中国雾霾特殊形成机理研究_顾为东
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2014 年第 6 期
中国雾霾特殊形成机理研究*
顾为东
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。
图 5 指数在短时间内突变
图 4 微生物群生命周期
三、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。
5
2014 年第 6 期
图 9 碳铵处理氨挥发动力学曲线图
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。
四、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。
4、中国雾霾与新能源应用比例正相关，与欧
*本文得到国家“973”计划（2007CB210300）和国家科技支撑计划（2013BAB08B04）的资助。
3
2014 年第 6 期
图 1 北京和京津冀地区雾霾情形
上海 PM2.5 质量指数趋势
注：中心线是时间，凌晨 0������00 点。 资料来源：环境保护部
一、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。
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 PM2.5 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。
������������ Kawaller，I.G.，Koch，P.D. and Koch，T.W.，The temporal price relationship between S&P500 futures prices and the S&P index. Journal Of Finance，Vol.42，No.5，1987.
有专家指出：“许多土壤污染地区已超过土壤
图 8 低温高效水分蒸发工艺流程图
6
2014 年第 6 期
土壤含水量 水分散失量 氨挥发量 水分引发氨挥发率
g/kg
g
mg
Mg/g
40
5.4
0.212
0.0393
60
10.5
0.389
0.0370
80
19.2
1.164
0.0606
100
33.5
1.501
0.0448
南京 PM2.5 质量指数趋势 图 2 中国雾霾 PM2.5 质量指数趋势示意图
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。
������������ Koutmos，G. and Tucker，M.，Temporal relationship and dynamic interactions between spot and futures stock markets. Journal Of Futures Markets，Vol.16，No.1， 1996.
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。
关键词 雾霾 二次气溶胶 蒸发 土壤 微生物 氨氮
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。① 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。
每日增殖率 2.7×1011 1.2×1024 8.2×103 7.0×1013 1.0×103 4.1×103 10.6 2.1 2.64 4.92
图 3 北京城被 2000 多座垃圾场包围 注：图中白点代表主要的垃圾场。
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。
图 10 中国雾霾结构贡献示意图
注释：
①《雾和霾的六大区别》，http://www.cma.gov.cn/
2011xzt/20120816/2012081601_2/201208160101/201
201209/t20120918_185501.html。
②参见李克强总理 2014 年 3 月 13 日中外记者招
120
40.9
1.87
0.0457
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（高鹏程，2002），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
表1
微生物的代时和每日增殖率
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
代时 38 分 18 分 110 分 31 分 144 分 120ຫໍສະໝຸດ Baidu分 7 小时 23 小时 17 小时 10.4 小时
每日分裂次数 38 80 13 46 10 12 3.4 1.04 1.4 2.3
待会。
（下转第 123 页）
7
2014 年第 6 期
������������Engle，R.F. and Kroner，K.，Multivariate simultaneous GARCH. Econometric Theory，Vol.11，No.1，1995.
������������ Engle，R.F. and Sheppard，K.K.，Theoretical and empirical properties of dynamic conditional correlation multivariate GARCH. NBER Working Paper，No.8554， 2001.
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%。
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。”④ 中国每年由于土壤污染而导致的粮 食减产达到 100 亿公斤。
������������ Kuo，W.H.，Hsu，H. and Chiang，M.H.，Foreign investment，regulation，volatility spillovers between the futures and spot markets: Evidence from Taiwan. Applied Financial Economics，Vol.18，No.5，2008.
4
二、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
2014 年第 6 期
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。③
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。
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。
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。
中国雾霾特殊形成机理研究*
顾为东
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。
图 5 指数在短时间内突变
图 4 微生物群生命周期
三、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。
5
2014 年第 6 期
图 9 碳铵处理氨挥发动力学曲线图
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。
四、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。
4、中国雾霾与新能源应用比例正相关，与欧
*本文得到国家“973”计划（2007CB210300）和国家科技支撑计划（2013BAB08B04）的资助。
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2014 年第 6 期
图 1 北京和京津冀地区雾霾情形
上海 PM2.5 质量指数趋势
注：中心线是时间，凌晨 0������00 点。 资料来源：环境保护部
一、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。
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 PM2.5 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。
������������ Kawaller，I.G.，Koch，P.D. and Koch，T.W.，The temporal price relationship between S&P500 futures prices and the S&P index. Journal Of Finance，Vol.42，No.5，1987.
有专家指出：“许多土壤污染地区已超过土壤
图 8 低温高效水分蒸发工艺流程图
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土壤含水量 水分散失量 氨挥发量 水分引发氨挥发率
g/kg
g
mg
Mg/g
40
5.4
0.212
0.0393
60
10.5
0.389
0.0370
80
19.2
1.164
0.0606
100
33.5
1.501
0.0448
南京 PM2.5 质量指数趋势 图 2 中国雾霾 PM2.5 质量指数趋势示意图
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。
������������ Koutmos，G. and Tucker，M.，Temporal relationship and dynamic interactions between spot and futures stock markets. Journal Of Futures Markets，Vol.16，No.1， 1996.
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。
关键词 雾霾 二次气溶胶 蒸发 土壤 微生物 氨氮
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。① 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。
每日增殖率 2.7×1011 1.2×1024 8.2×103 7.0×1013 1.0×103 4.1×103 10.6 2.1 2.64 4.92
图 3 北京城被 2000 多座垃圾场包围 注：图中白点代表主要的垃圾场。
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。
图 10 中国雾霾结构贡献示意图
注释：
①《雾和霾的六大区别》，http://www.cma.gov.cn/
2011xzt/20120816/2012081601_2/201208160101/201
201209/t20120918_185501.html。
②参见李克强总理 2014 年 3 月 13 日中外记者招
120
40.9
1.87
0.0457
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（高鹏程，2002），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
表1
微生物的代时和每日增殖率
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
代时 38 分 18 分 110 分 31 分 144 分 120ຫໍສະໝຸດ Baidu分 7 小时 23 小时 17 小时 10.4 小时
每日分裂次数 38 80 13 46 10 12 3.4 1.04 1.4 2.3
待会。
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2014 年第 6 期
������������Engle，R.F. and Kroner，K.，Multivariate simultaneous GARCH. Econometric Theory，Vol.11，No.1，1995.
������������ Engle，R.F. and Sheppard，K.K.，Theoretical and empirical properties of dynamic conditional correlation multivariate GARCH. NBER Working Paper，No.8554， 2001.
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%。
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。”④ 中国每年由于土壤污染而导致的粮 食减产达到 100 亿公斤。
������������ Kuo，W.H.，Hsu，H. and Chiang，M.H.，Foreign investment，regulation，volatility spillovers between the futures and spot markets: Evidence from Taiwan. Applied Financial Economics，Vol.18，No.5，2008.
4
二、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
2014 年第 6 期
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。③
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。
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。
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。