中國大氣環境治理的新啟示

張銜 王慶龍 秦衛娜

摘要 在武漢疫情管控期間，企業經濟活動和機動車活動水平明顯大幅下降，大部分污染源基本停止排放，意味著在此期間全國各地區應該出現優良天氣，但是事實上在我國部分地區卻出現了嚴重霧霾天氣，這種反預期現象引起人們的普遍關注，甚至懷疑我國大氣環境治理是否存在失誤。根據這種反預期現象，提出環境污染應當是由流量污染和存量污染共同決定的猜想。為驗證這一猜想，分別假設了兩種情況：第一種只有流量污染，第二種既有流量污染又有存量污染，并用武漢疫情管控前后的實際排放數據模擬得到空氣質量狀況，尋找霧霾形成的規律，然后與武漢疫情管控前后實際監測數據進行對比，確定反預期現象的原因。實際數據和模擬數據對比發現，實際情況與假設1不符，與假設2相符。據此認為，大氣污染是由當期排放的污染與積累的存量污染共同決定。在此基礎上，進一步分析存量污染造成的經濟損失，分析表明：2007年被低估1.64億元，到2017年被低估3.83億元;在消散率為0.05、貼現率為0.01時，流量、存量和流量與存量損失的差額分別為6.5億元、50.5億元和44.0億元，這意味著2007—2017年總的經濟損失被低估44.0億元。在消散率為0.3、貼現率為0.1時，流量、存量和流量與存量損失的差額分別為4.6億元、10.5億元和5.9億元，這意味著2007—2017年總的經濟損失被低估5.9億元。研究發現，長期累積形成的存量污染是一個被忽視的大氣污染源，從而解釋了在武漢疫情管控期間低水平經濟活動條件下仍然會出現重度大氣污染的經驗事實。其政策含義在于，制定反污染政策需要根據存量污染的特征進一步完善相關政策設計。

關鍵詞 疫情管控;存量污染;經濟損失

中圖分類號 F019.2; X511

文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104（2021）02-0014-10 DOI：10.12062/cpre.20200603

我國在大氣環境治理方面取得顯著成就，2000年我國二氧化硫排放量為1 995萬t， 2017年二氧化硫排放量為875萬t，是2000年排放量的一半。2010年氮氧化物排放量為2 404萬t， 2017年排放量為1 259萬t，是2000年的一半。2010年粉（煙）塵排放量為1 279萬t， 2017年排放量為796萬t，是2000年的近一半。盡管廢氣排放水平明顯下降，但在武漢疫情管控期間，特別是2020年1月23日以后，我國的經濟活動水平明顯下降，大部分企業和機動車廢氣排放明顯減少的情況下，仍然有部分地區出現了霧霾天氣。2020年1月23日—27日，北京、天津、石家莊、太原、呼和浩特、沈陽、長春、鄭州、西安出現了嚴重的霧霾天氣，其中呼和浩特的空氣質量AQI最大值超過400，沈陽超過300，其余的幾個城市超過150，達到了中度污染。在武漢疫情管控期間的這種反預期現象，使人懷疑我國的減排政策是否有效？大氣環境治理對象是否準確？該研究將對這一問題進行探索，以便為今后政府環境干預決策提供科學依據。

1 文獻綜述

大氣污染（霧霾）產生的第一個條件是污染物。生產過程粗放式排放是大氣污染的直接源頭。我國大氣的污染源有很多種，如煤炭、石油等傳統化石能源的消耗、汽車尾氣的排放、各種工業和生活廢氣的排放、土壤粉塵、生物質直接燃燒、垃圾焚燒等[1-3]。多重污染源給霧霾治理增加了難度，不同學者以控制排放源作為治理手段提出相應的策略。Xu等[4]認為我國的空氣污染主要來源于經濟快速發展中煤炭燃燒的廢氣、機動車尾氣和工業粉塵，減少煤炭消耗，實施清潔生產流程以及推廣清潔汽車等措施可以對治理霧霾起到很大作用。林伯強等[5]分析得出，世界上一半的煤炭在中國消耗，煤炭燃燒產生的二氧化硫、氮氧化物、煙塵排放分別占中國相應排放量的86%、56%、74%，因此，中國環境治理最重要的方面在于實現煤炭替代，減少煤炭消費。任保平等[6]根據我國污染的特征，發現“高能耗、高污染”行業造成地區的近地層污染物、粉塵等微小顆粒物濃度過大，是造成該地區霧霾天氣的主要原因之一。城市霧霾天氣的治理需要從能源結構、產業機構，以及經濟增長目標的轉化等方面來探討。付鵬[7]認為城市及其周邊范圍內大量使用傳統化石類燃料是產生城市霧霾的主要原因。優化我國能源獲取方式、調整能源產業空間布局，同時注重能源結構的中長期規劃，是當下霧霾治理最現實的路徑選擇。顧為東[1]將霧霾和微生物聯系在一起解釋了我國污染排放與霧霾的反常關系，認為霧霾不僅源于工業化進程中工業污染生成的二次氣溶膠顆粒，還源于廣大農村土壤、水源嚴重污染導致以微生物為主的二次氣溶膠顆粒。霧霾治理，一是應從普遍性角度入手，以減少傳統二次無機氣溶膠等凝結核產生;二是應從特殊性角度入手，深入研究霧霾中的微生物種群和分類[4]。陳詩一等[8-9]認為高耗能、高排放為特征的粗放式經濟發展模式是導致中國環境狀況惡化的根源，解決環境問題將經濟發展模式轉到以技術進步為第一驅動力的可持續發展軌道上來。這些文獻的政策主張是流量污染的控制。

大氣污染（霧霾）產生的第二個條件是一定的氣象條件。氣候變化導致最大環境容量減少是霧霾形成的重要因素。據此，大氣環境治理的另一思路是人工改變氣象條件，如增加城市綠化、合理規劃建筑群改變風速風向，通過人工降雨增加濕度，從而調節城市大氣環境容量[10]。但是，氣候的人為改善相對于源頭治理難度較大且費用較高，因此對于大氣環境治理仍然以源頭控制為主，氣象條件的改善為輔。

可以看出，這些代表性文獻強調的是從源頭控制流量污染。但是，如果環境污染只取決于流量污染，則不能解釋我國在武漢疫情管控期經濟活動水平很低的情況下，仍然出現了較嚴重的空氣污染的經驗事實。根據這一事實，有理由認為，已有的研究忽視了存量污染的作用 [11]。因此，提出如下待檢驗假說：當期空氣污染是由當期排放的流量污染與前期形成的存量污染決定的。如果流量污染得到控制，已經形成的存量污染物會在一定的氣象條件下，以一定的比重形成空氣污染;氣象條件越差，存量污染物就會有越大的比重形成霧霾;反之，盡管有存量污染物，但不會形成霧霾。我國在武漢疫情管控期間很低的經濟活動水平為檢驗這個假說提供了一個自然實驗。檢驗思路如下：假設有兩種污染情況，假設 1只有流量污染，假設 2既有流量污染又有存量污染。如果假設1成立，則該研究的假說不成立，已有研究及治理政策成立，如何解釋低經濟活動水平下的空氣污染需要提出新的假說。如果假設2成立，則該研究的假說成立，低經濟活動水平下的空氣污染主要是由存量污染造成的。

2 理論分析與研究假設

最優控制理論模型主要借鑒了文獻[12]的成果。生產過程會消耗能源，同時會產生污染，令E為能源的使用量，S為能源使用后產生的污染存量，S'為污染流量。假定有h個污染源，污染和能源使用成正比，令0<ε<1為比例因子，則：

使用能源E進行生產活動，提高了能源消費者的效用水平，但同時也產生污染S'。污染在0到T時刻積累，累積的污染S增加負效用。顯然，社會效用函數依賴于能源消費和污染的積累，消費函數和污染累積函數分別是：

這說明任意一單位能源的使用都不會增加或者降低整個社會效用。

當消散率0<δ<1時，隨著流量污染的排放，存量污染被積累，但是每天的存量污染中的一部分污染物會被消散。因此，假定存量從零開始，即第1天之前沒有存量污染，則第一天的存量污染為：

第二天的存量污染等于第二天的流量污染加上第一天未吸收的存量污染：

一般說，第t天的存量污染等于第t天的流量污染加上第t-1天未吸收的存量污染：

假設1：當消散率δ=1時，存量污染為零，監測的污染量為流量污染。

假設2：當消散率0<δ<1時，存量污染大于零，監測到的污染既有流量污染又有存量污染。

3 數據模擬

3.1 思路設計

根據我國實際排放模擬不同消散率下污染累積的情況，并根據大氣監測的實際數據對以上假設進行檢驗。

大氣監測的實際數據來自2020年1月19日—2月10日。為了使觀察呈現出平行趨勢，選擇武漢疫情管控前4天的數據平均值為武漢疫情管控前的天氣狀態，選擇武漢疫情管控后4天的數據平均值為武漢疫情管控后的天氣狀態。取這段時間是因為隨著人口流動受到嚴格限制，大部分企業和機動車停止了排放，流量污染迅速減少。如果假設1成立，則在此期間的空氣污染濃度應當也會隨之下降，空氣質量持續上升;如果假設2成立，則在此期間，雖然流量污染排放迅速減少，但是污染濃度不會隨污染排放量的減少而單調下降。

3.2 模型與數據

根據理論推導，得到模型：當消散率δ=1時，期初排放的污染完全消散，存量污染St=0，任何污染源當天排放的污染只有流量污染，則實際監測到的污染量為：

其中，Mt為只有流量污染時在t時刻監測到的污染量，S't為t時刻排放的流量污染。根據式（18）將實際監測到的污染量轉化為監測濃度值：

其中，M't為只有流量污染時在t時刻監測到的污染量，ρ't為只有流量污染時監測濃度值，Cit為最大環境容量，在晴天時i=0，在陰天時i=1，并且在晴天時最大的環境容量大于陰天時最大的環境容量，即C0t>C1t。

當消散率0<δ<1時，隨著流量污染的排放，一部分污染物被累積形成存量污染。假定每天的存量污染中有一部分會被消散，則實際監測到的污染量為：

其中，Mt為t時刻監測到的污染量，St為t時刻排放形成的存量污染，S't為t時刻排放的流量污染，St-1為t-1時刻未吸收的存量污染。根據式（21）將實際監測到的污染量轉化為監測濃度值：

其中，Mt為即有流量污染又有存量污染時在t時刻監測到的污染量，ρt為即有流量污染又有存量污染時監測濃度值。

為了檢驗假設，選擇兩組數據。第一組是根據各個城市的實際流量排放數據按假設條件計算得到的空氣監測模擬值，第二組是用來與第一組模擬值進行對比的各個城市的實際空氣監測值?？諝獗O測數據是每天實時的，實際排放量是年度數據，因此需要將各個城市實際排放的年度數據平均為日排放的流量數據。污染物選擇二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NO2）和粉塵（PM2.5）。排放數據來自《中國統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國環境年鑒》《中國統計年鑒》，2017年之前相應污染物濃度和空氣質量（AQI）的監測值來自《中國環境統計年鑒》和《中國環境年鑒》，2020年1月19日—2月10日的數據來自國家環境保護部數據中心。文中以2020年1月23日武漢疫情管控期間作為自然實驗觀察期的起始點，以2020年2月10日全國復工為自然實驗觀察期的終結點，因此自然實驗的觀察時間為2020年1月23日—2月10日。

3.3 模擬結果

對假設1的檢驗。表1是武漢管控前后三種污染物的排放量，其中管控之前三種污染物的排放量在2.35～2.45萬t、3.40～3.50萬t、2.13～2.23萬t之間隨機產生，假定管控后第1天的排放量在管控之前排放量上減少1/4，第2天在管控之前排放量上減少1/3，第3天在管控之前排放量上減少1/2，第4天在管控之前排放量上減少2/3，第4天之后三種污染物的排放量在0.75～0.85萬t、1.10～1.20萬t、0.68～0.78萬t之間隨機產生。全國除港澳臺以外的31個省會城市，晴天的最大環境容量為1.95×1015m3，陰天的最大環境容量為晴天的2/3，即0.97×1015m3，計算方法是用2020年1月19日全國除港澳臺以外31個省會城市的平均排放量除以二氧化硫的平均濃度12.29 μg/m3。

表2是根據式（18）和表1的條件計算得到的武漢管控后的模擬監測濃度表?？梢钥闯?，武漢管控后天氣不變的條件下，SO2、NO2、PM2.5的濃度值是下降的，空氣質量AQI也從武漢疫情管控前的良轉為優。在陰天條件下，SO2、NO2、PM2.5和AQI的值先上升后下降，空氣質量先保持不變，最后變為優。

為了與污染濃度模擬值比較，表3整理了全國除港澳臺以外31個省會城市在武漢疫情管控前后的空氣AQI實際監測值。由表3看出，哈爾濱、上海、南京、杭州、合肥、南昌、濟南、武漢、長沙、南寧和?？跐M足假設1模擬的結果，這些城市的空氣質量在武漢疫情管控之后變好;而北京、天津、石家莊、太原、呼和浩特、沈陽、長春、鄭州和西安不滿足假設1模擬的結果，這些城市的空氣質量在武漢疫情管控之后變差。這表明假設1不符合實際情況，即消散率不為1。

廣州和昆明模擬值和實際值吻合度更高，武漢疫情管控前后的空氣質量整體又好于上海和南京，并且空氣質量在武漢疫情管控前后變化沒有太大差異。廣州空氣污染最嚴重時的AQI值為良，昆明的AQI值一直為優。廣州在從1月19日到27日空氣質量AQI值在44左右波動，最大值為61，最小值為25，消散率最小值為0.55，最大值為0.80，除1月20日到22日為良之外，空氣質量總體保持優。昆明從1月19日到27日空氣質量AQI值在22.5左右波動，最大值為30，最小值為16，消散率最小值為0.50，最大值為0.80，空氣質量一直保持為優。

根據以上分析，假設1與實際情況不符，假設2與實際情況相符，根據假設2的結論證實了該研究假說，從而解釋了為什么在經濟活動水平很低的情況下，仍然會出現比較嚴重的空氣污染。

4 存量污染造成的后果

如前所述，已有的研究和污染治理政策忽視了存量污染，必然低估污染造成的經濟損失。為進一步測算大氣污染造成的經濟損失，根據大氣污染環境損失（退化）成本（2 198億元）和式（17）估算出大氣流量污染與存量污染造成的損失，具體見表7（具體計算過程，如有需要，可以向作者索?。１?是考慮了貼現后的損失。

5 結論和政策建議

根據武漢疫情管控期間的經驗數據證實了假設2，拒絕了假設1，從而證實了該研究的理論假說。可以認為，空氣污染是由當期排放的污染量與累積形成的污染存量共同決定的。當流量污染被控制后，空氣質量就由累積形成的存量污染隨氣象條件決定。這解釋了武漢疫情管控后為什么仍然可以出現空氣的重度污染。因此，長期排放累積形成的存量污染是一個被忽視的、隨氣象條件形成空氣污染的重要污染源。

需要說明的是，盡管武漢疫情管控發生后的整體經濟活動水平處于很低的狀態，來自運輸、企業生產和工程施工等的污染排放水平大為降低，但并不意味著沒有任何排放。例如，防疫工作不可避免的排放，特別是生活消費不可能停止，每天每戶的燃氣排放會形成大氣污染。不過這些流量污染不足以解釋武漢疫情管控期間仍出現的空氣重度污染。

基于研究結果，提出如下政策建議：第一，已有的反污染政策忽視了存量污染，沒有注意到存量污染可以成為二次污染源，從而忽視了存量污染產生的外部成本。因此，治理大氣污染需要進一步考慮存量污染產生的外部成本。在設計環境稅時，需要重新調整稅制設計，應按照流量外部成本和存量外部成本設計稅率，采取兩部制征稅。第一部用基本環境稅控制流量污染，按照排污量收取;第二部用最大環境稅控制存量污染，按照最大的排污量收取。排污權交易的排放量分配，主要根據的是流量污染，但是實際污染量是由流量與累積形成的存量決定的。因此，在排污權初始分配時應當考慮存量污染。第二，大氣存量污染變化取決于流量污染的排放速度和污染消散速度，在治理大氣污染時，不僅要控制污染排放總量，而且要控制污染排放的速度，應考慮不同時段和累積污染存量實施相應的治理政策，在自然消散率較低的時段應該采取更加嚴格的環境規制，在消散率較高的時段應該采取相對較寬松的環境規制。第三，大氣環境容量的變化（氣候變化）是單位容量中污染濃度發生變化的另一個決定變量，因此需要增加城市綠化布局，合理規劃建筑群改變風速風向，通過人工降雨增加濕度，調節城市大氣環境容量。

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（責任編輯：李 琪）