2011和2016年亞熱帶城市生態(tài)系統(tǒng)通量源區(qū)及CO₂通量特征

張凱迪　龔元　郭智娟　魏艷艷　徐良　姚國芳　趙敏

摘 要： 以上海市奉賢大學(xué)城為例，基于地理信息系統(tǒng)、渦動(dòng)相關(guān)（EC）系統(tǒng)和通量源區(qū)模型分析了2011和2016年上海市奉賢大學(xué)城二氧化碳（CO2）通量特征（CO2通量、碳濃度）、通量源區(qū)的變化特征.分析結(jié)果表明：1） 2011年CO2通量日均值和CO2質(zhì)量濃度分別為0.6 μmol·m-2·s-1和388 mg·L-1，2016年兩者增加到了0.9 μmol·m-2·s-1和406 mg·L-1；2） 2011和2016年研究區(qū)內(nèi)通量源區(qū)范圍都隨著大氣穩(wěn)定度的增加而增加；3）當(dāng)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，非主風(fēng)向上的通量源區(qū)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主風(fēng)向上的通量源區(qū)范圍；當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，主風(fēng)向和非主風(fēng)向上的通量源區(qū)長度相差較小.

關(guān)鍵詞： 亞熱帶城市生態(tài)系統(tǒng)； CO2通量； 渦動(dòng)相關(guān)； 地理信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： P 41，X 51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1000-5137（2018）04-0458-08

Abstract： Shanghai Fengxian University City was adopted as an example to analyze the change of CO2 flux，carbon intensity，and flux source area in year 2011 and 2016 based on geographic information system（GIS），eddy correlation（EC） system，and flux source area model.The conclusions were as follow：1） The daily mean values of CO2 flux and carbon dioxide concentration were 0.6 μmol·m-2·s-1 and 388 mg·L-1 in 2011 and increased to 0.9 μmol·m-2·s-1 and 406 mg·L-1 in 2016； 2） the range of flux source area increased with the increase of atmospheric stability in the research area in both 2011 and 2016； 3） when the atmosphere is in a state of stability，the range of the flux source area under other wind directions is bigger than that under prevailing wind direction.When the atmosphere is in an unstable state，the differences in the length of the flux source area between the prevailing wind direction and the other wind directions are relatively small.

Key words： subtropical urban ecosystem； CO2 flux； eddy covariance； geographic information system

0 引 言

在全球氣候變化和溫室效應(yīng)日益加劇的背景下，人們開始關(guān)注地球大氣中的物質(zhì)交換和能量活動(dòng)，而二氧化碳（CO2）作為主要的溫室氣體，對(duì)碳循環(huán)的研究可以為降低溫室效應(yīng)，解決氣候問題提供服務(wù).渦動(dòng)相關(guān)（EC）系統(tǒng)作為一種可以探測大氣中物質(zhì)以及湍流通量的工具，已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界的廣泛使用并且應(yīng)用到碳循環(huán)的研究中[1].EC系統(tǒng)最初應(yīng)用于觀測植物和大氣的碳交換，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用于對(duì)城市環(huán)境下CO2通量的監(jiān)測.由于城市下墊面的復(fù)雜性以及獨(dú)特的“自然-社會(huì)”的二元碳循環(huán)系統(tǒng)[2]，城市系統(tǒng)的碳通量研究是全球碳循環(huán)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn).目前城市碳通量的研究主要集中于CO2通量[3-7]、碳濃度[4]和通量源區(qū)[8-13]的研究.在國內(nèi)EC觀測系統(tǒng)的應(yīng)用起步較晚，基于EC系統(tǒng)的不同時(shí)空通量源區(qū)和CO2通量特征變化的研究較少，地理信息系統(tǒng)（GIS）的迅速發(fā)展為量化城市下墊面的土地利用類型和地統(tǒng)計(jì)計(jì)算提供了可能[14]，因此利用GIS分析土地利用，將會(huì)對(duì)城市碳循環(huán)的研究帶來很大幫助.

本文作者結(jié)合GIS、EC系統(tǒng)和通量源區(qū)模型，探討2011和2016年城市CO2通量特征（CO2通量、碳濃度）和通量源區(qū)特點(diǎn)，為動(dòng)態(tài)研究城市碳通量的年度變化提供參考，同時(shí)為研究城市碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

上海市奉賢大學(xué)城，地處中溫帶、亞熱帶季風(fēng)氣候，地形為平原.所搭載微氣象梯度觀測系統(tǒng)和EC系統(tǒng)觀測塔的地理坐標(biāo)為30°50′44.73″ N，121°31′18.01″ E.觀測塔高20 m.研究區(qū)周邊有以香樟（Cinnamomum camphora）為優(yōu)勢種的亞熱帶常綠闊葉林，冠層高度8 m[12]，以及以菖蒲（Acorus calamus L）、蘆葦（Phragmites australis）、麥冬（Ophiopogon japonicus ）為優(yōu)勢種的草本植物.其他均為道路校園建筑如教學(xué)樓、圖書館、食堂、宿舍樓等[8].圖1為2011年研究區(qū)域的土地利用圖，圖2為2016年研究區(qū)域的土地利用圖.全年降水集中于夏季，年總降水量約2 000 mm，年均相對(duì)濕度80%.在2011和2016年的研究區(qū)遙感影像中提取地類信息，根據(jù)城市系統(tǒng)碳循環(huán)的“自然-社會(huì)”的二元性質(zhì)將由草本、木本以及水體等透水層劃為自然系統(tǒng)，道路、建筑和水泥路面等不透水層劃分為社會(huì)系統(tǒng)，面積劃分如表1所示.

1.2 EC觀測系統(tǒng)

搭載EC系統(tǒng)的觀測塔高20 m，其通量觀測系統(tǒng)主要由Cr 3000（Campbell，Scientific Instruments，USA）通量數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)設(shè)備，Li 7500（LICOR，Inc.USA）開路式CO2/H2O通量分析設(shè)備（安裝高度20 m），Gill三維超聲風(fēng)速儀（Gill.Instruments，UK）（安裝高度20 m）[11]組成.

1.3 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

選取2011年全年和2015年4月-2016年3月的通量觀測數(shù)據(jù)，通過EddyPro軟件對(duì)頻率為10 Hz的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜修正、頻率響應(yīng)修正、空氣密度變化（WPL）校正等，原始數(shù)據(jù)輸出為30 min/次，數(shù)據(jù)包括各類通量信息和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)等[15].

考慮到受到天氣、人為以及儀器等因素所產(chǎn)生的影響，在完成Eddypro數(shù)據(jù)處理后，對(duì)軟件輸出的30 min的通量值進(jìn)行篩選，篩選條件為：1） 剔除缺失的數(shù)據(jù)；2） 剔除質(zhì)量控制標(biāo)注為“2”的數(shù)據(jù)；3） 剔除降水前后1 h的數(shù)據(jù)；4） 剔除10 Hz原始數(shù)據(jù)中每半個(gè)小時(shí)缺失率大于3%的數(shù)據(jù)；5） 剔除夜間摩擦風(fēng)速小于0.15 m/s的數(shù)據(jù)[11].2011年全年和2015年4月-2016年3月的CO2通量數(shù)據(jù)缺失和拒絕率為34%，一般情況下數(shù)據(jù)的缺失和拒絕率小于50%則具有代表性[16].在數(shù)據(jù)插補(bǔ)方面采用平均每日變異（MDV）法，即用相鄰日的同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行插補(bǔ)，白天通量數(shù)據(jù)的插補(bǔ)周期為7 d，夜晚通量數(shù)據(jù)的插補(bǔ)周期為14 d[12].

1.4 碳通量貢獻(xiàn)區(qū)模型

選用Kljun通量貢獻(xiàn)區(qū)模型，這是一種由Kljun等[17]發(fā)展的基于尺度（量綱）分析的新穎算法，主要用來計(jì)算通量足跡的側(cè)風(fēng)積分函數(shù).側(cè)風(fēng)積分足跡函數(shù)fiy主要取決于x（上風(fēng)距離），zm（有效動(dòng)力學(xué)高度），h（邊界層高度），u*（摩擦風(fēng)速）和σw（垂直風(fēng)速脈動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差）等幾個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)除了zm外，其他都可通過Eddypro處理獲得.由量綱分析（定理），將以上諸量可能構(gòu)成的無量綱參數(shù)組如下：

2 結(jié)果和討論

2.1 CO₂通量變化特征

對(duì)比2011年全年和2015年4月-2016年3月的CO₂通量數(shù)據(jù)的總體變化趨勢圖（圖3和4），發(fā)現(xiàn)兩者總的趨勢變化大體一致，表現(xiàn)為春夏季節(jié)植物的光合作用較為強(qiáng)烈，春夏季節(jié)都在正午時(shí)間出現(xiàn)CO₂通量負(fù)值（吸收大氣中的CO₂），約在16點(diǎn)左右CO₂通量重新變?yōu)檎担ù髿忉尫臗O₂），其中夏季約在7點(diǎn)30分左右CO₂通量變?yōu)樨?fù)值，春季約在9點(diǎn)30分左右CO₂通量變?yōu)樨?fù)值.秋冬季節(jié)沒有明顯的日變化差異，一天中的大部分時(shí)間都處于正值狀態(tài).該研究結(jié)果與袁莊鵬[12]，王江濤[13]的研究結(jié)果一致.

從全年角度來看，2011年全年CO₂通量日均值為0.6 μmol·m-2·s-1，2015年4月-2016年3月碳CO₂量日均值為0.9 μmol·m-2·s-1，均表現(xiàn)為碳源carbon source，但是較2011年全年相比2015年4月-2016年3月CO₂通量日均值上升了0.3 μmol·m-2·s-1.原因可能在于2011年-2016年上海市奉賢大學(xué)城內(nèi)興建了更多的教學(xué)樓，車流量的增加以及自然系統(tǒng)面積減少（減少約5%）導(dǎo)致植物的碳吸收量降低，碳凈排放量提高.

2.2 碳濃度變化特征

2011年全年和2015年4月-2016年3月的碳濃度變化特征如圖5和圖6所示.

對(duì)比2011年全年和2015年4月-2016年3月的碳濃度數(shù)據(jù)的總體變化趨勢圖（圖5和6），發(fā)現(xiàn)碳濃度的變化總趨勢和CO₂通量變化總趨勢一樣，差異較小，季節(jié)差異均表現(xiàn)為：秋冬季節(jié)總體碳濃度水平較高，夏春季節(jié)總體碳濃度水平較低.原因可能是受到秋冬季節(jié)供暖以及植物凋零光，合作用較弱的影響導(dǎo)致碳濃度較高.從各個(gè)季節(jié)的日變化角度來看，各季節(jié)均在7點(diǎn)、18點(diǎn)左右有碳濃度上升趨勢，CO₂通量也在該時(shí)段有上升的趨勢.原因是該時(shí)段人類活動(dòng)較頻繁（主要為學(xué)生上下課以及上班族上下班等）.其結(jié)果和袁莊鵬[12]的研究結(jié)果一致.

從全年角度來說，2011年全年和2015年4月-2016年3月期間的CO₂質(zhì)量濃度日均值分別是388和406 mg·L-1.較2011年相比增加了18 mg·L-1，同CO₂通量日均值上升的原因相似，是研究區(qū)內(nèi)社會(huì)系統(tǒng)所占比值上升，自然系統(tǒng)所占比值下降所導(dǎo)致的.賈慶宇[18]在沈陽市中心的碳排放監(jiān)測中碳質(zhì)量濃度均值可達(dá)到740 mg·L-1，和本文的碳質(zhì)量濃度均值相差較大，原因在于受觀測區(qū)域（市中心）以及北方城市供暖的影響，導(dǎo)致碳濃度較高.

2.3 碳通量貢獻(xiàn)區(qū)變化特征

2.3.1 風(fēng)向分布特征

2011年全年和2015年4月-2016年3月的風(fēng)向數(shù)據(jù)如表2所示.

對(duì)比2011年全年和2015年4月至2016年3月的風(fēng)向數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)頻定義：春季風(fēng)向在0°～90°為主風(fēng)向，在180°～270°為非主風(fēng)向.夏季風(fēng)向在90°～180°為主風(fēng)向，在270°～360°（0°）為非主風(fēng)向.秋季風(fēng)向在180°～270°為主風(fēng)向，風(fēng)向在0°～90°為非主風(fēng)向.冬季在270°～360°（0°）為主風(fēng)向，風(fēng)向在90°～180°為非主風(fēng)向.

2.3.2 通量源區(qū)變化特征

以Kljun[17]模型為基礎(chǔ)，計(jì)算出2011年全年和2015年4月-2016年3月的通量源區(qū)90%貢獻(xiàn)率分布范圍.如表3和表4所示.

數(shù)據(jù)顯示，2011年全年和2015年4月-2016年3月的通量源區(qū)范圍都隨著大氣穩(wěn)定度的增加而增加，并且當(dāng)大氣穩(wěn)定度處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，非主風(fēng)向上的通量源區(qū)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主風(fēng)向上的通量源區(qū)范圍；當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，主風(fēng)向和非主風(fēng)向上的通量源區(qū)范圍相差較小.其結(jié)果和袁莊鵬[12]、龔元[19-20]，顧永劍[11]等的研究結(jié)果一致.

當(dāng)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)包括主風(fēng)向和非主風(fēng)向上的通量源區(qū)2011年的貢獻(xiàn)區(qū)長度均大于2015年4月-2016年3月的貢獻(xiàn)區(qū)長度（平均長度分別為707 m和507 m），并且差距較大；當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)2011年的貢獻(xiàn)區(qū)長度大于2015年4月-2016年3月的貢獻(xiàn)區(qū)長度（平均長度分別為188 m和145 m），相差較小.通量源區(qū)縮小的原因可能是從2011-2016年大學(xué)城內(nèi)建筑設(shè)施的增加，建筑物密度和高度增加，影響了風(fēng)速和風(fēng)向?qū)е峦吭磪^(qū)范圍縮小.

3 結(jié) 論

1） 研究結(jié)果表明，2011-2016年研究區(qū)內(nèi)土地利用方式發(fā)生了變化，表現(xiàn)為自然系統(tǒng)面積減少，社會(huì)系統(tǒng)面積增加.

2） 研究區(qū)內(nèi)CO₂通量均值和碳濃度均值增加，并且通量源區(qū)面積縮小.在通量源區(qū)方面2011-2016年均表現(xiàn)為通量源區(qū)范圍都隨著大氣穩(wěn)定度的增加而增加.

3） 當(dāng)大氣穩(wěn)定度處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，非主風(fēng)向上的通量源區(qū)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主風(fēng)向上的通量源區(qū)范圍；當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，主風(fēng)向和非主風(fēng)向上的通量源區(qū)范圍相差較小.

本研究可以為其他城市生態(tài)系統(tǒng)CO₂通量的研究提供方法的參考，研究結(jié)果表明通量源區(qū)面積與CO₂通量和碳濃度的增加成負(fù)相關(guān).

致謝：

作者感謝中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院的王介民研究員在通量數(shù)據(jù)處理和通量足跡計(jì)算方面的指導(dǎo).

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（責(zé)任編輯：郁 慧）