超越公共库存：基于遥感技术的城市树木生态系统服务评估

《Urban Forestry & Urban Greening》：Beyond public inventories: Remote sensing–based assessment of urban tree ecosystem services

本研究通过多源遥感、实地调查和情景模型，量化北京、上海、广州三大都市30米分辨率VOCs排放，发现生物源VOCs（BVOCs）虽占比小但反应性强，导致夏季O3和PM2.5污染增量分别达43%-64%和6%-23%。优化绿地管理可降低BVOC排放30%，并减少污染物浓度18%-30%。提出“双源协同管理”框架平衡生态与健康。

　　

文东|马丹平|张明辉|王兴宝|周汉星|黄东明|杨波|金晓爱|张静|史燕|陈健|任远

浙江农林大学林业与生物技术学院，中国杭州311300

摘要

城市绿地对居民的福祉至关重要，但同时也是生物源挥发性有机化合物（BVOCs）的重要来源。在快速城市化的地区，BVOCs与人为产生的挥发性有机化合物（AVOCs）相互作用，导致有害的二次空气污染物（包括臭氧O₃和细颗粒物PM_2.5）的形成，从而加剧了公共健康风险。本研究通过多源遥感、广泛的实地调查和情景建模，以30米的分辨率量化了北京、上海和广州这三个大城市的VOC排放量。我们分析了AVOCs和BVOCs对局部二次污染的相对贡献，并评估了优化绿地管理措施在减轻这些影响方面的有效性。研究结果表明，尽管AVOCs在总VOC排放中占主导地位，但由于其高化学反应性，BVOCs的影响更为显著。分析显示，在夏季光照条件有利的情况下，BVOCs对局部二次污染的贡献很大，估计O₃的峰值增量可达43%–64%，PM_2.5的峰值增量可达6%–23%。根据未来气候情景的预测，到2050年，由BVOCs引起的污染潜力将显著加剧，这主要是由气候变暖造成的。然而，通过优化树种组成等战略性干预措施，可以将BVOC排放强度降低多达30%，同时使二次有机污染物（O₃和PM_2.5的浓度分别降低18%和30%。我们提出了一种“综合双源管理”框架，以协调绿化带来的生态效益与保护公共健康的必要性。

引言

21世纪前所未有的城市化进程加剧了城市空气污染，带来了严重的环境和公共卫生问题（Heal等人，2013年；Vardoulakis等人，2014年；Liang和Gong，2020年；Wu等人，2025年）。高浓度的污染物（如细颗粒物PM_2.5和臭氧O₃）与呼吸系统和心血管疾病密切相关，是全球早死的主要原因（Gong等人，2023年；Huangfu和Atkinson，2020年；Jerrett，2015年；Lelieveld等人，2015年；Lv等人，2011年）。全球每年有数百万人因室外空气污染而早逝，尤其是在城市地区（Lelieveld等人，2015年；Anenberg等人，2019年；Rentschler和Leonova，2023年）。仅2019年，就有超过180万城市居民因空气污染死亡，占全球空气污染相关死亡人数的约43%（Southerland等人，2022年）。这些令人担忧的数据凸显了迫切需要有效策略来减轻城市空气污染并保护公共健康。

这些污染物的形成与挥发性有机化合物（VOCs）密切相关。VOCs通过光化学氧化作用促进地面臭氧O₃的形成，并作为二次有机气溶胶（SOA）的关键前体，进一步加剧了城市PM_2.5污染（Hallquist等人，2009年；Holopainen等人，2017年；Ma等人，2022年；Srivastava等人，2022年）。尽管许多地区加强了对人为产生的VOCs（AVOCs）的控制，但空气污染仍然持续高企（Li等人，2019年）。值得注意的是，研究表明，在COVID-19封锁期间，尽管人类活动减少，O₃浓度仍显著上升（Zongbo等人，2021年；Zhao等人，2023年），这突显了反应性BVOCs在城市大气化学中的重要作用（Di Carlo等人，2004年；Messina等人，2016年；Sindelarova等人，2022年；von Schneidemesser等人，2015年）。

城市绿地虽然提供了降温和休闲等重要的生态系统服务，但也可能是BVOC排放的热点区域，其排放情况很大程度上取决于树种组成（Ghirardo等人，2016年；Li等人，2024年；Li等人，2020年；Wang等人，2024a；Wang等人，2003年）。这一问题在快速绿化的国家尤为突出；例如，中国在过去二十年里全球绿化面积增加的25%都来自中国（Chen等人，2019年）。随着对AVOCs排放的严格控制，预计BVOCs的相对贡献将增加（Pfannerstill等人，2024年），而气候变化的影响将进一步加剧BVOC排放及其对空气质量的影响（IPCC，2021年；Wang等人，2024b；Li等人，2025年；Chang等人，2023年）。因此，量化复杂城市大气中BVOCs的环境和健康影响至关重要。

尽管人们越来越认识到BVOCs的重要性（Ren等人，2014年；Mo等人，2018年；Li等人，2023年；Bao等人，2024年），但仍然存在许多知识空白，阻碍了有效且具有气候适应性的绿地管理策略的发展（Lun等人，2020年；Zhang和Song，2021年）。首先，许多研究缺乏准确捕捉不同城市景观中BVOC排放动态及其后续健康影响所需的精细时空分辨率（Ma等人，2019年；Li等人，2020年；Oderbolz等人，2013年；Dunn-Johnston等人，2016年；Ren等人，2017年；Gu等人，2021年；Venter等人，2024年）。其次，BVOCs在富含AVOCs的环境中造成的环境影响程度以及这些效应在不同地区的差异仍不甚清楚（Calfapietra等人，2013年；Ren等人，2017年；Fitzky等人，2019年；Wu等人，2020年）。

本研究通过对中国的三个主要大城市——北京、上海和广州的AVOC和BVOC排放进行综合分析，解决了这些关键问题。通过结合大规模的实地调查、高分辨率遥感和先进的情景建模，我们旨在：（1）量化和比较AVOCs和BVOCs对环境O₃和PM_2.5污染的贡献，重点关注BVOCs的贡献；（2）评估局部空气质量影响的空间分布；（3）评估在不同气候变化和城市化情景下，有针对性的绿地管理策略在减轻未来空气质量风险方面的潜力。

研究区域

本研究聚焦于中国三大主要城市聚集区的中心城市：北京（39.90°N，116.40°E）、上海（31.23°N，121.47°E）和广州（23.13°N，113.26°E）（图1a）。这些城市代表了不同的气候类型——温带季风气候（北京）、湿润亚热带气候（上海）和南亚热带气候（广州）——以及相应的森林类型（表S1）。作为经济活动密集的中心枢纽，它们都面临着严重的空气污染问题（图1b-i），因此非常适合进行此类研究。

模型准确性评估

验证表明，高分辨率的清单有效捕捉了生物源前体的季节性变化。模型模拟的月度异戊二烯混合比与实测数据有很强的相关性（R² = 0.793，p?

AVOC和BVOC排放的时空特征

总排放量

BVOCs对城市空气质量的不成比例影响

我们估计的夏季O₃增量（约为75–85?μg?m^?3）明显高于近期使用三维化学传输模型（CTMs）的研究报告的区域平均值。例如，Wang等人（2025）估计广州绿地中的BVOCs对月度O₃水平的贡献为1.96–7.26?μg?m^?3，而Ma等人（2025）报告北京为9.81–15.7?μg?m^?3。这种差异反映了空间和时间尺度的差异。

结论

本研究对中国三大城市的BVOC排放及其对二次空气污染的潜在贡献进行了高分辨率（30米）的探索性评估。我们发现，尽管AVOCs在总排放量中占主导地位，但由于BVOCs的更高反应性，它们成为夏季O₃和PM_2.5污染的主要驱动因素，尤其是在高密度城市森林“热点”区域。我们的预测表明，到2050年，气候变化将进一步加剧这些生物源风险。

作者贡献声明

周汉星：可视化、调查。 王兴宝：软件、调查。 张明辉：资源、调查。 陈健：验证、监督。 史燕：写作——审稿与编辑。 马丹平：写作——初稿、方法论。 任远：写作——审稿与编辑、概念化。 文东：写作——初稿、软件、数据管理。 杨波：可视化。 黄东明：软件。 张静：正式分析。 金晓爱：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 [项目编号32572143, 32101573]和浙江省自然科学基金 [项目编号LQ20D050002]的支持。