3

3
1

文字

分享

3
3
1

酸雨可能會讓森林更「口渴」?

君咏_96
・2021/01/18 ・2717字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,酸雨已經變成大家所熟悉的空氣污染問題,酸雨不僅對建築物、古蹟和金屬物質產生嚴重腐蝕,導致人類經濟與文化資產的損失,同時也會對整個環境及生態系造成影響。

被酸雨腐蝕的石像。圖/Wikimedia common

近期美國來德大學 (Rider University) 發表一項酸雨影響森林的研究結果,這是一項在阿帕拉契山脈進行十年的實驗,從 1989 年開始,美國林業局每年固定三次,在一片面積 34 公頃的森林澆灌酸化硫酸銨肥料。

結果發現,以酸化硫酸銨肥料(作為模擬酸雨)澆灌的森林,與未經酸化處理的森林相比,每年吸收的水分大約多了 5%,並在兩年中增加了 10%,經過處理的流域每年平均要增加大約 1,360 萬升水。而在研究期間,他們還發現,滲透到被酸化森林土壤水裡的鈣濃度也下降了,這可能是森林耗水增加的原因之一。

圖一:酸化影響森林每年蒸發水分的量。酸化處理過的蒸發量與對照組(未酸化)的差異,正值表示酸化組的蒸發量高於對照組。灰色框為預處理階段,2004 年未納入統計,因那年對照組的植物生長異常高。圖/原始文獻2

這究竟是怎麼回事?酸雨對森林的影響真的這麼大嗎?帶走土壤裡的鈣和森林「口渴」的關係是什麼呢?

要奪~酸才可以叫做「酸雨」?

根據環保署的資料,過去各國多將 pH 值小於 5.6 的雨水界定為酸雨,那 pH 值 5.6 這個數字又是怎麼來的?事實上,pH值 5.6 是大氣中二氧化碳含量為 330ppm 時,純水之酸鹼度的平衡值。

BUT!好像有哪裡怪怪的⋯⋯

因為自然界中也有其他酸性物質會影響雨水的 pH 值,例如甲酸等其他有機酸,所以大氣中即使是未受人為污染的雨水,pH 值也會介於 4.7 至 5.3 之間(也就是說,「基本款」的雨水就已經比原本的酸雨標準 pH 值 5.6 還要酸了!)。

因此從 1990 年開始,許多國家及科學機構逐漸改變酸雨的定義為,pH 值小於 5.0 的雨水,目前我國也以此作為判斷標準。

後來,各國與科學機構逐漸調整酸雨的定義。圖/Bibhukalyan Acharya

而我們常說的「酸雨」其實是「酸性沉降 (acidic deposition)」的俗稱,因為除了下雨之外,還有其他形式的沉降,可以區分為「濕沉降」和「乾沉降」,前者指的是空氣中氣狀或粒狀污染物隨雪、雹、雨等降水型態落至地面,而後者則是空中掉下的落塵帶來的酸性物質。

那些讓雨變酸的東東

酸雨的化學組成中,包括 Cl、NO3、SO42-、NH4+、K+、Na+、Ca2+ 及 Mg2+ 等,來源包括自然現象及人類活動。其中硝酸鹽 NO3 及硫酸鹽 SO42- 是讓雨水變酸的「罪魁禍首」,那它們是怎麼來的呢?

首先,工業活動或交通工具排放含有氮氧化物的廢氣,這些氮氧化物接著和空氣中的氧 O2 及水反應形成硝酸 HNO3 ,在水中可以解離成硝酸根離子和氫離子。

HNO3(aq) → H+ + NO3

交通工具會排放含有氮氧化物的廢氣。圖/Kaique Rocha

而硫酸鹽SO42-的形成過程長得跟硝酸鹽的很像,石化燃料及火力發電廠燃燒含硫有機物,釋放出二氧化硫 SO2,接著和空氣中的氧 O2 及水反應形成硫酸 H2SO4,硫酸在水中可以解離成硫酸根離子和氫離子,導致氫離子濃度升高。

H2SO4(aq) → HSO4 + H+        HSO4 → SO42-+H+

硝酸及硫酸在降雨初期就被雨水吸收,或直接隨雨滴落到地面,都會增加雨水的酸度,造成酸雨。雖然自然界中的一些現象本來就會產生酸性物質,例如火山爆發噴出的硫化氫、高空閃電導致的氮氧化物5等等,但事實上,有超過 90% 的氮氧化物及硫氧化物是因人類活動排放的!

自然界中的一些現象本來就會產生酸性物質。圖/Andre Furtado

真相,永遠只有一個!(指)

ㄟ~那關「鈣」什麼事?

從生理的角度來看,植物需要陽離子作為訊號傳遞、調節等功能,因此,土壤中陽離子減少會導致生產力降低。而鈣便是大多數植物必需元素之一,在植物生理扮演著重要角色。

其中一個作用便是水分調節,鈣像是一個負責通風報信的使者。植物的氣孔孔徑是由周圍的保衛細胞控制的,經由一連串複雜的反應調節,而這些反應共同的終點都是「鈣」進入保衛細胞。水分不足時,通常細胞之間的鈣濃度上升時,會讓通往細胞內的鉀離子通道關閉(也就是不讓水進入),接著活化細胞通往外界的鉀離子通道,降低保衛細胞的含水量,使氣孔關閉。

土壤中陽離子減少會導致生產力降低。圖/Crusenho Agus Hennihuno

而這個研究的假說之一,便是鈣會從酸化處理後的森林土壤浸出,可能引起植被用水量增加,因為鈣能夠調節氣孔關閉,缺鈣可能會造成蒸散作用增加。

結果顯示,酸化處理的確改變了處理流域的鹼性陰離子交換、土壤中的陽離子浸出,以及溪流 pH 值等,渗透到酸化森林土壤中的水中鈣含量也有所下降,證明酸雨改變土壤中鈣的供應,會顯著增加植被用水量。

進行此研究的學者表示,自己也沒想到植物對酸化的反應會這麼劇烈。如果想了解酸雨對森林以及植物用水量的後續影響,還需要更多的研究證實。

雖然我們仍不確定,酸雨對於其他類型的森林是否會有相同的影響,不過,這項研究可以提醒我們的是,生態系統是這樣的環環相扣,我們所做的任何一個決定,都可能以我們不知道的方式在影響整個環境。

參考資料

  1. Decades of dumping acid suggest acid rain may make trees thirstier
  2. Lanning, M., Wang, L., Scanlon, T. M., Vadeboncoeur, M. A., Adams, M. B., Epstein, H. E., & Druckenbrod, D. (2019). Intensified vegetation water use under acid deposition. Science Advances, 5(7), eaav5168.
  3. McAinsh, M. R., Brownlee, C., & Hetherington, A. M. (1997). Calcium ions as second messengers in guard cell signal transduction. Physiologia Plantarum, 100(1), 16-29.
  4. Debnath, B., & Ahammed, G. J. (2020). Effect of Acid Rain on Plant Growth and Development: Physiological and Molecular Interventions. In Contaminants in Agriculture (pp. 103-114). Springer, Cham.
  5. 酸雨 (acid rain) :組成和途徑
  6. 行政院環境保護署環境資源資料庫
  7. The Encyclopedia of Earth (EoE)
  8. Casiday, R., & Frey, R. (1998). Acid rain. Inorganic Reactions Experiment, Washington University, Word Wide Web Address: http://www. chemistry. wustl. edu/∼ edudev/LabTutorials/Water/FreshWater/acidrain. html.
  9. McLaughlin, S. B., & Wimmer, R. (1999). Calcium physiology and terrestrial ecosystem processes. Tansley Review No. 104. New Phytol, 142, 373-417.

文章難易度
所有討論 3
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策