中國七大區(qū)降水化學特性的空間差異及成因

謝娜，薛麗洋

摘要：選取中國七大區(qū)的３３個省及城市20世紀９０年代降水監(jiān)測資料，通過對比分析，對中國七大區(qū)的降水化學特性、空間差異及成因進行了初步研究。結果表明，七大區(qū)降水中離子組成基本一致，但是主要離子含量差別較大；降水酸性也表現(xiàn)出明顯的差異，總體表現(xiàn)為北方偏堿性，南方偏酸性，并且自東北向華南呈增強趨勢；20世紀９０年代中國大氣硫污染突出，東北、西北地區(qū)ＳＯ４２－及Ｃａ２＋含量是其他地區(qū)的2倍以上，并且北方降水中ＮＨ４＋濃度較高，因而針對不同地區(qū)的降水化學特性，應采取不同的污染防治措施。

關鍵詞：七大區(qū)；降水化學特性；酸性；空間差異

中圖分類號：Ｘ５１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）14－2971-05

The Spatial Differences of Chemical Characteristics of Precipitation in Seven

Regions of China

ＸＩＥ Ｎａ，ＸＵＥ Ｌｉ－ｙａｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｏｆ ３３ ｐｒｏｖｉｎｃｅｓ ａｎｄ ｃｉｔｉｅｓ in China ｉｎ １９９０ｓ， ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅｖｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｉｏｎｓ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｓｅｖｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ ｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｏｎｓ ｗａｓ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ． Ｔｈｅ ａｃｉｄｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｙ ｉｎ ｔｈｅｓｅ ｓｅｖｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ． Ｉｎ ｄｅｔａｉｌ， ｔｈｅ ａｃｉｄｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｎｏｒｔｈｅａｓｔ ｔｏ ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ． Ｓｕｌｐｈｕｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｅｒｒｉｂｌｅ ｉｎ １９９０ｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ with the concentrations of ＳＯ４２－ and Ca2+ in northeast and northwest China 2 times higher than in other areas ａｎｄ ｔｈｅ ＮＨ４＋ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈ． Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ， ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｍｅｄｙｉｎｇ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｇｉｏｎｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｅｖｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ； ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ； ａｃｉｄｉｔｙ； ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ

關于區(qū)域降水化學特征方面的研究，在國內(nèi)已取得了很多進展［１－４］。近年來眾多學者對國內(nèi)不同省（市）進行了區(qū)域降水化學特性方面的研究，其結果普遍表明各地區(qū)降水因受自然地理條件和人為因素的影響差異而表現(xiàn)出不同的特性，這些研究成果為降水化學特性影響因素的研究打下了理論基礎，也為進一步研究降水的空間差異及其所采取的防治降水污染措施等提供了重要依據(jù)。但他們多集中于研究單一?。ㄊ校┑木值亟邓瘜W特性，而綜合對比研究某范圍內(nèi)不同地區(qū)（省、市）空間差異及成因方面的內(nèi)容較少，如孫玉鵬等［５］僅研究了我國沿海和西北地區(qū)降水化學特性的差異，黃美元等［６］對中國和日本降水化學特性的差異作了對比分析。

我國幅員遼闊，由南向北、自東向西的自然地理條件差異較大，橫跨多個氣候區(qū)與土壤區(qū)；東、南、西、北不同地區(qū)的資源（能源）消耗（消費）結構和人群生活習性不同，對區(qū)域降水化學特征的影響差異較為明顯。為此，通過對比分析我國境內(nèi)東北、華北、西北、華中、華南、西南、華東等七大區(qū)的降水化學特征差異及其影響因素，旨在為全國范圍內(nèi)降水污染及其防治措施研究提供基礎資料。

１數(shù)據(jù)收集整理

根據(jù)20世紀９０年代我國七大區(qū)（包括東北、華北、西北、華中、華南、西南、華東地區(qū)）所含部分省及城市的降水監(jiān)測數(shù)據(jù)，對降水中８種主要離子ＳＯ４２－、Ｃａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、Ｎａ＋、ＮＨ４＋、ＮＯ３－、Ｃｌ－的濃度總結結果見表１。

２我國降水化學特性空間差異及影響因素分析

２．１降水化學特征的空間差異性

各地區(qū)８種主要離子的平均濃度、ＳＯ４２－／ＮＯ３－以及（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）／（ＮＯ３－＋ＳO４２－）、ｐＨ等指標的綜合分析結果見表２。ｐＨ是衡量降水化學特性最重要的指標之一，ｐＨ愈低，降水酸度愈高，對環(huán)境造成的影響愈嚴重［２7］。由表２可知，東北、華北、西北3個地區(qū)的ｐＨ＞５．６，屬于正常降水，對環(huán)境酸化不造成影響；華東、西南兩地的ｐＨ為５．０～5．６，屬于輕度酸性，對環(huán)境酸化影響不大；華中、華南兩地的ｐＨ為４．５～５．０，屬于酸性降水，對環(huán)境酸化有明顯影響；酸性最強的是華中地區(qū)，最弱的是東北地區(qū)。降水中ＳＯ４２－／ＮO３－比值可以反映降水的酸型、來源以及估計ＳＯ４２－、ＮO３－對降水酸度的相對貢獻［２7］，表２中７個地區(qū)ＳＯ４２－／ＮO３－的平均值幾乎都大于３，說明在此期間，我國大氣污染屬于典型的燃煤型污染，同時表２中數(shù)據(jù)也反映出西北和東北地區(qū)是ＳＯ４２－含量最高的兩個地區(qū)。西北、東北和華北3個地區(qū)的ＮＨ４＋濃度高于華南、華東及西南地區(qū)，而降水中較多的ＮＨ４＋是由排放到大氣中的ＮＨ３轉化而來的，北方地區(qū)20世紀９０年代大興土木，使用了大量的混凝土外加劑，其中的含氨氮成分在墻體中隨著溫度、濕度等環(huán)境因素的變化而還原成氨氣從墻體中緩慢釋放于外界環(huán)境中，是導致北方地區(qū)ＮＨ４＋含量較高的原因之一。

２．２降水化學特性的空間差異及成因分析

根據(jù)表１中七大區(qū)３３個省及城市降水的離子濃度，選取其中的４種主要離子Ｃａ２＋、ＮＯ３－、ＳＯ４２－、ＮＨ４＋的濃度（表2）計算出各大區(qū)的平均值，標示于中國行政區(qū)劃圖上（圖１）。

由圖１可見，研究區(qū)中陰離子平均表現(xiàn)為ＳＯ４２－濃度最高，并且東北和西北兩個地區(qū)的平均值明顯大于華北、華中、華東、華南及西南地區(qū)，說明１９９０年代我國大部分空氣污染主要表現(xiàn)為硫污染，并且北方地區(qū)硫污染較南方地區(qū)嚴重；東北、西北和華北是ＮO３－含量較高的地區(qū)，西南、華南和華東地區(qū)居中，華中地區(qū)最小，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是１９９０年代北方經(jīng)濟欠發(fā)達，如素有“老工業(yè)基地”之稱的東北及西北幾所城市的經(jīng)濟支柱均以重工業(yè)為主，因技術欠缺、廠房設備落后造成工廠在排污前對污染物未經(jīng)有效凈化和減排處理，且缺乏有效的后期治理措施。而長江以南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，能源結構的改善和汽車保有量的急劇增加，使得硫污染特征有所減弱，氮氧化物污染逐漸突出，表現(xiàn)出了氮污染。降水中的Ｃａ２＋和ＮＨ４＋是中和酸性離子的主要陽離子，西北、東北地區(qū)這兩種離子的濃度遠遠高于其他5個地區(qū)，而西南地區(qū)Ｃａ２＋濃度最低、華南地區(qū)ＮＨ４＋濃度最低（圖１），這主要是由于北方地區(qū)春季沙塵暴頻繁發(fā)生?？諝庵写罅康纳硥m、懸浮物帶來較多堿性物質，極大地中和了酸性離子，而南方空氣中此類堿性離子較少。

由表２中數(shù)據(jù)得出不同地區(qū)（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）／（ＳＯ４２－＋ＮＯ３－）以及各個地區(qū)所有離子總和的大小分別見圖２、圖３。（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）／（ＮＯ３－＋ＳＯ４２－）的比值反映了降水中影響酸度的主要陰、陽離子的比例，研究區(qū)其比值均大于１（圖２），說明降水中酸性離子少于堿性離子，但是由于華南、華中2個地區(qū)大氣中可能還存在其他的致酸離子，使得這些地區(qū)表現(xiàn)出明顯的酸性。華北和東北兩地區(qū)的比值分別為１．７７和１．４７，并且這兩個地區(qū)的降水也表現(xiàn)出偏堿性，這主要與北方空氣中自然塵含量較高有很大關系；對于西北地區(qū)而言，ｐＨ較大，但是（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）／（ＮＯ３－＋ＳＯ４２－）的比值較小，甚至比華南、西南地區(qū)還小，這與西北幾座典型工業(yè)城市的硫污染有關，例如地處黃河上游的蘭州市，由于其所處的地形地貌和氣候特點的影響，使得污染物難以擴散稀釋，加之受冬季逆溫天氣的影響［２8］，表現(xiàn)出較強的硫污染。圖３是研究區(qū)降水化學組分分布圖，其中東北、西北2個地區(qū)陰陽離子總含量明顯高于其他地區(qū)，尤其是ＳＯ４２－、Ｃａ２＋，表現(xiàn)出了北方地區(qū)顆粒污染較南方地區(qū)嚴重的狀況。

２．３降水酸性的空間差異及成因分析

通常在未受污染的大氣環(huán)境下，由于大氣背景ＣＯ２、ＮＯＸ、ＳＯ２的溶解平衡，天然降水的ｐＨ為５．０～５．６［２9］。研究區(qū)降水ｐＨ比較見圖４。圖４顯示，研究區(qū)降水的ｐＨ均在４.0以上，為東北＞西北＞華北＞西南＞華東＞華南＞華中。華中地區(qū)ｐＨ最小，為４．8，說明１９９０年以來華中地區(qū)酸雨污染超過西南地區(qū)，成為全國酸雨污染最嚴重的地區(qū)；不同地區(qū)降水酸度差距較大，東北、華北、西北3個地區(qū)的ｐＨ明顯大于華中、華南、東南及西南地區(qū)，總體表現(xiàn)出北方偏堿性，南方偏酸性的狀況。

造成以上各地區(qū)降水酸度存在明顯差異的原因主要是因為南北大氣中的顆粒物濃度及其性質有差異。北方大氣顆粒物濃度高于南方，這是因為大氣顆粒物主要來自飛揚塵土，其組成與土壤組成基本相同，顆粒物酸堿性主要取決于土壤性質，如我國南方地區(qū)，地表多紅壤、磚紅壤等亞熱帶、熱帶土壤類型，多呈酸性，因此南方地區(qū)大氣降水酸堿度本底值偏向酸性；相反北方干旱地區(qū)，多發(fā)育棕鈣土、荒漠土等土壤類型，呈弱堿性，所以北方地區(qū)的大氣降水酸堿度本底值則多偏向于弱堿性［30］，因此，對同樣的降水，北方大氣顆粒物對降水酸性的緩沖能力要比南方大得多。同時，氣候特點也是造成這些差異的原因之一，我國酸雨專家王文興指出，太陽光照度和水蒸氣濃度將促進二氧化硫的轉化［31］，南方大部分地區(qū)屬于熱帶季風氣候，雨熱同期，降水充沛且多集中于夏季，全年較溫和，這樣的氣候場適宜酸雨的轉化形成。加之，降水量也對降水ｐＨ大小和酸雨頻次有一定的影響作用，南方多雨也使得該地區(qū)降水酸性明顯。

３結論

１）研究區(qū)降水中所含離子種類基本相同，但降水化學特性有所不同，北方偏堿性，南方偏酸性，酸雨危害多出現(xiàn)于南方；北方降水中離子濃度均較高，其中以Ｃａ２＋、ＮＨ４＋、ＳＯ４２－最為顯著，南方相對較低。

２）２０世紀９０年代，我國大氣污染屬于典型的燃煤型污染，汽車保有量較小，排放的氮氧化物也較少，因而硫污染較顯著；在此期間，北方地區(qū)化工廠排放的氨氣、含氮化肥的大量使用以及建筑物的大量興建，使得大氣中ＮＨ４＋含量較高，導致北方降水中ＮＨ４＋濃度高于南方。

３）華南和華中地區(qū)（Ｃａ２＋＋ＮＨ４＋）∕（ＳＯ４２－＋ＮＯ３－）的比值均在１以上，而這2個地區(qū)的降水表現(xiàn)出了較明顯的酸性，說明南方地區(qū)降水中存在諸多的致酸因子。

４）研究區(qū)降水化學特性不同，造成酸性降水的物質來源、影響因素和形成機制有較大的差異，因此，還應進行進一步的相關研究來針對性地提出合理的防治措施。

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