天津市植被異戊二烯排放量及時(shí)空分布特征

高 翔，劉茂輝，徐 媛，展先輝，張 震

(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191)

天津市植被異戊二烯排放量及時(shí)空分布特征

高 翔，劉茂輝，徐 媛，展先輝，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年植被異戊二烯排放總量進(jìn)行估算和時(shí)空分布特征分析。研究表明，2013年天津市植被異戊二烯排放總量達(dá)到693.43 t(以C計(jì)，下同)，排放強(qiáng)度為0.06 t·km-2·a-1。植被異戊二烯的排放具有明顯的日變化、月變化和季節(jié)變化特征：中午高，夜間低；8月最高，1月最低；夏季排放量最大，冬季排放量最小。其空間特征與土地利用類型密切相關(guān)，植被異戊二烯的排放主要集中在林區(qū)較為密集的區(qū)域，并且在市內(nèi)6區(qū)和濱海新區(qū)排放量較小。最后，對(duì)植被異戊二烯排放估算過程中的不確定性來源進(jìn)行分析。

植被異戊二烯；排放量；時(shí)間特征；空間特征；天津

揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)在城市光化學(xué)煙霧污染過程中有著重要的作用，是臭氧和二次有機(jī)氣溶膠的一個(gè)重要前體物。一般來說，VOCs可以分為人為源和植被2種。目前，大量的研究發(fā)現(xiàn)[1-3]，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)過程中具有重要作用，并且在全球尺度上，VOC的植被排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人為源。因此，很多國家和地區(qū)都開展了大量植被VOCs排放估算的研究工作。而在植被VOCs的組成中，異戊二烯所占比例更是接近50%[2]，而且，異戊二烯具有較高的大氣活性，在大氣中的壽命僅為1～2 h，是非常重要的光化學(xué)反應(yīng)劑。因此，對(duì)植被異戊二烯(biogenic isoprene，BISOP)排放的研究，可進(jìn)一步了解植被對(duì)大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)。

最早在20世紀(jì)七八十年代，美歐等發(fā)達(dá)國家就開始對(duì)植被異戊二烯的排放進(jìn)行了大量的研究工作[4-5]，近年來，國內(nèi)植被異戊二烯排放估算的研究也受到越來越多的關(guān)注。早在20世紀(jì)90年代，張福珠等[6]采用封閉技術(shù)測(cè)定了華北地區(qū)落葉闊葉林內(nèi)10種喬灌木的異戊二烯的排放速率，填補(bǔ)了我國植物釋放異戊二烯的空白。同樣使用封閉測(cè)量技術(shù)，王效科等[7]測(cè)量了太湖流域主要植物異戊二烯的排放，白建輝等[8]測(cè)量了中國內(nèi)蒙古草原地區(qū)排放的異戊二烯。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)由于植被異戊二烯排放影響因素較多、計(jì)算較為復(fù)雜，越來越多的國內(nèi)學(xué)者使用植被估算模型來計(jì)算植物排放的異戊二烯。寧文濤等[9]采用植被估算模型計(jì)算了東亞地區(qū)植被異戊二烯的排放，司徒淑娉等[10]采用植被估算模型計(jì)算了珠江三角地區(qū)夏季植被排放的異戊二烯。然而，針對(duì)天津地區(qū)植被異戊二烯排放的計(jì)算還未見有相關(guān)報(bào)道。本研究基于天津市土地利用類型，利用實(shí)際觀測(cè)的小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，在國內(nèi)城市研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)天津市2013年植被異戊二烯的排放情況進(jìn)行估算和時(shí)空分布特征分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

基于Lambert投影，以整個(gè)天津市作為研究區(qū)域，利用ArcMAP建立3 km×3 km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1409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異戊二烯的排放量，該模型已在國內(nèi)植被VOCs排放量估算中得到了成功的應(yīng)用。閆雁等[11]使用GLOBEIS模型建立了中國植被VOC排放清單，鄭君瑜等[12]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)行研究，吳莉萍等[13]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。GLOBEIS模型的基本算法參考了Guenther等[3，14]提出的方法，其中，異戊二烯(ISOP)的估算公式如下：EISO=ε·D·γp·γt·ρ，式中：EISO為異戊二烯排放量；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) 通過衛(wèi)星遙感解譯獲得2013年天津市土地利用數(shù)據(jù)，并將該地區(qū)的土地利用類型劃分為水田、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、未利用土地等11類土地利用類型。各土地利用類型面積見表1。

1.3.2 葉面積指數(shù)、葉生物量密度和排放因子 研究參照Guenther等[14]、Asner等[15]對(duì)植被VOCs的研究成果，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，估算天津市各類型植被的葉面積指數(shù)(表2)。

研究基于馮宗煒等[16]、方精云等[17]對(duì)我國葉生物量的實(shí)測(cè)研究結(jié)果，參考全國[18]、北京市[19]、珠江三角洲地區(qū)[20]和重慶市主城區(qū)[13]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(表2)。

表1 天津市土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

對(duì)于植被異戊二烯的排放因子，通常采用分檔方法處理[21]以保證取值的合理性，研究參照吳莉萍等[13]、鄭君瑜等[20]在國內(nèi)研究的結(jié)果，確定植被異戊二烯的排放因子。即在計(jì)算過程中，先以文獻(xiàn)獲得的國內(nèi)部分樹種異戊二烯的標(biāo)準(zhǔn)排放因子，然后根據(jù)天津市森林資源調(diào)查中各植被類型植物所占比例進(jìn)行加權(quán)平均，再將加權(quán)平均值與異戊二烯標(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異戊二烯的標(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、60.0 μg·g-1·h-16檔取值；對(duì)有林地異戊二烯的排放，一律取1.5 μg·g-1·h-1。排放系數(shù)則由LMD和排放因子來估算(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)來源于2013年天津市氣象觀測(cè)站。

2 結(jié)果與討論

2.1 天津市植被異戊二烯總排放量

利用GLOBEIS模型計(jì)算2013年天津市植被異戊二烯的排放量，從輸出結(jié)果可以看出植被異戊二烯年度總排放量為693.43 t(以C計(jì)，下同)，排放強(qiáng)度為0.06 t·km-2·a-1，1—12月的貢獻(xiàn)率依次為0.17%、0.29%、0.84%、2.07%、11.18%、17.20%、24.19%、28.43%、10.85%、3.41%、0.99%、0.39%，8月貢獻(xiàn)率最大，1月貢獻(xiàn)率最小。

2.2 植被異戊二烯排放時(shí)間分布特征

植被異戊二烯在每月15日的排放量日變化情況見圖1，由圖1可以看出，在各個(gè)月份中，異戊二烯均表現(xiàn)出如下變化特征：從8∶00開始，異戊二烯開始排放，并逐漸升高，至中午時(shí)分(12∶00—14∶00)達(dá)到最大，隨后逐漸下降，直至18∶00停止排放。與司徒淑娉等[10]、胡永濤等[18]研究結(jié)果一致，這是因?yàn)楫愇於┦艿搅藴囟群洼椛涞碾p重影響，而且輻射的影響要大于溫度的影響[22]。而從異戊二烯排放量達(dá)到最大的時(shí)刻來看，大部分在13∶00，也有在12∶00或者14∶00，說明異戊二烯的排放除了受溫度和輻射的影響外，也受到濕度、風(fēng)速等其他環(huán)境因子的影響。

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

圖1 植被異戊二烯每月15日排放量日變化圖2 植被異戊二烯每月排放量及其貢獻(xiàn)率

圖3 植被異戊二烯每季度排放量及其貢獻(xiàn)率圖4 植被異戊二烯每年排放量及年均溫度

植被異戊二烯各個(gè)月份的排放量及其貢獻(xiàn)率見圖2，從圖2可以看出，隨著月份的增加，異戊二烯的排放量逐漸增大，而且在5月顯著增大，直至8月達(dá)到最大，隨后逐漸減小。從整年的排放量來看，8月排放量最大，達(dá)到197.13 t，貢獻(xiàn)率為28.43%；1月排放量最小，為1.16 t，貢獻(xiàn)率為0.17%。這與鄭君瑜等[20]研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)橹脖划愇於┑呐欧攀艿搅溯椛浜蜏囟鹊挠绊慬23-25]，8月輻射和溫度都較高，排放量較大；而且在5月，溫度和輻射有了顯著升高，致使異戊二烯的排放顯著增加；而在1月輻射和溫度都較低，異戊二烯的排放也達(dá)到了最低。

植被異戊二烯每季度的排放量及其貢獻(xiàn)率見圖3，從圖3可以看出，春季與秋季的排放量相當(dāng)，分別為97.72 t、105.75 t，貢獻(xiàn)率依次為14.09%、15.25%；夏季排放量最大，達(dá)到484.09 t，貢獻(xiàn)率占到69.81%；冬季排放量最小，為5.87 t，貢獻(xiàn)率為0.85%。季節(jié)變化趨勢(shì)與鄭君瑜等[20]研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)橄募镜臏囟群洼椛溥h(yuǎn)高于冬季。

植被異戊二烯2009—2013年每年的排放量變化及年均溫度見圖4。由圖4可知，年均氣溫越低，植被異戊二烯的排放量越小。其中，2009年的年均溫度(287.23 K)比2011年(287.35 K)低一些，但排放量比2011年高，主要是因?yàn)?009年的年均風(fēng)速(1.70 m·s-1)比2011年(1.12 m·s-1)大很多。進(jìn)一步說明，植被異戊二烯的排放受到多種氣象條件的影響。年際之間，氣象條件不同，其排放量也不同。

2.3 植被異戊二烯排放空間分布特征

2013年天津市植被異戊二烯各季節(jié)排放量的空間分布見圖5。從春、夏、秋3幅圖可以看出，與其他空間區(qū)域相比，異戊二烯在濱海新區(qū)和市內(nèi)6區(qū)排放較少，在薊縣北部山區(qū)、寶坻區(qū)北部以及靜海西南部分布較多，主要是因?yàn)樵谶@些分布量較多的地方有茂密的林地；春季與秋季空間分布相似，而夏季與冬季的空間分布具有非常顯著的差異，主要是因?yàn)榇杭九c秋季各氣象條件相似，而夏季與冬季的氣象條件相差較大；與春季相比，夏季各區(qū)域異戊二烯的排放均有增加，冬季各區(qū)域的異戊二烯的排放均有減小。由此可見，異戊二烯的空間分布受到土地利用類型和氣象條件的雙重影響。

2.4 植被異戊二烯排放估算中不確定性分析

本研究植被異戊二烯排放的估算中，不確定性主要來源于以下3個(gè)方面：①排放因子。研究使用的排放因子主要參考了國內(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土地利用類型。通過遙感解譯出來的土地利用類型，由于解譯的誤差，也會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的不確定性。

3 結(jié)論

2013年天津市植被異戊二烯排放總量為693.43 t，排放強(qiáng)度為0.06 t·km-2·a-1。天津市植被異戊二烯排放具有顯著的日變化、月變化和季節(jié)變化特征：在一天中，中午排放量高，夜間排放量低；一年中，8月排放量達(dá)到最大，1月達(dá)到最小；全年四季中夏季排放量最大，冬季排放量最小。天津市植被異戊二烯排放的空間分布與植被分布、氣象條件密切相關(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。

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Biogenic Isoprene Emission Inventory and Its Temporal and Spatial Characteristics in Tianjin

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

(Tianjinenvironmentmonitoringcenter，Tianjin300191，China)

The GLOBEIS model was utilized to analyse biogenic isoprene emission inventory of Tianjin in 2013，based on the use of observed meteorological data and the remote-sensing image interpretation of land use.The annual total emission amount of biogenic isoprene in Tianjin was about 693.43 t(C) and the emission intensity was 0.06 t·km-2·a-1.The biogenic isoprene emission had strong day，month and season characteristics with maximum emissions in midday，August and summer，while the minimum occurred in night time，January and winter.The spatial distribution of biogenic isoprene emission mainly depends on land use，mostly located in dense forest area.Low emission was usually found in urban district and Binhai region.The uncertainty sources of estimating Tianjin biogenic isoprene emissions were discussed.

biogenic isoprene；emission inventory；temporal characteristics；spatial characteristics；Tianjin

2015-09-17；

2015-11-06

國家科技支撐計(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)科研專項(xiàng)(201409014)

高翔(1978—)，男，天津人，天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心高級(jí)工程師，碩士，從事污染生態(tài)學(xué)研究。E-mail：gaoxiang1978@126.com。

張震(1974—)，男，天津人，天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心教授級(jí)高級(jí)工程師，從事污染生態(tài)學(xué)研究。E-mail：water_eco@126.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.03.007

X511

A

1002-7351(2016)03-0027-06