维尔 · 戈勒姆（Eville Gorham）做过一些早期工作外，科学家没有重视到大气很可能是土壤中盐基离子的一个主要来源。科学家一向认为 :在一种被称为化学风化的自然过程中，土壤深层的矿物质和岩石缓慢溶解，不断补充着土壤中的盐基离子。

但是，最近的研究结果正在不断地修正关于碱是如何进入土壤，以及森林是如何依靠大气的矿物质和营养输入的一般观点。在一些森林中，大气实际上是盐基离子的主要来源。这些新的研究结果表明了许多森林对大气化学变化比科学家原来设想的更为敏感。

粉尘减少，危害增大

减少酸性大气污染物排放的努力一开始产生了鼓舞人心的结果，例如：在过去的30年里欧洲和美洲东北部的大部分地区空气中硫含量大大降低。然而，我们开始担心政府和科学家在评价大气硫化物含量的降低是否有益于环境时会忽略了大气碱性物质的作用。考虑到碱性化合物对森林生长和酸雨防治的重要性，我们决定开始调查大气粉尘的含量是否随新规定的粉尘排放量而变化。

限制粉尘排放量的法令之所以建立，是因为悬浮在空气中的微小颗粒如果被人体吸入，会引起一系列的健康问题；不仅如此，它们还降低了能见度，并造成了其它一些环境问题。北美和欧洲的政府花费了20年以上的时间对一些特殊物质制定了能被接受的空气质量标准；这些规定明显区别于那些针对酸污染的法令（其它来源的大气粉尘也呈明显的下降趋势）。

与欧洲的科学家一起合作，我们首先分析了在美洲东北部和西欧所能找到的时间最长的降水化学记录。通过测量溶解于雪和雨水中的盐基离子，我们能够跟踪大气中矿物质戚的含量，并能监测输入森林生态系统的盐基离子量。我们的发现是惊人的：大气碱性物质在过去的10到30年内急剧地减少。收集在哈巴德 · 布鲁克（Hubbard Brook）森林试验基地的北美现存时间最长的记录显示：从1965年开始，大气中盐基离子的含量降低了49%。

在大西洋的另一面，我们发现：高质量的欧洲记录显示了从1971年起，在瑞典南部Sjoangen的森林地区，大气盐基离子含量减少了74%。我们对其它一些记录的分析证实了大气碱性物质在北美和欧洲的广大区域急剧下降。

但是，大气碱性物质已经减少到足以抵消，甚至消除由酸排放量减少带来的环境效益了吗？我们的研究显示确实是这样。我们发现碱性物质的减少经常反映出大气硫含量的下降，碱性物质减少的速率足以抵消大部分硫化物的下降。例如，我们发现在瑞典，盐基离子的减少抵消了54~68%的大气硫化物的减少，而在美洲东北部的一些地区，这种抵消率达到100%。这种趋势意味着尽管酸性物质的排放M减少了，碱性物质的减少仍使大气对酸性物质很敏感。当开始这项工作的时候，我们确实没有预料到一种形式污染物（粉尘颗粒）的减少能够影响到另一种污染物（SO₂）减少所带来的效益。

粉尘颗粒的众多来源和对颗粒排放情况的不完全了解，使我们很难确定造成大气粉尘颗粒急剧减少的原因。我们知道，根据颗粒物排放的新规定而发展起来的清洁生产技术是一个重要的因素，例如 :燃烧效率的提高和烟?颗粒物洗涤工艺的采用削减了与矿物燃料燃烧有关的颗粒物污染。而评价其它更为分散的粉尘来源，如交通、农业生产方法和风蚀作用，则更为困难。但是，我们的研究显示：粉尘颗粒的减少相对于自然变化来说，更主要地反映了人类行为的变化。

一种主要的营养物质来源

科学家在多年以前就已观察到世界各地森林土壤中的钙、镁和钾含量的下降。例如，瑞典Uppsala农业大学的利夫 · 霍尔巴肯（Leif Hallbacken）和卡尔 · O · 塔姆（Carl O. Tamn）记录了挪威云杉林中可供利用的阳离子在过去60年内损失了56~74%。其它报告显示了在英国、德国和美国也出现了类似的现象。一些关于森林退化的最新研究显示：盐基离子急剧的损失可能是造成森林退化的一个关键因素。拜罗依特大学的恩斯特 · D · 舒尔策（Ernst-Detlef Schulze）和他的同事坚持认为土壤中镁的耗竭是造成德国Fichtelgebirge地区云杉林衰退的一个重要原因。由兰缪尔 · 麦克劳克林（Lamuel B. Mclaughlin）领导的橡树岭国家试验室的学者们发现红云杉树生长的减慢与土壤中可供利用的钙含量降低有关，尽管他们还没有充分的证据。有趣的是：在一些小范围的试验中，往森林土壤中施加含有盐基离子（尤其是钙和镁）的化肥却加剧了破坏程度，例如挪威云杉林、德国和法国的银枞树林等。

类似以上的报告使我们猜想是否一定类型的土壤受到酸雨危害不仅是因为其长期暴露于酸雨中，而且因为它们没有从大气中获得足够的盐基离子。科学家现在能通过监测锶元素的自然同位素（由锶原子核中的中子的数目来决定）来查明盐基离子的起源和跟踪它们在森林生态系统中的运动。因为这些同位素能作为钙的跟踪元素，而来源于岩床和大气的锶原子能以不同比例以同位素混合物的形式存在。这项技术的运用证实了大气粉尘实际上是很多森林生态系统的一个重要的矿物质离子来源。

此外，在一些天然缺少盐基离子的土壤中或易受酸雨破坏的土壤中，绝大多数的钙来自于大气，而不是岩床。例如，我们已经确定了在智利未受污染的森林中，占优势生长的树种，南方山毛榉几乎完全依靠来源于大气的钙生存，

这项观察显示了很多森林的矿物质碱在很大程度上依靠大气提供，因此大气盐基离子的减少延缓了森林土壤中重要碱性物质和营养物质的补充。当然，大气粉尘的自然含量水平总是变化的，但经常是历经几百年甚至是上万年。通过新罕布什尔（New Hampshire）大学的保罗 · A · 梅因瓦斯克（Paul A. Mayewski）和他的同事开展的关于格陵兰地区冰芯的研究显示：大气中粉尘和钙的含量在过去20，000年中受到气候变化的严重影响，在最冷和最干燥的地球气候条件下，大气中钙和粉尘的含量较高；相反，在温暖湿润的气候条件下含量较低。对现代发展趋势（公元后700年左右到现在）的分析显示了如今大气中粉尘数量与过去20，000年比较相对较低。其中一个最著名的例外则是黑风暴，即本世纪30年代中期在美国西部发生的长期干旱。

存在的问题

随着科学家对大气中粉尘重要性的认识，以及最近发现的大气粉尘排放量和土壤中营养物质的联系，他们已经开始重新描述森林对大气污染的反应。这个正在形成的观点表明了酸雨的影响比预想的更复杂，酸雨污染所造成的破坏也比预测的更为严重。例如 :被广泛引用的1990年国家酸性降水评价（美国政府对酸雨问题最近的评价）的结论 :酸雨与森林破坏之间没有明显的联系，已不再是不容置疑的了。

对酸雨和大气粉尘我们能做些什么呢？可行和不可行的建议都有。在我们最近的一篇论文出版后，一位读者来信建议采用热气球从天空中喷撒富含钙的颗粒来拯救森林，这显然一种既昂贵又不切实际的解决办法。有意地增加颗粒排放量不仅是不现实的，而且将会阻碍几十年空气污染控制所取得的进步。不过，也有读者提出一种合理的建议，即使酸性污染物排放量减少到能够被大气中自然碱性化合物缓冲的程度；这个目标意味着需要继续减少二氧化硫和氮氧化物的排放量，减少量甚至可能高于1990年美国清洁空气修正法案中的有关规定。

大气粉尘这种生态困境很有可能会伴随我们一段时间。即使酸雨污染程度继续下降，盐基离子需要数年才能累积在土壤中；而森林则需几十年或更久来恢复它们被耗尽的营养物质库。同时，学者和政府必须采取谨慎的策略，不仅要监测森林目前的健康状况，而且还要预测它们在下一世纪和更远将来的稳定性。简单的解决办法并不总是适用于复杂的生态系统。

[Scientific American，1996年12期］