近代以來美國的能源消費與大氣污染問題

摘 要： 近代以來，能源消費之于環境變遷的影響愈發直接而深刻，持續重塑著環境問題的形成途徑和表現形式，影響著環境污染的程度和解決方式。通過對美國最近兩百余年的能源消費和大氣污染問題進行深入考察，發現能源結構的轉型導致大氣污染物類型出現新變化;能源服務的普及和消費規模的增大致使大氣污染的地理范圍擴大;能源效率的高低很大程度上決定著大氣污染程度的演化。梳理和分析近代以來美國能源消費與大氣污染問題間蘊含的一般性關系，不但有助于從學理層面探討能源史和環境史研究的契合路徑，而且對于從實踐層面妥善解決當前中國的大氣污染問題，也具有重要啟示意義。

關鍵詞： 能源消費;大氣污染;美國史;能源史;環境史

能源是一個內涵豐富的概念，具體種類多樣，劃分標準不一。從對環境的影響來看，一般可以分為非清潔能源（以柴薪為代表的植物能源及以煤炭、石油為代表的化石能源為主）和清潔能源（以天然氣為代表的化石能源及以太陽能、風能、水能、核能等為代表的可再生能源為主）兩大類。① 人類社會消費能源的種類、數量及方式是社會經濟不斷演進的最重要的物質條件之一，同時，能源消費過程中產生的廢棄物是導致自然環境變遷的最關鍵誘導因子之一。因此，考察近代以來特定國家或地區社會經濟發展中能源消費與環境問題的關聯，成為能源史及環境史研究的有效分析視角。

在因能源消費而導致的一系列環境問題之中，尤以大氣污染問題最為直觀和典型。20世紀80年代以來，學界從能源消費角度持續推進對大氣污染史的研究，積累了較為豐富的成果。不過，既往研究仍存在諸多不足，留有進一步推進的空間。首先，研究時段和內容多聚焦于20世紀五六十年代之前的煤炭利用與煤煙污染問題，對于此一時段前后其他種類能源消費之于環境的影響關注不夠。其次，研究對象多設定為英國，對其他國家相關問題及歷史經驗的分析不足。再者，研究方法多側重于史料梳理與定性描述，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·索爾謝姆著，啟蒙編譯所譯：《發明污染：工業革命以來的煤、煙與文化》，上海社會科學院出版社2016年版;[澳]彼得·布林布爾科姆著，啟蒙編譯所譯：《大霧霾：中世紀以來的倫敦大氣污染史》，上海社會科學院出版社2016年版等。 實際上，相比英國等國而言，近代以來美國的能源消費規模更為龐大，由此引發的大氣污染問題也更為突出，更能體現出大國能源消費與環境問題之間的復雜關聯。鑒于此，本文在前人研究基礎上，嘗試借鑒能源史和能源經濟學的分析方法，進一步強化量化研究力度，從能源消費領域三個相對獨立且又相互聯系的維度出發，對近代以來美國的大氣污染問題進行長時段分析，以期揭示經濟發展過程中能源消費與環境變遷的一般性關系，并且基于美國經驗所具有的啟示意義，對當前中國的大氣污染治理提出一些淺見。

一、能源結構與大氣污染類型

近代以來，美國的能源結構實現了由植物能源為主向礦物能源為主的轉型。由于各類能源在物質構成上存在很大差別，燃燒后排放的大氣污染物類型亦有諸多不同。正如大氣污染史研究先驅彼得·布林布爾科姆所言，燃料的燃燒在大氣污染問題的產生上“扮演了一個關鍵性的角色”。彼得·布林布爾科姆：《大霧霾：中世紀以來的倫敦大氣污染史》，第7頁。 可以說，美國每次能源結構的轉型都會導致新型大氣污染問題應運而生，這成為推動大氣污染類型不斷演變的主要原因。

（一）能源結構轉型歷程

傳統農業社會中，各國的能源結構均較單一，彼此之間存在很大相似性，表現在主要以植物燃料為主。國際著名能源史學家保羅·馬拉尼馬認為傳統農業社會超過95%的能源來源于植物，風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 美國自不例外，1775-1845年間木柴在其總能耗中的比重接近100%。有學者估計直到19世紀中期，木柴仍是美國最主要的能源種類，占總能耗的90%，支撐了整個國家對于熱能的需求。楊國玉：《美國能源結構轉換的特點》，《能源基地建設》，1994年第6期，第63頁。 第一次工業革命的發生和在全球范圍內的擴散，促使美國的能源結構開啟了由植物型為主向化石型為主的轉型。加拿大能源史學家瓦茨拉夫·斯米爾在分析一個國家能源轉型時認為，在由一種舊能源轉向另一種新能源的過程中，如果新能源在總能耗中的比重達到5%，則可認為是新能源系統開始轉型的標志。參見VaclavSmil，Energy Transitions：History，Requirements，Prospects， Santa Barbara： Praeger， 2010， p63本文亦將5%作為定義美國階段性能源轉型開始的標志。 對照圖1，可以發現自19世紀50年代左右至今，美國的能源轉型經歷了總體前后相繼且局部有限重合的三個階段，實現了由植物能源—煤炭—石油—天然氣為代表的清潔能源之間的交替嬗變。

1850年左右至1950年左右，是煤炭在能源消費結構中比重逐漸上升，繼而占據最大單一能源種類地位的時期。美國早期殖民者多居于森林茂密的東部，以木柴為主要燃料，使用煤炭有限且大都由英國直接進口，因而最初對煤炭的開采并不熟悉。18世紀40年代，有人曾在馬里蘭和弗吉尼亞交界處嘗試利用奴隸采煤。[美]約翰·塔巴克著，張軍等譯：《煤炭和石油——廉價能源與環境的博弈》，商務印書館2011年版，第10頁。 商業采煤業興起于弗吉尼亞的里士滿，此后賓夕法尼亞、俄亥俄、伊利諾伊、印第安納等地相繼興起采煤業。然而，由于當時植物能源充足易得，煤炭利用成本相對較高，一些早期推廣使用煤炭的活動多以失敗告終。直到19世紀初，普通住戶仍然缺乏如何有效利用煤炭的知識，煤商們向家庭銷售煤炭的努力面臨很大阻力。隨著社會經濟的發展和能源需求量的擴大，木柴、木炭價格不斷上漲，煤炭價格整體下跌，最終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，煤炭已占美國總能耗的10%左右。根據美國能源信息部（EIA）官網（https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=10#和https：//www.eia.gov/totalenergy/data/annual/#summary）（2018-09-02）相關數據核算。 根據山姆·H舒爾和布魯斯·C奈特斯徹的研究，受交通運輸業、冶煉業和大工業等高能耗部門快速發展的推動，1885年煤炭在能源結構中的比重超過50%，標志著美國向以煤炭為主的能源結構轉型完成，進入了“煤炭時代”。1910年，煤炭在總能耗中的比重接近77%的歷史峰值水平。之后，隨著石油、天然氣以及水電資源開發和利用程度的提高，煤炭的比重逐漸下降，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%）超過，結束了其作為最大單一能源種類的歷史。根據美國能源信息部（EIA）官網（https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=10#和https：//www.eia.gov/totalenergy/data/annual/#summary）（2018-09-02）相關數據核算。

1910年左右至1978年，是石油在能源消費結構中比重逐漸上升，繼而開始占據最大單一能源種類地位的時期。19世紀末之后，美國的社會經濟發展雖然繼續得益于第一次能源轉型的結果，但是除此之外也出現了一些新的重大變化，即石油開始以規模化應用的形式登上歷史舞臺。美國是世界上第一個商業化生產石油的國家，于1859年在賓夕法尼亞的緹特斯韋爾地區建立了第一個商業油井。1861年，賓州的帝井（the Empire Well）和菲利浦油井（the Phillips Well）的日產量合計達到6500桶，當時“足以滿足全世界的石油需求”。由于其他油井也同時開始出油，而市場需求非常有限，因而造成供大于求的局面。約翰·塔巴克：《煤炭和石油——廉價能源與環境的博弈》，第106頁。 1880年，美國已經成為世界上最主要的產油國，年產量250萬桶，高于英國、法國和德國等其他歐洲國家。Owen EW，Trek of the Oil Finders： A History of Exploration for Petroleum，Tulsa， OK： American Association of Petroleum Geologists， 1975， p12 不過，美國在世界石油產業中執牛耳的地位，并不能夠保證其快速實現向以石油為主的能源結構轉型。在現代石油產業建立的最初半個世紀內，因精煉技術和利用技術較為落后，石油主要是被提煉成煤油以作照明之用。加之利用成本較高，遲遲難以刺激市場擴大有效需求，故而其在美國總能耗中的比重不大。1910年左右，石油的比重才超過5%。此后，隨著各行業對汽油、柴油、燃料油和潤滑油需求的增大，石油消費量在能源消費總量中的比重才逐漸上升。尤其是“二戰”之后，燃料工業和化學工業迅速發展，刺激石油消費量急劇增長。1950年左右，石油的比重超過煤炭，成為最主要的能源消費種類。1977-1978年間，其比重一度達到47%的峰值。此后雖有下降，但直到現在仍是美國最大的單一能源種類。

近代以來美國熱能、光能和動力能領域的持續更新換代，提高了能源利用的水平和能源服務的質量，降低了能源利用的單位成本，推動了微觀層面上各個部門能源需求的增加和宏觀層面上能源消費規模的擴大。從圖2可知，1775-2015年間，總能耗除了在個別時段短暫下降或增長緩慢之外，整體呈快速上升態勢，由02千兆BTU上漲至1002千兆BTU，年均增長率在26%左右。值得注意的是，美國能源服務水平的提高以化石能源消費量的不斷攀升為基本前提。1855-1975年間，煤炭、石油、天然氣的消費量幾乎每年都在總能耗的90%以上。只是在第一次能源危機之后，由于可再生能源的開發，其消費量才相對降低，但1975-2015年年均消費量仍達總能耗的86%左右。根據美國能源信息部（EIA）官網（https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=10#及https：//www.eia.gov/totalenergy/data/annual/#summary）（2018-09-02）相關數據核算。

（二）大氣污染的范圍

追根溯源，近代以來美國熱能、光能和動力能等能源服務絕大部分源自化石燃料的燃燒，具有明顯的環境外部性特征，因此必然會導致能源消費地生活、商業、生產和交通領域內大量固定和移動污染源的形成。從地域上看，當污染物排放量超過環境自凈能力后，一方面容易引起能源消費地大氣污染問題，另一方面污染物也會受大氣環流的影響，飄至其他地區，導致污染范圍的擴大。受此影響，美國大氣污染的波及范圍逐漸從城市性污染、區域性污染向廣域乃至全球性污染演變。

1城市性污染 美國大氣污染問題最初表現為單個城市性污染，從類型上看主要是生活、商業和工業等固定污染源引起的煤煙型污染。近代早期，生活、商業污染源大部分源自居民和商戶出于對熱能的需要，在壁爐、鐵爐、鍋爐中燃燒煤炭，向大氣中排放煙氣的行為。由于使用人數多，涵蓋范圍廣，由此造成的煤煙污染漸趨嚴重，成為導致各城市大氣污染的主要原因之一。鑒于新的燃燒工具資本投入較高以及居民燃燒習慣、生活習俗難以改變等因素，家庭燃煤煙霧問題在很長一段時間之內無法消除。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 工業污染源主要是發電廠、冶煉廠、化工廠等工礦企業生產過程中排放煤塵、粉塵的污染源。近代美國的大工業首先集中在地理位置優越、煤鐵資源豐富的東北部和中西部地區。19世紀中葉以后，在東北部，以紐約為中心，費城、波士頓等城市迅速發展，形成以服裝、造船、機械制造等為主體的制造業城市群;在中西部，匹茲堡、芝加哥、底特律、伯明翰、圣路易斯、辛辛那提、克利夫蘭、密爾沃基、堪薩斯等依據各自區位優勢，建立了以鋼鐵、煤炭、冶金和汽車為基礎的工業體系。[美]HN沙伊貝等著，彭松建等譯：《近百年美國經濟史》，中國社會科學出版社1983年版，第90頁。 在各大城市內部，一座座拔地而起的廠房，一根根消耗巨量煤炭的煙囪，成為日常景觀的真實寫照。

固定污染源排放的滾滾濃煙，極大惡化了大氣質量，致使較早發生工業革命的城市大氣污染都相當嚴重，許多城市飽受煙害之苦。匹茲堡很早就因其煤煙而臭名昭著，素有“揭開蓋子的地獄”DavidsonCliff I，“Air Pollution in Pittsburgh： A History Perspective，”Journal of the Air Pollution Control Association， Vol29， No10 （1979）， p1037 之稱，但它卻不是唯一的煙城。內戰之后，大氣污染已遍布中西部各大城市。比如截至1869年，不斷增長的工廠和大量煙煤的使用，使得克利夫蘭長時間被煙霧籠罩，以致《日常領導》雜志（Daily Leader）的一位編輯警告該市正處在不斷丟失美麗城市聲譽的危險之中。Daily Leader，7 May 1869轉引自David Stradling， Smokestacks and Progressives： Environmentalists， Engineers， and Air Quality in America，1881-1951， p38 幾乎同一時段，芝加哥的黑色煙幕“使太陽失去光輝，讓城市變得黑暗”。Martin V Melosi，Pollution and Reform in American Cities， 1870-1930， Austin： University of Texas Press， 1980， p86 辛辛那提、密爾沃基、圣路易斯等多個城市在19世紀90年代城市改革運動興起之前，因煙煤導致的大氣污染也已非常明顯。Martin V Melosi，Coping with Abundance： Energy and Environment in Industrial America， p32 相比而言，直到“一戰”以前，使用無煙煤的東部城市如費城、紐約、波士頓等地大氣仍較為清潔。BFreese，Coal： A Human History， New York： Penguin Books， 2003， p149 不過，由于隨后無煙煤供給的短缺，這些城市煙煤利用數量漸趨增多，大氣也終于隨之“黑化”。

2區域性污染 區域性大氣污染是在城市性污染基礎之上，由交通工具代表的移動污染源催生的、涵蓋毗鄰城市群或大工業地帶的污染現象。19世紀初燃煤蒸汽船發明后，航運公司通過燃料實驗、技術改進和積極的營銷策略，推動了蒸汽航運業的快速發展。內戰前后，美國逐漸形成了從東北部內河蒸汽船、西部淺層蒸汽船到大湖區和沿海大型蒸汽船的蒸汽航運網。與此同時，鐵路事業也在穩步發展。1830-1840年間，波士頓、紐約、費城、巴爾的摩、華盛頓等地之間已有短程鐵路相通。內戰之前，賓夕法尼亞、馬里蘭、俄亥俄、密執安、伊利諾伊等州開始大規模修建鐵路，逐漸形成密集的東北—中西部鐵路網。隨后，美國又于1862-1893年間相繼完成太平洋、圣菲、南北太平洋和大北鐵路，最終建成了完整的大陸鐵路網。除此之外，19世紀末汽車出現之后，美國還掀起了公路運輸領域的革命。一些傳統大城市和新興城市逐漸用汽車替代馬車，重塑城市運輸格局。20世紀初，美國已基本建成水路、鐵路以及公路縱橫交錯的全國性交通網。

相比固定污染源，輪船、火車和汽車等交通工具在運行時同樣會排放出大量污染物，加重城市性大氣污染。不過，從污染地理學的角度看，交通工具最重要的環境影響是作為移動污染源，將之前相對分散的單個城市性污染區連接在一起。輪船、汽車和火車以相對較低的高度排放尾氣，加之移動不定，擺脫了局部地形、大氣環流和光照條件等自然地理以及行政區劃的限制，致使區域性大氣污染問題的出現。從政策方面看，直到20世紀50年代前半段，美國都沒有針對移動污染源制定統一的監管方案。一些城市針對煙霧管制的條例就不適用于進入、離開或者穿越城市的列車。比如南加州是美國汽車數量最多的地區，1954年汽車和卡車數量達236萬輛，成為該地區最大的污染源。雖然洛杉磯縣大氣污染管理區每天能夠處理當地固定污染源排放的5000余噸污染物，但是自由進出的汽車卻排放出12萬噸左右不受控制的尾氣。“APCD Completes Job，”Montebello News， 7 November， 1957 到1966年，機動車在美國各地“貢獻”了60%以上的污染物，以致至少有27個州和哥倫比亞特區都出現了嚴重的區域性大氣污染問題。Martin V Melosi，The Automobile and the Environment in American History http：//wwwautolifeumdumichedu/Environment/E_Overview/E_Overview4htm（2018-10-05）

3廣域—全球性污染 大氣是流動的，任何一個地區都無法將本地大氣與其他地區隔離開來。只要有風，只要不存在全國性甚至全球性的大氣污染控制努力，那些試圖保持自身大氣清潔的地區就會不可避免地受到其他地區骯臟大氣的污染。大氣環流催生的跨界大氣污染絕非局限于毗鄰的兩個州，很多時候其會促使大氣污染從區域性問題演化為廣域性乃至全球性污染。

導致廣域性大氣污染的污染物主要是硫氧化物、揮發性有機物和氮氧化物，典型現象為酸雨和臭氧污染。美國大煙囪工業的普遍興起，是廣域性酸雨污染形成的基本前提。“二戰”之后，鑒于大氣污染被認為是一個地方性問題，市—縣—州層面制定了嚴格的環境立法，限制區域污染物濃度標準。為了避免硫氧化物濃度超標，許多大型企業都提高煙囪高度，利用大氣環流稀釋污染物濃度。比如1963年時，一些電廠的煙囪已達到700英尺。1970-1979年間，美國各地電廠又建造了178個超過500英尺的煙囪。USCouncil on Environmental Quality，Environmental Quality： 1980， Washington， DC： Executive Office of the President， Council on Environmental Quality， 1980， pp173-177 這些煙囪將酸性物質由近地面輸送到高層大氣，致使其擴散至數百公里乃至數千公里外的下風向地區，形成廣泛的酸雨污染問題。酸沉降在50年代首次于美國被實地檢測發現，此后在一些堿性化合物含量較低的山區，如田納西州東部、北卡羅來納州西部、佐治亞州北部、西弗吉尼亞州東西部等地，都曾發現明顯的酸沉降。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·羅斯等著，梁思萃等譯：《美國西部酸雨》，中國環境科學出版社1986年版，第60-66頁。

由于受到大氣環流和高空移動污染物的影響，一些即使本地污染源較少的城市，也可能存在嚴重的污染問題。匹茲堡雖然早在“二戰”后不久就摘去了“煤煙之都”的稱號，但是它仍然面臨著臭氧污染，其主要原因很大程度上與匹茲堡正好處在大氣污染物轉移擴散的通道上有關。夏季之時，美國北部及東北部一帶盛行西風，推動大氣由內陸向東部海岸緩慢移動，從而將俄亥俄、伊利諾伊、印第安納等地排放的氮氧化物、揮發性有機物吹向匹茲堡。這些污染物在匹茲堡集聚，并受到高溫輻射的影響，最終形成夏季臭氧污染問題。美國國家工程院、中國工程院等：《能源前景與城市大氣污染——中美兩國所面臨的挑戰》，中國環境科學出版社2008年版，第163頁。 20世紀70年代，大規模的污染物運輸和臭氧形成機制在包括紐約、新澤西在內的中東大西洋和東北部各州被發現。紐約市排放的臭氧污染物由盛行風吹至康涅狄格州，最遠可到達馬薩諸塞州東北部;新澤西州臭氧水平也隨盛行風向的變化而呈現季節性升降特征。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

從更大的空間范疇來看，一地排放的大氣污染物在超越區域和廣域污染之后，最終會成為全球性污染的一部分。近代以來，人類因利用礦物能源而排放的二氧化碳不斷增多。在過去10年中，全球二氧化碳排放量超過從工業革命開始到1970年左右的排放總量，僅2011年就比1850-1880年間的排放量還多。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） 不同國家出于國情不同，在二氧化碳排放量占全球總排放量比重方面存在很大差別。圖3對1850-2015年間美國及四個主要經濟體進行了比較，可以發現美國雖然初始比重較低，但是增長很快，1890年左右即超過英國，躍居世界第一。1920-1940短暫回落后很快反彈，至1945年達到55%的峰值水平。此后整體趨于下降，然而所占比重仍遠高于其他國家，直到2005年才被中國超過。總體來看，美國是全球二氧化碳歷史排放量最大的國家，是導致全球氣候變暖的最大行為國。

三、能源效率與大氣污染程度

能源消費與大氣污染問題之間的關聯除了上述兩方面外，還突出表現在能源效率與污染程度層面。倘若不考慮能源質量、能源和環境政策等因素，能源效率與大氣污染程度之間構成一對辯證關系，即能源效率越高，燃料的燃燒越徹底，大氣污染程度越低;反之，燃料燃燒后的剩余物質越多，大氣污染程度越高。因故，近代以來美國能源效率的歷時性變化，成為影響大氣污染程度以及未來走勢的關鍵變量。

（一）物理能源效率與大氣污染程度

1物理能源效率 按照能源經濟學的定義，能源效率可分為物理能源效率和經濟能源效率。所謂物理能源效率，系指在能源利用過程中有效消費量與實際消費量之比，反映的是能源系統本身在一定技術水平下的運行效率，通常用熱效率（%）、質量/功率比（g/W）或者最大功率數（W）表示。林伯強、何曉萍編著：《初級能源經濟學》，清華大學出版社2014年版，第67頁;Vaclav Smil，Energy Transitions： History， Requirements， Prospect， pp2-12 由于能源在開采之后要以能源轉換器為應用中介，故而很大程度上又可將物理能源效率等同于能源轉換器效率。能源轉換器是將一種能源轉換為另一種能源或者能源服務的設備。參見Peter A.OConnor， Energy Transition， p2 近代以來，美國在熱能和光能領域曾涌現出多種式樣、效率不一的能源轉換器。不過，早期轉換器效率較低，后期雖有提高，但所耗能源在總能耗中的比重仍然有限。可以說，熱能和光能轉換器效率的變化，對整體能源效率的提高影響較小。嚴格來說，自原動機的發明和完善以來，整體能源效率才顯示出長足進步。

參照圖4并結合相關資料，可見近代以來幾種主要原動機的利用效率均發生了很大變化。（1）蒸汽機。18世紀初紐可門式蒸汽機效率極低，僅能將煤炭中化學能的05%轉化為機械運動。18世紀末，瓦特改良式蒸汽機傳入美國，效率為3%～4%。1800年，蒸汽機效率達到5%。1900年左右，大規模固定蒸汽機效率已超過20%，較小船用蒸汽機效率為10%左右，蒸汽機車為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麥克尼爾：《陽光下的新事物：20世紀世界環境史》，第11頁。 此后，蒸汽機效率保持緩慢增長，到20世紀40年代接近25%。（2）內燃機。1876年，奧托完成四沖程內燃機的實際設計，其效率約為17%，質量/功率比為250克/W。1900年左右，汽車功率已達到26千瓦，質量與功率比不到9g/W。20世紀之后，汽油內燃機效率仍在提高，1910年左右超過20%，1940年左右超過30%。柴油內燃機通過高壓縮來提高燃料效率，1897年時效率即超過25%，到1911年進一步提升到40%。此后，其在水運和陸運市場陸續取代蒸汽機。2000年，船用型柴油內燃機效率已超過50%。Vaclav Smil，Two Prime Movers of Globalization： The History and Impact of Diesel Engines and Gas Turbines， pp27， 30， 37 （3）蒸汽和燃氣輪機。1885年，蒸汽輪機原型機的功率只有75千瓦，效率低于2%。但是得益于持續改造，“一戰”之前效率已達到25%左右。20世紀40年代后期，其效率開始新一輪增長，一直持續到70年代，質量/功率比穩定在1～3g/W左右。20世紀30年代后期，燃氣輪機建造成功。“二戰”推動了噴氣發動機的發展，其最大功率快速上升。21世紀初，燃氣—蒸汽聯合循環機功率能夠達到109W，效率超過60%。Vaclav Smil，Energy Transitions： History， Requirements， Prospects， pp54， 58-59 總體來看，1800-2000年間美國原動機最大效率從5%左右飆升到60%多，增長了11倍之多，物理能源效率大大提高。

2大氣污染程度 不同類型能源轉換器效率的歷時變化，推動不同類型污染物的污染程度也隨之發生變化。就精確性而言，最好是通過現場監測排放量或化驗濃度的方法對污染程度進行測量。1970年美國環境保護局成立之后，即將此作為主要任務之一。不過，1970年之前并不存在針對各類污染物的上述相似活動，只是存在個別城市于個別時段針對某一類污染物的監測行為。在此參照圖5并結合相關間接資料，對近代以來美國各類污染物程度的變化過程進行勾勒。

（1）煤煙顆粒物 歷史資料中關于近代早期美國煤煙顆粒污染的記載不計其數，但基本都為定性描述。目前學界主要通過分析煤煙之于動植物生長、建筑物美觀以及人體健康等方面負面影響的大小，間接考察煤煙顆粒污染的程度。比如沙恩·G杜貝等人通過對自然歷史博物館中鳥類標本羽毛顏色的對比分析，對美國100余年來碳顆粒污染程度的變化進行了研究。據其研究，煤炭消費量與顆粒污染程度之間存在密切關系。19世紀中期至20世紀50年代，消費量與污染程度呈正向關系。20世紀前20年，由于煙煤消費量的增多和較低的能源效率，煤煙顆粒濃度達到污染程度的峰值，成為美國大氣污染史上“最黑暗”的一段時間。20世紀50年代以后，消費量與污染程度脫鉤，也即消費量增多的同時，濃度持續下降。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，煤煙顆粒污染問題基本解決。

（2）酸雨 與煤煙顆粒污染問題類似，化石能源消費量和酸雨污染程度之間也存在緊密關聯。不過，相比前者，后者之間呈現正相關的時間相對較長，從19世紀中期一直延續到20世紀七八十年代。二氧化硫排放量于1900年接近1000萬噸，此后雖在某些特定時段有所波動，但總體呈上漲態勢，至1970年代初達到3000余萬噸的峰值。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長一段時間內都低于二氧化硫，不過其持續增長速度很快，到1980年超過二氧化硫并達到2700余萬噸的峰值。受此影響，酸雨污染在20世紀七八十年代最為嚴重。東北部局部地區，如西弗吉尼亞威靈（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，化石能源消費量與酸雨污染程度脫鉤。雖然煤炭和石油消費量仍在增多，但是大部分城市監測點顯示1980-2013間年平均二氧化硫濃度下降幅度超過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300萬噸，氮氧化物排放量在1000萬噸左右，較之歷史峰值降低接近80%。根據美國環境保護局官網（https：//www.eia.gov/environment/emissions/carbon/和https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=36953）（2018-09-07）相關數據核算。

（3）臭氧 關于臭氧濃度的全國性監測數據始于1980年，當年達到0102ppm的峰值水平，但這并不意味著1980年以前的濃度就較低。“二戰”之后，因汽車普及利用而引起的光化學污染問題開始加速，臭氧污染事件在各大城市層出不窮。考慮到早期內燃機物理能源效率相對有限，作為臭氧主要前驅物的氮氧化物和揮發性有機物排放量較多，臭氧濃度在個別地區很可能達到更高水平。尤其是加利福尼亞州中部和南部，以及美國中西部和東部許多大的城市區域，都可能維持著高排放水平。最近30余年，氮氧化物和揮發性有機物排放量不斷下降，促使臭氧濃度也呈持續下降趨勢，由1980年的峰值降至2017年的0069ppm，降幅超過30%。根據美國環境保護局官網（https：//www.epa.gov/air-trends/ozone-trends）（2018-09-08）相關數據核算。

（4）PM25 限于大氣監測技術的發展水平，美國對PM25排放量的全國性監測晚至1990年才開始。與臭氧濃度情況相似，雖然1990年PM25排放量達到756萬噸的峰值水平，但是并不意味此前的污染程度就較低。二氧化硫、氮氧化物和揮發性有機物為PM25的主要前驅物，每一類排放量的變化都會對后者的濃度產生影響。鑒于20世紀七八十年代酸性物質的排放量達到峰值，故而可推測當時PM25排放量亦維持在高位，至少要超過1990年的水平。受酸雨、臭氧污染治理力度加大的影響，各類前驅物排放量逐漸減少，PM25排放總量也隨之下降，從1990年的峰值降至2017年的534萬噸，降幅接近30%。根據陳健鵬：《污染物排放與環境質量變化歷史趨勢國際比較研究》，第232-234頁;美國環境保護局官網（https：//www.epa.gov/air-emissions-inventories/air-pollutant-emissions-trends-data）（2019-09-06）相關數據核算。

（5）二氧化碳 與其他四類大氣污染問題具有較為特定的燃料來源不同，所有化石能源的燃燒都會排放二氧化碳。因此，根據化石能源消費量數據，可以重構二氧化碳排放量年度序列。近代以來美國化石能源消費量快速增長，二氧化碳排放量處于同步增長趨勢。1850年時雖然只有02億噸，遠低于英國（123億噸），但是僅僅用了30余年，到1890年左右便接近38億噸，超過英國（333億噸），躍居世界第一。20世紀某些特定時段，二氧化碳排放量曾隨化石能源消費量的暫時減少而下降，不過隨后快速反彈。2005年，美國二氧化碳排放量達到583億噸的峰值。最近十余年，排放量不斷下降，從2005年的峰值降至2017年的514億噸，降幅約為12%。根據世界資源研究所（WRI）官網（https：//www.wri.org/blog/2014/05/history-carbon-dioxide-emissions）和美國環境保護局官網（https：//www.eia.gov/environment/emissions/carbon/以及https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=36953）（2018-09-07）相關數據核算。

總體來看，上述各類污染物程度變化趨勢具有一定共性，突出表現在均與物理能源效率的變化存在密切關系。20世紀七十年代以前，物理能源效率不斷提升，減少了生產同等產值的煤煙顆粒物排放量。此后，多類污染物程度的下降除了受控污技術進步的影響之外，與物理能源效率的進一步提高息息相關。第一次能源危機之后，美國開啟了能效提升的緩慢過程。自1975年以來，相繼制定了《能源政策與節約法案》《公司平均燃料經濟標準》《能源政策法案》等重要制度性框架。這些法案通過鼓勵能源技術和能源管理創新等措施，推動各部門不斷提高物理能源效率，降低平均能耗，最終達到減少污染物排放的目的。因此之故，目前美國的大氣污染程度呈總體降低趨勢。

（二）經濟能源效率與大氣污染程度

1經濟能源效率 對能源轉換器的分析，提供了微觀層面觀察物理能源效率變化的諸多樣本，而對經濟能源效率的分析，則有助于把握能源系統在宏觀經濟系統中效率的變化趨勢。所謂經濟能源效率，系指國民經濟的單位產值能耗，通常用能源強度表示。能源強度即經濟產出與能源消費量之比（GDP/E），參見林伯強、何曉萍編著：《初級能源經濟學》，第66頁。 能源強度越低，能源效率越高。圖6參照相關資料，重構了1795-2017年美國的能源強度變化趨勢。結果發現，包括生物質能源在內的總能源強度呈持續下降趨勢。不過，如果只統計煤炭、石油、天然氣三類化石能源，能源強度變化則呈倒U型趨勢。具體來看，19世紀中期至20世紀初是美國工業化起步和快速發展時期，產業結構以高能耗重化工業為主。受此影響，能源強度從1855年的37MJ/千美元快速上漲到1915年接近180MJ/千美元的峰值水平。此后，隨著產業結構的調整和電力化的開展，能源強度持續降至2017年32MJ/千美元的歷史最低點。根據美國經濟分析局（BEA）官網（https：//search.bea.gov）（2018-10-05）、美國能源信息部官網（https：//www.eia.gov/todayinenergy/detail.php？id=10#以及https：//www.eia.gov/totalenergy/data/annual/#summary）（2018-09-02）相關數據核算。 基于歷史發展趨勢，可以預測未來美國經濟能源效率仍將不斷下降。不過，這一下降過程很難繼續保持以往速度，理由主要有以下三點。

首先，經濟能源效率的進一步提升，受到能源反彈效應的鉗制。能源反彈效應概括了這樣一種現象，即能源效率的提高使得單位產出的能源投入減少，從而刺激能源密集型行業發展，導致能源需求增加，同時，能源效率的提高也能帶動整個經濟的增長，反過來增加對能源的消費。Lorna A Greening， et al “Energy Efficiency and Consumption-the Rebound Effect-a Survey，”Energy Policy， Vol28， No6-7（2000）， pp389-401 美國境內豐富的自然資源連同能源強度的不斷下降，提高了人均能耗水平和浪費傾向。參照圖7，縱向上來看，1800-2000年間人均能耗除了在個別時段短暫下降外，其余時段均呈上升態勢，由1800年的750GJ增至2000年3690GJ的峰值，增長將近5倍之多。到21世紀初，才呈現下降趨勢。橫向上來看，除了1860-1900年間以外，美國人均能耗都要超過英國、德國、法國和荷蘭等國，而且這種差距在21世紀前還有逐漸擴大的趨向。人均能耗的居高不下和總能耗的持續增長，很大程度上抵消了能源效率提高所具有的意義。

其次，經濟能源效率的進一步提升，遭遇技術瓶頸。根據熱力學第二定律，能量從一種形式轉化為另一種形式的過程中會產生損耗，也即意味著效率的增長終究存在限度，不會無限提升。實際上，即使是目前一些已經成熟可行的節能技術，也并沒有得到普及。圖4中某一時間點內某類原動機的效率一定程度上只能代表最高效率，并不能反映其在社會中的普遍應用水平。比如就美國化石能源消費大戶——發電廠而言，如果采用優質煤，高新技術燃煤電廠的效率可以達到39%～43%左右。不過，美國目前很多燃煤電廠設備較為陳舊，遵守的是1970年的《清潔大氣法案》標準，很少采取控污措施，效率只有20%多。美國國家工程院、中國工程院等：《能源前景與城市大氣污染——中美兩國所面臨的挑戰》，第118-119頁;潘銳：《美國國際經濟政策研究》，上海人民出版社2013年版，第125頁。 相比而言，普通汽油汽車的能源效率僅為15%～18%，Scott LMontgomery，The Powers That Be： Global Energy for the Twenty-First Century and Beyond， p22 也存在較大上升空間。

再次，經濟能源效率的進一步提高，受到其他經濟、政治等因素的制約。理論上來說，能源結構擺脫對化石能源的依賴，轉向清潔能源，是提高能源效率的終極途徑。美國雖然是世界上可再生能源政策制定較早的國家，但是太陽能、風能、水能等清潔能源的開發、利用成本一直居高不下，高于化石能源。從經濟角度來看，能源結構向清潔能源的轉型可能在一定時段內不利于相關經濟部門的發展。奧巴馬執政時期以清潔和減排為能源政策核心，致力于在全球發揮對抗氣候變化的領導者角色，通過向清潔能源領域提供巨額補貼，彌補其帶來的經濟虧耗。特朗普上臺之后，改弦更張，轉而以經濟和就業為核心，逐步推翻奧巴馬的能源政策，推動煤炭、石油等傳統能源行業發展。這就為美國未來能源轉型和能源效率的提高，蒙上了一層陰影。張禮貌：《特朗普能源政策阻礙美國能源轉型》，《中國石油報》，2017年2月14日，第2版。

能源效率進一步提高過程中遇到的困難，使得大氣污染問題在步入新世紀后繼續存在。美國肺臟協會（ALA）利用官方大氣質量檢測數據，對照國家大氣質量標準，對各大城市的臭氧及PM25污染水平進行了跟蹤分析，發現2007年有46%的美國人居住在污染水平超標的地區;2009年時幾乎每個大城市的大氣質量都會在某些時段不達標，影響人群達186億人，超過總人口的60%;2018年仍有超過13億的居民生活在不達標地區。就污染區域來看，遍布各州，尤其以加州污染程度為重。比如在臭氧和顆粒物污染最嚴重的50個城市中，加州占14個，其余還涉及得克薩斯、亞利桑那、內華達、弗吉尼亞、俄亥俄、肯塔基、賓夕法尼亞、馬里蘭、密蘇里、紐約、田納西、阿拉巴馬、路易斯安那、佐治亞、密歇根、西弗吉尼亞、印第安納等州的個別城市。“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） 當前的大氣污染程度還會引發人體健康問題，減損壽命乃至致人死亡。有學者匯集了51個大都市地區211個縣的預期壽命資料，并與20世紀70年代末至80年代初以及90年代末至21世紀初的大氣污染數據進行了匹配分析，發現每立方米懸浮顆粒物濃度減少10微克，平均預期壽命會增加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伯曼等還通過研究發現，如果將臭氧濃度標準分別設定為75 ppb、70ppb和60ppb，則因臭氧導致的過早死亡數較之2012年時可依次減少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

能源效率進一步提高過程中遇到的困難，也為大氣污染問題的未來走向埋下隱患。多數污染物排入大氣之后，并不能被自然界立即凈化，而是需要一定的降解時間。這意味著目前污染物排放量雖然已經大大降低，但是由于仍遠高于前工業化時期，其具有的延時損害效應使得未來生態系統仍處于危險之中。與臭氧和懸浮顆粒物相比，酸性排放物的降解需要幾十年甚至上百年。自19世紀中期以來酸沉降的持續累積使得美國局部地區森林植被受損，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） 美國國家大氣沉降計劃（NADP）的監測數據顯示，20世紀末21世紀初，俄亥俄、印第安納、伊利諾伊、賓夕法尼亞、馬里蘭、弗吉尼亞、西弗吉尼亞、肯塔基、北卡羅來納、田納西、佐治亞、南卡羅來納、紐約、佛蒙特、緬因、康涅狄格、新罕布什爾、馬薩諸塞、新澤西等州濕沉降的pH值仍在4以下。如果要扭轉長時期酸沉降的負面影響，必須進一步提高能源效率，減少氮氧化物和二氧化硫的排放。在新罕布什爾、紐約和弗吉尼亞等州進行的分析表明，只有在酸性物質排放量比1990年《清潔大氣法修正案》規定的排放量基礎上再降低80%，才能保證上述地區pH值在未來較短時間內恢復到19世紀中葉的水平。Ellen Baum， “Unfinished Business： Why the Acid Rain Problem Is Not Solved，”pp1-2， 4-6， 7 較之酸性物質，二氧化碳的降解時間更久，通常能夠在大氣中存在幾個世紀，而且只能依靠海洋和生物作用緩慢吸收，無法做到人為加速。考慮到歷史上以及當前巨大的二氧化碳排放量，美國理應對當前以及未來全球變暖及其引起的潛在自然災害心存憂慮，并應主動擔負責任，推動能源效率的進一步提升和向清潔能源結構的轉型。

五、余論

本文對美國200余年來的能源消費與大氣污染問題進行了長時段考察，發現城市化和工業化的發展刺激能源消費領域同時出現三大重要變化，對大氣污染問題的演化造成直接影響。首先，能源消費結構發生連續轉型，從以木柴為代表的植物型為主依次轉變到以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源為主。由于不同種類能源在物質構成和污染物含量方面存在很大不同，使得這一轉型過程引起大氣污染類型的長期變化，也即由以煤煙顆粒污染為主相繼向酸雨、臭氧、懸浮顆粒物（PM25）和二氧化碳污染過渡。其次，能源服務領域熱能、光能和動力能服務質量不斷提高，尤其是動力能領域內各種原動機持續更新換代，獲得長足發展。能源服務領域的革新，擴大了化石能源消費的規模，使其絕對消費量快速攀升。在化石能源消費過程中大量固定和移動污染源的聯合作用下，大氣污染地域范圍不斷擴大，從單個城市性污染逐漸演化為區域性、廣域性乃至全球性污染。最后，能源消費過程中各種轉換器的物理能源效率和能源強度代表的經濟能源效率均有很大提高，致使各類大氣污染問題的污染程度長期來看均逐漸降低。不過，由于能源效率的進一步提高遭遇到技術、經濟和政治等困境，加之受到大氣污染問題本身特殊性的影響，美國當前及未來一段時間仍存在較為嚴峻的環境問題。

近代以來中國城市與美國城市，以及中國城市之間雖然在地形地貌、自然氣候、人口密度和經濟結構方面有著明顯差異，但是化石能源的大規模利用卻使兩國都面臨著不同程度的、相似的大氣污染問題。比如早在民國年間，由于大量煤炭的使用，上海等地便產生了嚴重的煤煙顆粒污染問題。裴廣強：《近代上海的大氣污染及其成因探析——以煤煙為中心的考察》，《“中研院”近代史研究所集刊》第97期，2017年9月，第45-86頁。 當前中國以煤為主的能源消費結構仍沒有改變，城市普遍存在煤煙顆粒和二氧化硫為代表的煤煙型污染。此外，燃油機動車尾氣的排放又催生或加重了臭氧、懸浮顆粒物和二氧化碳污染，推動城市大氣向復合型污染轉變，并使空氣質量呈現整體惡化趨勢。這充分說明近代以來美國能源消費與大氣污染問題中反映出來的內在關聯和變化趨勢，絕不能僅僅被看作是美國獨有的經驗。實際上，從中透視出來的更多是一個城市化和工業化過程中超越時間和地域限制的一般性原則，也即能源消費與大氣污染問題的同源性關系。具體來說，能源消費結構、服務水平和利用效率的變化，必然會對大氣質量產生直接而深刻的影響，而大氣污染問題的產生、演變乃至解決，也必須要在能源消費的背景下予以理解。

妥善處理能源消費與大氣污染之間的關系，是推進社會主義生態文明建設的當務之急和題中應有之義。他山之石，可以攻玉。美國歷史經驗中蘊含的一般性原則，對于中國解決當前大氣污染問題具有重要啟示意義。短—中期來看，一是應在保障能源安全和經濟穩步發展的前提下，逐步扭轉以煤炭和石油為主的化石能源消費結構，因地制宜推行“煤改氣”工程和其他替代性清潔燃燒技術的使用，從源頭上減少各類能源潛在的污染物排放量;二是應加大對于能源利用新技術的投入和研發力度，緊跟國際先進趨勢，促進能源轉換器（尤其是各類原動機）及時更新換代和能源服務質量的不斷提高，實現物理能源效率的持續增長，降低單位產值能耗和人均能耗;三是應切實推進產業經濟結構的優化升級，控制高能耗、高污染產業新增產能項目的擴大再生產，鼓勵服務業和高新技術產業的發展，實現結構性節能減排，提高經濟能源效率，減少對于化石能源的需求力度。長期來看，應該制定合理的國家能源政策，扶植光伏、風能、水電等可再生能源的大發展，推動能源消費結構向可再生能源為主轉型，最終剔除能源消費舊有的環境外部性特征，切斷化石能源消費與環境問題之間的關聯。

（本文寫作過程中，同濟大學環境科學與工程學院陳穎軍教授曾提供了若干富有建設性的意見，在此致以誠摯的謝意！）

責任編輯：宋 鷗

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