上世纪 70 年代和 80 年代肆虐的酸雨又回来了,它导致树木和鱼类死亡,甚至溶解了华盛顿特区国家广场上雕像的部分。但与第一轮酸雨不同,当时是发电厂排放的硫与雨水混合形成硫酸,而目前的问题主要源于氮排放与雨水混合形成硝酸。
纽约州米尔布鲁克凯里生态系统研究所所长威廉·施莱辛格说:“两者都是强酸,都会对环境造成严重问题。”酸雨会腐蚀水泥和石灰石,还会浸出关键的土壤养分,从而损害植物。它还会从地下释放有毒矿物质,这些矿物质流入溪流,在那里会杀死鱼类。
发电厂的硫排放是美国1990 年《清洁空气法修正案》的主要动机之一,该修正案设定了二氧化硫 (SO2) 和氮氧化物 (NOx) 的减排目标。然而,尽管二氧化硫排放量从 1990 年到 2008 年减少了近 70%,但同期的氮氧化物之一——二氧化氮 (NO2) 的排放量仅下降了 35%,而且根据美国环境保护署 (EPA) 的说法,修正案的目标尚未制定。“随着科学家越来越意识到剩余的硝酸沉降的后果,这变得更加重要,”施莱辛格说。
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施莱辛格是众多呼吁关注这一问题的科学家之一。6 月 8 日,美国环保署科学顾问委员会的综合氮委员会举行了一次公开电话会议,讨论了一份关于氮问题(包括酸雨)可能解决方案的报告草案。最终报告正在制定中。
硝酸雨主要来自发电厂、汽车和卡车排放,以及化肥使用释放的气体。部分问题可以追溯到第一次世界大战,当时两位德国科学家发明了哈伯-博世法,该方法从空气中提取非活性氮 (N2) 并将其转化为可用的活性氨 (NH3)。通过这种方法收获的大部分氮已用于化肥,而农场的径流已经在切萨皮克湾以及哥伦比亚河和密西西比河的入海口形成了死亡区。人们做出了一些努力来规范农业氮径流,但农业氨的空气排放实际上仍然不受限制。
农业氨蒸气也来自美国南部的集中式动物饲养场。这种气体上升到空中,以干燥或降雨的形式沉积下来,在地面上,细菌会将其分解为氮和硝酸,这会杀死鱼类和植物。“农业越来越像一个集约化管理的工业运营,这正在造成严重的水、土壤和空气问题,”罗利北卡罗来纳州立大学的教授维尼·阿内贾说。阿内贾说,该州的集中式动物饲养场还可能将猪和鸡粪中的颗粒物排放到大气中,这些颗粒物会携带疾病。
氮氧化物作为燃煤的副产品从发电厂逸出,而车辆发动机在足够高的压力和温度下运行,会结合空气中的氮和氧。“尽管催化转化器减少了每辆车的污染量,但道路上的车辆更多,行驶里程也更长,”施莱辛格说。化肥的排放是大气中一氧化氮的主要来源,但现在机动车已经超过燃煤电厂,成为该问题的第二大主要来源。
后果是严重的:例如,一氧化氮 (NO) 从中西部上游的农场、发电厂和车辆中升起,并漂向新英格兰的森林,雨中的硝酸 (HNO3) 会从土壤中浸出重要的植物养分,如钾、钙和镁,施莱辛格说。新罕布什尔州白山国家森林的哈伯德布鲁克实验森林的研究人员发现了这种雨水的证据,并报告说它可能会降低某些树种(包括红云杉和糖枫)的耐寒性或抗逆性。同样,一氧化氮也被记录为从肯塔基州和田纳西州的类似来源上升,并漂向大雾山,那里已经观察到一些最严重的酸雨和森林衰退,施莱辛格说。雨中的酸还会释放土壤中的铝,如果这种金属进入溪流,可能会对昆虫和鱼类造成毒害。而且,雨水中过多的可用氮可能会促进某些植物的生长,同时减少其他植物。事实上,明尼苏达大学的研究人员在 2008 年报告说,大气中的氮沉降使该州草原的植物种类数量减少了 17%。
在美国,既没有全面的法律,也没有足够的监测设备来规范牲畜和农场的大气氮排放。欧洲人在 1999 年通过了《哥德堡减少酸化、富营养化和地面臭氧议定书》,该协议由 49 个国家签署,但美国却迟迟没有行动。施莱辛格认为,美国国内关于气候变化的争论使得美国忽视了氮问题,他预测这将是下一个重大的环境问题。“这是人类破坏全球生物地球化学循环并造成意想不到后果的又一个例子,”他说。自哥德堡协议以来,欧洲已将其氮排放量减少了三分之一,而美国的排放量仍然持平。根据 2009 年发表在《环境科学与技术》上的一篇论文,从 1970 年到 2005 年,美国氨的排放量(氮问题的一个大气组成部分)增加了 27%。
如果不进行干预,问题可能会恶化。随着世界人口预计将从 2050 年的 65 亿增长到 90 亿,农业必须养活更多的人,这可能需要更多的氮肥,从而导致更多的硝酸雨和大气污染。综合氮委员会的247 页的报告草案讨论了美国环境中活性氮的输入、流动和管理方案。它还讨论了监测大气排放的方法,目前这是氮控制环节中的薄弱环节。
很明显,人类正在向地球表面添加氮。研究人员尚不清楚它都去了哪里,“但我们知道,在意外的地方增加氮浓度会导致严重的环境破坏,我们将为此感到遗憾,”施莱辛格在 2009 年发表在《美国国家科学院院刊》上的一份报告中写道。
不过,阿内贾看到了希望。农业已经采用了现代技术和科学来最大限度地提高生产力,但它尚未受到与其他现代工业相同的环境法规的约束,他说。“综合氮委员会的报告是为了制定更严格的措施,”他补充说,“我们并没有忽视大气排放的影响。”