森林植被排放的挥发性有机物占到总挥发物的90%以上,排放种类上千种之多,它们具有杀菌、净化空气等生理生态学功能,其又具有高反应活性,能够与大气中的氧化物质反应,生成二次有机气溶胶,对对流层臭氧的形成、全球辐射平衡、碳循环和大气光化学烟雾的形成具有重要影响。开展植物源挥发物的研究,通过搞清植物源挥发性有机物(VOCs)的排放机制、辨识活性VOCs物种,对于更好的挥发植物在环境净化效应方面的作用具有重要的意义。随着我国经济的快速发展,环境污染问题愈发严重,以细颗粒物污染为特征的大气复合型污染日益凸显,在这种环境污染背景下,一方面森林植被通过直接覆盖地表,改变林内微气象,利用独特的枝叶结构可以捕获大气颗粒物;另一方面,森林植被排放的挥发性有机物的光氧化物质二次有机气溶胶又成为大气颗粒污染物的重要前体物,对于后者植物源挥发物的负效应作用机制目前还缺乏全面的了解。因此,本研究选取油松(Pinus tabuliformis)、侧柏(Platycladus orientalis)、栓皮栎(Quercus variabilis)、毛白杨(Populus tomentosa)和刺槐(Robinia pseudoacacia)五种北京山区优势森林树种,系统的对植物挥发物种类和成分进行了辩识,估算了不同植物挥发物的排放速率及其对环境变化的响应,对单株单位叶面积到林分挥发物排放潜力量化进行了尺度转换。基于以上研究,采用室内光化学烟雾箱模拟和野外观测相结合的方式,监测体系内VOCs组分和浓度变动,动态监测体系中颗粒物新组分,推导VOCs向二次有机气溶胶(SOA)反应途径,通过跟踪超细颗粒物的粒径变化,探讨SOA成核机制,并通过野外实地采样大气颗粒物,分析其中植物源二次有机气溶胶的来源、分子特征、化学性质和粒径分布的时空异质性。基于气粒分配理论,探讨VOCs向二次细颗物(SFPM)转换机制,并利用气溶胶生成潜势系数法估算VOCs转化二次细颗粒物(SFPM)潜势。主要研究结果如下:(1)不同森林树种挥发物种类具有时间差异性。从总挥发物数量上来看,不同树种挥发物种类表现出一定的季节性差异,夏季>秋季>春季>冬季;从日变化规律上来看,针叶树种排放挥发物在11:00—12:00或13:00—14:00时间段达到峰值,呈现出先增大后减少的“单峰”型变化趋势。针叶树种(油松、侧柏)和阔叶树种(栓皮栎、毛白杨和刺槐)释放萜烯类化合物较多。(2)针叶树种(油松、侧柏)和阔叶树种(栓皮栎、毛白杨和刺槐)释放萜烯类化合物相对含量较大。不同森林树种释放挥发物相对含量具有一定的时间差异性。从总挥发物数量上来看,不同树种挥发物相对含量表现出一定的季节性差异,夏季>秋季>春季>冬季。从日变化规律上来看,油松、侧柏、栓皮栎、毛白杨和刺槐释放的挥发物在春、夏、秋、冬四季在13:00—14:00和15:00—16:00出现峰值概率较大,表现出先增大后减少的“单峰”型变化趋势。就具体萜烯类物质而言,五种树种排放的异戊二烯相对含量在11:00-12:00达到最大值,总体呈现先增大后减少的“单峰”型变化趋势。五种树种单萜烯相对含量呈现“双峰双谷”型变化趋势,在11:00-12:00和15:00-16:00时间达到最大值。(3)不同森林树种释放的萜烯类化合物具有一定差异性。针叶树种(油松和侧柏)主要排放单萜烯,主要包括α-蒎烯(25.05%),β-蒎烯(13.29%),月桂烯(10.64%),香芹烯(5.81%),3-蒈烯(13.91%),水合桧烯(10.7%)。阔叶树种主要排放异戊二烯,由栓皮栎、毛白杨和刺槐释放的异戊二烯分别占到TBVOC的55.25%,76.47%,45.33%。(4)阔叶树种(栓皮栎、毛白杨和刺槐)排放异戊二烯速率较高,其中毛白杨排放异戊二烯速率最大。针叶树种(油松、侧柏)主要排放单萜烯,单位叶面积油松排放α-蒎烯、月桂烯和香芹烯速率较大,侧柏单位叶面积排放α-蒎烯、柠檬烯和水芹烯速率较大。植物萜烯类物质排放速率与温度和光照变化趋势一致,随白天温度和光照的升高而增大到最大值,随夜晚温度和光照的降低而下降到最小值。(5)单萜烯排放潜力对比,油松林>侧柏林>栓皮栎林>毛白杨林>刺槐林。从不同季节排放潜力来看,夏季>秋季>春季>冬季,夏季排放潜力超过冬季8倍以上。从全年不同月份排放潜力来看,油松林、侧柏林、栓皮栎林、毛白杨林和刺槐林单蒎烯排放潜力最大均均是在7月份(1.32 mg·m-2·h-1、1.19 mg·m-2·h-1、0.87 mg·m-2·h-1、0.73 mg·m-2·h-1、0.69 mg·m-2·h-1),最小是在 1 月份(0.12 mg·m-2·h-1、0.08 mg·m-2·h-1、0.1 mg·m-2·h-1、0.06 mg·m-2·h-1)。(6)针叶树种(油松、侧柏)和阔叶树种(栓皮栎、毛白杨、刺槐)排放萜烯类物质与大气温度和光照呈正相关,与相对湿度呈负相关。萜烯类物质排放速率在一定温度范围内呈指数增长。萜烯类物质排放速率在一定光照范围内呈非线性增长,并在光照达到一定程度时,排放速率增长逐渐保持平稳。不同植物萜烯类物质排放与净光合速率(Pn)、和蒸腾速率(Tr)呈极显著正相关。植物单萜烯排放速率与净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)和蒸腾速率(Tr)呈显著正相关,而与胞间CO2浓度(Ci)呈负相关。(7)萜烯类物质通过与03发生反应对二次有机气溶胶的生成和增长贡献很大。当O3浓度从100 ppbv提高到400 ppbv时,颗粒物数量浓度增加了 3.76×103个·cm3,颗粒物的粒径从9.8 nm增加到25.53 nm。当O3浓度为200 ppbv和400 ppbv时,颗粒物粒径增加明显,而O3浓度为100 ppbv时,颗粒物数量浓度很低,粒径变化也不明显。(8)异戊二烯的光氧化产物甲基四氢呋喃(分为顺式和反式甲基四氢呋喃)、2-甲基甘油酸、C5-烯三醇和2-甲基丁四醇浓度分别为0.87±0.33μg·m-3、6.13±2.36μg·m-3、17.64±1.82μg·m-3 和 8.12±2.14 μg·m-3;α-/β-蒎烯的光氧化产物蒎酮酸、3-羟基戊二酸、3-甲基-1,2,3-丁三酸浓度分别为7.25±1.87μg·m-3、4.64±1.52 μg·m-3和3.12±1.14 μg·m-3;β-石竹烯的光氧化产物β-石竹酸,平均浓度为3.44±1.53 μg·m-3。植物源二次有机气溶胶浓度与大气温度成正相关,与大气相对湿度成负相关。(9)天然源二次有机气溶胶在细模态颗粒物中浓度较大。异戊二烯的光氧化产物甲基四氢呋喃、C5-烯三醇、2-甲基丁四醇呈单峰分布,分别在粒径为0.4 nm、0.7 nm和0.8 nm处浓度达到最大值,而2-甲基甘油酸则呈双峰分布,分别在粒径为0.7 nm和3.3 nm处浓度达到最大值。α-/β-蒎烯的氧化产物蒎酮酸呈双峰分布,分别在粒径为0.8 nm和3.3 nm处浓度达到最大值;而其它两种氧化产物3-羟基戊二酸和3-甲基-1,2,3-丁三酸(MBTCA)则呈单峰分布,分别在0.4 nm和3.3 nm处浓度达到最大值。β-石竹烯的氧化产物β-石竹酸呈单峰分布,在0.8 nm处浓度达到最大值。丁二酸、戊二酸和o-邻苯二甲酸呈现双峰分布,分别在粒径为0.5 nm-4.7 nm之间浓度达到最大值。而苹果酸、m-邻苯二甲酸、p-邻苯二甲酸浓度都呈单峰分布,分别在粒径为0.8 nm、1.1 nm和1.1 nm处浓度达到最大值。(10)针叶树种(油松和侧柏)和阔叶树种(栓皮栎、毛白杨、刺槐)释放的烯烃类物质是对二次细颗粒物的贡献率最大。油松树种排放的挥发物共产生了 7.43μg/m3(春季)、12.56μg/m3(夏季)、7.43 μg/m3(秋季)和 1.55μg/m3(冬季)的 SFPM。油松和侧柏释放的α-蒎烯、β-蒎烯是烯烃类物质中对SFPM生成贡献率较高的两种物质。侧柏树种排放的挥发物共产生了 6.46 μg/m3(春季)、9.27 μg/m3(夏季)、8.56 μg/m3(秋季)和1.33μg/m3(冬季)的SFPM。栓皮栎树种排放的挥发物共产生了 5.19 μg/m3(春季)、11.09μg/m3(夏季)、和5.69μg/m3(秋季)的SFPM。毛白杨树种排放的挥发物共产生了 6.94 μg/m3(春季)、9.86 μg/m3(夏季)、和7.85 μg/m3(秋季)的SFPM。刺槐树种排放的挥发物共产生了 7.82 μg/m3(春季)、9.26 μg/m3(夏季)、和5.69 μg/m3(秋季)的SFPM。其中,春夏秋冬四季烯烃类物质是对二次细颗粒物的贡献率最大。α-蒎烯、β-蒎烯、3-蒈烯、β-石竹烯和长叶烯是阔叶树种排放的烯烃类物质中对SFPM生成贡献率较高的物质。