中國“霧霾”形成機制研究

　　[摘要] 中國霧霾引起全社會廣泛關(guān)注，其形成機制既具普遍性，又具特殊性。本文通過數(shù)理分析和實證驗證手段，剖析中國霧霾形成機制普遍性是傳統(tǒng)土壤塵、燃煤、生物質(zhì)燃燒、汽車尾氣與垃圾焚燒、工業(yè)污染和二次無機氣溶膠為凝結(jié)核生成霧霾；特殊性是中國霧霾形成速度和擴散快、凝結(jié)核體積(直徑)跳躍式和突發(fā)性增長，均與區(qū)域微生物種群及土壤、水源嚴重面源污染密切相關(guān)。由 于中國水土環(huán)境受到富營養(yǎng)化嚴重污染，造成環(huán)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(jié)水分蒸發(fā)帶走大量富營養(yǎng)水分，在低空與氣溶膠相結(jié) 合，在凝結(jié)核吸水膨脹同時，也為吸附在凝結(jié)核的微生物快速分裂繁殖提供養(yǎng)分，長期以往形成具有地域特征微生物種群，為霧霾快速形成、頻發(fā)和爆發(fā)性增長提供 了外部條件。

　　綜上，中國工業(yè)化進程中工業(yè)等污染和廣大農(nóng)村的土壤、水源嚴重污染的疊加效應(yīng)，是中國嚴重霧霾形成的特殊機制。

1、中國“霧霾”的不同表現(xiàn)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年倫敦霧霾致12000人喪生。中國嚴重霧霾頻發(fā)，但直 接傷害致死案例目前沒有一例。但呼吸系統(tǒng)慢性疾病，特別是肺癌發(fā)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60%肺癌患者。

(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(chǎn)、工地停工、發(fā)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(chǎn)生活恢復(fù)正常，污染排放強度提高，霧霾強度卻呈穩(wěn)定或下降趨勢。這不是偶然現(xiàn)象，而是一般性規(guī)律，圖 2-1，2-2，2-3數(shù)據(jù)來自中國環(huán)保部。

(3) 中國“霧霾”在節(jié)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(shù)，提高天然氣使用比例。2013年，天然氣消費1600億立方 米；能源消耗強度下降3.7% 。北京通過政府補貼全部取消家庭燃煤取暖。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(yīng)用比例正相關(guān)，與歐美不一樣。中國新能源應(yīng)用比例顯著提升，風(fēng)電、太陽能、水電發(fā)展速度和裝機總量均居世界第一，但霧霾發(fā)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(jié)構(gòu)與歐美顯著不同，要從其特殊性入手，剖析產(chǎn)生的深層次原因。

2、中國“霧霾”形成機制的深度分析

通 過對氣溶膠顆粒的成份進行DNA測序，發(fā)現(xiàn)1300多種微生物 。表明中國霧霾頻發(fā)和嚴重性與我國東部地區(qū)水土環(huán)境面源污染、大量滋生微生物種群有直接關(guān)聯(lián)。長期以來，我國經(jīng)濟發(fā)展方式粗放，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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%速度增長。見圖3-4。面對嚴峻形勢，我國加 強土壤環(huán)境保護和污染治理，堅決向土壤污染宣戰(zhàn)。

中國嚴重霧霾快速形成與擴散，與微生物繁殖有關(guān)。微生物繁殖速度驚人。圖5表明，當微生物飄移到大氣中吸附在氣溶膠凝結(jié)核表面，進入生命周期遲緩期；當土壤中水分蒸發(fā)，攜帶氨氮營養(yǎng)物與氣溶膠凝結(jié)核結(jié)合，為微生物生長提供水分、養(yǎng)料和氧氣，使微生物進入對數(shù)生長期。

附 著在氣溶膠顆粒上的微生物在適宜條件下迅速繁殖，使氣溶膠體積迅速增大，最終形成霧霾。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 積可迅速增長到2.5微米、5微米，甚至10微米。圖6顯示霧霾指數(shù)突變，左圖最高點在中午12∶00附近；右圖最高點在凌晨00∶00附近。按傳統(tǒng)解 釋，指數(shù)高點應(yīng)有污染突發(fā)性事故發(fā)生，但事實上并沒有，這只能用微生物快速分裂解釋。

3、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(yǎng)分。研究發(fā)現(xiàn)，微生物溫度適應(yīng)能力強，在水分蒸發(fā)進入大氣，隨空氣溫度降低會再次凝結(jié)，冬季成霜，春季成霧；物體懸浮狀態(tài)接觸空氣面積最大，使吸附在凝結(jié)核表面微生物獲得充分氧氣。

微生物生長最重要的養(yǎng)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(yǎng)劑。氨氮來源于土壤和水源富營養(yǎng)化污染。改革開放以來，中國經(jīng)濟快速發(fā)展，也帶來嚴重環(huán)境代價，圖7顯示中國2012年GDP增長7.8%，外部環(huán)境損失占GDP的9.2%。

我國每年化肥使用量4000萬噸，是美國、印度總和，畝均施用量是美國3倍。江蘇畝均化肥施用量是全國4-5倍。圖8為污染狀況。我國每年COD排放2400萬噸，氨氮排放245萬噸，遠超環(huán)境容量。

有專家指出：“許多土壤污染地區(qū)已超過土壤的自凈能力，沒有外來的治理干預(yù)，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(xiàn)環(huán)境報復(fù)。” 我國每年由于土壤污染而導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)達到100億公斤。

富營養(yǎng)水體中的氨氮會隨土壤水分蒸發(fā)，揮發(fā)到大氣中，成為微生物營養(yǎng)劑。筆者實驗證明了這一點，如圖9-12所示。

筆 者實驗在低溫高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份進行鑒定發(fā)現(xiàn)，蒸餾水消除原水中礦物質(zhì)和重金屬等物 質(zhì)，而氨氮等富營養(yǎng)物含量較高。這為前面論述提供有力支撐。研究表明，土壤含水量80克/千克，土壤水分散失引起氨揮發(fā)量最高 ，如表2所示。圖13顯示碳銨處理氨揮發(fā)動力學(xué)曲線。

圖 14虛線為假設(shè)傳統(tǒng)霧霾濃度發(fā)展趨勢，實線為微生物、水分及氨氮作用下霧霾濃度發(fā)展趨勢線。冬春季節(jié)夜間氣象條件有利于水份蒸騰凝結(jié)和微生物繁殖，尤其冷 空氣南下造成空氣水份加速凝結(jié)，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(jié)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。

　　4、結(jié)論

　　中國霧霾不僅源于工業(yè)化進程中工業(yè)污染生成的二次氣溶膠顆粒，還源于廣大農(nóng)村土壤、水源嚴重污染導(dǎo)致以微生物為主的二次氣溶膠顆粒，兩者疊加效應(yīng)導(dǎo)致中國霧霾快速形成與擴散。

　　霧霾治理，一是從普遍性角度入手，減少傳統(tǒng)二次無機氣溶膠等凝結(jié)核產(chǎn)生。二是從特殊性角度入手，深入研究霧霾中微生物種群和分類。篩選起主要作用微生物，確定其種群的區(qū)域性集聚地，針對性制定治理舉措；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(fā)水分中氨氮等營養(yǎng)物；探索區(qū)域性與霧霾相關(guān)聯(lián)的微生物群發(fā)生規(guī)律和治理辦法。同時大力推進城市公共環(huán)境衛(wèi)生，消滅城市衛(wèi)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(fā)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一定空間，但霧霾特殊性也給中國政府帶來治理復(fù)雜性，提高治理難度。

　　中國霧霾生成機理給我們敲響警鐘。治理霧霾不僅是針對傳統(tǒng)霧霾形成機制，還要根據(jù)中國霧霾特殊性，注重包括土壤、水源嚴重污染的治理修復(fù)，減少微生物飄逸和阻斷微生物營養(yǎng)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，治理霧霾的難題就迎刃而解。