王亞軍，郁珊珊

(1.福州大學(xué)建筑學(xué)院，福建 福州 350116; 2.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門 361005)

城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳交換動態(tài)及其與環(huán)境控制因子的關(guān)系

王亞軍1，郁珊珊2

(1.福州大學(xué)建筑學(xué)院，福建 福州 350116; 2.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門 361005)

隨著城市的不斷發(fā)展，城市綠地面積逐年增加，綠地生態(tài)系統(tǒng)潛在的碳匯和碳源功能顯得非常重要。2014年1月至2016年1月，基于渦度技術(shù)對福州市綠地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了碳通量連續(xù)兩年的定位觀測，并探討了城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳交換年際動態(tài)特征及其環(huán)境調(diào)控因子。結(jié)果表明，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)年總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(GEP)、生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力(NEP)和生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，其中生態(tài)系統(tǒng)碳交換特征表現(xiàn)為生長季(4月-11月)以吸收CO2為主，非生長季以釋放CO2為主。城市綠地Re均與GPP、GEP呈正比關(guān)系，并且擬合線性斜率<1，受生長季的降水量影響較大。采用指數(shù)方程對碳交換和土壤溫度(Ta)進(jìn)行模擬，生態(tài)系統(tǒng)日平均凈碳交換量(NEEday)隨Ta的增加呈指數(shù)增長模型，Ta可解釋80%以上的變異;GEP隨著Ta的增加逐漸增加，當(dāng)Ta達(dá)到最高時，并未對GEP產(chǎn)生抑制作用；當(dāng)氣溫低于5 ℃時，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)以呼吸作用為主導(dǎo)，當(dāng)氣溫高于5 ℃，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)凈吸收大氣CO2為主導(dǎo)。光合有效輻射(PAR)與NEE呈直角雙曲線關(guān)系，當(dāng)光補償點PAR小于350 μmol·(m2·d)-1時，NEE為正值，此時生態(tài)系統(tǒng)呼吸大于光合生產(chǎn)；當(dāng)PAR大于500 μmol·(m2·d)-1時，生態(tài)系統(tǒng)呼吸與光合生產(chǎn)持平，其碳吸收量基本達(dá)到飽和。生態(tài)系統(tǒng)最大光合速率、白天平均生態(tài)系統(tǒng)呼吸強(qiáng)度、表觀量子效率(α)與溫度和PAR的季節(jié)變化趨勢相一致，均在7月最大和5月最小。相關(guān)性分析可知，不同月份NEE殘差均與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與飽和水汽壓差(VPD)呈正相關(guān)關(guān)系。上述研究結(jié)果為估算、模擬和預(yù)測城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳交換提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)。

渦度技術(shù)；城市綠地生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力；生態(tài)系統(tǒng)呼吸

城市是一類以人類活動為中心的社會、經(jīng)濟(jì)和自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。城市綠地是城市中自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，以植被為主體，以土壤為基質(zhì)，以自然和人為因素干擾為特征，在生物和非生物因子協(xié)同作用下所形成的有序整體[1]。城市綠地系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程[2]。隨著城市生態(tài)概念的發(fā)展，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)具有重要的意義和價值，然而工業(yè)化給城市綠地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境造成了潛在的威脅，并且加速了城市生態(tài)環(huán)境危機(jī)[2]。受人類活動的影響，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出高CO2濃度、高溫、高氣溶膠等特征[3]。氣體懸浮物極大削弱了城市地面對太陽輻射的接受，然而卻增加了散射輻射的比例；同時，大氣懸浮氣溶膠粒子增加了低層大氣中上部溫度，從而造成單位面積碳固持能力增加或降低[4-5]。作為改善和美化城市生態(tài)環(huán)境的重要載體，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)是各類草地、耕地、林地、公園等系統(tǒng)的總稱，具有一定的自凈能力、自動調(diào)節(jié)能力和生命力，是城市生態(tài)環(huán)境凈化的“調(diào)節(jié)器”，在調(diào)節(jié)城市生態(tài)環(huán)境平衡中發(fā)揮著重要作用[6]。與此同時，在碳循環(huán)與氣候變化研究中，綠地生態(tài)系統(tǒng)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)也不可低估[7-8]。然而，目前相關(guān)的研究僅僅表現(xiàn)在有關(guān)城市熱島和城市污染等碳源方面的報道，關(guān)于城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能對城市生態(tài)系統(tǒng)重要性的研究仍相對薄弱[6-8]。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(yù)測其在減少大氣CO2中的潛在作用，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(rèn)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。

隨著全球變化與大氣增溫(主要表現(xiàn)為CO2濃度的富集)，減緩和適應(yīng)全球氣候變化已成為當(dāng)前生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的焦點之一[9-10]。早在1996年，歐美科學(xué)家利用渦度技術(shù)初步建立了全球CO2通量網(wǎng)，進(jìn)而在全球范圍內(nèi)開展了不同尺度生態(tài)系統(tǒng)碳交換特征，但絕大部分研究是針對森林類型，對草地生態(tài)系統(tǒng)碳交換的研究也主要集中在低海拔的平原地區(qū)[9-10]。自20世紀(jì)90年代，我國應(yīng)用渦度相關(guān)法開展了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳交換特征，盡管起步較晚，但也取得了部分有價值的研究進(jìn)展，其成果主要集中在森林和草地生態(tài)系統(tǒng)碳交換及其對環(huán)境的響應(yīng)等方面[11-13]。相比之下，城市綠地作為鑲嵌在城市生態(tài)系統(tǒng)的不連續(xù)體，人工管理、熱島效應(yīng)等人為管理措施更增加了碳交換的不確定性及可變性，有學(xué)者認(rèn)為，可以將城市綠地生態(tài)系統(tǒng)作為研究生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的響應(yīng)和預(yù)測未來生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢的“自然大實驗場”[2-3,7]，通過對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯和碳源的連續(xù)定量研究，能夠預(yù)測其城市生態(tài)系統(tǒng)碳交換與收支。目前，最為廣泛的研究是采用渦度相關(guān)法測定大氣與植物碳交換，其測定的空間范圍能夠延續(xù)數(shù)十平方米，也能夠達(dá)到連續(xù)動態(tài)監(jiān)測的目的。這使得對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳交換的長期定位觀測成為可能，如今已廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測中[14]。渦度相關(guān)系統(tǒng)可以對外界溫度、風(fēng)速、CO2脈沖值及其大氣C交換連續(xù)監(jiān)測，也有助于理解城市綠地生態(tài)系統(tǒng)與CO2交換規(guī)律及其動態(tài)特征[15-17]。有鑒于此，本研究采用渦度協(xié)方差法于2014年1月至2016年1月對福州市綠地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并結(jié)合碳通量的定量數(shù)據(jù)，分析城市綠地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力(NEP)、生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)(GEP)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)的季節(jié)動態(tài)特征以及環(huán)境調(diào)控因子，旨在探索城市綠地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，為城市生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化的響應(yīng)及碳循環(huán)提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福州市位于福建省東部、閩江的下游(118°08′-120°31′ E，25°15′-26°39′ N)，該區(qū)氣候溫暖濕潤，資源豐富，霜少無雪，雨量充沛，農(nóng)業(yè)活動較大，地貌類型以丘陵為主，地勢起伏不平，地形復(fù)雜多樣，土壤類型較多，主要包括紅壤、黃棕壤、紫色土、潮土和沼澤土，平均海拔9.2 m，年均降水量為900～2 100 mm，年均日照時數(shù)為1 700～2 000 h，無霜期達(dá)329 d，年均氣溫為16～20 ℃，年相對濕度約為76%。福州市土地總面積為12 251 km2，截止到2015年，綠地面積約為81.2 km2，人均綠地面積約11.2 m2。

1.2 測定方法

在綠地斑塊方面，福州市綠地存在分布格局呈現(xiàn)點、塊狀分布，城區(qū)缺少足夠?qū)挼木G地廊道進(jìn)行連接，公共綠地分布不均，公園綠地的占地面積最大。由此，根據(jù)福州市城市綠地分布格局及特點，將渦度通量觀測儀安裝在福州市西湖公園，該綠地生態(tài)系統(tǒng)保持較為完整，能夠代表城市綠地生態(tài)系統(tǒng)，位于福州市區(qū)中心區(qū)域，至今有1 700多年的歷史，是福州保留最完整的一座古典園林，占地面積42.51 hm2。安裝高度約12 m，包括三維超聲風(fēng)速儀、碳水(CO2/H2O)紅外氣體分析儀。光量子傳感器和凈輻射儀安裝高度均為12 m，與渦度通量觀測儀安裝高度保持一致，在距離通量塔3 m和6 m迎風(fēng)位置安裝兩個翻斗式量雨器，分別在2、5、8、10和12 m高度上各安裝5個空氣溫、濕度傳感器，然后在塔周邊10 m的范圍內(nèi)沿5個方向分別均勻地布設(shè)5個土壤水分和土壤溫度傳感器，安裝深度為10 cm。最后以10 Hz的頻率記錄和搜集渦度協(xié)方差系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，微氣象系統(tǒng)記錄每30 min的平均值。

數(shù)據(jù)采集和質(zhì)檢每周進(jìn)行一次，每個月用露點發(fā)生器和高純氮氣分別對H2O和CO2零點標(biāo)定，其中供電系統(tǒng)為220 V交流電，蓄電池作為主要的備用電源。觀測項目主要包括氣象要素觀測場、近地面層渦動相關(guān)湍流、土壤溫度和濕度、自然條件下的風(fēng)速和風(fēng)向，其中輻射觀測包括長波輻射和太陽輻射。

1.3 渦動相關(guān)資料數(shù)據(jù)處理

本研究所用數(shù)據(jù)從2014年1月至2016年1月，期間由于儀器故障、停電(自然因素)、人為干擾等影響造成了大約10%渦度數(shù)據(jù)遺失，因此，采用EdiRe軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，每個數(shù)據(jù)樣本處理時間均為0.5 h，處理步驟如下：1)利用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法剔除由停電、儀器故障、人為干擾等造成的異常值和明顯存在錯誤的野點；2)將平均量、方差、脈動量、協(xié)方差等進(jìn)行二維坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)；3)通過密度脈動訂正(WPL)和高頻損失訂正等對碳通量進(jìn)行修正；4)物理檢驗和湍流平穩(wěn)性檢驗。通過以上所有通量資料和數(shù)據(jù)，按照Lindroth等[18]、Winter和Schramm[19]進(jìn)行數(shù)據(jù)修訂與質(zhì)量控制。

城市綠地生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換(NEE)計算公式為[20]：

NEE=Fc+Fs+Vc.

式中：Fc代表通量觀測塔所測的CO2通量，Vc表示水平和垂直的平流效應(yīng)，F(xiàn)s代表渦度相關(guān)系統(tǒng)冠層內(nèi)儲存通量。地勢平坦、植被分布均勻區(qū)域的Vc可忽略不計。對于較高的冠層，F(xiàn)s一般并不為零，因此，需要對Fs進(jìn)行矯正和計算[20]；

式中：ΔCZ表示觀測高度處的CO2濃度(μmol·m-3)，ΔZ表示觀測高度(m)，Δt表示采集數(shù)據(jù)周期(s)。對夜間NEE數(shù)據(jù)(NEEnight)進(jìn)行摩擦風(fēng)速的篩選，剔除風(fēng)速<0.15 m·s-1的數(shù)據(jù)。通過足跡分析，認(rèn)為上風(fēng)向為90%通量足跡(范圍為150 m)，100 m的貢獻(xiàn)率為70%，而通量貢獻(xiàn)的峰值則出現(xiàn)在離地面高度大概50 m處。此外，對于白天光合有效輻射(PAR)高于3 μmol·(m2·d)-1的數(shù)據(jù)采用如下光響應(yīng)模型進(jìn)行插補[20]：

式中:NEEday表示白天的生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換量[μmol·(m2·d)-1]，α表示生態(tài)系統(tǒng)表觀光量子效率(μmol·μmol-1)，PAR表示光合有效輻射，Amax表示生態(tài)系統(tǒng)最大光合速率[μmol·(m2·d)-1]，Rd表示白天平均生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率[μmol·(m2·d)-1]。

生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)與土壤溫度常用的關(guān)系模型有以下4種。

Taylor和Lloyd模型[21]：

Arrhenius模型[21]：

指數(shù)模型[22]：

Re=R10e(b×Ts);

Q10模型[22]：

式中:Ea表示活化能(溫度敏感系數(shù))；R10表示10 ℃的生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率，R表示氣體常數(shù)E0=Ea/R；Tref表示參考溫度(10 ℃)；T表示土壤溫度或氣溫；Ts表示土壤溫度；T0表示綠地生態(tài)系統(tǒng)呼吸=0的溫度；Q10表示溫度的敏感性指標(biāo)，也即溫度每改變10 ℃，呼吸速率涉及的改變范圍，本研究在Taylor和Lloyd模型[23]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，從而Q10模型也可表示為Re=ln(Q10/10)。

生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)與土壤水分常用的關(guān)系模型有以下2種。

連乘模型[23]：

Re=a×eb×T×vwcc；

線性模型[23]：

Re=a×vwc+b.

式中:vwc為土壤體積含水量，a，b，c為待擬合參數(shù)。

本研究分別采用線性方程對夜間Re與土壤溫度關(guān)系進(jìn)行擬合，為了綜合土壤水分、溫度對Re的影響，利用連乘模型來估算白天Re。

Re=Reday+Renight.

式中:Reday為白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸，Renight為夜間生態(tài)系統(tǒng)呼吸。

GEE=NEE-Re.

總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(GEP)與GEE的絕對值在數(shù)值上相等并且符號相反。因此，從生態(tài)系統(tǒng)的角度上考慮，可以認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP)與GEP相等，也即GEP=-GEE=GPP。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖均采用SPSS 21和Origin 9.2完成，通過回歸方程及相關(guān)性分析研究生態(tài)系統(tǒng)碳交換及其組分與環(huán)境因子之間的關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 微氣象因子的季節(jié)變化

本研究城市綠地生態(tài)系統(tǒng)最高氣溫(Ta)出現(xiàn)在7月，最低氣溫出現(xiàn)在1月，3月-11月平均氣溫均為正值(圖1)。PAR呈單峰型的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在6月，其平均值為365.24 μmol·(m2·d)-1，最小日總量出現(xiàn)在1月，平均為132.54 mol·(m2·d)-1，同時受天氣影響(如雨雪和沙塵)，PAR存在較大的短期波動。年降水總量為1 124.56 mm，最大日降水量達(dá)到59.23 mm，80%以上降水集中在6月-9月，其中7月降水量最高(198 mm)。飽和水汽壓差(VPD)在0.16～2.79 kPa，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，總體表現(xiàn)為夏季和秋季較高，春季和冬季較低。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換的季節(jié)變化

城市綠地生態(tài)系統(tǒng)GEP、NEP和Re年總量分別為4.19×105、0.49×105、3.74×105g C·m-2(圖2)。6月-8月為明顯的碳吸收階段，生長季中期無降水時，土壤水分起到了一定的脅迫作用，因此城市綠地生態(tài)系統(tǒng)植被光合作用在7月以后急劇降低，其中日最大GEP約18 g·(m2·d)-1。本研究中，3、4月份綠地生態(tài)系統(tǒng)植被萌芽較早，導(dǎo)致3月份綠地生態(tài)系統(tǒng)GEP高于Re，該時期表現(xiàn)為凈碳吸收時期；而5、6月份降水較少，NEP出現(xiàn)降低的階段，此后，隨著雨季的來臨，城市綠地系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的凈碳吸收，NEP逐漸增大；在7、8月的中旬最大，并且一直持續(xù)到9月，生態(tài)系統(tǒng)凈碳吸收作用才開始有所降低。

2.3 碳呼吸對生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響

城市綠地Re與GEP、NEP具有一定的相關(guān)性(圖3)。城市綠地Re與GEP顯著正相關(guān)(P<0.01)，同時二者的直線截距均不等于0，擬合直線斜率均小于1。城市綠地生態(tài)系統(tǒng)dRe/dGPP均為正值，Re隨GPP增加呈一定的增加趨勢，表明福州市綠地生態(tài)系統(tǒng)受到環(huán)境因子年際波動的影響較為顯著，導(dǎo)致該生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了一定的變化。另外，福州市年降水較少，生態(tài)系統(tǒng)植被生長季較晚和異養(yǎng)呼吸值較高，盡管在7、8月份雨季來臨以后生態(tài)系統(tǒng)固碳功能逐漸恢復(fù)，但整個生長季植被固碳均為較弱的碳源。從總體上來看，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)Re與NEP和GEP比值均<1，并且凈碳交換年際變異較大，主要受環(huán)境因素的影響(降水)，該系統(tǒng)的碳匯和碳源功能會發(fā)生一定的轉(zhuǎn)變。由此可知，受降水的影響，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)可以分別為弱的碳源和較強(qiáng)的碳匯，并且凈碳吸收功能與凈碳吸收持續(xù)時間也存在較為密切的相關(guān)關(guān)系。

圖1 微氣象因子的季節(jié)變化

圖2 生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換的季節(jié)變化

2.4 溫度對凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響

通過SPSS最佳擬合度篩選分析后，運用指數(shù)方程擬合凈碳交換和土壤溫度之間的關(guān)系，其中10 cm土壤溫度可以很好地解釋生態(tài)系統(tǒng)的呼吸變異性，經(jīng)計算可知，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的溫度敏感性(Q10)的值為2.2 ℃(圖4)。生態(tài)系統(tǒng)日平均NEE隨著Ta呈指數(shù)增長，并且Ta能夠解釋80%以上NEE的變異。溫度不僅可以影響綠地生態(tài)系統(tǒng)的呼吸，還可以影響到生態(tài)系統(tǒng)碳交換的形式。本研究中，春季GEP隨著Ta的升高呈逐漸增加趨勢，夏季達(dá)到最高，秋季Ta有所降低，導(dǎo)致GEP也開始降低。當(dāng)氣溫低于5 ℃時，該生態(tài)系統(tǒng)以呼吸作用占主導(dǎo)作用，此時生態(tài)系統(tǒng)地上植被處于非生長季，Re隨溫度的增加而增加，導(dǎo)致日總NEE隨溫度呈增加的趨勢。當(dāng)氣溫高于5 ℃時，該生態(tài)系統(tǒng)植被進(jìn)入生長季，地上植被的光合作用增加的幅度較呼吸作用快，表現(xiàn)為凈吸收大氣CO2，其中5 ℃時生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為最大吸收，之后隨著氣溫的繼續(xù)增加，日總NEE逐漸降低，但總體來看，日總NEE與Ta呈指數(shù)曲線關(guān)系。

圖3 碳呼吸對生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響

圖4 溫度對凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響

2.5 光合有效輻射與凈生態(tài)系統(tǒng)交換的關(guān)系

NEE與PAR之間呈顯著的直角雙曲線關(guān)系，在光補償點PAR<350 μmol·(m2·d)-1時，NEE為正，此時生態(tài)系統(tǒng)光合作用小于呼吸作用；隨著光補償點PAR的增加，生態(tài)系統(tǒng)光合作用和凈碳吸收逐漸增加；當(dāng)PAR>500 μmol·(m2·d)-1時，生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量達(dá)到飽和狀態(tài)(圖5)。表觀量子效率變化范圍在0.021 6～0.056 9 μmol CO2·μmol-1，其中白天平均生態(tài)系統(tǒng)呼吸強(qiáng)度和生態(tài)系統(tǒng)最大光合速率與PAR、溫度變化趨勢相一致(7月最大，5月最小)(表1)。光合作用隨著PAR呈逐漸增強(qiáng)趨勢，NEE負(fù)值也隨之增加，生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力也逐漸增加，其中平均白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率和最大光合速率和均在7月最大，與光合有效輻射季節(jié)變化趨勢相一致。

2.6 環(huán)境因子對NEE的影響

為了合理解釋NEE與土壤溫度(Ta)、日降水量和飽和水汽壓差之間(VPD)的相關(guān)性，利用NEE殘差與土壤溫度(Ta)、日降水量與飽和水汽壓差(VPD)做Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明，不同月份NEE殘差均與日降水量負(fù)相關(guān)，其中7、8月份的NEE殘差與日降水量呈極顯著相關(guān)(P<0.01)(表2)；不同月份NEE殘差均與Ta和VPD正相關(guān)，其中7、8月份的NEE殘差與VPD呈極顯著相關(guān)(P<0.01)；5、6、7、8月的NEE殘差與Ta極顯著正相關(guān)(P<0.01)，9、10月的NEE殘差與Ta顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖5 光合有效輻射與凈生態(tài)系統(tǒng)交換的關(guān)系

表1 生長季模擬的光合參數(shù)

表2 環(huán)境因子與NEE殘差的相關(guān)性

注：*和**分別表示顯著(P<0.05)和極顯著相關(guān)(P<0.01) 。

Note: * and ** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 level, respectively.

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和循環(huán)已成為全球研究的熱點問題之一，然而城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和循環(huán)研究則成為陸地碳循環(huán)研究進(jìn)展的瓶頸[11]。對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的連續(xù)定點監(jiān)測將有助于分析城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的動態(tài)平衡[11-13]。本研究監(jiān)測了城市綠地生態(tài)系統(tǒng)1年的通量數(shù)據(jù)，與土壤、空氣溫度、大氣太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用渦動相關(guān)法分析了城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳交換特征及其環(huán)境調(diào)控因子。結(jié)果表明：城市綠地生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換過程具有明顯的時空和季節(jié)性差異。NEE在7月-9月最大，在此過程中，降水量和降水的時空分布特征對其影響較大。從5月份開始，綠地生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的碳匯功能，而生長季無植被受水分脅迫導(dǎo)致凈碳吸收作用受到抑制，從而凈碳吸收過程均呈現(xiàn)“雙峰”的變化趨勢。有研究認(rèn)為[20-21]，陸地生態(tài)系統(tǒng)本身是一個具有自身固碳的有效碳庫，而不同生態(tài)系統(tǒng)Re/GPP在理論上<1；當(dāng)GEP為0時，該生態(tài)系統(tǒng)的自養(yǎng)呼吸=0；對于本研究而言，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)擬合直線的截距并不等于0，而且大于0，其表示的含義是當(dāng)城市綠地生態(tài)系統(tǒng)不存在植被時，該系統(tǒng)自身固有的異養(yǎng)呼吸值。

一般認(rèn)為，溫度是控制生態(tài)系統(tǒng)呼吸的主要環(huán)境調(diào)控因子，然而以大氣還是土壤的溫度作為判別的環(huán)境調(diào)控因子仍沒有明確的定論[22]。Ma等[23]認(rèn)為，土壤溫度與空氣溫度具有密切的相關(guān)性，二者能夠共同反映生態(tài)系統(tǒng)呼吸變化趨勢；然而，由于城市綠地生態(tài)系統(tǒng)擾動性比較大，土壤呼吸可能是決定生態(tài)系統(tǒng)呼吸的主要因素之一。因此，本研究以土壤溫度作為驅(qū)動因子來解釋變量顯得更為科學(xué)和合理。由于渦動系統(tǒng)自身的局限，白天NEE不能夠完全被預(yù)測，而其它環(huán)境因子會對NEE的值產(chǎn)生一定的影響[24]；另一方面，VPD和溫度在一定程度上影響植物的固碳作用，VPD與溫度之間也有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。內(nèi)蒙古荒漠草原日尺度的NEE受到20-30 cm的土壤含水量影響最大[25]；溫帶森林土壤水分(VPD和VWC)限制植物生長的關(guān)鍵因子，而水分虧缺是造成植物固碳量降低的主要原因[26]；在溫帶落葉森林，植物生長季節(jié)受到降水的影響而提前，其中生長初期和中期的降水對碳通量的影響比生長后期更為明顯[27]。也有研究[11,20-21]表明，GEP隨溫度呈拋物線的變化趨勢，當(dāng)達(dá)到其最適溫度時，GEP最大(拋物線的頂點)，以后GEP將有所降低，表明，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)Ta達(dá)到一定的閾值(臨界溫度)后，Ta對GEP產(chǎn)生了一定的抑制作用。然而，本研究中當(dāng)Ta達(dá)到最大時，GEP也沒有被抑制。

本研究中，由于城市綠地生態(tài)系統(tǒng)地表的擾動比較大，導(dǎo)致土壤呼吸值偏高。2015年，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸總量為4.49×104g·m-2，這遠(yuǎn)小于北京奧林匹克森林公園[28]的1.73×105g·m-2。此外，由于綠地生態(tài)系統(tǒng)植被光合固碳能力有限(葉面積指數(shù)小)，其表觀量子效率的變化范圍在0.021 6～0.056 9 μmol·μmol-1，略小于溫帶森林(0.024～0.085 μmol·μmol-1)，而大于北京奧林匹克森林公園(0.011～0.083大于0.056 9 μmol·μmol-1)。這主要是由于城市中大氣懸浮物極大地削弱了地面接收的太陽輻射和植物的光合作用。本研究中，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)光合利用效率強(qiáng)度高于太陽直射輻射，碳收支對太陽直射輻射具有一定的敏感度，這與前人[11,20-21]的研究結(jié)果相吻合。城市綠地生態(tài)系統(tǒng)在景觀布局、植物結(jié)構(gòu)和人為管理、擾動等方面的差異，導(dǎo)致本研究在區(qū)域尺度的空間代表性上依然不足。在未來的研究中，需要結(jié)合多個綠地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)，并通過模型參數(shù)化和數(shù)據(jù)整合實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)到區(qū)域尺度的發(fā)展，從而實現(xiàn)氣候變化背景下預(yù)測城市綠地生態(tài)系統(tǒng)對路對生態(tài)系統(tǒng)碳收支的貢獻(xiàn)。

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(責(zé)任編輯 武艷培)

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Dynamics of CO2exchange and its environmental controls in an urban green-land ecosystem in Fuzhou City

Wang Ya-jun1, Yu Shan-shan2

(1.College of Architecture, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China；2.School of Architecture and Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

The area of urban green-land is expanding dramatically as a strategy to counter rapid urbanization. Urban green-land ecosystems with plantations as their main vegetation type have great potential to sequester atmospheric carbon. Continuous measurements of CO2flux were made using eddy covariance technique, from January 2014 to January 2016, in Fuzhou City 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. Ecosystem respiration (Re) had a positive relation with GEP and gross primary productivity, and the fitting line was less than 1, with the straight intercept not zero, which shows that the balance of urban green-land ecosystem was greatly influenced by the precipitation and distribution of precipitation during the growing season. An exponential equation of the net carbon exchange to simulate the soil temperature (Ta) showed that NEE increased exponentially with the Ta, and the interpretation ratio was more than 80%. GEP increased exponentially with the Ta, and there was no optimum temperature, i.e., the highest temperature had no inhibitory effect on the GEP. NEP decreased with increasing Ta, when Ta<5.0 ℃, but increased when Ta<5.0 ℃. NEE and photosynthetically active radiation (PAR) meet the optimal hyperbolic relationship when PAR <350 μmol·(m2·d)-1, where the ecological system breathing was greater than the photosynthetic production, and when PAR > 500 μmol·(m2·d)-1, where the ecosystem carbon uptake was saturated. The ecosystem quantum yield (α) and maximum photosynthesis (Amax) showed apparent seasonal patterns, both peaking in July. Correlation analysis showed that the NEE residuals for different months were negatively correlated with rainfall and positively correlated with Taand vapour pressure deficit. The present results could contribute to the carbon budget of urban ecosystems and help create carbon-oriented management strategies for sustainable urban development under global climate change.

eddy covariance technique; urban green-land ecosystem; gross ecosystem productivity; net ecosystem productivity; ecosystem respiration

Yuan Shan-shan E-mail:yushanhan_81@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0435

王亞軍,郁珊珊.城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳交換動態(tài)及其與環(huán)境控制因子的關(guān)系.草業(yè)科學(xué),2017,34(5)：966-974.

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2016-08-23 接受日期：2017-01-25

福建省自然科學(xué)基金面上項目(2016J01732)

王亞軍(1977-)，男，安徽阜陽人，高級工程師，博士，研究方向為風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計、景觀與生態(tài)規(guī)劃和風(fēng)景園林工程與設(shè)計方法。E-mail:fjwangyajun@163.com

郁珊珊(1981-)，女，福建廈門人，助教，博士，研究方向為風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計、城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃。E-mail:yushanhan_81@163.com

S181;X171.1

A

1001-0629(2017)05-0966-09