北京森林BVOCs 排放特征及對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量的影響

張 薔,李令軍,趙文慧,王新輝,姜 磊,劉保獻(xiàn),李 翔,鹿海峰 (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.北京市生態(tài)環(huán)境局,北京 100044；4.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

近年來(lái),北京市大氣污染治理取得顯著成效,顆粒物特別是PM2.5濃度逐年降低,但夏季臭氧(O3)污染居高不下,逐漸成為制約空氣質(zhì)量改善的關(guān)鍵因素[1].O3的產(chǎn)生是揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和多種氮氧化物(NOx)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果,同時(shí)VOCs 還是二次有機(jī)氣溶膠(SOA)的重要前體物,對(duì)大氣中顆粒物的形成具有重要貢獻(xiàn)[2-4].VOCs 按照來(lái)源可劃分為天然源VOCs(BVOCs)和人為源VOCs(AVOCs),研究發(fā)現(xiàn)全球每年BVOCs 的排放量約為1150Tg,占VOCs 年排放總量的90%以上,遠(yuǎn)大于AVOCs 的排放量[2].在北京,由于近年來(lái)實(shí)施了嚴(yán)格的減排措施,如限制車(chē)輛使用、實(shí)施清潔生產(chǎn)等,AVOCs 排放得到有效控制[5-6];另一方面,調(diào)查顯示北京市森林覆蓋率逐年上升,從2006 年的35.9%增加到2018 年的43.5%[7],BVOCs 的排放量也隨之不斷增加[8-9].因此,研究森林植被BVOCs 的排放特征對(duì)制定更加有效的O3及顆粒物污染控制措施至關(guān)重要.

迄今為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)VOCs 的天然源清單已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,從采樣方法、分析方法到區(qū)域BVOCs 排放通量的計(jì)算都取得很大進(jìn)展,并建立了不同空間尺度下的BVOCs 排放模型,如BEIS、BEIS2、GLOBEIS、G95 和MEGAN 模型等[2,10-16].對(duì)于北京地區(qū)BVOCs 的研究也取得了一些成果,如王志輝等[17]和趙靜等[18]測(cè)定了北京市多種典型植物的VOCs 排放速率,謝揚(yáng)飏等[19]和Ghirardo 等[9]利用園林普查資料估算了北京市園林綠地植被的VOCs 排放量,Wang 等[20]和Ren 等[21]則分別對(duì)全北京植被的VOCs 排放量進(jìn)行了估算.但是目前對(duì)北京市BVOCs 排放情況的研究多是通過(guò)植被的分布面積資料推算出葉生物量,進(jìn)而估算植被的排放量,且不同研究之間的結(jié)果差異較大(相差3～10 倍)[22].已有的研究很少基于樹(shù)種蓄積量、以具體樹(shù)種為對(duì)象對(duì)北京地區(qū)森林源BVOCs 的排放特征進(jìn)行分析,且在BVOCs 對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量的具體影響方面分析不足.因此,本文以北京市森林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種蓄積量為基礎(chǔ),通過(guò)Guenther 等提出的光溫影響模型[2,23],模擬各樹(shù)種的 BVOCs 排放特征,建立北京森林源BVOCs 排放清單,并探討B(tài)VOCs 排放的時(shí)間變化規(guī)律和在不同齡級(jí)林分中的分配規(guī)律;此外,進(jìn)一步估算BVOCs 的O3和SOA 生成潛勢(shì),并嘗試將其對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響進(jìn)行量化,為未來(lái)評(píng)估植被變化可能對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響以及制定有效的管理措施提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京位于華北平原西北部邊緣,地域范圍39°26′～41°04′N(xiāo),115°25′～117°30′E,面積1.64×104km2.北京地勢(shì)西北高、東南低,整體由西北東三面環(huán)山區(qū)、東南平原區(qū)和中部城市核心區(qū)3 部分組成.北京地區(qū)屬溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,多年平均氣溫12.3℃ ,多年平均降水量571.9mm 左右.地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林和溫帶針葉林,主要是以櫟屬(Quercus)和楊屬(Populus)等落葉闊葉樹(shù)種占優(yōu)勢(shì)的落葉闊葉林,及側(cè)柏(Platycladus orientalis)和油松(Pinus tabulaeformis)占優(yōu)勢(shì)的溫性針葉林.截止到2015 年,北京市森林面積 7449.6km2,森林覆蓋率達(dá) 41.6%,森林蓄積量1701.1×104m3.

1.2 研究方法

1.2.1 BVOCs 排放量計(jì)算模型 BVOCs 種類(lèi)繁多,其中異戊二烯和單萜烯由于排放量大、活性強(qiáng)而受到廣泛關(guān)注[19,24].本研究將BVOCs 劃分為異戊二烯、單萜烯和其他VOCs(OVOCs) 3 類(lèi),OVOCs 物種主要包括醇、醛、酮、有機(jī)酸、低碳烷烴和烯烴等.參照Guenther 等[2,23]提出的光溫影響模型,按樹(shù)種分別進(jìn)行排放量估算.其中,異戊二烯的計(jì)算采用葉綠素(CHL)算法,其排放主要受溫度和太陽(yáng)輻射的影響;單萜烯和OVOCs 的計(jì)算采用防御專(zhuān)屬組織(DST)算法,其排放主要受溫度影響.

CHL 算法:

式中:EISOP為異戊二烯排放量;ε 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下[溫度為303K,光合有效輻射(PAR)為1000μmol photon/(m2·s)]該樹(shù)種的基本排放速率, μg C/(g·h); B 為葉生物量; γP、γT和γS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; ρ 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.

γT的計(jì)算公式為:

式中:T 為當(dāng)前葉表面溫度,K,簡(jiǎn)單用氣溫代替; TS為標(biāo)準(zhǔn)條件下的葉溫,303K; R 為氣體平衡常數(shù),8.314J/(K·mol); CT1、CT2、TM為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),CT1=95000J/mol; CT2= 230000J/mol,TM= 314K.

γP的計(jì)算公式為:

式中: a、CL為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),取值分別為0.0027 和1.066,Q 為當(dāng)前光合量子密度[PPFD, μmol/(m2·s)],來(lái)源于太陽(yáng)輻射.

葉齡和葉生物量會(huì)隨季節(jié)發(fā)生變化,從而影響B(tài)VOCs 的排放.根據(jù)Staudt 等[25]的研究,各月季節(jié)校正因子γS的計(jì)算公式為:

式中: M 指月份; M0指具有最大排放速率的月份; n指一年中BVOCs 進(jìn)行活躍排放的月數(shù); λ 為年排放速率變化幅度與最大排放速率之比[26].DST 算法:

式中: ETMT和EOVOC分別為單萜烯和OVOC 排放量,其它變量與前述異戊二烯排放公式相同.由于單萜烯和其他VOCs 排放量?jī)H與溫度相關(guān),故僅考慮溫度校正因子γT,計(jì)算公式為γT= exp [ β ( T - TS)] ,經(jīng)驗(yàn)系數(shù)β 值為0.09K-1.

1.2.2 O3和SOA 生成潛勢(shì)估算模型 本研究通過(guò)估算VOCs 的O3和SOA 生成潛勢(shì)來(lái)表征其對(duì)大氣環(huán)境的潛在影響.BVOCs 種類(lèi)繁多,不同組分間的反應(yīng)活性差異極大,本文僅對(duì)在BVOCs 中占比較大的異戊二烯和單萜烯進(jìn)行估算. O3生成潛勢(shì)(OFP)代表VOCs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)”方法進(jìn)行計(jì)算,即每加入一單位的VOCs 所形成的O3量[27-28].SOA 生成潛勢(shì)采用“氣溶膠生成系數(shù)(FAC)”法進(jìn)行計(jì)算[29].計(jì)算公式為:

式中: OFPi為VOC 組分i 生成O3的最大值; Ei為VOCs 組分i 的排放量或濃度; MIRi為組分i 的最大增量反應(yīng)活性,MIR 的取值采用Carter[30]的研究成果,其中異戊二烯為 10.61g/g,單萜烯為 4.04g/g;SOAi為VOC 組分i 的二次有機(jī)氣溶膠生成量; FACi為VOC 組分i 的SOA 生成系數(shù).參考Grosjean[31]的煙霧箱試驗(yàn),假設(shè)BVOCs僅與OH-反應(yīng)生成SOA,異戊二烯FAC 取0.02,單萜烯FAC 取0.3.

在上述計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用的一個(gè)簡(jiǎn)化的“箱式”模型[9,21]來(lái)估算BVOCs 排放對(duì)大氣質(zhì)量的影響:

式中: COzone(i)、CSOA(i)分別為VOC 組分i 導(dǎo)致的O3、SOA 的濃度增量; S 為研究區(qū)面積, km2; h 為逆溫層的一般高度, 2km2[9];τBVOCi、τSOA分別為BVOCs 和SOA 在大氣中的壽命[21].

1.3 參數(shù)的確定

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)排放因子 對(duì)各物種的排放潛力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定,是正確估算排放量的重要基礎(chǔ).本文中植物異戊二烯、單萜烯的標(biāo)準(zhǔn)排放因子數(shù)據(jù)通過(guò)文獻(xiàn)獲取.目前文獻(xiàn)報(bào)道的排放因子觀測(cè)結(jié)果多為一定域值,且不同研究之間的觀測(cè)值差異較大[26].為使排放因子數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確,本文廣泛收集北京市及周邊地區(qū)的大量觀測(cè)結(jié)果,并參考張莉等[26]的方法,取異戊二烯和單萜烯排放速率的最小值、最大值和平均值,分別計(jì)算各樹(shù)種異戊二烯和單萜烯的最小、最大可能排放量和平均排放量.其他VOC 的標(biāo)準(zhǔn)排放因子采用Guenther等[32]提出的推薦值1.5μg C/(g·h).各樹(shù)種的標(biāo)準(zhǔn)排放因子見(jiàn)表1.

表1 優(yōu)勢(shì)樹(shù)種異戊二烯和單萜烯排放因子Table 1 Emission factors of isoprene and monoterpenes for dominant species in Beijing

1.3.2 葉生物量 本文參考方精云等[49]研究森林植被碳庫(kù)時(shí)采用的由植被蓄積資料推算生物量的方法,利用各類(lèi)樹(shù)種蓄積量對(duì)其葉生物量進(jìn)行估算.具體計(jì)算公式如下[50]:

式中: B為葉生物量, g; V為樹(shù)種蓄積量, m3; DT為樹(shù)干密度,106g/m3; PT為樹(shù)干生物量占喬木層總生物量的比例,%; PL為葉生物量占喬木層總生物量的比例, %.

森林蓄積資料來(lái)源于北京市第八次森林資源二類(lèi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果,內(nèi)容包括北京市主要森林類(lèi)型各林齡級(jí)的面積和蓄積量.依照張莉等[26]提出的方法,將北京市優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的樹(shù)干密度、主要森林類(lèi)型各林齡級(jí)的PT和PL值分別分別整理為表2 和表3.

表2 主要樹(shù)種樹(shù)干密度(106g/m3)Table 2 Trunk densities of dominant species

表3 各森林類(lèi)型不同林齡級(jí)的PL 和PT 值(%)Table 3 The PL and PT values of different forest types

1.3.3 氣象數(shù)據(jù) 本文使用的溫度和光合有效輻射的逐小時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)源于北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站.

2 結(jié)果與討論

2.1 北京市BVOCs 排放清單

表4 按貢獻(xiàn)率排名給出了2015 年北京市森林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs排放清單.可以看出,北京市森林源BVOCs 排放總量平均值為27.97×109g C/a,變化域值范圍為9.46～76.45×109g C/a.其中異戊二烯、單萜烯和OVOCs 平均排放量分別為21.00, 4.37 和2.60×109g C/a,對(duì)森林源BVOCs 總排放量的貢獻(xiàn)率分別為75.09%、15.62%和9.29%.

森林源BVOCs 排放存在非常大的樹(shù)種差異(表4).楊樹(shù)的BVOCs 排放量最大,為14.68×109g C/a,占BVOCs 排放總量的52.47%;櫟樹(shù)次之,排放量為7.20×109g C/a,貢獻(xiàn)率為25.73%.同時(shí),楊樹(shù)和櫟樹(shù)也是主要的異戊二烯排放源,對(duì)異戊二烯排放的貢獻(xiàn)率分別為 63.16% (13.27×109g C/a)和25.92% (5.44×109g C/a).這一方面與北京地區(qū)楊樹(shù)和櫟樹(shù)擁有較大的蓄積量有關(guān);另一方面,楊樹(shù)與櫟樹(shù)也具有較高的異戊二烯排放速率.對(duì)于單萜烯,排放量最大的樹(shù)種是油松(1.79×109g C/a),貢獻(xiàn)率為40.90%;其次為櫟樹(shù)(1.16×109g C/a),貢獻(xiàn)率為26.45%.

通過(guò)與前人的研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同地區(qū)之間BVOCs 各組分所占比例具有較大差異: Guenther等[51]在北美地區(qū)的研究顯示,異戊二烯排放量占BVOCs 總排放量的35%;宋媛媛等[52]對(duì)中國(guó)東部地區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)異戊二烯、單萜烯和OVOC 的排放量所占比例分別為44.9%、31.5%和23.6%;劉巖等[53]對(duì)長(zhǎng)江三角洲BVOCs 的研究顯示,異戊二烯、單萜烯和OVOC 分別占總排放量的37.3%、16.1%和46.6%.與上述研究相比,北京地區(qū)異戊二烯占BVOCs 總排放量的比例明顯更高,這主要是由于北京地區(qū)分布有較多的楊屬和櫟屬植物,二者均屬于高異戊二烯排放源,而且葉生物量較大.謝揚(yáng)飏等[19]和Ren 等[21]對(duì)北京地區(qū)綠地植被BVOCs 的研究結(jié)果也表明,異戊二烯占總排量的比例分別為80.3%和74.0%,這與本文結(jié)果相似.

在過(guò)去的十幾年間,研究人員使用不同的數(shù)據(jù)源和算法對(duì)北京地區(qū)的BVOCs 排放量進(jìn)行了估算,結(jié)果如圖1 所示.將本文基于樹(shù)種蓄積量的估算結(jié)果與以往的研究進(jìn)行對(duì)比,可以看出本文估算值與Ren 等[21]對(duì)北京BVOCs 排放量的估算結(jié)果(33Gg C/a)較為接近.但是要高于Wang 等[20]和Ghirardo等[9]對(duì)1998, 2005 和2010 年BVOCs 排放量的估算值,低于Klinger等[34]、謝揚(yáng)飏等[19]和Li等[54]對(duì)2000,2001 和2003 年排放量的估算值.

表4 北京市森林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種BVOCs 排放清單Table 4 BVOCs emission inventory of dominant species in Beijing

圖1 不同研究北京市BVOCs 排放量估算值比較Fig.1 Comparison of BVOCs emissions estimated by this study and previous studies

上述各研究之間估算結(jié)果相差較大的原因來(lái)自多個(gè)方面,如標(biāo)準(zhǔn)排放因子、葉生物量、植被組成、溫度和輻射強(qiáng)度等,任何一個(gè)模型輸入?yún)?shù)的變化都會(huì)導(dǎo)致估算結(jié)果的差異[17].已有的研究表明,不同研究中所使用的土地利用數(shù)據(jù)的不同是導(dǎo)致差異產(chǎn)生的一個(gè)主要原因,如Wang 等[20]對(duì)1998 年BVOCs 排放量進(jìn)行估算所使用的森林面積為987km2,而Klinger 等[34]對(duì)2001 年BVOCs 估算使用的森林面積為2671km2,二者相差2.7 倍,這使得兩項(xiàng)研究得到的BVOCs 年排放值相差3 倍(分別為16 和48Gg C).事實(shí)上,從1990～2015 年北京市的森林覆蓋率增加了20.64%,從2005～2015 年森林蓄積量上升了405.8 萬(wàn)m3,因而森林源BVOCs 排放量也隨之增加[21].此外,排放因子和生物量的差異也會(huì)在很大程度上影響估算結(jié)果. Li 等[55]、Li 等[54]的研究使用的排放因子和生物量為全國(guó)平均值,這使得二者對(duì)北京地區(qū)BVOCs 的估算結(jié)果要遠(yuǎn)高于其它研究[55];謝揚(yáng)飏等[19]和Ghirardo 等[9]同樣僅計(jì)算了城市綠地BVOCs 的排放,但謝揚(yáng)飏等的估算結(jié)果遠(yuǎn)高于Ghirardo 等,這主要也是因?yàn)槎咚褂玫呐欧乓蜃雍腿~生物量數(shù)據(jù)的差異.Ren 等[21]的研究通過(guò)異速生長(zhǎng)方程計(jì)算葉生物量,估算出北京市2015 年天然林BVOCs 排放量為28Gg,與本文基于森林蓄積量的估算結(jié)果基本持平;張倩等[56]使用傳統(tǒng)的基于葉面積指數(shù)的方法計(jì)算葉生物量,得到2015 年度北京市BVOCs 的排放總量為35Gg,略高于本文結(jié)果.

2.2 各齡級(jí)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的BVOCs 貢獻(xiàn)

根據(jù)樹(shù)木生長(zhǎng)年份可將其劃分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林.本文對(duì)不同齡級(jí)森林的BVOCs 排放情況進(jìn)行分析,并按排放量高低給出北京市主要森林類(lèi)型BVOCs 排放的齡級(jí)分配(圖2).可以看出,不同樹(shù)種各齡級(jí)貢獻(xiàn)情況有所差異,其中側(cè)柏和刺槐對(duì)BVOCs 排放量貢獻(xiàn)最大的是幼齡林;楊樹(shù)、櫟樹(shù)、樺木、落葉松和闊葉樹(shù)對(duì)BVOCs 排放量貢獻(xiàn)最大的是中齡林;油松貢獻(xiàn)率較大的是成熟林和中齡林.此外多數(shù)森林類(lèi)型5 個(gè)齡級(jí)均有BVOCs 排放,但是部分森林因?yàn)樯L(zhǎng)年限短導(dǎo)致過(guò)熟林所占比例非常低,如櫟樹(shù)林、油松林、和樺木林等.

整體來(lái)看,北京地區(qū)中齡林對(duì)BVOCs 排放的貢獻(xiàn)率最大,占排放總量的39.14%;其次為幼齡林,貢獻(xiàn)率為23.05%;近熟林、成熟林和過(guò)熟林的貢獻(xiàn)率較小,分別為15.84%、14.59%和7.37%(圖3(a)).森林BVOCs 排放量與葉生物量在不同齡級(jí)林分中的分配情況較為一致(圖3),其中近熟林、成熟林和過(guò)熟林在BVOCs 排放量中所占比重略高于其在葉生物量中所占比重,可能是由于這3 個(gè)齡級(jí)森林中排放潛力高的樹(shù)種(本文中為楊樹(shù))所占比例相較其它齡級(jí)更大導(dǎo)致[57].

圖2 北京市主要森林類(lèi)型BVOCs 排放量的齡級(jí)分配Fig.2 Distribution of BVOCs emission among different age-class of main forest types in Beijing

圖3 不同齡級(jí)森林BVOCs 排放量和葉生物量分配情況Fig.3 Distribution of BVOCs emission and leaf biomass among different age-class forests

2.3 北京市BVOCs 排放的季節(jié)變化

由圖4 可以看出,北京森林源BVOCs 排放呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征.在春季,地面溫度和光照強(qiáng)度逐漸上升,植被生長(zhǎng),BVOCs 排放量逐漸增加.但由于樹(shù)葉仍處于發(fā)芽生長(zhǎng)階段,葉面積較小、酶活性也較低,春季排放量?jī)H3.51×109g C,占全年的12.55%(表5).夏季是BVOCs 排放的主要季節(jié),這一時(shí)期溫度和太陽(yáng)輻射達(dá)到1a 中的最大值,樹(shù)葉也達(dá)到成熟期,葉生物量大、酶活性高,各樹(shù)種的BVOCs 排放速率也因此增加,排放量達(dá)到21.67×109g C,占全年總排放量的77.48%.秋季氣溫逐漸降低,樹(shù)葉由成熟變?yōu)樗ダ?落葉樹(shù)種葉片相繼脫落,因此秋季BVOCs 排放量驟減,僅2.73×109g C,占全年排放總量的9.76%.冬季氣溫及光照強(qiáng)度均降至全年最低,僅有部分常綠樹(shù)種以較低的速率排放VOCs[20],排放量0.06×109g C,只占全年排放總量的0.21%.

圖4 不同月份北京森林源BVOCs 排放量Fig.4 Monthly BVOCs emissions of forest in Beijing

本研究分析的3 類(lèi)BVOCs 中,在不同季節(jié)排放量相差最大的是異戊二烯.異戊二烯對(duì)BVOCs 總排放量的貢獻(xiàn)從1～7 月呈上升趨勢(shì),從7～12 月呈下降趨勢(shì),夏季占總排放量的77.30%,而冬季僅占5.27%(表5),說(shuō)明異戊二烯排放受季節(jié)變化的影響要高于其他2 類(lèi).原因主要有兩方面,一是根據(jù)Guenther等[2,23]的研究,異戊二烯屬于葉綠體排放類(lèi)型,其排放量受溫度和太陽(yáng)輻射的雙重影響;而單萜烯和OVOCs 為防御專(zhuān)屬組織排放類(lèi)型,其排放主要受溫度影響,因此隨季節(jié)變化的波動(dòng)要小于異戊二烯.二是異戊二烯主要來(lái)源于落葉闊葉林,其排放量隨著樹(shù)葉的春生、夏長(zhǎng)、秋衰、冬落而表現(xiàn)出巨大的季節(jié)差異;而單萜烯主要來(lái)源于針葉林,樹(shù)葉一年四季保持常綠,全年均有排放.

表5 北京森林源BVOCs 各季節(jié)排放量及比重Table 5 Seasonal variation of BVOCs emissions and proportions from forest in Beijing

2.4 北京市BVOCs 排放的日變化

圖5 北京地區(qū)1 月和7 月氣溫、光合有效輻射和BVOCs排放日變化規(guī)律Fig.5 Diurnal variation of air temperature, photosynthetic active radiation and BVOCs emissions in January and July

如圖5 所示,異戊二烯的排放量隨溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而改變,由于夜晚無(wú)光照,因此排放僅出現(xiàn)在白天,表現(xiàn)為明顯的單峰曲線(圖5(b),(c)).1月份異戊二烯的排放時(shí)間在07:00～17:00,上午隨著溫度和輻射強(qiáng)度的增加,排放量持續(xù)上升,在中午13:00 達(dá)到排放峰值,之后開(kāi)始下降; 7 月份光照時(shí)間長(zhǎng),異戊二烯的排放時(shí)間在04:00～20:00,排放峰值出現(xiàn)在14:00 點(diǎn)前后.

單萜烯和OVOC 的排放主要受溫度的影響,全天均有排放(圖5(b),(c)).單萜烯和OVOC 呈現(xiàn)出相似的日變化規(guī)律:1 月份的最低排放值出現(xiàn)在07:00,因?yàn)榇藭r(shí)溫度最低,之后隨著白天溫度的回升排放量逐漸增加,并在15:00左右達(dá)到排放峰值; 7月份的最低排放值出現(xiàn)在05:00,最大排放值出現(xiàn)在14:00～16:00.冬季和夏季排放的日變化趨勢(shì)整體相似,但最低排放值出現(xiàn)的時(shí)間不同,這主要是由于冬夏季日最低溫出現(xiàn)的時(shí)間不同導(dǎo)致.此外,本文顯示異戊二烯排放的日變化幅度遠(yuǎn)大于單萜烯和OVOC,這一特點(diǎn)在Chang 等[58]對(duì)杭州地區(qū)的研究和Li 等[55]對(duì)全國(guó)范圍的研究中也有體現(xiàn),說(shuō)明異戊二烯更易受到環(huán)境因子的影響,對(duì)太陽(yáng)輻射具有較高的敏感性.

2.5 O3 和SOA 生成潛勢(shì)及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響

北京森林源BVOCs 對(duì)OFP 的總貢獻(xiàn)量為240.51×109g.其中異戊二烯的OFP貢獻(xiàn)量為222.86×109g,占總量的92.66%,是主要的貢獻(xiàn)者;單萜烯的OFP 貢獻(xiàn)量為17.65×109g,占總量的7.34% (表6).森林源 BVOCs 對(duì) SOA 生成潛勢(shì)的總貢獻(xiàn)量為1.73×109g,其中異戊二烯和單萜烯的貢獻(xiàn)量分別為0.42×109g 和1.31×109g,分別占SOA 生成總量的24.26%和75.73%,單萜烯是主要的貢獻(xiàn)者.各主要森林類(lèi)型的O3和SOA 生成潛勢(shì)具體見(jiàn)表6, O3生成潛勢(shì)最大的樹(shù)種為楊樹(shù), SOA 生成潛勢(shì)較大的樹(shù)種為楊樹(shù)、櫟樹(shù)和油松.

表6 北京市森林源BVOCs 的O3 和SOA 生成潛勢(shì)Table 6 Ozone and SOA formation potential of BVOCs from forest in Beijing

運(yùn)用“箱式”模型的估算結(jié)果顯示,森林源BVOCs 對(duì)夏季O3污染具有顯著貢獻(xiàn)(圖6(a)).BVOCs 排放會(huì)導(dǎo)致全市范圍內(nèi)大氣年均O3濃度上升9.01μg/m3,由于BVOCs 排放具有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài),其引起的O3濃度增加也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化.從圖6(a)中可以看出,在排放量最高的7 月份,BVOCs 排放導(dǎo)致O3濃度上升了31.30μg/m3,占環(huán)境中O3濃度的17.7%.在其他的研究中,也發(fā)現(xiàn)夏季BVOCs對(duì)O3形成具有相對(duì)較高的貢獻(xiàn)率,如Li等[59]對(duì)長(zhǎng)江三角洲的研究和Ren 等[21]對(duì)北京城區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),在夏季,BVOCs 排放貢獻(xiàn)了大氣O3濃度的19%～30%.此外,雖然相關(guān)的研究表明北京地區(qū)AVOCs 的排放量是BVOCs 的6～16 倍,但是AVOCs的OFP 只有BVOCs 的3～8 倍[22],這說(shuō)明BVOCs 具有更高的反應(yīng)活性,因此其對(duì)O3污染的貢獻(xiàn)不容忽視[60].除此以外, BVOCs 排放還會(huì)造成全市大氣年均SOA 濃度增加0.94μg/m3,占2015 年北京市年均PM2.5濃度的1.2%.圖6(b)顯示,BVOCs 對(duì)大氣PM2.5污染的貢獻(xiàn)相對(duì)較低,這與前人的研究結(jié)果一致[9,21].

圖6 BVOCs 排放對(duì)環(huán)境O3 和PM2.5 污染的貢獻(xiàn)Fig.6 The contribution of BVOCs emissions to ambient ozone and PM2.5 pollution

近年來(lái)北京市大力開(kāi)展綠色生態(tài)空間建設(shè),森林覆蓋率逐年上升,同時(shí)采取了一系列措施嚴(yán)格控制人為源VOCs 的排放[61-62],因而植物源VOCs 對(duì)大氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響日漸突出.由于每種BVOCs 的反應(yīng)速率和途徑不同,其對(duì)O3和PM2.5形成的影響也存在差異.一般來(lái)說(shuō),異戊二烯排放量高的樹(shù)種對(duì)O3污染的貢獻(xiàn)較大,而單萜烯排放量高的樹(shù)種對(duì)PM2.5污染的促進(jìn)作用較強(qiáng)[63].在北京市主要的綠化樹(shù)種中,異戊二烯排放潛力最高的是楊樹(shù),其次是櫟樹(shù)和國(guó)槐等,強(qiáng)單萜烯排放樹(shù)種主要是油松,調(diào)整優(yōu)化樹(shù)種組成也許是控制BVOCs 排放最可行的途徑之一.Ren 等[21]的研究結(jié)果顯示,通過(guò)采取主動(dòng)管理措施(如改變樹(shù)種組成等),到2050 年可以減少61%的BVOCs 排放和50%的由BVOCs 引起的健康損害.因此,未來(lái)進(jìn)行景觀規(guī)劃及城市綠化時(shí),應(yīng)充分考慮樹(shù)種的VOCs 排放能力,這將有助于改善環(huán)境空氣質(zhì)量并減少對(duì)人體健康的損害.

2.6 不確定性分析

在本文估算過(guò)程中,森林BVOCs 排放量及其對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量影響的不確定性主要來(lái)自以下幾個(gè)方面.

環(huán)境校正因子.在計(jì)算溫度影響因子時(shí),本研究使用環(huán)境空氣溫度代替葉表面溫度.由于葉片溫度通常高于氣溫,尤其在闊葉樹(shù)中這一現(xiàn)象更為明顯,因此森林源BVOCs 排放量可能會(huì)被低估[64].此外,光合有效輻射在森林冠層內(nèi)部的傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)衰減,因此位于冠層下方葉片的光合有效輻射影響因子較上方葉片會(huì)偏低[23].

葉生物量的計(jì)算.由于目前對(duì)植被葉生物量的直接調(diào)查較少,本文中葉生物量由樹(shù)種蓄積量、樹(shù)干密度、樹(shù)葉和樹(shù)干與喬木層生物量比重等植物學(xué)參數(shù)推算所得,在用資料反推的過(guò)程中必然存在一定誤差,這些參數(shù)的準(zhǔn)確度也會(huì)影響葉生物量的估算結(jié)果.

BVOCs 對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量的影響.在估算BVOCs對(duì)空氣質(zhì)量的影響時(shí),使用了一個(gè)簡(jiǎn)化的“箱式”模型,這個(gè)模型假設(shè)BVOCs 的排放只對(duì)箱內(nèi)的空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響.但事實(shí)上, O3及其前體物等會(huì)隨著空氣的流動(dòng)被輸送到下風(fēng)向地區(qū)[65],導(dǎo)致估算結(jié)果存在誤差.

3 結(jié)論

3.1 基于樹(shù)種蓄積量的北京市森林源BVOCs 排放量平均值為27.97×109g C/a,變化域值范圍為9.46～76.45×109g C/a,其中異戊二烯、單萜烯和OVOCs平均排放量分別為21.00, 4.37和2.60×109g C/a,分別占排放總量的75.09%、15.62%和9.29%.不同樹(shù)種間BVOCs 排放量差異較大,楊樹(shù)和櫟樹(shù)是主要的異戊二烯排放源,貢獻(xiàn)率分別為63.16%和25.92%,油松是主要的單萜烯排放源,貢獻(xiàn)率為40.90%.將多項(xiàng)研究進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),基于森林蓄積量估算的BVOCs 排放量與其它研究方法的結(jié)果可以較好地匹配.

3.2 北京森林源BVOCs 排放呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化,排放量夏季(77.48%) ＞ 春季(12.55%) ＞秋季(9.76%)＞ 冬季(0.21%),僅7 月份排放量就占全年的28.83%.異戊二烯、單萜烯和OVOC 呈現(xiàn)不同的日變化規(guī)律:異戊二烯受溫度和太陽(yáng)輻射的影響,僅白天排放,日變化幅度大,峰值出現(xiàn)在13:00～14:00 時(shí);單萜烯和OVOC 排放主要受溫度影響,晝夜均有排放,日變化相對(duì)平緩,峰值出現(xiàn)在15:00 時(shí)前后.

3.3 森林源BVOCs 對(duì)O3生成潛勢(shì)的貢獻(xiàn)量為240.51×109g,其中異戊二烯的貢獻(xiàn)量為222.86×109g,占總量的92.66%,是主要的貢獻(xiàn)者; BVOCs 對(duì)SOA生成潛勢(shì)的總貢獻(xiàn)量為1.73×109g,異戊二烯和單萜烯的貢獻(xiàn)量分別為0.42×109g和1.31×109g,分別占總量的24.26%和75.73%. BVOCs 排放會(huì)導(dǎo)致全市范圍內(nèi)大氣年均O3濃度上升9.01μg/m3, SOA 濃度增加0.94μg/m3. BVOCs 對(duì)夏季O3污染具有顯著貢獻(xiàn),未來(lái)應(yīng)通過(guò)優(yōu)化樹(shù)種組成等管理措施減少BVOCs排放,以改善環(huán)境空氣質(zhì)量.