“最近30年就是研究灰尘”——记庄国顺教授的气溶胶及空气质量研究

本刊记者/李 辉

“最近30年就是研究灰尘”
——记庄国顺教授的气溶胶及空气质量研究

本刊记者/李 辉

本期项目：中国大气污染物气溶胶的形成机制及其对城市空气质量的影响；

所获奖项：2012年度国家自然科学奖二等奖；

第一完成人：复旦大学庄国顺教授。

庄国顺教授

在上海院士中心 2013年 3月14日举办的第60期院士沙龙“城市空气污染治理的对策和建议”上，笔者第一次见到了庄国顺教授。这时距离笔者第一次联系庄教授已经有一个多月的时间了。随着PM2.5议题在中国各地的持续发酵，庄教授已经成了不折不扣的大忙人。

庄教授的演讲中有几段话，可能最为代表他当天的演讲内容，也最代表他一直以来的思想。

“人们很早就知道大气运动是全球性的，但一直到上世纪80年代才知道颗粒物也是可以长途传输的。所以在上个世纪70年代的欧洲，所谓区域联控主要是针对气体的区域传输。对于细颗粒物的长途传输，直到近年来才在不断研究中有所认识。 ”

“我们发现，颗粒物的长途传输，经过不同的地方造成的影响并不相同。同样的气溶胶，传输至北京可以使当地pH值升高一个单位，但是传输到上海后可以使当地pH值降低两个单位。可见气溶胶长途传输产生的影响非常大——大大超过我们原来的想象。”

“今天讲的大气污染不是一个城市问题，起码是区域性的问题，在某种意义上是全球性的问题。”

庄教授对PM2.5从“长途传输”角度出发的解释，其实也正是他获得国家自然科学奖二等奖的原因。庄教授后来还是给我了采访机会，通过后续的采访，我得以更加细致地理解他一路以来的研究历程。

一

对于颗粒物的长途传输，其实公众并不陌生。我国黄土高原厚厚的黄土，即是在过去二百多万年间由我国西北沙漠及亚洲中纬度干旱区产生的沙尘经风力搬运后堆积而成的。

如所周知，大气运动可以把土壤以及沙石拔地而起，形成随时随地可见甚至铺天盖地的沙尘暴，并经由大气中的水以及重力的作用，搬迁至或近或远的另一处。

大气引发并携带的除了大颗粒的沙尘，还有小颗粒的气溶胶。

气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾、轻雾、微尘和烟雾等，都是天然或人为原因造成的大气气溶胶。

只是直到20世纪80年代初，科学家们才首次发现气溶胶的长途传输。人们发现，来自中国西北黄土高原的尘埃，千万年来飞越亚洲大陆和太平洋上空，经过大约一周的旅行沉积于遥远的北太平洋，甚至到达美国西部沿海。

在北太平洋，随大气而来的某些化学元素经由海气交换，进入海洋。与随河流输送入海的物质一样，这些化学元素也成为了海洋物质的重要来源。

这时，人们才意识到，气溶胶之于太平洋中的沉积层，正如沙尘之于我们的黄土高原。在当时的这一波研究中，Robert A.Duce是最为代表性的科学家之一。他从80年代初开始，在太平洋的许多小岛设网络取样站，开启了海气交换研究。

以Duce领衔的科学家们，根据卫星传送的各地气象资料进行的气溶胶传输轨迹追踪分析，清楚地证明北太平洋上空的气溶胶来自中国中西部的沙漠和黄土高原。例如，1986年4月15日在太平洋中的小岛Oahu北面附近收得的气溶胶，来自于4月8日中国中西部的沙漠和黄土高原地区。大概而言，气溶胶从中国传输到中太平洋海岛上一般需要5-10天。

二

这位Duce教授，正是庄国顺在美国攻读博士学位时的导师。1960年代毕业于复旦大学化学专业的庄国顺，1980年代求学于美国，在Duce的指导下开始攻读环境科学的博士学位。

气溶胶长距离传输示意图。其中，源自亚洲中部沙漠地区的沙尘在传输的过程中，与沿途的工业燃料废气、汽车尾气不断结合，生成复合污染气溶胶。一路沉降至北京、上海甚至跨越太平洋到达北美

在跟随导师进行全球气溶胶运动研究的基础上，庄国顺在Duce的指导下，更深一步地，依靠自己的化学基础，做出了独特的贡献。

1990年，庄国顺以第一作者，在国际著名杂志《地球物理研究》上发表论文，提出：大气沉降的铁是海洋表层水中铁的最主要来源。

“气溶胶中所含的两价铁很难分析。20世纪80年代以前文献中关于水溶液中二价铁的数据都不可靠。研究大气中的铁有相当难度。我因为是学化学出身的，所以在物理化学和分析化学方面有优势。”正是这样的优势使得庄国顺发表了这篇后来大量被引用的作品。

庄国顺进一步发现，雨水、云层水及海洋气溶胶的铁含有高比例的二价铁，而分析其中的化学变化，可以揭示大气海洋物质交换过程中的铁硫耦合反馈机制。在大量实测数据并在实验室模拟研究的基础上，1992年庄国顺以第一作者在《自然》杂志发表了相关论文。

所谓大气传输过程的铁硫耦合机制及其对全球生物地球化学循环的重要作用，具体来说：

气溶胶及云层水中的四价硫被三价铁直接氧化或光氧化或催化氧化，生成硫酸盐，而三价铁则被还原成二价铁；

中亚沙漠及黄土高原的沙尘含有大量三价铁，在从我国上空传输到太平洋途中，随着硫酸盐的增加，气溶胶中所含的可为海洋表层生物吸收的二价铁随之增加，因而海洋表层的浮游生物也随之增加。

这一假设的提出引起了国际科技界的普遍重视。

1996年美国科学家在赤道太平洋地区，1999年欧美及澳大利亚、新西兰等国科学家在南大洋地区进行了中尺度的人为加铁实验，在一星期内便引起了海洋表层生产力的数倍增长，并从人造卫星的遥感照片中直接拍摄到该地区海洋表层水硅藻大量增长的彩色照片，从而证实了庄国顺的这一假说。

庄国顺的研究，也为他赢得了导师“庄为当时国际上3-4名大气中铁的生物地球化学专家之一”的赞誉。

三

“我对沙尘的源头非常感兴趣，所以就想回来中国继续做研究。”1998年，庄国顺归国，进入北京师范大学环境研究中心工作。

回到中国后，庄国顺发现，当时关于沙尘暴的议题突然在中国非常热门。在庄国顺看来，沙尘暴是一种自然现象，也是他们一直关注的研究对象，并不是最近才有的。中国公众如此热衷于讨论这一话题，他一时感到有些奇怪。

沙尘暴来源区均位于干旱半干旱地区。全世界四大沙暴区是：独联体中亚部分及中国西北部的中亚沙暴区、澳大利亚中部的澳大利亚沙暴区、美国中西部的北美沙暴区和非洲撒哈拉沙漠中的中非沙暴区。

其中第一个，如前文所说，是黄土高原以及北太平洋物质的重要来源地，也正是庄国顺最为关心的一个沙源。而近几十年来，由于未将资源开发与环境保护结合起来，这里的沙漠化日趋严重，正成为世界上活动最剧烈的沙尘暴地区。它带来的一个直接影响，就是中国北方地区日趋频繁的沙尘暴。

之前，庄国顺从全球大气运动的角度对这一地区给予关注，而回到中国后，研究对象未变，但关注的议题却进入到了环保领域。

与当时一般专家加强植树造林、搬迁工厂等想法不同。庄国顺更关注沙尘暴以及气溶胶所带来的环境变化中的化学因素。从这一角度出发，庄国顺一开始就发现了一个问题：当时我们国家在测算颗粒物污染情况时，以PM10为衡量标准，而PM2.5，则无人关心。

大气中直径在 10微米以下的颗粒物称为PM10，粒径小于2.5微米的颗粒物为PM2.5。细小的微粒不为人所观察，但并不说明它们不会被人吸收——事实上它对人体的危害可能更强。

在新疆沙漠中考察的庄国顺

在庄国顺看来，中国政府当时在对外公布空气质量时，以PM10来看虽然“越来越好”、“非常好非常好”，但如果以PM2.5为标准，污染状况其实也是非常严重的。

四

回到国内后，庄国顺的全球海气交换研究继续进行，首先是对新疆沙漠地区的物质成分的研究。

在新疆工作，人生地不熟。庄国顺往往是先跟当地的环保局等相关部门联系，请求帮助；如果没有政府部门的支持，他们会在中学里寻找愿意合作的中学老师一起研究。

2006年底，庄国顺率领团队来到了塔克拉玛干沙漠中部的塔中站，在那里采了两个月的样品。这次他们取得了很大的收获。他们发现，95%以上的塔里木上空的硫酸盐都是以可溶性状态存在。原本大家以为硫酸盐是二氧化硫转化的，但根据他们的这次最新成果，由于塔里木地区原本是海洋，所以塔里木的沙尘中原本就有硫酸盐。古时候的硫酸盐经过风化，变成了现在所看到的沙尘的组成部分。

“我经费很少，但我每个季度都要收集样品和数据。从沙尘源区到沙尘途径城市，”庄国顺说。据了解，10年来，庄国顺团队在我国的典型地区和亚洲沙尘传输途径上设置了多个采样点，从西部的新疆一直到东海，每个季度用一到两个月的时间进行采样，共采集了近2万个气溶胶样品。

沙尘暴既输送比常日高达数十倍的污染物，还输送比平时高得多的二价铁。沙尘气溶胶中二价铁的发现及其与SO42-离子浓度的正相关，再次提供了铁硫耦合反馈机制的现场证据。这类发现，为继续他的全球海气交换研究提供了支撑。

而这些数据，在用于研究沙源—大气—海洋的物质交换过程的同时，也为解释中国各地的雾霾问题提供了独特的视角。

比如，庄国顺团队发现，中国北方气溶胶受春季沙尘的影响，pH值可以升高1个单位，而在上海，其pH值则比非沙尘期间低2个单位，可见长途传输而来的沙尘会对下游地区产生重大影响。这类发现，为理解中国境内的大规模雾霾提供了依据。

根据在沙尘途径城市所布置的采集点，庄国顺团队发现沙尘期间的高浓度污染物，一般来自于沙尘与沿途排放的污染物的混合，或者沙尘暴入侵气团与当地污染气团之间的交汇叠加。这一观点其实正是他提出“区域联控”的理论基础。

当然，不可能到处都能采样，所以还必须借用遥感卫星的数据。庄国顺团队利用卫星遥感、雷达等观测结果分析了我国气溶胶和污染气体的三维空间分布和区域特性，结合化学分析揭示了我国城市灰霾形成的三个主要成因：二次气溶胶、沙尘、生物质燃烧。

五

正是考虑到颗粒物传输过程对各地污染的影响不同，庄国顺认为，即便上海这样看起来距离沙尘暴很远的地方，污染仍然是很严重的。在上海举办世博会之前，“我就离开北京，来到了上海。因为当时无论是政府层面还是环保学术界，乃至广大民众都普遍认为上海的空气质量要比北京好很多，而我却为南方的空气质量焦急。”庄国顺于2004年进入复旦大学环境科学与工程系工作。

在媒体上，庄国顺的一句话，“上海的空气质量并不比北京好”，曾引起很大的风波。因为上海在改造苏州河、治理空气污染方面确实做了大量的工作，也取得了很大的成绩。但庄国顺认为，在PM10的水平上，可以说上海的空气质量要比北京好，但从PM2.5的水平来看，北京年平均PM2.5数值在50至70之间，上海大约在40至70之间，两者基本在同一个水准。因此，“好不到哪里去。”

庄国顺的研究结果发现，气溶胶中的铵盐、硫酸盐/硝酸盐等可溶性盐及草酸盐等有机组分是能见度降低的直接影响因子，其来源为光化学反应，云中液相反应及生物质燃烧等；而机动车的尾气排放均是这些物质的主要来源。

针对北京和上海空气中细颗粒物PM2.5中的各种化学成分，庄国顺团队已经进行了长达十多年的观测，通过对观察结果中硝酸盐和硫酸盐的相对比值进行比较，他们发现：从2000年到2003年，硝酸盐与硫酸盐的比值是0.3左右；而以后此比值一直呈上升趋势，到了 2012年，许多时间段这一值已经达到1。而在去年年底和今年初的全国性大范围雾霾事件中，两者的比值，甚至达到1.5－2.0。

交通排放的不仅是氮氧化物，还有更多的有机烃进而形成的有机气溶胶，还有其不完全燃烧产生的黑炭以及汽车运行时产生的道路扬尘。庄国顺认为，根据上述数据可以说明目前在诸如上海等大中城市中，交通排放已经大于工业排放。

千百年来，沙尘和生物质燃烧一直存在，但并没有导致全国大范围、大规模的雾霾。我国在煤燃烧的脱硫脱硝上采取了一系列有力措施，近年来大气中二氧化硫的浓度也有下降趋势或基本上维持在原来水平。

考察这次我国中东部大范围雾霾的原因，如果和两三年前的大气污染物排放状况相比较，在全国范围内，唯独机动车数量在诸多大中城市，包括中东部地区很多县城，在2010年到2012这两三年间急剧增加，“因此我们可以有根据地说，近年来我国机动车的急剧增加，交通排放日益严重是造成这次大范围雾霾的主要原因。因此控制机动车数量的急速增长及其排放标准已成为改善中国大中城市当前大气质量的当务之急。”

机动车的排放并非上海一个城市的问题，全国各地的尾气排放混合到全球传输的气溶胶中，PM2.5的问题就不能简单地本地解决了。所以庄国顺一再强调：“今天讲的大气污染不是一个城市问题，起码是区域性的问题，在某种意义上是全球性的问题。”这一观点，毫无疑问，是建立在他三十年对气溶胶远距离传输的研究基础之上的。