高翔，劉茂輝，徐媛，展先輝，孫猛，張震

(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津300191)

天津市植被排放揮發(fā)性有機(jī)物估算及時(shí)空分布*

高翔，劉茂輝，徐媛，展先輝，孫猛，張震

(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津300191)

基于本地化改進(jìn)的GLOBEIS模型，運(yùn)用遙感圖像解譯的土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)以及實(shí)際觀測(cè)的小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，對(duì)天津市2013年植被排放VOCs進(jìn)行了估算和時(shí)空分布特征分析。結(jié)果表明，天津市2013年植被排放VOCs總量為7 678.35tC，其中，異戊二烯的排放量為693.43t，占9.0%；單萜烯的排放量為2 877.80t，占37.5%；其他VOCs的排放量為4 107.12t，占53.5%。在時(shí)間分布上，植被VOCs的排放具有明顯的日變化和月變化特征：中午高，夜間低；8月份最高，1月份最低。在空間分布上，其空間分布特征與土地利用類(lèi)型密切相關(guān)，植被VOCs排放主要集中在林區(qū)較為密集的區(qū)域，在薊縣北部排放量較大，在濱海新區(qū)和市內(nèi)6區(qū)排放量較小。最后，對(duì)植被VOCs排放估算過(guò)程中的不確定性來(lái)源進(jìn)行了分析。

天津；植被VOCs；排放總量；時(shí)間特征；空間特征

植被通過(guò)對(duì)大氣污染物的吸收、降解和積累，起到了對(duì)大氣污染的凈化作用[1]，與此同時(shí)，植被還釋放大氣污染物——揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)[2]。VOCs在城市光化學(xué)煙霧污染過(guò)程中有著重要的作用，它是臭氧和二次有機(jī)氣溶膠的一個(gè)重要前體物[3]。一般來(lái)說(shuō)，VOCs可以分為人為排放和植被排放兩種。目前，大量的研究發(fā)現(xiàn)[4～5]，植被VOCs(biogenic VOCs，BVOCs)排放量大、化學(xué)活性強(qiáng)，在大氣光化學(xué)氧化和全球碳循環(huán)過(guò)程中具有重要作用，并且在全球尺度上，VOCs的植被排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人為排放。因此，很多的國(guó)家和地區(qū)都開(kāi)展了大量植被VOCs排放量估算的研究工作。

最早在20世紀(jì)70、80年代，美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始對(duì)植被VOCs的排放進(jìn)行了大量的研究工作[6～7]，并且美國(guó)大氣科學(xué)研究中心(NCAR)于1999年推出了適用于全球范圍內(nèi)的GLOBEIS模型。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)植被VOCs排放估算的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，寧文濤等[8]開(kāi)展了東亞地區(qū)植被異戊二烯的排放研究，池彥琪等[9]基于蓄積量和產(chǎn)量對(duì)中國(guó)植被VOCs排放清單進(jìn)行了研究，宋媛媛等[10]使用遙感資料對(duì)中國(guó)東部地區(qū)的植被VOCs的排放強(qiáng)度進(jìn)行了研究，楊丹菁等[11]采用源調(diào)查法推算出珠江三角洲地區(qū)的植被VOCs排放量，Wang Zhihui等[12]對(duì)北京植被VOCs排放清單進(jìn)行了研究。然而，天津地區(qū)植被VOCs的排放量估算和時(shí)空分布特征還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

研究使用本地化的排放因子，構(gòu)建了本地化的GLOBEIS模型，基于天津市土地利用類(lèi)型資料，利用實(shí)際觀測(cè)的小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，在國(guó)內(nèi)城市研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)天津市2013年植被VOCs排放情況進(jìn)行了估算和時(shí)空分布特征分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

使用Lambert投影，以整個(gè)天津市作為研究區(qū)域，利用ArcMAP建立了3km×3km的網(wǎng)格，以每個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)標(biāo)識(shí)該網(wǎng)絡(luò)的地理位置，研究區(qū)域共包含1 409個(gè)網(wǎng)格。

1.2 模型原理

本研究采用GLOBEIS模型估算天津市植被VOCs的排放量，該模型已在國(guó)內(nèi)植被VOCs排放量估算中得到了成功的應(yīng)用。閆雁等[13]使用GLOBEIS模型建立了中國(guó)植被VOC排放清單，鄭君瑜等[14]使用GLOBEIS模型對(duì)珠江三角洲植被VOCs的排放量及時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，吳莉萍等[15]使用GLOBEIS模型對(duì)重慶市主城區(qū)植被VOCs的排放量進(jìn)行了估算。VOCs的組分不同地區(qū)是有差異的[16～17]，GLOBEIS模型的基本算法參考了Guenther等[5,18]提出的方法，其中，植被VOCs分為異戊二烯(ISOP)、單萜烯(TMT)和其他VOCs(OVC)等3個(gè)大類(lèi)，基本估算公式為，EISO=ε·D·γp·γt·ρ(1)；ETMT,EOVC=ε·D·γt·ρ(2)。式中：EISO為異戊二烯排放量；ETMT,EOVC分別為單萜烯和其他VOCs排放量；ε為標(biāo)準(zhǔn)排放速率；D為葉生物量密度；γp、γt分別為光合有效輻射影響因子、溫度影響因子；ρ為逸出效率。

1.3 參數(shù)的確定

1.3.1 土地利用數(shù)據(jù)

采用經(jīng)過(guò)輻射校正的Landsat ETM影像(分辨率30m×30m)，坐標(biāo)系系統(tǒng)采用Transverse Mecator投影，在遙感分析軟件ERDAS IMAGINE9.0中進(jìn)行解譯，解譯方法采取監(jiān)督分類(lèi)方法，從而獲得天津市土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)。依據(jù)國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)發(fā)布的土地資料分類(lèi)系統(tǒng)[19]。將天津市的土地利用類(lèi)型劃分為水田、旱地、有林地、疏林地、其他林地、高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用土地共11類(lèi)土地利用類(lèi)型。其中，在《土地資源分類(lèi)系統(tǒng)》中，對(duì)林地、有林地、灌木林、疏林地、其他林地的含義做了詳細(xì)說(shuō)明。天津市各土地利用類(lèi)型面積見(jiàn)表1。

表1 天津市土地利用類(lèi)型及面積

1.3.2 葉面積指數(shù)、葉生物量密度和排放因子

Guenther等[18]、Asner等[20]開(kāi)展了大量的植被VOCs排放相關(guān)研究，目前，很多國(guó)內(nèi)的研究在使用葉面積指數(shù)時(shí)，基本上都是基于以上學(xué)者的研究成果。因此，本研究通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，估算天津市各土地利用類(lèi)型的葉面積指數(shù)(LAI)(表2)。

表2 葉面積指數(shù)、葉生物量密度和排放系數(shù)的設(shè)置

研究依據(jù)馮宗煒等[21]、方精云等[22]對(duì)我國(guó)葉生物量密度的實(shí)測(cè)研究結(jié)果，參考全國(guó)[23]、北京市[12]、珠江三角洲地區(qū)[24]和重慶市主城區(qū)[15]的葉生物量密度研究結(jié)果，綜合考慮氣候條件相似性等因素，確定本研究使用的葉生物量密度(LMD)(表2)。

在計(jì)算土地利用類(lèi)型的VOCs標(biāo)準(zhǔn)排放因子方面，通常采用分檔方法處理[4]以保證取值的合理性。先以國(guó)內(nèi)部分樹(shù)種的VOCs標(biāo)準(zhǔn)排放因子和世界各地各種植物的VOCs標(biāo)準(zhǔn)排放因子實(shí)測(cè)值為基礎(chǔ)，根據(jù)天津市森林資源調(diào)查中各植被類(lèi)型植物所占比例進(jìn)行加權(quán)平均，然后將加權(quán)平均值與VOCs標(biāo)準(zhǔn)排放因子的分檔值進(jìn)行比較，取數(shù)值最接近的分檔值為該植被類(lèi)型的VOCs標(biāo)準(zhǔn)排放因子。對(duì)異戊二烯的排放分為0.1,1.0,6.0,8.0,34.0,60.0μgC/(g·h)6檔取值；對(duì)單萜烯的排放分為0.1,0.2,0.65,1.5,3.0μgC/(g·h)5檔取值；對(duì)有林地VOCs排放，一律取1.5μgC/(g·h)。排放系數(shù)則由LMD和排放因子來(lái)估算(表2)。

1.3.3 氣象數(shù)據(jù)

把大氣環(huán)境溫度假設(shè)為葉溫，模型中光合有效輻射(PAR)數(shù)據(jù)通過(guò)云量信息模擬得到。溫度、濕度、風(fēng)速等小時(shí)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于2013年天津市氣象觀測(cè)站。

2 結(jié)果與分析

2.1 天津市植被VOCs總排放量

利用GLOBEIS模型估算出2013年天津市植被VOCs各組分的排放量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 植被VOCs各組分排放量

從表3中可以看出，植被總VOCs(BVOCs)排放量為7 678.35t(以C計(jì)，下同)，其中，異戊二烯(ISOP)排放總量為693.43t，單萜烯(TMT)排放總量為2 877.80t，其他VOC(OVC)排放總量為4 107.12t。2013年天津市的植被VOCs的排放強(qiáng)度為0.67t/(km2·a)，而宋媛媛等[10]使用2008-2010年的年均氣象數(shù)據(jù)估算得到天津市的排放強(qiáng)度為0.82t/(km2·a)，與本研究相比，數(shù)量級(jí)一致，可相互驗(yàn)證，由于其采用年均氣象數(shù)據(jù)，不及本研究采用實(shí)測(cè)小時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，本研究結(jié)果將更為精確、可信。

2.2 植被VOCs排放時(shí)間分布特征

圖1是植被VOCs各組分在每月15日的排放量變化情況。由圖1可以看出，異戊二烯晝夜變化幅度比較大，單萜烯和其他OVC變化幅度相對(duì)較小，這說(shuō)明異戊二烯更易受到環(huán)境因子的影響，并且異戊二烯在夜間排放為零，白天中午時(shí)段排放量達(dá)到最大，這一點(diǎn)與司徒淑娉等[25]研究結(jié)果一致，這是因?yàn)?，異戊二烯的排放與光合作用有關(guān)，主要發(fā)生在白天[26]。

圖1 植被VOCs各組分每月15日排放量隨時(shí)間的變化

Fig.1 BVOCs emission in the fifteenth day of each month

圖2 植被VOCs各月排放量

圖2為植被VOCs各個(gè)月份的排放量。從圖2可以看出，2013年天津市植被VOCs(ISOP、TMT、OVC、BVOCs)排放量在8月份均達(dá)到最大，排放量依次為197.13t(ISOP)、582.61t(TMT)、831.06t(OVC)、1 610.80t(BVOCs)，所占比例依次為28.43%(ISOP)、20.25%(TMT)、20.24%(OVC)、20.98%(BVOCs)；在1月份均為最小，排放量依次為1.16t、35.89t、51.33t、88.38 t，所占比例依次為0.17%、1.25%、1.25%、1.15%。這主要是因?yàn)橹脖籚OCs各組分的排放受到了輻射和溫度的影響[27～29]，8月份輻射和溫度都較高，1月份較低。

圖3是植被VOCs各組分所占比例隨著月份的變化圖。從圖3可以看出，各組分中，異戊二烯隨著月份先增大后減小，并在8月份達(dá)到最大，在1月份為最小，而其他VOC與異戊二烯正好相反，單萜烯在組分所占比例變化不大，這和吳莉萍等[15]在重慶地區(qū)的研究相一致，這說(shuō)明，異戊二烯受月份的變化更為顯著。

圖3 植被VOCs各組分所占比例隨月份變化圖

2.3 植被VOCs排放空間分布特征

圖4是2013年天津市植被VOCs各組分的年排放強(qiáng)度。從圖4可以看出，異戊二烯在濱海新區(qū)、市內(nèi)六區(qū)、津南區(qū)、西青區(qū)排放較少；在薊縣北部、寶坻區(qū)北部、武清區(qū)西北部、靜?？h西南部、寧河縣與濱海新區(qū)交界處排放較多，尤其是薊縣北部排放量最大，最大值可以達(dá)到0.66t/(km2·a)，這主要是因?yàn)榕欧帕看蟮牡胤椒植加忻艿纳?。而單萜烯的分布與異戊二烯的分布有些相似，排放較少的地方是濱海新區(qū)和市內(nèi)6區(qū)，排放較大的地方在薊縣、寶坻區(qū)北部武清區(qū)西北部、靜?？h西南部以及寧河縣與濱海新區(qū)的交界處，最大值可以達(dá)到3.28t/(km2·a)。其他VOC的排放主要分布在薊縣北部、寶坻區(qū)北部、靜海西南部以及寧河縣與濱海新區(qū)的交界處，最大值達(dá)到4.72t/(km2·a)，而分布較少的地區(qū)分布較為零散。植被總VOCs在薊縣北部、寶坻區(qū)北部、武清區(qū)西北部、靜海西南部以及寧河縣與濱海新區(qū)交界處排放量較大，最大值達(dá)到8.66t/(km2·a)，而在市內(nèi)6區(qū)、西青區(qū)和濱海新區(qū)排放量較少。

圖4 植被VOCs各組分年排放強(qiáng)度空間分布圖

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)2013年天津市植被VOCs排放總量為7 678.35t，其中，異戊二烯排放總量為693.43t，單萜烯排放總量為2 877.80t，其他VOC排放總量為4 107.12t。

(2)天津市植被VOCs排放具有顯著的日變化和月變化特征：中午排放量高，夜間排放量低；8月份排放量達(dá)到最大，1月份排放量最小，并且異戊二烯的變化更為顯著。

(3)天津市植被VOCs排放的空間分布與植被分布密切相關(guān)，在薊縣北部山區(qū)排放量較大，在市內(nèi)6區(qū)和濱海新區(qū)排放量較小。

3.2 討論

從全年植被VOCs組成來(lái)看(見(jiàn)表4)，本研究異戊二烯、單萜烯以及其他VOCs所占比例分別為9.0%、37.5%、53.5%，各組分比例大小與吳莉萍等[15]、鄭君瑜等[24]的研究結(jié)果相一致；其中，其他VOCs所占比例超過(guò)了一半，而閻雁等[13]、Klinger等[30]在其研究中，其他VOCs所占比例也超過(guò)了一半，與本研究結(jié)果相一致；不過(guò)從全國(guó)范圍內(nèi)來(lái)看，異戊二烯的量要大于單萜烯的量，與本研究結(jié)果有所不同。這主要是因?yàn)?，異戊二烯主要由闊葉樹(shù)排放，單萜烯主要由針葉樹(shù)排放，異戊二烯的排放系數(shù)大于單萜烯的[26,31]，同時(shí)，異戊二烯只是白天排放，單萜烯全天都在排放[25]，從文獻(xiàn)[15]、[24]、[13]、[30]可以看出，隨著林地面積的增大，異戊二烯的量逐漸增大，并且超過(guò)了單萜烯的量，而在天津地區(qū)，林地面積太小，導(dǎo)致異戊二烯的排放量遠(yuǎn)小于單萜烯的排放量。

表4 植被VOCs組分在總排放中的百分比

從整體來(lái)看，植被各個(gè)VOCs組分在中午時(shí)段排放量達(dá)到最大，夜間排放量最小，該結(jié)論與胡永濤等[23]研究結(jié)果一致。從各組分的變化幅度來(lái)看，異戊二烯的變化幅度較大，這說(shuō)明，異戊二烯的變化受氣象條件的影響更為顯著，這和鄭君瑜等[24]研究結(jié)果一致。

在本研究的植被VOCs排放的估算中，不確定性主要來(lái)源于以下3個(gè)方面：(1)排放因子：研究所使用的排放因子，主要參考了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，基于天津市本地植物的排放因子更是鮮有報(bào)道，因此，在研究過(guò)程中，排放因子可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不確定性；(2)葉生物量密度：研究中所使用的葉生物量密度同樣是參考了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，缺乏相應(yīng)的天津本地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在使用過(guò)程中，可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響；(3)土地利用類(lèi)型：通過(guò)遙感解譯出來(lái)的土地利用類(lèi)型，由于解譯的誤差，也會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的不確定性。

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Biogenic VOCs Emission in Tianjin City and Its Temporal and Spatial Distribution

GAO Xiang,LIU Mao-hui,XU Yuan,ZHAN Xian-hui,SUN Meng,ZHANG Zhen

(Tianjin environment monitoring center,Tianjin 300191,P.R.China)

The GLOBEIS model was utilized to analyze biogenic VOCs (BVOCs) emission in Tianjin and its temporal and spatial distribution in 2013,based on meteorological data and the remote-sensing image of land use.The results showed that the annual total emission amount of biogenic VOCs in Tianjin was about 7 678.35t(C) in which isoprene accounted for 693.43t (9.0%),monoterpenes accounted for 2 877.80t (37.5%) and other VOCs accounted for 4 107.12t (53.5%).The biogenic VOCs emission had strong day and month characteristics with maximum emissions in mid-day and the August，while the minimum occurred at night and in the January.The spatial distribution of BVOCs emission mainly depends on land use,mostly located in dense forest area.High emissions were usually found in north region of Ji County，while low emissions were usually found in Binhai New Area and urban.The uncertainty sources of estimatimating BVOCs emissions in Tianjin were also discussed in the final part.

Tianjin City;biogenic volatile organic compounds (VOCs);total amount of emission;temporal characteristics;spatial characteristics

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.020

2015-10-14

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAC23B02)，天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(13ZCZDSF14600)，環(huán)保部公益行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)201409014。

高翔(1978-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事大氣污染源排放控制技術(shù)研究。E-mail：gaoxiang1978@126.com

簡(jiǎn)介：張震(1974-)，男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)研究。E-mail：water_eco@126.com

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A

1672-8246(2016)06-0108-07