第一节　化学与环境问题

人类在享受化学成果带来福利的同时，也受到化学带来的环境污染和生态破坏等环境问题的困扰。尤其是在第二次世界大战以后，世界各国经济高速发展，各种化学品的合成和使用达到了前所未有的速度，从而导致了一系列环境问题的出现。值得注意的是，这些环境问题并不是孤立存在的，而是存在着复杂的相互关系。这些环境问题的出现，也引发了人们对化学学科未来发展方向的思考。下面简单介绍当前人类面临的几个重要环境问题。

1.全球气候变暖

全球气候变暖（global warming）是指地球表面气温呈现长期升高趋势的现象。整个20世纪，全球平均气温升高了0.8℃。变暖的趋势还在继续，政府间气候变化问题小组（IPCC）根据气候模型预测，到2100年全球气温估计将上升大约1.4～5.8℃。

全球气候变暖会给全球生态和环境带来潜在的重大影响。已经观察到的全球气候变暖的效应包括：冰川融化，尤其是在地球的南北两极；海平面上升；一些物种向更北、更高——相对较冷的区域移动；一些物种种群数量下降（例如阿德利企鹅）。如果气候继续变暖，在21世纪海平面将上升更多；飓风或其他风暴更强；旱涝灾害频率加大；可用淡水资源减少，并会影响到水力发电；疾病传播加剧；地球生态系统生态格局改变，包括物种分布区域、种群数量、物种灭绝以及物种间的依存关系等多个层面。

2001年，IPCC通过计算机模型，指出“最新、最有力证据表明，过去50年的全球变暖主要归因于人类自身的活动”。温室气体（GHGs）是造成全球气候变暖的直接原因。人类在获取化石能源的同时，在短时间内将地球千万年来存储的碳以二氧化碳的形式释放进入大气，而森林的破坏则进一步降低了地球储存二氧化碳的能力。工业时代以来，大气中二氧化碳浓度从0.028％上升到0.038％。IPCC在2007年的报告中建议将大气中二氧化碳浓度限制在0.045％以下。甲烷、一氧化二氮以及氟氯烃等也是重要的温室气体。由于大气中甲烷浓度上升以及它比二氧化碳具有更强的温室效应能力，因此受到越来越多的关注。

目前可以确定的是，浓度上升的温室气体造成了全球变暖，同时也存在更多的不确定性，例如：最终会有多少温室气体通过什么样的途径进入大气？气候系统的反应会怎样？然而，最大的不确定性不在于地球的气候系统，而在于人类自己。人类能否切实履行《京都议定书》中的节能减排承诺，能否实现能源使用形式的转变。

2.核冬天的威胁

核冬天（nuclear winter）是一个关于全球气候变化的理论，它预测了一场大规模核战争可能产生的气候灾难。核冬天理论认为大量地使用核武器，特别是对像城市这样的易燃目标使用核武器，会让大量的烟和煤烟进入地球的大气层，这将可能导致黑暗和非常寒冷的天气。该理论是TTAPS小组（TTAPS是理查德·特科、布赖恩·图恩、托马斯·阿克曼、詹姆斯·波拉克和卡尔·萨根五位科学家的姓氏首字母缩写）受到了火星沙尘暴致冷效应的启发而产生的。TTAPS小组分别于1983年和1990年在《Science》杂志上发表论文，认为全面核战争可能导致内陆地区的温度下降数十摄氏度（中纬度地区平均下降10～20℃，局部地区下降达35℃）。

对于核冬天理论的真实性目前还存在争议，不过核冬天理论已被纳入国际学术活动计划，一些争取和平和核裁军的组织正以此理论为依据，广泛开展反核战争的宣传活动。

3.臭氧层破坏

臭氧层（ozone layer）是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分（90％的臭氧集中在此处），其主要作用是吸收短波紫外线。地球上的生命因为臭氧层对短波紫外线的阻挡才得以存活和繁衍，可是现在人类正亲手破坏这一保护层。

用于制冷剂的氟氯烃类化合物是破坏臭氧层的罪魁祸首，平流层中的飞行器排放的NO和NO2也是破坏臭氧层的物质。幸运的是由于《蒙特利尔议定书》顺利实施，臭氧层消耗物的含量在20世纪90年代达到高峰后开始下降，臭氧层逐渐得到恢复，全球变暖进程显著减缓。但是臭氧层要恢复到1980年时的水平，预计要到21世纪中后期才有望实现。

4.酸雨、光化学烟雾和大气污染

狭义的酸雨（acid rain）是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。而广义的酸雨是指大气中含氮和硫的酸性物质的湿沉降和干沉降。酸雨有硫酸型酸雨和硝酸型酸雨，而我国主要是硫酸型酸雨。化石燃料燃烧、汽车尾气排放是酸雨起始物SO2和NOx的主要来源。酸雨可能会造成湖泊、溪流等水体酸化，破坏森林，侵蚀敏感土壤，还会破坏雕塑、建筑等人文景观。长期吸入包含SO2和NOx的细颗粒物会导致人体心脏或肺功能紊乱，例如早衰、哮喘、支气管炎等。2012年，我国监测的466个市（县）中，出现酸雨的市（县）215个，占46.1％。酸雨分布区域主要集中在长江沿线以南、青藏高原以东地区，主要包括浙江、江西、福建、湖南、重庆的大部分地区以及长三角、珠三角、四川东南部、广西北部地区。酸雨区面积约占国土面积的12.2％。

光化学烟雾（photochemical smog）是指氮氧化合物和碳氢化合物等大气一次污染物和它们发生光化学反应产生的二次污染物（O3、过氧乙酰酯、H2O2、醛等）的混合物。光化学烟雾是大气污染和气象条件综合作用的一种结果，一般发生在晴朗无风的白天。美国洛杉矶于1943年首次出现光化学烟雾，全球许多其他大城市也相继发生过。光化学烟雾会对动植物造成巨大的威胁，刺激眼睛并能造成人类肺和心脏不可逆的损伤。

光化学烟雾和酸雨仅仅是大气污染（atmospheric pollution）的两种表现形式。大气污染物包括含硫、含氮、含碳、含卤素化合物，碳氢化合物，重金属汞、铅以及颗粒物（PM）。这些污染物及其光化学产物单独作用或者复合污染作用可表现出不同的污染效应。我国以煤为主的能源结构使得大气中二氧化硫和总悬浮颗粒物（TSP）处于相当高的浓度，也是近年来我国各地反复出现雾霾天气的深层原因。而汽车保有量的不断增长使得大气中NOx含量不断上涨。除光化学烟雾和酸雨，温室效应、臭氧破坏、硫酸型烟雾等环境问题也与大气污染息息相关。

5.水污染

水是生命之源，然而人类可利用的淡水资源非常有限。大量无机营养盐、重金属、有机污染物、颗粒物、致病微生物进入水体，严重污染了地表水和地下水。工业废水、农业水源污染、日常生活污水均是当前水污染的主要污染源。我国人均水资源不足世界水平的三分之一，面临严重的资源型缺水问题。水污染又使得我国在资源型缺水问题上又出现了严峻的水质性缺水问题。水体富营养化是目前全球水环境面临的主要问题之一。对我国130余个湖泊和39个代表性水库调查发现，富营养化和中富营养化湖泊达到88.6％，富营养化水库占30％。2007年5月太湖爆发蓝藻灾害，造成了无锡市大半个城区饮用水危机。2012年中国环境状况公报显示地下水水质监测点位中水质呈较差级的占40.5％，呈极差级的占16.8％。以上信息表明我国水污染问题已经非常严峻。水污染不仅危及人类饮用、农业灌溉，更重要的是它可能导致水生态系统的退化，使其丧失应有的生态服务功能。目前，纳米技术的发展和纳米颗粒物在水环境治理中的应用为今后水污染防治工作提出了新思路和新方法。

6.固体废弃物和重金属污染

固体废弃物是指人类在生产或生活中产生的不再需要或没有利用价值而被废弃的固体或半固体物质，以及由法规确定为固体废弃物的物料。按其来源和特性可分为生活垃圾、一般工业固体废弃物和危险废物三大类。固体废弃物不但侵占了大面积的土地，而且还会污染环境、损害人体健康。例如：废旧电池严重污染土壤，建筑废弃物扬尘，垃圾填埋场释放甲烷进入空气，垃圾焚烧产生二英，垃圾渗滤液污染水体等。

一个过程产生的固体废弃物，往往可能成为另一个过程的原料或者转化成为一种产品。因此固体废弃物的资源化再利用，是其污染控制策略的重要组成部分。

在环境污染领域中，重金属污染对环境已产生了很大的危害。重金属主要是指对生物有明显毒性的金属元素或类金属元素，如汞、镉、铅、铬、锌、铜、钴、镍、锡、砷等。重金属污染主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。通过直接或间接方式进入人体后，重金属会在人体蓄积，造成慢性中毒，而一次性摄入过多的重金属会造成生物体急性中毒甚至死亡。著名的水俣病和骨痛病就是分别因为重金属汞和镉污染环境后在人体富集而引起的。

不同于有机污染物最终可被降解成二氧化碳，重金属在环境中仅能进行空间位置的迁移和形态的转变而不能被降解成其他物质。因此今后将重点加强重金属环境化学的研究，并为重金属污染的防治提供科学技术支撑。

7.持久性有机污染物

化学物质给人类带来生活便利的同时，也有许多化学物质给人类及其生存环境带来了潜在持久的危害。持久性有机污染物（POPs）就是这些化学物质中的一类。POPs是指具有高毒性，进入环境后难以降解，可生物积累，能通过空气、水和迁徙物种进行长距离越境迁移并沉积到远离其排放地点的地区，随后在那里的陆地生态系统和水域生态系统中积累起来，对当地环境和生物体造成严重负面影响的有机污染物。它具有环境持久性、生物累积性、长距离迁移能力和毒性（致癌、致畸、致突变）四大特征。列入《斯德哥尔摩公约》受控名单的POPs由最初12种增加到了20多种，而且数量还在不断攀升。例如：杀虫剂艾氏剂等，工业化学品多氯联苯（PCBs）等，生产中的副产品二英等，新增的六六六（包括林丹），多环芳烃等化学物质。

8.森林被破坏和土地荒漠化

森林在为人类提供丰富的生物资源的同时，还发挥生态服务功能。这些生态服务功能包括涵养水土、吸收二氧化碳并释放氧气、给生物提供生存环境。森林被破坏后相应的服务功能丧失，并产生负面效应。例如森林被破坏是生物多样性危机的重要诱因。更为糟糕的是丧失的服务功能难以完全恢复。已有研究表明，人造林的生态服务功能远远不及原有的森林生态系统。森林遭到破坏既有砍伐、造地、建滑雪场等直接人为因素，也有森林火灾、酸雨、气候变暖、昆虫等自然和人交互作用因素。世界资源研究所发布报告指出，2014年全球损失了超过1800万公顷林地，相当于两个葡萄牙的国土面积。保护森林已经刻不容缓。

土地荒漠化（desertification）是指由于气候变化和人类不合理的经济活动等因素，使干旱、半干旱和具有干旱灾害的半湿润地区的土地发生退化，即土地退化，也叫“沙漠化”。荒漠化不仅仅是一个生态环境问题，而且也是重要的经济问题和社会问题，它会给人类带来贫困和社会不稳定。我国荒漠化面积大、分布广、类型多，全国荒漠化土地面积超过262.2万平方千米，占国土总面积的27.3％。荒漠化与日益增多的人口之间的矛盾越来越突出。荒漠化是目前人类亟待解决的一大突出环境问题。

9.生物多样性危机

生物多样性（biodiversity）是指地球上所有生物——植物、动物和微生物及其他物质构成的综合体。它包括遗传的多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。生物多样性是人类社会赖以生存和发展的基础。由于人类对环境的影响，生物多样性以前所未有的速度下降，被称为地质史上的第六次生物大灭绝。物种灭绝的主要和直接原因是其生境的退化。而受人类活动影响而导致的全球气候变暖则加剧了生境退化造成的物种灭绝效应。除此以外，物种入侵，过度采伐天然的生物资源，环境污染和疾病等均是生物多样性面临的重大威胁。现在的物种灭绝速度是自然状况下的100～1000倍。人类是无法孤独地在地球上存活的。因此，保护生物多样性、保护生物资源的可持续利用是一项全球性的任务，也是全球性环保计划的重要组成部分。