中德研究人员破解北京雾霾形成之谜

    ①中德两国研究人员21日说，他们破解了北京及华北地区雾霾最主要组分硫酸盐的形成之谜，发现在大气细颗粒物吸附的水分中二氧化氮与二氧化硫的化学反应是当前雾霾期间硫酸盐的主要生成路径。这一发现凸显在继续实施减排措施的同时优先加大氮氧化物减排力度对缓解空气污染问题的重要性。

    ②近年来，北京及华北地区雾霾频发。已有研究表明，硫酸盐是重污染形成的主要驱动因素。在绝对贡献上、重污染期间硫酸盐在大气细颗粒物PM2.5中的质量占比可达20%，是占比最高的单体；在相对趋势上，随着PM2.5污染程度上升，硫酸盐是PM2.5中相对比重上升最快的成分。因此，硫酸盐的来源研究是解释雾霾形成的关键科学问题。

    ③清华大学贺克斌院士和德国马克斯·普朗克化学研究所的程雅芳教授等人当天在新一期美国《科学进展》杂志上报告说，他们运用外场观测、模型模拟及理论计算等手段发现，在北京及华北地区雾霾期间，硫酸盐主要是由二氧化硫和二氧化氮溶于空气中的“颗粒物结合水”，在中国北方地区特有的偏中性环境下迅速反应生成。颗粒物结合水是指PM2.5在相对湿度较高的环境下潮解所吸附的水分。

    ④该结论与通常认为的硫酸盐形成机制有较大不同。现有基于欧美等地区的经典大气化学理论认为：硫酸盐主要是在云水环境中形成，由于云中的液态水含量远高于颗粒物结合水，通常高出1000到10万倍，所以与云水中的硫酸盐生成反应相比，颗粒物结合水中的反应可以忽略；理论计算还显示，在云水反应路径中，二氧化氮氧化二氧化硫生成硫酸盐这一路径的贡献也可忽略不计。

⑤而在北京及华北地区雾霾期间，一方面，由于颗粒物浓度大幅上升及静稳气象条件下相对湿度较高等原因，颗粒物结合水含量远高于经典情景，颗粒物结合水中的反应总量大大提升；另一方面，重度雾霾期间二氧化氮浓度为经典云水情景下的50倍以上，这直接改变了二氧化氮氧化路径的相对重要性。此外，北京及华北地区大量存在的氨、矿物粉尘等碱性物质使得当地颗粒物结合水的pH值远高于美国等地，呈现出特有的偏中性环境，而二氧化氮氧化机制的反应速率会随pH值上升而大幅提高。

    ⑥研究人员据此在论文中指出，优先降低氮氧化物的排放可能有助大幅降低中国雾霾中的硫酸盐污染水平。

    ⑦“该研究表明我国复合型污染的特殊性，”贺克斌院士对新华社记者说，“高二氧化硫主要来自燃煤电厂，高二氧化氮主要来自电厂和机动车等，而起到中和作用的碱性物质氨、矿物粉尘等则来自农业、工业污染、扬尘等其他来源。这些不同的污染源在我国同时以高强度排放，导致硫酸盐以特有的化学生成路径迅速生成，这也是重度雾霾期间颗粒物浓度迅速增长的主要原因之一。”

    天文学并不是新开拓的科学，它的渊源可以追溯到人类的远古时期，我们从现代天文学的基本概念中很容易发现它的痕迹。也许在文字产生以前，人们就知道利用植物的生长和动物的行踪来判断季节，这种物候授时是早期农业生产所必需的，甚至到上一世纪50年代，中国一些少数民族还通行这种习俗。物候虽然与太阳运动有关，但由于气候变化多端，不同年份相同的物候特征常常错位几天甚至更多，物候授时比起后来的观象授时就要粗糙多了。观象授时，即以星象定季节。比如《尚书·尧典》记载，上古的人们以日出正东和初昏时鸟星位于南方子午线标志仲春，以日落正西和初昏时虚星位于南方子午线标志仲秋，等等。

当人们对天文规律有更多的了解，尤其是掌握了回归年长度以后，就能够预先推断季节和节气，古代历法便应运而生了。据史料记载，夏商时期肯定已有历法，只是因为文字记载含意不明，其内容还处于研究之中。春秋战国时期，流行过黄帝、颛顼、夏、商、周、鲁等六种历法。它们的回归年长度都是365.25日，但历元不同，岁首有异。

    从西汉到五代是古代天文学的发展、完善时期，出现了许多新的观测手段和计算方法。南北朝的姜岌以月食位置来准确推算太阳的位置，隋朝刘焯用等间距二次差内插法来处理日月运动的不均匀性。唐代一行的大衍历，显示了古代历法已完全成熟，它记载在《新唐书·历志》中，按内容分为七篇，其结构为后世历法所效仿。西汉天文学家落下闳以后，浑仪的功能随着环的增加而增加；到唐代李淳风时，已能用一架浑仪同时测出天体的赤道坐标、黄道坐标和白道坐标。除了不断提高天体测量精度外，天文官员们还特别留心记录奇异天象的发生，其实后者才是朝廷帝王更为关心的内容，所谓“天垂象，见吉凶”，把它看成上天给出的瑞象和凶象，并加以趋避。

    宋代和元代为古代天文学的鼎盛时期。这一时期颁行的历法最多，达25部，其中郭守敬等编制的授时历最为优秀，连续使用了360年，达到中国历法的巅峰；观测数据最精，许多历法的回归年长度和朔望月值已与现代理论值相差无几，在世界处于领先地位；大型仪器最多，其中苏颂的水运仪象台集观测、演示、报时于一身，是当时世界上最优秀的天文仪器；恒星观测最勤，平均不到20年一次。

    进入明代后，中国天文学开始停滞不前。这里有政治、经济等社会原因，也有天文学本身的原因。从天文学本身来看，首先，当时中国的天文仪器只能满足肉眼测量的极限，除非加上凹凸镜片，精度不会提高，而采用凹凸镜片的望远镜技术是在欧洲诞生的。其次，中国古代擅长代数计算，在解决天体位置与推算值弥合问题上只注意表象，不注意从几何结构进行理论探讨，与此相反，古希腊天文学则是侧重几何学的。对中国明清时代的天文学进行反思是痛苦的，但却有助于我们今天的发展。

（摘编自陈久金、杨怡《中国古代的天文与历法》）

材料一：

2023年12月5日是第十个“世界土壤日”。土壤本身是复杂的生态系统，可为土壤生物提供多样的生存环境。你知道吗？我们平时不怎么留心观察的土壤是会呼吸的，它会吸收氧气，释放二氧化碳。

挖开土壤，会发现里面有大量植物根系，以及蚯蚓、蚂蚁等动物。除了能看到的，还有一些肉眼看不到的，比如数量众多的真菌、细菌等微生物。这些生活在土壤中的生物被称为“土壤生物”。多样的土壤生物不是杂乱无章的，而是通过“吃”与“被吃”的关系联系在一起，构建成一张食物网。

土壤生物要生存，就需要进行新陈代谢。它们通过地表吸收氧气，释放二氧化碳，这就是通常所说的土壤呼吸。严格意义上讲，土壤呼吸指未被扰动的土壤中产生二氧化碳的所有代谢作用。土壤呼吸的生物过程包括植物根系的呼吸、土壤微生物的呼吸和土壤动物的呼吸。

土壤呼吸是土壤生物活跃程度的表征，是土壤健康的重要指示。土壤呼吸通常与地上植物的生长状况有关，也存在季节的变化。如果通气不畅，例如淹水，就会影响到土壤呼吸。受污染的土壤中，生物活动受到抑制甚至伤害，土壤呼吸也会降低。

和人一样，土壤生物也需要食物来维持自身的生命活动。它们的食物一方面来自植物死亡后的凋落物，另一方面来自其他土壤生物的排泄物或其他土壤生物死亡后的残体。土壤生物“吃”与“被吃”的过程一方面构成食物网，令各种生物的种类、数量和所占比例保持在相对稳定的状态，维持了土壤中的生物多样性；另一方面把生物代谢的残余物（如植物的凋落物、土壤动物的排泄物、微生物死亡后的残体等）分解，释放出养分，供植物生长所需。因此土壤生物是土壤肥力的重要保障，土壤呼吸也是土壤肥力的重要指标。

土壤呼吸不仅随土壤的生物和非生物因素发生变化，也与植物的光合作用、生长状况密切相关。受这些因素影响，土壤呼吸始终处于高度的动态变化过程中，表现出明显的日变化、季节变化和年际变化。所以，对土壤呼吸的准确测定需要长期、高频率的动态监测。

当下，各行各业都在为实现碳达峰、碳中和而努力。土壤呼吸的微小变化就可能导致大气中二氧化碳浓度和土壤中碳库的重大变化。因此，要准确评估区域及全球的碳循环，必须对各类生态系统土壤呼吸过程和机理准确理解，才能做到精准认识现状，科学预测未来。

（摘编自贺金生《土壤也会呼吸吗？》）

材料二：

作为土壤碳循环的关键过程之一，土壤呼吸与生态系统生产力、土壤肥力以及区域和全球的碳循环都密切相关，并在调控地球系统的大气二氧化碳浓度和气候动态方而起着十分关键的作用。

碳以二氧化碳的形式从土壤向大气圈的流动是土壤呼吸作用的结果。土壤呼吸作用，严格意义上指未受扰动的土壤中产生二氧化碳的所有代谢作用，包括了异养呼吸和植物根系的自养呼吸。土壤呼吸由三个生物过程（植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸）和一个非生物过程（含碳物质的化学氧化作用）组成。研究表明，土壤呼吸作用释放的二氧化碳中30%~50%来自根系自养呼吸作用及根系分泌物的微生物异养呼吸作用，其余部分主要来源于土壤微生物对有机质和凋落物的分解作用，即异养呼吸作用。土壤呼吸作用通常是通过从土壤表面释放出的二氧化碳量来测定的。早在20世纪80年代以前就已经开始了对土壤呼吸作用的测定。目前的测定方法主要有：静态气室法、密闭或敞开系统的动态气室法、二氧化碳浓度梯度法和微气象法。

已知的影响土壤呼吸作用的直接因素是土壤环境，包括土壤质地、酸度、有机碳、水热条件等。气候条件决定了植被类型的分布与生长，并影响土壤的水热条件。植物的生长为土壤呼吸提供碳源（根系及分泌物、凋落物等）。人为活动影响土壤环境和植物的生长，进而影响土壤呼吸。水热条件是影响土壤呼吸的最主要的因素。土壤温度升高促进土壤的呼吸作用，其温度系数Q10（温度每上升10℃反应速率增加的倍数，一般生物系统为2）随温度升高而下降，寒冷气候区土壤呼吸的温度效应最大。当土壤湿度低于田间持水量时，土壤呼吸速率随含水量增加而升高；当土壤湿度高于田间持水量时，土壤呼吸速率随含水量升高而降低。土壤耕翻可增加土壤通气性及土壤与植物残体的接触，加速有机质分解，促进土壤的呼吸作用，免耕或少耕能有效地减少土壤中碳的损失。

根据土壤呼吸速率的快慢，可将土壤有机碳库分为两个具有不同更新时间的碳库：①靠近土壤表层由新鲜残留物组成的“小”碳库，它更新速度快，流通量大；②贯穿整个土壤深层剖面的由难以分解的腐殖质复合物组成的“大”碳库，其更新十分缓慢。据放射性“C含量”的测定，不同深度土壤有机碳的平均停留时间或更新时间在10~10000年，且随深度增加而增加。因此在研究由土壤呼吸作用引起的土壤二氧化碳通量变化时必须特别注意土壤表层附近的不稳定碳库的变化。人为扰动或全球变暖引起的土壤二氧化碳释放通量的增加主要源于具有最短更新时间的不稳定碳库。例如温带森林土壤的二氧化碳年生产量中有83%是仅为15cm的表层土壤提供的。近期人为扰动对稳定碳库（例如深层土壤、永冻土等）的影响，也愈发受到重视。

（摘编自网络）