众所周知，氧是影响地球宜居性的重要因素，其与复杂生命体的形成和演化有着千丝万缕的联系，但是目前对可能出现的氧气危机尚未引起科学界的关注。近年来，黄建平教授团队开展了大量氧循环研究，探讨了氧在地球宜居性的历史演化和对未来发展的深远意义，城市缺氧对人体和城市可持续发展的影响，在碳-氧框架下预估了未来不同排放情景下海洋和陆地碳汇的变化状况。相关研究取得了系列科研成果，分别发表在《中国科学：地球科学》《Environmental Science & Technology》《Earth’s Future》等期刊上。

一、氧循环与地球宜居性的关系

氧气的演化过程包含了地球系统各个圈层的相互作用，是多时空尺度和多学科交叉的前沿科学问题。地球系统经历了数十亿年充满波折的演化和发展，最终才形成了现在的富氧大气。然而，工业革命以来，人类活动正在使氧循环逐渐失衡。作者认为，如果不及早干预，人类活动对氧循环的干扰可能会大大降低地球的宜居性。该研究为人类健康和宜居地球的关系提供了理论研究的新方向。论文以“The oxygen cycle and a habitable Earth”为题发表于期刊《中国科学：地球科学》英文版，并作为2021年第四期封面文章出版。

图1 “氧循环与宜居地球”入选《中国科学：地球科学》封面论文

二、缺氧将影响人类生存和城市可持续发展

氧气浓度下降是世界各地正在出现并加速发生的一个普遍现象。城市作为人口最密集、氧通量严重失衡的地区，必定是缺氧问题关注的焦点。作者利用氧指数OI（氧气消耗和氧气生产的比率）定量估算了全球391个大城市耗氧与产氧的失衡水平，评估了各水平下出现缺氧的风险。研究发现，75%人口超过500万的大城市中，耗氧与产氧的比值在100以上。在静稳天气下，当城市OI大于352时，100米以下的大气氧浓度将在十天以内下降到缺氧水平。OI值较高的大城市居民将面临严重的健康问题，而当极端热浪和污染事件同时发生时，这些问题将更加严重。该研究以“Declining Oxygen Level as an Emerging Concern to Global Cities”为题发表在美国化学学会（ACS）期刊Environmental Science & Technology，并被选为封面论文。

图2 “Declining Oxygen Level as an Emerging Concern to Global Cities”，ES&T封面论文

三、基于氧收支的碳循环研究

氧循环和碳循环就像一对双生子，二者有着密不可分的联系，因此精确估算海洋和陆地中碳封存状况对国家制定减排目标意义重大。作者提出了一种基于氧收支的碳汇替代估算方法，并定量估算了海洋和陆地的碳吸收速率。该研究另辟蹊径，从氧的角度揭示了碳循环对人类活动的强烈响应，并在碳-氧框架下预估了未来不同排放情景下碳汇的变化状况，为碳中和实现路径提供了重要的参考。这项成果以“Estimation of oceanic and land carbon sinks based on the most recent oxygen budget”为题发表在美国地球物理学会(AGU)旗下期刊Earth’s Future。

图3 碳与氧之间的密切关系

黄建平团队呼吁，为构建“人类命运共同体”，世界各国要通力合作，开展氧循环的交叉研究，控制城市人口、建筑，增加全球植被覆盖率和生物多样性，优先研发可再生燃料（包括碳中性生物燃料和碳负性生物燃料），以促进氧气产生、减少温室气体排放，争取在氧气含量下降至威胁生命健康的水平之前扭转局势。未来，氧循环必将成为科学研究的热点话题，相关研究成果也将为碳中和目标的尽快实现提供重要的理论依据和数据支撑。

参考信息：

Huang, J., Liu, X., He, Y., Shen, S., Hou, Z., Li, S., et al. (2021). The oxygen cycle and a habitable Earth. Science China Earth Sciences, 64(4), 511–528.

Wei, Y., Wu, J., Huang, J., Liu, X., Han, D., An, L., et al. (2021). Declining Oxygen Level as an Emerging Concern to Global Cities. Environmental Science & Technology, acs.est.1c00553.

Li, C., Huang, J., Ding, L., Liu, X., Han, D., & Huang, J. (2021). Estimation of oceanic and land carbon sinks based on the most recent oxygen budget. Earth’s Future.

团队介绍：

黄建平长期扎根西北，专注于半干旱气候变化的机理和预测研究，带领团队将野外观测与理论研究相结合，取得了一系列基础性强、影响力高的原创性成果，将我国半干旱气候变化研究推至国际前沿。近年来，团队逐渐开展氧循环研究，提出了氧循环在五大圈层中的纽带作用；阐明了氧在地质历史时期地球宜居性形成中的重要作用；研究了氧气对生命健康、生物多样性以及社会可持续发展的重要作用；构建了荒漠化指数和土地健康指数，为建立新一代的气候与环境健康模式奠定了基础。