城市生態(tài)系統(tǒng)-大氣間的碳通量研究進(jìn)展

賈慶宇，王宇，李麗光

1. 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110016；2. 中國科學(xué)院植物研究所植被數(shù)量生態(tài)學(xué)重點實驗室，北京 100093

全球每年由化石燃料燃燒釋放的二氧化碳(CO2)約達(dá)270×108t，我國是世界碳排放大國之一，碳排放占全球總排放量的18.4%。城市人口和交通集中，是CO2等溫室氣體的主要來源，在CO2排放研究中已受到重視。觀測表明，城市環(huán)境下CO2通量幾乎為凈排放[1]且其排放強度遠(yuǎn)大于其他生態(tài)系統(tǒng)。城市生態(tài)系統(tǒng)中人為釋放的CO2主要來源于煤和石油等化石燃料燃燒轉(zhuǎn)化為交通和動能，車輛排放的廢氣和其他人為源CO2不經(jīng)過處理排放到大氣中，會直接促進(jìn)了大氣CO2濃度的增加；城市擴(kuò)張改變的土地利用類型是使城市碳釋放增加（城市化毀林降低碳的固存）的另一主要原因，隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，CO2等溫室氣體排放不斷增加，從而加速了全球氣候變暖。

以往關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)-大氣間碳通量的研究主要集中在森林、草地、濕地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等下墊面均一的陸地生態(tài)系統(tǒng)，盡管已有城市碳通量的觀測[2]但總體而言城市在生物圈演變和全球碳循環(huán)研究中的作用還沒有引起足夠重視，對空間異質(zhì)性大的城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量缺乏觀測和數(shù)據(jù)分析。資料表明，面積不足全球陸地總面積2.4%的城市[3]卻貢獻(xiàn)了超過全球80%的CO2[4-5]。因此，了解城市生態(tài)系統(tǒng)-大氣間碳通量特性及其控制機制有助于更好地評估全球大氣中CO2濃度和變化趨勢，全面了解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳收支。

本文從城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測手段、碳通量的時空特征及其主要影響因素等方面，綜述了城市生態(tài)系統(tǒng)-大氣間碳通量的最新研究進(jìn)展，探討城市復(fù)雜下墊面條件下生態(tài)系統(tǒng)碳通量研究的特點和難點，提出未來擬加強研究的重點，為增進(jìn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的理解，準(zhǔn)確評估全球碳收支提供參考。

1 城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量的觀測方法

自1820年開始城市氣象[6]研究以來，城市氣象主要側(cè)重溫度即熱島和城市污染氣象的研究。隨著儀器設(shè)備和觀測技術(shù)的進(jìn)步，城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量也開始逐漸被關(guān)注。目前，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的觀測方法主要有：微氣象學(xué)方法（渦度相關(guān)法、質(zhì)量平衡法、能量平衡法和空氣動力學(xué)法）和箱式法（靜態(tài)箱法和動態(tài)箱法）[7]。利用微氣象學(xué)原理的渦度相關(guān)法是唯一能直接測定生物圈與大氣間物質(zhì)與能量通量的標(biāo)準(zhǔn)方法，已成為國際通量觀測網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)[8]。

渦動相關(guān)法經(jīng)過長期的理論發(fā)展和技術(shù)改進(jìn)，已經(jīng)實現(xiàn)了對森林、草地、濕地和農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)CO2和水熱通量的非干擾性直接測定[9-10]雖然在非均勻的城市邊界層觀測和研究中, 受到諸如能量閉合[11], 弱湍流情況下碳通量偏低[12], 夜間穩(wěn)定邊界層中出現(xiàn)的間歇、波動和流動分離, 降雨或沙塵天氣對儀器鏡片的污染等問題的困擾，但該方法依然被廣泛采用。全球生態(tài)系統(tǒng)通量觀測網(wǎng)(FLUXNET)中有不少站點就設(shè)在城市地區(qū)[13]。利用渦動相關(guān)觀測系統(tǒng)觀測和研究城市邊界層中動量、熱量、水汽和物質(zhì)輸送特征及其對全球變化的影響, 其中對于城市碳通量的觀測和研究更是目前國際上研究的熱點問題。

渦度相關(guān)法要求有均一的下墊面，尤其在主風(fēng)向上，而城市生態(tài)系統(tǒng)的下墊面復(fù)雜，評估城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量必需表征和明確界定站點周邊的土地利用類型、調(diào)查不同利用類型的權(quán)重。城市下墊面的非均一性決定了觀測站安置的位置不同，對數(shù)據(jù)影響十分顯著。研究時，一般將城市生態(tài)系統(tǒng)分為中心區(qū)（urban）、綠地（green space）和郊區(qū)（suburban）[14]。城市中心區(qū)人口和交通密集、植被覆蓋往往低于郊區(qū)，因此碳通量的監(jiān)測結(jié)果高于郊區(qū)，綠地植物光合作用碳通量往往表現(xiàn)為碳吸收。Loretta Gratani等[15]根據(jù)交通流量將羅馬城市細(xì)分成5個類型，即歷史遺跡、城市中心、城市中心的住宅區(qū)、城市公園和郊區(qū)。為研究碳通量的空間變異，Soegaard和Moller-Jensen[16]將渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝在位于車輛的9 m伸縮桅桿協(xié)方差系統(tǒng)之上，定期在道路入口與住宅和工業(yè)區(qū)不同的城市環(huán)境下測量，得到不同位置的碳通量數(shù)據(jù)。城市通量觀測站的高度現(xiàn)在沒有統(tǒng)一的規(guī)定，但為提高渦動協(xié)方差系統(tǒng)的空間代表性，儀器安置高度都高于城市冠層高度（周圍建筑物高度），沒有其他建筑物遮擋。

渦度協(xié)方差技術(shù)要求滿足下墊面相對平坦(坡降不超過10%)、風(fēng)向相對穩(wěn)定、大氣邊界層內(nèi)湍流劇烈且湍流間歇期短、植被在上風(fēng)向有足夠的延展、研究對象處于水平均勻的大氣邊界內(nèi)等條件[17]．但城市生態(tài)系統(tǒng)地形復(fù)雜、下墊面非均質(zhì)，不同下墊面具有不同的粗糙度，渦度協(xié)方差技術(shù)理論要求地表均一粗糙度為定值，這樣違背了渦度協(xié)方差技術(shù)理論的基本假設(shè)，為此儀器安裝的位置要考慮觀測試驗的目的，需要用通量貢獻(xiàn)區(qū)分析法來確定不同源面積對通量的貢獻(xiàn)。

2 城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化特征及其影響因子

2.1 城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化特征

城市生態(tài)系統(tǒng)基本表現(xiàn)為碳源[1]且其排放強度遠(yuǎn)大于其他生態(tài)系統(tǒng)。作為全球變化的驅(qū)動者和響應(yīng)者，隨著全球城市化進(jìn)程的不斷加劇，城市生態(tài)系統(tǒng)在局地對全球的生化循環(huán)、氣候變化起著越來越重要的作用。

城市生態(tài)系統(tǒng)CO2濃度存在著明顯的日、周和季節(jié)變化。日變化與早晚的上下班高峰有關(guān)。美國鹽湖城[18]CO2濃度在上午9:00最大410 ppm，在午后迅速下降到383 ppm；周變化與工作日和休息日的周期變化有關(guān)。Gratani等[11]對1995-2004年意大利首都羅馬市外圍平日和周末的觀測表明，羅馬市外圍平日和周末分別達(dá)到平均405和377 ppm，城市中心分別達(dá)到平均505和414 ppm，冬季月份>夏季15%，平日>周末22%，上午>下午23%；季節(jié)變化主要與冬季的取暖有關(guān)。王長科等[19]采用氣相色譜法測定北京城市32 m高處CO2濃度的季節(jié)變化，最大值出現(xiàn)在冬季，月平均濃度421.5～441.0 ppm，最小值在夏季月平均367.4～371.6 ppm。

城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量特征也具有日、周和季節(jié)變化。Eiko Nemitz等[20]對2000年10月～11月在日本東京的平均CO2通量（釋放）為26 μmol m-2s-1，典型日最高峰為50～75 μmol m-2s-1，夜間為10 μmol m-2s-1。鹽湖城通量8月為-4～+6 μmol m-2s-1，9月為-3～+6 μmol m-2s-1，最大值與交通高峰9點相同[20]。意大利羅馬[15]、中國沈陽[21]CO2通量變化與時間的響應(yīng)，即平日大于周末。

城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量特征與站點的位置密不可分，如表1所示，各城市的觀測結(jié)果顯示碳通量基本在0～40 μmol m-2s-1范圍內(nèi)，小于0的城市其下墊面以森林為主，如芬蘭的赫爾辛基[22]和美國巴爾的摩[23]。王修信[24]等研究放置在公園中心渦動相關(guān)系統(tǒng)在9月碳通量-105 μmol m-2s-1為凈吸收，而位于邊緣的儀器測得為28 μmol m-2s-1為凈排放。

表1 不同城市生態(tài)系統(tǒng)的碳通量Table 1 The carbon flux of different urban ecosystem

總的來說，CO2通量的變化表明城市是CO2排放的凈源, 其日變化特征復(fù)雜, 但都呈雙峰雙谷特征, 具體表現(xiàn)為凌晨邊界層穩(wěn)定、排放少時段的谷值,早晨和傍晚人們上下班高峰時段、機動車增多時的峰值, 午后光合作用影響下的谷值以及午夜大貨車入城時段的增大變化。其中凌晨谷值、傍晚及午夜前后的增大[25]。城市冬季燃燒供暖，使CO2通量明顯增加，傍晚出現(xiàn)峰值時間與集中供熱時間一致[21]。

2.2 城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響因子

在城市生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域，對碳收支貢獻(xiàn)的影響因子有：包括自然形態(tài)的土壤、植被，靜態(tài)的水泥、路面，動態(tài)的交通、人凈呼吸，隱藏在建筑物中的如家庭和餐飲業(yè)等。城市土地利用方式改變主要使土地覆蓋形式由一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型往往伴隨著大量的碳交換。研究發(fā)現(xiàn), 城市土地利用方式對植被碳的吸收和儲存能力存在相互矛盾。一方面, 城市中的不透水層降低了植被覆蓋率, 造成建成區(qū)單位面積碳的吸收和儲存能力降低; 另一方面,人工管理、熱島效應(yīng)和相對較低的臭氧濃度等可能使單株樹木的生長速度高于野外[33]。植被覆蓋的減少和單株生產(chǎn)力的提高這兩個相反的驅(qū)動力使得城市化地區(qū)植被碳吸收能力存在不確定性。

2.2.1 植被

城市由于熱導(dǎo)效應(yīng)大氣溫度高，使城市綠地的光合作用吸收CO2能力更強。Green DM[34]研究了美國菲尼克斯市草坪土壤呼吸的季節(jié)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，全年土壤呼吸速率（二氧化碳通量）在3.16～11.37μmol m-2s-1，高峰出現(xiàn)在夏季的7、8月和春季的4月，低值出現(xiàn)在秋季和冬季，草坪土壤的呼吸速率全年都高于對照樣地（當(dāng)?shù)靥烊簧衬鷳B(tài)系統(tǒng))。梅雪英等[35]不考慮吸收研究夏季上海草地排放量7月份最大，可達(dá)475 μmol m-2s-1。比較而言城市樹木要比草坪更能吸收二氧化碳，王修信[24]、李霞[36]研究北京綠地4-10月日均碳通量均為負(fù)值即是二氧化碳匯，吸收強度可達(dá)-100～-120 μmol m-2s-1，年凈光合生產(chǎn)力可達(dá)，8.7554 tCO2 hm-2a-1。

2.2.2 土壤、路面

城市有不同類型植被覆蓋的土壤表面CO2通量的日動態(tài)差異顯著，常綠林、灌木林、落葉林的CO2通量分別為為2.7 μmol m-2s-1、2.18 μmol m-2s-1、1.54 μmol m-2s-1[37]；何娜等[38]研究林分土壤壓實后的呼吸速率，根據(jù)壓實程度不同土壤表面日CO2通量變化主道比對照降低70%，而壓實支道降低40%。

城市無綠色植被覆蓋的路面和有鋪裝的封閉土壤，阻礙了氣體交換，土壤密實，貯氣的非毛管孔隙減少，減弱了土壤的呼吸作用，因此城市中的土壤呼吸能力相比自然生態(tài)系統(tǒng)低[39]。

2.2.3 交通

在影響城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量因素中，交通是城市二氧化碳最大的來源。汽車尾氣中的二氧化碳排放量和汽車發(fā)動機的油耗水平直接相關(guān)，因此碳通量與交通流量呈線性相關(guān)[16]峰值與高峰時間對應(yīng)。Soegaard等[16]研究市中心主要公路入口二氧化碳的排放率（16 g CO2m-2h-1）可比住宅區(qū)住宅最大高20倍（0.8 g CO2m-2h-1）。交通產(chǎn)生的碳通量大小與上下班時間密切相關(guān)，即平日大于周末和節(jié)假日、早晚高峰大于其它時間。CO2通量的峰值明顯和早上及晚上交通的高峰時段有關(guān)系[6]。墨爾本的Preston地區(qū)全日交通24小時流量為29404，上午高峰1991，下午高峰為2282，白天占75.7%，夜晚占24.3%。

2.2.4 供暖

冬季城市供暖是二氧化碳通量變異的主要來源[16]。美國的carbonflux計劃，通過飛機（取得12個固定取樣瓶）和船舶收集和檢驗空氣樣品，通過模式構(gòu)建出日平均通量，得出全球碳排放以城市一月份最為明顯。英國研究在取暖期住宅和公共服務(wù)機構(gòu)估計CO2通量（釋放）在白天釋放通量的39%，夜晚為64%。北半球冬季具備取暖措施的城市關(guān)注了冬季取暖對CO2通量的影響，賈慶宇等[21]研究發(fā)現(xiàn)城市供暖對后CO2排放可比供暖前增加29.37 g m-2d-1。Soegaard和Moller-Jensen（2003）[13]估算冬季取暖占CO2排放的12%，交通占的比例降到39%。

2.2.5 其它

隱藏在建筑物中的如家庭和餐飲業(yè)也是城市碳排放的源，而排放量的多少與所燃燒物質(zhì)的種類（如天然氣、煤炭、液化氣、柴油）、燃燒量、建筑物的密封程度[40]等有關(guān)。除研究以上因素之外，人的呼吸也是對二氧化碳通量的貢獻(xiàn)[41]比重較大的部分，在人口集聚區(qū)，在一個150立方米教室中20名學(xué)生，進(jìn)行4個小時的學(xué)習(xí)，室內(nèi)二氧化碳的濃度上升高達(dá)4630 ppm。Eiko Nemitz[20]等在蘇格蘭愛丁堡11月份人口稠密的市中心，觀測到的二氧化碳通量高峰能達(dá)到50～75 μmol m-2s-1。

對城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測數(shù)據(jù)誤差項的解釋，通量數(shù)據(jù)中的異常值也許并不是系統(tǒng)本身造成的，必須考慮各種人為的因素不確定性，包括節(jié)假日大型活動、法定休息日等會對交通流量產(chǎn)生直接的影響，城市建設(shè)的快速發(fā)展直接導(dǎo)致下墊面利用類型的變化。

2.3 通量足跡分析

多種影響通量的因素決定了數(shù)據(jù)的結(jié)果，必須有站點詳細(xì)特征的描述。足跡（footprint）反映了獲取通量數(shù)據(jù)的空間代表性，城市碳通量渦動相關(guān)觀測的關(guān)鍵是解決城市復(fù)雜下墊面通量觀測的足跡[42]遙感數(shù)據(jù)可為貢獻(xiàn)區(qū)分析提供必要的數(shù)據(jù)來源，如土地覆蓋、地形等、土地利用等動態(tài)變化，為通量貢獻(xiàn)區(qū)分析提供高分辨的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，在一定程度上可用來修正貢獻(xiàn)區(qū)分析模型。量化城市生態(tài)系統(tǒng)中交通、人口、和掩藏在建筑物下面的未知碳源，進(jìn)行源區(qū)分析（footprint）也是了解該地區(qū)影響碳通量的關(guān)鍵[17]。

目前，關(guān)于通量足跡的分析方法主要有拉格朗日模式（LPDM-B）[43]、一維模式[44]、基于Monin-Obukhov相似性理論的FSAM模型（Flux-Source Area Model）[45]、適合足跡的大渦模型[45]及基于非中性層結(jié)條件的KM模型（Kormann-Meixner method）[47]。其中拉格朗日模式隨機模式和大渦模型計算復(fù)雜，不易做長期觀測計算[48]；FSAM模型要求近常通量層僅存在于近地面，中性層結(jié)條件下和平坦下墊面對輸入?yún)?shù)有諸多限制[49]；KM模型基于非中性層結(jié)條件，給出了真正意義上的解析解[50]。

由于城市為復(fù)雜下墊面，因此在研究通量貢獻(xiàn)區(qū)時也必須考慮不同類型下墊面高度對空氣動力學(xué)粗糙度的影響。

3 結(jié)論與展望

城市生態(tài)系統(tǒng)下墊面由靜態(tài)的土壤、植被、路面、建筑物等，和動態(tài)的交通、人等組成，在空間分布上存在很大的非均勻性，因此需要設(shè)計確定城市下墊面地表粗糙度和零平面位移的方案[51]。

目前城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測在歐洲、美國開展較多，隨著全球城市化進(jìn)程速度加快，需要在城市增加觀測點，并展開長期的更加深入細(xì)致有效的觀測試驗。由于目前進(jìn)行城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量的研究較少，加之城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測點的選取，觀測儀器的安裝布置，資料處理等等都難以統(tǒng)一，限制了這一領(lǐng)域的研究交流，因此，為了增強數(shù)據(jù)的可比較性，必須統(tǒng)一城市通量站的觀測規(guī)范。鑒于城市生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中發(fā)揮的重要作用，在未來研究中如何對城市碳循環(huán)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，并且深入分析城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與其他生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的相互作用至關(guān)重要。

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