中国“雾霾”形成机理研究
[摘要] 中国雾霾引起全社会广泛关注，其形成机理既具普遍性，又具特殊性。本文通过数理分析和实证验证手段，剖析中国雾霾形成机理普遍性是传统土壤尘、燃煤、生物质燃烧、汽车尾气与垃圾焚烧、工业污染和二次无机气溶胶为凝结核生成雾霾；特殊性是中国雾霾形成速度和扩散快、凝结核体积(直径)跳跃式和突发性增长，均与区域微生物种群及土壤、水源严重面源污染密切相关。由于中国水土环境受到富营养化严重污染，造成环境中微生物种群繁杂和富集；土壤中氨氮浓度高，造成冬春季节水分蒸发带走大量富营养水分，在低空与气溶胶相结合，在凝结核吸水膨胀同时，也为吸附在凝结核的微生物快速分裂繁殖提供养分，长期以往形成具有地域特征微生物种群，为雾霾快速形成、频发和爆发性增长提供了外部条件。
综上，中国工业化进程中工业等污染和广大农村的土壤、水源严重污染的叠加效应，是中国严重雾霾形成的特殊机理。
[关键词] 雾霾；二次气溶胶；蒸发；土壤；微生物；氨氮
前 言
2012年冬以来，雾霾频繁肆虐于中国北京及广大中东部地区上空。雾和霾区别在于水分含量：含水量达到90%叫雾，低于80%的叫霾，80%～90%之间是雾和霾混合物；雾的厚度几十米至200米左右，霾可达1-3公里 。中国雾霾结构和生成机理与欧美等国比较，既具有共性，也具有特殊性。
1、中国“雾霾”的不同表现形式
(1)中国“雾霾”对人体直接伤害低，与欧美不一样。欧美严重雾霾有大量直接致死记录，1952年伦敦雾霾致12000人丧生。中国严重雾霾频发，但直接伤害致死案例目前没有一例。但呼吸系统慢性疾病，特别是肺癌发病率大范围上升，肺癌已逐渐成为常见病，过去10年北京至少新增60%肺癌患者。图1-1、1-2显示北京和京津冀雾霾情况。
(2)中国“雾霾”强度在宏观上与大气污染物排放强度呈反向变化趋势，与欧美不一样。夜间，运行中汽车大幅减少、工厂停产、工地停工、发电厂负荷下降，大气污染排放强度降低，雾霾强度却显著增强；早上，生产生活恢复正常，污染排放强度提高，雾霾强度却呈稳定或下降趋势。这不是偶然现象，而是一般性规律，图2-1，2-2，2-3数据来自中国环保部。
(3)中国“雾霾”在节能减排趋势中逆势增长，与欧美不一样。中国推广燃煤机组烟气超低排放技术，提高天然气使用比例。2013年，天然气消费1600亿立方米；能源消耗强度下降3.7% 。北京通过政府补贴全部取消家庭燃煤取暖。京津冀粉尘量大幅下降。但雾霾并没有减少，反而频率越来越高、重“雾霾”越来越多。
(4)中国“雾霾”与新能源应用比例正相关，与欧美不一样。中国新能源应用比例显著提升，风电、太阳能、水电发展速度和装机总量均居世界第一，但雾霾发生频率和严重程度不仅未能扼制和下降，却大幅提高。
中国雾霾结构与欧美显著不同，要从其特殊性入手，剖析产生的深层次原因。
2、中国“雾霾”形成机理的深度分析
通过对气溶胶颗粒的成份进行DNA测序，发现1300多种微生物 。表明中国雾霾频发和严重性与我国东部地区水土环境面源污染、大量滋生微生物种群有直接关联。长期以来，我国经济发展方式粗放，产业结构和布局不合理，污染物排放总量居高不下。如北京已被2000多座垃圾场包围，每天垃圾处理缺口8000吨，仍以每年8-10%速度增长。见图3-4。面对严峻形势，我国加强土壤环境保护和污染治理，坚决向土壤污染宣战 。
中国严重雾霾快速形成与扩散，与微生物繁殖有关。微生物繁殖速度惊人。图5表明，当微生物飘移到大气中吸附在气溶胶凝结核表面，进入生命周期迟缓期；当土壤中水分蒸发，携带氨氮营养物与气溶胶凝结核结合，为微生物生长提供水分、养料和氧气，使微生物进入对数生长期。
附着在气溶胶颗粒上的微生物在适宜条件下迅速繁殖，使气溶胶体积迅速增大，最终形成雾霾。如常温常压下，气溶胶颗粒只有0.1微米，但随微生物迅速繁殖，体积可迅速增长到2.5微米、5微米，甚至10微米。图6显示雾霾指数突变，左图最高点在中午12∶00附近；右图最高点在凌晨00∶00附近。按传统解释，指数高点应有污染突发性事故发生，但事实上并没有，这只能用微生物快速分裂解释。
3、大气中微生物繁殖条件分析
微生物繁殖条件是温度、水分、氧气和养分。研究发现，微生物温度适应能力强，在水分蒸发进入大气，随空气温度降低会再次凝结，冬季成霜，春季成雾；物体悬浮状态接触空气面积最大，使吸附在凝结核表面微生物获得充分氧气。
微生物生长最重要的养分是氨氮，氨氮融入气溶胶与微生物相遇，成为微生物快速繁殖的营养剂。氨氮来源于土壤和水源富营养化污染。改革开放以来，中国经济快速发展，也带来严重环境代价，图7显示中国2012年GDP增长7.8%，外部环境损失占GDP的9.2%。
我国每年化肥使用量4000万吨，是美国、印度总和，亩均施用量是美国3倍。江苏亩均化肥施用量是全国4-5倍。图8为污染状况。我国每年COD排放2400万吨，氨氮排放245万吨，远超环境容量。
有专家指出：“许多土壤污染地区已超过土壤的自净能力，没有外来的治理干预，千百年后土壤也无法自净，有的地块永远都无法自净，甚至出现环境报复。” 我国每年由于土壤污染而导致的粮食减产达到100亿公斤。
富营养水体中的氨氮会随土壤水分蒸发，挥发到大气中，成为微生物营养剂。笔者实验证明了这一点，如图9-12所示。
笔者实验在低温高效热泵型蒸馏装置中进行，对土壤中提取的水在43℃进行真空蒸馏。疾控中心对蒸馏水成份进行鉴定发现，蒸馏水消除原水中矿物质和重金属等物质，而氨氮等富营养物含量较高。这为前面论述提供有力支撑。研究表明，土壤含水量80克/千克，土壤水分散失引起氨挥发量最高 ，如表2所示。图13显示碳铵处理氨挥发动力学曲线。
图14虚线为假设传统雾霾浓度发展趋势，实线为微生物、水分及氨氮作用下雾霾浓度发展趋势线。冬春季节夜间气象条件有利于水份蒸腾凝结和微生物繁殖，尤其冷空气南下造成空气水份加速凝结，极易形成严重雾霾；白天水分蒸腾作用随大气湿度增大而减弱，温度上升也使水分凝结作用减弱，使水分和氨氮减少，微生物活性减弱，雾霾强度下降。
4、结论
中国雾霾不仅源于工业化进程中工业污染生成的二次气溶胶颗粒，还源于广大农村土壤、水源严重污染导致以微生物为主的二次气溶胶颗粒，两者叠加效应导致中国雾霾快速形成与扩散。
雾霾治理，一是从普遍性角度入手，减少传统二次无机气溶胶等凝结核产生。二是从特殊性角度入手，深入研究雾霾中微生物种群和分类。筛选起主要作用微生物，确定其种群的区域性集聚地，针对性制定治理举措；深入研究控制土壤等面源污染的具体举措，减少和阻断蒸发水分中氨氮等营养物；探索区域性与雾霾相关联的微生物群发生规律和治理办法。同时大力推进城市公共环境卫生，消灭城市卫生死角。
雾霾治理是一把双刃剑，从表征上看，中国雾霾很严重、发生频率高，但PM2.5浓度300-500mg/m3时对人体直接危害远低于欧美国家。这给中国政府治理雾霾提供一定空间，但雾霾特殊性也给中国政府带来治理复杂性，提高治理难度。
中国雾霾生成机理给我们敲响警钟。治理雾霾不仅是针对传统雾霾形成机理，还要根据中国雾霾特殊性，注重包括土壤、水源严重污染的治理修复，减少微生物飘逸和阻断微生物营养供给路径。通过全社会的共同努力，早日将雾霾形成的临界点降下来，治理雾霾的难题就迎刃而解。
(作者按：本文得到国家973计划(2007CB210300)和国家科技支撑计划(2013BAB08B04)资助，二〇一四年三月)
作者：顾为东，男，1956年生，博士，江苏省宏观经济研究院院长，江苏省非并网风电与高载能工程实验室主任，中国能源学会副会长，国家发改委学术委员会专家，江苏省宏观经济学会副会长，国家”973”计划“大规模非并网风电系统的基础研究”项目（2007CB210300）首席科学家。
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