測量“城市呼吸”，助力“雙碳”目標(biāo)

  “城市和人一樣也會(huì)‘呼吸’，吸入氧氣并呼出二氧化碳。”中國科學(xué)院院士、蘭州大學(xué)西部生態(tài)安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心主任黃建平在接受記者采訪時(shí)說，“以往我們更多關(guān)注污染物和二氧化碳的排放，理所當(dāng)然地認(rèn)為氧氣含量足夠，但現(xiàn)在越來越多的證據(jù)表明，氧氣已被過量消耗，這會(huì)給人類的生命健康帶來巨大威脅。”

  近日，黃建平團(tuán)隊(duì)在《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》雜志發(fā)表了題為《工業(yè)重鎮(zhèn)氧氣觀測揭示“城市呼吸”》的封面文章，在國際上率先開展“城市呼吸”研究，從觀測的角度提供了城市氧氣濃度下降的有力證據(jù)，開拓了氧循環(huán)城市健康效應(yīng)研究的新領(lǐng)域。

  國內(nèi)首個(gè)高精度觀測平臺(tái)

  作為地球上幾乎所有生物生存的必需品，氧氣是大氣中最關(guān)鍵的氣體成分之一。

  人口眾多且密集的城市地區(qū)僅占全球土地的2%，卻居住著全球56%以上的人口，并消耗了全球70%的化石燃料。近幾十年來，隨著越來越多的人口涌入城市，城市地區(qū)在適應(yīng)和減緩氣候變化方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)有觀測資料表明，過去30年中，大氣中二氧化碳占比快速上升，氧氣下降的速度是二氧化碳上升速度的兩倍左右。

  針對這一現(xiàn)象，研究人員選取了蘭州市進(jìn)行實(shí)地測量。蘭州市地處中國西北部半干旱地區(qū)，作為甘肅省省會(huì)，其總?cè)丝诔^440萬，由于兩山夾一河的獨(dú)特地形，以及少風(fēng)少雨的氣候特點(diǎn)，大氣擴(kuò)散受到抑制，導(dǎo)致了流域內(nèi)污染物的穩(wěn)定積累。

  “我們看到蘭州市中心的地形十分獨(dú)特，南北最窄處僅1公里左右。考慮到大量人口在如此狹窄的區(qū)域聚集，人類的呼吸過程勢必會(huì)影響大氣中的氧濃度，因此我們希望對這個(gè)問題進(jìn)行深入探索。”論文第一作者、蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院2020級(jí)氣候?qū)W專業(yè)博士研究生劉曉岳說。

  基于上述考慮，黃建平團(tuán)隊(duì)提出了“城市呼吸”的新概念，用來衡量城市空氣的健康狀態(tài)。

  目前，針對“城市呼吸”中二氧化碳、污染物、能源等要素的研究在國際上已經(jīng)比較全面，但是針對氧氣的研究幾乎是空白狀態(tài)。

  “這主要有兩個(gè)原因，一是沒有意識(shí)到氧氣減少的危害，現(xiàn)在越來越多的研究表明，氧氣濃度降低與人體健康特別是心血管健康密切相關(guān);二是氧氣濃度實(shí)時(shí)觀測對儀器精度要求很高，一般儀器無法測量。”黃建平介紹。

  目前，國內(nèi)外已有一些研究團(tuán)隊(duì)在全球設(shè)立了大氣氧氣定期觀測站點(diǎn)，探究全球大氣氧氣濃度的長期趨勢。這些觀測通常是使用密封瓶進(jìn)行大氣采樣分析，密封瓶采樣受實(shí)驗(yàn)條件的限制，數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率有限，因此還需對大氣氧氣進(jìn)行連續(xù)觀測來提高對大氣傳輸和混合過程的認(rèn)識(shí)。雖然近年已有一些站點(diǎn)開始連續(xù)觀測，但是大多數(shù)氧氣觀測站點(diǎn)都設(shè)在人煙稀少、遠(yuǎn)離人類活動(dòng)的區(qū)域。

  在大的自然背景下探測微小的氧氣變化相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。“大氣中氧氣變化信號(hào)以百萬分之一計(jì)，這種探測猶如探討一滴水對于整個(gè)海平面的影響，因此，對氧氣監(jiān)測分析儀器的精度和漂移有嚴(yán)格的要求。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)技術(shù)的工程師王莉說。

  2017年，黃建平團(tuán)隊(duì)在蘭州大學(xué)城關(guān)校區(qū)一棟22層建筑的頂樓建立了國內(nèi)首個(gè)高精度大氣氧氣觀測平臺(tái)。空氣采樣的采氣口正對著蘭州市最繁忙的街道——天水路。這條路有雙向10車道，毗鄰火車站，路段交通發(fā)達(dá)，受人為活動(dòng)影響比較顯著。

  氧氣觀測平臺(tái)采用氣相色譜熱導(dǎo)檢測器(GC-TCD)技術(shù)測定大氣氧含量，該技術(shù)已經(jīng)使用了20多年，可以較準(zhǔn)確地量化大氣氧氣的變化。團(tuán)隊(duì)利用氣相色譜儀直接測量的是氧氮比，這是因?yàn)榇髿庵械獨(dú)獾淖兓妊鯕獾淖兓〉枚?，可忽略不?jì)，因此氧氮比的變化可以被認(rèn)為是氧氣造成的。

  “在氧氣觀測平臺(tái)建設(shè)初期，我們克服了一系列技術(shù)難題，包括儀器調(diào)試、定標(biāo)以及后期數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建了適用于平臺(tái)的大氣氧觀測數(shù)據(jù)的訂正方法等。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的不懈努力，我們的觀測資料最終得到了國際同行的認(rèn)可。”黃建平介紹。

  定量估算氧氣濃度變化

  城市中居民呼吸和化石燃料燃燒是兩個(gè)獨(dú)立的過程，因此很難直接將上述兩個(gè)過程的影響分別從大氣氧氣觀測資料中分離出來。但值得注意的是，居民呼吸是不排放污染物的，而化石燃料在燃燒過程中不僅排放了二氧化碳，同時(shí)也排放了包括氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫在內(nèi)的各類污染物。因此，在觀測到的氧氣濃度變化信號(hào)中，有一部分是和污染物相關(guān)的信號(hào)，指示著化石燃料燃燒消耗的氧氣，另一部分和污染物無關(guān)的信號(hào)，則指示著居民呼吸過程消耗的氧氣。將現(xiàn)有的氧氣濃度和污染物濃度的觀測資料進(jìn)行對比，就可以從氧氣濃度變化的信號(hào)中分離出化石燃料燃燒信號(hào)和居民呼吸信號(hào)。

  黃建平團(tuán)隊(duì)將城市氧氣濃度觀測數(shù)據(jù)分為兩組。在空氣質(zhì)量較好的情景中，大氣擴(kuò)散條件較好，工業(yè)、交通活動(dòng)等消耗的氧氣能夠較快補(bǔ)充，蘭州市氧氣濃度整體較高。這種情景下人類呼吸占氧氣虧損的33.08%，化石燃料燃燒占比66.92%。此外，大氣傳輸模型也顯示，擴(kuò)散條件較好時(shí)，有利于工業(yè)區(qū)污染氣團(tuán)遠(yuǎn)距離傳輸至蘭州市中心城區(qū)，因此排放二氧化硫、一氧化氮等污染物的過程對氧氣的消耗占比有所上升。這種情景下，大氣充分混合，各類耗氧過程對蘭州氧氣濃度的影響較為均衡，對人體健康影響較小。

  在氧氣濃度較低、污染嚴(yán)重的情境下，化石燃料燃燒對氧氣的消耗占比升高到72.5%，居民呼吸對氧氣損耗的占比降低。高精度的大氣傳輸模型顯示該情景下耗氧過程主要發(fā)生在中心城區(qū)，氮氧化物和PM1排放過程的耗氧量明顯增加，對應(yīng)機(jī)動(dòng)車尾氣排放過程消耗的氧氣顯著增加。

  植物光合作用是氧氣的主要來源，蘭州市耗氧量是產(chǎn)氧量的500倍以上，其缺口主要來自周邊植被的支援。這種情況不僅發(fā)生在蘭州，全球人口超過100萬的大城市中，有75%的大城市耗氧量和產(chǎn)氧量的比值超過100。

  黃建平團(tuán)隊(duì)曾做過測算，如果化石燃料燃燒穩(wěn)定在一定水平不下降，會(huì)發(fā)生持續(xù)的氧氣濃度下降，26世紀(jì)將降至20.0%以下，并在29世紀(jì)初將降至19.5%，可能會(huì)對地球上部分生物的生存造成威脅。

  下一步，團(tuán)隊(duì)希望對全世界大城市的“呼吸指數(shù)”進(jìn)行估算，通過城市耗氧和產(chǎn)氧的具體數(shù)據(jù)呼吁國際社會(huì)關(guān)注氧濃度問題，進(jìn)一步評估不同情景下城市氧氣濃度變化帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)，為制訂因地制宜的、與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的“雙碳”路徑提供科學(xué)依據(jù)。

  “這是一個(gè)前瞻性的研究，更長遠(yuǎn)來說，我們希望推動(dòng)一個(gè)關(guān)于‘城市呼吸’的大科學(xué)計(jì)劃，呼吁全世界更多的城市關(guān)注這個(gè)問題，因?yàn)樗粌H是一個(gè)科學(xué)問題，也對每個(gè)城市、國家、地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展都至關(guān)重要。”黃建平說。（科技日報(bào)）