北京森林BVOCs排放現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)變化特征分析

張 薔,李令軍*,趙文慧,劉保獻(xiàn),3,鹿海峰,秦麗歡,陳韻如,李 琪

北京森林BVOCs排放現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)變化特征分析

張 薔1,2,李令軍1,2*,趙文慧1,2,劉保獻(xiàn)1,2,3,鹿海峰1,2,秦麗歡1,2,陳韻如1,2,李 琪1,2

(1.北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,北京 100048；2.大氣顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048；3.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

以北京地區(qū)森林植被為研究對(duì)象,基于森林資源清查蓄積資料和逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù),采用光溫影響模型對(duì)2000～2020年北京森林BVOCs排放量進(jìn)行估算,并分析其對(duì)空氣質(zhì)量的影響.結(jié)果顯示,2020年北京森林BVOCs排放量為39.57×109g C,異戊二烯、單萜烯和OVOCs分別占72.19%、17.48%和10.32%,楊樹(shù)、櫟樹(shù)等闊葉樹(shù)是主要的異戊二烯排放源,油松等針葉樹(shù)是主要的單萜烯排放源.2000～2020年森林BVOCs排放量從20.30×109g C/a 增加到39.57×109g C/a,年平均增長(zhǎng)率4.75%;BVOCs排放量的變化表現(xiàn)出明顯階段性特征,2000～2010年增長(zhǎng)緩慢,2010～2020年出現(xiàn)大幅上升.20年間異戊二烯所占比重呈下降趨勢(shì),單萜烯和OVOCs所占比重則呈上升趨勢(shì);楊樹(shù)對(duì)BVOCs排放量的貢獻(xiàn)逐漸降低,櫟樹(shù)和其他闊葉樹(shù)的貢獻(xiàn)明顯增加,北京新增森林更加注重物種多樣化.2000～2020年,BVOCs的O3生成潛勢(shì)從181.76×109g增加到331.07×109g,異戊二烯占92.70%,是主要的貢獻(xiàn)者;SOA 生成潛勢(shì)從1.11×109g增加到2.65×109g,單萜烯和異戊二烯分別占75.40%和24.60%.O3生成潛勢(shì)最大的樹(shù)種是楊樹(shù),SOA生成潛勢(shì)最大的樹(shù)種是油松.森林BVOCs排放在夏季對(duì)O3污染的貢獻(xiàn)最大,未來(lái)綠化中應(yīng)考慮優(yōu)化樹(shù)種組成.

蓄積量；異戊二烯；單萜烯；臭氧；二次有機(jī)氣溶膠；揮發(fā)性有機(jī)物

近年來(lái),北京市大氣細(xì)顆粒物濃度顯著下降,但是臭氧(O3)污染逐步凸顯,成為影響空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素,開(kāi)展細(xì)顆粒物和O3的協(xié)同控制是當(dāng)前大氣污染防治工作的當(dāng)務(wù)之急[1].揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)是O3和二次有機(jī)氣溶膠(SOA)的重要前體物,可以與大氣中的氮氧化物和羥基自由基等氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),加劇環(huán)境空氣的污染[2].作為VOCs的主要來(lái)源之一,天然源揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs)排放量大、且化學(xué)活性高,占全球VOCs總排放量的90%以上,對(duì)O3和SOA的形成具有重要影響[2-4].因此,建立一個(gè)準(zhǔn)確的BVOCs排放清單,對(duì)評(píng)估其對(duì)大氣環(huán)境的影響、制定有效的空氣污染防治措施至關(guān)重要.

自20世紀(jì)90年代以來(lái),科學(xué)家使用不斷更新改進(jìn)的生物模型對(duì)不同空間尺度的BVOCs排放量進(jìn)行了估算.Graedel等[5]和Guenther等[2,4]編制了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)VOCs排放清單,研究人員[6-8]使用不同空間分辨率數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)的BVOCs排放量及分布特征進(jìn)行了研究.在北京地區(qū),研究人員基于不同的排放模型、土地覆蓋和氣象數(shù)據(jù),對(duì)全市植被的BVOCs排放進(jìn)行了測(cè)算,如張倩等[9]采用GLOBEIS模型和遙感解譯資料估算了北京BVOCs排放通量; Ren等[10]使用改進(jìn)的G95算法分別計(jì)算了北京天然林和城市綠色空間的BVOCs排放量;謝揚(yáng)飏等[11]則基于園林綠化普查資料建立了北京市園林綠地BVOCs排放清單.此外,研究人員進(jìn)一步分析了BVOCs對(duì)空氣質(zhì)量的影響,估算了北京地區(qū)異戊二烯對(duì)O3生成的貢獻(xiàn)[12-14],對(duì)異戊二烯和單萜的O3和SOA生成潛勢(shì)進(jìn)行了測(cè)算[10,15-16].但是,目前對(duì)北京地區(qū)的研究大多是基于植被面積來(lái)估算葉生物量,不同研究之間的結(jié)果具有較大差異(近10倍),現(xiàn)有研究較少以具體樹(shù)種為對(duì)象、基于蓄積量進(jìn)行BVOCs排放測(cè)算.事實(shí)上,研究顯示樹(shù)木的蓄積量與生物量具有顯著的相關(guān)關(guān)系[17],通過(guò)生物量計(jì)算公式可實(shí)現(xiàn)二者間的換算[18].

此外,已有的研究主要集中于BVOCs的排放現(xiàn)狀,對(duì)于BVOCs排放的動(dòng)態(tài)變化特征關(guān)注較少.植被覆蓋和氣候的改變會(huì)引起B(yǎng)VOCs排放發(fā)生顯著的年際變化[1,19].近年來(lái),為改善生態(tài)環(huán)境,北京市實(shí)施了百萬(wàn)畝造林、京津風(fēng)沙源治理、綠化隔離帶建設(shè)等一系列的生態(tài)恢復(fù)工程,北京地區(qū)的森林面積和蓄積量不斷增加.據(jù)統(tǒng)計(jì),2006～2020年北京森林覆蓋率從35.9%增長(zhǎng)到44.4%,森林蓄積量增加了1225萬(wàn)m3[20].研究BVOCs排放的變化趨勢(shì),將有助于了解植被覆蓋快速變化背景下BVOCs排放對(duì)大氣污染的影響.因此,本研究基于Guenther等[2,21]提出的光溫影響模型,利用北京市森林資源清查蓄積資料和逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù),建立2000～2020年北京市森林BVOCs排放清單,分析其排放現(xiàn)狀及變化趨勢(shì),并量化BVOCs對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量的影響,為制定有效的污染防治措施提供科學(xué)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京(39°26′～41°04′N,115°25′～117°30′E)地處華北平原北部,背靠燕山,全市總面積1.64×104km2.北京屬于典型的北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥.多年平均氣溫12.3℃,1月份氣溫最低,平均-3.7℃,7月份氣溫最高,平均26.2℃.多年平均降水量571.9mm,全年降水量約80%集中在6～8月份[22].北京地區(qū)植被資源豐富,主要的地帶性植被為暖溫帶闊葉林和針闊混交林.根據(jù)北京市園林綠化局公布的2020年森林資源調(diào)查結(jié)果,全市林地面積11299.80km2,林木綠化率為62.50%,其中森林面積8483.14km2,森林蓄積量2520.67萬(wàn)m3,森林覆蓋率達(dá)44.40%[20].

1.2 研究方法

1.2.1 BVOCs排放計(jì)算模型 植物排放的VOCs種類繁多,其中研究較多的是異戊二烯和單萜烯,這是由于二者排放量大且化學(xué)活性強(qiáng)[23].本研究將北京森林源BVOCs劃分為異戊二烯、單萜烯和其他VOCs(OVOCs)3類,分樹(shù)種分別進(jìn)行估算.植物排放VOCs的速率主要受溫度和光照的影響,本研究采用Guenther等[2,21]提出的光溫影響模型進(jìn)行排放量估算.其中,異戊二烯排放受溫度和太陽(yáng)輻射的影響,采用葉綠素(CHL)算法;單萜烯和OVOCs排放主要受到溫度的影響,采用防御專屬組織(DST)算法.計(jì)算公式如下:

ISOP=[][][γPγTγS][] (1)

MON/OVOC=[][][γTγS][] (2)

式中:ISOP、MON和OVOC分別代表異戊二烯、單萜烯和OVOC的排放量, g;為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下該樹(shù)種的基本排放速率, μg C/(g·h);為葉生物量, g;P、T和S為環(huán)境校正因子,分別代表光合有效輻射、溫度和季節(jié)的影響;為逸出效率,表示排放總量中逸入樹(shù)冠上方大氣中的部分所占比例.

1.2.2 O3和SOA生成潛勢(shì)估算模型 通過(guò)估算BVOCs的O3和SOA生成潛勢(shì),表征其對(duì)空氣質(zhì)量的潛在影響.O3生成潛勢(shì)(OFP)代表VOCs物種在最佳反應(yīng)條件下對(duì)O3生成的最大貢獻(xiàn),采用“增量反應(yīng)”法進(jìn)行計(jì)算,即每加入一單位的VOC所形成的O3的量.SOA生成潛勢(shì)使用“氣溶膠生成系數(shù)(FAC)”法進(jìn)行量化.公式如下:

OFP= VOC×MIR(3)

SOA=VOC×FAC(4)

式中: OFP, VOCs組分的OFP值, g; VOC, VOCs組分的排放量, g; MIR, VOCs組分的最大增量反應(yīng)活性.本文MIR的取值采用Carter[24]的研究成果,其中異戊二烯為10.61g/g,單萜烯為4.04g/g;最新的研究表明,該MIR值的應(yīng)用可能會(huì)低估我國(guó)VOCs對(duì)臭氧生成的貢獻(xiàn)量, 且對(duì)臭氧生成關(guān)鍵物種的判定方面可能與實(shí)際會(huì)有一定的差異[25]. SOA, VOCs組分的二次有機(jī)氣溶膠生成量, g; FAC, VOCs組分的SOA生成系數(shù),以Grosjean[26]的研究數(shù)據(jù)為參考,異戊二烯FAC取0.02,單萜烯FAC取0.3.

基于上述計(jì)算結(jié)果,使用Ren等[10]和Ghirardo等[16]提出的簡(jiǎn)化的“箱式”模型計(jì)算BVOCs排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響.公式如下:

ozone(i)=OFP×BVOCi∕(×) (5)

SOA(i)=SOA×SOA∕(×) (6)

式中:Ozone(i)、SOA(i),分別代表VOCs組分導(dǎo)致的O3、SOA的濃度增量;為研究區(qū)域的面積, km2;為大氣混合層高度, 1200m[14,27];BVOCi、SOA,分別代表BVOCs和SOA在大氣中的壽命[10].

1.3 模型參數(shù)的確定

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)排放因子 本文中各樹(shù)種的異戊二烯和單萜烯的標(biāo)準(zhǔn)排放因子通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研獲取.根據(jù)森林資源調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果,北京地區(qū)主要的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種分為油松、落葉松、側(cè)柏、楊樹(shù)、櫟樹(shù)、樺木、刺槐和闊葉樹(shù)(包括榆樹(shù)、臭椿、銀杏、柳樹(shù)、懸鈴木、核桃楸等其他闊葉樹(shù)).不同研究之間的樹(shù)種排放潛力觀測(cè)結(jié)果具有較大差異.為使排放因子數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確,本文參考張莉等[28]的方法,優(yōu)先選擇北京及周邊地區(qū)的實(shí)測(cè)值,取異戊二烯和單萜烯排放速率的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)排放因子,結(jié)果見(jiàn)表1[29].OVOCs由于排放速率低、研究較少,其標(biāo)準(zhǔn)排放因子采用Guenther等[30]的推薦值1.5μg C/(g·h).

表1 北京優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs標(biāo)準(zhǔn)排放因子

1.3.2 葉生物量 根據(jù)北京市第5～9次森林資源調(diào)查數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種各齡級(jí)的蓄積量,推算葉生物量.具體計(jì)算公式如下:

=×T∕T×L

=×T/T×L

式中:是葉生物量, g;是樹(shù)種蓄積量, m3;T是樹(shù)干密度, 106g/m3;T是樹(shù)干生物量占喬木層總生物量的比例, %;L是葉生物量占喬木層總生物量的比例, %.根據(jù)張莉等[28]、呂迪[35]提出的方法,將各樹(shù)種的樹(shù)干密度、主要森林類型各林齡的T和L值整理為表2.

表2 優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的植物學(xué)參數(shù)

1.3.3 校正因子 (1)溫度校正因子

異戊二烯的溫度校正因子計(jì)算公式:

γT= exp[T1(?S)/S] / {1+exp[T2(?M)/

S]} (7)

式中:T1、T2、M均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),值分別為95000J/ mol、230000J/mol和314K;為氣體平衡常數(shù),值為8.314J/(K·mol);為采樣時(shí)葉片實(shí)際溫度,單位為K,本文用氣溫代替;S為標(biāo)準(zhǔn)條件下的葉溫,303K.

單萜烯和OVOCs的溫度校正因子計(jì)算公式:

γT= exp[(?S)] (8)

式中:經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值為0.09K-1,其它變量與公式(7)相同.

(2)光照校正因子

光照校正因子計(jì)算公式如下:

P=(L)∕(1+22)0.5(9)

式中:、L為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取值分別為0.0027和1.066,為光合量子密度[PPFD, μmol/(m2·s)],來(lái)源于太陽(yáng)輻射.

(3)季節(jié)校正因子

植物的葉齡和葉生物量會(huì)隨季節(jié)發(fā)生變化,進(jìn)而影響B(tài)VOCs排放.參照Staudt等[49]的研究,各月季節(jié)校正因子計(jì)算公式如下:

S=1?{1?exp[-(?0)2∕]} (10)

式中:指年排放速率變化幅度與最大排放速率之比,落葉樹(shù)種為1,常綠樹(shù)種為0.8[10];為月份;0為排放速率最大的月份,北京是7月;為BVOCs進(jìn)行活躍排放的月數(shù),常綠樹(shù)種為12,北京地區(qū)落葉樹(shù)種為6[28].

1.3.4 氣象數(shù)據(jù) 本文使用的溫度、光合有效輻射逐小時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)源于北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站、國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心及《1961—2014年中國(guó)光合有效輻射重構(gòu)數(shù)據(jù)集》[50].

2 結(jié)果與討論

2.1 北京森林BVOCs排放現(xiàn)狀

2020年北京森林BVOCs排放量為39.57×109g C,其中異戊二烯、單萜烯和OVOCs排放量分別為28.57×109, 6.92×109和4.08×109g C,分別占BVOCs總排放量的72.19%、17.48%和10.32%,異戊二烯是北京森林BVOCs的主要組分(圖1a).

根據(jù)樹(shù)種的BVOCs排放量對(duì)其進(jìn)行排序(圖1b),結(jié)果顯示不同樹(shù)種的排放量及VOCs組成均存在較大差異.楊樹(shù)的BVOCs排放量最高,年排放量達(dá)到15.43×109g C,占總排放量的38.99%;櫟樹(shù)次之,年排放量12.09×109g C,占總量的30.55%;油松BVOCs年排放量4.05×109g C,對(duì)總量的貢獻(xiàn)率為10.25%.闊葉樹(shù)種是主要的異戊二烯排放源,其中楊樹(shù)和櫟樹(shù)對(duì)異戊二烯排放的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到48.81%和32.01%,這主要是由于二者具有較大的蓄積量和異戊二烯排放速率;而油松等針葉樹(shù)種是主要的單萜烯排放源,油松的單萜烯排放量為3.17×109g C,占單萜烯總量的45.81%.

圖1 北京森林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放量及組成

與前人的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)BVOCs各組分的占比具有較大差異,整體來(lái)看北方地區(qū)植物排放的VOCs中異戊二烯占比較高,由北向南異戊二烯占比呈下降趨勢(shì).桂麗[37]對(duì)西安市BVOCs排放的研究顯示,異戊二烯、單萜烯和OVOCs分別占總排放量的44.91%、24.16%和30.93%;劉巖等[51]對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),異戊二烯占BVOCs總排放量的37.3%;鄭君瑜等[52]在珠江三角洲地區(qū)的研究則顯示,異戊二烯僅占總排放量的24.7%.與上述研究相比,北京地區(qū)BVOCs中異戊二烯的貢獻(xiàn)率更高,這一差異主要是由于各地區(qū)植被類型的不同導(dǎo)致的.楊屬和櫟屬植物是北京市主要的植被類型,二者均具有較高的異戊二烯排放強(qiáng)度,且葉密度大、葉生物量高,因此北京森林排放的VOCs組分以異戊二烯為主.河北與北京地理位置相近、自然條件相似,樊沖[36]對(duì)河北省森林BVOCs排放的研究顯示,異戊二烯、單萜烯和OVOCs對(duì)總排放量的貢獻(xiàn)率分別為76.5%、13.6%和9.9%,與北京地區(qū)相似.

北京森林BVOCs的排放量和組分組成均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征(圖2).夏季(6～8月)BVOCs排放量最高,達(dá)到30.74×109g C,占年排放總量的77.67%;春季(3～5月)和秋季(9～11月)排放量分別占總量的11.80%和10.27%;冬季(12～次年2月)排放最低,僅占0.26%.夏季是BVOCs排放的主要時(shí)段,此時(shí)氣溫和太陽(yáng)輻射均較高,達(dá)到一年中的最大值,葉面積指數(shù)和酶活性也較高,可以促進(jìn)植物VOCs的釋放.此外,BVOCs中不同組分的貢獻(xiàn)率也隨季節(jié)發(fā)生變化,其中異戊二烯的變化幅度最大,1～7月份占比呈上升趨勢(shì),7～12月份呈下降趨勢(shì);單萜烯貢獻(xiàn)率的變化趨勢(shì)則與之相反,呈冬季高、夏季低.北京地區(qū)的異戊二烯排放源主要是落葉闊葉樹(shù),隨季節(jié)變化呈現(xiàn)夏盛冬衰的規(guī)律;單萜烯的排放源主要是針葉樹(shù)種,葉片四季常綠,在全年均有排放.因此,與其他BVOCs組分相比,異戊二烯排放量對(duì)季節(jié)變化更為敏感.

圖2 不同月份BVOCs的排放量及組成

2.2 2000～2020年BVOCs排放變化趨勢(shì)

如表3所示, 2000～2020年北京市森林源BVOCs年排放量從20.30×109g C上升到39.57×109g C,增加了近1倍,年平均增長(zhǎng)率4.75%.北京地區(qū)BVOCs年排放量的增長(zhǎng)率高于全國(guó)平均水平,Li等[1,53]的研究顯示,1981～2003年和2008～2018年間,全國(guó)BVOCs排放年增長(zhǎng)率分別為1.27%和2.03%.北京森林BVOCs排放量增加,主要是由于樹(shù)木生長(zhǎng)以及植樹(shù)造林引起的生物量增加導(dǎo)致的.從圖3可以看出,二者隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本保持一致,呈逐年上升的態(tài)勢(shì).北京森林BVOCs排放量的變化表現(xiàn)出明顯的階段性特征,2000～2010年間增長(zhǎng)較為緩慢,2010～2020年間則出現(xiàn)大幅度上升,這與北京市百萬(wàn)畝造林等綠化工程的實(shí)施密切相關(guān).

2000～2020年,異戊二烯所占比重呈下降趨勢(shì),單萜烯和OVOCs所占比重則呈上升趨勢(shì). 20年間異戊二烯、單萜烯和OVOCs的年排放量分別增加了12.44×109, 4.29×109和2.54×109g C(表3),分別占BVOCs總增量的64.54%、22.28%和13.16%.BVOCs各組分在不同調(diào)查階段所占比重不同,異戊二烯所占比重逐漸下降,2000年占總排放量的79.45%,2020年下降到72.19%;單萜烯和OVOCs所占比重則逐漸上升,單萜烯占比從12.93%增加到17.48%, OVOCs占比從7.63%增加到10.32%.楊樹(shù)作為異戊二烯的強(qiáng)排放源,由于生長(zhǎng)速度快、可快速成林,在北京早期植樹(shù)造林中得到廣泛應(yīng)用,導(dǎo)致異戊二烯排放量占比較高;但楊樹(shù)容易招病蟲(chóng)害、易倒伏、生長(zhǎng)后勁不足,且產(chǎn)生的楊絮容易引發(fā)過(guò)敏性疾病等,近年來(lái)種植逐漸減少,而油松、側(cè)柏等樹(shù)種的種植逐漸增多,因此異戊二烯排放量占比下降、單萜烯占比增加.

表3 2000～2020年北京森林BVOCs排放量

近幾十年來(lái),研究人員對(duì)北京市BVOCs排放特征進(jìn)行了較多研究,由于使用的數(shù)據(jù)源和算法不同,導(dǎo)致不同研究結(jié)果之間存在差異(圖3).Wang等[54]對(duì)1998年北京市BVOCs排放量的估算結(jié)果為16.2×109g C;Ren等[10]估算了1990年和2015年北京市BVOCs的排放量,結(jié)果分別為10.9×109和33.0×109g C;張倩等[9]和井瀟溪[15]分別對(duì)2015年和2017年北京BVOCs排放量進(jìn)行測(cè)算,結(jié)果分別為35.5×109和43.6×109g C.

圖3 不同研究對(duì)北京市BVOCs排放量的估算

從圖3可以看出,本文測(cè)算的北京市BVOCs排放量和年際變化趨勢(shì)與上述研究成果較為接近,但是低于Klinger等[6]和謝揚(yáng)飏等[11]的計(jì)算結(jié)果.Klinger等[6]在2001年對(duì)全國(guó)生態(tài)系統(tǒng)的VOCs排放量進(jìn)行了測(cè)算,其中北京市BVOCs釋放量為48.0×109g C;謝揚(yáng)飏等[11]依據(jù)園林綠地普查結(jié)果,估算得到2000年北京綠地天然源VOCs排放量為38.5×109g C.不同研究所使用的土地覆蓋數(shù)據(jù)的不同是導(dǎo)致估算結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因之一,Klinger等[6]所使用的森林面積是Wang等[54]的約3倍,因此其估算結(jié)果較高.此外,各研究使用的估算模型不同也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生較大差異.如謝揚(yáng)飏等[11]使用Guenther等[21,55]提出的算法進(jìn)行BVOCs測(cè)算,但未考慮葉齡隨季節(jié)變化的影響,導(dǎo)致估算結(jié)果偏大.

2.3 優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的BVOCs排放變化趨勢(shì)

對(duì)2000～2020年間各優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的BVOCs排放變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,首先從排放量來(lái)看,楊樹(shù)、櫟樹(shù)、闊葉樹(shù)、油松和側(cè)柏的排放量均呈逐年上升的趨勢(shì);落葉松、樺木和刺槐的排放量整體上呈增加趨勢(shì),在個(gè)別年份出現(xiàn)下降(表4).這與各樹(shù)種葉生物量的變化趨勢(shì)相一致(表5),表明其BVOCs排放量的變化主要是由葉生物量變化引起的.其中,櫟樹(shù)、闊葉樹(shù)、楊樹(shù)和油松的BVOCs年排放量分別增加7.17×109, 4.09×109, 3.93×109和2.69×109g C,占全市森林BVOCs排放增量的92.84%.特別是櫟樹(shù),是BVOCs排放增量最多的森林類型,占總增加量的37.23%;同時(shí)其葉生物量增量也最高,占總增量的27.15%.在北京地區(qū),櫟樹(shù)主要分布在山區(qū),以蒙古櫟為主的櫟屬植物是北京山區(qū)面積最大、分布最廣的森林類型,也是北京山區(qū)地帶性的落葉闊葉林頂級(jí)群落之一.

表4 2000～2020年優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放量及貢獻(xiàn)率

從貢獻(xiàn)率來(lái)看,在所有林分類型中,楊樹(shù)、櫟樹(shù)和油松對(duì)BVOCs排放量的貢獻(xiàn)在各調(diào)查階段均較高,占總排放量的79.79%～88.85%.其中,楊樹(shù)的貢獻(xiàn)率最高,2000年占森林BVOCs總排放量的56.61%,之后整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),到2020年貢獻(xiàn)率減少到38.99%;與之相對(duì)應(yīng)的是櫟樹(shù),2000年對(duì)森林BVOCs排放的貢獻(xiàn)率為24.22%,隨后保持穩(wěn)中有升的態(tài)勢(shì),到2020年占比達(dá)到30.55%.此外,闊葉樹(shù)對(duì)森林BVOCs的貢獻(xiàn)率也表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì), 2000年占比為6.50%,到2020年占比增加到13.68%.特別是2015～2020年間,闊葉樹(shù)占比上升了5.97%,而同一時(shí)期楊樹(shù)占比下降了13.49%.據(jù)統(tǒng)計(jì),林業(yè)資源調(diào)查中的闊葉樹(shù)包括榆樹(shù)、銀杏、柳樹(shù)、懸鈴木、核桃楸等30余種樹(shù)種,表明北京新增的森林植被更加注重物種多樣化.

表5 2000～2020年優(yōu)勢(shì)樹(shù)種葉生物量(109g)

2.4 BVOCs排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響

如表6所示, O3生成潛勢(shì)從2000年的181.76×109g增加到2020年的331.07×109g.其中,異戊二烯對(duì)O3生成潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率從94.17%下降到91.56%,平均貢獻(xiàn)率為92.70%,是主要的貢獻(xiàn)者;單萜烯對(duì)O3生成潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率從5.83%增加到8.44%,平均貢獻(xiàn)率為7.30%.SOA 生成潛勢(shì)從2000年的1.11×109g增加到2020年的2.65×109g,其中異戊二烯對(duì)SOA生成潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率從29.07%下降到21.59%,平均貢獻(xiàn)率為24.60%;單萜烯的貢獻(xiàn)率從70.93%增加到78.41%,平均貢獻(xiàn)率為75.40%,是主要的貢獻(xiàn)者.O3生成潛勢(shì)最大的樹(shù)種是楊樹(shù),SOA生成潛勢(shì)最大的樹(shù)種是油松.

表6 2000～2020年北京森林BVOCs的O3和SOA生成潛勢(shì)

為量化北京森林源BVOCs對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量的影響,采用簡(jiǎn)化的“箱式”模型進(jìn)行估算.結(jié)果顯示,近20年來(lái)森林BVOCs排放對(duì)大氣環(huán)境中O3和SOA濃度的貢獻(xiàn)量逐年上升(圖4).截止到2020年,BVOCs排放產(chǎn)生的O3生成潛勢(shì)導(dǎo)致全市范圍內(nèi)大氣年均O3濃度上升20.50μg/m3,全市大氣年均SOA濃度增加2.36μg/m3.

圖4 BVOCs排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響

圖5 2020年BVOCs排放對(duì)環(huán)境O3污染的貢獻(xiàn)

環(huán)境O3數(shù)據(jù)來(lái)源于北京市生態(tài)環(huán)境局《2016-2020北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)》

森林源BVOCs排放具有明顯的季節(jié)變化特征,由其引起的大氣O3濃度增加主要集中在夏季.從圖5可以看出,在排放量最高的6～8月份,森林BVOCs導(dǎo)致大氣O3濃度平均上升65.23μg/m3.在其他相關(guān)研究中,也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律.Ren等[10]的研究顯示,2015年BVOCs排放導(dǎo)致北京城市核心區(qū)7月份臭氧濃度增加71.5μg/m3,占環(huán)境濃度的30%.Li等[56]在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),BVOCs排放對(duì)日間O3濃度的貢獻(xiàn)在18.6%～24.9%之間.此外,雖然北京地區(qū)植物源VOCs排放量低于人為源,但是植物源VOCs組分具有更高的反應(yīng)活性和O3形成潛力[14-15],因此其對(duì)大氣O3污染的影響不容忽視.

為改善環(huán)境空氣質(zhì)量,未來(lái)進(jìn)行城市綠化時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮VOCs排放較低的樹(shù)種,建議在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少楊樹(shù)等O3生成潛勢(shì)較大的樹(shù)種;此外,雖然BVOCs對(duì)PM2.5影響較小,但目前貢獻(xiàn)占比最大的油松為北京城市綠化主種的樹(shù)種之一,應(yīng)考慮總量控制.

3 結(jié)論

3.1 2020年,北京市森林BVOCs排放量為39.57× 109g C,其中異戊二烯、單萜烯和OVOCs分別占總排放量的72.19%、17.48%和10.32%.北京主要的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種中,對(duì)BVOCs排放貢獻(xiàn)較高的是楊樹(shù)、櫟樹(shù)和油松,闊葉樹(shù)種是主要的異戊二烯排放源,油松等針葉樹(shù)種是主要的單萜烯排放源.

3.2 2000～2020年,北京市森林BVOCs年排放量從20.30×109g C上升到39.57×109g C,年平均增長(zhǎng)率4.75%.BVOCs排放量的變化表現(xiàn)出明顯階段性特征,2000～2010年增長(zhǎng)緩慢,2010～2020年則出現(xiàn)大幅上升,這與北京市百萬(wàn)畝造林等綠化工程的實(shí)施密切相關(guān).研究期內(nèi),異戊二烯所占比重呈下降趨勢(shì),單萜烯和OVOCs所占比重呈上升趨勢(shì);異戊二烯的強(qiáng)排放源楊樹(shù)的占比減少,櫟樹(shù)和其他闊葉樹(shù)的占比增加,北京新增的森林植被更加注重物種多樣化.

3.3 2000～2020年,北京森林BVOCs的O3生成潛勢(shì)從181.76×109g增加到331.07×109g,其中異戊二烯是主要的貢獻(xiàn)者,占92.70%;SOA 生成潛勢(shì)從1.11× 109g增加到2.65×109g,單萜烯是主要貢獻(xiàn)者,占75.40%.O3生成潛勢(shì)最大的樹(shù)種是楊樹(shù),SOA生成潛勢(shì)最大的樹(shù)種是油松.

3.4 2020年,BVOCs排放導(dǎo)致全市大氣年均O3濃度上升20.50μg/m3, SOA濃度增加2.36μg/m3,森林BVOCs排放在夏季對(duì)O3污染的影響最為明顯.未來(lái)城市綠化中應(yīng)考慮優(yōu)化樹(shù)種組成,以減少BVOCs對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響.

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The current status and characteristics of variations in forest BVOCs emissions in Beijing.

ZHANG Qiang1,2, LI Ling-jun1,2*, ZHAO Wen-hui1,2, LIU Bao-xian1,2,3, LU Hai-feng1,2, QIN Li-huan1,2, CHEN Yun-ru1,2, LI Qi1,2

(1.Beijing Municipal Ecological and Environment Monitoring Center, Beijing 100048, China；2.Beijing Key Laboratory of Airborne Particulate Matter Monitoring Technology, Beijing 100048, China；3.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2022,42(9)：3991～4000

Accurate estimation of biogenic volatile organic compounds (BVOCs) emissions is necessary for developing effective air pollution control measures. To understand the current status and characteristics of variations in forest BVOCs emissions in Beijing, historical BVOCs emission inventories for the period from 2000 to 2020 were developed based on the volume data of forest resources survey, hourly meteorological data and light-temperature model. The results show that the forest BVOCs emissions in 2020 were 39.57×109g C, of which isoprene, monoterpene and other VOCs accounted for 72.19%, 17.48% and 10.32%, respectively. Broadleaf trees emitted the largest amount of isoprene and total BVOC emissions, while conifers made the largest monoterpene emission. Results show that Beijing’s annual forest BVOCs emissions had increased from 20.30×109g C in 2000 to 39.57×109g Cin 2020, with an annual average increase rate of 4.75%. Isoprene, monoterpene and other VOCs accounted for 64.54%, 22.28% and 13.16% of the total increment, respectively. In the past 20 years, the proportion of isoprene decreased, while the proportion of monoterpene and OVOCs increased. The contribution to the BVOCs emissions tended to decrease for poplar while to increase significantly for quercus and other broadleaf trees, indicating that the new afforestation in Beijing has led to a higher species diversity. From 2000 to 2020, the ozone formation potential of BVOCs had increased from 181.76×109to 331.07×109g C, of which isoprene was the main contributor, accounting for 92.70%. The secondary organic aerosol formation potential of BVOCs had increased from 1.11×109to 2.65×109g C, and the contribution of monoterpene and isoprene was 75.40% and 24.60%, respectively. Poplar exhibits the highest ozone formation potential, andshows the highest secondary organic aerosol formation potential. The forest BVOCs emissions made relatively higher contribution to ozone pollution in summer. Therefore, tree species optimization should be considered to mitigate BVOCs emissions.

timber volume；isoprene；monoterpene；ozone；secondary organic aerosol；volatile organic compounds

X511

A

1000-6923(2022)09-3991-10

2022-02-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2021YFC1809000);北京市科技計(jì)劃(Z211100004321006)

*責(zé)任作者, 教授級(jí)高級(jí)工程師, lilj2000@126.com

張 薔(1992-),女,山東聊城人,高級(jí)工程師,博士,主要從事生態(tài)遙感、植物化學(xué)計(jì)量等方面的研究.發(fā)表論文8篇.