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霧霾治理是一把雙刃劍，從表征上看，中國霧霾很嚴重、發生頻率高，但PM2.5濃度300~500mg/m3時對人體直接危害遠低于歐美國家。這給中國政府治理霧霾提供了一定空間,但霧霾的特殊性也給政府帶來了治理復雜性，提高了治理難度。中國霧霾生成機理給我們敲響了警鐘。治理霧霾不僅要針對傳統霧霾形成機理，還要根據中國霧霾的特殊性，注重包括土壤、水源嚴重污染的治理修復，減少微生物飄逸和阻斷微生物營養供給路徑。
▲ 來源： 農業環境科學 作者：顧為東
文章選自《宏觀經濟》2014年第6期
顧為東 為江蘇省宏觀經濟研究院院長、國家“973”計劃風能項目科學家。
中國霧霾引起全社會廣泛關注，其形成機理既具普遍性，又具特殊性。本文通過數理分析和實證驗證手段，剖析中國霧霾形成機理的普遍性是傳統土壤塵、燃煤、生物質燃燒、汽車尾氣與垃圾焚燒、工業污染和二次無機氣溶膠為凝結核生成霧霾;特殊性是中國霧霾形成速度和擴散快、凝結核體積(直徑)跳躍式和突發性增長，均與區域微生物種群及土壤、水源嚴重面源污染密切相關。由于中國水土環境受到富營養化的嚴重污染，造成環境中微生物種群繁雜和富集;土壤中氨氮濃度高，造成冬春季節水分蒸發帶走大量富營養水分，在低空與氣溶膠相結合，在凝結核吸水膨脹的同時，也為吸附在凝結核的微生物快速分裂繁殖提供了養分，長期以往形成了具有地域特征的微生物種群，為霧霾快速形成、頻發和爆發性增長提供了外部條件。中國工業化進程中工業等污染和廣大農村的土壤、水源嚴重污染的疊加效應，是中國嚴重霧霾形成的特殊機理;歐美是以大氣環境科學研究霧霾，中國則應以大氣環境與生物科學協同努力研究與防治霧霾。遠期治本,近期則應以霧霾生成機理和霧霾形成臨界點研究與治理為主，標本兼治。
2012 年冬以來，霧霾頻繁肆虐于中國北京及廣大中東部地區上空。霧和霾區別在于水分含量：含水量達到90%的叫霧，低于80%的叫霾，80%—90%之間是霧和霾混合物;霧的厚度幾十米至 200米左右，霾可達1—3公里。中國霧霾結構和生成機理與歐美等國比較，既具有共性，也具有特殊性。
中國霧霾的不同表現形式
1、中國霧霾對人體直接傷害低，與歐美不一樣。歐美嚴重霧霾有大量直接致死記錄，1952年倫敦霧霾曾致12000人喪生。中國嚴重霧霾頻發，但直接傷害致死案例目前沒有一例。但呼吸系統慢性疾病，特別是肺癌發病率大范圍上升，肺癌已逐漸成為常見病，過去10年北京至少新增了60%的肺癌患者。圖1顯示了北京和京津冀地區的霧霾情況。
2、中國霧霾強度在宏觀上與大氣污染物排放強度呈反向變化趨勢，與歐美不一樣。夜間，運行中汽車大幅減少、工廠停產、工地停工、發電廠負荷下降，大氣污染排放強度降低，霧霾強度卻顯著增強;早上，生產生活恢復正常，污染排放強度提高，霧霾強度卻呈穩定或下降趨勢。這不是偶然現象，而是一般性規律。
3、中國霧霾在節能減排趨勢中逆勢增長，與歐美不一樣。中國推廣燃煤機組煙氣超低排放技術，提高了天然氣使用比例。2013 年，天然氣消費1600 億立方米，能源消耗強度下降 3.7%。②北京通過政府補貼全部取消了家庭燃煤取暖。京津冀粉塵量大幅下降。但霧霾并沒有減少，反而頻率越來越高，重霧霾越來越多。
4、中國霧霾與新能源應用比例正相關，與歐美不一樣。中國新能源應用比例顯著提升，風電、太陽能、水電發展速度和裝機總量均居世界*一，但霧霾發生頻率和嚴重程度不僅未能扼制和下降，卻大幅提高。
中國霧霾結構與歐美顯著不同，要從其特殊性入手，剖析產生的深層次原因。
中國霧霾形成機理的深度分析
通過對氣溶膠顆粒的成分進行DNA測序，發現1300多種微生物(Cao等，2014)，表明中國霧霾頻發和嚴重性與東部地區水土環境面源污染、大量滋生微生物種群有直接關聯。長期以來，中國經濟發展方式粗放，產業結構和布局不合理，污染物排放總量居高不下。如北京已被2000多座垃圾場包圍，每天垃圾處理缺口 8000噸，仍以每年 8%—10%的速度增長(公布為北京每天產各類垃圾 1.8萬噸，北京市環境專家認為近3萬噸)(圖3)。面對嚴峻形勢，中國政府已加強土壤環境保護和污染治理，堅決向土壤污染宣戰。
中國嚴重霧霾快速形成與擴散，與微生物繁殖有關。微生物繁殖速度驚人，圖4 表明，當微生物飄移到大氣中吸附在氣溶膠凝結核表面，進入生命周期遲緩期;當土壤中水分蒸發，攜帶氨氮營養物與氣溶膠凝結核結合，為微生物生長提供水分、養料和氧氣，使微生物進入對數生長期。
表1列出了幾種常見微生物的代時和每日增殖率。
附著氣溶膠顆粒上微生物在適宜條件下迅速繁殖，氣溶膠體積迅速增大突破臨界點，*終形成重度霧霾。如常溫常壓下，氣溶膠顆粒只有 0.1 微米，但隨微生物迅速繁殖，體積可迅速增加到 2.5微米、5 微米甚至 10 微米。圖5 顯示了霧霾指數突變，左圖*高點在中午 12 點附近，右圖*高點在凌晨零點附近。按傳統解釋，指數突變應有污染突發性事故，但事實上并沒有，這只能用微生物快速繁殖來解釋。
大氣中微生物繁殖條件
分析微生物繁殖條件是溫度、水分、氧氣和養分。研究發現，微生物溫度適應能力強，在水分蒸發進入大氣，隨空氣溫度降低會再次凝結，冬季成霜，春季成霧;物體懸浮狀態接觸空氣面積*大，使吸附在凝結核表面的微生物獲得充分氧氣。
微生物名稱乳酸菌大腸桿菌細菌 根瘤菌枯草桿菌光合細菌釀酒酵母小球藻藻類 念球藻硅藻草履蟲表1 微生物的代時和每日增殖率圖5 指數在短時間內突變微生物生長*重要的養分是氨氮，氨氮融入氣溶膠與微生物相遇，成為微生物快速繁殖的營養劑。氨氮來源于土壤和水源富營養化污染。改革開放以來，中國經濟快速發展，也付出了沉重的環境代價，圖 6 顯示中國 2012 年 GDP 增長 7.8%，外部環境損失占GDP的9.2%。中國每年化肥使用量 4000 萬噸，是美國、印度的總和，畝均施用量是美國的 3倍。江蘇畝均化肥施用量是全國的 4—5 倍。中國每年 COD 排放2400 萬噸，氨氮排放 245 萬噸，遠超環境容量。有專家指出：“許多土壤污染地區已超過土壤的自凈能力，沒有外來的治理干預，千百年后土壤也無法自凈，有的地塊永遠都無法自凈，甚至出現環境報復。”中國每年由于土壤污染而導致的糧食減產達到100億公斤。富營養水體中氨氮隨土壤水分蒸發，揮發到大氣中，成為微生物的營養(圖7、圖8)。、
筆者實驗證明了這一點。
筆者實驗在低溫有效熱泵型蒸餾裝置中進行，對土壤中提取的水在43℃進行真空蒸餾。疾控中心對蒸餾水成分進行鑒定發現，蒸餾水消除原水中礦物質和重金屬等物質，而氨氮等富營養物含量較高。這為前面論述提供了有力支撐。研究表明，土壤含水量80克/千克，土壤水分散失引起氨揮發量*高，如表2所示。圖9顯示碳銨處理氨揮發動力學曲線。圖10虛線為假設傳統霧霾濃度發展趨勢，實線為微生物、水分及氨氮作用下霧霾濃度發展趨勢線。冬春季節夜間氣象條件有利于水分蒸騰凝結和微生物繁殖，尤其冷空氣南下造成空氣水分加速凝結，極易形成嚴重霧霾;白天水分蒸騰作用隨大氣濕度增大而減弱，溫度上升也使水分凝結作用減弱，使水分和氨氮減少，微生物活性減弱，霧霾強度下降。
結 論
中國霧霾不僅源于工業化進程中工業污染生成的二次氣溶膠顆粒，還源于廣大農村土壤、水源嚴重污染導致以微生物為主的二次氣溶膠顆粒，兩者疊加效應導致中國霧霾快速形成與擴散。
霧霾治理，一是應從普遍性角度入手，減少傳統二次無機氣溶膠等凝結核產生。二是應從特殊性角度入手，深入研究霧霾中的微生物種群和分類。篩選起主要作用的微生物，確定其種群的區域性集聚地，針對性地制定治理舉措;深入研究控制土壤等面源污染的具體舉措，減少和阻斷蒸發水分中氨氮等營養物;探索區域性與霧霾相關聯微生物群的發生規律和治理辦法。同時大力推進城市公共環境衛生，消滅城市衛生死角。
霧霾治理是一把雙刃劍，從表征上看，中國霧霾很嚴重、發生頻率高，但PM2.5濃度300~500mg/m3時對人體直接危害遠低于歐美國家。這給中國政府治理霧霾提供了一定空間,但霧霾的特殊性也給政府帶來了治理復雜性，提高了治理難度。
中國霧霾生成機理給我們敲響了警鐘。治理霧霾不僅要針對傳統霧霾形成機理，還要根據中國霧霾的特殊性，注重包括土壤、水源嚴重污染的治理修復，減少微生物飄逸和阻斷微生物營養供給路徑。通過全社會的共同努力，早日將霧霾形成的臨界點降下來，治理霧霾的難題就會迎刃而解。
農業環境科學 作者：顧為東
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