陆克定/张远航课题组在NSR发文揭示人为源单萜烯正悄悄加剧我国夏季臭氧污染

近年来，我国夏季臭氧污染日趋严重，这些臭氧从何而来？近日，北京大学环境科学与工程学院陆克定研究员/张远航院士团队的一项研究表明：中国东部地区的夏季人为活动(如生物质燃烧等)排放了大量的单萜烯（C₁₀H₁₆），并在城市群典型的高NOx条件下显著增强了臭氧生成。

在此前的认知中，单萜烯是植物排放的主要挥发性有机物（VOC）之一，它对气溶胶生成、成云过程等有重要影响，并可进而影响全球气候变化。但传统研究通常不关注单萜烯对臭氧污染的贡献，原因有二：一是其排放集中在森林地区——典型的低NOx环境下，形成臭氧的作用受到限制；二是单萜烯与臭氧快速反应，还可能消耗臭氧。然而，如下图所示，在城市群典型的高NOx条件下，单萜烯的氧化反应却能够显著提高大气臭氧水平。

森林低NOx环境（左）和城市高NOx环境（右）下，单萜烯氧化产生不同结果

➤ 观测发现：中国东部存在较高浓度大气单萜烯，及快速的单萜烯氧化

该研究在外场综合观测实验（2018年5-6月，中国泰州）中发现单萜烯浓度水平相对较高，日间平均值为0.37 ppb；同期观测到的大气氧化剂浓度也处在高位（OH自由基和O₃的平均日变化峰值为1.0×10⁷ cm^-3和93 ppb，白天平均NO₃为1.6 ppt）；单萜烯氧化速率日间均值达到0.83 ppb/h，超过了传统主导臭氧生成的生物源VOC——异戊二烯的氧化速率（0.75 ppb/h）。

➤ 高浓度单萜烯的来源：人为生物质燃烧

观测到的高浓度单萜烯无法由中国东部地区的植被排放所解释，必然还有其他来源。该研究基于夜间单萜烯和CO（生物质燃烧的示踪剂）相关分析发现，两者具有较好的正相关（R²=0.69），表明两者可能高度同源；基于比值法获取的单萜烯排放因子与实验室报道的生物质燃烧排放因子可比。由此综合推断：该次观测发现的高浓度单萜烯主要来自于生物质燃烧活动。

➤ 定量分析：单萜烯氧化对臭氧的贡献

该研究使用基于观测的模型，定量揭示了单萜烯氧化对臭氧生成的贡献。通过比较有无单萜烯模拟情景下臭氧的生成，发现白天单萜烯氧化能额外增加4 ppb臭氧净生成，约占白天臭氧总生成的6%。其中人为源和生物源排放的单萜烯分别贡献了89%和11%，体现出人为源排放单萜烯的绝对主导贡献。由于人为源单萜烯和NO高值同时出现在上午，因此更有利于臭氧的生成。若聚焦到其中一个强单萜烯排放过程，单萜烯对日间臭氧净生成的增加量可达8.9 ppb，贡献占比可达13%，人为源单萜烯对臭氧生成的贡献十分显著。

与全球其它地区进行对比分析发现，在典型的温带森林和热带雨林地区，由于NOx浓度很低，单帖烯的排放对臭氧产生的贡献可以忽略或者表现为臭氧的汇；在发展中国家若干城市地区，也有较高单萜烯观测结果的报道，使用该研究框架进行分析测算，在印度德里等城市地区单萜烯排放对于臭氧产生的贡献最高可达10%左右，值得进一步关注。

➤ 启示：臭氧等二次污染的控制

当前全球针对臭氧污染控制制定的人为源VOC减排策略均未考虑人为源单萜烯排放的管控。该研究说明，如果考虑人为源单萜烯排放对臭氧的影响，我国以及其它发展中国家城市臭氧污染控制可能比预期的更具挑战性。鉴于单萜烯对大气气溶胶形成也有潜在重要贡献，控制人为源单萜烯排放可能是开展臭氧和PM_2.5污染协同控制的重要途径之一。下一步研究亟需开展人为源单萜烯排放通量和排放因子等研究，建立人为源单萜烯排放清单以支持区域大气污染防治的精准施策。

上述成果发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR），为我国夏季城市群区域臭氧污染提供了新的认识，对于全球其它城市地区夏季臭氧污染的形成机制研究也具有重要意义。

北京大学环境科学与工程学院王海潮博士（现任中山大学大气科学学院副教授）、马雪飞博士，德国于利希研究中心谭照峰博士和上海市环境科学研究院王红丽副研究员为该论文共同第一作者，北京大学陆克定研究员和张远航院士为共同通讯作者，合作作者包括北京大学陈肖睿博士、暨南大学袁斌教授以及上海环科院黄成所长等。研究受到了国家科技部重点研发计划（2019YFC0214800），北京市杰出青年基金（JQ19031）以及国家自然科学基金（91544225, 21522701, 42175111）等项目的支持。

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Anthropogenic monoterpenes aggravating ozone pollution

https://doi.org/10.1093/nsr/nwac103