全球变化背景下天然源痕量活性有机气体研究进展与展望

摘要

天然源痕量活性有机气体，也叫生物源挥发性有机化合物（BVOCs）,是地球系统中重要的痕量活性有机气体，对全球碳循环、大气化学和气候调控具有重要作用。BVOCs在大气中通过与氧化剂（如羟基自由基OH、臭氧O₃和NO₃自由基）快速反应，驱动二次有机气溶胶（SOA）的生成，调节大气辐射强迫，影响区域和全球气候。同时，BVOCs通过对流层与平流层臭氧的交互作用影响大气中羟基自由基（OH）的浓度，间接参与温室气体的生命周期调控。全球BVOCs排放量估计为每年1 000 Tg碳以上，主要来自森林生态系统，其中异戊二烯和单萜占主导地位。近年来，BVOCs排放的观测技术取得了显著进展，从传统的离线采样与气相色谱-质谱（GC-MS）分析到高时间分辨率的在线技术（如质子转移反应质谱PTR-MS和飞行时间质谱PTR-ToF-MS）,极大提高了BVOCs排放数据的时间分辨率与化学精度。此外，基于无人机、卫星遥感与地基通量塔的多尺度监测技术，也为区域BVOCs排放的时空动态研究提供了新工具。结合动态箱法、涡度相关法和建模模拟，研究人员逐步构建了更精确的BVOCs排放清单，为理解其与气候变化的复杂反馈机制奠定了基础。环境因子对BVOCs排放的影响研究日益深入。光照和温度是控制BVOCs排放的关键因子，光照强度变化直接影响光合作用及异戊二烯的排放，而温度升高则加速BVOCs的生物合成和挥发。二氧化碳（CO₂）浓度的升高可能通过光合作用调节BVOCs的排放强度，同时降低气孔导度减少BVOCs的释放速率，但其长期效应可能因植物种类和适应机制的差异而有所变化。臭氧（O₃）浓度升高对BVOCs的作用具有双重效应：一方面通过胁迫反应诱导BVOCs的防御性释放，另一方面可能损伤叶片并抑制排放。气溶胶浓度和BVOCs之间存在重要的正反馈机制，高BVOCs排放可促进SOA生成，而SOA形成反过来通过散射光效应影响光合作用与BVOCs排放。氮循环改变对BVOCs排放的影响较为复杂，高氮输入可能通过改变植物养分分配与代谢路径，增加某些BVOCs的排放或抑制其他种类BVOCs的合成。未来全球变化情景下，气候变暖、极端天气频发和CO₂浓度持续升高可能显著改变BVOCs的排放模式及其与大气化学和气候系统的耦合机制。综合利用观测和建模技术，加强对多因子交互作用及长时间尺度下BVOCs排放的定量研究，将为揭示BVOCs的多圈层耦合作用机制提供重要支撑，并为气候变化和大气化学研究提供新的科学视角。

关键词

天然源痕量活性有机气体(ROG) / 生物源挥发性有机化合物(BVOCs) / 排放测量 / 光照 / 温度 / 二氧化碳浓度 / 氮循环 / 气溶胶 / 臭氧

基金资助

广东省基础与应用基础研究重大项目(2023B0303000007)