从5月18日起，京津冀及周边地区正遭受一次“隐性”污染过程，首要污染物为臭氧（O3）。

众所周知，平流层中的O3可以防止紫外线入侵，对人类健康有利。而近地面的O3因其强氧化性，会刺激人体皮肤、中枢神经、免疫系统等，引发多种疾病。此外，O3对植物健康和生态系统碳吸收有很大的破坏性。

目前，人们对O3与生态系统、气候变化三者之间的相互作用还缺乏深入了解。“青年千人计划”、中国科学院大气物理研究所乐旭研究员利用自主研发的生态损耗模型，对该问题进行了系统全面的模拟解析，为评估O3对我国陆地碳吸收和农作物产量的影响提供了定量依据。　

现阶段，近地面O3已经成为我国夏季的首要大气污染物

　　随着雾-霾减排措施的推进，O3污染可能会进一步加剧。

　　这个看似难以理解的命题，还要先从近地面O3的生成机制谈起。

　　在有光的条件下，近地面O3主要通过氮氧化物 （NOx） 与挥发性有机污染物（VOCs）的反应生成。

　　NOx是生成雾-霾颗粒物的重要前体物，大部分来自化石燃料的燃烧过程，如汽车、飞机、内燃机及工业窑炉的燃烧过程。VOCs主要来自燃料燃烧和交通运输，也来源于涂料、油漆、胶水、清洁剂等，同时还有很大一部分来源于自然植被的排放。

　　根据大气化学反应原理，在VOCs固定（或者受限制）的情况下，NOx转化为O3的关系可以用一条顶点在第二象限开口向下（即“门洞”形状）的抛物线来形容。在NOx极高的情况下，O3含量相对低；而当NOx略微下降，O3则会增多；只有在NOx大量降低的情况下，O3才能减少。

　　这就意味着，在我国现阶段，随着NOx减排的推进，华北地区不得不经历一段时间更严重的O3污染。

　　有人提出，在当前阶段，避免O3污染最有效的途径是控制VOCs的排放。但难度在于人为排放的VOCs和NOx在一定程度上同根同源，很难在控制NOx的同时，让VOCs下降得更多。此外，VOCs中有较大一部分来源于自然植物的排放，不受污染物减排的影响。

　　因此，治理O3污染必然是一个长期而缓慢的过程，彻底解决还需大幅减少NOx排放。　　

　　O3大幅削弱植物的光合作用

　　大量观测表明，臭氧会削弱生态系统的碳吸收，影响农作物产量，还会进一步促进气候变暖。

　　植物光合作用会吸收CO2，并将其转变成淀粉等多糖物质，而吸收CO2的多少取决于植物叶片表面气孔导度的大小。

　　不幸的是，O3也可以通过气孔进入叶片，破坏细胞膜的通透性，从而降低光合作用的效率。例如，对于C3类植物（包括草本植物和大部分庄稼），O3浓度达到120ppb时（1ppb约为2.1微克/立方米），光合效率损失接近30%，意味着植物的碳吸收大幅减少。

　　农作物对碳吸收的减少有一定的适应，所以产量和光合吸收并非线性关系。科学家通过改变试验田O3浓度，测试其对作物产量的影响。数据显示，对于水稻，当O3增加15ppb （从40ppb至55ppb左右）时，籽粒重量减少4%至5%；对于大豆，当O3增加15ppb（从55ppb至70ppb）时，籽粒重量减少8%至15%；对于小麦，当O3浓度增加约10ppb（从45ppb至55ppb）时，籽粒重量减少14%至25%。

　　在我国，O3污染与植物的关键生长期有很高的时空一致性。6月至8月是生态系统光合作用最强的时期，也是O3污染最严重的时段。同时，我国中东部是O3污染频发区，也与农作物分布区高度重合。　

　　O3对我国生态系统碳吸收的影响被首次评估和验证

　　在该研究中，乐旭利用观测（包括卫星反演、站点测量、野外试验等）与模式（包括全耦合的气候模式、离线的动态植被模式）相结合的方法，评估了O3对我国总初级生产力（GPP）和净初级生产力（NPP）的影响。

　　GPP代表植物冠层总的光合吸收，NPP则在GPP的基础上减去了自养呼吸（即维持植物生存和生长所需的消耗），代表植物对CO2的净吸收。

　　结果表明，现阶段近地面O3使我国GPP平均减少达到10.3%，而在中东部地区，落叶林和C3类植物的夏季GPP损耗可能达到20%以上。对NPP而言，O3污染会使NPP年均减少达到0.43PgC~0.76PgC（1PgC=10亿吨碳），相当于NPP总量的10%~15%以及人为碳排放量的15%~26%，体现了近地面O3对碳循环不可忽视的影响。由于O3的生态效应，植物光合吸收减弱，更多的CO2留在大气中，进一步加剧了气候变暖的趋势。

　　作为全球最大的碳排放国，中国每年的人为碳排放达到了2.9PgC，而我国陆地生态系统却只能吸收其中的7%左右。乐旭的研究表明，O3污染会进一步削弱陆地碳吸收的能力，增加净的碳排放量，给我国气候变化谈判带来不利影响。此外，NPP的损耗会带来农作物产量的减少和经济的损失。

　　更严峻的是，O3生态效应在现有减排措施下到2030年可能会进一步加重，因为NOx的少量减少反而促进更多O3生成。但是，如果用现有可行技术把减排力度加到最大，不考虑经济发展及其他社会需求，污染物排放能减少70%~80%。这种力度的减排可以使得O3减少，并且减少数量将达40%以上，从而有利于陆地生态功能的恢复和碳吸收的增强。

　　现阶段，加速应对O3污染，减少其对生态系统健康的破坏，已经不得不提上日程了。

（来源：《中国气象报》2017年5月25日三版 ）