中国防护林计划区生物源挥发性有机物排放量估算及其时空变化特征研究

作     者：盖艺超 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱传勇

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：生物挥发性有机物(BVOC) 生物源排放 排放清单 防护林 

摘      要：生物挥发性有机物（BVOC）指的是由陆地生态系统排放的挥发性和半挥发性有机物。BVOC排放的长期变化趋势主要受植被覆盖变化的影响。卫星观测结果显示,中国各地的植被出现了明显的绿化趋势。植被覆盖面积的扩大在提高碳汇能力方面起着重要作用,并是实现“碳中和的有效战略之一。然而,植被面积和叶面积指数的持续增长引发了人们对生物源排放潜在增加的担忧。BVOC是对流层臭氧（O）和二次有机气溶胶（SOA）的重要前体物,对全球环境化学、气候变化和区域空气质量产生重大影响。准确评估BVOC排放量的变化并量化不同林业工程对BVOC排放量的贡献至关重要。本论文更新了中国62种优势树种和省级植被排放因子,应用排放模式MEGAN v2.1（Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature）和中尺度模式WRF（Weather Research and Forecasting）,构建了空间分辨率为27 km×27 km的中国BVOC排放清单。同时,研究评估了1985–2001年和2001–2022年中国植被变化对BVOC排放的影响,重点评估了这两个时期八个林业工程区的BVOC排放长期趋势。主要研究结论如下: （1）2018年中国BVOC年排放量为54.24 Tg。其中,异戊二烯、单萜烯、倍半萜烯和其它BVOC排放量分别为26.94 Tg、2.28 Tg、0.44 Tg和24.57 Tg。植被类型对BVOC排放有显著影响,阔叶树是总排放的主要贡献者,占71%;其次是草地,占17%;而针叶树、农作物和灌木的总排放仅占12%。阔叶树在大多数BVOC类别中排放量最高,农田是倍半萜烯的主要来源。中国BVOC的空间分布研究显示,排放热点主要集中在华中和华南地区,呈现东南高、西北低的分布特征。BVOC排放量与阔叶树分布密切相关,尤其在广东、广西和湖南等地。针叶树与萜烯类的排放也呈现出明显的相关性,其热点区域主要分布在华南和华中地区。不同省份的排放情况存在显著差异,广东、广西、湖南、湖北和云南等省份是主要贡献者,其中以阔叶树为主导,产生了大量的异戊二烯排放。 （2）在1985年至2022年期间,中国的BVOC排放总量增加约7 Tg（15%）。异戊二烯、萜烯和其他BVOC排放分别增加了4.9 Tg（23%）、0.36 Tg（15%）和1.7 Tg（7%）。1985-2001年期间,BVOC排放量增长率仅为0.09%/年,而2001-2022年期间增至0.59%/年。在2001年至2022年期间,中国各类BVOC排放净增长的网格单元数较1985年至2001年期间显著提高,尤其在高增值区间,增加了2至3倍。与1985年至2001年相比,负增长的网格单元值减少了65.4%至79.2%。总BVOC排放空间变化趋势与异戊二烯相似,所有类型的BVOC排放量显著增加,尤其在华中和华南地区。东北地区在两个历史时期出现了相反的变化趋势,从下降转变为大面积增长。不同植被类型的面积变化对BVOC排放产生显著影响,农田和阔叶树面积的变化尤为显著。随着林业工程的实施,阔叶树覆盖率显著增加,替代了一些其他类型的植被。预计通过增加植被平均排放因子来增加BVOC排放量。 （3）在1985年至2001年,八大林业工程区的BVOC排放总体上呈现相对稳定的变化趋势,平均变化率为2.2%。这一变化率略高于全国BVOC变化率的1.67%,与全国范围内BVOC总体趋势一致。在2001年至2022年间,八大造林工程区的BVOC排放量增加了5.1 Tg,占全国排放量变化的85.6%,相较于1985年至2001年的排放量增加了7倍。大多数林业工程区的草本植被逐渐过渡为阔叶树,而针叶树的面积则呈现负增长趋势,达到–1.3%。阔叶树是2001年至2022年期间所有林业工程区变化最显著的植被类型,其变化率为31.5%。由于阔叶树面积的扩大,所有林业工程区的LAI都呈现出显著的增长趋势,平均增长率为55.8%。在所有物种中,异戊二烯成为林业工程区排放量和排放率变化最大的物种,2001年至2022年分别增加了2.9 Tg和37.4%。 综上所述,中国近四十年来的BVOC排放量显著上升,其增长主要受到阔叶树面积变化的影响。在中国的防护林区域,森林面积和叶面积指数的增加贡献了中国绝大部分的BVOC排放增长量。为实现碳中和目标,预计绿色趋势将进一步加强,从而导致BVOC排放量增加。因此,研究植被变化对BVOC排放的影响,未来选择合适的树种增加碳汇,减缓BVOC的增长趋势,对于在应对气候变化的同时精准防控中国大气污染至关重要。