本期嘉賓：蘭州大學大氣科學學院教授 黃建平
採訪人：中國氣象報記者 王天雨
本期觀點：工業革命以來，大規模的化石燃料燃燒、人口增長、過渡放牧、城市擴張等人類活動大大增加了氧氣的消耗量，使得長期維持的氧氣收支平衡被打破。建設生態文明，不僅要減排，更要建設一個能夠自我恢復的生態系統。
生命呼吸、燃料燃燒和一切氧化過程都需要消耗氧氣，氧氣在全球生物化學循環過程中起著絕對重要作用。如果地球大氣中沒有氧氣，人類就無法生存。那麼，大氣氧氣含量下降會對地球環境造成怎樣的影響？大氣含氧量是越高越好嗎？
追蹤大氣「氧來源」大氣含氧量也可稱為大氣氧濃度，通俗地講，就是氧氣在空氣中的佔比。在地球氧氣生產量與消耗量保持基本平衡的情況下，大氣含氧量一般穩定在21%左右。
但事實上，從漫長的時間橫軸來看，大氣含氧量並非一成不變，反而是處於不斷的變化之中。國外相關研究顯示，寒武紀之前，地球只有微量的氧氣存在，寒武紀之後，氧氣含量呈暴髮式增長，於石炭紀達到高峰，當時大氣中氧氣含量超過35%，之後開始緩慢下降。隨著大氣的「脾氣」不斷趨於穩定，氧氣含量也圍繞著21%發生較為微妙的波動。
關於氧氣含量的變化，人們首先想到的往往是綠色植物的光合作用。實際上，光合作用對大氣含氧量並沒有多大影響。光合作用僅僅是促成大氣中氧和碳的循環，使氧氣處於動態平衡當中，不會改變大氣中的氧氣含量。
真正改變大氣含氧量的是一些地質運動和某些細菌的生物化學過程。地質運動會讓地球深處的巖石暴露出來，這些巖石成分中含有很多還原性物質，將本被固化的氧元素還原為氧氣釋放到大氣中。一些細菌或微生物的生物化學作用可以實現水的分解從而釋放氧氣。
當氧氣含量達到一定程度後，臭氧層形成，紫外線強度大幅度下降。同時，隨著高等植物逐漸取代光合細菌等，微生物作用分解的水也逐漸減少，而目前已不足以彌補地質運動對氧氣的消耗，所以從大尺度看，氧氣是逐漸減少的。
大氣含氧量正在「悄悄」降低近百年來，氣候系統正經歷著以全球變暖為主要特徵的顯著變化。在科學界密切關注大氣中二氧化碳濃度迅速增加對全球氣候、生態系統的影響時，地球大氣含氧量也在「悄悄」地隨之發生著不小的變化。
「過去我們一直倍加關注大氣中二氧化碳濃度的快速上升，卻忽視了氧濃度的變化。」黃建平說。工業革命以來，大規模的化石燃料燃燒、人口增長、過度放牧、城市擴張等人類活動大大增加了氧氣的消耗量，這使得長期維持的氧氣收支平衡被打破，氧氣虧損正在增大。
黃建平及其科研團隊通過量化人類活動對全球氧氣收支長期變化的影響，對未來氧氣濃度的變化情況進行了預估。結果顯示，化石燃料燃燒是引起氧氣濃度下降的主要原因。「全球9個站點1989年至今的觀測資料顯示，大氣中氧氣濃度下降的速度是二氧化碳上升速度的兩倍。假定二氧化碳排放維持高排放情景，預計本世紀末，年氧氣消耗將增加近兩倍。」
據介紹，目前陸地和海洋生態系統氧氣產量僅約17.8Gt（氣體重量計量單位），而全球耗氧總量每年已達39Gt。其中，化石燃料燃燒年消耗約25Gt氧氣，是氧氣濃度下降的主要原因。人類活動所消耗的氧氣遠遠高於生態系統產生的氧氣，這造成大氣中氧氣含量正以每年約21.2Gt的速度降低，預計本世紀末大氣中氧氣年消耗量約達100Gt。
缺氧會導致土地「癌化」「如果將地球氣候系統比作人體，目前氧氣濃度下降對地球的影響可以用『癌症』來形容。缺氧導致土地『癌化』，而發生病變的土地會不斷擴張吞噬人類賴以生存的健康土地。」黃建平說，「土地失去植被，就會中斷人類賴以生存的食物鏈，也將喪失存儲地下水的能力，降水量隨之減少，形成沙漠和乾旱區。如果沒有人為改善，沙漠會繼續向周邊蔓延，這種情況如同人類的癌細胞，汲取周圍健康細胞的營養，並瘋狂地擴散，最終危及生命。」
如果人類不及時控制化石燃料燃燒，到本世紀末，全球健康土地將僅剩23%，「癌化」及「死亡」土地分別達40％和21%。「雖然目前氧氣濃度的下降尚未對人類健康造成顯著威脅，但我們賴以生存的環境和呼吸的空氣正悄然間發生巨大的變化。從人類發展角度看，如果我們一直保持現在的生活方式，終將造成地球環境的顯著變化。」黃建平說。
黃建平表示，建設生態文明，不僅僅要減排，更要建設一個能夠自我恢復的生態系統。目前，人類正在無情地消耗地球幾十億年進化過程中所累積的氧氣，這些變化終將威脅人類的生存，應當引起科學界和各國政府的高度重視，並儘快擬定應對方案。「學術界更應關注關於整個氧循環系統的多方向發散研究，比如海洋與陸地的氧收支，工業、人類、生物耗氧量的精細區分等。」
大氣含氧量並非越高越好以人們熟知的化學常識為例，「鐵絲在空氣中久而久之生成不完全氧化的三氧化二鐵，在純氧中燃燒則生成三氧化四鐵。這就說明在生物化學反應過程中，氧濃度不同會造成不小的氧化結果差別。」黃建平說。
如果大氣含氧量增多，會加速生物體內代謝速度，生物的生長速度也會加快，這將大大加速人類和動物的衰老進程；空氣中氧氣含量過高會導致微生物活動增強，暴露在空氣的食物便更容易腐爛、不易儲存，給我們的生活帶來諸多不便。
需要注意的是，若氧氣含量增多，地球上幾乎所有動物的生長速度都會加快，體型也會增大，人類也不例外。其他生物體型增大或許不會給人類生存帶來太多威脅，但全球生物的體型都一致增大，會讓地球變得「擁擠不堪」，這或會導致地球資源不足，進而引發種群鬥爭。
此外，科學研究發現，大氣含氧量如果超過35%便極為危險。此時的大氣極易自燃，地球隨時隨地都有可能發生火災，那樣，地球就會變成一片火的海洋，成為一座生命的地獄。在大氣含氧量較高的石炭紀時期，一個雷便能引發一場森林火災。
（來源：《中國氣象報》2019年3月6日三版 責任編輯：李慧）