北京市四環(huán)路及路旁綠地CO2變化特征及來源分析

張驍博,孫守家,鄭 寧,郭 佳,舒健驊,李春友,*

1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué),園林與旅游學(xué)院,保定 071000 2 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091 3 北京市園林科學(xué)研究院,園林綠地生態(tài)功能評價與調(diào)控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100102 4 北京市園林科學(xué)研究院,綠化植物育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100102

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北京市四環(huán)路及路旁綠地CO2變化特征及來源分析

張驍博1,孫守家2,鄭 寧2,郭 佳3,舒健驊4,李春友1,*

1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué),園林與旅游學(xué)院,保定 071000 2 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091 3 北京市園林科學(xué)研究院,園林綠地生態(tài)功能評價與調(diào)控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100102 4 北京市園林科學(xué)研究院,綠化植物育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100102

城市大氣中CO2的變化特征及來源解析是制定節(jié)能減排措施的重要依據(jù),對比非采暖季與采暖季北京市四環(huán)路(阜通東大街-京密路)路旁及距離道路100 m綠地中不同高度大氣中CO2濃度,并利用Keeling plot方程結(jié)合IsoSource軟件進(jìn)行分析,以期獲得不同季節(jié)CO2變化特征及定量估算其來源。結(jié)果表明,不同來源的CO2中具有差異顯著的δ13C值,其中：土壤呼吸(-18.92‰)>植物呼吸(-23.40‰)>燃煤廢氣(-24.10‰)>機(jī)動車尾氣(-28.14‰)>天然氣廢氣(-33.34‰)。路旁和綠地的大氣CO2濃度在采暖季中分別比非采暖季中高26.2%和41.2%,路旁與綠地的大氣CO2濃度在非采暖季中差異顯著而采暖季中無明顯差異。在非采暖季中,CO2濃度在6:00和20:00時較高,路旁大氣CO2隨高度升高而降低,綠地大氣CO2濃度在8 m處最高,日變化明顯。在采暖季中,CO2濃度與車流量有相似的日變化趨勢,在8:00和19:00時較高,路旁和綠地處大氣CO2濃度都隨高度的升高而降低。路旁和綠地的大氣CO2來源差別明顯,非采暖季中路旁大氣CO2主要來自于機(jī)動車尾氣而綠地中大氣CO2主要來自于土壤和植物呼吸,在采暖季中路旁及綠地中大氣CO2的來源差別較小,主要來自于燃煤廢氣和機(jī)動車尾氣。

城市生態(tài)系統(tǒng)；CO2濃度；δ13C；來源

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2007年的報告指出：CO2濃度的顯著升高所引發(fā)的全球變暖、海平面升高等環(huán)境問題已經(jīng)嚴(yán)重制約城市的可持續(xù)發(fā)展,而城市大氣CO2的增長主要來自于化石燃料的燃燒[1]。有研究表明,僅占全球陸地面積2.4%的城市區(qū)域卻產(chǎn)生全球80%的CO2排放量[2]。進(jìn)入21世紀(jì)后,全球CO2濃度平均每年升高約1.8 μmol/mol[3]。2013年全球大氣CO2濃度突破400 μmol/mol[4],這數(shù)值相比于工業(yè)革命之前升高近120 μmol/mol[5]。北京市在2013年的機(jī)動車擁有量約543.7萬輛[6],煤炭年消耗量約為2600萬t[7],天然氣的消耗量逐年增加,城區(qū)CO2濃度顯著增加[8]。到供暖季節(jié),天然氣和煤炭大量消耗增加CO2排放,使環(huán)境問題尤為嚴(yán)重。相比于其他地區(qū),城市具有低濕[9]、高溫[10]、污染嚴(yán)重[11]等特殊的大氣環(huán)境,其碳循環(huán)過程極為復(fù)雜,掌握城市大氣CO2的變化特征,對認(rèn)識和控制現(xiàn)有的環(huán)境問題、減少人類活動對環(huán)境的負(fù)面影響具有參考意義[12]。然而,先前對城市碳循環(huán)的研究多集中于渦度方法[13-14],在測定CO2濃度和計算總量方面取得較多進(jìn)展,但因方法所限尚不能定量區(qū)分其來源及比例。

CO2中含12C和13C兩種穩(wěn)定性同位素,其物理和化學(xué)性質(zhì)上的不同,導(dǎo)致反應(yīng)底物和生成產(chǎn)物在同位素組成上出現(xiàn)差異[15],這種差異可以用于生態(tài)系統(tǒng)中的碳交換研究[16]。Yakir等[17]將碳同位素與Keeling plot方程結(jié)合來獲得生態(tài)系統(tǒng)中不同組分的13C比率,通過線性兩端模型確定生態(tài)系統(tǒng)中碳的來源及各來源所占比例。將碳同位素與Keeling plot方法引入城市生態(tài)系統(tǒng)中,可以彌補(bǔ)以往研究中對城市生態(tài)系統(tǒng)碳交換組分無法區(qū)分的不足。國外科學(xué)家已經(jīng)通過測定城市大氣CO2濃度和穩(wěn)定同位素比率的變化來估算城市大氣CO2中化石燃料的貢獻(xiàn)率[18-19],而國內(nèi)對這方面的研究相對較少[20]。

本研究以北京市四元橋周邊空氣為研究對象,通過離軸積分腔輸出光譜技術(shù)(off-axis integrated cavity output spectroscopy, OA-ICOS)測定其CO2濃度和δ13C值,利用Keeling plot方程結(jié)合IsoSource軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,旨在說明：1)四環(huán)路及路旁綠地中CO2濃度變化特征；2)不同來源CO2中的δ13C值；3)不同季節(jié)空氣CO2中各CO2來源及相對貢獻(xiàn)率,以期為制定節(jié)能減排措施來改善城市生態(tài)環(huán)境和應(yīng)對氣候變化提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在北京市的重要交通樞紐四元橋(116°27′E, 39°58′N)周邊進(jìn)行,地處交通干道,車流量較大,周邊植物以高大喬木為主。觀測塔設(shè)置在四環(huán)路(阜通東大街-京密路)旁及北京市園林科學(xué)研究院(BILA)內(nèi)距離四環(huán)路100 m的綠地中,分別命名為Ta和Tb(圖1)。在Ta高度2、8、15 m及Tb高度2、8、15、20 m處架設(shè)外徑為1/4英寸的EATON管至地面,以便對不同高度的氣體進(jìn)行收集,管口統(tǒng)一朝向四環(huán)路一側(cè),如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Location of the observation site

1.2 采樣及測定方法

1.2.1 四環(huán)路車流量測定

對車流量的統(tǒng)計是在交通量較大的四環(huán)路主路(阜通東大街-京密路段),從2015年9月至2016年1月每月選擇一個工作日6:00—20:00時段使用計數(shù)器每0.5h對車流量進(jìn)行1次5min的統(tǒng)計,將結(jié)果乘以6來得到0.5h的車流總量。

1.2.2 觀測塔空氣樣品的收集及測定

空氣樣品取樣在2015年8月至2016年1月進(jìn)行,其中以11月5日北京市集中供暖為界,之前為非采暖季,之后為采暖季。每月選擇1—2個無風(fēng)的典型晴天,在11:00—13:00間分別對Ta、Tb高2、8、15 m及Tb高20 m處的空氣進(jìn)行收集,收集時用FM2002- 12V微型真空泵(成都?xì)夂C(jī)電制造有限公司,中國)連接EATON管,先抽氣3min以將原EATON管中氣體排出,空氣樣品儲存在1L的鋁塑復(fù)合膜氣體采樣袋中(大連海德科技有限公司,中國)待測。每個樣點(diǎn)重復(fù)取樣6次,采用往返采樣方法,以減少取樣時間不一致造成的試驗(yàn)誤差。此外,在非采暖季和采暖季對以上取樣點(diǎn)進(jìn)行2次CO2濃度日變化取樣,取樣時間為當(dāng)日6:00—20:00的整點(diǎn)時,取樣方法同上,重復(fù)5次。

將待測的氣體樣品通過手動進(jìn)樣方式注入CCIA- 38EP-CO2穩(wěn)定同位素分析儀(Los Gatos Research Inc., USA)中分析樣品的CO2濃度和13C比率,使用前用已知CO2濃度和δ13C值的標(biāo)準(zhǔn)氣體(北京理加聯(lián)合科技有限公司,中國)進(jìn)行標(biāo)定,使用期間每測定50個樣品進(jìn)行1次標(biāo)定。儀器采樣頻率為1 Hz,CO2測定精度為0.05 μmol/mol,δ13C測定精度為0.1‰。δ13C為13C的測定結(jié)果相對于VPDB(Vienna Pee Dee Belemnite)的千分率(‰),公式為：

(1)

式中,Rsample和Rstandard分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物13C/12C的摩爾比率。

1.2.3 汽車尾氣及天然氣燃燒廢氣的收集及測定

將靠近4環(huán)路的大屯路隧道、慧忠路隧道按長度等分為5段,在4個等分點(diǎn)和兩端進(jìn)行氣體取樣。取樣時間選擇在車流量較大的7:00—9:00和17:00—19:00,每個樣點(diǎn)重復(fù)取樣3次。在試驗(yàn)地周邊選取20戶使用天然氣灶具的家庭,對燃具灶燃燒天然氣產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行收集,每戶重復(fù)取樣2次。CO2濃度及13C測定方法同1.2.2。

1.2.4 植物和土壤樣品的收集和測定

2015年6月及2015年8月對四元橋周邊的優(yōu)勢樹種,國槐(Sophorajaponica)、銀杏(Ginkgobiloba)、楸樹(Catalpabungei)、五角楓(Acermono)、毛白楊(Populustomentosa)、垂柳(Salixbabylonica)和小葉白蠟(Fraxinussogdiana)進(jìn)行取樣,分別在樹木北側(cè)和南側(cè)各取10—15片樹葉進(jìn)行混合,每種植物重復(fù)3次。樣品取回清水洗凈后在烘箱中105 ℃殺青1小時,用70 ℃烘干至恒重,粉碎過80目篩,過篩后的粉末待測。

2015年7月對四元橋周邊的北京市園林科學(xué)研究院綠地、四得公園綠地、太陽宮公園綠地等進(jìn)行土壤取樣。為盡可能減少土壤空間變異性的影響,每塊綠地都以“S”型設(shè)置5—7個采樣點(diǎn),收集5—20 cm深度處的土壤。土壤樣品取回自然風(fēng)干后,以過量0.1 mol/L的稀鹽酸浸泡24h,去除樣品中的碳酸鹽,用清水沖洗若干次后過80目篩后待測。

將待測植物和土壤樣品加入Flash EA1112 HT元素分析儀(Thermo Scientific Inc., USA)中高溫還原為CO2,用DELTA V Advantage質(zhì)譜儀(Thermo Scientific Inc., USA)測定CO2中的δ13C值,測定精度為0.1‰。

1.3 數(shù)據(jù)處理

城市生態(tài)系統(tǒng)空氣中的CO2濃度增加主要源于化石燃料燃燒和自然生態(tài)系統(tǒng)呼吸。生態(tài)系統(tǒng)中CO2濃度是大氣本底濃度與增加源氣體濃度之和,用公式表示為：

CE=Cb+Ci

(2)

式中,CE、Cb和Ci分別表示生態(tài)系統(tǒng)中的CO2濃度、CO2濃度的本底值和增加的CO2濃度。以同一高度的CO2濃度和δ13C值作keeling plot方程,其截距即為生態(tài)系統(tǒng)CO2的碳同位素組成δE[17,21],公式表示為：

(3)

式中,δE和CE分別代表生態(tài)系統(tǒng)空氣中的δ13C值和CO2濃度,Cb和δb分別為本底大氣CO2濃度和δ13C值,δi表示外源增加CO2的δ13C值。當(dāng)1/CE趨于0時,有δE=δi?；诜匠?3),得到生態(tài)系統(tǒng)CO2中的δ13C值,以及汽車尾氣和天然氣燃燒廢氣中CO2的δ13C值。

自然生態(tài)系統(tǒng)呼吸CO2由土壤異養(yǎng)呼出的CO2和植物自養(yǎng)呼出的CO2組成,根據(jù)朱先進(jìn)等[22]對森林、草地生態(tài)系統(tǒng)各組分呼吸之間相互關(guān)系的研究,將城市自然生態(tài)系統(tǒng)中自養(yǎng)呼吸量占總呼吸量的值規(guī)定為46%。Bowling等[16]證明葉片呼吸產(chǎn)生的CO2的δ13C值較光合產(chǎn)物高約3‰,δT由以下公式獲得：

(4)

式中,δT為城市綠地系統(tǒng)呼吸產(chǎn)生的CO2中δ13C值,δp為植物葉片的δ13C值,δp+3‰為植物葉片呼吸(自養(yǎng)呼吸)產(chǎn)生CO2的δ13C值,δs為土壤(異養(yǎng)呼吸)的δ13C值。

大氣CO2來源所占比例分析是基于穩(wěn)定同位素的質(zhì)量守恒公式,

δE=fbδb+fiδi

(5)

式中,fb和fi分別表示本底大氣CO2和外源增加CO2在生態(tài)系統(tǒng)CO2中所占的比例,且和為1。當(dāng)來源于外源增加CO2比例趨于1即大氣本底CO2比例fb=0時,有δE=δi,得到公式：

(6)

式中,fm、fc、fn、fs和fp分別表示汽車尾氣、天然氣廢氣、燃煤廢氣、土壤呼吸和植物呼吸產(chǎn)生的CO2在大氣CO2增加量中所占的比例,且和為1,δm、δc、δn、δs和δp分別表示各自的δ13C值。通過IsoSource模型按照指定增量范圍(1%)進(jìn)行疊加運(yùn)算,得到各CO2來源貢獻(xiàn)率出現(xiàn)頻率的分布,將處于忍受范圍內(nèi)(±0.1‰)的組合進(jìn)行加權(quán)平均得到各CO2來源在大氣CO2增加量中所占比例[23]。

11月5日進(jìn)入采暖季之后的數(shù)據(jù)將燃煤廢氣作為來源分析,北京地區(qū)11月上旬大部分植物葉片開始變色、掉落,故11月2日以后分析來源時不包含植物呼吸。譚炯銳等[24]研究發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)進(jìn)入12月以后的冬季土壤呼吸速率僅為植物生長季的10%左右,因此在分析11月21日后數(shù)據(jù)時忽略土壤呼吸產(chǎn)生CO2造成的影響。

使用IBM SPSS Statistics 19通過3δ檢驗(yàn)法剔除異常數(shù)據(jù),利用IsoSource軟件對城市生態(tài)系統(tǒng)CO2中13C的來源進(jìn)行定量區(qū)分,用Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 四環(huán)路車流量日變化分析

圖2 四環(huán)路車流量日變化(均值±標(biāo)準(zhǔn)差,n=4)Fig.2 Variations of traffic flow on the Fourth Ring Road (mean±sd, n=4)車流量統(tǒng)計時間為2015年8月18日、9月24日、10月29日及11月11日

圖2結(jié)果顯示,不同時段四環(huán)路(阜通東大街-京密路段)車流量差異明顯。在6:00—9:00車流量迅速增加,在9:00達(dá)到峰值,9:00—11:00呈下降趨勢,11:00—12:00逐漸上升,在12:00時達(dá)到第二個峰值,隨后12:00—13:00車流量迅速減少,13:00—16:00保持平穩(wěn),16:00—18:00再次增加,18:00左右達(dá)到第三個峰值,18:00—20:00時車流量逐漸減少。

2.2 CO2濃度變化特征分析

圖3結(jié)果表明,2015年8月13日至2016年1月9日Ta和Tb不同高度處CO2濃度隨時間呈較為明顯的上升趨勢。相比于8月13日的數(shù)據(jù),1月9日Ta不同高度處CO2濃度平均升高約26.2%,Tb不同高度處CO2濃度平均升高約41.2%。

圖3 Ta和Tb不同高度處CO2濃度月份變化(均值±標(biāo)準(zhǔn)差,n=6)Fig.3 Monthly variations of CO2 concentration at different height of Tb and Tb (mean±sd, n=6)

在非采暖季中,Ta和Tb處CO2濃度差異明顯,Ta處CO2濃度隨高度的升高而增加,Tb處CO2濃度在8m處最高、在2、15、20 m處隨高度升高而增加。Ta2、8、15 m處的平均CO2濃度分別比Tb2、8、15 m處高15.86%、13.09%和8.43%,差值最大為71.46 μmol/mol(2 m處),最小為31.2 μmol/mol(15 m處)。Ta處CO2濃度最大值為518.36 μmol/mol(2 m處),最小值為427.83 μmol/mol(15 m處)；2 m處的平均CO2濃度分別比8 m和15 m處高0.37和6.81%。Tb處CO2濃度最大值為453.84 μmol/mol(8 m)處,最小值為398.42 μmol/mol(20 m處)；2 m處的平均CO2濃度比8 m處低1.99%,與15和20 m處僅相差0.06和1.23 μmol/mol。

在采暖季中,Ta和Tb處CO2濃度差異較小,在Ta和Tb處CO2濃度都呈現(xiàn)隨高度增加而增加的趨勢。Ta2、8、15 m處的平均CO2濃度分別比Tb2、8、15 m處高 4.29%、1.79%和1.03%,差值最大為46.55 μmol/mol(2 m處),最小為-8.21 μmol/mol(8 m處)。Ta處CO2濃度最大值為568.57 μmol/mol(2 m處),最小值為534.72 μmol/mol(15 m處),2 m處的平均CO2濃度分別比8和15 m處高1.15和2.57%。Tb處CO2濃度最大值為568.48 μmol/mol(2 m處),最小值為507.83 μmol/mol(15 m處),2 m處的平均CO2濃度分別比8和15 m處低1.30%和0.59%,比20 m處高0.42%。

圖4所示,在非采暖季中,Ta處CO2濃度隨采樣高度升高而降低,且隨時間變化而發(fā)生改變,CO2濃度在6:00—8:00穩(wěn)定在 467.86 μmol/mol左右,8:00—11:00逐漸下降,在11:00達(dá)到第1個谷值,約427.79 μmol/mol,11:00—14:00緩慢上升,在14:00左右達(dá)到峰值,約439.89 μmol/mol,14:00—17:00變化較小,17:00—20:00逐漸升高至469.03 μmol/mol。Tb處與Ta處不同,在7:00—17:00時不同高度處的CO2濃度差別明顯不明顯,且在該時間段內(nèi)CO2濃度的日變化不明顯,僅在6:00—7:00時有明顯下降,在17:00—20:00時有明顯上升,而在6:00—7:00和17:00—20:00時間段內(nèi),表現(xiàn)出隨高度升高而升高的趨勢,在6:00和20:00時,Tb8 m處的CO2濃度與其他高度相差較大,分別達(dá)到428.01和458.60 μmol/mol,比同時段Tb2、15和20 m處的平均值高17.61和30.92 μmol/mol。

圖4 Ta和Tb不同高度處CO2濃度日變化(非采暖季和采暖季, n=10)Fig.4 Daily variations of CO2 concentration at different height of Ta and Tb (heating season and non-heating season, n=10)

在采暖季中,Ta與Tb除18:00—20:00間有較大差值外,其余時間CO2濃度差別不明顯,日變化均表現(xiàn)為6:00—8:00升高,在8:00達(dá)到第1個峰值(約636.47 μmol/mol)；8:00—11:00下降,在11:00達(dá)到第一個谷值(約536.47 μmol/mol)；11:00—14:00升高,在13:00左右出現(xiàn)第2個峰值(約547.49 μmol/mol)；在14:00—17:00間變化不明顯,17:00—18:00間CO2有較大地升高,達(dá)到630.28 μmol/mol,18:00—20:00時相對穩(wěn)定。此外,Ta與Tb處均表現(xiàn)出CO2濃度隨高度升高而降低的趨勢,但不同高度間數(shù)值的差別較小。

2.3 不同來源CO2中δ13C值分析

典型隧道中CO2濃度的增加主要來自于多種機(jī)動車行駛時排放的尾氣,北京市大屯路隧道及慧忠路隧道中大氣CO2濃度倒數(shù)和δ13C值的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)CO2濃度趨近于無窮大(即[CO2]-1趨近于0)時,大屯路隧道中數(shù)據(jù)的趨勢線截距為-28.266‰(P<0.01),慧忠路隧道中數(shù)據(jù)的趨勢線截距為-28.011‰(P<0.01)。平均后得到北京市機(jī)動車尾氣CO2中的δ13C值為-28.14‰。

圖5 汽車尾氣及天然氣燃燒廢氣中[CO2]-1與δ13C的關(guān)系Fig.5 Relationship between[CO2]-1 and δ13C on automobile exhaust and waste gas from natural gas

圖5B為北京市天然氣灶具排放廢氣中CO2濃度倒數(shù)和δ13C值的關(guān)系,當(dāng)CO2濃度趨近于無窮大時,圖中數(shù)據(jù)的趨勢線截距=-33.388‰(P<0.01),故北京市家用天然氣廢氣CO2中δ13C的值為-33.40‰。

表1 四元橋周邊多種植物葉片中的δ13C值

四元橋周邊植物種類較多,全部取樣測定很難實(shí)現(xiàn),因而僅對四元橋周邊主要植物葉片進(jìn)行了采集并測定δ13C值。表1結(jié)果顯示,大多植物南側(cè)葉片δ13C值比北側(cè)高,相差最大值為2.31‰,最小值為0.46‰。南側(cè)葉片δ13C平均值比北側(cè)高約1.19‰。為了便于對CO2來源進(jìn)行分析,取以上6種植物側(cè)北側(cè)葉片的平均值代表四元橋周邊植物葉片中的δ13C值,結(jié)果為-26.40‰。根據(jù)公式(4),四元橋周邊植物呼吸產(chǎn)生CO2中的δ13C值為-23.40‰。

圖6 四元橋周邊綠地土壤中的δ13C值(均值±標(biāo)準(zhǔn)差,n=5—7)Fig.6 The soil δ13C value of green space system around the Siyuan Bridge (mean±sd, n=5—7)

圖6顯示,四元橋周邊金隅南湖公園、太陽宮體育休閑公園、太陽宮公園、四得公園和北京市園林科學(xué)研究院5塊綠地中土壤的δ13C值分別為(-18.81±1.14)‰、(-19.05±0.28)‰、(-18.60±0.87)‰、(-19.27±0.35)‰和(-18.88±0.41)‰。因此,本文中取5塊綠地土壤中δ13C值平均值代表四元橋周邊土壤呼吸釋放CO2中的δ13C值,即-18.92‰。因燃煤廢氣的排放口位置較高,采集困難。Tans[25]和Andres等[26]通過在全球尺度上估計化石燃料燃燒所產(chǎn)生CO2的碳同位素組成,發(fā)現(xiàn)所有煤的δ13C值都基本恒定在-24.10‰,因此本文取北京市燃煤廢氣中CO2的δ13C值為-24.10‰。

綜上,不同來源CO2中的δ13C值如表2所示。

2.4 空氣中δE變化特征及CO2增加量來源分析

圖7A顯示,8月13日Ta處化石燃料燃燒排放CO2占CO2總增加量的49.8%,其中汽車尾氣占29.6%,天然氣廢氣占20.2%；生態(tài)系統(tǒng)呼吸約占50.2%,其中土壤呼吸占21.1%,植物呼吸占29.2%。隨著季節(jié)變化,生態(tài)系統(tǒng)呼吸所占比例逐漸降低,到11月2日,汽車尾氣和天然氣廢氣分別占35.4%和30.4%。11月5日之后生態(tài)系統(tǒng)呼吸所占比例趨近于0,且進(jìn)入采暖季,燃煤廢氣成為添加源。隨著進(jìn)入采暖季時間增加,燃煤廢氣所占比例逐漸增加,到1月9日,汽車尾氣、天然氣廢氣和燃煤廢氣所占比例分別為41.5、17.5和41%。

表2 不同來源CO2的δ13C值

圖7 Ta和Tb處δE月份變化及大氣CO2中各來源所占比例Fig.7 Monthly δE value at Ta and Tb and the contributions of different CO2 sources

圖 7-A, B顯示,Ta處δE最大值和最小值分別為-25.87(8月13日)和-27.55‰(12月15日)；Tb處δE最大值和最小值分別為-23.92(8月13日)和-27.58‰(11月2日)。

圖7B顯示Tb處各CO2來源在CO2增加量中所占比例的變化趨勢與Ta處相似。在非采暖季,Tb處生態(tài)系統(tǒng)呼吸貢獻(xiàn)率最多比Ta處高19.4%(8月13日),其中土壤呼吸占34.0%,植物呼吸占35.6%。進(jìn)入采暖季后,Tb與Ta處所占比例相似,在1月9日,汽車尾氣、天然氣廢氣和燃煤廢氣所占比例分別為38.7、16.7和44.5%。

3 討論

3.1 CO2濃度變化

Ta處是交通主干道及其輔路,植被少且車流量大,受人為影響嚴(yán)重；Tb處為典型的公園綠地,植被空間數(shù)量大、種類多、結(jié)構(gòu)豐富。在非采暖季中,Ta處CO2濃度與Tb處相比偏高,這與潘劍彬等[27]的研究結(jié)果相同,主要是車流量大且由于“街谷”效應(yīng)使得空氣流通性差,導(dǎo)致CO2濃度增加。在采暖季中,植物落葉造成的光合作用大幅減弱,使得CO2無法被有效吸收,同時植物落葉造成Ta和Tb之間缺少有效的屏障,氣流相對流通,因此造成Ta與Tb處的CO2濃度差較小。

在非采暖季中,Ta處CO2濃度在6:00—9:00相對穩(wěn)定,9:00—11:00逐漸降低,Tb處則從6:00—11:00一直呈下降趨勢。其原因可能是植物蒸騰作用釋放水氣造成Ta和Tb處存在明顯的溫度差,使得空氣在水平方向上的機(jī)械湍流加劇,綠地系統(tǒng)在夜間積累的CO2迅速向外界擴(kuò)散[11]。Ta處由于機(jī)械湍流、大量汽車尾氣及交通高峰的共同作用,導(dǎo)致CO2濃度偏高且濃度降低的時間較晚。Ta處CO2濃度在14:00左右時存在一個波峰,與此時車流量升高增加CO2排放有關(guān)；Tb處因植物光合作用和高大喬木阻擋使得底層大氣流通性差,CO2濃度在11:00—17:00基本保持平穩(wěn)。 Ta處CO2濃度隨高度升高而減少,是因作為CO2主要來源的汽車尾氣在近地面處產(chǎn)生,垂直方向上的空氣湍流使得CO2擴(kuò)散稀釋,部分CO2在經(jīng)過冠層時被植物葉片的光合作用吸收[28]。Tb不同高度處CO2濃度僅在早、晚兩個時段產(chǎn)生較為明顯的梯度變化,8 m處CO2濃度相比2、15和20 m處高,是因?yàn)?m為試驗(yàn)綠地中喬木的平均高度,15和20 m處CO2濃度因?yàn)閿U(kuò)散而隨高度下降,2 m處屬于綠地內(nèi)部,其周邊為高大喬木,密閉性較強(qiáng),阻礙了道路上CO2向綠地內(nèi)部的擴(kuò)散。

在采暖季中,Ta和Tb處CO2濃度日變化趨勢相似,峰值分別與四環(huán)路該路段上車流量的早、晚高峰和午間高峰相對應(yīng),與Hiller等[29]對明尼蘇達(dá)國道上的觀測結(jié)果相同。車流量晚高峰的數(shù)量較早高峰少,但CO2濃度最大值在晚間出現(xiàn),可能是由于夜間是北京地區(qū)的采暖高峰時段[30],燃煤燃?xì)馐褂昧看笤斐伞?/p>

3.2 不同來源CO2中δ13C值差異

機(jī)動車燃料主要是汽油和柴油,其來自于生物質(zhì)沉積,經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)石油中的碳同位素值一般為-32‰—-21‰[31]。Bush等[32]發(fā)現(xiàn)不同類型汽車的尾氣δ13C值相差可達(dá)2.43‰,僅對部分類別的汽車尾氣進(jìn)行收集測定很難得到城市中汽車尾氣CO2中的δ13C均值。本文收集車流量大且密閉性好的隧道中空氣[20],使用Keeling plot方程獲得汽車尾氣CO2中的δ13C均值為-28.14‰,這一數(shù)值處在Andres等[24]測定的石油δ13C值-35—-19‰之間。天然氣的主要成分為甲烷,其δ13C值在-100%—-20‰之間變化[33],其中細(xì)菌產(chǎn)生的甲烷δ13C值通常為-100‰—-40‰,熱效應(yīng)產(chǎn)生的甲烷δ13C值通常為-60‰—-20‰[34]。本文結(jié)果顯示北京市天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2中的δ13C值約-33.34‰,這與Clark-Thorne和Yapp[35]在美國鹽湖城測定值-37.8‰、法國巴黎測定值-39.2‰相比偏正,可能是由于天然氣來源不同導(dǎo)致。

不同植物之間由于光合羧化酶(RuBP羧化酶和PEP羧化酶)和光合作用環(huán)境的差異,導(dǎo)致不同植物間13C分餾程度不同[36],C3植物中δ13C值在-20‰—-35‰,C4植物δ13C值在-11‰—-15‰[37]。城市中C3植物的數(shù)量遠(yuǎn)多于C4植物,故只選取部分具有代表性的C3植物進(jìn)行觀測,δ13C值為-26.4‰,這與王玉濤等[38]對北京地區(qū)多種植物葉片中δ13C值的觀測結(jié)果相似。根據(jù)Buchmann等[39]的研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳在很長一段時間內(nèi)保留原有植被的同位素特征,對四元橋周邊多個公園取樣消除土壤碳同位素組成易受到表層土的影響且空間變異性大等因素后,獲得該地區(qū)土壤中δ13C平均值約為-18.92‰,這與孫守家等[40]對該地區(qū)的研究結(jié)果相似。

3.3 大氣中CO2增加量的來源及比例

城市大氣CO2來源復(fù)雜,在Ta處,機(jī)動車尾氣CO2在CO2增量中所占的比例在29.6%—43.8%之間,Tb處為18.6%—39.5%,排除Ta與Tb處植物覆蓋率對兩個位置CO2濃度的影響[41],基本同Wada等[42]的研究結(jié)果一致。天然氣廢氣CO2所占比例在Ta和Tb處的變化幅度分別達(dá)到73.7%和167.5%,可能是由天然氣燃燒廢氣CO2中δ13C值較小且變化范圍大,其數(shù)量的較小變化,易導(dǎo)致天然氣廢氣CO2所占比例變化較大,僅通過目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能無法進(jìn)行精確的定量,需在今后的研究中增加對天然氣廢氣的采集數(shù)量,分區(qū)、分時段的對結(jié)果進(jìn)行討論和驗(yàn)證,以期獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)果。在非采暖季中,植物呼吸和土壤呼吸的比例關(guān)系接近公式(4)中的比例,但仍有較大的波動,特別是進(jìn)入采暖季后,由于不同種植物進(jìn)入非生長季的時間不同、土壤呼吸減弱等因素,造成11月左右生態(tài)系統(tǒng)呼吸中自養(yǎng)及異養(yǎng)呼吸所占的比例很難劃分,所以該結(jié)果仍需在其他試驗(yàn)中進(jìn)行精確定量。

本文僅針對采暖季和非采暖季的北京交通主干道區(qū)域CO2濃度和δ13C值進(jìn)行研究討論,城市環(huán)境的高度異質(zhì)性造成CO2濃度變化幅度較大,由于試驗(yàn)條件限制,人類和動物呼吸、燃?xì)忮仩t、燃煤工廠等CO2來源都未在本文中進(jìn)行討論,今后的研究期望能將δ13C和δ18O相結(jié)合,以期進(jìn)一步精確量化各CO2源在城市系統(tǒng)大氣CO2增加量中所占的比例,給相關(guān)節(jié)能減排措施的制定以及未來城市能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供更為可靠的依據(jù)。

4 結(jié)論

北京四環(huán)路旁及距離四環(huán)路100 m的綠地處CO2濃度隨季節(jié)變化明顯,采暖季分別比非采暖季高26.2%和41.2%。路旁與綠地中大氣CO2濃度在非采暖季中差異顯著,在采暖季中無明顯差異。在非采暖季中,路旁大氣CO2濃度在6:00、13:00和20:00時較高,綠地大氣CO2濃度在6:00和20:00時較高,日變化明顯,而采暖季中路旁和綠地中大氣CO2的日變化趨勢和數(shù)值相似,且與車流量的日變化有較好的一致性。不同來源CO2中的δ13C值差異顯著,其中：土壤呼吸(-18.92‰)>植物呼吸(-23.40‰)>燃煤廢氣(-24.10‰)>機(jī)動車尾氣(-28.14‰)>天然氣廢氣(-33.34‰)。非采暖季中路旁和綠地中大氣CO2增加量來源有明顯差別,在綠地中土壤及植物呼吸貢獻(xiàn)較大,四環(huán)路旁機(jī)動車尾氣貢獻(xiàn)較大,而采暖季中大氣CO2增加量主要來自于燃煤廢氣、機(jī)動車尾氣和天然氣廢氣,路旁和綠地中的來源無明顯差別。

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Atmospheric CO2variations and source estimation at the fourth ring road and roadside green-space system in Beijing

ZHANG Xiaobo1, SUN Shoujia2, ZHENG Ning2, GUO Jia3, SHU Jianhua4, LI Chunyou1,*

1CollegeofLandscapeandTravel,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071000,China2KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivationofStateForestryAdministration,ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China3BeijingKeyLaboratoryofEcologicalFunctionAssessmentandRegulationTechnologyofGreenSpace,BeijingInstituteofLandscapeArchitecture,Beijing100102,China4BeijingKeyLaboratoryofGreeningPlantsBreeding,BeijingInstituteofLandscapeArchitecture,Beijing100102,China

Knowledge of variations and sources of urban atmospheric CO2is important to determine energy saving and emission reduction policies. In the present study, air CO2concentration and stable carbon (δ13C) isotope ratios on the Fourth Ring Road (FRR) and in the green-space system 100 m from FRR were measured using an off-axis integrated cavity output spectroscopy technique in heating and non-heating seasons. The CO2variations and different source contributions were analyzed with the Keeling plot method and IsoSource software. The results showed CO2from different sources had significantly different δ13C values. The δ13C values from high to low were noted from soil respiration (-18.92‰), plant respiration (-23.40‰), coal combustion exhaust gas (-24.10‰), motor vehicle exhaust gas (-28.14‰), and natural gas (-33.34‰). The CO2concentrations of the FRR and green-space system in the heating season were 26.2% and 41.2% higher than those in the non-heating season, respectively. There was a significant difference of CO2concentration between the FRR and green-space system in the non-heating season, but no difference in the heating season. The CO2concentration had an obvious daily change and two peaks at 6:00 and 20:00 in the heating season. The CO2concentration of FRR was highest at the bottom of the observation tower and decreased with increased height, but the CO2concentration of the green-space system was highest at 8 m. In the heating season, the CO2concentration had two peaks at 8:00 and 19:00, with a similar daily trend to that of traffic volume. CO2concentrations of both the FRR and green-space system decreased with increasing height. However, there were obviously different sources between the FRR and green-space systems. The CO2of the FRR was mainly from motor vehicle exhaust gases, but that of the green-space system mostly came from soil and plant respiration in the non-heating season. However, there was no difference in CO2sources between the FRR and green-space system, and most sources were coal-fired emissions and motor vehicle exhaust gases.

Urban ecosystem; CO2concentration;δ13C; source apportionment

國家自然科學(xué)基金資助項目(31470705);北京市自然科學(xué)基金資助項目(8132044)

2016- 01- 20; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601200132

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lchy0815@163.com

張驍博,孫守家,鄭寧,郭佳,舒健驊,李春友.北京市四環(huán)路及路旁綠地CO2變化特征及來源分析.生態(tài)學(xué)報,2017,37(9):2943- 2953.

Zhang X B, Sun S J, Zheng N, Guo J, Shu J H, Li C Y.Atmospheric CO2Variations and Source Estimation at the Fourth Ring Road and Roadside Green-Space System in Beijing.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):2943- 2953.