中國霧霾形成機理的深度分析 農村土壤也是禍首

2012年冬以來，霧霾頻繁肆虐於中國北京及廣大中東部地區上空。霧和霾區別在於水分含量：含水量達到90%叫霧，低於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。中國霧霾結構和產生機理與歐美等國比較，既具有共性，也具有特殊性。這篇文章具有一定參考意義。

1、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60%肺癌患者。圖1-1、1-2顯示北京和京津冀霧霾情況。

(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，圖2-1，2-2，2-3數據來自中國環保部。

(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。但霧霾並沒有減少，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第一，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。

2、中國“霧霾”形成機理的深度分析

通過對氣溶膠顆粒的成份進行dna測序，發現1300多種微生物。表明中國霧霾頻發和嚴重性與我國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，我國經濟發展方式粗放，產業結構和版面不合理，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5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。

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。按傳統解釋，指數高點應有污染突發性事故發生，但事實上並沒有，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最大，使吸附在凝結核表面微生物獲得充分氧氣。

微生物生長最重要的養分是氨氮，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。氨氮來源於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，也帶來嚴重環境代價，圖7顯示中國2012年gdp增長7.8%，外部環境損失占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。”我國每年由於土壤污染而導致的糧食減產達到100億公斤。

富營養水體中的氨氮會隨土壤水分蒸發，揮發到大氣中，成為微生物營養劑。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，對土壤中擷取的水在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最高，如表2所示。圖13顯示碳銨處理氨揮發動力學曲線。

圖14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於水份蒸騰凝結和微生物繁殖，尤其冷空氣南下造成空氣水份加速凝結，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。

4、結論

中國霧霾不僅源於工業化進程中工業污染產生的二次氣溶膠顆粒，還源於廣大農村土壤、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，減少和阻斷蒸發水分中氨氮等營養物；探索區域性與霧霾相關聯的微生物群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於歐美國家。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雜性，提高治理難度。

中國霧霾產生機理給我們敲響警鐘。治理霧霾不僅是針對傳統霧霾形成機理，還要根據中國霧霾特殊性，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，治理霧霾的難題就迎刃而解。