摘 要：霾为秸秆腐解产物与土壤作用的产物，秸秆全量直接还田是灰霾爆发的直接原因。立即停止大面积秸秆直接还田是消除灰霾的最有效办法。
关键词：大气污染防治工程；霾；秸秆还田；大气污染物；臭氧
1 引言
许多人认为，灰霾PM2.5中碳来源与燃料燃烧后的直接排放，硫酸盐和硝酸盐由空气中的二氧化硫和氮氧化物在大气中转化而来，但多项证据表明事实可能与此不符。
2 重霾期间PM2.5成因与清洁时不同
2.1 以霾的成份分析
PM2.5主要由无机碳(EC)，有机碳(OC )，硫酸盐，硝酸盐，铵盐构成。
传统理论认为：EC主要来自于化石燃料和生物质的不完全燃烧后的直接排放[1]，OC主要来源于污染源直接排放的一次有机碳和挥发性碳氢化合物经过光化学反应形成的二次有机碳，硫酸盐、硝酸盐、铵盐则由大气中二氧化硫、氮氧化物转化而来。
在较清洁大气中，这个理论与监测数据较符合。
但以此解释灰霾期间PM2.5的成分和来源则与大多数证据不符。
如认为灰霾中大部分硫酸盐、硝酸盐为大气中二氧化硫和氮氧化物转化而来，未发现此两种气态物在霾生成期有快速累积增长，同时霾前后它们浓度较低，在此低浓度下大规模转化未有任何理论和实验证据。
二氧化硫、氮氧化物甚至是臭氧水平与国外城市对比[2]，没有明显的差异。尤其是在冬季，难让人相信在低臭氧浓度下能有这些污染物会有大规模的转化。
最为主要的线索是氨源，向大气排放氨的工业源少，更从未有大质量排放，一般的养殖业、农业源也不会突然增加几倍排放量。假设氨依靠氮氧化物大规模还原而来未有实验证据。
2.2 霾的范围
对华北地区污染的长期卫星监测资料则显示近年来该地区灰霾影响具有区域性特征，不局限于城市等人为活动密集的地区，同时认为是自然源，其它研究说明华北地区为同样污染类型。
地面大范围县市监测点的数据说明，PM2.5甚至比主要城市还有更高的浓度水平（河北省空气质量自动发布系统）。农村监测数据说明农村与城市与相同的污染[5]。
3 PM2.5来源
排除地理、气象、燃煤、工业污染源、汽车尾气等问题，能在灰霾爆发期间提供足够数据的氨、硫酸盐、硝酸盐、有机无机碳源，同时具有周期性、使时间有跨区域一致性的本地“污染源”只有一个：秸秆直接还田后的农田。
3.1 秸秆腐解
华北地区的玉米秸秆还田，多为粉碎翻压还田。玉米秸秆粉碎后，包括叶、茎、根翻耕入土，分散在0-20cm的耕作层。玉米秸秆C/N比在75左右（小麦秸秆C/N比在70左右），一般微生物分解有机质的适宜碳氮比是25∶1。高C/N比的腐解过程较为缓慢。需要一年左右的时间才可能分解完成。
3.2 铝的析出
铝（Al）是地壳中含量最丰富的元素之一，土壤 中 Al 的平均含量为 71.3 g/kg。土壤固相 Al 通过与有机酸的配位作用而溶出进入土壤溶液中[10]。
3.3 PM2.5的成核和爆发
机理A：秸秆腐解产生的大量有机酸将土壤中铝络合出来，当与铝离子络合的低分子量有机酸逐渐氧化，达到临界值后大量析出的铝离子与土壤中碳酸根离子及碳酸氢根离子反应（有机物氧化产生的二氧化碳一部分在土壤中以碳酸根形式存在），产生氢氧化铝胶体及大量二氧化碳，参考的方程式为：
化学泡沫灭火器灭火原理方程：Al2(SO4)3+6NH4HCO3==3（NH4）2SO4+2Al(OH)3+6CO2↑
2Al3++ 3CO32-+ 3H2O==2Al(OH)3+3CO2↑
反应在固体表面的溶液膜中进行，生成的二氧化碳以微气泡的形式成长，形成微米级厚度的液体气泡，最终破裂。在长大过程中由于气泡表面积的指数级增大，气泡溶液开始蒸发浓缩，破裂时每个气泡分解为数量众多的微米级液滴，由于巨大的表面积，使小液滴水分可能蒸发完全，溶质浓缩成核，破裂时可能对周边物质产生冲击，引起连锁反应。微气泡破裂时产生的冲击力，将细颗粒物、高湿度空气喷出地面。所以PM2.5爆发的过程，也是个加湿过程。
机理B：生成的二氧化碳引起团聚体的破裂，即团聚体的“爆炸”，“爆炸”后含水的各部分，由于表面积大，溶液中的可溶性物质迅速蒸发至固态。
在溶液蒸发过程中，形成更微小的细颗粒物，（这个过程类似于超声波加湿器加湿过程），溶液中的挥发性物质，挥发至空气中，形成“二次转化”的颗粒物，加强污染程度。
4 证据相关性
4.1 质量能力
确定农田中秸秆有足够的N元素量来达到霾的质量，以最恶劣情况估算：
PM2.5中铵盐N的量以10%计，PM2.5浓度按0.614mg/m3计（16-12-20日即全年最高值），混合层高度以500m[15]计，则在污染区域存在的N为30.7mg/m2。
以石家庄地区为例计算，石家庄辖区总面积15848平方公里，小麦（冬小麦与夏玉米连作区）种植面积482487公顷，则该农田占总面积比例为30.4%，以它为污染源，将所有区域全部污染成0.614mg/m3的浓度，农田为这次污染过程应贡献101 mg/m2的N量。
4.2 产生区和影响区的一致性
以玉米种植区识别，发现华北、汾渭平原等灰霾多发区与黄淮平原冬小麦夏玉米种植地区吻合。
以京津冀大气污染传输通道“2+26”城市为例，几乎全部在黄淮平原冬小麦夏玉米种植地区。在气候区划上，属于温暖带半湿润地区。
北方春玉米种植区，年均气温低，秸秆还田时土壤消化负荷低（仅玉米一季），所以表现为较少的灰霾和灰霾爆发时与黄淮平原不同的特征。
以城市周边玉米种植面积和比例来确定霾强度，大概可以理解北京（以西部和北部多为山区，仅南部地区为小麦-玉米两季种植区，）受农田污染源影响小，PM2.5浓度较低，而往南的保定、石家庄、邯郸、郑州一线，全部为大面积小麦玉米轮作种植区，所以才有更高的PM2.5浓度。
以此为线索，寻找土壤消化负荷低、农田面积少的城市，如山西大同市和陕西榆林市（均为春玉米种植区），即便大同市在采暖期有比石家庄市、太原市更高的二氧化硫浓度，但少有灰霾天气。
不同种植作物类型、秸秆直接还田方式、土壤消化负荷的区域差异，如春玉米、夏玉米，覆盖还田和翻压还田，还田时深翻或旋耕深度不同会造成霾出现的时间、污染级别不同。
5 解决方案
从全局角度，建立更加完整的生态及水土保护法，以恢复区域生态环境为目标，建立国家级的环境生态规划，以重建地表河流为中心，建立大的生态环境保护区。
对农田，立即停止玉米秸秆大规模的全量粉碎翻压还田，综合利用。如过腹还田、秸秆饲料、秸秆汽化、秸秆发电、秸秆乙醇、秸秆建材等，为改良土壤，可采取堆沤腐熟还田、养畜过腹还田等形式，对于酸化严重的土壤，有针对性的使用草木灰改良等土壤修复手段。同时可以根据实际情况，全面实行多种形式休耕，轮耕，恢复提高土壤地力。
极端情况，焚烧秸秆除在焚烧期间产生污染外，却能保证其它时间不会出现灰霾。
如能妥善解决秸秆问题，华北地区就不大可能出现大规模的灰霾事件，相信这些区域PM2.5浓度会很快达到较低水平，同时其臭氧污染也可能会很大程度消除。
参考文献/Ｒeferences:
[1]康苏花，李会来，杨丽杰，等. 石家庄市不同梯度大气颗粒物碳组分特征分析[J]. 河北工业科技 , 2014 , 31 (6) :531-536.
[2]贺克斌，杨复沫，段凤魁，等. 大气颗粒物与区域复合污染[M].北京，科学出版社，2011：438.