陳文婧，李春義，何桂梅，王小平，查天山, 3，賈 昕,*

(1. 北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2. 北京市林業(yè)碳匯工作辦公室，北京 100013；3. 中關村綠色碳匯研究院，北京 100083)

北京奧林匹克森林公園綠地碳交換動態(tài)及其環(huán)境控制因子

陳文婧1，李春義1，何桂梅2,3，王小平2,3，查天山1, 3，賈 昕1,*

(1. 北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2. 北京市林業(yè)碳匯工作辦公室，北京 100013；3. 中關村綠色碳匯研究院，北京 100083)

隨著城市化進程的推進，城市公園綠地的面積也在不斷地增加。在碳循環(huán)與氣候變化研究中，以人工植被為主要存在形態(tài)的城市綠地生態(tài)系統(tǒng)，其潛在的碳匯功能亦不容忽視?；跍u度相關技術，于2011年12月1日至2012年11月30日對北京奧林匹克森林公園城市綠地生態(tài)系統(tǒng)進行了碳通量觀測，以探討城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳交換及其與環(huán)境因子的關系及其源/匯屬性和強度。研究發(fā)現(xiàn)：奧林匹克森林公園綠地年總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(GEP)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)、生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力(NEP)具有明顯的季節(jié)變化，生長季(4月—11月)以吸收二氧化碳(CO2)為主，非生長季以釋放CO2為主。Re隨空氣溫度(Ta)呈指數(shù)增加，溫度敏感性系數(shù)(Q10)為2.5；GEP也隨Ta的升高而增加；GEP與Re對Ta的響應差異決定著NEP與Ta的關系：當Talt; 10.0 ℃時，NEP隨Ta升高而下降；當Tagt; 10.0 ℃時， NEP隨Ta升高而增加。在生長季各月，日總GEP隨日光合有效輻射(PAR)的升高而增加，生態(tài)系統(tǒng)光合作用表觀光量子效率(α)和平均最大光合速率(Amax)也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，最大值出現(xiàn)在7月，分別為0.083 μmol CO2/μmol PAR 和29.46 μmol·m-2·s-1，最小值出現(xiàn)在11月，分別為0.017 μmol CO2/μmol PAR和4.16 μmol·m-2·s-1。奧林匹克森林公園綠地全年GEP 、Re、NEP的年總量分別為1192、1028、164 g C/m2。該研究結(jié)果可用于估算、模擬預測相似城市生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換，可作為城市綠地生態(tài)系統(tǒng)管理與應對氣候變化的重要理論基礎。

城市綠地；碳通量；渦度協(xié)方差；生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；生態(tài)系統(tǒng)呼吸

近20年來，我國森林碳(C)儲量增加了約0. 4 Pg C，年增加0. 011 — 0. 035 Pg C[1]。人工造林面積的不斷擴大對森林碳儲量的增加起著重要貢獻。目前，我國人工林占全球人工林面積的近1/3；年增量占全球的53.2%[2]。隨著城市化進程的推進，城市森林公園的面積也在不斷增加，城市綠地/人工林作為城市生態(tài)的理想“調(diào)節(jié)器”，深刻影響著城市的生態(tài)環(huán)境[3]。在碳循環(huán)與氣候變化研究中，以人工林植被為主要存在形態(tài)的城市綠地作為重要的碳平衡組分，對減輕氣候變化的影響發(fā)揮著重要作用，其潛在的碳匯功能(或碳固持)不可低估[4]。

城市由于受特殊的下墊面、建筑物及人類活動的影響，表現(xiàn)出高溫、高大氣二氧化碳(CO2)濃度、高氮沉降以及高氣溶膠濃度等環(huán)境特征[5]，城市中植被的性質(zhì)和特征也與自然植被有很大不同[6]。作為城市綠化美化、改善生態(tài)環(huán)境的重要載體的城市綠地生態(tài)系統(tǒng)，其豐富的林種因人工管理、熱島效應和相對較高的氮沉降等可能使單株樹木的生長速度高于野外[7]；同時，城市中較高的氣溶膠濃度，削弱了地面接收的太陽輻射，但增加了散射輻射的比例，而大氣懸浮氣溶膠粒子直接吸收短波輻射使低層大氣中上部增溫[8]，使不同植物凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度發(fā)生不同程度的增加或減少，造成城市單位面積碳固持能力增加或降低[9]。近年的一些研究認為，城市的特征性環(huán)境可作為研究生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的響應和預測未來生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢的“自然大實驗場”[10- 11]。然而，這一方法仍處于前期的討論階段，相關的研究也僅限于一些有關城市熱島和城市污染等碳源方面的報道，對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能及與全球變化相關的研究仍相對薄弱。通過對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的量化研究，可以評估并預測其在減少大氣CO2中的潛在作用[12]。歐美國家對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳固持功能已有大量研究[13- 15]，近年來許多發(fā)展中國家對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳固持功能也越來越重視[16- 18]。對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳交換規(guī)律及其環(huán)境控制因素的理解和認識對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和氣候變化研究具有重要的理論和實踐意義[19]。

渦度協(xié)方差法已成為目前直接測定植被與大氣間的碳水交換，認識和理解生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯屬性動態(tài)的最可靠方法之一[20]，廣泛應用于估算從局域到景觀尺度的物質(zhì)與能量收支[21]。渦度相關系統(tǒng)通過對風速、溫度、水汽(H2O)和CO2脈動值的觀測，可實現(xiàn)對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的碳-水-能量通量的監(jiān)測，不但有助于分析城市綠地與大氣間CO2交換的規(guī)律及其環(huán)境控制因素，而且可以評價渦度協(xié)方差法在城市綠地生態(tài)系統(tǒng)研究中的適用性。然而已有的渦度通量研究主要集中在森林、農(nóng)田和草地等生態(tài)系統(tǒng)，利用該技術對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量交換的連續(xù)觀測仍不多見[22]。通過探索城市綠地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應，利用碳通量數(shù)據(jù)，可預測氣候變化背景下城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能，為反演生態(tài)系統(tǒng)對氣候和環(huán)境變化的響應關鍵碳循環(huán)參數(shù)提供科學依據(jù)。本研究運用渦度協(xié)方差法對北京奧林匹克公園典型綠地生態(tài)系統(tǒng)進行了全年連續(xù)監(jiān)測，分析了(1)總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(GEP)，生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)和生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力(NEP)的季節(jié)動態(tài)；(2)環(huán)境因素對碳交換各組分的控制作用；(3)全年碳源/匯屬性及強度。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)位于北京奧林匹克森林公園北園(40°01′N，116°23′E，海拔51 m)，占地680 hm2，植被覆蓋率達90%以上，是亞洲最大的城市森林公園。該區(qū)域為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均溫14.0 ℃(北京市氣象局，2007年)，1月均溫 -5.8 ℃，極端最低-27.4 ℃，7月均溫25.6 ℃，極端最高42.0 ℃，年均降雨量約600 mm，全年無霜期180—200d。降水季節(jié)分配不均，全年降水的80%集中在6、7、8三個月，7、8月暴雨和強對流天氣較頻繁。土壤類型主要為潮褐土，土壤容重為1.62 g/cm3，土壤孔隙度約為40.30%。通量塔足跡內(nèi)主要植被為人工營造的喬灌草復層景觀林，喬木主要為油松(Pinustabulaeformis)，側(cè)柏(Platycladusorientalis)，國槐(Sophorajaponica)，白蠟(Fraxinuschinensis)和銀杏(Ginkgobiloba)，林分密度約為210 株/hm2，平均樹高7.7 m，胸徑20.6 cm；灌木樹種主要為山桃(Prunusdavidiana)和榆葉梅(Amygdalustriloba)，叢生灌木主要為紅瑞木(SwidaalbaOpiz)，丁香(Syzygiumaromaticum)，林分密度約為351株/hm2，平均樹高2.8 m，平均基徑72.0 cm；地被植物主要為鳶尾(Lristectorum)和石竹(Dianthuschinensis)。

1.2 研究方法

渦度通量觀測儀器安裝高度為11.5 m，包括三維超聲風速儀(CSAT3, Campbell Scientific Ltd, USA)和CO2/H2O紅外氣體分析儀(EC155, Campbell Scientific Ltd, USA)。凈輻射儀(CNR- 4, Kipp amp; Zonen Inc., Netherlands)及光量子傳感器(PARLITE, Kipp amp; Zonen Inc., Netherlands)均安裝在12 m處；兩個翻斗式雨量筒(TE525，Campbell Scientific Ltd, USA)分別安裝在距離通量塔基礎2 m和5 m處迎風向的位置；5個空氣溫濕度傳感器(HMP45C，Campbell Scientific Ltd, USA)分別安裝在在1.5、5、8、10 m和12 m高度；土壤溫度傳感器(Campbell- 109, Campbell Scientific Ltd, USA)及土壤含水量傳感器(CS616, Campbell Scientific Ltd, USA)分5個方向布設在塔周邊10—15 m處，其中4個點安裝在10 cm深度，一個點安裝在30 cm深度；土壤熱通量板(HFP01, Campbell Scientific Ltd, USA)分4個方向安裝在10 cm深度。數(shù)據(jù)采集器(CR3000, Campbell Scientific Ltd, USA)以10Hz頻率記錄渦度協(xié)方差系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對于微氣象系統(tǒng)記錄30 min平均值(掃描頻率0.1 Hz)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析

本研究所用數(shù)據(jù)從2011年12月1日至2012年11月30日，期間由于儀器故障、停電等造成16.7%渦度數(shù)據(jù)缺失。對10 Hz數(shù)據(jù)進行了校正和質(zhì)量控制，包括剔除野點[23]、二次坐標軸旋轉(zhuǎn)[24]、去除傳感器延時影響[25]、頻率響應校正[26]和WPL校正[27]等。用校正過的10 Hz數(shù)據(jù)計算半小時通量，然后利用3倍標準差法剔除野點。生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換(NEE)被定義為公式(1)[28]：

NEE=Fc+Fs+Vc

(1)

式中，F(xiàn)c是通量觀測塔在植被上部所觀測到的CO2通量，F(xiàn)s是渦度相關系統(tǒng)安裝高度下冠層內(nèi)儲存通量，Vc是垂直和水平平流效應。在地勢平坦，植被類型空間分布均勻的植被下墊面，Vc可忽略不計。對于較高的植被冠層而言，觀測高度以下的Fs變化常常不為零，因此，需要對Fs進行計算[29]：

(2)

式中,ΔC(Z) 為觀測高度處的CO2濃度變化(μmol/m3)，Δt為采樣周期(s)，ΔZ為觀測高度(m)。

對夜間NEE(NEEnight)數(shù)據(jù)進行摩擦風速(u*)篩選，剔除u*lt;0.15 m/s的數(shù)據(jù)。篩選后得到有效數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)比例約為53%。通過通量貢獻分析(足跡分析)[30]，得出90%通量足跡為上風向150 m范圍內(nèi)，在100 m的footprint貢獻為70%，而通量貢獻的峰值則出現(xiàn)在50 m處。

對由于儀器故障、停電和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等造成的缺失數(shù)據(jù)用如下方法進行插補：(1) 小于2 h的缺失數(shù)據(jù)用線性內(nèi)插法插補；(2) 大于2 h 的缺失數(shù)據(jù)采用非線性回歸法進行插補[31]。對于生長季白天光合有效輻射(PAR)大于3 μmol·m-2·s-1[32]的渦度數(shù)據(jù)插補采用如下光響應模型[33]：

(3)

式中，NEEday是白天的生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換量(μmol CO2·m-2·s-1)，α為生態(tài)系統(tǒng)表觀光量子效率(μmol CO2/μmol光量子)，PAR為光合有效輻射(μmol·m-2·s-1)，Amax為生態(tài)系統(tǒng)最大光合速率(μmol CO2·m-2·s-1)，Rd為白天平均生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率(μmol CO2·m-2·s-1)。考慮到植物的物候和光合參數(shù)(α,Amax)的季節(jié)變化，采用公式(3)按月對數(shù)據(jù)進行擬合和插補。

預分析發(fā)現(xiàn)：冬季和夏季溫度變化范圍較窄，NEEnight對空氣溫度(Ta)的回歸效果不佳(R2lt; 0.2，Pgt; 0.05)，而春季和秋季NEEnight與Ta的反應相似。因此，在插補夜間數(shù)據(jù)時全年采用單一函數(shù)(公式4)對夜間日平均Ta與NEEnight進行擬合[34]。

(4)

式中，R0為當Ta為0 ℃時的呼吸速率；Q10為溫度增加10 ℃時呼吸速率的相對增加量(i.e., 溫度敏感性)。再將公式(4)獲得的呼吸參數(shù)(R0,Q10)外推到白天獲得白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸的日變化。

因此凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)為：

NEP=-NEE=GEP-Re

(5)

本文中的NEE和Re正值表示生態(tài)系統(tǒng)向大氣中放出CO2，NEP和GEP正值則表示生態(tài)系統(tǒng)從大氣中吸收CO2。通過回歸分析生態(tài)系統(tǒng)碳交換及其組分與環(huán)境變量之間的關系。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖均采用Matlab(Version 7.12.0., The MathWorks, Natick, MA, USA)完成。

圖1 奧林匹克森林公園日平均氣溫(Ta)、日累積光和有效輻射(PAR)、日降雨量(precipitation)和飽和水汽壓差 (VPD) 季節(jié)動態(tài)Fig.1 Mean daily air temperature (Ta), integrated daily photosynthetically active radiation (PAR), precipitation and daily mean vapour pressure deficit (VPD)

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子的季節(jié)變化

生態(tài)系統(tǒng)碳交換通常受溫度、光合有效輻射、濕度、風速和下墊面特征等因素的影響。在本研究數(shù)據(jù)時間段內(nèi)北京奧林匹克森林公園最高氣溫(Ta)發(fā)生在7月2日(29.6 ℃)，最低氣溫發(fā)生在1月22日(-7.9 ℃)，月平均氣溫從3月到11月均大于0 ℃ (圖1)。光合有效輻射(PAR)的季節(jié)趨勢為單峰型，最大日總量出現(xiàn)在6月，為569.19 mol·m-2·d-1(圖1)。年降雨總量716.00 mm，其中2012年7月21日發(fā)生61年一遇的特大暴雨，日降雨量達到176.85 mm (圖1)。飽和水汽壓差(VPD)變化范圍為0.15 — 2.81 Kpa (圖1)，呈明顯季節(jié)變化，總體表現(xiàn)為夏季高、冬季低。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)的GEP、Re及NEP的年總量和季節(jié)動態(tài)

圖2 2011年12月—2012年11月，日總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)(GEP)、日生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)和日生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力(NEP)Fig.2 Daily gross ecosystem productivity (GEP)，daily ecosystem respiration (Re) and daily net ecosystem productivity (NEP) from December, 2011 to November, 2012

2012年觀測點年總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)(GEP)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re) 、生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力(NEP)的年總量分別為1192、1028、164 g C/m2。在城市綠地植被中，喬木的儲碳能力是整個城市綠地中儲碳的主要部分，且相同數(shù)量的老樹要比幼樹對碳儲存的貢獻高很多[35]。與喬木相比，草本植物固定下來的大部分碳并不能長期積累；灌叢由于修剪受到嚴格的形體控制，其徑向增粗并不明顯，因而其固碳量隨時間的增長也不大。在奧林匹克森林公園中，由于多數(shù)植被為人工建設，歷史遺留較少，因而大樹的比例很低。因此，奧林匹克森林公園這個年輕公園的植被年凈碳吸收量6.04 tCO2/hm2小于北京海淀公園綠地8.76 tCO2/hm2[3]。而Jo[36]對韓國Chuncheon, Kangleung和Seoul 3個城市的綠地碳通量進行了調(diào)查結(jié)果表明，在不考慮草地與土壤的碳通量的情況下，木本植物年凈碳吸收量為5.87—14.33 tCO2/hm2。與其他林地碳通量觀測結(jié)果相比較，美國密執(zhí)安大學生物站的年NEP在2.93—6.23 tCO2/hm2之間[ 37]，美國哈佛林地的年NEP是7. 33 tCO2/hm2[38]。由于引起碳吸收能力不同的原因仍存在很多的不確定性，不同年際之間環(huán)境因素對碳交換各組分的控制作用亦存在差異，導致本研究結(jié)果與以上研究結(jié)果相比相當，但顯著小于野外年輕的森林44.6 tCO2/hm2[39]。因此，必須進一步發(fā)展針對城市植被的碳循環(huán)研究方法以更準確地估算城市地區(qū)植被的碳吸收和碳固持[40]。

2.3 溫度對生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響

日平均NEEnight隨Ta的增加呈指數(shù)增長(圖3)，Q10為2.5，R0為0.55 μmol CO2·m-2·s-1，Ta可解釋73%的NEEnight變異。本研究得到的Q10值與其它溫帶地區(qū)的研究結(jié)果接近，比如鄭澤梅等[41]對長白山溫帶混交林的研究發(fā)現(xiàn)林冠下層夜間CO2通量隨溫度呈指數(shù)增長，Q10為2.7，高于在模擬呼吸時通常作為默認值的2.0[42]。

圖3 夜間生態(tài)系統(tǒng)凈交換(NEEnight)、日平均生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)(GEP)、凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(NEE)分別與同期空氣溫度的關系Fig.3 Relationship between nighttime net ecosystem exchange (NEEnight), daily mean gross ecosystem productivity (GEP), net ecosystem exchange (NEE) and the corresponding period air temperature, respectively

溫度除了影響生態(tài)系統(tǒng)呼吸，還通過影響光合作用來影響生態(tài)系統(tǒng)的CO2交換(圖3)。隨著季節(jié)的變化，春季GEP隨著Ta的升高逐漸增加，隨后在夏季達到最高，隨著秋季Ta的降低，GEP也開始降低。許多研究發(fā)現(xiàn)，GEP隨溫度呈拋物線變化趨勢[43]，在溫度上升到一個最適溫度(GEP達到最大值時的溫度)后，GEP不再繼續(xù)升高，而是隨著Ta的升高而降低，說明當Ta升高到一定程度時(即超過臨界的最適溫度)，對GEP會產(chǎn)生抑制作用。但在本研究中，Ta對GEP的影響不存在最適溫度，即當Ta達到最高溫度時，也未對GEP產(chǎn)生抑制作用，植物對Ta具有一定的適應性。

奧林匹克森林公園綠地凈生態(tài)系統(tǒng)交換在氣溫小于10 ℃時，整個生態(tài)系統(tǒng)以呼吸作用為主，此時公園綠地處于非生長季，Re隨溫度的升高而增強, 導致日總NEE隨溫度增大(圖3)。氣溫大于10 ℃植被進入生長季，光合作用隨溫度增加比呼吸快，日總NEE隨著溫度的增加發(fā)生由正到負的變化，表現(xiàn)為凈吸收大氣CO2，30 ℃時表現(xiàn)為最大吸收(NEE =-4.01 g C·m-2·d-1)。該結(jié)果與Niu[43]對20個中高緯度通量站點的研究結(jié)果不盡相同，本研究結(jié)果僅與該研究中的兩個落葉闊葉林站點(US-UMB站及DE-Hai站)的NEE與Ta的關系一致，而其它18個站點的日總NEE均先隨Ta的增加而增加，當Ta達到最適溫度(即日總NEE最大吸收的峰值時)后，隨著Ta的繼續(xù)增加，日總NEE開始減少與降低，日總NEE隨Ta呈拋物線變化趨勢。

表1白天生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換(NEE)與光合有效輻射(PAR)之間的相關參數(shù)比較

Table1ComparisonofparametersfortherelationshipbetweendaytimenetecosystemCO2exchange(NEE)andphotosyntheticallyactiveradiation(PAR)

月份Month/月光合作用表觀光量子效率Ecosystemquantumyield(α)/(μmolCO2/μmolPAR)最大光合速率Maximumphotosynthesis(Amax)/(μmol·m-2·s-1)呼吸速率RespirationrateRd/(μmol·m-2·s-1)40．0129．912．7750．04816．764．1860．06918．335．1470．08329．468．1680．07527．856．8690．03524．213．04100．01924．091．90110．0114．161．63

2.4 光合有效輻射與白天凈生態(tài)系統(tǒng)交換的關系

在生長季，白天凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換主要受PAR調(diào)控。生長季各月PAR與對應的白天凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(NEEday)關系顯著(圖4，表1)。光合作用隨著PAR的增大而逐漸增強，NEE負值也隨之增大，隨著生態(tài)系統(tǒng)對CO2的吸收量增大的趨勢, 系統(tǒng)的碳匯能力也逐漸增大，白天最大光合速率(Amax)和平均白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率(Rd)均在7月最大，與光和有效輻射表現(xiàn)出相同的季節(jié)變化趨勢(表1)。6—8月的生態(tài)系統(tǒng)光合作用表觀光量子效率α為0.068 — 0.083，平均值為0.075，該結(jié)果比Ruimy[44]報道的一般針葉林的0.024以及闊葉森林的0.037高，比Havard中緯度森林的0.04[45]、丹麥山毛櫸森林的0.06[46]以及華北平原冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的0.068也高[47]。由于城市中較高的氣溶膠濃度削弱了地面接收的太陽輻射，減弱了植物的光合作用，但其散射輻射的比例很大，本研究結(jié)果與很多研究者認為的光合利用效率的強度在散射輻射條件中是直射輻射中的兩倍，碳收支對散射輻射變化的敏感度高于對直射輻射變化的敏感度的結(jié)論相吻合[48]。

圖4 2012年生長季各月運用直角雙曲線模型(公式3)擬合的白天生態(tài)系統(tǒng)碳交換(NEEday)和光合有效輻射(PAR)的關系Fig.4 Relationship between daytime NEE and photosynthetically active radiation (PAR) using rectangular hyperbolic model(Formula 3)for each month during the growing season in 2012

3 結(jié)論

生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)已經(jīng)成為全球研究的熱點, 而城市地區(qū)碳循環(huán)數(shù)據(jù)的缺乏則成為研究區(qū)域乃至全球碳循環(huán)的瓶頸[49]。對城市公園綠地CO2通量的長期連續(xù)觀測，有助于分析城市綠地生態(tài)系統(tǒng)光合生產(chǎn)和呼吸的動態(tài)變化，了解綠地的碳收支狀況及其固碳能力。本文通過對奧林匹克森林公園綠地2011年12月2012年11月的通量觀測數(shù)據(jù)進行處理與缺失值插補，并通過與同期空氣溫度、太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)的相關性分析，定量研究了奧林匹克森林公園綠地CO2通量的季節(jié)變化以及影響因子，評價了綠地的固碳能力。

研究發(fā)現(xiàn)：(1)奧林匹克森林公園綠地年總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)(GEP)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re) 、年生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力(NEP)在2012年內(nèi)具有明顯的季節(jié)變化，植物生長季4月—11月份以吸收CO2為主，非生長季以釋放CO2為主。(2)Re隨溫度(Ta)呈指數(shù)增加，溫度敏感系數(shù)(Q10)為2.5; GEP也隨Ta的升高而增加；GEP與Re對溫度的響應差異決定著NEP與Ta的關系：當Talt; 10 ℃時，NEP隨Ta升高而下降；當Tagt; 10 ℃時，NEP隨Ta升高而增加。(3)在生長季各月，日總GEP隨日光合有效輻射(PAR)的升高而增加，生態(tài)系統(tǒng)光合作用表觀光量子效率(α)和平均最大光合速率(Amax)也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，最大值出現(xiàn)在7月，分別為0.083 μmol CO2/μmol PAR 和29.46 μmol·m-2·s-1，最小值出現(xiàn)在11月，分別為0.017 μmol CO2/μmol PAR和4.16 μmol·m-2·s-1。(4)奧林匹克森林公園綠地全年GEP 、Re、NEP的年總量分別為1192、1028、164 g C/m2。由于城市綠地生態(tài)系統(tǒng)在群落組成結(jié)構(gòu)、氣候條件和干擾歷史等方面的差異，本研究結(jié)果在區(qū)域尺度的空間代表性有限。未來研究需要結(jié)合多個監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)整合與模型參數(shù)化實現(xiàn)從生態(tài)系統(tǒng)水平到區(qū)域的擴展，從而實現(xiàn)未來氣候變化情境下精確預測城市綠地對區(qū)域碳收支的貢獻。

致謝:唐祥和王奔對渦度通量監(jiān)測設備維護與運行、數(shù)據(jù)整理與分析提供幫助。

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DynamicsofCO2exchangeanditsenvironmentalcontrolsinanurbangreen-landecosysteminBeijingOlympicForestPark

CHEN Wenjing1, LI Chunyi1, HE Guimei2, 3, WANG Xiaoping2, 3, ZHA Tianshan1,3, JIA Xin1,*

1SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2BeijingForestryCarbonAdministration,Beijing100013,China3ChineseInstituteofGreenCarbon,Beijing100083,China

The area of urban forests and green-land is expanding dramatically across China in order to face rapid urbanization. Urban green-land ecosystems with plantations as their main vegetation type, have the great potential to sequestrate atmospheric carbon. Continuous measurements of CO2flux were made using eddy covariance technique from December 2011 to November 2012 in a mixed forest in Beijing Olympic Forest Park to quantify the seasonal dynamics of net ecosystem CO2exchange (NEE) and its responses to environmental factors. Gross ecosystem productivity (GEP), ecosystem respiration (Re), and net ecosystem productivity (NEP = -NEE) showed strong seasonal pattern, with CO2uptake dominating during the growing season from April to November, and a respiratory release of CO2dominating during the non-growing season. The carbon flux was influenced by photosynthetically active radiation (PAR), water vapor pressure deficit (VPD) and air temperature (Ta). In growing season, daytime net ecosystem carbon exchange (NEEday) increased with increasing PAR. The ecosystem quantum yield (α) and maximum photosynthesis (Amax) showed an apparent seasonal pattern, both peaking in July. VPD also affected NEE through its direct effect on photosynthesis. NEE increased with the increasing PAR up to a threshold of 1200 μmol·m-2·s-1, then decreased with increasing PAR above this threshold. GEP,Reand NEP were all influenced byTa, but responded differently.Reincreased exponentially with air temperature (Ta), with the temperature sensitivity (Q10) being 2.5. GEP also increased withTa. This differential response of GEP andRedetermined the relationship between NEP andTa. NEP decreased with increasingTawhenTalt; 10.0 ℃, but increased whenTagt; 10.0 ℃. NEEdayincreased with PAR. The ecosystem quantum yield (α) and maximum photosynthesis (Amax) showed an apparent seasonal pattern, both peaking in July with the value of 0.083 μmol CO2/μmol PAR and 29.46 μmol·m-2·s-1, respectively, and reaching a minimum in November with the value of 0.017 μmol CO2/μmol PAR and 4.16 μmol·m-2·s-1. The predicted annual totals of GEP,Reand NEP were 1192, 1028 and 164 g C/m2, respectively. The present results could contribute to the carbon budget of urban ecosystems, and help make carbon-oriented management strategies for sustainable urban development under global climate change.

urban green-land; CO2flux; eddy covariance; ecosystem productivity; ecosystem respiration

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2008BAD95B07)

2013- 01- 07;

2013- 08- 07

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xinjia@bjfu.edu.cn

10.5846/stxb201301070053

陳文婧，李春義，何桂梅，王小平，查天山，賈昕.北京奧林匹克森林公園綠地碳交換動態(tài)及其環(huán)境控制因子.生態(tài)學報,2013,33(20):6712- 6720.

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