有风条件下典型城市绿地对近地面大气温室气体含量分布的影响

侯翠翠，郭梦源，杨凡，蔡明蕾，王靖，王华，申晓萌

河南师范大学生命科学学院，河南 新乡 453007

城市绿地是城市生态系统的主体，是重要的温室气体排放源与汇，它包括城市公园、草坪、街心花园、道路两旁的绿化带及行道树、城市片林等（王献溥等，2008）。城市绿地的生态功能主要表现在缓解城市热岛效应的影响、美化城市环境、改善城市小气候等方面（吴耀兴等，2008），为城市建设带来生态和社会经济价值。城市绿地系统还具有显著的净化环境、降低噪声的作用（Beckett et al.，1998；Escobedo et al.，2006；Nowak et al.，2006；Kim et al.，2004）。地表植被覆盖率的增加，可以降低到达地面的太阳直接辐射，改变风速与温湿度特征，继而形成局地小气候（晏海，2014；陈康林等，2016），避免城市热岛效应的加剧。大气温室气体含量与气候变化密切相关，人口密集、工业活动频繁、机动车辆拥挤等使得城市大气中温室气体含量进一步增加（何立强等，2014）。城市绿地的分布也进一步影响了不同高度层次主要温室气体的浓度，如魏宁等（2016）研究上海市近地面（距地面2 m）N2O含量空间分布发现绿地系统具有最低的 N2O含量，显著低于交通用地等其他城市用地。有研究表明，随着人口减少和植被增加，城市底层大气CO2含量逐渐降低，而CH4与N2O含量逐渐上升（吴昊锦等，2016）；也有研究指出城市绿地CH4通量较小，不足以影响城市温室气体的含量（邓山等，2013）。城市中绿地（如草坪河岸带、缓冲带等）也是重要的N2O排放源，降雨、灌溉等可增加湿度的事件能显著促进CH4及N2O的产生与排放（黄新雨，2013；林挺等，2015）。梅雪英（2008）研究指出，城市草坪在日间表现出对CO2及N2O的吸收，但夜间表现为排放，而对CH4总体表现为吸收，草坪近地面空气的温室气体含量峰值出现在人流及车辆密集的上下班高峰期。Hou et al.（2016）的研究也表明，交通区的大气CO2含量在不同季节均高于绿化区、居民区等，且除土地利用类型、CO2排放等因素外，风也是影响CO2含量分布的重要环境因子。相似结论也体现在Moore et al.（2015）的研究中。风速与风向影响城市中污染物的扩散（董文成，2014），有研究指出，冬季风速小于夏季时，城市热岛效应更明显，但在风的影响下，城市绿地的降温效应可能被削弱，甚至表现出温度高于周围城区的态势（Anjos et al.，2017），说明风的季节变化增加了城市绿地功能的不稳定性。

综上可知，城市绿地是温室气体重要的产生和消纳场所，绿地内的温室气体含量会随着周围道路存在与否、人群活动强度大小和风等气象因子的变化而变化。就城市绿地系统本身而言，其建设的目的是为了降低城市大气污染形成较为舒适的内部环境。然而，针对城市绿地系统对城市大气温室气体含量的分布影响，以及该影响在不同风速背景下的表现，尚缺乏细致深入的研究。以河南省新乡市人民公园为研究对象，对不同风向条件下公园外道路、绿化带以及公园内部近地面大气温室气体含量及增温潜势进行实地监测分析，以量化研究城市绿地系统对近地面大气中温室气体分布的调节作用。

1 研究地点与实验方法

1.1 研究区域概况

新乡市（113°50′E，35°21′N）属暖温带大陆性气候，四季分明，多年平均气温 14 ℃，多年平均降水656.3 mm，降水集中于夏秋两季，平均湿度为68%。新乡季风特征为冬季以东北风为主，夏季则多为西南风。全年以东北风向最多，平均风速可达2.5 m·s-1（余浩，2017）。新乡市人民公园位于河南省新乡市中西部，占地面积为48.60 hm2，绿化面积39.23 hm2，占全园总面积的 87.20%，绿化覆盖率达到了94.2%（崔惠，2008）。属传统的正方形布局，东边是和平大道，西边是劳动中街，南边是金穗大道，北邻人民中路，道路宽度40～45 m，断面设计为4板。公园四周沿道路绿化带布局完整，绿化带宽度变化较大，植被层次丰富，主要分为草本-灌木-乔木3个层次。公园内植物物种丰富，调查显示，其物种数约147种，其中草本以菊科、禾本科等为主，灌木以木樨科、蔷薇科、豆科等为主，乔木以悬铃木科、木樨科、松科、木兰科等为主（段艳红等，2016）。

1.2 采样点设计与样品采集方法

选取25个采样点进行近地面大气CO2、CH4、N2O含量监测（图1），自公园外部向内分别在人行道路（R）、绿化带（G）、公园内部（P）适当的位置采集气体样品，每个层次设置8个采样点。为确定公园内郁闭环境对温室气体的影响，排除周围道路及绿化带干扰，在公园中心区域（C）处增设一处采样点并采集气体样品进行对比分析，具体采样点位置如图1所示。

图1 温室气体含量监测采样点空间分布示意图Fig. 1 Location of study area and sampling sites for GHGs content

样品采集时间为2017年3月6日及7日下午15:00—15:30，此时间段风速基本越过最大值，公园四周道路上人和机动车行为的午间高峰也已基本结束，从而减少由交通拥堵造成的机动车尾气排放对温室气体含量监测结果的影响。采样点设置于距地面高约1.5 m处的较宽阔的地带。采样时利用带有三通阀的医用注射器抽取50 mL气体，并将采得的气体样品保存在铝箔气体采样袋中。其中，在道路旁、绿化带、公园内部不同方位取样时，分别选择西北（NW）、北（N）、东北（NE）、东（E）、东南（SE）、南（S）、西南（SW）、西（W）等 8个方位进行采样，C点位于公园中心开阔处。每个采样点采集3个重复样品，样品总量为150个，结束后把样品带回实验室在2 d内分析完毕。采样时间以及当日气象条件如表1所示。

表1 采样时段当地气象条件Table 1 Metrological conditions during sampling period

1.3 样品测定方法

使用Agilent HP7890A型气相色谱仪分析空气样品中CO2、CH4与N2O的体积分数（10-6）。

1.4 数据处理及统计分析

所有数据均为 3次重复的平均值，运用SPSS19.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），采用LSD多重比较分析不同风向条件下各采样点大气温室气体含量差异，并依据采样点所处的研究区域的相对位置，通过Paired T检验分别对公园（P）、绿化带（G）与道路（R）大气温室气体含量在不同风向下的变化进行比较。P＜0.05时代表有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 不同风向条件下各研究区域温室气体分布特征

风向对不同监测层次温室气体分布的影响如表2所示。其中风速较大（6.5 m·s-1）时道路和绿化带不同方位CO2与N2O变化显著，公园内3种气体分布皆有明显差异，其中CH4与 N2O差异极显著；风速较小（5.5 m·s-1）时，道路不同监测点CH4与N2O变化显著，绿化带内CH4分布变化明显，而公园中仅 N2O分布在不同监测点间表现出极显著差异。

2.1.1 CO2分布特征及与风向关系

在研究期内，道路、绿化带、公园3个监测区域 CO2体积分数分布范围分别为 419.09×10-6～574.70×10-6（R）、417.04×10-6～524.24×10-6（G）、418.50×10-6～505.40×10-6（P），变化幅度依次减小。在3月6日偏南风的作用下，道路（R）的CO2含量在（图2）各方位之间差异显著（表2），其中正南方向（S）最高，与NW、NE、W、SW等处差异显著（P＜0.05），西北角NW处含量最低，与S、E处差异显著；绿化带（G）的CO2含量分布与道路相同，即S点显著高于其他各点（P＜0.01），NW点最低，NW与N处 CO2含量显著低于其他各点（P＜0.05）；公园内部CO2含量与绿化带相反，最高值出现在N点，最低值出现在 S点，二者差异极显著（P＜0.01），但其他各点之间差异不显著。

在3月7日偏北风的作用下道路各监测点之间CO2含量无显著差异（表2），但表现出向公园东侧（监测点 E）聚集的趋势；绿化带内则表现出 CO2含量在N点的明显积累，并与除E、SE以外的其他监测点差异显著（P＜0.05）；公园内部各点之间无显著差异。

2.1.2 CH4分布特征及与风向关系

在研究期内，道路、绿化带、公园3个监测区域 CH4体积分数分布范围分别为 2.03×10-6～2.38×10-6（R）、2.02×10-6～2.15×10-6（G）、2.01×10-6～2.34×10-6（P），其中绿化带变化幅度最小。Paired T检验表明，3月6日各监测点CH4含量显著高于3月7日（P＜0.01），其原因可能受到大气与土壤中水分含量影响。由环境因子（表 1）可见，7日大气湿度明显降低，可以间接反映土壤中水分含量下降，CH4的产生能力降低。对比不同天气条件下近地层大气CH4含量可知，在偏南风（3月6日）的作用下，道路（R）CH4含量在西南方向 SW 处最高，东南方向SE处含量最低（图3），二者之间差异极显著（P＜0.01）；绿化带（G）的CH4含量在正西W位置最高，正东E位置最低，二者之间差异极显著（P＜0.01），其他各点之间无显著差异，表现出由东向西 CH4含量逐渐增大的趋势；公园内部（P）的CH4含量在正北N处最高（P＜0.05），其他各点差异不显著。而在3月7日偏北风的作用下，道路各监测点表现出向公园东南方向（监测点SE）聚集的趋势，其中SE与N点监测数值差异极显著（P＜0.01）；沿绿化带CH4的含量在东南方向SE处最高，正西W位置最低，且由东向西CH4含量逐渐减小，与6日的监测结果相反；公园内部各点之间无显著差异。

表2 不同风速对各监测区域CO2、CH4、N2O分布的影响Table 2 Influences of different wind speeds on distributions of CO2, CH4, N2O

图2 不同风向条件下公园及周边底层大气CO2含量分布Fig. 2 CO2 concentration distributions in and around the park under different wind conditions

2.1.3 N2O分布特征及与风向关系

在研究期内，道路、绿化带、公园3个监测区域 N2O 体积分数分布范围分别为 0.337×10-6～0.344×10-6（R）、0.336×10-6～0.343×10-6（G）、0.335×10-6～0.349×10-6（P），公园内 N2O 含量变化幅度最大。Paired T检验表明，各道路、绿化带及公园在不同风向下 N2O含量分布无显著差异（P＞0.05），但各监测点之间差异显著。偏北风时，人民公园周边道路西北方向 N2O含量最低值位于东南方向（图4），其中SE和S点与其他各监测点之间差异显著（P＜0.05），NW 点N2O含量最高；绿化带处与道路相同表现为NW方向N2O含量最高，与除 SW、S以外的其他监测点差异显著（P＜0.05），正东方向（E）最低；公园内N2O分布趋向于向南北两侧积累，其中最大值出现在正北侧（N）（P＜0.05）。而在偏南风条件下，道路、绿化带与公园内N2O含量最高值均出现在SE，最低值出现在NE，二者之间差异显著（P＜0.05）。由此可知，风向直接影响了 N2O在绿地及其周边地区的积累分布，且均向风向的左侧积累。

2.2 不同风向条件下公园内外温室气体含量对比

图3 不同风向条件下公园及周边底层大气CH4含量分布Fig. 3 CH4 concentration distributions in and around the park under different wind conditions

图4 不同风向条件下公园及周边底层大气N2O含量分布Fig. 4 N2O concentration distributions in and around the park under different wind conditions

分别对2个研究日内道路、绿化带、公园内部3个监测层次的采样点 CO2、CH4、N2O含量均值与公园中心进行对比，发现3月6日研究区内CO2含量与N2O含量略低于3月7日，但仅公园中心处N2O含量变化达到显著水平（P=0.005）。而3月6日CH4含量整体高于3月7日（图5），其中道路与公园中心处低层大气的CH4含量在不同监测期内差异极显著（P＜0.001）。CO2、CH4含量在偏南风条件下（3月6日）均表现为公园和绿化带低于道路，但公园中心区含量增加，而在偏北风条件下（3月7日）表现为逐渐降低的趋势，仅CO2含量在绿化带处略有升高。N2O含量在偏南风时表现为由道路到公园中心逐渐降低趋势，公园中心N2O含量显著低于其他各监测区域（P＜0.05）；3月7日各监测区域内N2O含量整体升高，但公园内外之间的差异不显著。

2.3 不同风向条件下道路温室气体综合增温潜势

综合增温潜势分析采用CO2当量（CO2-eq）分析法。根据一百年尺度CH4与N2O含量与CO2当量之间的换算关系进行换算（表3）。

表3 不同时间尺度3种主要温室气体的增温潜势（GWP）（IPCC，2001）Table 3 Global warming potentials of three major greenhouse gases in the difference time scales (GWP) (IPCC, 2001)

对各采样点的CH4与N2O按照表3的算法进行CO2-eq当量换算后，计算不同层次的平均水平，经过对比发现，道路和绿化带附近的近地面大气3种温室气体的GWP含量均高于公园内部（表4），但道路和绿化带的GWP相对大小随风向和风速变化而出现差异，3月6日偏南风且风速较大时，绿化带具有较高的GWP，而3月7日偏北风且风速较小时，绿化带的GWP小于道路。与此相似，公园核心位置的GWP也随气象条件不同而表现出相异的态势，即风速较大时公园中心位置C点的GWP虽低于路缘绿化带，但高于道路和公园内部，而 3月7日风速下降，风向相反，GWP表现出道路＞绿化带＞公园内部＞公园中心的态势。

图5 不同风向条件下各研究区域温室气体含量对比Fig. 5 Comparison of GHGs concentrations in the study areas under different wind conditions

表4 公园、道路、绿化带近地面空气的温室效应潜势GWP（CO2-eq）Table 4 GWPs of air near the ground surface including the park, roads and green belts (CO2-eq)

3 讨论

流动空间里气体的浓度一般与风向与风速有关，相关研究也表明了风向与气体含量的关系（Nowak et al.，2006）。风向和风速通常有助于大气污染物的扩散，可以有效地减少气体的含量和密度，但在实际研究中大气成分的含量受多种环境因素的综合影响。本研究显示，城市低层大气CO2、N2O含量受风速影响，表现为风速较大时其含量降低，该结果与朱希扬（2016）对上海市大气CO2浓度时空变化的研究结论相似，其研究表明大气CO2浓度与风速呈现显著负相关性。周国兵（2014）研究也表明，风速越大，湍流越强，城市大气中氮氧化物的垂直湍流扩散越强，其浓度降低。本研究中CH4含量变化相反，其原因可能为环境湿度变化影响了公园内草坪、水体等景观系统的CH4产生量（邢阳平，2007；常思琦等，2015）。温室气体含量在不同风向条件下的分布有所差异，表现在风向相反时，3个监测层次的气体含量的空间分布态势相反。此外研究结果还表明在风速较大时，路旁绿化带的阻滞作用减少，风速较小时，绿化带对道路产生的气体的阻滞过滤作用得到充分体现。

由于城市公园所处的地理位置复杂，受到多方面因素的影响，故温室气体（CO2、CH4、N2O）的含量不单单是由风向条件所决定的。如阮俊杰（2016）研究表明，城市公园的降温效应与公园内人工表面和水域的比重、公园形状和面积存在较强的相关性，但与植被分布的相关性相对较弱，说明公园内部景观格局影响其内部小气候环境。部分城市公园位于城市的中部，因此四周常被道路包围，导致公园外部道路CO2的含量受道路上汽车尾气的影响而表现出较高浓度，如有研究表明，道路上经过的汽车数量与CO2的含量呈现正相关关系（Kim et al.，2004），本研究结果也表明道路（R）的CO2含量高于绿化带（G）和公园内部（P），说明道路及交通活动增加了其周围低层大气的温室气体含量。本研究还显示，在不同风向作用下，道路附近CO2分布向下风向积累，而绿化带中CO2含量则是上风向高于下风向，表明了绿化带对大气气体成分扩散迁移的阻滞效应。绿化带虽然可以通过绿色植被的光合作用固定CO2，但在有风的情况下，带状的绿化带可能会起到屏障的作用。刘晓华等（2009）研究表明，绿化带促使了大气中颗粒态污染物的堆积，本研究证明绿化带的阻滞效应对CO2等气体的分布同样有效。绿化带的屏障作用使得公园内部CO2不受周围道路影响，加之植物光合作用吸收CO2，故具有较低的CO2含量（图5）。在不同风向条件下，绿地系统均表现出对CH4的消耗，即P、G处的CH4含量低于R，说明公园绿地中的环境条件促进了CH4的氧化，符合已有研究结论（梅雪英，2008；Kaye et al.，2004）。但各层次CH4的分布并未表现出与CO2相似的规律，在公园外围（R、G）均表现为西南侧高于东北侧，其原因可能与公园本身植被分布有关。虽然公园东北部水域面积较大，会产生较多的 CH4，如图 3-P中 N点具有较高的CH4，但由于其开阔的环境促进了气体扩散与 CH4氧化使得其含量下降，而西南部植被郁闭度较高，加之公园内规划为小型动物园，动物活动等可能增加了低层大气中CH4的含量（车世德等2010）。

城市低层大气中N2O的源较为复杂，机动车辆排放、土壤中的硝化及反硝化过程等都会对其产生影响（王长科等，2003；梅雪英，2008；施振香，2010），如城市草坪向大气中排放的N2O是自然草地的10倍（Kaye et al.，2004）。本研究中，各监测层次N2O含量差异不明显，说明道路、绿地系统之间对N2O的源汇效应没有显著差别。但N2O含量分布总体受到风向影响明显，主要表现在不同层次均表现为向风向的左侧积累。根据董文成（2014）等研究表明，城市中污染物的扩散会随主体风向表现为扇形分布，即向风向两侧扩散。在本研究中，可以综合考虑大气受力，尤其是地转偏向力的作用，即在本研究区域，其受力方向为风向右侧，造成的影响表现为，对扇形右侧的污染物扩散更为有利，而扇形左侧污染物运动速度相对减缓，污染物输送速率低，最终使得N2O含量在风向左侧表现为积累。

综合不同气体的温室效应可以发现，本研究中公园内部GWP值低于道路，说明较大面积绿地可以有效减弱道路带来的温室气体的影响。而本研究中绿化带表现出阻滞温室气体扩散的作用，其本身的GWP值与道路相近，甚至高于道路，说明绿化带对建立绿地系统内部微气象环境具有重要作用。

4 结论

风环境影响城市中近地面温室气体的扩散，而绿地系统对温室气体的扩散和累积具有重要影响。本研究对新乡市人民公园的研究显示，风速较大时城市绿地系统低层大气CO2、N2O含量低于风速较小环境，有风条件下CO2向下风向迁移，N2O趋向风向左侧积累，而风向与风速对CH4分布的影响不明显。城市公园内部CO2含量较低，N2O与CH4含量降低不显著，且风速较大时公园中心处CH4含量呈显著增加趋势，但公园综合温室效应潜势低于周围道路，说明所监测公园绿地具有调节局地微气象条件的生态功能。公园周围与道路之间的绿化带对道路源温室气体输送表现出明显阻滞效应，使得上风向处绿化带温室气体含量增加，该效应在风速较低时更为明显。