北京大学物理学院张霖课题组研究揭示中国南部森林化对臭氧空气质量和森林碳储存的协同效益

北京大学物理学院大气与海洋科学系张霖课题组通过改进区域空气质量模型对森林植被–大气化学相互作用的模拟，结合植被卫星观测和林业统计年鉴数据，揭示了我国南方地区森林化对区域臭氧空气质量和森林碳储存的协同效益。相关成果以《中国南部造林对臭氧空气质量和碳储存的协同效益》（“Co-benefit of forestation on ozone air quality and carbon storage in South China”）为题，于2025年3月11日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

自2000年以来，地球变得越来越“绿”，其中我国南部的造林工作为这一变化作出了重要贡献。造林（包括新造林和再造林）是增强生物圈碳储量、推动碳中和的重要措施之一。它通过生物圈和大气圈的相互作用，不仅能促进碳储存，还能影响空气质量。近地面臭氧是我国面临的主要空气污染物之一，主要由人为和植被排放的非甲烷挥发性有机物（NMVOCs）和氮氧化物发生光化学反应生成，并通过化学反应损耗和干沉降去除。然而，森林覆盖的变化如何通过复杂的生物圈–大气化学相互作用影响近地面臭氧空气质量，仍然是一个有待解决的问题。

张霖课题组通过优化区域空气质量模型，引入森林冠层湍流参数化并更新干沉降方案，使模型更加完整地表征森林植被–大气化学的相互作用，更为准确地捕捉华南森林站点测量的近地面臭氧浓度垂直梯度。在此基础上，课题组结合植被卫星观测和林业统计年鉴数据，量化评估了2005年以来我国南方地区森林化对区域臭氧空气质量和森林碳储量的影响。研究通过设定不同敏感性情景，量化了森林植被通过“冠层效应”“沉降效应”和“排放效应”对近地面臭氧浓度变化的贡献，进一步评估了未来造林的潜在效应（图1）。

图1. 量化森林化对臭氧空气质量和森林碳储存影响的研究框架

研究结果表明，2005至2019年期间，森林化使我国南方地区生长季节（4—10月份）平均的地表日最大8小时臭氧浓度（MDA8）净减少了1.4±2.3ppbv，且臭氧相关的植被暴露损害减少了15%—41%。其中，森林植被NMVOCs排放增加（“排放效应”）导致MDA8臭氧浓度略微增加了0.3ppbv，而其通过臭氧干沉降作用增加（“沉降效应”）以及森林冠层湍流的抑制作用（“冠层效应”），分别减少了近地面臭氧浓度约1.0ppbv和0.7ppbv，远超其“排放效应”（图2）。统计分析历史森林储量数据表明，2005至2019年期间的森林化使其碳储量增加了1.8（1.6—2.1）PgC（10亿吨碳）。

图2. a) 森林植被影响近地面臭氧空气质量的途径：“冠层效应”“沉降效应”和“排放效应”。b) 2005至2019年间我国森林化对南方地区平均臭氧空气质量的净影响及各途径的分离影响

该研究揭示了森林化对区域臭氧空气质量和森林碳储存的协同效益，为我国乃至全球在实现碳中和的同时改善空气质量提供了科学依据。依据我国林业发展目标，到2030年，森林蓄积量将比2005年（137亿立方米）增长60亿立方米，并预计在2050年进一步增至265亿立方米。未来造林将进一步增加森林碳储量并改善区域臭氧空气质量，预计到2030年和2050年，森林化将使我国南方地区平均臭氧浓度分别减少约0.4（0—0.7）ppbv和1.4（0.2—2.6）ppbv。

该研究由国家重点研发计划和国家自然科学基金资助。北京大学物理学院大气与海洋科学系博士后刘泽慧（PKU-MIT联培博士后）为第一作者，张霖为通讯作者，大气与海洋科学系博士毕业生周密和李丹阳参与了主要研究工作。其他合作者包括中国科学院大气物理研究所研究员宋涛、南京信息工程大学教授乐旭、中山大学副教授卢骁和中国海洋大学副教授赵园红。