李霞;孙睿;李远;王修信;谢东辉;严晓丹;朱启疆
【摘 要】作为城市生态系统的重要组成部分,城市绿地有着释氧固碳、降温增湿、吸收有毒有害气体、降尘、减噪等多种生态功能.在对北京海淀公园2006年5月到2007年3月的CO2通量观测数据进行质量评价、数据剔除和插补的基础上,通过与温度、太阳辐射等气象数据的相关性分析,定量研究了海淀公园绿地CO2通量的日变化、年变化以及影响因子.结果表明,海淀公园绿地日CO2通量在一年内具有明显的季节变化,植物生长季3-10月份以吸收CO2为主,11月至翌年2月份以释放CO2为主;年净生态系统生产力(NEP)为8.7554 tCO2/hm2a,反映了海淀公园绿地具有较强的固碳能力. 【期刊名称】《生态学报》
【年(卷),期】2010(030)024
【总页数】11页(P6715-6725)
【关键词】城市绿地;二氧化碳通量;数据插补;生态效益
【作 者】李霞;孙睿;李远;王修信;谢东辉;严晓丹;朱启疆
【作者单位】遥感科学国家重点实验室,北京,100875;北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京,100875;环境遥感与数字城市北京市重点实验室,北京,100875;遥感科学国家重点实验室,北京,100875;北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京,100875;环境遥感与数字城市北京市重点实验室,北京,100875;遥感科学国家重点实验室,北京,100875;北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京,100875;环境遥感与数字城市北京市重点实验室,北京,100875;广西师范大学,桂林,541004;遥感科学国家重点实验室,北京,100875;北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京,100875;环境遥感与数字城市北京市重点实验室,北京,100875;北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京,100875;遥感科学国家重点实验室,北京,100875;北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京,100875;环境遥感与数字城市北京市重点实验室,北京,100875
【正文语种】中 文
城市绿地是城市生态系统的重要组成部分,它不仅提供了观赏旅游文化休息的场所，更重要的是具有释氧固碳、降温增湿、降尘减噪、吸收有毒有害气体等多种生态功能，可以维持生态平衡和创造良好的环境效益[1-3]。城市绿地生态效益的定量评价，对于指导城市绿地
系统规划设计，改善人居环境质量，节能环保等方面都有着十分重要的意义。国内外学者从不同角度就绿地对城市生态环境的影响和调节作用进行了研究[4-19]。如Gomez选择西班牙巴伦西亚市有树林与无树林、有草坪与无草坪的不同地区，观测太阳辐射、空气温度、下垫面温度、风速等参数，通过比较研究城市绿地对生态环境的影响[4]。Chang[9]、Golden[10]、任学慧[11]等人通过对城市不同下垫面气温及地温的观测分析了城市绿地降温效应；唐继刚根据景观生态学原理解释城市绿地降温效应机制[12]；刘娇妹等从水平和立体空间两个角度研究局部绿地的覆盖率、复层结构对环境的湿温效应[13]；刘宇等则用统计学方法研究了包头市34种园林植物在固碳、释氧、降温、滞尘4个方面的生态效益，并进行了经济量化[14]。Spronken-Smith和Oke结合遥感数据和气温观测数据，对比分析了两个处于不同气候带城市——加拿大温哥华和美国萨克拉曼多—的“公园冷岛效应” [15]；并通过景观模拟确定热量传输过程对城市公园夜间降温的相对贡献及地表温度的时空变化特征[16]；2000年他们又通过对萨克拉曼市郊区公园净辐射、土壤热通量和蒸发的观测，分析了灌溉后公园的地表能量平衡及平流效应[17]。Jo通过生物量调查，分别对美国芝加哥和韩国几个城市绿地的碳吸收能力进行了研究[18-19]。综观以上研究，国内外对城市绿地生态效应的研究大部分以绿地斑块为单位，通过对绿地小气候如空气温度、湿度的观测
对绿地的降温增湿效应进行了大量研究，但对城市绿地物质交换，特别是CO2交换过程的长期连续观测研究较少。涡度相关仪通过对风速、水汽、CO2脉动值的观测，可实现较大范围陆地植被生态系统的能量、水分及CO2通量的监测，但主要应用于森林、草地及农田植被生态系统，对城市绿地进行CO2通量观测的研究很少。城市绿地下垫面条件复杂，将涡度相关仪应用于城市绿地CO2通量观测，不但有助于分析城市绿地与大气间的CO2交换过程及规律，且可以评价通量观测在城市生态系统研究中的适用性。本文以北京市海淀公园为例，通过对公园绿地CO2通量的连续观测及数据处理，分析城市公园CO2通量的时间变化规律。
1 研究区概况及数据观测方法
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图1 北京市海淀公园Quickbird 遥感图像及CO2通量观测位置Fig.1 The Quickbird remote sensing image of Haidian Park and the location of CO2 flux tower红点处为通量塔位置，Quickbird 图像获取时间为2005年8月18日
为了定量评价城市绿地在释氧固碳方面的生态效益，选择北京市海淀公园进行气象条件与CO2通量的连续观测。北京市海淀公园(39°59′7″N，116°17′20″E，海拔高度40 m)位于北
京市西北四环万泉河立交桥的西北角，占地面积40 hm2，其中园林绿化30 hm2(图1)。海淀公园是典型的乔灌草镶嵌结构的城市公园绿地，乔木林18 hm2左右，其中柳树(Salix babylonica Linn.)占25%左右，毛白杨(Populus tomentosa Carr.)占15%左右，国槐(Sophora japonica Linn.)和刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)共占15%左右，洋白蜡(Fraxinus pennsylvanica)、油松(Pinus tabulaeformis Carr.)和圆柏(Sabina chinensis (Linn.)Ant.)各占10%左右，其它占15%左右；灌木林5 hm2左右，其中沙地柏(Sabina vulgaris Ant.)40%左右，北京丁香(Syringa pekinensis Rupr.)15%左右，贴梗海棠(Chaenomeles speciosa (Sweet)Nakai)、碧桃(Prunus persica Batsch.var.duplex Rehd.)、大叶黄杨(Euonymus japonicus Thunb.)各占10%左右，其余15%左右；草地7 hm2左右，主要为高羊茅草地早熟禾(Poa pratensis Linn.)、高羊茅(Festuca elata Keng ex E.Alexeev)草地，二者比例为8∶2左右。另外，乔木林下也多为草地覆盖。图1为通量塔安装前2005年8月18日获取的海淀公园Quickbird 图像，图像反映了观测期间公园内的植被分布状况，从图像获取时间到观测结束期间，公园内植被分布没有显著变化。
海淀公园内树林主要分布在东南侧、西侧及公园中部小土丘上，如果在靠近公园边缘的小树林进行CO2通量测量，周边交通及建筑物的CO2排放会带来很大影响。为了尽量减小公
园周边其他地物对CO2通量的贡献，保证CO2通量观测值能较好地反映公园内植被与大气间的CO2交换，最终选择在公园中部树木长势较好、坡度较小、高度将近5m的小土丘顶部安装了CO2通量及气象数据观测塔(图1红点处)。观测塔所处位置及周边为较高的垂柳和少量较低的松柏，林下为草地，树高基本在8.2 m以下。为了确定仪器架设高度，实验初始在观测塔上同时架设两套涡度相关仪，一套架设在10 m高度，另一套架设在14 m高度。比较不同高度两套涡度相关仪观测的通量值，观测值不存在明显差异，符合近地面层为常通量层的规律，同时考虑到如果观测高度较高，CO2通量的贡献区加大，公园外建筑物及车流会影响到绿地CO2通量观测，因此最终选择较低层(10 m高度)进行通量观测。大连冰峪沟
观测从2006年5月17日开始，在连续观测近10个月之后，由于公园改建计划，特别是观测塔所处位置及北部要进行比较大的工程建设，观测于2007年3月11日被迫中止。观测内容包括显热、潜热、CO2通量及微气象条件，CSAT3三维超声风速仪(Campbell，USA)测量水平与垂直方向上风速和温度瞬时脉动量，LI-7500红外CO2/H2O分析仪(Licor，USA)测量CO2的瞬时脉动量，HMP45C空气温湿度计(Campbell，USA)测量空气温度和湿度，CNR-1净辐射仪(Kipp&Zonen，荷兰)测量向上、向下短波辐射与向上、向下长波辐射。数据采样频率为10 Hz，每30 min输出1组平均值。CO2通量进行了水汽和显热通量影响的密
度脉动订正，即WPL订正，负值表示CO2向下输送，主要是由植物光合作用吸收CO2所致，正值表示下垫面通过植物的自养呼吸与土壤中微生物等的异养呼吸向大气净释放CO2。在观测开始前及观测期间，用美国Licor公司的LAI2000冠层分析仪测定了观测点树林的叶面积指数LAI，其中2006年4月9日的LAI为0.45，2006年9月14日的LAI为1.66。
2 CO2通量数据处理
在通量观测中，因系统故障或外界干扰的影响，往往会得到一些错误的数据或者造成数据的缺失，为了建立完整的时间序列数据集，必须对数据进行质量评价，完成数据剔除和插补。涡度相关设备的设计主要考虑了白天强对流条件下通量测定的要求，在大气层结稳定、弱对流的天气条件下，不仅平流/泄流效应会经常发生，而且湍流运动以小涡运动占优势，会造成仪器响应的不足。这些影响在夜间表现最突出，导致夜间通量估计值偏低[20]。因此，将夜间通量数据与白天通量数据分开处理。
2.1 夜间CO2通量数据处理苏门答腊虎
夜间CO2通量处理包括数据质量评价和缺失值插补两个步骤。喀纳斯景区
2.1.1 夜间CO2通量数据质量评价
夜间异常数据的处理包括：
深圳半日游最佳选择(1)删除降雨天数据
CO2/H2O分析仪是通过CO2和水汽在红外线域对特定波段的辐射吸收来测定CO2和水汽密度的，在有降雨的天气条件下，水会蒙在检测器探头上，使测量值出现异常，根据《中国地面国际交换站气象资料日值数据集》中北京台站的气象观测数据将降雨天的数据删除。
(2)删除CO2通量为负的值
因为在夜间植被与土壤通过自养和异养呼吸释放CO2，CO2通量为负的值是由其它原因所导致，反映的并不是真正的呼吸作用[21]
(3)删除数值明显超出可能最大呼吸强度的CO2通量值
Zhu等人在对禹城站2003年农田夜间通量数据处理时所采用的经验阈值为0.5 mg·m-2·s-1[21]，考虑到本文研究下垫面有树林，呼吸消耗较大，经对原始数据初步分析，确定0.6
mg·m-2·s-1作为CO2通量的经验阈值。
(4)利用摩擦风速u*删除低估数据
太原红旅游景点图2 分段平均值(Fc1)及累计平均值(Fc2)与摩擦风速(u*)关系图Fig.2 Relationship between piecewise averaged CO2 flux (Fc1),integrated average CO2 flux (Fc2)and friction velocity (u*)
