中国雾霾特殊形成机理研究
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了一定空间,但雾霾的特殊性也给政府带来了治理复杂性，提高了治理难度。中国雾霾生成机理给我们敲响了警钟。治理雾霾不仅要针对传统雾霾形成机理，还要根据中国雾霾的特殊性，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。
▲ 来源： 农业环境科学 作者：顾为东
文章选自《宏观经济》2014年第6期
顾为东 为江苏省宏观经济研究院院长、国家“973”计划风能项目首席科学家。
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的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的严重污染，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，在凝结核吸水膨胀的同时，也为吸附在凝结核的微生物快速分裂繁殖提供了养分，长期以往形成了具有地域特征的微生物种群，为雾霾快速形成、频发和爆发性增长提供了外部条件。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；欧美是以大气环境科学研究雾霾，中国则应以大气环境与生物科学协同努力研究与防治雾霾。远期治本,近期则应以雾霾生成机理和雾霾形成临界点研究与治理为主，标本兼治。
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%的叫雾，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。
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年伦敦雾霾曾致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年北京至少新增了60%的肺癌患者。图1显示了北京和京津冀地区的雾霾情况。
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。
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，提高了天然气使用比例。2013 年，天然气消费1600 亿立方米，能源消耗强度下降 3.7%。②北京通过政府补贴全部取消了家庭燃煤取暖。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。
中国雾霾形成机理的深度分析
通过对气溶胶颗粒的成分进行DNA测序，发现1300多种微生物(Cao等，2014)，表明中国雾霾频发和严重性与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，中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%的速度增长(公布为北京每天产各类垃圾 1.8万吨，北京市环境专家认为近3万吨)(图3)。面对严峻形势，中国政府已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4 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。
表1列出了几种常见微生物的代时和每日增殖率。
附着气溶胶颗粒上微生物在适宜条件下迅速繁殖，气溶胶体积迅速增大突破临界点，最终形成重度雾霾。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，体积可迅速增加到 2.5微米、5 微米甚至 10 微米。图5 显示了雾霾指数突变，左图最高点在中午 12 点附近，右图最高点在凌晨零点附近。按传统解释，指数突变应有污染突发性事故，但事实上并没有，这只能用微生物快速繁殖来解释。
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的微生物获得充分氧气。
微生物名称乳酸菌大肠杆菌细菌 根瘤菌枯草杆菌光合细菌酿酒酵母小球藻藻类 念球藻硅藻草履虫表1 微生物的代时和每日增殖率图5 指数在短时间内突变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，也付出了沉重的环境代价，图 6 显示中国 2012 年 GDP 增长 7.8%，外部环境损失占GDP的9.2%。中国每年化肥使用量 4000 万吨，是美国、印度的总和，亩均施用量是美国的 3倍。江苏亩均化肥施用量是全国的 4—5 倍。中国每年 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。”中国每年由于土壤污染而导致的粮食减产达到100亿公斤。富营养水体中氨氮随土壤水分蒸发，挥发到大气中，成为微生物的营养(图7、图8)。
笔者实验证明了这一点。
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分进行鉴定发现，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。这为前面论述提供了有力支撑。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9显示碳铵处理氨挥发动力学曲线。图10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分蒸腾凝结和微生物繁殖，尤其冷空气南下造成空气水分加速凝结，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。
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，一是应从普遍性角度入手，减少传统二次无机气溶胶等凝结核产生。二是应从特殊性角度入手，深入研究雾霾中的微生物种群和分类。筛选起主要作用的微生物，确定其种群的区域性集聚地，针对性地制定治理举措；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微生物群的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了一定空间,但雾霾的特殊性也给政府带来了治理复杂性，提高了治理难度。
中国雾霾生成机理给我们敲响了警钟。治理雾霾不仅要针对传统雾霾形成机理，还要根据中国雾霾的特殊性，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，治理雾霾的难题就会迎刃而解。
请看雾与霾的六大区别
雾是一种自然现象，是悬浮在贴近地面的大气中的大量微细水滴(或冰晶)的可见集合体。霾又称灰霾(烟霞)，主要是人为因素造成的，是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子使大气混浊，视野模糊并导致能见度恶化。
雾与霾的区别主要包括：
1. 能见度范围不同。雾的水平能见度小于1公里，霾的水平能见度小于10公里。
2. 相对湿度不同。雾的相对湿度大于90%，霾的相对湿度小于80%,相对湿度介于80-90%是霾和雾的混合物，但其主要成分是霾。
3. 厚度不同。雾的厚度只有几十米至200米左右，霾的厚度可达1-3公里左右。
4. 边界特征不同。雾的边界很清晰，过了“雾区”可能就是晴空万里，但是霾与晴空区之间没有明显的边界。
5. 颜色不同。雾的颜色是乳白色、青白色，霾则是黄色、橙灰色。
6. 日变化不同。雾一般午夜至清晨最易出现；霾的日变化特征不明显，当气团没有大的变化，空气团较稳定时，持续出现时间较长。
产生雾霾的条件：
雾霾常常相伴而生，大范围雾霾天气一旦形成，在有利的天气条件下可维持数日。利于雾霾维持的天气条件包括：一是风力小，不利于污染物在水平方向扩散；二是低空大气层结稳定，近地面易出现逆温层，不利于污染物垂直向上扩散，使得污染物在大气边界层积聚。
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