东亚地区生物源异戊二烯排放的估算

宁文涛，赵善伦

（山东师范大学 人口·资源与环境学院，山东 济南250014）

1 引言

VOCs（Volatile organic compounds）是由各种人类活动和生物代谢排放到大气中的挥发性有机化合物的总称。由人类活动产生的 VOCs，称为人为源VOCs（Anthropogenic volatile organic compounds，AVOCs），由自然界生物代谢排放的VOCs称为生物源VOCs（Biogenic volatile organic compounds，BVOCs）。

VOCs中很多成分具有高度的化学活性，极易与大气中的各种气体（NO，NO2）、氧化剂、OH自由基等发生反应，在对流层大气光化学过程、特别是臭氧光化学过程中具有重要作用。光化学过程产生的有机酸、气溶胶、以及二次产物等对大气环境有严重的危害，VOCs作为臭氧形成的重要前体物之一，是光化学污染、大气环境质量控制等领域的重要研究对象，同时对气候变暖也有间接影响[1]。

在区域和全球尺度上，植被排放的 VOCs已远远超过了人为排放量。Guenther等（1995）估算，全球BVOCs排放量达1.150×10－12g，约占全球 VOCs年排放量的90%；异戊二烯和单萜烯是全球年排放量最大的2类BVOCs，其中异戊二烯在总BVOCs排放量中所占的比重约为44%[2]。因此，对区域植被异戊二烯排放的研究可为进一步探讨植被对大气环境的贡献提供重要依据。

BVOCs的排放与区域气候以及植被类型、分布状况密切相关，国内外在BOVCs排放影响因素方面都有相应的研究工作。Guenther等（1995）建立了BVOCs全球背景站，对不同类型植被BVOCs排放进行了长时间的监测，给出了不同植被的BVOCs排放因子，并在环境因子对BVOCs排放影响研究的基础上开发了BVOCs排放模型，估算了全球BVOCs排放总量和异戊二烯排放量[2～3]，这些工作已经被应用于全球气候变化的研究中[4]。在中国地区的7处站点实测了各树种的排放速率，得到中国地区的标准排放因子。

国内对中国及区域BVOCs排放也做了不少工作，对于我国不同地区代表的植被的异戊二烯排放速率进行了广泛而基础地研究，了解我国排放异戊二烯的优势树种，获取了模型所需要的基本参数；张莉等[11]；闫雁等[12]；郑君瑜[13]，通过将植被分布类型分布图矢量化得到植被的分布信息并用于排放量的估算，这样带来的问题就是矢量化后的精度问题，难以满足研究区域空气质量问题的需要。

为了未来能将天然源排放模式在线嵌入到区域大气化学模式中，本研究中利用MODIS卫星影像，在东亚地区反演最新的与大气化学模式相匹配的植被类型分布，30s分辨率标准排放因子，以东亚地区BVOCs中排放量最大、化学活性高的异戊二烯作为研究对象，应用最新的自然排放气体和气溶胶模 MEGAN（Modelof Emissions of Gasesand Aerosols from Nature），估算东亚地区高分辨率天然源异戊二烯排放，旨在有利于了解东亚地区区域异戊二烯的分布特征，同时为建立覆盖整个东亚地区高分辨率的区域空气质量模型系统做准备。

2 方法描述

用MEGAN估算天然源排放VOC，公式如下：

Emission＝[ε][γ][ρ][3]。

这里ε（mg·m－2·h－1）是排放因子，γ是排放活动因子标准化率，ρ是冠层内VOC产生和消耗因子。通过标准化排放因子加订正因子的方式来估算排放量。标准条件下，冠层尺度的排放因子处于叶面积指数LAI为5（80%成熟叶，10%成长叶，10%老叶），太阳高度角为60°，光通量密度PPFD比为0.6，空气温度为303K、湿度为14g·kg－1、风速为3m·s－1，土壤湿度为0.3m3·m－3，在过去24～240h内的叶面温度为297K，光通量密度PPFD向阳叶为200μmol·m－2·s－1，背阴叶为50μmol·m－2·s－1。

本研究采用的排放因子为基于全球90个站点的野外观测以及80个实验室研究。30s数据给定每一网格中排放因子，这种方法综合了地理位置和物种的差异因素。计算方法通过地面调查植被构成，在地面调查没有触及的区域，结合卫星遥感数据，计算每种植被的排放速率和面积，经加权平均后得到不同植被的标准排放因子。

中国地区30s排放因子由Klinger[4]实测确定。采样站点位于中国的内蒙古（温带），长白山（北温带），北京山区（温带），鼎湖山（亚热带），哀牢山（亚热带），昆明（亚热带），西双版纳（热带），从植物种类、生长构成、叶生物量到叶面积基本涵盖了中国所有的森林类型，得到中国地区的标准排放因子。

每个网格点根据不同类型植被覆盖的比例可以计算出标准排放因子，但这些标准排放因子是在标准环境下测得的，在实际中需要考虑环境因子的影响。这里考虑叶温、光通量密度、叶龄及土壤湿度对于排放因子的订正。

3 输入条件

3.1 叶面积指数LAI

MEGAN中LAI的标准数据库MEGAN－L数据库（MEGAN LAIv数据库）为全球范围内分辨率30s（～1km2）的估算值，时间跨度为2000～2005年，该数据库基于MODIS。

网格中的植被并非一致地散步到整个网格中。用网格平均LAI/网格内覆盖有植被的区域面积，得到LAIv（有植被覆盖地区LAI），对LAIv设定上限为6，目的是消除某些网格植被很少却估算出高的LAI这类错误。标准的MEGAN LAIv数据库使用该方法得出，数据由Zhang[14]的 LAI估算值和 Hansen[15]年的植被覆盖分数估算值确定。数据在处理时考虑了缺失值和城市区域。

3.2 气象场计算

MEGAN中的气象参数是由 WRF（Weather Research and Forecasting Model）计算，WRF是由美国大气研究中心（NCAR）开发，本次模拟范围为东经57°～161°，北纬1°～59°；水平分辨率36km，网格数为200×160；采用Lambert正形投影；垂直层次20层，模式顶高约为15km，垂直分辨率在近地层较高；大尺度气象背景场和边界条件采用的NCEP资料（6h间隔）。计算2010年的气象场状况，结果输出为每1h。

4 结果与分析

利用30s分辨率的标准排放因子计算东亚地区2010年异戊二烯的年排放量为91.24Tg，其中中国贡献13.1Tg，北京地区为0.045Tg，中国地区对于东亚异戊二烯的排放贡献可以达到14.4%。Zhang[16]在INTEX－B中估算东亚地区人为源异戊二烯的排放量为0.016 7Tg，其中中国0.007 6Tg，北京地区0.000 2Tg。可以看出东亚地区生物源排放的VOCs（以异戊二烯换算）远超人为源排放。从表1中可以看出，异戊二烯的排放具有非常明显的季节特征，这与温度和光照的季节变化有关。同时，可以看出在中国地区这种季节变化非常显著，其中异戊二烯的排放集中于华南地区，这可能与该地区植被覆盖及排放速率有关。但是在东南亚地区，4月的排放量却是一年中排放量最高的时期，这可能MEGAN估算中与光照的影响有关，7月东南亚处于雨季，会影响到光通量（图1和图2）。表2中给出了国内其他研究者模拟计算的中国区域异戊二烯的排放量，可以看出本研究的异戊二烯的排放量要低于[2]的研究结果，与其他研究结果相比要高，这是可能与本研究采用小时分辨率的气象数据有关，而且在模型机理上考虑了冠层环境和叶龄的订正。

图1 2010年东亚地区异戊二烯月排放量

考虑到估算过程中本身存在着误差，而且在模型算法的采用、植被类型分布数据、排放因子以及气象数据的输入上都有区别，本研究估算的中国植被VOC年排放总量与文献报道较为一致。

在天然源VOCs排放的估算过程中，其估算误差主要来自：排放因子的不确定，在制定标准排放因子时，选取的植物数量是有限的，这必然会带来较大的误差，不同的排放因子的模拟估算值的差异可以达到30%以上；植被类型数量上的选取，模型在计算中为了提高效率而人为地将树种进行简化归类，植被实际地理分布的差异可以导致误差。用订正因子计算估算可以订正冠层环境、叶龄、土壤湿度的季节变化，但无法估计植被地理分布上的改变，因此将影响估算结果空间分布的准确程度；其它的影响因子目前还没有考虑在内，如生物气候、CO2浓度，环境压力等。

表2 中国地区异戊二烯排放量

表1 2010年东亚地区异戊二烯月排放量Tg/month

图2 2010年东亚地区30s排放因子下异戊二烯月排放分布

5 结语

东亚地区的异戊二烯排放量为91.24Tg，其中中国贡献13.1Tg，北京地区为0.045Tg，天然源排放异戊二烯远远高于人为源排放。MEGAN模拟的异戊二烯排放具有明显的季节变化，正确地反映了植物异戊二烯的排放与温度、光照的关系。模拟结果中，中国地区的模拟结果变化不如在美国的结果有明显的地区差异，这与在中国地区的排放因子的测定站点偏少有关，以后需要加强中国地区标准排放因子的本地化。

[1]白建辉，王庚辰，任丽新，等.内蒙古草原挥发性有机物排放通量的研究[J].环境科学，2003，24（6）：16～22.

[2]Guenther.Global model of natural volatile organic－compound emissions[J].Geophys Res Atmos，1995，100（D5）：8 873～8 892.

[3]Guenther.Estimates of global terrestrial isoprene emissions using MEGAN（modelof emissions of gases and aerosols from nature）[J].Atmospheric Chemistry and Physics Discussions，2006（6）：3 181～3 210.

[4]Klinger.Assessment of volatile organic compound emissions from ecosystems of China[J].Geophys，2002，107（21）：16～21.

[5]白郁华，李金龙，张宝祥，等.北京地区林木、植被排放碳氢化合物的定性监测[J].环境科学研究，1994，7（2）：49～54.

[6]赵 静，白郁华，王志辉，等.我国植物VOCs排放速率的研究[J].中国环境科学，2004，24（6）：654～657.

[7]王志辉，张树宇，陆思华，等.北京地区植物VOCs排放速率的测定[J].环境科学，2003，24（2）：7～12.

[8]白建辉，Bradly Baker.热带人工橡胶林异戊二烯排放通量的模式研究[J].环境科学学报，2004，24（2）：197～203.

[9]JianhuiBai.Isoprene and monoterpene emissions froman Inner Mongolia grassland[J].AE，2006（40）：5 753～5 758.

[10]白建辉，林凤友，万晓伟，等.长白山温带森林挥发性有机物的排放通量[J].环境科学学报，2012，32（3）：545～554.

[11]张 莉，王效科，欧阳志云，等.中国森林生态系统的异戊二烯排放研究[J].环境科学，2003，24（1）：8～15.

[12]闫 雁，王志辉，白郁华，等.中国植被VOC排放清单的建立[J].中国环境科学，2005，25（1）：110～114.

[13]郑君瑜，郑卓云，王兆礼，等.珠江三角洲天然源VOCs排放量估算及时空分布特征[J].中国环境科学，2009，29（4）：345～350.

[14]Zhanget.Climate related vegetation characteristics derived from－MODIS LAI and NDVI[J].Geophys Res，2004（109）：212～213.

[15]Hansen.Global Percent Tree Cover at a Spatial Resolution of 500Meters：First Results of the MODIS Vegetation Continuous Fields Algorithm[J].Earth Interactions，2003，7（10），1～15.

[16]Q.Zhang.Asian emissions in 2006for the NASA INTEX－B mission.Atmos[J].Chem Phys，2009（9）：5 131～5 153.

[17]Wang.An estimate of biogenic emissions of volatile organic compounds during summertime in China[J].Environmental Science and Pollution Research，2007（14）：69～75.

[18]池彦琪，谢绍东.基于蓄积量和产量的中国天然源VOC排放清单及时空分布[J].北京大学学报：自然科学版，2011（12）：1～8.