中國天然源揮發(fā)性有機物源排放清單研究

中國天然源揮發(fā)性有機物源排放清單研究

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，中國的大氣污染呈現(xiàn)出混合污染的特點。不僅同時污染濃度高，而且二次污染（如二氧化硫和顆粒）的濃度高，導致一些城市的光化學煙霧和灰污染。揮發(fā)性有機物(VOC)作為其前體物,大氣O3對VOCs非常敏感,VOCs的排放狀況是研究二次污染物和大氣環(huán)境模擬的重要組成部分,對于解決光化學煙霧等問題將起到極其重要的作用。早在20世紀70—80年代,歐美等發(fā)達國家就開始在天然源VOC(BVOC)排放領域做了大量研究工作。國內(nèi)的研究主要集中在排放因子的測定等方面,也有少量嘗試估算區(qū)域及更大范圍植物VOC的排放量,對中國天然源VOC排放的研究起了積極作用。然而,這些研究是基于植被面積資料,通過衛(wèi)星遙感模擬植被的葉生物量變化,致使估算VOC排放量的方法存在一些不足。遙感數(shù)據(jù)對植物物種的區(qū)分能力差,且需要依賴大量可靠的實測資料;本地植被構(gòu)成、植被生長情況以及本地排放因子的缺失,將帶來較高的不確定性。因此,提高分辨率和準確度的中國BVOC排放清單研究是非常必要的。張鋼鋒等基于樹種蓄積量建立了省級的中國森林源VOC排放清單,但未包含其他植被,且缺少空間分布研究。本文針對中國所有植被,基于林業(yè)資源普查和植被分布圖資料,結(jié)合國內(nèi)外已有觀測結(jié)果,應用Guenther等的BVOC排放模型,充分考慮植物類別、生長狀況、排放因子等差異,通過由蓄積量、產(chǎn)量換算生物量的方法模擬研究中國各植物的VOC排放特征,探討天然源VOC在不同時空、不同植被類型和不同齡級森林中的分配規(guī)律,進而建立高分辨率和更為準確的2003年中國BVOC排放清單。1學習方法1.1排放因子估算Guenther模型是目前廣泛應用的天然源VOC排放模型,能夠較好地模擬植被排放VOC的特征,且與本文選用的細分物種的估算方法相匹配。根據(jù)Guenther估算模型,將植物排放的VOC分為異戊二烯、單萜烯和其他VOC三類,按植物類別分別估算。異戊二烯的排放量估算方法為單萜烯和其他VOC排放量估算方法為ε為標準排放因子,即溫度為303K,光合有效輻射(PAR)為1000μmol/(m2·s)時各樹種的VOC排放因子,單位μg/(gdw·h);B為葉生物量干重,單位g;γt為氣溫校正因子;γp為輻射校正因子。對于異戊二烯:對于單萜烯和其他VOC:TS=303K;CT1,CT2,TM,R,a,CL為常數(shù);T為葉表面溫度,單位為K;Q為光合有效量子密度,單位為μmol/(m2·s)。1.2參數(shù)的確定1.2.1不同區(qū)域內(nèi)植物的篩選和賦值天然源VOC排放因子來源于文獻中各類植物VOC排放的觀測結(jié)果。其中,異戊二烯和單萜烯的排放觀測研究較多,使用離散區(qū)間歸類方法對多個研究得到的排放因子進行歸類,選定合適的排放因子。主要采用中國國內(nèi)觀測結(jié)果,國內(nèi)沒有研究的植物,則采用國外觀測結(jié)果。隨后根據(jù)植物分類學方法對研究區(qū)域內(nèi)植物的排放因子按種-屬-科的順序進行賦值。其他VOC由于觀測研究較少,過去的研究多使用平均值1.5μgC/(g·h)對所有植物的排放因子進行賦值。近期研究指出,稻、麥等主要農(nóng)作物的其他VOC排放因子遠低于此前使用的平均值,因此本文采用這些實際觀測結(jié)果,而其他沒有觀測研究的植物,仍然采用平均值1.5μgC/(g·h)。1.2.2蓄積量和干物質(zhì)分配本地植被葉生物量資料的缺失是天然源VOC排放清單不確定性的主要來源之一。因此,本研究基于蓄積量、產(chǎn)量換算的方法和植被分布圖,得到更為詳細準確的中國各地區(qū)葉生物量數(shù)據(jù),以降低估算的不確定性。研究中的植被構(gòu)成資料使用中國科學院植物研究所提供的《中國植被圖(1?1000000)》。植被圖提供了詳細的植被分布資料,是自下而上清單估算方法的基礎,能夠提高BVOC排放清單估算的準確度。對于森林葉生物量,應用以下公式計算B為葉生物量干重,g;V為蓄積量,m3;DT為樹干密度,t/m3;PL和PT分別為樹葉和樹干生物量占總生物量的比例,無量綱。本文以第六次(2003年)全國森林資源清查獲得的蓄積量為基礎,將此蓄積量根據(jù)中國植被的空間分布狀況分配至各地,得到蓄積量V的空間分布;整理由植物生長模型獲得的樹干密度和葉、干生物量比例,得到各樹種的樹干密度DT以及樹葉和樹干占總生物量的比例(PL和PT)。對于草地葉生物量,以《中國草地資源數(shù)據(jù)》中各省每一草地類型的產(chǎn)草量(風干重,kg/hm2)為基礎,將此產(chǎn)量根據(jù)中國植被的空間分布狀況分配至各地,得到草地葉生物量(B)的空間分布。對于農(nóng)作物葉生物量,應用以下公式計算:B為葉生物量干重,g;W為經(jīng)濟產(chǎn)量的含水率,無量綱;P為經(jīng)濟產(chǎn)量,g;E是收獲系數(shù),即經(jīng)濟產(chǎn)量與總生物量之比,無量綱;PL為葉生物量占總生物量的比例,無量綱。本文以《中國統(tǒng)計年鑒(2003)》中各省每一類作物的產(chǎn)量為基礎,將此產(chǎn)量根據(jù)中國植被的空間分布狀況分配至各地,得到農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量P的空間分布;采用方精云等的整理結(jié)果,得到各類農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量的含水率W和收獲系數(shù)E;對國內(nèi)農(nóng)作物生長模型和干物質(zhì)分配相關(guān)研究進行整理和歸納,得到葉生物量比例PL。灌叢植被由于生物量研究較少,沒有細分類型的研究資料,因此僅根據(jù)氣候類型將灌叢分為7個亞類,各類灌叢使用其平均生物量數(shù)據(jù)。這種基于蓄積量、產(chǎn)量的換算方法具有以下優(yōu)點:細分物種的統(tǒng)計方式使之能夠?qū)线m的排放因子和生物量;分省的蓄積量、產(chǎn)量數(shù)據(jù)充分考慮了同一物種在不同地區(qū)的生物量差別;森林分齡級的蓄積量數(shù)據(jù)考慮了不同年齡段樹木生長情況的差異。此外,樹木幼嫩葉片幾乎不排放VOC,因此取樹木的展葉盛期和葉全變色期作為排放始末期,草原和農(nóng)作物則以生長周期作為排放周期,從而得到各省各植物的VOC排放始末期。1.2.3溫度插值方法以國家氣象信息中心提供的2003年地面站點觀測的溫度和輻射數(shù)據(jù)為基礎,應用插值的方法獲得沒有實測溫度和輻射數(shù)據(jù)的0.1°×0.1°網(wǎng)格中的溫度和輻射數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)的插值方法采用考慮了海拔高度的改進的克里格方法,即將所有站點實測氣溫根據(jù)氣溫直減率,調(diào)整得到海拔1000m的溫度,隨后進行克里格插值并將各地氣溫調(diào)整得到實際海拔處的氣溫,根據(jù)交叉檢驗法驗證,插值結(jié)果誤差較小;輻射數(shù)據(jù)的插值方法則采用距離平方反比法。2結(jié)果與討論2.1中國天然源voc排放源清單應用蓄積量、產(chǎn)量換算葉生物量的方法,結(jié)合植被構(gòu)成資料進行估算,得到2003年中國天然源VOC排放源清單。2003年中國BVOC排放總量為12.83Tg,其中,異戊二烯是最主要的組成部分,排放量為7.45Tg,占當年總量的58%;單萜烯和其他VOC排放量分別為2.23Tg和3.14Tg。排放來源構(gòu)成如圖1所示?？梢钥闯?中國BVOC主要來源于森林植被,占總量的61%,其后依次是灌叢、農(nóng)作物和草地植被,分別占27%,7%和5%。櫟類、亞熱帶闊葉灌叢、稻和熱性草叢分別在森林、灌叢、農(nóng)作物和草地植被類型中排放量最高。本文得到的2003年中國天然源VOC(BVOC)排放總量為12.83Tg,低于該年人為源VOC(AVOC)排放量,但是BVOC不受減排措施的影響,且具有比同類AVOC更高的化學活性,因此,BVOC排放研究對于改善中國大氣質(zhì)量非常重要。Guenther等、王勤耕、Klinger等和閆雁等都對中國天然源VOC排放源清單進行過研究,其結(jié)果如表1所示。由表1可見,本文得到的VOC排放總量與王勤耕的結(jié)果較為接近,小于其他研究結(jié)果;從分類VOC來看,本文的其他VOC排放量與其他研究結(jié)果差異較大。主要有以下兩個原因:首先是本文更新了部分植物的其他VOC排放因子,包括占其他VOC排放總量53%的稻和小麥;其次,以往研究使用了遙感和選取一些樣地進行觀測的研究方法,而全面和具體的本地植被資料的缺失,正是BVOC清單研究最主要的不確定性來源,本文則使用了更為詳細具體的植被構(gòu)成,及其對應的生物量、齡級、排放因子等資料,能夠有效降低清單估算的不確定性。圖2給出了2003年中國天然源VOC排放的空間分布。由圖2可見,南方和東北全年排放量較高。南部地區(qū)森林和灌叢分布較廣,BVOC排放量較高,最高可超過3000kgC/km2;西北地區(qū)植被類型以草地為主,排放量較低,在植被稀少的青藏高原和塔里木盆地,排放量低于20kgC/km2;東北地區(qū)森林、農(nóng)作物、草地均有分布,各地排放量差異較大。異戊二烯的排放量較高,且全國差異較大,這是由于不同植物排放速率存在較大差別,并且受氣候因素影響較大。而單萜烯與其他VOC的全年排放量低于異戊二烯,且全國不同地區(qū)差異較小,與排放這兩類VOC的植物種類眾多有關(guān)。統(tǒng)計中國各省BVOC排放量,得到圖3所示2003年各省BVOC排放構(gòu)成。圖3顯示出,中國BVOC排放主要來源于南方及東北各省,西北各省的排放貢獻率很小,除了西藏東南部的喜馬拉雅山南麓及橫斷山脈地區(qū)。貢獻率最大的省依次為:云南省、西藏自治區(qū)、廣東省,貢獻率分別11.8%,10.9%和8.8%。2.2比效成效:《2002年我國bvac排放量的現(xiàn)狀,其比當前適當逐月統(tǒng)計天然源VOC排放源清單,得到圖4所示2003年中國天然源VOC的逐月排放量及其構(gòu)成。由圖4可見,中國BVOC排放具有明顯的季節(jié)變化特征,這主要是由于氣溫、輻射等氣象因素以及植物生長狀況的影響所致。2003年各月BVOC排放量的差異很大,1月排放量最低,僅為113Gg,此后逐月遞增,至7月達到2480Gg,為全年最高。夏季(7月)和冬季(1月)天然源VOC排放量的空間分布如圖5所示,VOCs排放量的空間分布呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,夏季東北林區(qū)與南方部分地區(qū)排放量最大,超過500kgC/km2,其次為南方其余地區(qū)及東北寒溫帶林區(qū),而華北、西北等地區(qū)以草原、荒漠及栽培作物為主要植被類型,排放量相對較低,青藏高原及塔里木盆地則鮮有植被覆蓋,其夏季排放依然接近于零。全國各地冬季BVOC排放量均大幅低于夏季排放量,僅有南方部分地區(qū)在5kgC/km2以上。2.3不同樹種voc排放量組成統(tǒng)計分析2003年中國各類BVOC的來源,得到圖6所示的各類VOC來源組分構(gòu)成圖。由圖6可看出,森林、灌叢兩類植被排放了95%以上的異戊二烯,其他植被很少甚至幾乎不排放異戊二烯,單萜烯和其他VOC的來源則更為廣泛。森林植被中,闊葉林BVOC排放量最大,可達總量的75%,針葉林則為22%,混合林所占面積非常小,排放貢獻率很低。由于排放因子的差異,森林源異戊二烯主要由闊葉林排放,單萜烯則主要來源于針葉林,而針葉和闊葉林的其他VOC排放量則較為接近,與葉生物量的分配規(guī)律一致。對排放量最大的森林植被類型進行具體分析,其各樹種排放的VOC組分如圖7所示。2003年森林各樹種中櫟類的異戊二烯排放量最高(2389Gg),馬尾松的單萜烯排放量最高(283Gg),櫟類的葉生物量較高,因此其他VOC排放量為森林樹種中最高(240Gg)。研究得到森林各樹種VOC排放量在不同齡級中的分配,如圖8所示。目前排放以中齡林為主,占總量的34%;除鐵杉等個別樹木具有較高的成熟林和過熟林排放外,其余樹種的排放主要來源于幼齡、中齡、近熟林排放,與各類樹木蓄積量的齡級分配相一致。2.4預測因子的不確定性BVOC排放量的不確定性主要來自于以下3個方面。1)各樹種標準排放因子的不確定性。所有排放因子來自于國內(nèi)外觀測結(jié)果。由于采樣條件不同,各觀測結(jié)果間的離散性較大,本研究參考Simpson等的方法做了歸類處理,這種歸類方法可以降低觀測研究和排放因子選定中的人為誤差,將排放因子的不確定性控制在50%以內(nèi)。2)葉生物量推算的不確定性。葉生物量由森林樹種蓄積量、草地產(chǎn)草量、農(nóng)作物產(chǎn)量等推算所得,推算過程中采用的各參數(shù)數(shù)據(jù)的準確性在一定程度上影響了本研究的估算結(jié)果。一般來說,森林清查時的誤差較小,在中國應小于5%,而由蓄積量進行換算的過程中,全國總誤差小于3%;中國草地資源調(diào)查指出草場清查的誤差要求在10%以下,而若使用遙感數(shù)據(jù),則全國水平的誤差將達35.9%;灌叢和農(nóng)作物的估算中也存在誤差,但是目前很難給出誤差范圍。3)環(huán)境校正因子的不確定性。氣溫值和光合有效輻射值均由氣象觀測資料進行空間插值模擬所得,和實際氣象環(huán)境可能有所差異。根據(jù)交叉檢驗法驗證,在中國使用本文中的輻射模擬方法的平均絕對誤差為0.46MJ/m2,而氣溫模擬的平均絕對誤差為0.82℃,低于過去研究中使用的不考慮海拔影響的氣溫逆距離權(quán)重插值法(1.52℃)。3森林揮發(fā)性有機物排放源基于植被構(gòu)成調(diào)查資料和植物蓄積量、產(chǎn)量換算葉生物量的方法,自下而上地估算中國2003年天然源揮發(fā)性有機物排放量,得到了高分辨率的排放清單及其時空分布。2003