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霧霾治理是一把雙刃劍，從表征上看，中國(guó)霧霾很嚴(yán)重、發(fā)生頻率高，但PM2.5濃度300~500mg/m3時(shí)對(duì)人體直接危害遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家。這給中國(guó)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(lái)了治理復(fù)雜性，提高了治理難度。中國(guó)霧霾生成機(jī)理給我們敲響了警鐘。治理霧霾不僅要針對(duì)傳統(tǒng)霧霾形成機(jī)理，還要根據(jù)中國(guó)霧霾的特殊性，注重包括土壤、水源嚴(yán)重污染的治理修復(fù)，減少微生物飄逸和阻斷微生物營(yíng)養(yǎng)供給路徑。
▲ 來(lái)源： 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué) 作者：顧為東
文章選自《宏觀經(jīng)濟(jì)》2014年第6期
顧為東 為江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院院長(zhǎng)、國(guó)家“973”計(jì)劃風(fēng)能項(xiàng)目科學(xué)家。
中國(guó)霧霾引起全社會(huì)廣泛關(guān)注，其形成機(jī)理既具普遍性，又具特殊性。本文通過(guò)數(shù)理分析和實(shí)證驗(yàn)證手段，剖析中國(guó)霧霾形成機(jī)理的普遍性是傳統(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(wú)機(jī)氣溶膠為凝結(jié)核生成霧霾;特殊性是中國(guó)霧霾形成速度和擴(kuò)散快、凝結(jié)核體積(直徑)跳躍式和突發(fā)性增長(zhǎng)，均與區(qū)域微生物種群及土壤、水源嚴(yán)重面源污染密切相關(guān)。由于中國(guó)水土環(huán)境受到富營(yíng)養(yǎng)化的嚴(yán)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(yíng)養(yǎng)水分，在低空與氣溶膠相結(jié)合，在凝結(jié)核吸水膨脹的同時(shí)，也為吸附在凝結(jié)核的微生物快速分裂繁殖提供了養(yǎng)分，長(zhǎng)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(fā)和爆發(fā)性增長(zhǎng)提供了外部條件。中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程中工業(yè)等污染和廣大農(nóng)村的土壤、水源嚴(yán)重污染的疊加效應(yīng)，是中國(guó)嚴(yán)重霧霾形成的特殊機(jī)理;歐美是以大氣環(huán)境科學(xué)研究霧霾，中國(guó)則應(yīng)以大氣環(huán)境與生物科學(xué)協(xié)同努力研究與防治霧霾。遠(yuǎn)期治本,近期則應(yīng)以霧霾生成機(jī)理和霧霾形成臨界點(diǎn)研究與治理為主，標(biāo)本兼治。
2012 年冬以來(lái)，霧霾頻繁肆虐于中國(guó)北京及廣大中東部地區(qū)上空。霧和霾區(qū)別在于水分含量：含水量達(dá)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(dá)1—3公里。中國(guó)霧霾結(jié)構(gòu)和生成機(jī)理與歐美等國(guó)比較，既具有共性，也具有特殊性。
中國(guó)霧霾的不同表現(xiàn)形式
1、中國(guó)霧霾對(duì)人體直接傷害低，與歐美不一樣。歐美嚴(yán)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(guó)嚴(yán)重霧霾頻發(fā)，但直接傷害致死案例目前沒(méi)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(jiàn)病，過(guò)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(qū)的霧霾情況。
2、中國(guó)霧霾強(qiáng)度在宏觀上與大氣污染物排放強(qiáng)度呈反向變化趨勢(shì)，與歐美不一樣。夜間，運(yùn)行中汽車大幅減少、工廠停產(chǎn)、工地停工、發(fā)電廠負(fù)荷下降，大氣污染排放強(qiáng)度降低，霧霾強(qiáng)度卻顯著增強(qiáng);早上，生產(chǎn)生活恢復(fù)正常，污染排放強(qiáng)度提高，霧霾強(qiáng)度卻呈穩(wěn)定或下降趨勢(shì)。這不是偶然現(xiàn)象，而是一般性規(guī)律。
3、中國(guó)霧霾在節(jié)能減排趨勢(shì)中逆勢(shì)增長(zhǎng)，與歐美不一樣。中國(guó)推廣燃煤機(jī)組煙氣超低排放技術(shù)，提高了天然氣使用比例。2013 年，天然氣消費(fèi)1600 億立方米，能源消耗強(qiáng)度下降 3.7%。②北京通過(guò)政府補(bǔ)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(méi)有減少，反而頻率越來(lái)越高，重霧霾越來(lái)越多。
4、中國(guó)霧霾與新能源應(yīng)用比例正相關(guān)，與歐美不一樣。中國(guó)新能源應(yīng)用比例顯著提升，風(fēng)電、太陽(yáng)能、水電發(fā)展速度和裝機(jī)總量均居世界*一，但霧霾發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度不僅未能扼制和下降，卻大幅提高。
中國(guó)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。
中國(guó)霧霾形成機(jī)理的深度分析
通過(guò)對(duì)氣溶膠顆粒的成分進(jìn)行DNA測(cè)序，發(fā)現(xiàn)1300多種微生物(Cao等，2014)，表明中國(guó)霧霾頻發(fā)和嚴(yán)重性與東部地區(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(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)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(chǎng)包圍，每天垃圾處理缺口 8000噸，仍以每年 8%—10%的速度增長(zhǎng)(公布為北京每天產(chǎn)各類垃圾 1.8萬(wàn)噸，北京市環(huán)境專家認(rèn)為近3萬(wàn)噸)(圖3)。面對(duì)嚴(yán)峻形勢(shì)，中國(guó)政府已加強(qiáng)土壤環(huán)境保護(hù)和污染治理，堅(jiān)決向土壤污染宣戰(zhàn)。
中國(guó)嚴(yán)重霧霾快速形成與擴(kuò)散，與微生物繁殖有關(guān)。微生物繁殖速度驚人，圖4 表明，當(dāng)微生物飄移到大氣中吸附在氣溶膠凝結(jié)核表面，進(jìn)入生命周期遲緩期;當(dāng)土壤中水分蒸發(fā)，攜帶氨氮營(yíng)養(yǎng)物與氣溶膠凝結(jié)核結(jié)合，為微生物生長(zhǎng)提供水分、養(yǎng)料和氧氣，使微生物進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。
表1列出了幾種常見(jiàn)微生物的代時(shí)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(diǎn)，*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(shù)突變，左圖*高點(diǎn)在中午 12 點(diǎn)附近，右圖*高點(diǎn)在凌晨零點(diǎn)附近。按傳統(tǒng)解釋，指數(shù)突變應(yīng)有污染突發(fā)性事故，但事實(shí)上并沒(méi)有，這只能用微生物快速繁殖來(lái)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(yǎng)分。研究發(fā)現(xiàn)，微生物溫度適應(yīng)能力強(qiáng)，在水分蒸發(fā)進(jìn)入大氣，隨空氣溫度降低會(huì)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*大，使吸附在凝結(jié)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(xì)菌 根瘤菌枯草桿菌光合細(xì)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(shí)和每日增殖率圖5 指數(shù)在短時(shí)間內(nèi)突變微生物生長(zhǎng)*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(yíng)養(yǎng)劑。氨氮來(lái)源于土壤和水源富營(yíng)養(yǎng)化污染。改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，也付出了沉重的環(huán)境代價(jià)，圖 6 顯示中國(guó) 2012 年 GDP 增長(zhǎng) 7.8%，外部環(huán)境損失占GDP的9.2%。中國(guó)每年化肥使用量 4000 萬(wàn)噸，是美國(guó)、印度的總和，畝均施用量是美國(guó)的 3倍。江蘇畝均化肥施用量是全國(guó)的 4—5 倍。中國(guó)每年 COD 排放2400 萬(wàn)噸，氨氮排放 245 萬(wàn)噸，遠(yuǎn)超環(huán)境容量。有專家指出：“許多土壤污染地區(qū)已超過(guò)土壤的自凈能力，沒(méi)有外來(lái)的治理干預(yù)，千百年后土壤也無(wú)法自凈，有的地塊永遠(yuǎn)都無(wú)法自凈，甚至出現(xiàn)環(huán)境報(bào)復(fù)。”中國(guó)每年由于土壤污染而導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)達(dá)到100億公斤。富營(yíng)養(yǎng)水體中氨氮隨土壤水分蒸發(fā)，揮發(fā)到大氣中，成為微生物的營(yíng)養(yǎng)(圖7、圖8)。、
筆者實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。
筆者實(shí)驗(yàn)在低溫有效熱泵型蒸餾裝置中進(jìn)行，對(duì)土壤中提取的水在43℃進(jìn)行真空蒸餾。疾控中心對(duì)蒸餾水成分進(jìn)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(yíng)養(yǎng)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(fā)量*高，如表2所示。圖9顯示碳銨處理氨揮發(fā)動(dòng)力學(xué)曲線。圖10虛線為假設(shè)傳統(tǒng)霧霾濃度發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)線為微生物、水分及氨氮作用下霧霾濃度發(fā)展趨勢(shì)線。冬春季節(jié)夜間氣象條件有利于水分蒸騰凝結(jié)和微生物繁殖，尤其冷空氣南下造成空氣水分加速凝結(jié)，極易形成嚴(yán)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(qiáng)度下降。
結(jié) 論
中國(guó)霧霾不僅源于工業(yè)化進(jìn)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(yán)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(guó)霧霾快速形成與擴(kuò)散。
霧霾治理，一是應(yīng)從普遍性角度入手，減少傳統(tǒng)二次無(wú)機(jī)氣溶膠等凝結(jié)核產(chǎn)生。二是應(yīng)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(qū)域性集聚地，針對(duì)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(fā)水分中氨氮等營(yíng)養(yǎng)物;探索區(qū)域性與霧霾相關(guān)聯(lián)微生物群的發(fā)生規(guī)律和治理辦法。同時(shí)大力推進(jìn)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(guó)霧霾很嚴(yán)重、發(fā)生頻率高，但PM2.5濃度300~500mg/m3時(shí)對(duì)人體直接危害遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家。這給中國(guó)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(lái)了治理復(fù)雜性，提高了治理難度。
中國(guó)霧霾生成機(jī)理給我們敲響了警鐘。治理霧霾不僅要針對(duì)傳統(tǒng)霧霾形成機(jī)理，還要根據(jù)中國(guó)霧霾的特殊性，注重包括土壤、水源嚴(yán)重污染的治理修復(fù)，減少微生物飄逸和阻斷微生物營(yíng)養(yǎng)供給路徑。通過(guò)全社會(huì)的共同努力，早日將霧霾形成的臨界點(diǎn)降下來(lái)，治理霧霾的難題就會(huì)迎刃而解。
農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué) 作者：顧為東
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