城市林地叶片与冠层尺度CO2浓度、水汽密度比较

王修信，高凤飞，刘 馨，胡玉梅，朱启疆

(1.广西师范大学计算机科学与信息工程学院，桂林 541004；2.广西师范大学,广西多源信息挖掘与安全重点实验室，桂林 541004；3.北京师范大学遥感科学国家重点实验室，北京 100875)

近20年来北京城市发展迅速，建筑物和道路快速增加，尤其是自申奥成功后，为改善城市生态环境，城市绿地建设也受到了重视。较大面积树林的绿地易产生局地小气候环境，具有光合作用吸收CO2释放氧气、蒸腾作用增加湿度、调节气温等生态效应，然而其调节小气候的作用需定量观测数据的支持。

CO2浓度、空气水汽密度(湿度)、气温等数据常用于定量评价城市绿地的小气候作用[1]。地面观测仪器主要有Licor CO2/H2O红外气体分析仪(例如开路式LI-7500、便携式LI-840A涡度相关系统)，CO2/H2O气体稳定同位素廓线测量系统，便携式Licor 6400光合作用测量仪，自动气象站。Licor CO2/H2O红外气体分析仪采用非色散红外光谱法测量空气中CO2和H2O的密度，开路式LI-7500可观测冠层尺度数据[2-3]，便携式LI-840A一般观测距地面约1.5 m高度数据[4-6]；CO2/H2O气体稳定同位素廓线测量系统采用离轴积分光腔输出光谱技术可提高测量数据的精度[7]；便携式Licor 6400光合作用测量仪可观测叶片尺度数据[8-10]；自动气象站可测量温度、湿度等气象数据[11-12]，例如美国Kestrel 4500/5500手持自动气象站[13-16]、HOBO小型气象观测站[17]。

然而目前对城市绿地小气候作用的研究均只使用一种观测仪器采集数据，未能比较城市林地冠层尺度与叶片尺度的观测数据。因此，在北京市海淀公园利用微气象观测塔上涡度相关系统连续观测林地的冠层尺度数据，利用便携式Licor 6400光合作用测量仪观测林地较大面积树种的叶片尺度数据，定量分析叶片尺度与冠层尺度观测的CO2浓度、水汽密度数据特点与关系。

1 数据与方法

1.1 研究区和观测场地概况

北京城市的气候为典型的北温带半湿润季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春季和秋季短促。气温的年均值在11～13 ℃，降雨量的年均值在400～500 mm，全年降雨主要集中在7月和8月。

观测场地设在北京市海淀公园，位于万泉河立交桥(西北四环)的西北角(39°59′7N，116°17′20E)，面积0.34 km2，东起万泉河路，南到西北四环路，西至万柳中路，北至新建宫门路，地跨畅春园、西花园及泉宗庙等皇家园林遗址。

海淀公园为以林地为主的乔灌草镶嵌结构绿地，较大面积的林木有毛白杨(Populustomentosa)、白蜡(FraxinuschinesisRoxb)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、垂柳(Salixbabylonica)等。

1.2 涡度相关系统的冠层尺度观测

将微气象观测塔架设在海淀公园中部的林地内，在塔上距离树林冠层上方1.5～1.8 m安装涡度相关系统一套(图1)，包括：开路式LI-7500CO2/H2O红外气体分析仪(LI-COR Inc.，USA)测量林地冠层尺度的空气CO2浓度、水汽密度，CSAT3三维超声风速仪(Campbell Scientific Inc.，USA)测量冠层尺度的水平风速和垂直风速，HMP45C空气温湿度计(Vaisala，Finland)测量冠层尺度的空气温度和空气湿度，CNR-1四分量净辐射仪(Kipp &Zonen，The Netherlands)测量冠层所接收的短波辐射和长波辐射，两块埋放在地下的HFP01土壤热流板(Campbell Scientific Inc.，USA)测量地表土壤热通量，CR5000数据采集器(Campbell Scientific Inc.，USA)全自动连续记录并存储观测数据，采样频率10 Hz。

图1 海淀公园涡度相关系统冠层尺度观测Fig.1 Canopy scale measurements with eddy covariance system in Haidian Park

1.3 光合作用测量仪的叶片尺度观测

在海淀公园中部微气象观测塔附近较大面积的林地，利用北京师范大学折臂式电力高空维修车的工作平台使用Licor 6400光合作用测量仪(Licor Inc.,USA)观测林木叶片尺度的CO2浓度、水汽密度及样树叶片的净光合作用速率、蒸腾速率等数据(图2)，每间隔1.0 h测量一次数据，每次重复读数10 次，取平均值。净光合作用速率和蒸腾速率由叶室气体与参考气体CO2浓度差、叶室气体与参考气体H2O浓度差、气体流速、叶面积等参数计算。

图2 海淀公园光合作用测量仪叶片尺度观测Fig.2 Leaf scale measurements with portable photosynthesis system in Haidian Park

2 结果与分析

光合作用测量仪的观测，时间选择夏季7月晴天天气3 d的9:00—17:00，样树选取观测塔附近较大面积的阔叶树种毛白杨、垂柳、白蜡等林地中各3棵，样叶选取样树冠层中上部、阳面的3～5片树叶，样叶要求位于当年生枝条的中位并且健康、成熟、正常生长，记录整点时刻林木叶片尺度的观测数据。从涡度相关系统的冠层尺度观测数据中选取对应光合作用测量仪观测时刻数据。

2.1 叶片尺度与冠层尺度观测数据的比较

由LI-7500涡度相关系统观测的树林冠层上CO2浓度和水汽密度可视为林地冠层尺度的数据；便携式Licor 6400光合作用测量仪观测不同树种叶片的样本室CO2浓度和H2O浓度可视为林木叶片尺度空气的CO2浓度和水汽密度数据，结果如图3和图4所示。同时叶片尺度净光合作用速率Pn、蒸腾速率Tr的观测数据如图5和图6所示。

图3 不同尺度CO2浓度观测数据Fig.3 CO2 concentration measurements at different scales

图4 不同尺度水汽密度观测数据Fig.4 Vapor density measurements at different scales

可以看出，Licor 6400光合作用测量仪观测的林地较大面积树种的叶片尺度CO2浓度和水汽密度与LI-7500涡度相关系统观测的冠层尺度数据的日变化趋势基本相同。在植被生长期，林地叶片尺度CO2浓度明显呈现早晚高、中午低的山谷状日变化趋势，CO2浓度观测数据在12:00—13:00达到低谷点，但冠层尺度CO2浓度的低谷点滞后到15:00—16:00，而且“山谷存在变浅”的现象；叶片尺度蒸腾速率日变化趋势与CO2浓度相反，在12:00—13:00达到峰值点，还存在双峰“午休现象”。林地较大面积树种的叶片尺度CO2浓度和水汽密度的数值均高于冠层尺度观测数据的数值，叶片尺度CO2浓度高于冠层尺度CO2浓度10%～20%，叶片尺度水汽密度高于冠层尺度水汽密度40%～70%，结果如表1所示。

2.2 观测数据的影响因素分析

LI-7500涡度相关系统观测了林地冠层的水平风速、垂直风速、空气温度、净辐射等环境影响因子，Licor 6400光合作用测量仪观测了林地叶片的净光合速率、蒸腾速率等生理因子。由此计算得到的林地叶片尺度CO2浓度和水汽密度数据与环境影响因子、生理因子的相关系数结果如表2所示；计算林地冠层尺度CO2浓度和水汽密度3 d观测数据与环境影响因子的相关系数结果如表3所示。

图5 叶片尺度净光合速率的日变化Fig.5 Diurnal changes of net photosynthetic rate at leaf scale

图6 叶片尺度蒸腾速率的日变化Fig.6 Diurnal changes of transpiration rate at leaf scale

表1 叶片尺度与冠层尺度观测数据差值占冠层尺度观测数据比例Table 1 Percentage of differences between leaf scale and canopy scale measurements

表2 叶片尺度观测数据与影响因素的相关系数Table 2 Correlation coefficients between measurements at leaf scale and their affecting factors

可以看出，林地叶片尺度CO2浓度与净辐射、净光合速率呈明显的负相关(P<0.05)，净辐射、净光合速率越大，则林地叶片尺度CO2浓度越低，叶片尺度水汽密度与蒸腾速率呈明显的正相关，与空气温度呈明显的负相关，P<0.05；蒸腾速率越大，夏季的空气温度越低，则叶片尺度水汽密度越高。林地冠层尺度CO2浓度和水汽密度数据均与垂直风速呈明显的正相关(P<0.05)，LI-7500涡度相关系统观测的林地冠层尺度CO2浓度和水汽密度数据，受林地较大面积树种的叶片尺度CO2和水汽在空气垂直湍流输送的影响。

表3 冠层尺度观测数据与影响因素的相关系数Table 3 Correlation coefficients between measurements at canopy scale and their affecting factors

3 讨论

城市公园林地乔木等植被在白天光合作用吸收CO2，蒸腾作用释放水汽，使得叶片尺度CO2浓度降低，并且净光合速率与净辐射呈正相关关系，随净辐射的增强，净光合速率提高。12:00—13:00左右，净辐射达到最大值，植被的净光合速率、蒸腾速率达到最高，对应叶片尺度CO2浓度观测数据日变化的低值点和水汽密度观测数据日变化的峰值点。夏季晴天太阳辐射强烈，林地部分树种的叶片尺度观测数据日变化存在明显的“午休现象”，与吉小敏等[10]观测大沙枣和小沙枣等植物叶片的光合特性日变化曲线呈现双峰“午休”现象是一致的。而冠层尺度CO2浓度等观测数据是下垫面各种植被光合作用的综合效果，“午休现象”不明显或弱于叶片尺度观测数据，与张娜等[3]观测西双版纳热带季雨林林冠上方的CO2浓度日变化曲线呈现“单峰型”是一致的。

林地较大面积树种的叶片尺度CO2浓度和水汽密度均高于冠层尺度观测数据的数值，原因是海淀公园下垫面有林木、灌木、草本植物等不同的植被，植被种类和年龄的不同对光合作用、蒸腾有一定的影响，而且相同树种不同生长阶段叶片的净光合速率、蒸腾速率也存在差异。林木中阔叶植物比针叶植物的光合作用强、蒸腾量大；草地的光合作用、蒸腾在乔灌草中是最弱的，光合作用吸收CO2释放氧气、蒸腾作用增加湿度生态效应是最差的；涡度相关系统观测的冠层尺度CO2浓度和水汽密度受公园不同植被光合作用、蒸腾的综合影响，因此比光合作用测量仪观测林地叶片尺度数据低，而且冠层尺度观测数据受面积越大的林类树种叶片尺度观测数据的影响越大。

林地冠层尺度涡度相关系统观测数据是冠层上风方向一定风浪区的数值，林地叶片尺度CO2和水汽通过空气垂直湍流输送影响到冠层的观测数据，同种林类的林地面积越大，则其叶片尺度观测数据对冠层尺度观测数据的影响越大。但由于较难准确地估算公园内同种林木的纯林面积，因此无法比较各树种林地面积大小的影响。

在城市环境观测CO2浓度和水汽密度易受人为因素的影响，一般北京上下班的交通车流高峰期时间为7:00—9:00和17:00—20:00，观测时间选取9:00—17:00，刚好避开海淀公园周边道路早晚交通高峰期汽车大量排放CO2的影响，而且实验观测位于公园内部林地中间，远离公园周边，林地茂密的高大乔木枝叶的摩擦与阻挡作用，有效地阻滞道路上汽车排放的CO2气体的水平扩散到达观测点，因此，可以认为观测数据受公园周边道路交通的影响很小。

4 结论

(1)夏季林地较大面积树种的叶片尺度CO2浓度和水汽密度与冠层尺度观测数据的日变化趋势基本相同，但叶片尺度CO2浓度和水汽密度均高于冠层尺度观测数据的数值，叶片尺度CO2浓度和水汽密度均高于冠层尺度观测数据的数值，叶片尺度CO2浓度高于冠层尺度观测数据10%～20%，叶片尺度水汽密度高于冠层尺度观测数据40%～70%。

(2)夏季林地部分树种的叶片尺度观测数据的日变化在正午存在明显的双峰“午休现象”，但冠层尺度观测数据受公园各种植被光合作用、蒸腾的综合影响，其“午休现象”弱于叶片尺度观测数据和存在时间上滞后，或“午休现象”不明显。

(3)夏季日间林地叶片尺度CO2浓度与净辐射、净光合速率呈显著的负相关关系，叶片尺度水汽密度与蒸腾速率呈显著的正相关关系，与空气温度呈显著的负相关关系。林地冠层尺度CO2浓度和水汽密度数据均与垂直风速呈显著的正相关关系，受林地较大面积树种的叶片尺度CO2和水汽在空气垂直湍流输送的影响。