任鵬杰, 陳先剛*, 王小平

1.西南林業(yè)大學濕地學院, 國家高原濕地研究中心, 云南 昆明 650224 2.西南林業(yè)大學生態(tài)與水土保持學院, 云南 昆明 650224

大氣CO2是重要的溫室氣體[1]. 海洋釋放、生物呼吸、化石燃料燃燒等是大氣CO2的主要排放源，光合作用、海洋呼吸、碳沉積等是大氣CO2的主要吸收匯[2-3]. 根據全球碳項目(GCP)的報告，自工業(yè)革命以來，1750—2016年全球大氣c(CO2)從277 μmolL升至403 μmolL，增幅達45%[4]. 大氣c(CO2)增加所導致的全球暖化已成為人類面臨的生態(tài)環(huán)境問題之一[5]. 大氣CO2等溫室氣體濃度的上升對全球氣候、生態(tài)和經濟所產生的影響，已引起國際社會的廣泛關注[6-7].

迄今，世界各地均建立了大氣c(CO2)本底觀測站，如我國的青海省瓦里關、浙江省杭州市臨安區(qū)、北京市上甸子，國外的夏威夷莫納羅亞山(Mauna Loa)、地中海藍佩杜薩島(Lampedusa)、西太平洋與那國島(Yonagunijima)等[8]. 同時，已有學者開展了有關大氣CO2濃度變化及其影響因素的研究工作[9-10]. 在濃度影響因子方面，王長科等[11]研究發(fā)現，北京市大氣c(CO2)季節(jié)性變化主要受人為活動控制. Rice等[12]發(fā)現，美國俄勒岡州(Oregon)市區(qū)大氣CO2受人為和自然的雙重影響. 在時間變化特征上，高松[13]研究了上海市城區(qū)2010年夏季高時間分辨率的大氣CO2連續(xù)監(jiān)測數據，結果表明上海市大氣c(CO2)日變化呈顯著的早、晚雙峰特征，周變化呈顯著波浪形，并且來自西南和西北方向的區(qū)域輸送是大氣c(CO2)升高的來源之一. Ratani等[14]研究發(fā)現，意大利羅馬城市大氣CO2濃度的日最高值出現在早晨，年最高值出現在冬季，并指出大氣c(CO2)變化與交通密度相關. Idso等[15]對美國菲尼克斯市區(qū)大氣CO2濃度的日變化和季節(jié)性變化進行研究，結果表明，日最高值和最低值分別出現在夜間和下午，季節(jié)性變化則隨氣溫而變化. 在青藏高原上，研究人員開展了大氣CO2源和匯的相關研究，并給出青藏高原凍土2050年和2070年大氣CO2潛在排放量的第一個全區(qū)域估算值，其結果表明由解凍引起的大氣CO2排放量會隨時間變化而減少[16]. 但是，現有研究成果大多關注大氣CO2濃度時空變化特征及其與人為活動因素(如尾氣排放、秸稈燃燒等)的關系，并且多數研究以城市等人口密集地區(qū)為研究區(qū)域，而對人口稀少地區(qū)的大氣CO2濃度與局地氣候因子關系的研究較少.

該研究以地處滇西北高原地區(qū)氣象要素變化較明顯且受人為干擾較少的金沙江河谷為研究對象，針對大氣CO2濃度和環(huán)境氣象要素開展持續(xù)定點平行觀測和分析研究，以期了解非人為干擾情況下，近地層大氣CO2濃度變化特征及其與局地氣候因子的關系，為深入研究大氣CO2濃度變化規(guī)律及其與環(huán)境氣候的相互關系提供更多基礎支撐.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于滇西北高原云南省麗江市永勝縣和大理白族自治州鶴慶縣交界的金沙江河谷中段，該河谷為南北走向，河谷切割較深，四周為高大的山體(見圖1). 該河谷位于西南季風和東南季風的背風坡，背風坡面氣流下沉增溫減濕，焚風效應明顯，河谷中上坡以干熱為主，而在位于河谷底部江岸附近區(qū)域，水汽蒸發(fā)量大，因此相對較為濕熱，植被較為茂盛. 河谷中氣象要素的日變化特征比較明顯. 該地年均氣溫為13.5 ℃，最高年均氣溫為14.1 ℃，最低年均氣溫為13.1 ℃；無霜期為210 d，年均降水量為943.4 mm，年均日照時數為2 293.6 h，年均風速為2.6 ms，常年風向以西南風為主[17]. 干濕季分明的氣候特征使該地形成了以干熱河谷灌叢和稀樹灌木草叢為主的植被, 如扭黃茅(Heteropogoncontortus)、龍須草(Eulaliopsisbinata)、車桑子(Dodonaeaviscosa)、余甘子(Phyllanthusemblica)、攀枝花(Bombaxmalabaricum)、酸角(Tamarindusindica)等[18]. 研究區(qū)地處高山河谷，人口稀少，住戶多以散居分布，主要在兩岸部分臺地上從事農耕活動，無明顯的工業(yè)碳排放，區(qū)域內大氣c(CO2)的變化主要受自然因素影響.

圖1 金沙江河谷研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area in Jinshajiang River Valley

2 數據與方法

2.1 數據采集

觀測點設置于鶴慶縣龍開口鎮(zhèn)(原中江鄉(xiāng))中江街以北1 km處的金沙江邊西岸開闊臺地之上(26.5°N、100.4°E)，海拔約 1 230 m，周圍植被為稀樹草坪，附近及較遠的沿江兩岸分布有旱作農田. 在觀測點安裝遼寧省錦州陽光氣象科技有限公司生產的TRM-ZS型自動氣象站，感應頭置于距地面1.5～2.0 m處，主要記錄大氣c(CO2)、溫度、相對濕度、風速和風向等要素的變化情況，連續(xù)記錄40個月(2011年8—11月、2012—2014年). 日變化采用每小時記錄的整點數據，季節(jié)性變化和年變化采用記錄數據的月均值.

2.2 分析方法

觀測期間，剔除個別不合理的數據(主要是因設備產生的奇異值)，得到30 min間隔的有效數據共 35 789 組. 利用Excel 2013錄入監(jiān)測數據并進行統(tǒng)計分析，借助SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對數據進行相關性分析. 由于設備故障等原因，2013年8月的數據缺測，2013年11月、12月及2014年1—4月、10—12月的大氣c(CO2)數據缺測. 2013年8月的大氣c(CO2)數據采用同年7月和9月的平均值.

采用Pearson相關系數分析大氣c(CO2)與各要素的相關性[19]. 對于2個要素(x與y)，如果其樣本值分別為xi與yi(i=1,2,…，n)，則二者之間的相關系數為

(1)

3 結果與討論

3.1 大氣c(CO2)的變化特征

3.1.1大氣c(CO2)的日變化

圖2 研究區(qū)大氣c(CO2)日變化Fig.2 Diurnal variation curve ofatmospheric c(CO2) in the study area

大氣c(CO2)日變化特征依賴于氣象條件的日變化[20]. 由圖2可見：研究區(qū)大氣c(CO2)的日變化呈波動型，最高值出現在09:00左右，達316.2 μmolL；隨后大氣c(CO2)開始劇烈下降，至13:00左右達最低值(291.0 μmolL)；在14:00左右出現了一個不明顯的峰值(293.4 μmolL)；在17:00左右出現低值(291.5 μmolL)，隨后又開始上升，直到翌日09:00左右達一天的最大值. 大氣c(CO2)的日波動幅度為25.2 μmolL. 研究區(qū)大氣c(CO2)平均值表現為白天(06:00—17:00)低于夜間(18:00—翌日05:00)的特征，大氣c(CO2)日平均值為304.9 μmolL，白天為301.7 μmolL，夜間為308.3 μmolL.

該研究關于大氣c(CO2)日變化特征的結論與其他學者的研究結果一致. 李燕麗等[21]對廈門市秋季近郊近地面大氣c(CO2)的研究發(fā)現，廈門市一天中大氣c(CO2)最高值出現在05:00—06:00，最低值出現在13:00. 王庚辰等[22]研究表明，內蒙古自治區(qū)草原上空大氣c(CO2)日變化呈馬鞍型，一天中最高值出現在04:00—05:00，最低值出現在13:00—15:00. Rice等[12]在美國一個鄉(xiāng)村站點進行大氣c(CO2)觀測時發(fā)現，一天中最高值出現在05:00—08:00，最低值出現在15:00—17:00，其變化與光合作用、呼吸作用、區(qū)域邊界層高度變化相關. 日本東京一天內大氣c(CO2)的最高值出現在09:00左右，最低值出現在15:00左右[23]. 可見，金沙江河谷的大氣c(CO2)日變化特征與上述城市、草原、農村等地區(qū)是相似的. 但是夏威夷莫納羅亞山(Mauna Loa)大氣c(CO2)的日變化并不明顯，該地為熱帶海洋性氣候，遠離大陸，大氣CO2排放源很少，受人類活動和植物生長的影響較小[24]. 與海洋地區(qū)不同，受植被光合作用、呼吸作用和土壤微生物活動的晝夜差異影響[25]，金沙江河谷等內陸地區(qū)大氣c(CO2)有明顯的日變化特征，因此金沙江河谷大氣c(CO2)的日變化特征不同于莫納羅亞山(Mauna Loa).

3.1.2大氣c(CO2)的年變化

由圖3可見：研究區(qū)大氣c(CO2)季節(jié)性變化顯著且呈單峰型，表現為秋、冬兩季高，春、夏兩季低的特征. 秋季大氣c(CO2)平均值最高，達326.1 μmolL；其次是冬季，為313.2 μmolL；大氣c(CO2)平均值最低的是夏季，僅為258.8 μmolL. 大氣c(CO2)的年變化(月均值)曲線為雙峰型，在3—7月呈快速下降的趨勢. 大氣c(CO2)月均值在7月達最小值，為228.5 μmolL；次小值出現在6月，為254.8 μmolL；在10月達最大值，為338.9 μmolL；次大值出現在9月，為335.4 μmolL. 研究區(qū)大氣c(CO2)年波動幅度為110.4 μmolL. 研究區(qū)大氣c(CO2)在3—8月(春、夏兩季)變化較劇烈，其波動幅度為68.9 μmolL；在9月—翌年2月(秋、冬兩季)變化較緩和，其波動幅度為34.9 μmolL. 大氣c(CO2)的年均值為299.1 μmolL，其中9月—翌年2月大氣c(CO2)月均值(依次為335.4、338.9、304.0、308.9、326.6、334.9 μmolL)且均超過了年均值.

圖3 研究區(qū)大氣c(CO2)季節(jié)性變化和年變化Fig.3 Seasonal and annual variation curve of atmospheric c(CO2) in the study area

大氣c(CO2)的季節(jié)性變化與地球生態(tài)系統(tǒng)中CO2吸收和釋放過程、人類活動、海洋吸收等有關[26-27]. 由于研究區(qū)遠離人口密集區(qū)、交通干線和工礦等人為活動影響頻繁區(qū)，大氣c(CO2)變化主要受自然因素的影響. 夏季是當地植被的生長旺季，光合作用強烈，是“碳匯”效應明顯期，大氣中的CO2通過植物的光合作用被固定下來[28]，由光合作用所吸收的大氣CO2遠大于由土壤有機碳氧化所排放出的CO2[29]，因此大氣c(CO2)在夏季達到最低值；到秋季植被生長迅速下降，而此時當地相對較好的水熱條件使土壤與植被凋落物呼吸作用保持旺盛，故“碳源”效應明顯，因此大氣c(CO2)呈上升趨勢；在冬、春兩季，相應自然因素的消長及其匹配介于夏、秋兩季之間，因此冬、春兩季的大氣c(CO2)也介于夏、秋兩季之間，并且冬季高于春季. 與北京市、長江三角洲城市區(qū)域的大氣c(CO2)季節(jié)性變化相比，金沙江河谷與上述城市區(qū)域大氣c(CO2)的最低值均出現在夏季，但金沙江河谷的最高值出現在秋季，而上述城市區(qū)域最高值出現在冬季[30]，這與城市區(qū)域冬季取暖導致的大量化石燃料燃燒有關[31]，黑龍江省龍鳳山站還受到人類活動和植物光合作用的雙重影響[32]. 從最值出現的時間上來看，青海省瓦里關全球大氣本底站2008年大氣c(CO2)最高值和最低值分別出現在4月和8月[33]；2009年夏威夷莫納羅亞山(Mauna Loa)站的大氣c(CO2)最高值和最低值分別出現在5月和10月[34]；青藏高原6—9月，由于高寒草甸和灌叢生態(tài)系統(tǒng)為“碳匯”，因此大氣c(CO2)偏低[35]. 可見，金沙江河谷大氣c(CO2)的變化特征不同于受季風影響小、海陸熱力性質差異小的瓦里關，以及受海洋性氣候影響大的莫納羅亞山(Mauna Loa)，金沙江河谷大氣c(CO2)的最高值出現在10月，可能與該時段內金沙江河谷的植被凋落物呼吸旺盛有關. 與海洋相比，陸地上植被生長與人類活動的存在對大氣c(CO2)的變化有著重要的影響[24].

3.2 大氣c(CO2)變化與氣象因子的關系

3.2.1大氣c(CO2)與氣溫的關系

圖4 研究區(qū)大氣c(CO2)與氣溫的日變化Fig.4 Diurnal variation of atmospheric c(CO2) and temperature in the study area

研究區(qū)大氣c(CO2)與氣溫的變化總體呈負相關(見圖4)，二者Pearson相關系數為-0.97(P<0.01). 由圖4和表1可見：觀測期內平均氣溫為20.9 ℃. 日出后氣溫上升，大氣c(CO2)隨之下降，在07:00左右氣溫達最低值(15.4℃)，此時大氣c(CO2)較高；之后氣溫上升而大氣c(CO2)下降，至15:00左右氣溫達最高值(27.4 ℃)，而大氣c(CO2)較低；隨后，氣溫下降而大氣c(CO2)上升. 00:00—07:00，氣溫在15.4～18.6 ℃之間變化時，大氣c(CO2)變化(311.6～315.5 μmolL)較平穩(wěn)；11:00—19:00，氣溫在22.9～27.4 ℃變化時，大氣c(CO2)變化(291.0～298.9 μmolL)較大. 大氣CO2濃度的變化與氣候變量中影響陸地生物圈光合作用呼吸作用的近地面氣溫密切相關[36]. 白天太陽輻射強，使氣溫升高，改變了近地面大氣的熱量平衡，空氣的對流運動強烈，大氣邊界層充分混合，加上光合作用大氣c(CO2)降到了一天中的最小值[22]. 夜間氣溫較低，大氣層結較穩(wěn)定，空氣的對流運動微弱，大氣邊界層的混合和垂直輸送能力均較弱，加之植物的呼吸作用，因此夜間大氣c(CO2)呈上升趨勢. 在13:00—15:00大氣c(CO2)出現異常表現，可能與土壤水分條件的變化，以及土壤溫度和氣溫之間關系的變化有關[37]；該時段內氣溫較高，生物呼吸旺盛，也是導致大氣c(CO2)出現異常的因素之一.

表1 研究區(qū)氣象要素統(tǒng)計

3.2.2大氣c(CO2)與相對濕度的關系

圖5 研究區(qū)大氣c(CO2)與相對濕度的日變化Fig.5 Diurnal variation of atmospheric c(CO2) and relative humidity in the study area

研究區(qū)大氣c(CO2)與相對濕度的變化總體呈正相關(見圖5)，大氣c(CO2)與相對濕度之間的Pearson相關系數為0.97(P<0.01). 由圖5可見：隨著日出后相對濕度的下降，大氣c(CO2)相應下降，13:00—15:00相對濕度和大氣c(CO2)均達一天中最小值；日落后，相對濕度上升，大氣c(CO2)也隨之上升，到日出前后達一天中最大值. 00:00—07:00，當相對濕度變化范圍為62.9%～72.9%時，大氣c(CO2)的變化(311.6～315.5 μmolL)較穩(wěn)定；11:00—19:00，相對濕度變化范圍為39.7%～51.3%時，大氣c(CO2)的波動(291.0～298.9 μmolL)較大. 根據對觀測期內數據的統(tǒng)計和計算發(fā)現，研究區(qū)濕季(5—10月)大氣c(CO2)月均值與相對濕度月均值變化呈弱正相關(r為0.20)，此時河谷內氣候濕潤，降水豐沛，植被覆蓋率高，觀測期內研究區(qū)平均相對濕度為57.5%. 該研究結果與深居內陸的慕士塔格峰大氣c(CO2)與相對濕度呈負相關的結果不同，慕士塔格峰位于干旱地區(qū)，水汽貧乏，植物生長緩慢，光合作用受到限制，因此大氣c(CO2)出現上升趨勢[26]. 研究區(qū)地屬于干熱河谷，全年分為干、濕兩季，大氣相對濕度是影響當地大氣c(CO2)的重要因子. 夜間相對濕度較高，有利于植物呼吸[22]，因此增加了大氣c(CO2). 大氣c(CO2)的日變化和年變化情況相似，其原因與當地植被在不同生長期與大氣之間的氣體交換差異有關[26].

圖6 研究區(qū)大氣c(CO2)與風速的日變化Fig.6 Diurnal variation of atmospheric c(CO2) and wind speeds in the study area

3.2.3大氣c(CO2)與風速的關系

不同風速對大氣c(CO2)的變化也有影響，其導致大氣c(CO2)的上升或降低[38]. 觀測期間的風速介于0.1～2.3 ms之間，3月的平均風速(1.1 ms)最大，8月的平均風速(0.2 ms)最小(見圖6). 各月研究區(qū)地面1.5 m處風級多為1級(0.3～1.5 ms)，其次為0級(0～0.2 ms)，再次為2級(1.6～3.3 ms)，2級及以下風出現頻率為98.3%；各月中出現的小時平均最大風速為2.3 ms(2級，3月14:00)，小時平均最小風速為0.5 ms(1級，8月14:00). 各月夜間的平均風速均小于白天，1級及以下(≤1.5 ms)風的出現頻率較白天高19%. 7月大氣c(CO2)隨平均風速的增加降幅最大，達74.0 μmolL；3月降幅最小，為19.2 μmolL. 大氣c(CO2)在22:00—翌日07:00 呈緩慢增加的趨勢，在09:00—23:00總體呈先降后升的特征(見圖6). 平均風速范圍為0.3～0.5 ms時，大氣c(CO2)變化較為平穩(wěn)，大氣c(CO2)平均值維持在311.6～315.5 μmolL. 白天風速范圍為0.7～1.3 ms時，大氣c(CO2)波動較大，大氣c(CO2)平均值范圍為291.0～298.9 μmolL；風速范圍為0.4～0.9 ms時，大氣c(CO2)下降最劇烈(變化范圍為25.2 μmolL). 在α=0.01置信水平上來看，觀測期間大氣c(CO2)與風速呈顯著負相關，其Pearson相關系數為-0.93(P<0.01). 夜間平均風速小于白天，當風速較小時，大氣層結穩(wěn)定，大氣c(CO2)的變化受局地影響較大，造成近地面大氣CO2堆積，導致大氣c(CO2)增大；隨風速的增大，大氣擴散條件轉好，近地面大氣CO2向高空輸送，大氣c(CO2)隨之下降.

3.2.4大氣c(CO2)與風向的關系

計算各季節(jié)各風向上所對應的平均大氣c(CO2)的距平值，并繪制大氣c(CO2)距平風玫瑰圖(見圖7). 由圖7可見：春季，導致大氣c(CO2)上升最多的是西南西風(上升9.9 μmolL)，導致大氣c(CO2)下降最多的是北北東風(下降6.9 μmolL)；夏季，導致大氣c(CO2)上升最多的是南南西風(上升48.4 μmolL)，導致大氣c(CO2)下降最多的是東風(下降31.8 μmolL)；秋季，導致大氣c(CO2)上升最多的是西南西風(上升37.3 μmolL)，導致大氣c(CO2)下降最多的是北北西風(下降30.9 μmolL)；冬季，導致大氣c(CO2)上升最多的是南風(上升5.2 μmolL)，導致大氣c(CO2)下降最多的是北風(下降5.0 μmolL). 這些現象可能與觀測點周邊一定范圍內交通、農田和居民區(qū)等“碳源”[39]的分布以及在不同季節(jié)的不同效應(如耕種、秸稈焚燒)密切相關，有待于進一步對上述各種因素進行一定時間的平行監(jiān)測與研究.

注： 圖中數值為大氣c(CO2)的距平值，虛線圈的距平值為0，單位為μmolL. 黑色實線為各風向上距平值點的連線.圖7 研究區(qū)對應不同風向上的大氣c(CO2)距平值Fig.7 Anomalous atmospheric c(CO2) corresponding to the different wind direction in the study area

4 結論

a) 研究區(qū)大氣c(CO2)白天低于夜間，春、夏兩季低于秋、冬兩季，大氣c(CO2)日變化曲線呈波動型. 一天中大氣c(CO2)最高值(316.2 μmolL)和最低值(291.0 μmolL)分別出現在09:00和13:00，日波動幅度為25.2 μmolL；一年中大氣c(CO2)最高值(338.9 μmolL)和最低值(228.5 μmolL)分別出現在10月和7月，年波動幅度為110.4 μmolL. 大氣c(CO2)年最高值和最低值出現的時間因不同區(qū)域、不同氣候條件而不同.

b) 研究區(qū)大氣c(CO2)與氣溫呈顯著負相關(r=-0.97，P<0.01)，夜間大氣c(CO2)的變化幅度較白天??；大氣c(CO2)與相對濕度呈顯著正相關(r=0.97，P<0.01)，大氣c(CO2)的最大值及最小值分別出現在日出前后及下午；大氣c(CO2)與風速呈顯著負相關(r=-0.93，P<0.01)，不同季節(jié)大氣c(CO2)最高值和最低值所對應的風向不同，春季、夏季、秋季、冬季的大氣c(CO2)最高值對應的風向分別為西南西、南南西、西南西、南，最低值對應的風向分別為北北東、東、北北西、北. 白天太陽輻射強，改變了地表的熱量平衡，空氣對流運動增強，近地面氣溫梯度增大，氣溫和相對濕度的改變使得大氣邊界層充分混合，同時伴隨著風速的加大，大氣輸送能力增強，加速了大氣CO2向高空擴散，因此大氣c(CO2)在白天達最低值；夜間無太陽輻射，大氣層結較穩(wěn)定，其輸送能力較弱，加之植物呼吸作用的影響，因此大氣c(CO2)在夜間最高.

c) 該研究存在觀測點單一、涉及氣候因子不全面、缺乏碳通量平行觀測等不足，因此今后有必要進一步開展基于多空間布點、多氣候因子以及碳通量的平行觀測等研究工作，以期獲得該區(qū)域大氣c(CO2)的時間和空間分布特征，并深入探討其相關影響因素.