上世紀 70 年代和 80 年代肆虐的酸雨又回來了,它導致樹木和魚類死亡,甚至溶解了華盛頓特區國家廣場上雕像的部分。但與第一輪酸雨不同,當時是發電廠排放的硫與雨水混合形成硫酸,而目前的問題主要源於氮排放與雨水混合形成硝酸。
紐約州米爾布魯克凱里生態系統研究所所長威廉·施萊辛格說:“兩者都是強酸,都會對環境造成嚴重問題。”酸雨會腐蝕水泥和石灰石,還會浸出關鍵的土壤養分,從而損害植物。它還會從地下釋放有毒礦物質,這些礦物質流入溪流,在那裡會殺死魚類。
發電廠的硫排放是美國1990 年《清潔空氣法修正案》的主要動機之一,該修正案設定了二氧化硫 (SO2) 和氮氧化物 (NOx) 的減排目標。然而,儘管二氧化硫排放量從 1990 年到 2008 年減少了近 70%,但同期的氮氧化物之一——二氧化氮 (NO2) 的排放量僅下降了 35%,而且根據美國環境保護署 (EPA) 的說法,修正案的目標尚未制定。“隨著科學家越來越意識到剩餘的硝酸沉降的後果,這變得更加重要,”施萊辛格說。
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施萊辛格是眾多呼籲關注這一問題的科學家之一。6 月 8 日,美國環保署科學顧問委員會的綜合氮委員會舉行了一次公開電話會議,討論了一份關於氮問題(包括酸雨)可能解決方案的報告草案。最終報告正在制定中。
硝酸雨主要來自發電廠、汽車和卡車排放,以及化肥使用釋放的氣體。部分問題可以追溯到第一次世界大戰,當時兩位德國科學家發明了哈伯-博世法,該方法從空氣中提取非活性氮 (N2) 並將其轉化為可用的活性氨 (NH3)。透過這種方法收穫的大部分氮已用於化肥,而農場的徑流已經在切薩皮克灣以及哥倫比亞河和密西西比河的入海口形成了死亡區。人們做出了一些努力來規範農業氮徑流,但農業氨的空氣排放實際上仍然不受限制。
農業氨蒸氣也來自美國南部的集中式動物飼養場。這種氣體上升到空中,以乾燥或降雨的形式沉積下來,在地面上,細菌會將其分解為氮和硝酸,這會殺死魚類和植物。“農業越來越像一個集約化管理的工業運營,這正在造成嚴重的水、土壤和空氣問題,”羅利北卡羅來納州立大學的教授維尼·阿內賈說。阿內賈說,該州的集中式動物飼養場還可能將豬和雞糞中的顆粒物排放到大氣中,這些顆粒物會攜帶疾病。
氮氧化物作為燃煤的副產品從發電廠逸出,而車輛發動機在足夠高的壓力和溫度下執行,會結合空氣中的氮和氧。“儘管催化轉化器減少了每輛車的汙染量,但道路上的車輛更多,行駛里程也更長,”施萊辛格說。化肥的排放是大氣中一氧化氮的主要來源,但現在機動車已經超過燃煤電廠,成為該問題的第二大主要來源。
後果是嚴重的:例如,一氧化氮 (NO) 從中西部上游的農場、發電廠和車輛中升起,並漂向新英格蘭的森林,雨中的硝酸 (HNO3) 會從土壤中浸出重要的植物養分,如鉀、鈣和鎂,施萊辛格說。新罕布什爾州白山國家森林的哈伯德布魯克實驗森林的研究人員發現了這種雨水的證據,並報告說它可能會降低某些樹種(包括紅雲杉和糖楓)的耐寒性或抗逆性。同樣,一氧化氮也被記錄為從肯塔基州和田納西州的類似來源上升,並漂向大霧山,那裡已經觀察到一些最嚴重的酸雨和森林衰退,施萊辛格說。雨中的酸還會釋放土壤中的鋁,如果這種金屬進入溪流,可能會對昆蟲和魚類造成毒害。而且,雨水中過多的可用氮可能會促進某些植物的生長,同時減少其他植物。事實上,明尼蘇達大學的研究人員在 2008 年報告說,大氣中的氮沉降使該州草原的植物種類數量減少了 17%。
在美國,既沒有全面的法律,也沒有足夠的監測裝置來規範牲畜和農場的大氣氮排放。歐洲人在 1999 年通過了《哥德堡減少酸化、富營養化和地面臭氧議定書》,該協議由 49 個國家簽署,但美國卻遲遲沒有行動。施萊辛格認為,美國國內關於氣候變化的爭論使得美國忽視了氮問題,他預測這將是下一個重大的環境問題。“這是人類破壞全球生物地球化學迴圈並造成意想不到後果的又一個例子,”他說。自哥德堡協議以來,歐洲已將其氮排放量減少了三分之一,而美國的排放量仍然持平。根據 2009 年發表在《環境科學與技術》上的一篇論文,從 1970 年到 2005 年,美國氨的排放量(氮問題的一個大氣組成部分)增加了 27%。
如果不進行干預,問題可能會惡化。隨著世界人口預計將從 2050 年的 65 億增長到 90 億,農業必須養活更多的人,這可能需要更多的氮肥,從而導致更多的硝酸雨和大氣汙染。綜合氮委員會的247 頁的報告草案討論了美國環境中活性氮的輸入、流動和管理方案。它還討論了監測大氣排放的方法,目前這是氮控制環節中的薄弱環節。
很明顯,人類正在向地球表面新增氮。研究人員尚不清楚它都去了哪裡,“但我們知道,在意外的地方增加氮濃度會導致嚴重的環境破壞,我們將為此感到遺憾,”施萊辛格在 2009 年發表在《美國國家科學院院刊》上的一份報告中寫道。
不過,阿內賈看到了希望。農業已經採用了現代技術和科學來最大限度地提高生產力,但它尚未受到與其他現代工業相同的環境法規的約束,他說。“綜合氮委員會的報告是為了制定更嚴格的措施,”他補充說,“我們並沒有忽視大氣排放的影響。”