植被對亞熱帶城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的影響

龔 元,郭智娟,張凱迪,徐 良,魏艷艷,趙 敏

1 上海師范大學(xué)城市生態(tài)與環(huán)境過程重點實驗室,上海 200234 2 上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234 3 上海師范大學(xué)旅游學(xué)院地理系,上海 200234 4 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院,南京 210037 5 上海師范大學(xué)城市生態(tài)與環(huán)境研究中心,上海 200234

城市地區(qū)是溫室氣體的主要來源[1- 6],為了更好地了解溫室氣體排放動態(tài)[1],特別是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)的CO2氣體排放動態(tài),其中目前關(guān)于城市生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳排放和吸收動態(tài)的研究日益增多,主要包括基于渦動相關(guān)技術(shù)的CO2通量[7- 14],通量足跡[15],CO2濃度[5],基于生命周期的碳足跡研究[16],以及基于遙感觀測的大尺度CO2排放的研究[17-18]。

20世紀(jì)90年代以來,渦動相關(guān)/渦動協(xié)方差觀測系統(tǒng)(Eddy covariance,EC)[19-24]的應(yīng)用和發(fā)展為觀測和記錄一定生態(tài)尺度上地表與大氣之間的物質(zhì)、熱量及動量湍流交換提供了工具,渦動相關(guān)通量觀測系統(tǒng)最初應(yīng)用于觀測植物和大氣的CO2交換并且迅速發(fā)展,開始應(yīng)用于城市,濕地,水域等其他關(guān)鍵陸地生態(tài)系統(tǒng)[1- 2]。如今隨著越來越多的渦動相關(guān)通量觀測站的建立,世界各國的渦動相關(guān)通量站點開始尋求合作和數(shù)據(jù)共享,形成了例如： FLUXNET(http://fluxnet.fluxdata.org/),ChinaFLUX(http://www.chinaflux.org/index.aspx),EUROFLUX(http://www.euroflux.fr/)等[5]的通量數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),如今將渦動相關(guān)觀測系統(tǒng)用于人口稠密的城市地區(qū)觀測二氧化碳排放的研究開始成為熱點[23- 28]。

基于渦動相關(guān)觀測系統(tǒng)的城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要集中于CO2通量動態(tài)特征,CO2通量影響因子,通量足跡等方面的研究[5]。由于城市生態(tài)系統(tǒng)受人類活動影響較大,以及城市生態(tài)系統(tǒng)下墊面(土地利用)的復(fù)雜性,研究渦動相關(guān)系統(tǒng)所觀測的通量的來源即通量足跡是研究城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量交換的基礎(chǔ)和前提[15,25]。目前基于CO2通量動態(tài)特征, 通量足跡分析等的城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究也有較多,如下表1所示。

以上基于渦動相關(guān)技術(shù)的城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要集中于CO2通量動態(tài)特征,通量足跡分析等方面且多集中在溫帶發(fā)達國家的城市[6],亞熱帶城市的相關(guān)研究則較少。關(guān)于城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量動態(tài)特征的分析主要集中于不同季節(jié),供暖期前后等不同時間尺度的CO2通量差異的對比和原因解釋,對CO2通量差異的解釋多從人類活動和植被生長狀況的角度出發(fā)來解釋CO2通量的變化。為分析植被對亞熱帶城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響,因此使用2016年10月1日至2017年9月30日共計12個月的通量,氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)結(jié)合地理信息系統(tǒng)工具分析亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的上海市奉賢大學(xué)城的CO2通量特征及其與葉面積指數(shù)的關(guān)系來研究植被在城市系統(tǒng)碳循環(huán)中的作用。該研究可以為處于亞熱帶氣候區(qū)的其他發(fā)展中國家的城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究和降低二氧化碳排放建設(shè)綠色生態(tài)城市提供服務(wù)和參考。

表1 渦動相關(guān)系統(tǒng)在城市生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究區(qū)域位于中國長江中下游平原、上海市最南端海灣旅游區(qū)的上海市奉賢大學(xué)城總面積456.42 hm2(圖1)。研究區(qū)地形平坦,毗鄰杭州灣。上海市奉賢大學(xué)城所屬溫度帶為亞熱帶,氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候。全年水熱同期,夏季高溫多雨,冬季寒冷少雨。由于夏季的東南季風(fēng)來自海洋帶來了較多的水汽導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)一年中的降水主要集中在夏季,年總降水量約1200 mm,年均相對濕度82%,無霜期約200 d[5],年均空氣溫度約15℃(最低月均溫出現(xiàn)在1月約2℃,最高月均溫出現(xiàn)在8月約34℃),10 cm處土壤溫度與空氣溫度類似最低月均溫出現(xiàn)在1月約3℃,最高月均溫出現(xiàn)在7月約26℃,月均光合有效輻射最大值出現(xiàn)在8月約510 μmol m-2s-1[5],年能量閉合度為0.82。由于該研究區(qū)靠近海洋(圖1),導(dǎo)致其氣候特點具有較明顯的海洋性(海陸風(fēng))。城市生態(tài)環(huán)境長期定位研究站位于上海師范大學(xué)奉賢校區(qū)內(nèi),地理坐標(biāo)為30°50′44.73″ N, 121°31′18.01″ E,通量觀測塔安裝有微氣象梯度觀測系統(tǒng)和開路渦動協(xié)方差通量觀測系統(tǒng),塔高20 m,渦動相關(guān)系統(tǒng)負(fù)責(zé)觀測和記錄CO2/H2O通量、風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)[5]。微氣象梯度觀測系統(tǒng)負(fù)責(zé)觀測和記錄降水、光合有效輻射、土壤溫度、凈輻射等微氣象數(shù)據(jù)[5]。通量觀測塔(定位站)的西北側(cè)和南側(cè)有以香樟(Cinnamomumcamphora)為優(yōu)勢種的亞熱帶常綠闊葉林(平均冠層高度8 m)[5],以及麥冬(Ophiopogonjaponicus)、菖蒲(AcoruscalamusL)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等草本植物[4]。東側(cè)有教學(xué)樓,宿舍樓,食堂等校園建筑(平均高度10m),北側(cè)約150m有交通主干道[3]。

圖1 2017年上海市奉賢大學(xué)城土地利用與通量塔位置Fig.1 Land use map of Shanghai Fengxian University City in 2017 and the location of the EC紅色三角為通量觀測塔

從圖1可以看出該研究區(qū)(上海市奉賢大學(xué)城)屬于城市(郊區(qū))生態(tài)系統(tǒng)[4- 6],研究區(qū)內(nèi)分布有木本,草本植物為主的自然生態(tài)系統(tǒng)[2],湖泊和河流組成的水域生態(tài)系統(tǒng),由溫室大棚組成的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),以及道路和建筑物等組成的社會系統(tǒng)[2]。該研究區(qū)屬于由多個不同生態(tài)系統(tǒng)組成的混合生態(tài)系統(tǒng),各個不同的生態(tài)系統(tǒng)共同影響了研究區(qū)整體的碳循環(huán)過程[2- 3]。

1.2 渦動相關(guān)通量觀測系統(tǒng)的組成

研究區(qū)的整體CO2/H2O通量采用渦動相關(guān)系統(tǒng)進行觀測和記錄。該系統(tǒng)由一個三維超聲溫度/風(fēng)速測量儀器(Windmaster, Gill, United Kingdom)[4]和一個開路式CO2/H2O紅外氣體分析儀器(Li- 7500, Licor, Lincoln, NE, USA)組成,其安裝高度為距離地面20 m[2- 3](圖1),安裝在研究區(qū)的中心位置(30°50′44.73″ N, 121°31′18.01″ E)。通量和氣象數(shù)據(jù)采集和存儲設(shè)備為CR3000(Campbell Scientific Instruments, USA)10Hz高頻數(shù)據(jù)采集儀器[2- 3]。

1.3 CO2通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

該研究選取2016年10月1日至2017年9月30日共計12個月的通量和氣象數(shù)據(jù),使用EddyPro 5.1.1軟件(Li-COR,NE,USA,https://www.licor.com/)[4]以30 min的時間間隔計算CO2通量,并且使用EddyPro 5.1.1軟件進行坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)[2],頻率響應(yīng)修正[3],WPL密度修正[28- 31],野點去除[5],建立通量數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)(0—1—2,0代表最好,1代表較好,2代表較差)等[2- 3]處理。之后我們對降雨前后1小時內(nèi)或摩擦速度(u star,u*)小于0.15 m/s時產(chǎn)生的通量進行刪除[5],以及刪除通量數(shù)據(jù)指標(biāo)標(biāo)注為“2”的通量數(shù)據(jù)[2]。在應(yīng)用數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后,12個月的通量數(shù)據(jù)合格率為 63%,一般通量數(shù)據(jù)合格率大于50%則具有代表性[3-5]。當(dāng)CO2通量為負(fù)值時代表整個生態(tài)系統(tǒng)處于吸收二氧化碳的狀態(tài),反之則代表整個生態(tài)系統(tǒng)處于排放二氧化碳的狀態(tài)[5]。

在CO2通量數(shù)據(jù)插補方面(Gap-fill),采用MDV法即用相鄰天的同一時刻的數(shù)據(jù)的平均值進行插補[5]。白天通量數(shù)據(jù)的插補周期為7 d,夜晚通量數(shù)據(jù)的插補周期為14 d[5]。針對較長時間斷內(nèi)丟失的數(shù)據(jù),根據(jù)白天或夜間使用以下方法：在白天使用了基于凈生態(tài)系統(tǒng)交換和光合有效輻射關(guān)系的Landsberg模型[20],而在夜間則使用基于土壤溫度的Van,t Hoff模型進行相關(guān)的計算和插補[5]。

1.4 CO2通量增長率的計算

為分析該區(qū)全年日CO2通量交換量(μmol m-2d-1)的變化特征即CO2通量增長率[32],這里參考Gu等[32]發(fā)展的基于生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP)的植物群落光合作用的物候模型(Phenology model)如下公式1和公式2所示。該模型原作者Gu等[32]使用年際尺度的每天每半小時最大GPP(μmol m-2s-1d-1)來量化植物群落光合能力的季節(jié)變化(CPC)[32]。由于該物候模型同樣適用于同類型具有一定時間(天/季節(jié))變化特征的其他CO2通量數(shù)據(jù)的增長率分析,因此將該物候模型應(yīng)用于該研究區(qū)日CO2通量交換量的增長率(μmol m-2d-1)分析。

(1)

(2)

公式1中A(t)函數(shù)代表該研究區(qū)的日CO2通量交換量(μmol m-2d-1),t代表日序(d)。該模型所用到的參數(shù)：y0,a1,a2,b1,b2,c1,c2,t01,t02均為擬合參數(shù)[32],且在計算擬合參數(shù)時可以依據(jù)經(jīng)驗和實際情況對所計算的參數(shù)進行調(diào)整[32]。公式2中k(t)即為該研究區(qū)的CO2通量增長率函數(shù)[32](μmol m-2d-1),在使用該物候模型時只要將年際尺度的(1—365 d)的日CO2通量交換量帶入公式1中計算出所需擬合參數(shù),再將計算出的擬合參數(shù)帶入k(t)函數(shù)即可計算出CO2通量增長率(主要包括最大點,最小點,0點等)[32]。

1.5 葉面積指數(shù)(LAI)的計算

圖2 以觀測站點為中心范圍1 km的葉面積指數(shù)特征(2016-10-01—2017-09-30)Fig.2 LAI characteristics of the study area (2016-10-01—2017-09-30)

為研究整個生態(tài)系統(tǒng)CO2通量交換的影響因子,通過提取和計算2016年10月1日至2017年9月30日以觀測站點(EC)為中心范圍1 km(500 m×4)的葉面積指數(shù)(LAI)[33]分析LAI的變化對CO2通量的影響,所使用和計算的遙感數(shù)據(jù)為MODIS遙感數(shù)據(jù)(https://modis.gsfc.nasa.gov/)的MOD15A2H產(chǎn)品(MODIS/Terra Leaf Area Index/FPAR 8-Day L4 Global 500m SIN Grid V006)[34]的LAI數(shù)據(jù)(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)所提取的LAI數(shù)據(jù)周期為8 d(圖2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)向與通量足跡

基于通量觀測塔所搭載的Windmaster三維超聲風(fēng)速/溫度儀器所觀測的風(fēng)速,風(fēng)向數(shù)據(jù),統(tǒng)計出從2016年10月1日至2017年9月30日的研究區(qū)氣象信息如圖3所示,遙感影像來自谷歌地圖(https://maps.google.com/)。

圖3 研究區(qū)風(fēng)玫瑰圖與主風(fēng)向上通量足跡(2016-10-01—2017-09-30)Fig.3 Wind rose map of the study area and flux footprint on the main wind direction (2016-10-01—2017-09-30)a為風(fēng)玫瑰圖，b為大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下通量足跡，c為大氣穩(wěn)定條件下通量足跡，通量足跡等值線由內(nèi)到外依次為10%—90%，(0,0)點為觀測點,x軸指向來風(fēng)方向

根據(jù)圖3,2016年10月1日至2017年9月30日研究區(qū)中風(fēng)向在西北方向的占總風(fēng)頻的13.42%,風(fēng)向在西南方向的占總風(fēng)頻的25.04%,風(fēng)向在東南方向的占總風(fēng)頻的40.63%,風(fēng)向在東北方向的占總風(fēng)頻的20.91%。其中瞬時最大水平風(fēng)速為20.61 m/s出現(xiàn)在東南方向,平均最大水平風(fēng)速為7.49 m/s出現(xiàn)在東南方向(圖3a)。該研究區(qū)全年東南風(fēng)為主風(fēng)向,西北風(fēng)為非主風(fēng)向。

同樣依據(jù)Windmaster超聲風(fēng)速儀器觀測的水平風(fēng)速(m/s),垂直風(fēng)速(m/s),風(fēng)向(°)等[2-5,15]微氣象信息使用Kljun通量足跡模型(http://geography.swansea.ac.uk/nkljun/ffp/www/index.php)計算通量源區(qū)(Source area)[15],結(jié)果表明該研究區(qū)的通量足跡可延伸至上風(fēng)向約1 km處(圖3b,圖3c)。

2.2 CO2通量增長率分析

為使用該物候模型來幫助分析研究區(qū)的CO2通量的變化特征,我們將2016年10月1日至2017年9月30日研究區(qū)CO2通量數(shù)據(jù)代入公式1中,計算出所有擬合參數(shù)后使用公式2計算出CO2通量增長率[32]如下圖4所示。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)CO2通量增長率特征Fig.4 CO2 flux growth rate characteristics of the study area

依據(jù)圖4,整個生態(tài)系統(tǒng)在2017-05-06(春季中期)這一天的CO2通量增長率達到最低為-4.48 μmol m-2d-1,即CO2通量的下降速率達到最大[32],其原因可能是該天為5月初即從冬季步入春季,植物開始生長光合作用增強吸收了一部分人類活動產(chǎn)生的二氧化碳[32],在2017-07-30這一天的CO2通量增長率為0代表在這天的CO2通量交換量達到最低[32]。并且從2017-07- 31開始CO2通量增長率開始出現(xiàn)正值一直到2017-08- 30(夏季即將結(jié)束)到達CO2通量增長率峰值為2.24 μmol m-2d-1,即CO2通量的上升速率達到最大[32]。因此我們推斷研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力最強出現(xiàn)春夏季節(jié),研究區(qū)內(nèi)的綠色植物在春季中期開始一直到夏季結(jié)束開始恢復(fù)生長和吸收二氧化碳的功能,約從夏末秋初開始植物的光合作用開始減弱。該結(jié)果與王江濤[19]在崇明東灘濕地的CO2通量特征研究較一致,同樣表現(xiàn)為春夏季節(jié)CO2通量處于下降趨勢。袁莊鵬等[5]研究的城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量也表現(xiàn)為同樣的特征。Grimmond等[28]研究的郊區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量交換也證明在綠色植物影響下的生態(tài)系統(tǒng)多在春夏季節(jié)吸收大量的二氧化碳(CO2通量下降)。據(jù)此我們推測植物的生長狀況和生理活動是影響該研究區(qū)CO2通量交換和碳平衡的重要因素。

2.3 生長季與非生長季CO2通量特征

圖5 生態(tài)系統(tǒng)生長季與非生長季CO2通量特征 Fig.5 CO2 flux characteristics in growing season and non-growing season of the study area

由圖1所知,研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)受到多個子生態(tài)系統(tǒng)影響,且由草本和木本組成的自然生態(tài)系統(tǒng)面積占整個研究區(qū)面積較大比重[5]。為進一步研究由木本和草本植物組成的森林,草地生態(tài)系統(tǒng)對整個生態(tài)系統(tǒng)碳交換的潛在影響,選取生長季與非生長季[35-39]的CO2通量數(shù)據(jù)來對比兩者的通量差異?？紤]到整個研究區(qū)下墊面分布有大量的常綠植物(香樟)和2.2章節(jié)的分析結(jié)果,且該研究區(qū)位于北半球的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)[28]。因此選取3,4,5,6,7,8月作為生長季代表,10,11,12,1,2,9月作為非生長季代表[28]。如下圖5所示。

依據(jù)圖5,研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)全年CO2通量總交換量為9664.06 μmol m-2a-1,全年角度來說研究區(qū)表現(xiàn)為碳源。但生長季和非生長季的CO2通量特征不同。

研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)在生長季的5月,6月以及8月的月CO2通量交換量為負(fù)值分別為-176.75, -308.01,-402.02 μmol m-2月-1即在以上月份研究區(qū)表現(xiàn)為碳匯。研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)在生長季的CO2通量交換量為2169.58 μmol m-2月-1,在生長季研究區(qū)每月CO2通量交換量平均值為361.59 μmol m-2月-1,整個生態(tài)系統(tǒng)在生長季表現(xiàn)為碳源。而整個生態(tài)系統(tǒng)在非生長季的月CO2通量交換量的均值為1249.08 μmol m-2月-1,且每月的CO2通量交換量交換均在0 μmol m-2月-1以上,整個非生長季的CO2通量交換量為7494.48 μmol m-2月-1,即整個生態(tài)系統(tǒng)在非生長季表現(xiàn)為碳源。總體來說生長季的CO2通量總值低于非生長季的CO2通量總值。Kordowski等[7]研究的城市公園的CO2通量特征中發(fā)現(xiàn)了城市綠地對大氣中的二氧化碳的吸收作用雖然其研究沒有將生長季和非生長季的CO2通量進行對比,但依然證實了城市綠地的碳匯作用。Velasco等[1]對城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量特征的研究也證實了城市綠地吸收二氧化碳的作用。

為進一步分析生長季與非生長季的CO2通量特征和差異,統(tǒng)計出生長季與非生長季的一天中每半小時CO2通量(μmol m-2s-1)特征,如下圖6所示。

圖6 生態(tài)系統(tǒng)生長季與非生長季CO2通量時間變化特征Fig.6 Characteristics of CO2 flux at the time of day in growing season and non-growing season of the study area誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差

依據(jù)圖6,研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)在生長季的CO2通量均值為0.2 μmol m-2s-1,總體范圍是-10.85—5.25 μmol m-2s-1。在非生長季的CO2通量均值為0.8 μmol m-2s-1,總體范圍是-5.41—3.63 μmol m-2s-1。同樣表現(xiàn)為生長季的CO2通量小于非生長季的CO2通量。在生長季夜間通量比較平穩(wěn),約在8:30左右CO2通量開始進入負(fù)值為-2.45 μmol m-2s-1,一直到12:30左右到達負(fù)值的頂峰為-10.85 μmol m-2s-1,且約在16:30分左右CO2通量重新進入正值為3.35 μmol m-2s-1,整體趨勢表現(xiàn)為“V”字形狀。在非生長季夜間CO2通量同樣表現(xiàn)的較為平穩(wěn),但是與生長季不同非生長季CO2通量約在10:00左右開始進入負(fù)值為-2.7 μmol m-2s-1,并且在13:00左右CO2通量到達負(fù)值的頂峰為-5.41 μmol m-2s-1,整體趨勢也表現(xiàn)為“V”字形狀。關(guān)于有植被分布的城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量特征,Grimmond等[28]認(rèn)為在春夏季節(jié)正午時間段CO2通量可接近-30 μmol m-2s-1與本研究區(qū)相比表現(xiàn)為更強的碳匯,其原因可能是受植被種類差異和通量足跡的影響,Guidolotti等[39]所研究的城市公園的下墊面情況與本文較接近,且其春夏季節(jié)正午時間段的CO2通量約為-10 μmol m-2s-1與本文一致。

導(dǎo)致生長季與非生長季CO2通量差異的原因可能是綠色植物的影響,依據(jù)圖1研究區(qū)的下墊面分布有大量的草本,木本植物。在生長季植物的光合作用吸收了較多的二氧化碳導(dǎo)致CO2通量的降低。在非生長季植物凋零,但是由于下墊面分布有一定數(shù)量的常綠植物(香樟),導(dǎo)致其在白天的稍晚些時段依然可以起到吸收二氧化碳的作用。王江濤等[19]在崇明東灘濕地的CO2通量研究中同樣發(fā)現(xiàn)了CO2通量的“V”字形特征,并且碳匯的能力同樣表現(xiàn)為夏季的中午時間段最強,且夜間CO2通量表現(xiàn)比較平穩(wěn)。生長季與非生長季的CO2通量差異證明了綠色植物是較明顯的碳匯與Velasco等[1],Grimmond等[28]以及郭智娟等[25]的研究結(jié)果一致。

2.4 生長季不同風(fēng)區(qū)CO2通量特征

不同風(fēng)向?qū)е聹u動相關(guān)系統(tǒng)所觀測的通量不同[11],為討論在生長季植被對生態(tài)系統(tǒng)碳交換的潛在影響,將研究區(qū)基于風(fēng)向定義為不同的風(fēng)區(qū)[11],即當(dāng)風(fēng)向在0°—90°定義為東北風(fēng)區(qū),風(fēng)向在90°—180°定義為東南風(fēng)區(qū),風(fēng)向在180°—270°定義為西南風(fēng)區(qū),風(fēng)向在270°—360°/0°定義為西北風(fēng)區(qū)。不同的風(fēng)區(qū)下墊面情況不同,依據(jù)圖1和Kljun通量足跡模型[3,15]統(tǒng)計出不同風(fēng)區(qū)通量足跡內(nèi)植被面積所占源區(qū)面積百分比,以及依據(jù)風(fēng)向統(tǒng)計出不同風(fēng)區(qū)在生長季的CO2通量特征(μmol m-2s-1)如下圖7所示。

圖7 生態(tài)系統(tǒng)不同風(fēng)區(qū)生長季CO2通量特征Fig.7 CO2 flux of different wind sector in growing season of the study area

依據(jù)圖7,研究區(qū)在生長季不同風(fēng)區(qū)CO2通量特征不同但均表現(xiàn)為碳源,其中西北風(fēng)區(qū)在生長季的CO2通量均值為0.09 μmol m-2s-1,西南風(fēng)區(qū)CO2通量均值為0.11 μmol m-2s-1,東北風(fēng)區(qū)CO2通量均值為0.47 μmol m-2s-1,東南風(fēng)區(qū)CO2通量均值為0.46 μmol m-2s-1。不同風(fēng)區(qū)植被面積占比不同西北風(fēng)區(qū)為55%,西南風(fēng)區(qū)為51%,東北風(fēng)區(qū)為46%,東南風(fēng)區(qū)為45%。不同風(fēng)區(qū)植被面積占比和CO2通量均值有較好的一致性,表現(xiàn)為隨著植被面積上升CO2通量有下降趨勢,CO2通量均值最低值和植被面積占比最高均出現(xiàn)在西北風(fēng)區(qū)。各個風(fēng)區(qū)日最低CO2通量均值的最低值出現(xiàn)在西北風(fēng)區(qū)為-13.21 μmol m-2s-1出現(xiàn)時間為正午,其最高值出現(xiàn)在東南風(fēng)區(qū)為-8.36 μmol m-2s-1出現(xiàn)時間同樣為正午,同樣與植被面積占比有較好的一致性。形成該現(xiàn)象的原因可能是西北方向分布較多的綠色植物在生長季吸收了更多的二氧化碳導(dǎo)致CO2通量水平最低。據(jù)此我們建議在城市建設(shè)規(guī)劃的過程中為降低碳排放和保持碳平衡,應(yīng)在城市中多種植綠色植物且建議植被面積的占總規(guī)劃面積的百分比應(yīng)在50%以上,如果氣候和降水條件滿足的情況下應(yīng)多種植常綠植物來保證在非生長季吸收二氧化碳的能力[5]。

Burri等[38]在城市生態(tài)系統(tǒng)CO2通量特征的研究中同樣使用了基于不同風(fēng)區(qū)的方法,其結(jié)果表明在植被占主導(dǎo)的地區(qū)(占比>50%)的CO2通量要小于道路等占主導(dǎo)的地區(qū)。Vesala等[11]基于風(fēng)區(qū)對城市生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量進行了分析,同樣也認(rèn)為在植被占主導(dǎo)的地區(qū)的CO2通量較低。袁莊鵬等[5]基于不同的風(fēng)向?qū)Τ鞘猩鷳B(tài)系統(tǒng)CO2通量分析中同樣發(fā)現(xiàn)在植被較多的區(qū)域CO2通量低于其他區(qū)域。他們的研究結(jié)果和該研究較一致,由于CO2通量受到多種因素的影響(風(fēng)向,風(fēng)速,下墊面等)[5,15],基于風(fēng)區(qū)的CO2通量研究由于各個風(fēng)向上數(shù)據(jù)量和氣象條件的差異可能會對分析結(jié)果產(chǎn)生影響,關(guān)于下墊面對CO2通量變化的影響機制需在以后使用更長時間序列的CO2通量和氣象數(shù)據(jù)進行分析和解釋。

2.5 葉面積指數(shù)對CO2通量的影響

圖8 生態(tài)系統(tǒng)LAI和CO2通量特征(2016- 10-01—2017-09- 30) Fig.8 LAI and CO2 flux characteristics of the ecosystem in the study area (2016- 10-01—2017-09- 30)

葉面積指數(shù)(LAI)是代表草本,木本等綠色植物生長狀況的重要指標(biāo)[40],而植被是影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要因素[40-46],因此統(tǒng)計出2016年10月1日至2017年9月30日研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)每個月的LAI均值(m2/m2)和月CO2通量交換量(μmol m-2月-1),分析葉面積指數(shù)和CO2通量的關(guān)系,如下圖8所示。

圖9 生態(tài)系統(tǒng)LAI和CO2通量的關(guān)系(2016- 10-01—2017-09- 30)Fig.9 The relationship between LAI and CO2 flux in the study area (2016- 10-01—2017-09- 30)

依據(jù)圖8,2016年10月1日至2017年9月30日研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)的年CO2通量總交換量為9664.06 μmol m-2a-1,即表現(xiàn)為碳源。其中在8月份的月CO2通量交換量最低為-402.02 μmol m-2月-1,在1月份的月CO2通量交換量最高為1689.36 μmol m-2月-1。葉面積指數(shù)月均值在8月份到達峰值為1.03 m2/m2,在11月份到達最低均值為0.24 m2/m2。葉面積指數(shù)與CO2通量具有較好的一致性,CO2通量水平最低的月份與葉面積指數(shù)均值最高的月份均在8月份。為進一步分析葉面積指數(shù)與CO2通量的關(guān)系我們對其進行回歸分析,如下圖9所示。

依據(jù)圖9,研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)CO2通量和葉面積指數(shù)進行回歸分析的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.66,代表CO2通量和葉面積指數(shù)具有較好的相關(guān)性[40-41]。具體表現(xiàn)為隨著葉面積指數(shù)的上升CO2通量有下降的趨勢,其原因可能是當(dāng)葉面積指數(shù)處于較高水平時代表下墊面中的草本,木本等綠色植物長勢良好,在白天具有較強的光合作用吸收了部分二氧化碳導(dǎo)致CO2通量的下降。馬小紅等[40]對胡楊林CO2通量和葉面積指數(shù)的關(guān)系研究區(qū)也證實了葉面積指數(shù)與CO2通量的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Bracho等[41]對松樹林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究中也發(fā)現(xiàn)了較相似的規(guī)律。

研究區(qū)在7月的葉面積指數(shù)均值為0.93 m2/m2(LAI處于較高水平),但是7月的CO2通量的交換量為256.81 μmol m-2月-1(碳源)。其原因可能是研究區(qū)為上海市奉賢大學(xué)城,7月學(xué)生和教職工還未全部離校,人為活動導(dǎo)致了一部分的二氧化碳排放導(dǎo)致CO2通量處于正值。關(guān)于該現(xiàn)象產(chǎn)生的實際原因和CO2通量的影響機制需在以后使用更長時間序列的CO2通量數(shù)據(jù),葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)以及配合車流量調(diào)查進行分析和解釋。

3 結(jié)論

該研究使用了位于上海市奉賢大學(xué)城的渦動相關(guān)通量觀測系統(tǒng)(EC)所觀測和記錄的2016年10月1日至2017年9月30日的CO2通量,氣象數(shù)據(jù),配合葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)分析了整個生態(tài)系統(tǒng)CO2通量變化特征和CO2通量的影響因子。該研究可以為處于亞熱帶氣候區(qū)的其他發(fā)展中國家的城市系統(tǒng)碳循環(huán)研究和合理城市布局建設(shè)綠色生態(tài)城市提供服務(wù)和參考,主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)全年CO2通量總交換量為9664.06 μmol m-2a-1,即整個研究區(qū)表現(xiàn)為碳源。月CO2通量交換量最小值出現(xiàn)在8月份為-402.02 μmol m-2月-1,最大值出現(xiàn)在1月份為1689.36 μmol m-2月-1。且生長季的總體CO2通量低于非生長季的總體CO2通量,其中CO2通量增長率在春季中期達到最低,在夏末秋初達到最高,其原因可能是在春季中期綠色植物恢復(fù)生長并且開始進行光合作用導(dǎo)致了CO2通量的下降,當(dāng)在夏末秋初時植物開始凋零導(dǎo)致光合作用減弱導(dǎo)致CO2通量的上升。

(2)在基于風(fēng)區(qū)的生長季CO2通量特征研究中發(fā)現(xiàn)在植被占主導(dǎo)地區(qū)的整體CO2通量水平較低。生長季CO2通量均值的最低值出現(xiàn)在西北風(fēng)區(qū),且西北風(fēng)區(qū)植被面積所占通量源區(qū)百分比最多為55%。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是生長季植物生長狀況良好,其在白天的光合作用起到了較好的碳匯作用。

(3)CO2通量與葉面積指數(shù)(LAI)的關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨著葉面積指數(shù)的升高CO2通量有下降的趨勢,其原因可能是研究區(qū)下墊面分布有相當(dāng)數(shù)量的綠色植物,在春夏季節(jié)LAI值較高時植物由于光合作用吸收了大量的二氧化碳導(dǎo)致CO2通量的下降。植被的生長情況和植物生理活動是該研究區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要影響因子。

致謝：中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院王介民研究員在通量數(shù)據(jù)處理和通量足跡計算方面給予幫助,英國Swansea大學(xué)地理系Kljun教授提供通量足跡計算模型，上海師范大學(xué)姚鑫、牛明星幫助圖表繪制。