城市生态系统-大气间的碳通量研究进展

贾庆宇，王宇，李丽光

1. 中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110016；2. 中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室，北京 100093

全球每年由化石燃料燃烧释放的二氧化碳(CO2)约达270×108t，我国是世界碳排放大国之一，碳排放占全球总排放量的18.4%。城市人口和交通集中，是CO2等温室气体的主要来源，在CO2排放研究中已受到重视。观测表明，城市环境下CO2通量几乎为净排放[1]且其排放强度远大于其他生态系统。城市生态系统中人为释放的CO2主要来源于煤和石油等化石燃料燃烧转化为交通和动能，车辆排放的废气和其他人为源CO2不经过处理排放到大气中，会直接促进了大气CO2浓度的增加；城市扩张改变的土地利用类型是使城市碳释放增加（城市化毁林降低碳的固存）的另一主要原因，随着城市化进程不断推进，CO2等温室气体排放不断增加，从而加速了全球气候变暖。

以往关于生态系统-大气间碳通量的研究主要集中在森林、草地、湿地和农田生态系统等下垫面均一的陆地生态系统，尽管已有城市碳通量的观测[2]但总体而言城市在生物圈演变和全球碳循环研究中的作用还没有引起足够重视，对空间异质性大的城市生态系统碳通量缺乏观测和数据分析。资料表明，面积不足全球陆地总面积2.4%的城市[3]却贡献了超过全球80%的CO2[4-5]。因此，了解城市生态系统-大气间碳通量特性及其控制机制有助于更好地评估全球大气中CO2浓度和变化趋势，全面了解陆地生态系统碳循环和碳收支。

本文从城市生态系统碳通量观测手段、碳通量的时空特征及其主要影响因素等方面，综述了城市生态系统-大气间碳通量的最新研究进展，探讨城市复杂下垫面条件下生态系统碳通量研究的特点和难点，提出未来拟加强研究的重点，为增进陆地生态系统碳循环的理解，准确评估全球碳收支提供参考。

1 城市生态系统碳通量的观测方法

自1820年开始城市气象[6]研究以来，城市气象主要侧重温度即热岛和城市污染气象的研究。随着仪器设备和观测技术的进步，城市生态系统碳通量也开始逐渐被关注。目前，陆地生态系统碳通量的观测方法主要有：微气象学方法（涡度相关法、质量平衡法、能量平衡法和空气动力学法）和箱式法（静态箱法和动态箱法）[7]。利用微气象学原理的涡度相关法是唯一能直接测定生物圈与大气间物质与能量通量的标准方法，已成为国际通量观测网络的主要技术[8]。

涡动相关法经过长期的理论发展和技术改进，已经实现了对森林、草地、湿地和农田等生态系统CO2和水热通量的非干扰性直接测定[9-10]虽然在非均匀的城市边界层观测和研究中, 受到诸如能量闭合[11], 弱湍流情况下碳通量偏低[12], 夜间稳定边界层中出现的间歇、波动和流动分离, 降雨或沙尘天气对仪器镜片的污染等问题的困扰，但该方法依然被广泛采用。全球生态系统通量观测网(FLUXNET)中有不少站点就设在城市地区[13]。利用涡动相关观测系统观测和研究城市边界层中动量、热量、水汽和物质输送特征及其对全球变化的影响, 其中对于城市碳通量的观测和研究更是目前国际上研究的热点问题。

涡度相关法要求有均一的下垫面，尤其在主风向上，而城市生态系统的下垫面复杂，评估城市生态系统碳通量必需表征和明确界定站点周边的土地利用类型、调查不同利用类型的权重。城市下垫面的非均一性决定了观测站安置的位置不同，对数据影响十分显著。研究时，一般将城市生态系统分为中心区（urban）、绿地（green space）和郊区（suburban）[14]。城市中心区人口和交通密集、植被覆盖往往低于郊区，因此碳通量的监测结果高于郊区，绿地植物光合作用碳通量往往表现为碳吸收。Loretta Gratani等[15]根据交通流量将罗马城市细分成5个类型，即历史遗迹、城市中心、城市中心的住宅区、城市公园和郊区。为研究碳通量的空间变异，Soegaard和Moller-Jensen[16]将涡度相关系统安装在位于车辆的9 m伸缩桅杆协方差系统之上，定期在道路入口与住宅和工业区不同的城市环境下测量，得到不同位置的碳通量数据。城市通量观测站的高度现在没有统一的规定，但为提高涡动协方差系统的空间代表性，仪器安置高度都高于城市冠层高度（周围建筑物高度），没有其他建筑物遮挡。

涡度协方差技术要求满足下垫面相对平坦(坡降不超过10%)、风向相对稳定、大气边界层内湍流剧烈且湍流间歇期短、植被在上风向有足够的延展、研究对象处于水平均匀的大气边界内等条件[17]．但城市生态系统地形复杂、下垫面非均质，不同下垫面具有不同的粗糙度，涡度协方差技术理论要求地表均一粗糙度为定值，这样违背了涡度协方差技术理论的基本假设，为此仪器安装的位置要考虑观测试验的目的，需要用通量贡献区分析法来确定不同源面积对通量的贡献。

2 城市生态系统碳通量的变化特征及其影响因子

2.1 城市生态系统碳通量的变化特征

城市生态系统基本表现为碳源[1]且其排放强度远大于其他生态系统。作为全球变化的驱动者和响应者，随着全球城市化进程的不断加剧，城市生态系统在局地对全球的生化循环、气候变化起着越来越重要的作用。

城市生态系统CO2浓度存在着明显的日、周和季节变化。日变化与早晚的上下班高峰有关。美国盐湖城[18]CO2浓度在上午9:00最大410 ppm，在午后迅速下降到383 ppm；周变化与工作日和休息日的周期变化有关。Gratani等[11]对1995-2004年意大利首都罗马市外围平日和周末的观测表明，罗马市外围平日和周末分别达到平均405和377 ppm，城市中心分别达到平均505和414 ppm，冬季月份>夏季15%，平日>周末22%，上午>下午23%；季节变化主要与冬季的取暖有关。王长科等[19]采用气相色谱法测定北京城市32 m高处CO2浓度的季节变化，最大值出现在冬季，月平均浓度421.5～441.0 ppm，最小值在夏季月平均367.4～371.6 ppm。

城市生态系统CO2通量特征也具有日、周和季节变化。Eiko Nemitz等[20]对2000年10月∼11月在日本东京的平均CO2通量（释放）为26 μmol m-2s-1，典型日最高峰为50∼75 μmol m-2s-1，夜间为10 μmol m-2s-1。盐湖城通量8月为-4∼+6 μmol m-2s-1，9月为-3～+6 μmol m-2s-1，最大值与交通高峰9点相同[20]。意大利罗马[15]、中国沈阳[21]CO2通量变化与时间的响应，即平日大于周末。

城市生态系统CO2通量特征与站点的位置密不可分，如表1所示，各城市的观测结果显示碳通量基本在0～40 µmol m-2s-1范围内，小于0的城市其下垫面以森林为主，如芬兰的赫尔辛基[22]和美国巴尔的摩[23]。王修信[24]等研究放置在公园中心涡动相关系统在9月碳通量-105 µmol m-2s-1为净吸收，而位于边缘的仪器测得为28 µmol m-2s-1为净排放。

表1 不同城市生态系统的碳通量Table 1 The carbon flux of different urban ecosystem

总的来说，CO2通量的变化表明城市是CO2排放的净源, 其日变化特征复杂, 但都呈双峰双谷特征, 具体表现为凌晨边界层稳定、排放少时段的谷值,早晨和傍晚人们上下班高峰时段、机动车增多时的峰值, 午后光合作用影响下的谷值以及午夜大货车入城时段的增大变化。其中凌晨谷值、傍晚及午夜前后的增大[25]。城市冬季燃烧供暖，使CO2通量明显增加，傍晚出现峰值时间与集中供热时间一致[21]。

2.2 城市生态系统碳通量的影响因子

在城市生态系统区域，对碳收支贡献的影响因子有：包括自然形态的土壤、植被，静态的水泥、路面，动态的交通、人净呼吸，隐藏在建筑物中的如家庭和餐饮业等。城市土地利用方式改变主要使土地覆盖形式由一种类型转变为另一种类型往往伴随着大量的碳交换。研究发现, 城市土地利用方式对植被碳的吸收和储存能力存在相互矛盾。一方面, 城市中的不透水层降低了植被覆盖率, 造成建成区单位面积碳的吸收和储存能力降低; 另一方面,人工管理、热岛效应和相对较低的臭氧浓度等可能使单株树木的生长速度高于野外[33]。植被覆盖的减少和单株生产力的提高这两个相反的驱动力使得城市化地区植被碳吸收能力存在不确定性。

2.2.1 植被

城市由于热导效应大气温度高，使城市绿地的光合作用吸收CO2能力更强。Green DM[34]研究了美国菲尼克斯市草坪土壤呼吸的季节变化规律发现，全年土壤呼吸速率（二氧化碳通量）在3.16～11.37µmol m-2s-1，高峰出现在夏季的7、8月和春季的4月，低值出现在秋季和冬季，草坪土壤的呼吸速率全年都高于对照样地（当地天然沙漠生态系统)。梅雪英等[35]不考虑吸收研究夏季上海草地排放量7月份最大，可达475 µmol m-2s-1。比较而言城市树木要比草坪更能吸收二氧化碳，王修信[24]、李霞[36]研究北京绿地4-10月日均碳通量均为负值即是二氧化碳汇，吸收强度可达-100～-120 µmol m-2s-1，年净光合生产力可达，8.7554 tCO2 hm-2a-1。

2.2.2 土壤、路面

城市有不同类型植被覆盖的土壤表面CO2通量的日动态差异显著，常绿林、灌木林、落叶林的CO2通量分别为为2.7 µmol m-2s-1、2.18 µmol m-2s-1、1.54 µmol m-2s-1[37]；何娜等[38]研究林分土壤压实后的呼吸速率，根据压实程度不同土壤表面日CO2通量变化主道比对照降低70%，而压实支道降低40%。

城市无绿色植被覆盖的路面和有铺装的封闭土壤，阻碍了气体交换，土壤密实，贮气的非毛管孔隙减少，减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态系统低[39]。

2.2.3 交通

在影响城市生态系统碳通量因素中，交通是城市二氧化碳最大的来源。汽车尾气中的二氧化碳排放量和汽车发动机的油耗水平直接相关，因此碳通量与交通流量呈线性相关[16]峰值与高峰时间对应。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）可比住宅区住宅最大高20倍（0.8 g CO2m-2h-1）。交通产生的碳通量大小与上下班时间密切相关，即平日大于周末和节假日、早晚高峰大于其它时间。CO2通量的峰值明显和早上及晚上交通的高峰时段有关系[6]。墨尔本的Preston地区全日交通24小时流量为29404，上午高峰1991，下午高峰为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变异的主要来源[16]。美国的carbonflux计划，通过飞机（取得12个固定取样瓶）和船舶收集和检验空气样品，通过模式构建出日平均通量，得出全球碳排放以城市一月份最为明显。英国研究在取暖期住宅和公共服务机构估计CO2通量（释放）在白天释放通量的39%，夜晚为64%。北半球冬季具备取暖措施的城市关注了冬季取暖对CO2通量的影响，贾庆宇等[21]研究发现城市供暖对后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

隐藏在建筑物中的如家庭和餐饮业也是城市碳排放的源，而排放量的多少与所燃烧物质的种类（如天然气、煤炭、液化气、柴油）、燃烧量、建筑物的密封程度[40]等有关。除研究以上因素之外，人的呼吸也是对二氧化碳通量的贡献[41]比重较大的部分，在人口集聚区，在一个150立方米教室中20名学生，进行4个小时的学习，室内二氧化碳的浓度上升高达4630 ppm。Eiko Nemitz[20]等在苏格兰爱丁堡11月份人口稠密的市中心，观测到的二氧化碳通量高峰能达到50～75 µmol m-2s-1。

对城市生态系统碳通量观测数据误差项的解释，通量数据中的异常值也许并不是系统本身造成的，必须考虑各种人为的因素不确定性，包括节假日大型活动、法定休息日等会对交通流量产生直接的影响，城市建设的快速发展直接导致下垫面利用类型的变化。

2.3 通量足迹分析

多种影响通量的因素决定了数据的结果，必须有站点详细特征的描述。足迹（footprint）反映了获取通量数据的空间代表性，城市碳通量涡动相关观测的关键是解决城市复杂下垫面通量观测的足迹[42]遥感数据可为贡献区分析提供必要的数据来源，如土地覆盖、地形等、土地利用等动态变化，为通量贡献区分析提供高分辨的实时动态数据，在一定程度上可用来修正贡献区分析模型。量化城市生态系统中交通、人口、和掩藏在建筑物下面的未知碳源，进行源区分析（footprint）也是了解该地区影响碳通量的关键[17]。

目前，关于通量足迹的分析方法主要有拉格朗日模式（LPDM-B）[43]、一维模式[44]、基于Monin-Obukhov相似性理论的FSAM模型（Flux-Source Area Model）[45]、适合足迹的大涡模型[45]及基于非中性层结条件的KM模型（Kormann-Meixner method）[47]。其中拉格朗日模式随机模式和大涡模型计算复杂，不易做长期观测计算[48]；FSAM模型要求近常通量层仅存在于近地面，中性层结条件下和平坦下垫面对输入参数有诸多限制[49]；KM模型基于非中性层结条件，给出了真正意义上的解析解[50]。

由于城市为复杂下垫面，因此在研究通量贡献区时也必须考虑不同类型下垫面高度对空气动力学粗糙度的影响。

3 结论与展望

城市生态系统下垫面由静态的土壤、植被、路面、建筑物等，和动态的交通、人等组成，在空间分布上存在很大的非均匀性，因此需要设计确定城市下垫面地表粗糙度和零平面位移的方案[51]。

目前城市生态系统碳通量观测在欧洲、美国开展较多，随着全球城市化进程速度加快，需要在城市增加观测点，并展开长期的更加深入细致有效的观测试验。由于目前进行城市生态系统碳通量的研究较少，加之城市生态系统碳通量观测点的选取，观测仪器的安装布置，资料处理等等都难以统一，限制了这一领域的研究交流，因此，为了增强数据的可比较性，必须统一城市通量站的观测规范。鉴于城市生态系统在全球碳循环中发挥的重要作用，在未来研究中如何对城市碳循环进行准确模拟，并且深入分析城市生态系统碳循环与其他生态系统碳循环的相互作用至关重要。

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