第八章 大气污染及生物防治5

污染生态学 大气污染及生物防治 第一节大气污染概述 清洁的空气中含有78 的氮 21 的氧 0 93 的氢 少里的二氧化碳和水蒸气 微里的稀有气体 当大气中某些气体异常地增多或者增加了新的成分时 大气就污浊了 当大气成分的变化增大到危及生物的正常生存时 就造成了大气污染 大气污染的来源有自然和人为两种 由火山爆发 地震 森林火灾等自然因素产生的大气污染叫做自然污染源 人类的生产 生活活动导致的大气污染叫做人为污染源 大气污染主要来源于人类的活动 特别是工业和交通运输 因而在工业区和城市中空气污染特别严重 煤粉尘 一氧化碳 二氧化氮 碳化氢 硫化氮和氨等 污染物严重影响人体健康及人类活动 对动植物生长 建筑物 器物 珍贵文物及精密仪器也有很大的危害 我国空气污染以煤烟型为主 主要污染物是二氧化硫和烟尘 城市 工矿区的污染较严重 城市仍以煤烟型污染为主 部分大中城市出现煤烟一机动车尾气混合型污染 从总体上说 我国北方城市的大气污染大于南方城市 冬季大于夏季 城市 工矿区大于农村 第二节温室效应 一 温室气体大气层能透过太阳辐射的短波 0 5微米 而能反射和吸收从地而反射的长波光 4一100微米 阻挡地面的热量向宇宙扩散 这就是所谓的温室效应 温室气体主要有CO2 水蒸气 CH4 N2O O3及氟氯烃类 排出的CO2均6000000000t 对气候变暖的贡献率为54 据估测全球每年排每年排放量550000000t 贡献率15 N2O每年排放量30000000t 贡献率为7 氟氛烃类每年排放量为500000t 贡献率为24 二 增温及后果内罗毕宣言指出 全球变暖将引起降水量与风型的变化 暴风雨频率与强度增大 生态系统受到的压力与物种消失将增加 淡水供应减少 海平面上升 因此已引起人们极大的关注 一 增温根据世界气象组织提供的资料 10个最热的年度全都在1983年以后 其中有7个发生在20世纪90年代 而1990 1994 1996 1997 1998年是1860年以来的最热年份 1998年又是其中最热的一年 世界气象组织 1998 二 海平面上升由于气温升高 冰雪融化 海水膨胀 致使海平面上升 海平面上升 给约占全球人口50 的沿海地区居民带来严重后果 港口设施被淹没 城市排水系统失去作用 加快海岸线和滩涂的侵蚀 肥沃耕地将消失 三 降水量的变化全球降水量变化在不同地区差别较大 中高纬度地区降水量将增加 约增加10 热带 亚热带地区降水量无多大变化 也有人认为将减少10 但由于环流特点 暴雨型降水增加 非降水期延长 干旱将扩大 四 对农业生产的影响如果全球平均温度增加1 5 高纬度地区增加9 则某些作物将向北推移 耕地面积将扩大 如果低纬度地区气温上升1 降水量减少10 则土壤湿度将减少50 美国 南美洲 澳大利亚西部 南部非洲 南亚山区 印度次大陆和东南亚某些地区作物产量将大幅度降低 五 对气候带和植被分布的影响全球温度升高 植被带将有很大变动 亚寒带森林可能由目前的23 减少到1 以下 泰加林几乎消失 当CO2浓度增加一倍时 森林生物量将由现在的58 4 降到47 4 草地生物量将由现在的17 7 增加到28 9 气温升高 热带面积将扩大 全球升温 植物物种将会向北 北半球 推移 六 对土地利用的影响河口水位上升 河口排洪功能降低 沿海海拔零米的面积将增加 灾害潜在性将增大 因此 要相应增加排水设施 海平面上升 将引起地下水位上升 低洼地积水或土壤盐渍化 海平面上升 沙滨的面积将减少 海平面上升 需增加防堤坝的高度 三 对策 一 温度 湿度的变化 必然迫使我们要相应调整农业结构和土地利用方式 目前的温室效应使气温上升得快 幅度大 这将使很多优良品种很难适应 因此 必须尽旱做好准备 培育出适应新的气候特点的替代品种 二 保护森林 造林绿化是减少温室效应的重要措施 三 减少CO2的排放量足减缓增温的重要保证 今后要提高能源利用效率和采用清洁能源 太阳能 原子能 风能 使CO2排放量逐步降低 第三节酸雨 酸雨被认为是 空中死神 已成为重要的国际环境问题 它能使水体和土壤酸化 破坏森林 伤害庄稼 损害古迹 影响生物生存和人体健康 我国酸雨问题日趋严重 据全国监测数据表明 我国酸雨出现面积之广 酸度之高 已超过了欧美 日本 一 酸雨的特点所谓酸雨是指pH小于5 6的降水 美国采用pH小于5 广义的酸雨 酸沉降 包括干沉降和湿沉降 干沉降包括各种酸性气体 酸性气溶胶和酸性颗粒物 其主要成分为SO2 NO2 SO4 HF HCI HCOOH CH3COOH NO3 及F等 湿沉降即通常所说的酸雨 包括酸性雨 酸性雾 酸性露 酸性雪和酸性霜等 主要成分有阳离子 H 离子 Ca离子 NH4离子 Na离子 K及Mg 阴离子 SO4 NO2 Cl及HCO2 我国降水成分表 酸雨不仅决定于酸量 更主要是决定于对酸起中和作用的碱量 二 我国酸雨主要特点 一 频率高 酸度大 根据对77个城市的监测 1994年 pH低于5 6的占48 1 其中81 6 的城市出现过酸雨 1997年统计 pH低于5 6的有44个城市 占统计数字的47 8 其中75 的南方城市 长江以南 年降水PH低于5 6 二 分布有明显的区域性 主要集中在长江以南 青藏高原以东的华中 西南和华东地区 并且面积正在不断扩大 据1994年提交的 中国酸雨问题专家报告 资料 我国酸雨面积大幅度向西 北推移 已越长江 跨黄河 三 酸雨形成的机制 一 污染物及来源 污染物主要有SO2 SO3 H2S CH3 2S2 H2SO4 CH3COH NO N2O NO2 HNO3 NH3及HCl 二 形成机制 酸雨形成包括两大过程 即排人大气中的酸性物质 SOx NOx 被氧化后与雨滴作用 或在雨滴形成过程中同时被吸收与氧化 雨滴降落 冲刷 过程中把酸性物质一起冲刷下来 二氧化硫变为硫酸的最关键的一步是被氧化成三氧化硫 然后再与水作用成为硫酸 其形成机制可能有三种 被光化学氧化剂氧化 在金属触媒作用下 产生氧化作用 被空气中的固体粒子吸附和催化 形成硫酸烟雾 四 酸雨形成过程 一 成雨过程SOx NOx 在云层雨滴形成过程中被吸收和转化 包括 1水蒸气冷凝在含硫酸盐 硝酸盐或抓离子的凝结核上 2形成云雾时旧 SO2 NOx和CO2等气体被水滴吸收 3气溶胶粒子和水滴在形成云雾的过程中互相碰撞而结合 二 冲刷过程酸性污染物被雨水从大气中冲刷 消除 包括 1云单体形成期间凝结核的消耗 2布朗运动使气溶胶粒子附着到云单体上 3云体对微量气体的吸收与吸附 4下降雨滴对气溶胶粒子和S02的捕获 五 影晌酸雨形成的因素 一 酸雨形成与政性氧化物的浓度及转化条件有关大气中SO2浓度越高 降水中硫酸根浓度就越高 降水酸度就越强 二 胶雨形成与天气形势和降水有关 三 酸雨形成与土壤地带性差异有关南方土壤多属酸性的红壤和黄壤 北方土壤多属碱性土 这些碱性土壤粒子被风吹扬到空中 对雨水中的酸起中和作用 六 酸雨对生态系统的影响 一 对水生生态系统的影响酸雨对水生生态系统的影响主要是由于水体酸化 促使土壤中重金属溶入水体 在酸化的水体中 阴离子的SO4取代了HCO3 阳离子中Ca随着H 浓度增加而降低 Al Ni Cu Zn Pb和Cd等则相应增加 水体酸化对水生生物种类的影响极为明显 如加拿大安大略湖 由于pH的降低 绿藻门从26种减至5种 金藻门从22种减少到5种 蓝藻门从22种减至10种 同时 甲壳类和腹足类浮游动物的种类也明显减少 二 酸雨时陆生生态系统的影响1 对土壤影响土壤酸化影响微生物群落结构和种群数t 并严重影响微生物的活动和营养元素在土壤一植物系统中的循环 土壤酸化能抑制硝化和氨化作用 随土壤酸度增加 硝化和氨化过程减慢 土壤中NO3一N形成量减少 NH4一N积累增加 根瘤菌 放线菌等都适于在中性环境中活动 在酸雨影响下 七述固氮菌活性降低 甚至停止 酸雨对土壤影响的程度决定于土壤类型和理化特征 主要如土壤有机质和薪土矿物提供的总缓冲能力或阳离子交换量的数量 土壤盐基饱和度 土壤剖面中有无碳酸盐以及土壤耕作制度 施肥 施石灰情况等 2对植物的影响 l 对植物生理生态的影响 对叶绿素的影响 植物体内含氮量增加 促进叶绿素合成加速 当叶绿素合成量超过了H十对叶绿素破坏量时 植物体的叶绿素含量就增加 但是 当受试植物在较强的酸性降雨的影响下 叶面积受到损害和叶绿素含量明显减少时 酸雨也能使叶绿素含量减少 对树木净光合速率和呼吸作用的影响 Ferenbaugh 1976 研究了模拟酸雨对菜豆净光合速率与呼吸作用的影响 随着酸雨中酸度增加 光合和呼吸速率都相应增加 2 对植物生育期影响酸雨对水稻的影响非常明显 华摘等 1987 在喷洒酸雨后能推迟水稻的成熟期 如表8一9 并对水稻的性状有明显的影响 如表8一10 酸雨对蔬菜的影响 Lee等用模拟酸雨pH3 O pH3 5 pH4 0和pH5 64个处理表明 萝卜 甜菜 胡萝卜 花椰菜和芥菜等产量明显减少 番茄 辣椒 草每等产量增加 而马铃薯等无明显变化 酸雨对禾谷类作物的影响以稻谷最明显 其他依次为大麦 小麦 酸雨对森林的影响可包括以下几个方面 叶器官直接受到伤害和营养元素的消失 森林受细菌 真菌病原体的感染增加 加速叶面蜡质层的腐蚀 抑制根瘤固氮菌的活性 抑制松树末端花蕾的形成 增加松树的死亡率 阻碍正常繁殖和降低产量等 七 酸雨的防治在酸雨防治中可以采取以下措施 一 减少S02等酸性物质的排放1选洗高硫煤2 改变民用煤的燃料结构我国现在民用煤只占总用煤量的1 5 但排出的SO2却占总排放量的1 2 这与煤的燃料结构有很大关系 可改变民用煤的燃料结构 如用型煤代替块煤 3 用其他燃料代替煤例如 发展城市煤气 在有条件的地方以电代煤等 二 筛选对酸雨教感的指示植物和杭酸雨植物根据模拟酸雨试验和实地调查 下列植物可以作为酸雨的指示植物如表8一12 根据模拟酸雨污染和污染区实地调查结果 单运峰等 1993 应用相对比较排序法综合评价了150种树木对酸雨和大气污染的相对敏感性 见表8一13 并在此基础上筛选出适于西南酸雨区可供城镇绿化和用材林 经济林建设的抗性植物 见表8一14 第四节臭氧层减薄问题 臭氧层在保护地球方面具有特别的功能 太阳光中对生物无害的可见光和A段紫外线 臭氧几乎全部放行 对生物害处极大的C段紫外线 臭氧把它们全部吸收 对生物害大利小的B段紫外线 臭氧将它们大部分吸收 小部分放行 1984年英国南极考察队的科学家首先在南极观察到南极上空有一个巨大的 面积与美国大陆差不多大的臭氧层 空洞 1996年 南极上空的臭氧层空洞达到历史上最大规模 面积超过了2200平方公里 近年来 世界各地都有报告臭氧空洞现象 就在发现臭氧耗损和出现臭氧空洞的同时 世界各地纷纷报道皮肤癌和白内障的发病率明显增加 这决非偶然巧合 美国近10年来皮肤癌患者平均每年递增7 英国的皮肤癌患者至少已增加15 澳大利亚昆十兰州皮肤癌死亡率是世界之最 且有逐年增长之势 破坏臭氧层的物质很多 如氟利昂类 CH4 N2O及CCl4 等等 这些成分正在不断增加 见表8 15 臭氧减少将使紫外线增强 如果臭氧减少10 则紫外线将增加20 UNEP 1990 特别是UV一B增加较多 紫外线增强对生命有明显的影响 紫外线能促进皮肤形成维生素D 对骨骼生长有促进作用 但UV一B的紫外线可引起皮肤癌 破坏免疫系统和引起眼病 Uv一B还可使免疫系统功能降低 UV一B对海洋浮游生物的研究表明 UV一B增强能杀死水中某些微生物 幼鱼 小虾和蟹 导致水生生态系统成分和结构的改变 削弱水体自净能力 UV B对植物生长也有不同程度的危害 还能破坏遗传物质 第五节大气污染与生物防治 洁净的空气是生命的要素 减少污染 净化空气 还我蓝天红日 已成为世界各国人民的共同心愿 生物防治是治理大气污染的一种有效持久的方法 很多植物能够吸收空气中的有毒有害物质 并将这些物质在体内进行分解 转化为无毒物质 如果空气中的有毒物质 如Sq达到十万分之一时 人就不能长时间工作 当它的浓度达到万分之四时 人就会中毒死亡 而很多植物在这种环境中仍能正常生长 绿色植物 一 植物修复作用 生态学家曾采集了多种抗污能力较强的植物进行分析 发现木模叶片中的含氯量及私附在叶片h的氯量很多 并且它对SO2也有很强的抗性 SO2对木槿的叶肉细胞危害极小 木槿有 天然解毒机 之称 又如榆树对空气中的尘埃有过滤作用 据测定 它的叶片滞尘量为1227g 平方米 有 粉尘过滤器 之称 同时 榆树对大气中的SO2等有毒气体也有一定的抗性 泡桐是我国著名的速生用材树种之一 它的树干挺直 树冠庞大 叶大多毛 分泌勃液 能吸附粉尘 净化空气 并且对SO2 Cl2 HCl HF及硝酸雾等有毒气体有较强的抗性 被称为 天然吸尘器 枝繁叶茂 四季常青的黄杨 是常见的庭园观赏树木 由于它的叶片有革质 表皮细胞有较厚的角质层 所以对SO2 Cl2 H2S HF等有毒气体有很强的抗性 还有吸除毒气 净化空气的本领 它的吸氯量和抗性都很强 夹竹桃也是一种抗污能力很强的树种 夹竹桃的叶面有蜡质 既有很强的耐旱能力 又能在毒气和尘埃弥漫的恶劣环境中照常生长 据试验 在SO2强污染环境中 一般植物均会花落叶枯 而夹竹桃仍枝繁叶茂 生长如常 它对粉尘 烟尘也有较强的吸附力 叶面积能吸附灰尘5g 平方米 因而被誉为 绿色吸尘器 不同的树种对不同的污染气体的抵抗能力和吸收量差别较大 表8一17是北京市园林局 1974年 对一 些植物叶片含硫量调查的结果 从表中可看出 树种不同 含硫量差别很大 植物吸收氟化氢的能力也很强 江苏省对几种植物调查的结果如图所示 氟化氢指标生物 HF 唐菖蒲 郁金香 金荞麦 小苍兰 杏 葡萄等 唐菖蒲 植物还能吸收其他气体 很多植物都能直接从空气中吸收NH3以满足所需总氮量的10 20 如大豆幼苗一昼夜能吸收NH370微克 大多数植物都能吸收O3 其中银杏 柳杉 日本扁柏 樟树 海桐 青冈栋 夹竹桃及刺槐等吸收O3量较大 森林净化大气污染物质的能力很强 1公顷模式森林净化效率 以t a计 O3为96000 SO2为748 CO为2 2 nox为0 38 PAN为0 17 森林群落结构越复杂 疏密度适中 0 5 0 7 净化效率越大 如表8一19 另据报道 营造1公顷的柳杉林 每年可吸收SO2720kg 草地也有很强的净化能力 258 9平方公里的紫花苜蓿 每年可使大气中的SO2减少600t以上 为了配置好有高效净化能力的群落 必须同时注意植物净化 大气 能力与抗性能力相结合 乔 灌 草相结合 因地制宜 合理配置 关于城市绿化的规划和设计的原则 1 常绿树与落叶树配合 使各个季节都能起到净化作用 2 速生树与慢生树结合 前者易取得绿化效果 但寿命短 因此要考虑若干年后用慢生树种接替速生树种 3 骨干树种与其他树种相结合 目的是使城市绿化树种丰富多彩 各有特色 4 乔 灌 草 藤相结合 立体绿化 可以增加单位土地面积上的叶面积指数 提高净化效率 在有条件的地区 要建设屋顶花园 5 尽量采用树型美观 没有病虫害和特殊气味的乡土植物 绿色植物对气态污染物的修复主要是靠叶片表面进行的 据试验 高大森林 草坪的叶面积可达75 104m2 hm2 22 28 104m2 hm2 但大气中的有害气体超过了绿色植物能承受的浓度 植物本身也会受害 只有那些对有害气体抗性强 吸收量大的绿色植物才能在大气污染较严重的地区发挥修复作用 对SO2的吸收SO2浓度达到0 57 0 86mg m3 并持续一定时间 有些敏感植物可能受到危害 达2 86mg m3时有些树木出现受害症状达到5 72 28 60mg m3时 一般树木均发生急性受害 抗性较强的