城市草坪温室气体通量研究

摘要

陆地生态系统的温室气体排放作为全球气候变化和全球C、N循环研究的重要内容之一,是近年来研究的热点。城市草坪作为特殊的陆地生态系统,对城市大气与地面之间的能量平衡、水汽交换、生物地球化学循环等有着极其重要的作用。由于所处的环境复杂以及受人类活动的影响强烈,城市草坪地上和地下部分C、N循环较自然生态系统快,在温室气体排放中具有不容忽视的作用。然而迄今为止,关于城市草坪生态系统温室气体排放的研究还鲜有涉及。 本文以上海市区草坪生态系统为研究对象,采用静态箱-气相色谱法,首次对我国城市草坪生态系统温室气体(CO2、N2O和CH4)通量的日变化、季节变化特征及其影响因子等进行了较为系统的研究,分析了环境因子对温室气体通量变化的影响,建立了温室气体通量与主要环境因子间的回归模型。对城市不同类型草坪间及其与自然生态系统温室气体通量进行了比较分析。主要结论如下： CO2通量日变化和季节变化规律结缕草草坪暗箱CO2通量具有明显的日变化和季节变化规律。日变化昼夜均为正值,是CO2的源；白天通量均值和变化幅度均大于夜间；通量峰值一般出现在温度较高的上午或午后,谷值多出现在气温较低的夜间或凌晨；日平均值多出现在上午10～12时；最大日通量均值为1710.5 mg.m-2.h-1,最小78.0mg.m-2.h-1,平均619.4mg.m-2.h-1。通量日变化模式随季节而异：植物生长初期的春季呈双峰型,夏季和秋季呈单峰型,非生长季的冬季为多峰型。通量季节变化受温度和植物生长的共同影响,表现为夏季最大,春秋次之,冬季最小。 明箱CO2通量日变化模式与暗箱不同。生长季节,白天通量值为负,是CO2的净吸收汇；夜晚为正值,是CO2的净释放源：昼夜平均通量为正值,吸收和排放通量最大值分别出现在10～14时和18～20时；早晨7时左右由源转为汇,下午17时左右由汇转为源,生长后期草坪作为源的时间延长而作为汇的时间缩短：非生长季昼夜均为正值,是CO2的净释放源。CO2通量季节变化与暗箱一致。 N2O通量日变化和季节变化规律生长季节,暗箱N2O通量昼夜均为正值,是N2O的源,排放强度和通量变化幅度白天大于夜晚,排放通量峰值出现在上午10～14时,谷值出现在傍晚或凌晨,日均值出现在8～12时。非生长季昼夜变化规律不明显。观测期间通量范围-7.4～152.9μg.m-2.h-1,平均75.3μg.m-2.h-1。N2O通量夏季最大,春秋季节次之,冬季最小,并在冬季1月出现了少量吸收。 明箱N2O通量日变化规律较为一致(1月除外),即白天以吸收为主,夜晚以排放为主,昼夜平均通量为正值,是N2O的源；16～18时由吸收转为排放,6～8时由排放转为吸收。白天吸收峰值出现在10～12时,排放峰值出现在18时左右。明箱中N2O通量的季节变化规律明显,春夏秋冬通量值依次降低。同一观测日通量均值小于暗箱,草坪植物的光合作用明显抑制了N2O的排放。 CH4通量日变化和季节变化规律暗箱和明箱CH4通量日变化型式比较复杂,排放与吸收几乎交替进行。同-观测日暗箱日变化幅度大于明箱,暗箱和明箱日通量均值差异较大。暗箱和明箱CH4通量的季节变化不明显,平均值相差不大,分别是-13.85和-13.91μg.m-2.h-1,均是大气CH4的弱吸收汇。 主要温室气体通量与环境因子间的关系温度是影响暗箱CO2通量日变化和季节变化的主要因素。CO2通量日变化和温度的关系可用指数模型表示,气温及不同深度地温的Q10值为2.04～3.10。温度和光照强度是影响明箱CO2通量日变化的重要因子。温度对暗箱N2O通量日变化和季节变化的影响显著,大于对明箱N2O通量的影响。光强和大气湿度是影响明箱N2O通量日变化的主要环境因子。环境因子对CH4通量的日变化和季节变化影响较为复杂。 主要温室气体通量间的关系以及近地面大气主要温室气体浓度变化各草坪CO2和N2O通量间呈显著线性正相关,明箱中显著性水平明显大于暗箱。CO2通量和CH4通量以及N2O通量和CH4通量间不存在显著相关性。 城市草坪近地面大气主要温室气体浓度日变化具有不同于非城市区域的特点,其峰值出现的时间主要和车辆及人流较为密集的上下班高峰期有关。季节变化表现为冬季最高,春秋季次之,夏季较低。近地面大气中CO2、N2O和CH4浓度与各自通量间基本呈负相关关系。 城市不同类型草坪温室气体通量的比较及其与自然生态系统间的差异不同草坪CO2和N2O通量日变化模式较为相似,其通量值为麦冬草坪>结缕草草坪>高羊茅草坪。CH4的吸收通量为麦冬草坪>高羊茅草坪>结缕草草坪。 上海城市草坪作为CO2和N2O的排放源,其排放强度较我国温带自然生态系统偏高,与同纬度的美国高草草原相似,可能反映了气候(温度)的地带性控制作用。作为CH4的吸收汇,其吸收强度较同类自然生态系统偏低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1研究意义

1.2国内外研究进展

1.2.1森林生态系统

1.2.2农田生态系统

1.2.3湿地生态系统

1.2.4草地生态系统

1.2.5城市绿地生态系统

1.3研究目标和研究内容

第二章陆地生态系统温室气体排放／吸收过程及影响因素

2.1 CO2的排放吸收过程

2.2 CH4的产生氧化机制

2.3 N2O的产生、排放机制

2.4影响温室气体排放／吸收的主要因素

2.4.1影响CO2排放／吸收的主要因素

2.4.2影响CH4产生和氧化的主要因素

2.4.3影响N2O产生、排放的主要因素

第三章研究区域和研究方法

3.1研究区域

3.1.1地理位置和范围

3.1.2气候

3.1.3土壤特点

3.1.4自然植被

3.1.5上海城市绿地发展状况

3.1.6常见草坪种类

3.2研究方法

3.2.1采样点

3.2.2温室气体样品的采集

3.2.3温室气体样品的测试方法

3.2.4通量计算方法

3.2.5土壤样品的采集与分析方法

第四章城市草坪主要温室气体通量变化特征及其影响因素

4.1温室气体通量日变化特征及其与环境因子的关系

4.1.1 CO2通量日变化特征

4.1.2 CO2通量日变化与环境因子的关系

4.1.3 N2O通量日变化

4.1.4 N2O通量日变化与环境因子的关系

4.1.5 CH4通量日变化

4.1.6 CH4通量日变化与环境因子的相关分析

4.2温室气体通量季节变化特征及其与环境因子的关系

4.2.1 CO2通量季节变化特征

4.2.2 CO2通量季节变化与环境因子的关系

4.2.3 N2O通量季节变化

4.2.4 N2O通量季节变化与环境因子的关系

4.2.5 CH4通量季节变化

4.2.6 CH4通量季节变化与环境因子的关系

4.3小结

第五章城市草坪温室气体通量间的关系及近地面大气温室气体浓度变化

5.1城市草坪生态系统温室气体通量间的相互关系

5.1.1 CO2和N2O通量日变化间的关系

5.1.2 CO2和N2O通量季节变化间的关系

5.1.3 CO2和CH4通量间的关系

5.1.4 N2O和CH4通量间的关系

5.2城市草坪近地面层大气CO2、CH4和N2O浓度的变化特点

5.2.1 CO2浓度的变化特点

5.2.2 CH4浓度的变化特点

5.2.3 N2O浓度的变化特点

5.3城市草坪近地面层大气CO2、CH4和N2O浓度与通量间的相互关系

5.4小结

第六章不同类型生态系统温室气体通量的比较研究

6.1城市不同草坪类型温室气体通量的比较

6.1.1麦冬草坪和结缕草草坪温室气体通量比较

6.1.2高羊茅草坪和结缕草草坪温室气体通量的比较

6.2城市草坪与自然生态系统温室气体通量间的比较

6.2.1CO2通量的比较

6.2.2 N2O通量的比较

6.2.3 CH4通量的比较

6.3小结

第七章主要结论和研究展望

7.1主要结论

7.2研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文