近代以来美国的能源消费与大气污染问题

摘 要： 近代以来，能源消费之于环境变迁的影响愈发直接而深刻，持续重塑着环境问题的形成途径和表现形式，影响着环境污染的程度和解决方式。通过对美国最近两百余年的能源消费和大气污染问题进行深入考察，发现能源结构的转型导致大气污染物类型出现新变化;能源服务的普及和消费规模的增大致使大气污染的地理范围扩大;能源效率的高低很大程度上决定着大气污染程度的演化。梳理和分析近代以来美国能源消费与大气污染问题间蕴含的一般性关系，不但有助于从学理层面探讨能源史和环境史研究的契合路径，而且对于从实践层面妥善解决当前中国的大气污染问题，也具有重要启示意义。

关键词： 能源消费;大气污染;美国史;能源史;环境史

能源是一个内涵丰富的概念，具体种类多样，划分标准不一。从对环境的影响来看，一般可以分为非清洁能源（以柴薪为代表的植物能源及以煤炭、石油为代表的化石能源为主）和清洁能源（以天然气为代表的化石能源及以太阳能、风能、水能、核能等为代表的可再生能源为主）两大类。① 人类社会消费能源的种类、数量及方式是社会经济不断演进的最重要的物质条件之一，同时，能源消费过程中产生的废弃物是导致自然环境变迁的最关键诱导因子之一。因此，考察近代以来特定国家或地区社会经济发展中能源消费与环境问题的关联，成为能源史及环境史研究的有效分析视角。

在因能源消费而导致的一系列环境问题之中，尤以大气污染问题最为直观和典型。20世纪80年代以来，学界从能源消费角度持续推进对大气污染史的研究，积累了较为丰富的成果。不过，既往研究仍存在诸多不足，留有进一步推进的空间。首先，研究时段和内容多聚焦于20世纪五六十年代之前的煤炭利用与煤烟污染问题，对于此一时段前后其他种类能源消费之于环境的影响关注不够。其次，研究对象多设定为英国，对其他国家相关问题及历史经验的分析不足。再者，研究方法多侧重于史料梳理与定性描述，量化分析程度有待深入挖掘。代表性成果有David Stradling， Smokestacks and Progressives：Environmentalists，Engineers，and Air Quality in America，1881-1951，Baltimore and London： The Johns Hopkins University Press，1999; Stephen Mosley，The Chimney of The World： A History of Smoke Pollution in Victorian and Edwardian Manchester， London and New York： Routledge Taylor &Francis Group，2008;Frank Uekotter， The Age of Smoke： Environmental Policy in Germany and the United States， 1880-1970， Pittsburgh： University of Pittsburgh Press， 2009;William MCavert，The Smoke of London： Energy and Environment in the Early Modern City， Cambridge：Cambridge University Press， 2016;[美]彼得·索尔谢姆著，启蒙编译所译：《发明污染：工业革命以来的煤、烟与文化》，上海社会科学院出版社2016年版;[澳]彼得·布林布尔科姆著，启蒙编译所译：《大雾霾：中世纪以来的伦敦大气污染史》，上海社会科学院出版社2016年版等。 实际上，相比英国等国而言，近代以来美国的能源消费规模更为庞大，由此引发的大气污染问题也更为突出，更能体现出大国能源消费与环境问题之间的复杂关联。鉴于此，本文在前人研究基础上，尝试借鉴能源史和能源经济学的分析方法，进一步强化量化研究力度，从能源消费领域三个相对独立且又相互联系的维度出发，对近代以来美国的大气污染问题进行长时段分析，以期揭示经济发展过程中能源消费与环境变迁的一般性关系，并且基于美国经验所具有的启示意义，对当前中国的大气污染治理提出一些浅见。

一、能源結构与大气污染类型

近代以来，美国的能源结构实现了由植物能源为主向矿物能源为主的转型。由于各类能源在物质构成上存在很大差别，燃烧后排放的大气污染物类型亦有诸多不同。正如大气污染史研究先驱彼得·布林布尔科姆所言，燃料的燃烧在大气污染问题的产生上“扮演了一个关键性的角色”。彼得·布林布尔科姆：《大雾霾：中世纪以来的伦敦大气污染史》，第7页。 可以说，美国每次能源结构的转型都会导致新型大气污染问题应运而生，这成为推动大气污染类型不断演变的主要原因。

（一）能源结构转型历程

传统农业社会中，各国的能源结构均较单一，彼此之间存在很大相似性，表现在主要以植物燃料为主。国际著名能源史学家保罗·马拉尼马认为传统农业社会超过95%的能源来源于植物，风力和水力等所占比重不足5%。Astrid Kander， et al Power to the People： Energy in Europe over the Last Five Centuries， Princeton： Princeton University Press， 2013， p38 美国自不例外，1775-1845年间木柴在其总能耗中的比重接近100%。有学者估计直到19世纪中期，木柴仍是美国最主要的能源种类，占总能耗的90%，支撑了整个国家对于热能的需求。杨国玉：《美国能源结构转换的特点》，《能源基地建设》，1994年第6期，第63页。 第一次工业革命的发生和在全球范围内的扩散，促使美国的能源结构开启了由植物型为主向化石型为主的转型。加拿大能源史学家瓦茨拉夫·斯米尔在分析一个国家能源转型时认为，在由一种旧能源转向另一种新能源的过程中，如果新能源在总能耗中的比重达到5%，则可认为是新能源系统开始转型的标志。参见VaclavSmil，Energy Transitions：History，Requirements，Prospects， Santa Barbara： Praeger， 2010， p63本文亦将5%作为定义美国阶段性能源转型开始的标志。 对照图1，可以发现自19世纪50年代左右至今，美国的能源转型经历了总体前后相继且局部有限重合的三个阶段，实现了由植物能源—煤炭—石油—天然气为代表的清洁能源之间的交替嬗变。

1850年左右至1950年左右，是煤炭在能源消费结构中比重逐渐上升，继而占据最大单一能源种类地位的时期。美国早期殖民者多居于森林茂密的东部，以木柴为主要燃料，使用煤炭有限且大都由英国直接进口，因而最初对煤炭的开采并不熟悉。18世纪40年代，有人曾在马里兰和弗吉尼亚交界处尝试利用奴隶采煤。[美]约翰·塔巴克著，张军等译：《煤炭和石油——廉价能源与环境的博弈》，商务印书馆2011年版，第10页。 商业采煤业兴起于弗吉尼亚的里士满，此后宾夕法尼亚、俄亥俄、伊利诺伊、印第安纳等地相继兴起采煤业。然而，由于当时植物能源充足易得，煤炭利用成本相对较高，一些早期推广使用煤炭的活动多以失败告终。直到19世纪初，普通住户仍然缺乏如何有效利用煤炭的知识，煤商们向家庭销售煤炭的努力面临很大阻力。随着社会经济的发展和能源需求量的扩大，木柴、木炭价格不断上涨，煤炭价格整体下跌，最终促使后者得到普遍利用。Peter AO’Connor， Cutler J Cleveland，US“Energy Transitions， 1780-2010，”Energies， Vol7， No12 （2014）， pp7968-7969 1850年，煤炭已占美国总能耗的10%左右。根据美国能源信息部（EIA）官网（https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=10#和https：//www.eia.gov/totalenergy/data/annual/#summary）（2018-09-02）相关数据核算。 根据山姆·H舒尔和布鲁斯·C奈特斯彻的研究，受交通运输业、冶炼业和大工业等高能耗部门快速发展的推动，1885年煤炭在能源结构中的比重超过50%，标志着美国向以煤炭为主的能源结构转型完成，进入了“煤炭时代”。1910年，煤炭在总能耗中的比重接近77%的历史峰值水平。之后，随着石油、天然气以及水电资源开发和利用程度的提高，煤炭的比重逐渐下降，1940年已不足50%。Sam HSchurr， Burce CNetscher，Energy in the American Economy， 1850-1975， Baltimore： The John Hopkins University Press， 1960， p36 到1950年左右，煤炭的比重（356%）首次被石油（385%）超过，结束了其作为最大单一能源种类的历史。根据美国能源信息部（EIA）官网（https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=10#和https：//www.eia.gov/totalenergy/data/annual/#summary）（2018-09-02）相关数据核算。

1910年左右至1978年，是石油在能源消费结构中比重逐渐上升，继而开始占据最大单一能源种类地位的时期。19世纪末之后，美国的社会经济发展虽然继续得益于第一次能源转型的结果，但是除此之外也出现了一些新的重大变化，即石油开始以规模化应用的形式登上历史舞台。美国是世界上第一个商业化生产石油的国家，于1859年在宾夕法尼亚的缇特斯韦尔地区建立了第一个商业油井。1861年，宾州的帝井（the Empire Well）和菲利浦油井（the Phillips Well）的日产量合计达到6500桶，当时“足以满足全世界的石油需求”。由于其他油井也同时开始出油，而市场需求非常有限，因而造成供大于求的局面。约翰·塔巴克：《煤炭和石油——廉价能源与环境的博弈》，第106页。 1880年，美国已经成为世界上最主要的产油国，年产量250万桶，高于英国、法国和德国等其他欧洲国家。Owen EW，Trek of the Oil Finders： A History of Exploration for Petroleum，Tulsa， OK： American Association of Petroleum Geologists， 1975， p12 不过，美国在世界石油产业中执牛耳的地位，并不能够保证其快速实现向以石油为主的能源结构转型。在现代石油产业建立的最初半个世纪内，因精炼技术和利用技术较为落后，石油主要是被提炼成煤油以作照明之用。加之利用成本较高，迟迟难以刺激市场扩大有效需求，故而其在美国总能耗中的比重不大。1910年左右，石油的比重才超过5%。此后，随着各行业对汽油、柴油、燃料油和润滑油需求的增大，石油消费量在能源消费总量中的比重才逐渐上升。尤其是“二战”之后，燃料工业和化学工业迅速发展，刺激石油消费量急剧增长。1950年左右，石油的比重超过煤炭，成为最主要的能源消费种类。1977-1978年间，其比重一度达到47%的峰值。此后虽有下降，但直到现在仍是美国最大的单一能源种类。

近代以来美国热能、光能和动力能领域的持续更新换代，提高了能源利用的水平和能源服务的质量，降低了能源利用的单位成本，推动了微观层面上各个部门能源需求的增加和宏观层面上能源消费规模的扩大。从图2可知，1775-2015年间，总能耗除了在个别时段短暂下降或增长缓慢之外，整体呈快速上升态势，由02千兆BTU上涨至1002千兆BTU，年均增长率在26%左右。值得注意的是，美国能源服务水平的提高以化石能源消费量的不断攀升为基本前提。1855-1975年间，煤炭、石油、天然气的消费量几乎每年都在总能耗的90%以上。只是在第一次能源危机之后，由于可再生能源的开发，其消费量才相对降低，但1975-2015年年均消費量仍达总能耗的86%左右。根据美国能源信息部（EIA）官网（https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=10#及https：//www.eia.gov/totalenergy/data/annual/#summary）（2018-09-02）相关数据核算。

（二）大气污染的范围

追根溯源，近代以来美国热能、光能和动力能等能源服务绝大部分源自化石燃料的燃烧，具有明显的环境外部性特征，因此必然会导致能源消费地生活、商业、生产和交通领域内大量固定和移动污染源的形成。从地域上看，当污染物排放量超过环境自净能力后，一方面容易引起能源消费地大气污染问题，另一方面污染物也会受大气环流的影响，飘至其他地区，导致污染范围的扩大。受此影响，美国大气污染的波及范围逐渐从城市性污染、区域性污染向广域乃至全球性污染演变。

1城市性污染 美国大气污染问题最初表现为单个城市性污染，从类型上看主要是生活、商业和工业等固定污染源引起的煤烟型污染。近代早期，生活、商业污染源大部分源自居民和商户出于对热能的需要，在壁炉、铁炉、锅炉中燃烧煤炭，向大气中排放烟气的行为。由于使用人数多，涵盖范围广，由此造成的煤烟污染渐趋严重，成为导致各城市大气污染的主要原因之一。鉴于新的燃烧工具资本投入较高以及居民燃烧习惯、生活习俗难以改变等因素，家庭燃煤烟雾问题在很长一段时间之内无法消除。Victor J Azbe， “Rationalizing Smoke Abatement，” in Carnegie Institute of Technology，Proceedings of the Third International Conference on Bituminous Coal， Pittsburgh： Carnegie Institute of Technology， 1931，VolII， p603 工业污染源主要是发电厂、冶炼厂、化工厂等工矿企业生产过程中排放煤尘、粉尘的污染源。近代美国的大工业首先集中在地理位置优越、煤铁资源丰富的东北部和中西部地区。19世纪中叶以后，在东北部，以纽约为中心，费城、波士顿等城市迅速发展，形成以服装、造船、机械制造等为主体的制造业城市群;在中西部，匹兹堡、芝加哥、底特律、伯明翰、圣路易斯、辛辛那提、克利夫兰、密尔沃基、堪萨斯等依据各自区位优势，建立了以钢铁、煤炭、冶金和汽车为基础的工业体系。[美]HN沙伊贝等著，彭松建等译：《近百年美国经济史》，中国社会科学出版社1983年版，第90页。 在各大城市内部，一座座拔地而起的厂房，一根根消耗巨量煤炭的烟囱，成为日常景观的真实写照。

固定污染源排放的滚滚浓烟，极大恶化了大气质量，致使较早发生工业革命的城市大气污染都相当严重，许多城市饱受烟害之苦。匹兹堡很早就因其煤烟而臭名昭著，素有“揭开盖子的地狱”DavidsonCliff I，“Air Pollution in Pittsburgh： A History Perspective，”Journal of the Air Pollution Control Association， Vol29， No10 （1979）， p1037 之称，但它却不是唯一的烟城。内战之后，大气污染已遍布中西部各大城市。比如截至1869年，不断增长的工厂和大量烟煤的使用，使得克利夫兰长时间被烟雾笼罩，以致《日常领导》杂志（Daily Leader）的一位编辑警告该市正处在不断丢失美丽城市声誉的危险之中。Daily Leader，7 May 1869转引自David Stradling， Smokestacks and Progressives： Environmentalists， Engineers， and Air Quality in America，1881-1951， p38 几乎同一时段，芝加哥的黑色烟幕“使太阳失去光辉，让城市变得黑暗”。Martin V Melosi，Pollution and Reform in American Cities， 1870-1930， Austin： University of Texas Press， 1980， p86 辛辛那提、密尔沃基、圣路易斯等多个城市在19世纪90年代城市改革运动兴起之前，因烟煤导致的大气污染也已非常明显。Martin V Melosi，Coping with Abundance： Energy and Environment in Industrial America， p32 相比而言，直到“一战”以前，使用无烟煤的东部城市如费城、纽约、波士顿等地大气仍较为清洁。BFreese，Coal： A Human History， New York： Penguin Books， 2003， p149 不过，由于随后无烟煤供给的短缺，这些城市烟煤利用数量渐趋增多，大气也终于随之“黑化”。

2区域性污染 区域性大气污染是在城市性污染基础之上，由交通工具代表的移动污染源催生的、涵盖毗邻城市群或大工业地带的污染现象。19世纪初燃煤蒸汽船发明后，航运公司通过燃料实验、技术改进和积极的营销策略，推动了蒸汽航运业的快速发展。内战前后，美国逐渐形成了从东北部内河蒸汽船、西部浅层蒸汽船到大湖区和沿海大型蒸汽船的蒸汽航运网。与此同时，铁路事业也在稳步发展。1830-1840年间，波士顿、纽约、费城、巴尔的摩、华盛顿等地之间已有短程铁路相通。内战之前，宾夕法尼亚、马里兰、俄亥俄、密执安、伊利诺伊等州开始大规模修建铁路，逐渐形成密集的东北—中西部铁路网。随后，美国又于1862-1893年间相继完成太平洋、圣菲、南北太平洋和大北铁路，最终建成了完整的大陆铁路网。除此之外，19世纪末汽车出现之后，美国还掀起了公路运输领域的革命。一些传统大城市和新兴城市逐渐用汽车替代马车，重塑城市运输格局。20世纪初，美国已基本建成水路、铁路以及公路纵横交错的全国性交通网。

相比固定污染源，轮船、火车和汽车等交通工具在运行时同样会排放出大量污染物，加重城市性大气污染。不过，从污染地理学的角度看，交通工具最重要的环境影响是作为移动污染源，将之前相对分散的单个城市性污染区连接在一起。轮船、汽车和火车以相对较低的高度排放尾气，加之移动不定，摆脱了局部地形、大气环流和光照条件等自然地理以及行政区划的限制，致使区域性大气污染问题的出现。从政策方面看，直到20世纪50年代前半段，美国都没有针对移动污染源制定统一的监管方案。一些城市针对烟雾管制的条例就不适用于进入、离开或者穿越城市的列车。比如南加州是美国汽车数量最多的地区，1954年汽车和卡车数量达236万辆，成为该地区最大的污染源。虽然洛杉矶县大气污染管理区每天能够处理当地固定污染源排放的5000余吨污染物，但是自由进出的汽车却排放出12万吨左右不受控制的尾气。“APCD Completes Job，”Montebello News， 7 November， 1957 到1966年，機动车在美国各地“贡献”了60%以上的污染物，以致至少有27个州和哥伦比亚特区都出现了严重的区域性大气污染问题。Martin V Melosi，The Automobile and the Environment in American History http：//wwwautolifeumdumichedu/Environment/E_Overview/E_Overview4htm（2018-10-05）

3广域—全球性污染 大气是流动的，任何一个地区都无法将本地大气与其他地区隔离开来。只要有风，只要不存在全国性甚至全球性的大气污染控制努力，那些试图保持自身大气清洁的地区就会不可避免地受到其他地区肮脏大气的污染。大气环流催生的跨界大气污染绝非局限于毗邻的两个州，很多时候其会促使大气污染从区域性问题演化为广域性乃至全球性污染。

导致广域性大气污染的污染物主要是硫氧化物、挥发性有机物和氮氧化物，典型现象为酸雨和臭氧污染。美国大烟囱工业的普遍兴起，是广域性酸雨污染形成的基本前提。“二戰”之后，鉴于大气污染被认为是一个地方性问题，市—县—州层面制定了严格的环境立法，限制区域污染物浓度标准。为了避免硫氧化物浓度超标，许多大型企业都提高烟囱高度，利用大气环流稀释污染物浓度。比如1963年时，一些电厂的烟囱已达到700英尺。1970-1979年间，美国各地电厂又建造了178个超过500英尺的烟囱。USCouncil on Environmental Quality，Environmental Quality： 1980， Washington， DC： Executive Office of the President， Council on Environmental Quality， 1980， pp173-177 这些烟囱将酸性物质由近地面输送到高层大气，致使其扩散至数百公里乃至数千公里外的下风向地区，形成广泛的酸雨污染问题。酸沉降在50年代首次于美国被实地检测发现，此后在一些碱性化合物含量较低的山区，如田纳西州东部、北卡罗来纳州西部、佐治亚州北部、西弗吉尼亚州东西部等地，都曾发现明显的酸沉降。Ellen Baum， “Unfinished Business： Why the Acid Rain Problem Is Not Solved，”Clean Air Task Force， Boston： Spectrum Printing & Graphic， Inc2001， p3;[美]菲利普·罗斯等著，梁思萃等译：《美国西部酸雨》，中国环境科学出版社1986年版，第60-66页。

由于受到大气环流和高空移动污染物的影响，一些即使本地污染源较少的城市，也可能存在严重的污染问题。匹兹堡虽然早在“二战”后不久就摘去了“煤烟之都”的称号，但是它仍然面临着臭氧污染，其主要原因很大程度上与匹兹堡正好处在大气污染物转移扩散的通道上有关。夏季之时，美国北部及东北部一带盛行西风，推动大气由内陆向东部海岸缓慢移动，从而将俄亥俄、伊利诺伊、印第安纳等地排放的氮氧化物、挥发性有机物吹向匹兹堡。这些污染物在匹兹堡集聚，并受到高温辐射的影响，最终形成夏季臭氧污染问题。美国国家工程院、中国工程院等：《能源前景与城市大气污染——中美两国所面临的挑战》，中国环境科学出版社2008年版，第163页。 20世纪70年代，大规模的污染物运输和臭氧形成机制在包括纽约、新泽西在内的中东大西洋和东北部各州被发现。纽约市排放的臭氧污染物由盛行风吹至康涅狄格州，最远可到达马萨诸塞州东北部;新泽西州臭氧水平也随盛行风向的变化而呈现季节性升降特征。WS Cleveland， et al， “Photochemical Air Pollution Transport from the New York City Area into Connecticut and Massachusetts，”Science， Vol191， No4223 （1976）， pp179-181; Paul J Lioy， Panos G Georgopoulos， “New Jersey： A Case Study of the Reduction in Urban and Suburban Air Pollution from the 1950s to 2010，”Environmental Health Perspectives， 2011， Vol119， No10 （2011）， pp1351-1355

从更大的空间范畴来看，一地排放的大气污染物在超越区域和广域污染之后，最终会成为全球性污染的一部分。近代以来，人类因利用矿物能源而排放的二氧化碳不断增多。在过去10年中，全球二氧化碳排放量超过从工业革命开始到1970年左右的排放总量，仅2011年就比1850-1880年间的排放量还多。Eric Holthaus， ChrisKirk，A Filthy History： Which Countries Have Emitted the Most Carbon since 1850？ http：//wwwslatecom/articles/technology/future_tense/2014/05/carbon_dioxide_emissions_by_country_over_time_the_worst_global_warming_pollutershtml（2018-09-25） 不同国家出于国情不同，在二氧化碳排放量占全球总排放量比重方面存在很大差别。图3对1850-2015年间美国及四个主要经济体进行了比较，可以发现美国虽然初始比重较低，但是增长很快，1890年左右即超过英国，跃居世界第一。1920-1940短暂回落后很快反弹，至1945年达到55%的峰值水平。此后整体趋于下降，然而所占比重仍远高于其他国家，直到2005年才被中国超过。总体来看，美国是全球二氧化碳历史排放量最大的国家，是导致全球气候变暖的最大行为国。

三、能源效率与大气污染程度

能源消费与大气污染问题之间的关联除了上述两方面外，还突出表现在能源效率与污染程度层面。倘若不考虑能源质量、能源和环境政策等因素，能源效率与大气污染程度之间构成一对辩证关系，即能源效率越高，燃料的燃烧越彻底，大气污染程度越低;反之，燃料燃烧后的剩余物质越多，大气污染程度越高。因故，近代以来美国能源效率的历时性变化，成为影响大气污染程度以及未来走势的关键变量。

（一）物理能源效率与大气污染程度

1物理能源效率 按照能源经济学的定义，能源效率可分为物理能源效率和经济能源效率。所谓物理能源效率，系指在能源利用过程中有效消费量与实际消费量之比，反映的是能源系统本身在一定技术水平下的运行效率，通常用热效率（%）、质量/功率比（g/W）或者最大功率数（W）表示。林伯强、何晓萍编著：《初级能源经济学》，清华大学出版社2014年版，第67页;Vaclav Smil，Energy Transitions： History， Requirements， Prospect， pp2-12 由于能源在开采之后要以能源转换器为应用中介，故而很大程度上又可将物理能源效率等同于能源转换器效率。能源转换器是将一种能源转换为另一种能源或者能源服务的设备。参见Peter A.OConnor， Energy Transition， p2 近代以来，美国在热能和光能领域曾涌现出多种式样、效率不一的能源转换器。不过，早期转换器效率较低，后期虽有提高，但所耗能源在总能耗中的比重仍然有限。可以说，热能和光能转换器效率的变化，对整体能源效率的提高影响较小。严格来说，自原动机的发明和完善以来，整体能源效率才显示出长足进步。

参照图4并结合相关资料，可见近代以来几种主要原动机的利用效率均发生了很大变化。（1）蒸汽机。18世纪初纽可门式蒸汽机效率极低，仅能将煤炭中化学能的05%转化为机械运动。18世纪末，瓦特改良式蒸汽机传入美国，效率为3%～4%。1800年，蒸汽机效率达到5%。1900年左右，大规模固定蒸汽机效率已超过20%，较小船用蒸汽机效率为10%左右，蒸汽机车为6%～8%。Vaclav Smil， Two Prime Movers of Globalization： The History and Impact of Diesel Engines and Gas Tu-rbines， Cambridge， MA： The MIT Press，2010， p12;Vaclav Smil，Energy Transitions： History， Requirements， Prospects， p54; [美]JR麦克尼尔：《阳光下的新事物：20世纪世界环境史》，第11页。 此后，蒸汽机效率保持缓慢增长，到20世纪40年代接近25%。（2）内燃机。1876年，奥托完成四冲程内燃机的实际设计，其效率约为17%，质量/功率比为250克/W。1900年左右，汽车功率已达到26千瓦，质量与功率比不到9g/W。20世纪之后，汽油内燃机效率仍在提高，1910年左右超过20%，1940年左右超过30%。柴油内燃机通过高压缩来提高燃料效率，1897年时效率即超过25%，到1911年进一步提升到40%。此后，其在水运和陆运市场陆续取代蒸汽机。2000年，船用型柴油内燃机效率已超过50%。Vaclav Smil，Two Prime Movers of Globalization： The History and Impact of Diesel Engines and Gas Turbines， pp27， 30， 37 （3）蒸汽和燃气轮机。1885年，蒸汽轮机原型机的功率只有75千瓦，效率低于2%。但是得益于持续改造，“一战”之前效率已达到25%左右。20世纪40年代后期，其效率开始新一轮增长，一直持续到70年代，质量/功率比稳定在1～3g/W左右。20世纪30年代后期，燃气轮机建造成功。“二战”推动了喷气发动机的发展，其最大功率快速上升。21世纪初，燃气—蒸汽联合循环机功率能够达到109W，效率超过60%。Vaclav Smil，Energy Transitions： History， Requirements， Prospects， pp54， 58-59 总体来看，1800-2000年间美国原动机最大效率从5%左右飙升到60%多，增长了11倍之多，物理能源效率大大提高。

2大气污染程度 不同类型能源转换器效率的历时变化，推动不同类型污染物的污染程度也随之发生变化。就精确性而言，最好是通过现场监测排放量或化验浓度的方法对污染程度进行测量。1970年美国环境保护局成立之后，即将此作为主要任务之一。不过，1970年之前并不存在针对各类污染物的上述相似活動，只是存在个别城市于个别时段针对某一类污染物的监测行为。在此参照图5并结合相关间接资料，对近代以来美国各类污染物程度的变化过程进行勾勒。

（1）煤烟颗粒物 历史资料中关于近代早期美国煤烟颗粒污染的记载不计其数，但基本都为定性描述。目前学界主要通过分析煤烟之于动植物生长、建筑物美观以及人体健康等方面负面影响的大小，间接考察煤烟颗粒污染的程度。比如沙恩·G杜贝等人通过对自然历史博物馆中鸟类标本羽毛颜色的对比分析，对美国100余年来碳颗粒污染程度的变化进行了研究。据其研究，煤炭消费量与颗粒污染程度之间存在密切关系。19世纪中期至20世纪50年代，消费量与污染程度呈正向关系。20世纪前20年，由于烟煤消费量的增多和较低的能源效率，煤烟颗粒浓度达到污染程度的峰值，成为美国大气污染史上“最黑暗”的一段时间。20世纪50年代以后，消费量与污染程度脱钩，也即消费量增多的同时，浓度持续下降。Shane GDu Bay， Carl CFuldner， “Bird Specimens Track 135 Years of Atmospheric Black Carbon and Environmental Policy，”Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，Vol114， No43（2017）， pp11321-11326 到70年代之前，煤烟颗粒污染问题基本解决。

（2）酸雨 与煤烟颗粒污染问题类似，化石能源消费量和酸雨污染程度之间也存在紧密关联。不过，相比前者，后者之间呈现正相关的时间相对较长，从19世纪中期一直延续到20世纪七八十年代。二氧化硫排放量于1900年接近1000万吨，此后虽在某些特定时段有所波动，但总体呈上涨态势，至1970年代初达到3000余万吨的峰值。SJSmith， et al， “Anthropogenic Sulfur Dioxide Emissions： 1850-2005，” Atmospheric Chemistry & Physics Discussions， Vol10， No6 （2011）， pp16111-16151 氮氧化物排放量在很长一段时间内都低于二氧化硫，不过其持续增长速度很快，到1980年超过二氧化硫并达到2700余万吨的峰值。受此影响，酸雨污染在20世纪七八十年代最为严重。东北部局部地区，如西弗吉尼亚威灵（Wheeling）酸雨的pH值一度低至15。Clive Ponting， A Green History of the World： The Environment and the Collapse of Great Civilizations， New York： St Martins Press， 1991， p336 自此之后，化石能源消费量与酸雨污染程度脱钩。虽然煤炭和石油消费量仍在增多，但是大部分城市监测点显示1980-2013间年平均二氧化硫浓度下降幅度超过85%。Gene ELikens，Thomas JButler， “Acid Rain Pollution： History，”Encyclopedia Britannica https：//wwwbritannicacom/science/acid-rain/History（2018-10-08） 2017年，二氧化硫排放量已不足300万吨，氮氧化物排放量在1000万吨左右，较之历史峰值降低接近80%。根据美国环境保护局官网（https：//www.eia.gov/environment/emissions/carbon/和https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=36953）（2018-09-07）相关数据核算。

（3）臭氧 关于臭氧浓度的全国性监测数据始于1980年，当年达到0102ppm的峰值水平，但这并不意味着1980年以前的浓度就较低。“二战”之后，因汽车普及利用而引起的光化学污染问题开始加速，臭氧污染事件在各大城市层出不穷。考虑到早期内燃机物理能源效率相对有限，作为臭氧主要前驱物的氮氧化物和挥发性有机物排放量较多，臭氧浓度在个别地区很可能达到更高水平。尤其是加利福尼亚州中部和南部，以及美国中西部和东部许多大的城市区域，都可能维持着高排放水平。最近30余年，氮氧化物和挥发性有机物排放量不断下降，促使臭氧浓度也呈持续下降趋势，由1980年的峰值降至2017年的0069ppm，降幅超过30%。根据美国环境保护局官网（https：//www.epa.gov/air-trends/ozone-trends）（2018-09-08）相关数据核算。

（4）PM25 限于大气监测技术的发展水平，美国对PM25排放量的全国性监测晚至1990年才开始。与臭氧浓度情况相似，虽然1990年PM25排放量达到756万吨的峰值水平，但是并不意味此前的污染程度就较低。二氧化硫、氮氧化物和挥发性有机物为PM25的主要前驱物，每一类排放量的变化都会对后者的浓度产生影响。鉴于20世纪七八十年代酸性物质的排放量达到峰值，故而可推测当时PM25排放量亦维持在高位，至少要超过1990年的水平。受酸雨、臭氧污染治理力度加大的影响，各类前驱物排放量逐渐减少，PM25排放总量也随之下降，从1990年的峰值降至2017年的534万吨，降幅接近30%。根据陈健鹏：《污染物排放与环境质量变化历史趋势国际比较研究》，第232-234页;美国环境保护局官网（https：//www.epa.gov/air-emissions-inventories/air-pollutant-emissions-trends-data）（2019-09-06）相关数据核算。

（5）二氧化碳 与其他四类大气污染问题具有较为特定的燃料来源不同，所有化石能源的燃烧都会排放二氧化碳。因此，根据化石能源消费量数据，可以重构二氧化碳排放量年度序列。近代以来美国化石能源消费量快速增长，二氧化碳排放量处于同步增长趋势。1850年时虽然只有02亿吨，远低于英国（123亿吨），但是仅仅用了30余年，到1890年左右便接近38亿吨，超过英国（333亿吨），跃居世界第一。20世纪某些特定时段，二氧化碳排放量曾随化石能源消费量的暂时减少而下降，不过随后快速反弹。2005年，美国二氧化碳排放量达到583亿吨的峰值。最近十余年，排放量不断下降，从2005年的峰值降至2017年的514亿吨，降幅约为12%。根据世界资源研究所（WRI）官网（https：//www.wri.org/blog/2014/05/history-carbon-dioxide-emissions）和美国环境保护局官网（https：//www.eia.gov/environment/emissions/carbon/以及https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=36953）（2018-09-07）相关数据核算。

总体来看，上述各类污染物程度变化趋势具有一定共性，突出表现在均与物理能源效率的變化存在密切关系。20世纪七十年代以前，物理能源效率不断提升，减少了生产同等产值的煤烟颗粒物排放量。此后，多类污染物程度的下降除了受控污技术进步的影响之外，与物理能源效率的进一步提高息息相关。第一次能源危机之后，美国开启了能效提升的缓慢过程。自1975年以来，相继制定了《能源政策与节约法案》《公司平均燃料经济标准》《能源政策法案》等重要制度性框架。这些法案通过鼓励能源技术和能源管理创新等措施，推动各部门不断提高物理能源效率，降低平均能耗，最终达到减少污染物排放的目的。因此之故，目前美国的大气污染程度呈总体降低趋势。

（二）经济能源效率与大气污染程度

1经济能源效率 对能源转换器的分析，提供了微观层面观察物理能源效率变化的诸多样本，而对经济能源效率的分析，则有助于把握能源系统在宏观经济系统中效率的变化趋势。所谓经济能源效率，系指国民经济的单位产值能耗，通常用能源强度表示。能源强度即经济产出与能源消费量之比（GDP/E），参见林伯强、何晓萍编著：《初级能源经济学》，第66页。 能源强度越低，能源效率越高。图6参照相关资料，重构了1795-2017年美国的能源强度变化趋势。结果发现，包括生物质能源在内的总能源强度呈持续下降趋势。不过，如果只统计煤炭、石油、天然气三类化石能源，能源强度变化则呈倒U型趋势。具体来看，19世纪中期至20世纪初是美国工业化起步和快速发展时期，产业结构以高能耗重化工业为主。受此影响，能源强度从1855年的37MJ/千美元快速上涨到1915年接近180MJ/千美元的峰值水平。此后，随着产业结构的调整和电力化的开展，能源强度持续降至2017年32MJ/千美元的历史最低点。根据美国经济分析局（BEA）官网（https：//search.bea.gov）（2018-10-05）、美国能源信息部官网（https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=10#以及https：//www.eia.gov/totalenergy/data/annual/#summary）（2018-09-02）相关数据核算。 基于历史发展趋势，可以预测未来美国经济能源效率仍将不断下降。不过，这一下降过程很难继续保持以往速度，理由主要有以下三点。

首先，经济能源效率的进一步提升，受到能源反弹效应的钳制。能源反弹效应概括了这样一种现象，即能源效率的提高使得单位产出的能源投入减少，从而刺激能源密集型行业发展，导致能源需求增加，同时，能源效率的提高也能带动整个经济的增长，反过来增加对能源的消费。Lorna A Greening， et al “Energy Efficiency and Consumption-the Rebound Effect-a Survey，”Energy Policy， Vol28， No6-7（2000）， pp389-401 美国境内丰富的自然资源连同能源强度的不断下降，提高了人均能耗水平和浪费倾向。参照图7，纵向上来看，1800-2000年间人均能耗除了在个别时段短暂下降外，其余时段均呈上升态势，由1800年的750GJ增至2000年3690GJ的峰值，增长将近5倍之多。到21世纪初，才呈现下降趋势。横向上来看，除了1860-1900年间以外，美国人均能耗都要超过英国、德国、法国和荷兰等国，而且这种差距在21世纪前还有逐渐扩大的趋向。人均能耗的居高不下和总能耗的持续增长，很大程度上抵消了能源效率提高所具有的意义。

其次，经济能源效率的进一步提升，遭遇技术瓶颈。根据热力学第二定律，能量从一种形式转化为另一种形式的过程中会产生损耗，也即意味着效率的增长终究存在限度，不会无限提升。实际上，即使是目前一些已经成熟可行的节能技术，也并没有得到普及。图4中某一时间点内某类原动机的效率一定程度上只能代表最高效率，并不能反映其在社会中的普遍应用水平。比如就美国化石能源消费大户——发电厂而言，如果采用优质煤，高新技术燃煤电厂的效率可以达到39%～43%左右。不过，美国目前很多燃煤电厂设备较为陈旧，遵守的是1970年的《清洁大气法案》标准，很少采取控污措施，效率只有20%多。美国国家工程院、中国工程院等：《能源前景与城市大气污染——中美两国所面临的挑战》，第118-119页;潘锐：《美国国际经济政策研究》，上海人民出版社2013年版，第125页。 相比而言，普通汽油汽车的能源效率仅为15%～18%，Scott LMontgomery，The Powers That Be： Global Energy for the Twenty-First Century and Beyond， p22 也存在较大上升空间。

再次，经济能源效率的进一步提高，受到其他经济、政治等因素的制约。理论上来说，能源结构摆脱对化石能源的依赖，转向清洁能源，是提高能源效率的终极途径。美国虽然是世界上可再生能源政策制定较早的国家，但是太阳能、风能、水能等清洁能源的開发、利用成本一直居高不下，高于化石能源。从经济角度来看，能源结构向清洁能源的转型可能在一定时段内不利于相关经济部门的发展。奥巴马执政时期以清洁和减排为能源政策核心，致力于在全球发挥对抗气候变化的领导者角色，通过向清洁能源领域提供巨额补贴，弥补其带来的经济亏耗。特朗普上台之后，改弦更张，转而以经济和就业为核心，逐步推翻奥巴马的能源政策，推动煤炭、石油等传统能源行业发展。这就为美国未来能源转型和能源效率的提高，蒙上了一层阴影。张礼貌：《特朗普能源政策阻碍美国能源转型》，《中国石油报》，2017年2月14日，第2版。

能源效率进一步提高过程中遇到的困难，使得大气污染问题在步入新世纪后继续存在。美国肺脏协会（ALA）利用官方大气质量检测数据，对照国家大气质量标准，对各大城市的臭氧及PM25污染水平进行了跟踪分析，发现2007年有46%的美国人居住在污染水平超标的地区;2009年时几乎每个大城市的大气质量都会在某些时段不达标，影响人群达186亿人，超过总人口的60%;2018年仍有超过13亿的居民生活在不达标地区。就污染区域来看，遍布各州，尤其以加州污染程度为重。比如在臭氧和颗粒物污染最严重的50个城市中，加州占14个，其余还涉及得克萨斯、亚利桑那、内华达、弗吉尼亚、俄亥俄、肯塔基、宾夕法尼亚、马里兰、密苏里、纽约、田纳西、阿拉巴马、路易斯安那、佐治亚、密歇根、西弗吉尼亚、印第安纳等州的个别城市。“Water and Air Pollution” https：//wwwhistorycom/topics/water-and-air-pollution（2018-09-12）;“Report Lists Worst， Best Cities for Air Quality” http：//wwwnbcnewscom/id/30476335/ns/us_news-environment/t/report-lists-worst-best-cities-air-quality/（2018-09-12）; “US Cities with the Worst Air Pollution” https：//wwwcbsnewscom/pictures/air-pollution-worst-us-cities-2018（2018-09-12） 当前的大气污染程度还会引发人体健康问题，减损寿命乃至致人死亡。有学者汇集了51个大都市地区211个县的预期寿命资料，并与20世纪70年代末至80年代初以及90年代末至21世纪初的大气污染数据进行了匹配分析，发现每立方米悬浮颗粒物浓度减少10微克，平均预期寿命会增加061±020年。CArden Pope III， et al， “Fine-Particulate Air Pollution and Life Expectancy in the United States，”The New England Journal of Medicine，Vol360， No4 （2009）， pp376-386 杰西·D伯曼等还通过研究发现，如果将臭氧浓度标准分别设定为75 ppb、70ppb和60ppb，则因臭氧导致的过早死亡数较之2012年时可依次减少1410～2480人、2450～4130人、5210～7990人。Jesse DBerman， et al， “Health Benefits from Large-Scale Ozone Reduction in the United States，”Environmental Health Perspectives， Vol120， No10 （2012）， pp1404-1410

能源效率进一步提高过程中遇到的困难，也为大气污染问题的未来走向埋下隐患。多数污染物排入大气之后，并不能被自然界立即净化，而是需要一定的降解时间。这意味着目前污染物排放量虽然已经大大降低，但是由于仍远高于前工业化时期，其具有的延时损害效应使得未来生态系统仍处于危险之中。与臭氧和悬浮颗粒物相比，酸性排放物的降解需要几十年甚至上百年。自19世纪中期以来酸沉降的持续累积使得美国局部地区森林植被受损，湖泊和河流酸化。Gene ELikens，Thomas JButler， “Acid Rain Pollution： History，”Encyclopedia Britannicahttps：//wwwbritannicacom/science/acid-rain/Effects-on-lakes-and-rivers（2018-10-08） 美国国家大气沉降计划（NADP）的监测数据显示，20世纪末21世纪初，俄亥俄、印第安纳、伊利诺伊、宾夕法尼亚、马里兰、弗吉尼亚、西弗吉尼亚、肯塔基、北卡罗来纳、田納西、佐治亚、南卡罗来纳、纽约、佛蒙特、缅因、康涅狄格、新罕布什尔、马萨诸塞、新泽西等州湿沉降的pH值仍在4以下。如果要扭转长时期酸沉降的负面影响，必须进一步提高能源效率，减少氮氧化物和二氧化硫的排放。在新罕布什尔、纽约和弗吉尼亚等州进行的分析表明，只有在酸性物质排放量比1990年《清洁大气法修正案》规定的排放量基础上再降低80%，才能保证上述地区pH值在未来较短时间内恢复到19世纪中叶的水平。Ellen Baum， “Unfinished Business： Why the Acid Rain Problem Is Not Solved，”pp1-2， 4-6， 7 较之酸性物质，二氧化碳的降解时间更久，通常能够在大气中存在几个世纪，而且只能依靠海洋和生物作用缓慢吸收，无法做到人为加速。考虑到历史上以及当前巨大的二氧化碳排放量，美国理应对当前以及未来全球变暖及其引起的潜在自然灾害心存忧虑，并应主动担负责任，推动能源效率的进一步提升和向清洁能源结构的转型。

五、余论

本文对美国200余年来的能源消费与大气污染问题进行了长时段考察，发现城市化和工业化的发展刺激能源消费领域同时出现三大重要变化，对大气污染问题的演化造成直接影响。首先，能源消费结构发生连续转型，从以木柴为代表的植物型为主依次转变到以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源为主。由于不同种类能源在物质构成和污染物含量方面存在很大不同，使得这一转型过程引起大气污染类型的长期变化，也即由以煤烟颗粒污染为主相继向酸雨、臭氧、悬浮颗粒物（PM25）和二氧化碳污染过渡。其次，能源服务领域热能、光能和动力能服务质量不断提高，尤其是动力能领域内各种原动机持续更新换代，获得长足发展。能源服务领域的革新，扩大了化石能源消费的规模，使其绝对消费量快速攀升。在化石能源消费过程中大量固定和移动污染源的联合作用下，大气污染地域范围不断扩大，从单个城市性污染逐渐演化为区域性、广域性乃至全球性污染。最后，能源消费过程中各种转换器的物理能源效率和能源强度代表的经济能源效率均有很大提高，致使各类大气污染问题的污染程度长期来看均逐渐降低。不过，由于能源效率的进一步提高遭遇到技术、经济和政治等困境，加之受到大气污染问题本身特殊性的影响，美国当前及未来一段时间仍存在较为严峻的环境问题。

近代以来中国城市与美国城市，以及中国城市之间虽然在地形地貌、自然气候、人口密度和经济结构方面有着明显差异，但是化石能源的大规模利用却使两国都面临着不同程度的、相似的大气污染问题。比如早在民国年间，由于大量煤炭的使用，上海等地便产生了严重的煤烟颗粒污染问题。裴广强：《近代上海的大气污染及其成因探析——以煤烟为中心的考察》，《“中研院”近代史研究所集刊》第97期，2017年9月，第45-86页。 当前中国以煤为主的能源消费结构仍没有改变，城市普遍存在煤烟颗粒和二氧化硫为代表的煤烟型污染。此外，燃油机动车尾气的排放又催生或加重了臭氧、悬浮颗粒物和二氧化碳污染，推动城市大气向复合型污染转变，并使空气质量呈现整体恶化趋势。这充分说明近代以来美国能源消费与大气污染问题中反映出来的内在关联和变化趋势，绝不能仅仅被看作是美国独有的经验。实际上，从中透视出来的更多是一个城市化和工业化过程中超越时间和地域限制的一般性原则，也即能源消费与大气污染问题的同源性关系。具体来说，能源消费结构、服务水平和利用效率的变化，必然会对大气质量产生直接而深刻的影响，而大气污染问题的产生、演变乃至解决，也必须要在能源消费的背景下予以理解。

妥善处理能源消费与大气污染之间的关系，是推进社会主义生态文明建设的当务之急和题中应有之义。他山之石，可以攻玉。美国历史经验中蕴含的一般性原则，对于中国解决当前大气污染问题具有重要启示意义。短—中期来看，一是应在保障能源安全和经济稳步发展的前提下，逐步扭转以煤炭和石油为主的化石能源消费结构，因地制宜推行“煤改气”工程和其他替代性清洁燃烧技术的使用，从源头上减少各类能源潜在的污染物排放量;二是应加大对于能源利用新技术的投入和研发力度，紧跟国际先进趋势，促进能源转换器（尤其是各类原动机）及时更新换代和能源服务质量的不断提高，实现物理能源效率的持续增长，降低单位产值能耗和人均能耗;三是应切实推进产业经济结构的优化升级，控制高能耗、高污染产业新增产能项目的扩大再生产，鼓励服务业和高新技术产业的发展，实现结构性节能减排，提高经济能源效率，减少对于化石能源的需求力度。长期来看，应该制定合理的国家能源政策，扶植光伏、风能、水电等可再生能源的大发展，推动能源消费结构向可再生能源为主转型，最终剔除能源消费旧有的环境外部性特征，切断化石能源消费与环境问题之间的关联。

（本文写作过程中，同济大学环境科学与工程学院陈颖军教授曾提供了若干富有建设性的意见，在此致以诚挚的谢意！）

責任编辑：宋 鸥

Abstract：Since modern times， the impact of energy consumption on environmental change has become more and more direct and profound. It has continuously reshaped the way of formation and manifestation of environmental problems， and influenced the degree of pollution and the way to solve environmental problems. Through in-depth study of United States’ energy consumption and air pollution in the last 200 years， it is found that the change of energy structure has led to new changes in air pollutant types; the popularization of energy services and the increase of consumption scale have led to the expansion of the geographical scope of air pollution; and the energy efficiency has greatly affected the degree of air pollution. Combing and analyzing the general relationship between modern United States’ energy consumption and environmental issues， not only can help to explore the path of energy history and environmental history research from the academic level， but also is conductive to properly solve the current air pollution problem in China from the practical level.

Key words：energy consumption; air pollution; American history; energy history; environmental history