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到本世纪末的时候,美国东北部的许多“淡水”资源将因为太咸,不再适宜人类饮用。

撰文 | 二七
审校 | clefable

2015年6月,美国马里兰大学的地质学教授苏贾伊·考沙尔(Sujay Kaushal)刚刚接受了华盛顿邮报(Washington Post)记者的采访。采访结束后几小时,他的邻居跑来问了一个和记者相同的问题:“你有没有注意到,我们附近的水变成了棕色。”

在大约两三个月前,美国马里兰州蒙哥马利县的老城区一些水管中陆续不再流出清水,而是棕黄色的水。而在一两周前,这种情况也蔓延到了考沙尔家附近。考沙尔不仅注意到了,也很清楚这里水流变色的原因:“地下水中的盐含量太高了,因此侵蚀了这些地区的老旧铸铁管道,导致管道上的锰和铜进入水中,污染水源。” 

就像吃了过多盐之后,医生会提醒你小心高血压,”考沙尔表示,“而如今地球的盐循环也是这样,如果你把地球看成一整个活的有机体,那么当积累了如此多的盐时,也可能影响重要器官或者说生态系统的功能。”

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地球的综合征

在提到盐的时候,我们总会率先想到做饭时放的那些洁白的晶体颗粒——它们的主要成分就是氯化钠(NaCl)。但从化学角度来说,盐指的就是由阳离子和阴离子组成的离子化合物,它可以由钙、镁等各类金属阳离子,与酸根离子组成。但它们进入水中之后的过程都是类似的:形成离子,提高水的盐度和电导率,从而导致一系列的环境问题。

在人类历史的大部分时间里,盐都是一种珍贵的商品。如今,各种各样的盐已经广泛应用在我们的生活中,从建筑材料、融雪剂,到家用的洗涤剂和清洁剂,这给我们带来了极大便利。但问题在于,这些盐开始出现在不应出现的地方,并且含量正在逐年升高。 

2005年,考沙尔和合作者在《美国科学院院刊》(PNAS)发表了一篇讨论融雪剂(主要成分是氯化钠、氯化钙等多种氯化物)的使用对淡水影响的研究。监测数据清晰地显示,从20世纪60年代以来,美国东北部溪流中氯离子的浓度逐步上升,甚至已经增加了一个数量级。而在最严重的地区,冬季溪流中的氯离子浓度还会进一步上升。一些本该是淡水的溪流中,氯离子浓度最高超过了每升4600毫克,已经约等于海水中氯离子浓度的四分之一。 

研究估计,如果这种趋势继续发展下去,到本世纪末期的时候,美国东北部许多地表水的盐度将至少为每升250毫克——这已经逼近了饮用水的最低标准,并且会使许多淡水物种发生慢性中毒。换句话说,到本世纪末的时候,美国东北部的许多“淡水”资源将因为太咸,不再适宜人类饮用

1940年至2004年美国道路融雪剂消费量,纵轴单位:百万吨。(图片来源:Robert B. Jackson & Esteban G.. Jobbágy, 2005)

从这项研究开始,考沙尔在之后的研究生涯中看到了更多地区地表水的盐度变化,以及这些变化造成的严重后果。2023年,他和同事在《自然·地球环境综述》Nature Reviews Earth & Environment)发表的一篇论文中总结了“淡水盐化综合征”(Freshwater salinization syndrome)的“病因”与“症状”。“我们现在证明,地球的盐循环是一个从地球深处到大气层的循环,正受到人类活动的显著干扰。”该研究的共同作者、美国康涅狄格大学的生态学家吉恩·利肯斯(Gene Likens)说。



盐循环加速

在自然条件下,地球上天然存在着盐的流动和循环。大量的盐以矿物的形式存在于地球的岩石中,在漫长的时间里,当这些岩石暴露在地表,发生风化侵蚀,盐会被慢慢释放出来。这些盐会伴随着水流,经过生物体、地下水、土壤和海洋,最终重新形成岩石,埋入地下。就像碳循环一样,这样的盐循环速度很慢(往往以百万年为单位),保持了地表相对稳定的盐分浓度。然而随着人类活动的干预,大量的盐被留在了地表。

我们经常会统计一个人一生中需要消耗的食物、消耗的能源和排放的碳,却不会在意我们使用的盐:根据美国地质调查局的统计,按照目前的消费水平,美国一个人从出生到死亡,一生中会消耗13.6吨的盐。除了日常摄入,更多盐的使用隐藏在我们不太会注意到的地方。 

在美国,最大的盐类消耗就是道路融雪剂。从2013年-2017年,每年美国要在道路上抛洒约2150万吨盐,超过了美国总耗盐量的40%。盐可以降低冰的熔点,从而使地面的积雪加速融化。然而这些融雪剂也会被雪水带走,流入城市的管道,并最终进入自然水体中。在进入河流的所有可溶性固体中,每年使用的道路融雪剂的占比就可以达到接近14%。

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其他盐类使用场景还包括工业生产、农业生产和我们日常使用的许多化学制品。除此之外,大量道路等隔水表面破裂后,其中的碳酸钙等成分就会被雨水溶出,从而释放大量钙离子进入下层土壤。



盐分增加,污染增加

一旦过量的盐进入自然环境,首当其冲的就是生活在淡水中的淡水生物,以及依靠这些淡水维生的动物——包括我们自己。我们最常听说的一种情况就是土壤的盐碱化,统计显示,大约10亿公顷的土壤受到了人为盐碱化的影响,这主要与灌溉用水、施肥和石灰使用有关。根据估计,到21世纪末,全球超过50%的农田可能会受到盐碱化的影响。 

但更让研究者担心的是,盐离子溶于水后,可以“调动”许多污染物进入水中,最终形成一种混合的污染物——研究团队称之为“污染物鸡尾酒”。 

文章开头变成棕色的水就是一个典型的例子。盐类物质通常也被称为“电解质”,它们溶于水后,会提升水的导电性,从而增加水的腐蚀能力。尤其在一些管道老旧的地区,过咸的水会侵蚀管道,从而使锰和铜等金属进入用水线路。而当这些盐度过高的水进入自然环境,其中带有正电荷的钠离子就会破坏吸附了许多污染物的黏土、有机物和土壤颗粒的结构,从而释放其中的污染物。 

一些盐还会以意想不到的方式直接威胁我们的呼吸道健康——通过空气。2018年,美国密歇根大学的研究者发现,冬季使用的道路融雪剂很可能会雾化进入大气中:在年平均降水量超过25厘米的地区,冬季空气中氯和钠的PM2.5浓度是夏季的3倍,并且与降雪量呈正相关。同样的情况也会发生在干涸的湖床上,沉积在湖底的盐结晶颗粒,携带着砷、镉等重金属,极易随风化作微小的空气污染颗粒物,并在大气中传播极远的距离。 

而当一场雨落下,这些空气中的可溶性盐又会随着雨水落回地面,有的渗入土壤,有的随着管道进入城市排水系统,有的汇入河流继续流向下一个地方——一场新的盐循环又开始了

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权衡

或许正是因为盐如此充斥在我们的生活中,才使得相关的控制措施如此困难。仅以道路融雪剂为例,随着气候变化导致越来越多的极端降雪事件,融雪剂在公共安全中发挥着重要的作用。“如果停止使用融雪剂,居民就要面临受伤的短期风险,这也很严重,”考沙尔说道,“重要的是,要权衡好短期公共安全风险和长期的污染风险。” 

一种可能的措施是铺设专用管道,并在污水处理厂专门处理水中的盐分,然而这会带来很高的成本和能源消耗。另外,在美国华盛顿等几个城市,道路管理部门正在尝试使用加入甜菜汁的融雪剂,这种融雪剂也可以达到相似的效果,但含盐量明显减少。 

还有一些困难来自我们对盐循环的认知,“盐在美国不被视为主要的饮用水污染物,因此很难对其监管,”考沙尔说,“但如果你问我,盐在环境中的含量是否正在上升至有害水平?我的答案是:是的。”


参考链接:
https://www.nature.com/articles/s43017-023-00485-y
https://cmns.umd.edu/news-events/news/humans-are-disrupting-natural-salt-cycle-global-scale-new-study-shows
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1352231018300141
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.0506414102
https://www.washingtonpost.com/local/montgomery-residents-complain-about-brown-tap-water/2015/06/17/d7910098-146c-11e5-9518-f9e0a8959f32_story.html

作者 环球科学

《环球科学》杂志