6.4.3 臭氧层空洞
一、臭氧层空洞的起因
大气臭氧层能吸收强烈的太阳紫外辐射，使地球生物得以正常生长，从而成为地球生命的有效保护层。在自然状态下，大气臭氧浓度相对稳定，其生成与分解处于动态平衡之中。20多年前，人们注意到平流层臭氧衰减，并确认氯氟烃和氮氧化物等气体进入平流层后发生的一系列化学反应是造成臭氧层减薄的主要原因。其次，甲烷、四氯化碳、三氯甲烷、溴、氯及硫化物也会引起臭氧层的变化。一些自然现象，诸如火山喷发物、太阳黑子活动、来自太阳或木星或两者的周期性的电子簇射也被认为是臭氧层减薄的原因。虽然众说纷纭，但经过科学考察和研究后初步认为，臭氧层减薄确实主要是由于人类活动造成的。
平流层臭氧的减少是由于大气层中的氯氟烃化合物的存在而引起的假说，最早是由美国学者Molina和Rowland提出的。这一假说的主要内容有以下几点：由人类活动释放到低层大气中的CFCs是相当稳定的，有很长的残留期（约100年），但目前在对流层未发现有显著的CFCs库，一个可能的例外是土壤，土壤确实从低层大气中吸附了一定量的CFCs。低层大气中的CFCs残留期很长而且对流层大气的运动很剧烈，这样CFCs就被带入平流层，一旦CFCs进入平流层臭氧层的高度以上，就会被高能量的太阳紫外线辐射破坏，释放出高度活泼的氯原子，氯原子和臭氧发生反应，形成氧化氯自由基（ClO·），随后发生连续反应，这种连续反应的结果是一个氯原子就可以破坏10万个臭氧分子。而臭氧破坏的直接后果是导致地表紫外辐射增强。
土壤中的微生物在分解有机质时产生的氧化亚氮（N2O）同样可以和臭氧发生催化反应，这对平流层臭氧的平衡影响甚大，学者们还特别研究了细菌肥料对臭氧层的破坏。氧化亚氮引起臭氧分解的原因是：它同样可以被紫外线分解产生极具活性的氮氧自由基（·NO），进而使臭氧分解。
二、臭氧层损耗的危害
1.臭氧层衰减导致的UV-B增强对农作物的影响
臭氧层破坏对植物将产生难以确定的影响。近十几年来，人们对多个品种的植物进行了增加UV照射的实验，其中三分之二的植物显示出敏感性，尤其是大米、小麦、棉花、大豆、水果和洋白菜等人类经常食用的作物。一般说来，UV辐射增加使植物的叶片变小，因而减少俘获阳光的有效面积，对光合作用产生影响导致农作物减产。对大豆的研究初步结果表明，UV辐射会使其更易受杂草和病虫害的损害，臭氧层厚度减少25%，可使大豆减产20%～25%。
1）对农作物生长发育的影响
过量紫外线（UV）对农作物生长产生抑制作用，形态上表现为植株矮化、株型缩小。其矮化程度随作物种类、品种、作物所处的生长阶段及辐射强度的不同而不同。一般C3植物对UV较为敏感，C4植物则欠敏感。UV辐射还可抑制农作物的叶面积，但品种之间是有差异的，例如对大豆叶面积的抑制较对小麦叶面积的抑制明显。
总的来说，UV辐射能明显地推迟作物生长发育的进程，且UV强度越大，生育期滞后效应越明显。并且不同发育期，滞后效应不同，例如大豆在三叶期一旁枝形成时对UV辐射最为敏感。
2）对农作物生理代谢的影响
UV增加抑制作物的净光合速率。UV辐射使气孔开张度减小，导致光合作用速率下降。Van等对13种植物进行UV-B照射，发现植物的净光合速率对UV的反应相差甚大，C4植物对UV不太敏感，而C3植物较为敏感。从不同叶位的净光合作用速率测定值上发现，随着叶位升高，UV辐射对光合作用的抑制作用增强，表明幼叶对UV的反应比老叶敏感。UV辐射对作物光合作用的影响，还因光强、气温及水分等环境因子的差异而不同，在光强低、温度适宜、水分充分的情况下，UV的抑制作用最为明显。
实验结果表明，UV辐射增强对大豆光合作用产生的影响会因可见光光强、气温的差异而有所差异（图6-8、图6-9）。由图可见，在光强较弱或较强、气温过低或过高时，UV辐射增强与不增强，光合速率差异很小，而在较适宜的光强（500～1500 μmol/（m2·s））及较适宜的温度范围（24～28℃）内，增加UV辐射与不增加UV辐射处理的大豆光合作用差异较大。光合作用是作物生长发育及产量形成之基础，由此可推想到，未来光强与温度的变化都会影响到大豆整个生长发育和UV效应。
图6-8 UV增加后大豆的光-光合曲线
（郑有飞，1998）
图6-9 UV增加后大豆的温-光合曲线
（郑有飞，1998）
3）对农作物产量的影响(https://www.daowen.com)
UV辐射对大豆生物学产量有较大影响。随着UV辐射强度增加，干物质累积量下降，UV辐射增加8%，大豆干物重下降53.3%；UV辐射增加10%，小麦生物学产量下降25.5%。UV辐射对大豆干物质积累的影响随生育期进程而加大，但不同时期UV的影响量不同。实验表明，植物经UV照射后，其光合速率和光合产物累积下降同步进行。
实验结果表明，UV通过长期对作物生理活动的限制而使光合面积减少，最终使得作物经济学产量下降，作物穗数、粒数、粒重等产量指标均下降。Biggs等工作表明，低水平的UV-B辐照对水稻和其他作物的产量无影响，但在高水平UV-B下，所有供试作物产量全部下降。若未来地表接受的UV量增加8%～10%，其他条件不变，UV辐射增加可导致大豆减产40%以上，小麦减产20%。当然未来由于农业技术措施的提高及气候变化，作物实际产量不会下降如此之多，但紫外线对农业生产的影响不可低估。
中国人均土地资源匮乏，人均耕地面积更是少得可怜，中国每年的粮食产量仅仅是够用而已。随着人口的增加，粮食的需求量还会增多，因此紫外线增强所造成的农作物减产将会严重威胁到人们的生存及发展。当然，我们可以通过进口来缓解粮食危机，但这样势必受制于人，从而影响到国家的方方面面。因此，我国在相当长的时间里还将面临严峻的挑战。
2.对陆地生态系统的影响
臭氧层损耗对植物危害的机制目前尚不如其对人体健康的影响清楚，但研究表明，在已经研究过的植物品种中，超过50%的植物有来自UV-B的负面影响，比如豆类、瓜类等作物，另外某些作物如土豆、番茄、甜菜等的质量将会下降。植物的生理和进化过程都受到UV-B辐射的影响，甚至与当前阳光中UV-B辐射的量有关。植物也具有一些缓解和修补这些影响的机制，在一定程度上可适应UV-B辐射的变化。不管怎样，植物的生长直接受UV-B辐射的影响，不同种类的植物，甚至同一种类不同栽培品种的植物对UV-B的反应都是不一样的。在农业生产中，就需要种植耐受UV-B辐射的品种，并同时培养新品种。对于森林和草地，UV-B辐射可能会改变物种的组成，进而影响不同生态系统的生物多样性分布。UV-B带来的间接影响，例如植物形态的改变，植物各部位生物质的分配，各发育阶段的时间及二级新陈代谢等可能跟UV-B造成的破坏作用同样大，甚至更为严重。这些对植物的竞争平衡、草食动物、植物致病菌和生物地球化学循环等都有潜在影响。这方面的研究工作尚处于起步阶段。
3.对水生系统的影响
紫外辐射的增加对水生生态系统也有潜在的危险。紫外辐射可以杀死10 m水深内的单细胞海洋浮游生物。实验表明，若臭氧减少10%，紫外线增加20%，将会在15天内杀死10 m水深内的鳗鱼苗。紫外线增强还会使城市内的光化学烟雾加剧，使橡胶、塑料等有机材料加速老化，使油漆褪色等。
当今世界上30%以上的动物蛋白质来自海洋，因此很有必要知道紫外线辐射增加后对海洋生态系统生产力的影响。
海洋中浮游植物的密度通常在高纬度地区较大，在热带和亚热带地区要低很多。除可获取的营养物、温度、盐度和光外，在热带和亚热带地区普遍存在的阳光UV-B的含量过高的现象也对浮游植物的分布有着重要的影响。
浮游植物的生长局限在光照区，即水体表层有足够光照的区域，生物在光照区的分布地点受到风力和波浪等作用的影响。另外，许多浮游植物也能够自由运动以提高生产力，保证其生存。暴露于阳光UV-B下会影响浮游植物的定向分布和移动，从而降低这些生物的存活率。
研究人员测定了南极地区UV-B辐射及其穿透水体的量的增加情况，证实了天然浮游植物群落与臭氧的变化直接相关。对臭氧空洞范围内和臭氧空洞以外地区的浮游植物进行比较的结果表明，浮游植物生产力下降与臭氧减少造成的UV-B辐射增加有直接的关系。一项研究表明，在冰川边缘地区的生产力下降了6%～12%。由于浮游生物是海洋食物链的基础，浮游生物种类和数量的减少会影响鱼类和贝类生物的产量。另一项科学研究的结果显示，如果平流层臭氧减少25%，浮游生物的初级生产力将下降10%，这将导致水面附近的生物减少35%。研究发现阳光中的UV-B辐射对鱼、虾、蟹、两栖动物和其他动物的早期发育阶段都有危害作用，最严重的影响是繁殖力下降和幼体发育不全。即使在现有的水平下，浮游植物和动物也已经受到紫外线的损害。很少量增加紫外线B的照射就会导致海洋生物的显著减少。
尽管已有确凿的证据证明UV-B辐射的增加对水生生态系统是有害的，但目前还只能对其潜在危害进行粗略的估计。中国是个海洋大国，又是一个陆地人均耕地资源匮乏的国家，向海洋进军，向海洋索取粮食是一种必然，因此有必要进一步研究臭氧层破坏对海洋生物的危害。
4.对人体健康的影响
臭氧层破坏以后，人体直接暴露于紫外辐射的机会大大增加，这将给人体健康带来不少危害。紫外辐射增强使患呼吸系统传染病的人增加，受到过多的紫外线照射还会增加皮肤癌和白内障的发病率。据分析，平流层臭氧减少1%，全球白内障的发病率将增加0.6%～0.8%，全世界由于白内障而引起失明的人数将增加10000～15000。如果不对紫外线的增加采取措施，从现在到2075年，UV-B辐射的增加将导致大约1800万白内障病例的发生。
三、控制臭氧层空洞的国际行动
为使人类避免受到因臭氧层破坏而带来的不利影响，并采取适当的国际合作与行动，国际社会于1985年3月22日在维也纳通过了《保护臭氧层维也纳公约》，并于1987年9月16日通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，公约和议定书分别于1989年9月和1990年1月生效。目前，所有联合国成员均为公约和议定书的缔约方，已召开10次公约缔约方大会和26次议定书缔约方会议，联合国197个成员国全部加入了议定书，成为“全球普遍参与”的第一个多边环境条约。
议定书是国际上第一个明确提出在规定的时间内强制性淘汰、削减和控制义务的环境条约，规定了ODS（消耗臭氧层物质）受控物质的种类、控制基准（生产和贸易）、淘汰时间表、贸易、数据报告和运行机制等6大规定；体现了发达国家和发展中国家“共同但有区别的责任原则”。根据形势的发展，议定书后来得到4次修正，先后通过了《伦敦修正案》《哥本哈根修正案》《蒙特利尔修正案》和《北京修正案》。
2016年7月22—23日在奥地利维也纳召开《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》第三次缔约方特别会议，来自150个国家、25个国际组织和政府间组织、42个非政府组织及观察员组织的500多名代表出席大会。会议专门审议的氢氟碳化物（HFCs）修正案，同意利用其机制管控京都议定书下的限控物质HFCs，最终就修正案中关于HFCs的基础要素包括冻结年限等部分内容达成初步共识；利用议定书的机制达成HFCs修正案，采取HFCs削减行动。
我国1991年成立了由原国家环保局牵头、18个部委参加的跨部门履约协调机制——国家保护臭氧层领导小组，1993年制定了《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》，2010年颁布实施了《消耗臭氧层物质管理条例》，在化工生产、消防、家电、工商制冷、汽车、泡沫、清洗、烟草、气雾剂、农业、粮食仓储等行业分步骤开展了ODS淘汰活动；同时，在政策法规和管理体系方面，形成了以ODS生产、消费、进出口配额许可证制度为核心的政策管理体系。
