中国雾霾特殊形成机理研究

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中国雾霾特殊形成机理研究

2016-10-25 顾为东 农业环境科学

导读

雾霾已困绕我们多年，其实，发达国家也是霾霾不休很多年。他们的治霾之路供我们对照学习，也为我们提供了一些教训与借鉴。

阅读重点：

中国雾霾的不同表现形式

中国雾霾形成机理的深度分析

大气中微生物繁殖条件

结论

（科普阅读）雾与霾的六大区别

文章选自《宏观经济》2014年第6期，图片来自网络，侵删。

内容提要

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。

关键词 雾霾二次气溶胶蒸发土壤微生物氨氮

作者介绍

作者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。

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PM_2.5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：