校园二氧化碳浓度时空动态特征

叶尔江·拜克吐尔汉，康剑，王雅佩，王　欢，张　雪，李　金

(新疆农业大学林学与园艺学院，干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

校园二氧化碳浓度时空动态特征

叶尔江·拜克吐尔汉，康剑，王雅佩，王欢，张雪，李金

(新疆农业大学林学与园艺学院，干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

摘要：采用美国TELAIRE 7001型红外二氧化碳分析仪对校园4个不同观测点的二氧化碳浓度动态特征进行连续1a的观测。校园二氧化碳浓度变化呈明显的日、季节和空间变化。日变化趋势呈“V”型曲线，树林二氧化碳浓度值高于其他观测点，近地层空气平均二氧化碳浓度为355.1±20 mg/m3；二氧化碳浓度按季节大小排序为：春季>夏季>秋季>冬季，5—6月份二氧化碳浓度值最高。气温变化、人为活动及局部生境变化对二氧化碳浓度变化的影响最显著。温度变化与二氧化碳浓度值之间具明显的正相关性。

关键词：校园；二氧化碳浓度；动态特征；观测；日变化；季节变化；空间变化

二氧化碳(CO2)是大气组成成分之一，它对于生物尤其对绿色植物和动物意义重大[1]。一定水平的二氧化碳浓度对维持生命非常必要，过高或过低的二氧化碳浓度都会对生物生理活动产生不利影响[2]。二氧化碳浓度变化对于人类和生物影响较大，甚至可能带来全球温度变化等重大生态问题。大气二氧化碳浓度的增加已经成为无须争议的事实，人为活动的影响，使大气中二氧化碳浓度呈现不断增长趋势。如今，大气层中的二氧化碳含量已接近390 mg/m3，几乎比工业革命之前高出40%[3]。据推算，到2030年大气二氧化碳浓度将达到550 mg/m3[4]，而到21世纪末将增加到约700 mg/m3[5]。在全球变暖的大背景下，削减与控制二氧化碳浓度已成为现代社会普遍关心的问题。大气二氧化碳浓度的区域变化特征存在明显的差异，主要取决于其源、汇的分布及变化。乌鲁木齐市位居干旱区，是环境污染比较严重的城市。自然生态环境原本比较脆弱，加之人口增多，城市生态压力增大，致使乌鲁木齐市出现了许多生态问题。近十几年来，乌鲁木齐市环境污染问题越来越突出，大气污染问题十分严峻[6-8]。解决各类生态问题是乌鲁木齐市未来发展的必然选择。高等学校是人才培养基地，优美、整洁、优良的育人环境是培养高素质人才的外部条件。良好的校园环境对广大师生的身心修养、健康成长有着重要的作用。二氧化碳等温室气体对校园环境有很大影响[9]，对其进行监测和相关研究非常有必要。本文使用美国TELAIRE 7001型红外二氧化碳分析仪对新疆农业大学校园4个不同点的二氧化碳浓度动态特征进行连续1a 的观测，并在此基础上，分析4个点的二氧化碳浓度时空动态变化规律，旨在为相关研究或建设生态校园提供科学参考。

1调查与方法

1.1研究区概况

研究区位于乌鲁木齐市西部沙依巴克区，乌鲁木齐市地处86°37′33″～88°58′24″E，42°45′32″～44°08′00″N。属于中温带半干旱区大陆性干旱气候，春秋两季较短，冬夏两季较长，昼夜温差大；夏季炎热少雨，春秋多风，常有浮尘天气，全年干旱少雨，年平均降水量194 mm，年蒸发量2500 mm；最暖的七、八月平均气温为25.7 ℃，最冷的一月平均气温为-15.2 ℃；极端气温最高47.8 ℃，最低-41.5 ℃。乌鲁木齐是中国北方典型的冬季煤烟型污染城市，由于特殊的地形和气象因素制约，每年长达半年之久的冬季采暖期大气污染十分严重。

1.2仪器设备

采用TELAIRE 7001型红外二氧化碳分析仪(美国TELAIRE公司)。

1.3调查

在新疆农业大学校园选定4个观测点(见表1)，在3次观测时间尺度(上午00∶00—10∶00，中午10∶00—16∶00，晚上16∶00—24∶00)基础上以每2h为一个研究时段(分别为00∶00—06∶00，06∶00—08∶00，08∶00—10∶00；10∶00—12∶00，12∶00—14∶00，14∶00—16∶00；16∶00—18∶00，18∶00—20∶00，20∶00—22∶00，22∶00—24∶00；其中00:00—06:00段变化较小，故6h为一时段；均为当地时间，下同)，采用TELAIRE 7001型红外二氧化碳分析仪重复测量3次(取每2h重复测定值的平均值)，记录每个点二氧化碳浓度和当地当时的空气温度值。为保证数据完整性，实验从2011年4月底持续至 2012年4月底，耗时1a。

1.4统计学方法

调查数据采用SPSS 16.0 软件进行统计学分析，也用Excel软件对数据进行处理并绘图。

表1　新疆农业大学校园二氧化碳浓度观测点概况

2结果与分析

2.1二氧化碳浓度日变化特征

校园4个观测点一日不同时段二氧化碳平均值变化情况见图1。由图1可见：二氧化碳日变化呈现“V”型曲线，即早晚高、中午低。一日中二氧化碳浓度峰值出现在凌晨日出前的05∶00—06∶00左右，二氧化碳浓度平均值为371.9mg/m3，其原因是前一天午后植物光合作用和大气二氧化碳汇强度逐渐减弱，土壤和生物呼吸以及生产等产生的二氧化碳在近地层大气中积累，使其浓度逐渐上升，此时也是逆温层开始打破的时间段。日出后随着气温升高，二氧化碳浓度值不断下降，有一个较为明显的浓度降低过程，日均降幅为30.4mg/m3，午后的15∶00—16∶00左右达到最低值(平均值为341.5mg/m3)，其原因可能是此时植物光合作用较强，消耗掉了大量二氧化碳，并且一部分二氧化碳被输送到大气高层所致，此外空气湍流作用的增强，也使积累的二氧化碳能够快速、明显地释放。之后其值又逐渐增加，日均增幅为24.0mg/m3左右，下班、下课高峰过后逐渐趋于稳定(平均值约在360mg/m3左右)。其原因是随着植被的光合强度降低，来自土壤-大气与植被-大气的呼吸释放过程增加一定的二氧化碳。20∶00后随着学校人流规模减小，加之夜间温度迅速降低导致二氧化碳浓度趋于稳定，所以20∶00之后到天亮之前的一段时间二氧化碳浓度变化较小。上午降幅大于下午降幅，降幅大小与蒸发量大小、植物光合效率等有一定的关系。

4个观测点二氧化碳浓度值有一定差异(见图1)，其中A点二氧化碳浓度最高(日变化平均值374.0mg/m3)，其次为B点(日变化平均值369.8mg/m3)、C点(日变化平均值356.7mg/m3)，D点(日变化平均值346.9mg/m3)最低，即二氧化碳浓度值：A点>B点>C点>D点。树林中二氧化碳浓度高于其他观测点，这可能与二氧化碳下沉并积累在树林内，且人为活动的影响使树林光合能力下降有关；而空旷地由于受到地面物的影响，二氧化碳可能迅速扩散。说明人为活动对二氧化碳浓度的影响高于土壤和植被呼吸的影响。

2.2二氧化碳浓度季节变化特征

不同季节(春季：3—5月；夏季:6—8月；秋季:9—11月；冬季:12—次年2月)二氧化碳浓度时空规律见表2。由表2可看出：二氧化碳浓度季节平均值分别为冬季 333.0mg/m3、春季 392.9mg/m3、夏季 373.3mg/m3、秋季 357.5mg/m3；冬季二氧化碳浓度值最低，最高值出现在春季到夏季，排序为：春季>夏季>秋季>冬季。这可能与开春阶段乌鲁木齐环境污染严重有一定关系，所以认为干扰对二氧化碳浓度季节变化的影响更为明显。

不同观测点季节变化基本一致(见图2)，冬季：A点相对其他观测点保持较高的值，C点现较明显起伏，这可能与道路处形成逆温层无法扩散二氧化碳有关，B、D点变化不明显；春季：各观测点值无明显重叠；夏季C、D点增幅不明显，基本保持同等水平；秋季D点有明显的波浪形变化特征，其他各点浓度平滑下降。

校园二氧化碳浓度1—12月为：319.5mg/m3、355.7mg/m3、387.2mg/m3、391.4mg/m3、400.0mg/m3、398.5mg/m3、371.9mg/m3、349.6mg/m3、330.4mg/m3、316.5mg/m3、318.9mg/m3、323.9mg/m3。以5—6月份最高，其次是3—4月份，10至次年的1月份浓度值较低，整体变化趋势为正态分布(见图3)。7—8月温度最高，应出现最高值，但因假期人为干扰最低使浓度值未超5—6月值。最高月和最低月变化幅度达83.5mg/m3，变化较明显，主要原因也跟污染季节动态有关。

表2　二氧化碳浓度季节变化规律　(mg/m3)

3讨论

校园二氧化碳日变化趋势呈“V”型曲线，植物光合作用强弱程度、土壤和生物呼吸作用、生产等产生的二氧化碳在近地层大气中积累情况等为日变化影响因子，此外空气湍流作用增强，使积累的二氧化碳能够快速、明显地释放[10]，空气温度、校园人流量及人类活动对二氧化碳积累与扩散的影响显著。比起自然变化，校园人为活动对二氧化碳浓度变化的影响显著；不同观测点二氧化碳浓度值有一定差异，树林中因二氧化碳下沉并积累非常明显，所以浓度值高于其他观测点，而二氧化碳扩散明显的区域其值相对较低。校园近地层空气平均二氧化碳浓度为355.1±20mg/m3。观测地为人口相对密集地区，人为活动释放源比较多。人类活动越频繁，大气二氧化碳浓度增长越大，此结果与前人观点一致。

校园秋季二氧化碳浓度值最低，最高值出现在春季到夏季，排序为:春季>夏季>秋季>冬季。这种变化规律与乌鲁木齐环境污染季节性规律吻合。植被对二氧化碳的吸收因受到干扰而降低，故植物生长变化对二氧化碳浓度影响可能很小，而人为干扰几乎不受季节影响。二氧化碳浓度变化主要受气温变化影响，二者成明显的正相关关系。人为活动对二氧化碳浓度的影响高于土壤和植被呼吸的影响。

校园二氧化碳浓度逐月变化趋势为正态分布。冬季树林相对其他观测点保持较高的值，二氧化碳不易扩散是主因；道路形成逆温层无法扩散二氧化碳，所以道路观测点浓度值幅度起伏明显；春季各点受小气候影响明显，观测值无明显重叠；夏季空气质量最好，所以各点观测值基本保持一致，因假期的影响使最高值未出现在夏季；秋季因建筑影响的小气候变化外，其他各点浓度随温度下降而平稳下降。

校园二氧化碳浓度有明显的日变化、年度变化和温度变化吻合性，这与相关研究结果非常吻合，通过分析认为：二氧化碳浓度最高值，基本与年度气温最高值相对应，最低值也跟年度气温最低值相对应，并且变化规律有明显的正相关关系(图4)。

4结论

校园各样点的二氧化碳浓度变化呈现明显的日变化、季节和空间变化规律。日变化趋势呈“V”型曲线，即二氧化碳浓度早晚高，中午低；植物光合作用强弱程度，土壤和生物呼吸作用及生产产生的二氧化碳在近地层大气中积累，空气湍流作用及校园人流量是二氧化碳积累与扩散影响因子，校园人为活动对二氧化碳浓度变化的影响最显著；树林二氧化碳浓度值高于其他观测点；校园近地层空气平均二氧化碳浓度为355.1±20mg/m3。

校园二氧化碳浓度按季节浓度大小排序为：春季>夏季>秋季>冬季，二氧化碳浓度变化受气温变化影响是最主要原因，二者成明显的正相关关系；校园二氧化碳浓度月份整体变化趋势为正态分布，冬季树林二氧化碳浓度值最高，道路观测点浓度值幅度起伏明显，春季各点观测值无明显重叠；夏季各点观测值基本保持一致，秋季各点浓度随温度下降而平稳下降。校园二氧化碳浓度有明显的日变化、年度变化、温度变化基本吻合性，并且变化规律有明显的正相关关系。

校园二氧化碳浓度变化有明显的时空动态特征，受环境变化、气候变化影响较明显，但校园局部生境变化对二氧化碳浓度变化影响甚微。

参考文献：

[1]Bazzaz FA.Theres Ponse of neutral ecosystems to the rising global CO2levels[J].Annu Rev Eeo-Sysetm,1990(21):167-196.

[2] Brooks JR,Flanagan LB,Varuey GT,et al.Vertical gradients in photosynthetic gas exchange characteristics and refixation of respired CO2within boreal forest canopies[J].Tree Physiol, 1997(17):1-12.

[3] 克雷思迪安·阿瑟. 温室效应的历史回顾[J]. 西南民族大学学报:人文社会科学版, 2010,31(6):213-218.

[4] 蔡晓明.生态系统生态学[M].北京:科学出版社,2000.

[5] Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC).Climate Change[M].Cambridge：Cambridge University Press,2001:1-83.

[6] 魏毅，王芳芳，杨焕明． 乌鲁木齐市大气污染物排放与扩散失衡的原因分析及其防治对策[J]．干旱区资源与环境，2008，22(5) : 178-182.

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[9] 高松.夏季上海城区大气中二氧化碳浓度特征及相关因素分析[J].中国环境监测,2011,27(2):70-75.

[10]Gulf AD,Fiseh G,Malhi Y,et al.The influence of the atmospheric boundary layer on carbon dioxide concentrations over tropical forest[J].Agr’c For Meteorol,1997(85):149-158.

Temporal and Spatial Dynamic Characteristics of CO2Concentration on

Xinjiang Agricultural University Campus

BAIKETUERHAN Yeerjiang, KANG Jian, WANG Ya-pei, WANG Huan, ZHANG Xue, LI Jin

(College of Forestryand Horticulture, Xinjiang Agricultural University, Key Laboratory at Universities

at Education of injiang Uygur Autonomous Region, Urumqi Xinjiang 830052 ,China)

Abstract：In order to observe the temporal and spatial changes of CO2concentration on Xinjiang Agricultural University campus, four different observation sites of CO2concentration were set up and monitored on campus using the American TELAIRE 7001 CO2analyzer.The results indicated that the temporal and spatial concentration of the CO2changed obviously. Daily variation showed a “V” shape curve. The CO2density in forest was higher than that of other observation points. The average CO2concentration in the ground layer air was 355.1±20 ppm. The CO2concentrations changed seasonally. It was highest in the summer, followed by spring, autumn, and winter. The peak appeared in May and June. The temperature change, human activities, and the influence of the local habitat changes impacted the CO2significantly.The temperature change correlated positively to the CO2density.

Key words：campus；CO2concentrations；air temperature；dynamic characteristics; observation; daily change; seasonal change

通信作者：杨永安，男，理学博士，山东菏泽人。

作者简介：唐红军，男，高级工程师，四川遂宁人，主要从事环境监测与管理方面的研究。

收稿日期：2015-01-26

中图分类号：X51

文献标志码：A

文章编号：1673-9655(2015)04-0042-05