南京和北京城市天然源揮發(fā)性有機(jī)物排放差異

袁相洋,許 燕,杜英東,馮兆忠*

南京和北京城市天然源揮發(fā)性有機(jī)物排放差異

袁相洋1,2,許 燕1,3,杜英東3,馮兆忠3*

(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站,北京 100085；3.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京 210044)

以南京市和北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為研究對(duì)象,利用森林資源清查數(shù)據(jù)、小時(shí)氣象觀測(cè)資料和G95光溫模型算法對(duì)中國(guó)南北典型城市南京和北京地區(qū)2015年森林天然源揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs)排放總量進(jìn)行估算.研究發(fā)現(xiàn),南京市總BVOCs排放主要來(lái)自濕地松、櫟樹(shù)類(lèi)和楊樹(shù),北京市主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放量最高的是櫟樹(shù)類(lèi)、楊樹(shù)和油松.從排放總量來(lái)看,北京市森林BVOCs排放量是南京的2～3倍,分別為72114.1和28025.3t/a,但南京市單位面積BVOCs排放通量是北京市的1.6倍.兩市各類(lèi)BVOCs排放量季節(jié)變化均呈單峰型,即夏季排放最高,冬季最低,春秋季排放量相差不大.南京市的中齡林和近熟林為主要BVOCs排放源,北京市BVOCs的主要排放源是中齡林和幼齡林.總BVOCs排放量在各齡級(jí)的比例主要由其葉生物量決定,但各齡級(jí)內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)樹(shù)種類(lèi)型不同也一定程度地影響B(tài)VOCs排放.

南京；北京；蓄積量；優(yōu)勢(shì)樹(shù)種；植物源揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs)

天然源揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs)主要是指生物代謝過(guò)程產(chǎn)生的低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的小分子化合物.陸地植物(包括森林、草地、農(nóng)作物、灌木等)是BVOCs最主要的排放源,BVOCs也稱(chēng)為植物源揮發(fā)性有機(jī)化合物[1].BVOCs對(duì)大氣組分、區(qū)域光化學(xué)過(guò)程以及全球氣候都有不同程度的影響[2-3].城市森林是區(qū)域BVOCs排放的重要來(lái)源[4].相較于其他NO排放量較低的區(qū)域,城市一般為揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)限制地區(qū),O3和二次有機(jī)氣溶膠(SOA)濃度對(duì)城區(qū)BVOCs排放量的變化更加敏感[5].研究表明,城市綠地使用低BVOCs排放量的樹(shù)種可顯著提高空氣質(zhì)量[6].近年來(lái),顆粒物和O3污染已成為制約我國(guó)大多數(shù)城市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的主要因素,但現(xiàn)有研究多關(guān)注城市重點(diǎn)行業(yè)、企業(yè)人為源VOCs排放,甚少考慮區(qū)域BVOCs排放對(duì)大氣環(huán)境的影響[7-9].

北京和南京是中國(guó)北方和南方兩個(gè)區(qū)域的典型代表性城市,有著截然不同的氣候環(huán)境和綠化配置.氣候環(huán)境、土地類(lèi)型、綠化及森林樹(shù)種資源的差異可能造成兩地不同的BVOCs排放特征[10-11].已有研究對(duì)北京市園林綠地植被BVOCs排放進(jìn)行了估算[12-14],但有關(guān)南京地區(qū)森林BVOCs排放的研究較少,僅有少數(shù)報(bào)道表明中國(guó)南部地區(qū)是BVOCs排放的主要區(qū)域[15-16].BVOCs排放受環(huán)境因子影響較大,但現(xiàn)有區(qū)域BVOCs總量評(píng)估多使用氣象模式擬合的日均甚至月均數(shù)據(jù)資料,鮮有研究使用實(shí)測(cè)的小時(shí)氣象數(shù)據(jù),考慮不同區(qū)域土壤條件差異對(duì)BVOCs排放的影響研究則更少[12-13,15-16].本文以南京和北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為研究對(duì)象,在典型樹(shù)種BVOCs排放因子實(shí)測(cè)和文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合兩市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種蓄積量、區(qū)域氣象站點(diǎn)小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)資料和G95光溫影響模型,建立南京和北京地區(qū)森林植物BVOCs排放清單,量化兩地森林樹(shù)種BVOCs排放特征,對(duì)比南北方典型城市BVOCs排放差異.

1 材料與方法

1.1 研究方法

在Guenther等[2,17]提出的G95光溫影響模型的基礎(chǔ)上,參考MEGAN模型[18]加入土壤濕度校正因子,根據(jù)森林資源普查資料提供的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種林分蓄積量數(shù)據(jù),估算南京和北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放量,并將優(yōu)勢(shì)樹(shù)種排放的BVOCs主要分為異戊二烯、單萜和其他VOCs(主要包括醇、醛、酮、有機(jī)酸、低碳烷烴和烯烴等)進(jìn)行估算.BVOCs合成來(lái)自多個(gè)途徑,其中最主要且目前了解最清楚的為葉綠素和防御專(zhuān)屬組織途徑[14,18].研究表明環(huán)境因素中溫度和太陽(yáng)輻射是影響植物異戊二烯排放的主因,單萜和其他VOCs則主要受溫度影響[17].其具體估算模型見(jiàn)公式(1)和(2):

植物BVOCs的排放還受到葉齡的影響.因此,在估算區(qū)域排放量時(shí)需要考慮樹(shù)種物候期,本研究假定常綠樹(shù)種常年均有排放,落葉樹(shù)種由于幼嫩葉片幾乎不排放VOCs[19],所以分別以展葉盛期和葉全變色期作為排放始末期,各優(yōu)勢(shì)樹(shù)種物候期從《中國(guó)動(dòng)植物物候觀測(cè)年報(bào)》以及其他文獻(xiàn)資料獲得[20-21].

1.2 參數(shù)的確定

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)排放因子 按排放量高低給出的南京市和北京市主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(前21種)標(biāo)準(zhǔn)排放因子分別列于表1中,部分樹(shù)種標(biāo)準(zhǔn)排放因子來(lái)源于前期實(shí)驗(yàn)研究測(cè)定[22-23],其余樹(shù)種異戊二烯和單萜均為國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)值,而其他VOCs由于排放速率較低,研究較少,除有確切觀測(cè)值外，其余樹(shù)種均采用Guenther等[24]推薦值1.5μg/(g·h).在前期文獻(xiàn)調(diào)研中,發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)、不同土壤條件和實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的同一樹(shù)種排放速率存在很大差異,因此,在確定某一樹(shù)種的標(biāo)準(zhǔn)排放因子時(shí),優(yōu)先篩選南京和北京市本地及附近實(shí)測(cè)值,剔除異常低或高值后采用其均值,無(wú)觀測(cè)數(shù)據(jù)的取國(guó)外或同科屬植物排放值[25-43].其他植被類(lèi)型如針葉混、闊葉混交林等的排放因子根據(jù)森林內(nèi)部樹(shù)種的組成采用加權(quán)平均法計(jì)算確定[35].

表1 南京和北京優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs標(biāo)準(zhǔn)排放因子[μg/(g·h)]

續(xù)表1

注:“—”表示該樹(shù)種排放因子為前期實(shí)驗(yàn)測(cè)定值[22-23].

1.2.2 葉生物量 依據(jù)北京和南京市森林資源清查數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)兩市主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種各齡級(jí)蓄積量,推算優(yōu)勢(shì)樹(shù)種葉生物量.葉生物量估算方法主要參考方精云等[44]分析中國(guó)森林植被碳庫(kù)及其時(shí)空變化時(shí)采用的通過(guò)蓄積量估算生物量的思路,該方法目前已被廣泛用于區(qū)域或國(guó)家尺度天然源BVOCs總量評(píng)估的研究中[12,14-15,35],具體葉生物量計(jì)算公式如下:

式中:是樹(shù)種蓄積量,m3;T是樹(shù)干基本密度t/m3,T是樹(shù)干在喬木層總生物量中所占比例,%;L是樹(shù)葉在喬木層總生物量中所占比例,%.各樹(shù)種的T值來(lái)源于《中國(guó)木材志》[45]、《中國(guó)主要樹(shù)種的木材物理力學(xué)性質(zhì)》[46],T、L值主要來(lái)源于《中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量和生產(chǎn)》[47]、《中國(guó)主要森林類(lèi)型生物生產(chǎn)力格局及其數(shù)學(xué)模型》[48],部分參數(shù)缺失以林業(yè)網(wǎng)及相關(guān)的新聞和文獻(xiàn)同科屬或同類(lèi)別植被數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充.將兩市中BVOCs排放貢獻(xiàn)率超過(guò)0.1%的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種各植物學(xué)參數(shù)整理成表(表2).

1.2.3 校正因子 (1)溫度校正因子:異戊二烯和單萜的溫度校正因子計(jì)算公式分別為(4)和(5):

式中:為經(jīng)驗(yàn)參數(shù);為采樣時(shí)葉片實(shí)際溫度,K;s為標(biāo)準(zhǔn)條件下的葉溫,值為303K.由于缺乏葉溫觀測(cè)資料,同時(shí)考慮到多數(shù)情況下葉溫和氣溫的差別不大[35],為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,本文實(shí)際計(jì)算時(shí)葉溫以空氣溫度代替.

(2)光合有效輻射校正因子:光合有效輻射是指植物用于進(jìn)行光合作用的那部分太陽(yáng)輻射.如前所述,異戊二烯的排放速率主要受溫度和光照的影響,而單萜類(lèi)物質(zhì)的短期排放變化主要取決于葉片溫度,對(duì)于大多樹(shù)植物而言,光照強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)[17,24].由于冠層內(nèi)部光合有效輻射實(shí)測(cè)資料的稀缺,且考慮到森林冠層模型本身存在較多不確定性[49],在現(xiàn)實(shí)中很難精確模擬冠層效應(yīng),本文不考慮植被冠層內(nèi)部光合有效輻射的傳輸與分布對(duì)樹(shù)種異戊二烯排放的影響.因此本研究使用小時(shí)光合有效數(shù)據(jù)對(duì)異戊二烯排放進(jìn)行光照校正,光照校正因子計(jì)算公式如下:

(3)土壤濕度校正因子:土壤水分影響植物的氣孔導(dǎo)度和光合作用,水分不足會(huì)導(dǎo)致兩者顯著降低[50].當(dāng)土壤濕度降低到一定水平以下,異戊二烯的排放也會(huì)隨之減少,長(zhǎng)期處于干旱狀態(tài),植物的異戊二烯排放甚至可以忽略不計(jì)[51].土壤濕度校正因子的公式主要參考MEGAN模型[18].凋萎點(diǎn)的選取參考文獻(xiàn)[46],公式如下:

式中:為土壤濕度,m3/m3;為凋萎點(diǎn),即植物不能從土壤中提取水分的土壤水分水平,m3/m3;D為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),值為0.06.

(4)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源:本文使用2015年南京和北京地區(qū)溫度、光合有效輻射和土壤濕度小時(shí)均值數(shù)據(jù)估算BVOCs總量,數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心地面氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)站.

表2 南京和北京市主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種植物學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 南京市森林BVOCs排放特征

2.1.1 南京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放清單 從2015年南京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放清單(表3)可以看出,南京市森林源VOCs總排放量為28025.3t/a,其中異戊二烯對(duì)總排放量的貢獻(xiàn)最高,年排放量為15801.7t/a,單萜和其他VOCs的排放量為9822.2t/a和2401.3t/a,分別占森林源VOCs總排放的35.0%和8.6%.

南京市的主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種中,楊樹(shù)和櫟類(lèi)是主要的異戊二烯排放源,貢獻(xiàn)率分別為26.4%和22.5%.此外,闊葉混交林對(duì)異戊二烯總排放的貢獻(xiàn)率最高,其年排放量為4786.0t.濕地松由于蓄積量大,單萜排放速率較高,且常年均有排放,其對(duì)全市單萜排放量的貢獻(xiàn)率最大,為72.8%,闊葉混交林也因其葉生物量大,因此對(duì)單萜總排放的貢獻(xiàn)率較高.其他VOCs排放量中排放貢獻(xiàn)率較高的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種分別為濕地松、楊樹(shù)、櫟類(lèi)和懸鈴木.總體來(lái)看,南京市總BVOCs主要排放源是濕地松、櫟類(lèi)、楊樹(shù)以及闊葉混交林,因此在綠化樹(shù)種的配置和篩選時(shí)可以考慮多種植BVOCs排放量較低的樸樹(shù)、楝樹(shù)、欒樹(shù)等落葉樹(shù)以及女貞、楠木等常綠樹(shù).

表3 南京市主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放清單(2015年)

續(xù)表3

不同森林類(lèi)型樹(shù)種的年排放量存在顯著差異,這主要與樹(shù)種的生物量、排放因子、排放期有關(guān).雖然排放期較長(zhǎng)的常綠樹(shù)種如女貞、桂花等在南京種植的面積更大,但其BVOCs排放速率通常較低.而懸鈴木、楊樹(shù)等落葉樹(shù)種雖然排放期短,但其排放速率較高.整體來(lái)看,南京落葉樹(shù)種的BVOCs排放量仍遠(yuǎn)高于常綠樹(shù)種排放量.

2.1.2 南京市BVOCs排放量的月變化 從圖1可以看出,南京市各類(lèi)BVOCs排放量均表現(xiàn)出極強(qiáng)的季節(jié)性變化規(guī)律,即春季排放量逐漸升高,夏季時(shí)達(dá)到峰值,秋季部分落葉樹(shù)葉片凋零,溫度下降,各VOCs排放8月過(guò)后開(kāi)始驟降,冬季僅部分常綠樹(shù)種排放BVOCs,排放量達(dá)到最低.異戊二烯、單萜和其他VOCs排放量均在8月達(dá)到最大,這主要是因?yàn)?、8月份南京市溫度和光照輻射均達(dá)峰值,BVOCs排放量受光溫條件的影響,隨其升高而增加,12、1和2月僅剩常綠樹(shù)種排放BVOCs,且排放量因溫度低,光合輻射較弱,達(dá)到一年中最低值.

圖1 南京市各類(lèi)BVOCs排放量月變化趨勢(shì)

BVOCs的排放除受光溫條件控制,植物排放期也是導(dǎo)致排放量出現(xiàn)顯著月變化的重要因素.3月中旬前和10月后,單萜的排放量高于異戊二烯,主要是因?yàn)檫@期間常綠且高單萜排放樹(shù)種(濕地松、馬尾松以及一些國(guó)外松)成為BVOCs主要排放源,3月底、4月初大部分落葉樹(shù)種才開(kāi)始進(jìn)入展葉期,10月開(kāi)始陸續(xù)進(jìn)入葉變色期,異戊二烯的排放量開(kāi)始顯著高于單萜和其他VOCs的排放,這也在一定程度上促使VOCs的季節(jié)性變化的形成.

2.1.3 南京市BVOCs排放量的齡級(jí)分配 將南京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種總BVOCs排放量由高到低排序,圖2給出了前21種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的總排放量的齡級(jí)分配結(jié)果,從圖中可以看出,部分優(yōu)勢(shì)樹(shù)種在5個(gè)齡級(jí)均有BVOCs排放,如構(gòu)樹(shù)、馬尾松、杉木、池杉等,也有部分樹(shù)種由于生長(zhǎng)或種植年限較短,僅在個(gè)別齡級(jí)有排放,如木蘭類(lèi)、杜英、欒樹(shù)等,只在幼齡林和中齡林有排放.

圖2 南京市前21種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放量齡級(jí)分配

如表4所示,南京市各齡級(jí)森林源VOCs總排放貢獻(xiàn)率依次為:中齡林(32.3%)>近熟林(28.7%)>成熟林(19.0%)>過(guò)熟林(11.1%)>幼齡林(8.9%).這一比例與各齡級(jí)葉生物量占比有關(guān),但也存在差異,成熟林葉生物量大于近熟林,但VOCs占比卻低于近熟林,這可能是由各齡級(jí)中高排放樹(shù)種組成比例不同導(dǎo)致[40].

表4 南京和北京市森林葉生物量和BVOCs排放量的齡級(jí)分配

2.2 北京市森林BVOCs排放特征

2.2.1 北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放清單 從表5可以看出,北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種以落葉樹(shù)種居多,只有云杉、華山松、柏木、油松以及一些櫟類(lèi)為常綠樹(shù)種.在異戊二烯排放中,櫟類(lèi)貢獻(xiàn)率最高,為70.7%,其次是楊樹(shù)、刺槐和柳樹(shù)等高異戊二烯排放樹(shù)種,排放量分別為11573.0t/a、1703.3t/a和766.0t/a.單萜的排放量范圍在0.9-3616.4t/a之間,差距極大,油松和櫟類(lèi)森林類(lèi)型為北京市單萜的主要排放源,貢獻(xiàn)率分別為35.8%和31.7%.另外,柏木、栓皮櫟、楊樹(shù)、柳樹(shù)、胡桃楸和核桃也對(duì)單萜的排放有一定的貢獻(xiàn),貢獻(xiàn)率在1.5%～5.2%,其他優(yōu)勢(shì)樹(shù)種貢獻(xiàn)率均低于1.0%.在其他VOCs的排放中,貢獻(xiàn)率最高的是櫟類(lèi),貢獻(xiàn)率為42.0%,相較其他樹(shù)種,楊樹(shù)、柏木和油松等每年也排放一定量的其他VOCs.總的來(lái)看,北京市總BVOCs排放貢獻(xiàn)率較高的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為櫟類(lèi)和楊樹(shù),其貢獻(xiàn)率分別為63.7%、18.2%.這與前人的結(jié)果類(lèi)似[14].

北京市森林源VOCs排放總量為72114.1t/a,其中異戊二烯、單萜和其他VOCs貢獻(xiàn)率分別為80.9%、14.0%和5.1%,異戊二烯的排放量顯著高于單萜和其他VOCs,因此,考慮到BVOCs區(qū)域排放過(guò)高對(duì)大氣環(huán)境的不利影響,應(yīng)盡量減少楊樹(shù)、刺槐、櫟樹(shù)以及柳樹(shù)等異戊二烯排放水平較高的落葉樹(shù)種的種植,優(yōu)先選擇栽種云杉、泡桐、椴樹(shù)、榆樹(shù)以及柿樹(shù)等果樹(shù).

2.2.2 北京市BVOCs排放量的月變化 北京市各類(lèi)BVOCs變化趨勢(shì)一致,均在夏季達(dá)到排放最高值,冬季各類(lèi)VOCs排放量為全年最低(圖3).北京市異戊二烯的排放4月份后開(kāi)始顯著增加,這與一些落葉樹(shù)種開(kāi)始進(jìn)入展葉期有關(guān),7月異戊二烯、單萜和其他VOCs排放均達(dá)到峰值,該月排放量分別為13859.1、2032.3和778.4t.各類(lèi)VOCs均自7月后開(kāi)始下降,8～9月下降明顯,這主要是因?yàn)?月底開(kāi)始北京市溫度開(kāi)始下降,BVOCs排放也隨之下降.本研究在估算排放總量時(shí)除了考慮光照、溫度和排放期等因素外,還考慮土壤濕度對(duì)排放的影響,植物生長(zhǎng)需要的水分主要來(lái)自土壤,有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤濕度低于一定水平時(shí),異戊二烯排放減少[51].北京市因降水量少,氣候干燥,1、2月土壤濕度整體較低,6月部分天數(shù)土壤濕度也較低,這可能也是導(dǎo)致北京市BVOCs季節(jié)性變化非常明顯的原因之一.

圖3 北京市各類(lèi)BVOCs排放量月變化趨勢(shì)

目前,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在研究BVOCs區(qū)域排放時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的月變化規(guī)律,呂迪[40]基于蓄積量法建立陜西省各市排放清單,分析陜西省逐月森林BVOCs構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)夏季排放貢獻(xiàn)最高,冬季最低,其貢獻(xiàn)率分別為66.2%和0.3%,同北京市一樣,在7月達(dá)到排放峰值,1月全年BVOCs排放最低.樊沖[33]估算河北省各類(lèi)BVOCs月排放,發(fā)現(xiàn)6～8月的平均排放量較高,7月排放最高達(dá)到35.3Gg/a,12月～次年2月期間全省BVOCs排放最低,3個(gè)月的平均排放量?jī)H為284.6t.Calfapietra等[4]通過(guò)對(duì)羅馬市城市森林3種植物類(lèi)型(常綠闊葉樹(shù)、常綠針葉樹(shù)、落葉闊葉樹(shù))全年BVOCs排放情況的觀察,發(fā)現(xiàn)BVOCs的排放在夏季占主導(dǎo)地位,春秋次之,冬季排放量最低.

2.2.3 北京市BVOCs排放量的齡級(jí)分配 如圖4所示,除柿樹(shù)等個(gè)別果樹(shù)林以過(guò)熟林為主要BVOCs排放源,其余樹(shù)種的排放齡級(jí)主要在幼齡林和中齡林.杜仲、云杉和華山松3類(lèi)經(jīng)濟(jì)林BVOCs排放全部來(lái)源于幼齡林,柏木、白蠟和榆樹(shù)的幼齡林排放占比較高,分別為88.0%、80.3%和65.9%.椴樹(shù)和泡桐50%以上的排放量均來(lái)自中齡林,栓皮櫟和油松的BVOCs主要排放源分別是近熟林和成熟林.

圖4 北京市前21種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放量齡級(jí)分配

北京市森林源總BVOCs的排放主要來(lái)源于幼齡林和中齡林(表4),在這兩個(gè)齡級(jí)的占比分別為38.3%和35.2%.其次為近熟林和成熟林,貢獻(xiàn)率分別為12.1%和8.2%,但成熟林的葉生物量分配比例高于近熟林,分別為12.2%和10.6%,這主要由各齡級(jí)內(nèi)部森林組成類(lèi)型不同導(dǎo)致.過(guò)熟林的葉生物量和排放量占比均是最低的,這主要是因?yàn)橐恍┓N植或生長(zhǎng)年限較短的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種過(guò)熟林蓄積量較小甚至沒(méi)有該齡級(jí)[14].

2.4 BVOCs排放地域性差異分析

整體來(lái)看,北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs全年的排放量顯著高于南京市,年排放量達(dá)到72114.1t,其中異戊二烯占80.9%,單萜占14.0%,其他VOCs占5.1%.南京市BVOCs年排放量為28025.2t,雖然同樣以異戊二烯為主,但占比只有56.4%,單萜占35.0%,其他VOCs占8.6%.除蓄積量、溫度和光照條件之外,北京和南京兩市BVOCs排放的差異主要來(lái)自?xún)?yōu)勢(shì)樹(shù)種構(gòu)成比例的不同.Li等[53]關(guān)于中國(guó)不同省份BVOCs排放的研究也表明不同地區(qū)BVOCs各組分所占比例的差異主要是由于樹(shù)種分布的差異,擁有較多楊屬、柳屬、櫟屬或槐屬植被覆蓋的省份異戊二烯排放占比更多,松屬或云杉屬等針葉樹(shù)種分布較多的地區(qū)單萜排放占比則較高.

表5 北京市主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放清單(2015年)

續(xù)表5

表6 北京市BVOCs排放量估算研究比較

注:“MEGAN”和“GloBEIS”分別指自然氣體和氣溶膠排放模式及全球生物源排放和交互系統(tǒng)模式[60].

考慮到不同地區(qū)森林占地面積的固有差異,森林單位面積排放強(qiáng)度/通量去除了森林占地面積對(duì)排放總量的影響,可能是衡量不同區(qū)域BVOCs排放更理想的指標(biāo),使不同區(qū)域BVOCs排放更有可比性.森林資源清查數(shù)據(jù)表明南京和北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種占地總面積分別為1506.2和6322.0km2,分析得到南京地區(qū)森林單位面積BVOCs排放強(qiáng)度為18.6t/km2,北京地區(qū)森林單位面積BVOCs排放只有11.4t/km2.與BVOCs排放總量不同,南京地區(qū)單位面積排放比北京地區(qū)高約1.6倍,表明BVOCs排放總量相對(duì)較高的地區(qū)其排放強(qiáng)度不一定高.Li等[54]關(guān)于中國(guó)各省份BVOCs排放強(qiáng)度的研究也發(fā)現(xiàn)植被分布較密集的南方地區(qū)其BVOCs排放通量一般比植被分布稀疏的西北地區(qū)高很多,表明未來(lái)制定大氣污染區(qū)域協(xié)同防控措施時(shí)除關(guān)注不同BVOCs排放總量外還應(yīng)該關(guān)注區(qū)域單位面積BVOCs排放通量.

過(guò)去幾十年,學(xué)者使用不同的數(shù)據(jù)源和算法對(duì)北京地區(qū)BVOCs排放量進(jìn)行了估算,但有關(guān)南京地區(qū)森林BVOCs排放清單的研究尚未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道.對(duì)比前人一些代表性的研究可以看出(表6),本文所得北京地區(qū)2015年BVOCs總量估算值明顯高于Wang等[55]和謝揚(yáng)飏等[12]根據(jù)1998或2000年城市園林綠化普查結(jié)果對(duì)北京地區(qū)BVOCs排放的估算結(jié)果,這主要是由于自1990～2015年北京市的森林覆蓋率一直在增加,導(dǎo)致天然源BVOCs排放量隨之大幅度提升[14,56].然而,夏春林等[57]、張倩等[58]以及張薔等[14]利用最新數(shù)據(jù)集的評(píng)估結(jié)果也明顯小于本研究結(jié)果.除評(píng)估方法和氣象因素外,最可能的原因是以上研究都采用全國(guó)平均排放因子,而本文主要使用北京或其周邊地區(qū)實(shí)測(cè)植被排放因子.此外,多項(xiàng)研究表明適度干旱可以刺激異戊二烯排放[45,59],上述研究均未考慮土壤濕度對(duì)BVOCs排放的影響也可能是評(píng)估結(jié)果較低的原因.但值得注意的是,Wang等[56]利用MEGAN模型在綜合考慮葉面積指數(shù)、土地利用類(lèi)型和土壤濕度的基礎(chǔ)上對(duì)北京地區(qū)2015年BVOCs排放的評(píng)估結(jié)果與本研究的估算值基本相同.雖然一些不確定性仍有待驗(yàn)證,但上述研究表明一定條件下基于森林蓄積量的估算結(jié)果(本文)與基于葉面積指數(shù)的評(píng)估結(jié)果(如MEGAN模式)具有較好的一致性.

2.5 不確定分析

(1)標(biāo)準(zhǔn)排放因子:本文優(yōu)先采用北京地區(qū)及周邊實(shí)測(cè)排放因子數(shù)據(jù),但由于現(xiàn)有觀測(cè)資料的限制,仍有部分類(lèi)型樹(shù)種排放因子采用國(guó)內(nèi)均值、國(guó)外或同科屬植物排放值替代,而其他VOCs排放因子更是多采用1.5μg/(g·h)固定值.考慮到不同地區(qū)水肥條件對(duì)植物BVOCs排放的影響以及不同實(shí)驗(yàn)采樣方法、樣本量等差異,其結(jié)果仍然存在不確定性.

(2)葉生物量:盡管本文采用方精云等[44]方法估算葉生物量,但推算過(guò)程中樹(shù)干基本密度、樹(shù)干及樹(shù)葉與喬木層比重等數(shù)據(jù)主要來(lái)自國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)值.上述數(shù)據(jù)的可靠性及不同地區(qū)植物學(xué)參數(shù)可能存在差異,在一定程度上影響本研究估算結(jié)果.

(3)環(huán)境校正因子:本文使用環(huán)境空氣溫度直接代替葉溫,盡管多數(shù)研究認(rèn)為針葉樹(shù)種或低密度的闊葉樹(shù)種以及無(wú)外界環(huán)境脅迫條件下植物冠層葉溫與環(huán)境溫度是非常接近的[61-63],但葉溫高于環(huán)境溫度的現(xiàn)象在溫帶森林,尤其高密度闊葉落葉林中也曾被觀察到[62],忽略葉溫與環(huán)境溫度導(dǎo)致的差異需要進(jìn)一步驗(yàn)證.此外,本文未考慮光合有效輻射在植物冠層內(nèi)部的傳輸和分布,一般植物冠層下部葉片的光合有效輻射較上部葉片偏低[14].不同冠層光合有效輻射的差異也會(huì)影響評(píng)估結(jié)果.

3 結(jié)論

3.1 南京市總BVOCs排放源主要為濕地松、櫟類(lèi)、楊樹(shù)以及闊葉混交林,其中楊樹(shù)和櫟類(lèi)是主要的異戊二烯排放源,濕地松是單萜和其他VOCs的主要排放源.北京市主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種中,對(duì)BVOCs排放量貢獻(xiàn)最高的是櫟類(lèi)、楊樹(shù),同時(shí)櫟類(lèi)、楊樹(shù)也是主要的異戊二烯排放源,而油松對(duì)單萜的排放貢獻(xiàn)較突出.

3.2 北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種異戊二烯的排放量最高,占總排放的80.9%,而南京市則主要排放異戊二烯和單萜,兩類(lèi)物質(zhì)的排放量占到總排放的90%以上,BVOCs排放組分差異與兩市的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種類(lèi)型有關(guān).北京和南京兩地BVOCs總量相差2～3倍,北京市各類(lèi)BVOCs排放量均顯著高于南京,然而,南京地區(qū)單位面積排放強(qiáng)度比北京地區(qū)高約1.6倍.

3.3 南京和北京市各類(lèi)BVOCs月變化均呈單峰型,春季由于植物進(jìn)入展葉期排放量增加,在夏季達(dá)到排放高峰,秋季隨著葉片凋零,氣溫下降,排放量逐漸降低,冬季排放量為全年最低.

3.4 南京市中齡林和近熟林為BVOCs主要排放源,北京市BVOCs的主要排放源是中齡林和幼齡林,總BVOCs排放量在各齡級(jí)的分配比例與各齡級(jí)的葉生物量基本一致,兩市BVOCs排放在各齡級(jí)的差異主要是因?yàn)楦鼾g級(jí)間優(yōu)勢(shì)樹(shù)種類(lèi)型的不同.

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Differences of biogenic volatile organic compound emissions from urban forests in Nanjing and Beijing.

YUAN Xiang-yang1,2, XU Yan1,3, DU Ying-dong3, FENG Zhao-zhong3*

(1.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；2.Beijing Urban Ecosystem Research Station, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；3.School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)., 2022,42(4)：1489～1500

Total emissions of BVOCs from typical cities (e.g. Beijing and Nanjing) in south and north China in 2015 were estimated by using the data of forest resource check, hourly meteorological observation and G95model algorithms based on light and temperature dependences. The study found that the total BVOC emissions in Nanjing were mainly derived from Slash pine, Quercus and PoplarsAmong the dominant tree species in Beijing, Quercus, Poplars and Chinese pine had the highest BVOC emissions. From the total emissions, the VOC emissions from forest sources in Beijing were 2 to 3times higher than those of Nanjing, which were 72114.1t/a and 28025.3t/a, respectively. By contrast, the area-based BVOCs emission intensity in Nanjing was 1.6 times higher than those of Beijing. The seasonal changes of all types of BVOC emissions in both Beijing and Nanjing were unimodal, with the highest emissions in summer and the lowest in winter, while there was little difference in emissions between spring and autumn. In Nanjing, middle-aged forests and near-mature forests were the main emission sources of BVOCs. However, middle-aged forests and young forests were the main emission sources in Beijing. The contribution to total BVOC emissions in each tree age class was mainly determined by its leaf biomass, but the type of dominant tree species in each tree age class also affected the emission of BVOCs to a certain extent.

Nanjing；Beijing；forest stock；dominant tree species；biogenic volatile organic compounds (BVOCs)

X511

A

1000-6923(2022)04-1489-12

袁相洋(1990-),男,山東滕州人,助理研究員,博士,主要從事全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)相互作用研究.發(fā)表論文20余篇.

2021-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41907383,42061160479);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFE0127700)

*責(zé)任作者, 教授, zhaozhong.feng@nuist.edu.cn