金沙江河谷大气二氧化碳浓度变化特征及影响因子

任鹏杰, 陈先刚*, 王小平

1.西南林业大学湿地学院, 国家高原湿地研究中心, 云南 昆明 650224 2.西南林业大学生态与水土保持学院, 云南 昆明 650224

大气CO2是重要的温室气体[1]. 海洋释放、生物呼吸、化石燃料燃烧等是大气CO2的主要排放源，光合作用、海洋呼吸、碳沉积等是大气CO2的主要吸收汇[2-3]. 根据全球碳项目(GCP)的报告，自工业革命以来，1750—2016年全球大气c(CO2)从277 μmolL升至403 μmolL，增幅达45%[4]. 大气c(CO2)增加所导致的全球暖化已成为人类面临的生态环境问题之一[5]. 大气CO2等温室气体浓度的上升对全球气候、生态和经济所产生的影响，已引起国际社会的广泛关注[6-7].

迄今，世界各地均建立了大气c(CO2)本底观测站，如我国的青海省瓦里关、浙江省杭州市临安区、北京市上甸子，国外的夏威夷莫纳罗亚山(Mauna Loa)、地中海蓝佩杜萨岛(Lampedusa)、西太平洋与那国岛(Yonagunijima)等[8]. 同时，已有学者开展了有关大气CO2浓度变化及其影响因素的研究工作[9-10]. 在浓度影响因子方面，王长科等[11]研究发现，北京市大气c(CO2)季节性变化主要受人为活动控制. Rice等[12]发现，美国俄勒冈州(Oregon)市区大气CO2受人为和自然的双重影响. 在时间变化特征上，高松[13]研究了上海市城区2010年夏季高时间分辨率的大气CO2连续监测数据，结果表明上海市大气c(CO2)日变化呈显著的早、晚双峰特征，周变化呈显著波浪形，并且来自西南和西北方向的区域输送是大气c(CO2)升高的来源之一. Ratani等[14]研究发现，意大利罗马城市大气CO2浓度的日最高值出现在早晨，年最高值出现在冬季，并指出大气c(CO2)变化与交通密度相关. Idso等[15]对美国菲尼克斯市区大气CO2浓度的日变化和季节性变化进行研究，结果表明，日最高值和最低值分别出现在夜间和下午，季节性变化则随气温而变化. 在青藏高原上，研究人员开展了大气CO2源和汇的相关研究，并给出青藏高原冻土2050年和2070年大气CO2潜在排放量的第一个全区域估算值，其结果表明由解冻引起的大气CO2排放量会随时间变化而减少[16]. 但是，现有研究成果大多关注大气CO2浓度时空变化特征及其与人为活动因素(如尾气排放、秸秆燃烧等)的关系，并且多数研究以城市等人口密集地区为研究区域，而对人口稀少地区的大气CO2浓度与局地气候因子关系的研究较少.

该研究以地处滇西北高原地区气象要素变化较明显且受人为干扰较少的金沙江河谷为研究对象，针对大气CO2浓度和环境气象要素开展持续定点平行观测和分析研究，以期了解非人为干扰情况下，近地层大气CO2浓度变化特征及其与局地气候因子的关系，为深入研究大气CO2浓度变化规律及其与环境气候的相互关系提供更多基础支撑.

1 研究区概况

研究区位于滇西北高原云南省丽江市永胜县和大理白族自治州鹤庆县交界的金沙江河谷中段，该河谷为南北走向，河谷切割较深，四周为高大的山体(见图1). 该河谷位于西南季风和东南季风的背风坡，背风坡面气流下沉增温减湿，焚风效应明显，河谷中上坡以干热为主，而在位于河谷底部江岸附近区域，水汽蒸发量大，因此相对较为湿热，植被较为茂盛. 河谷中气象要素的日变化特征比较明显. 该地年均气温为13.5 ℃，最高年均气温为14.1 ℃，最低年均气温为13.1 ℃；无霜期为210 d，年均降水量为943.4 mm，年均日照时数为2 293.6 h，年均风速为2.6 ms，常年风向以西南风为主[17]. 干湿季分明的气候特征使该地形成了以干热河谷灌丛和稀树灌木草丛为主的植被, 如扭黄茅(Heteropogoncontortus)、龙须草(Eulaliopsisbinata)、车桑子(Dodonaeaviscosa)、余甘子(Phyllanthusemblica)、攀枝花(Bombaxmalabaricum)、酸角(Tamarindusindica)等[18]. 研究区地处高山河谷，人口稀少，住户多以散居分布，主要在两岸部分台地上从事农耕活动，无明显的工业碳排放，区域内大气c(CO2)的变化主要受自然因素影响.

图1 金沙江河谷研究区地理位置Fig.1 Location of the study area in Jinshajiang River Valley

2 数据与方法

2.1 数据采集

观测点设置于鹤庆县龙开口镇(原中江乡)中江街以北1 km处的金沙江边西岸开阔台地之上(26.5°N、100.4°E)，海拔约 1 230 m，周围植被为稀树草坪，附近及较远的沿江两岸分布有旱作农田. 在观测点安装辽宁省锦州阳光气象科技有限公司生产的TRM-ZS型自动气象站，感应头置于距地面1.5～2.0 m处，主要记录大气c(CO2)、温度、相对湿度、风速和风向等要素的变化情况，连续记录40个月(2011年8—11月、2012—2014年). 日变化采用每小时记录的整点数据，季节性变化和年变化采用记录数据的月均值.

2.2 分析方法

观测期间，剔除个别不合理的数据(主要是因设备产生的奇异值)，得到30 min间隔的有效数据共 35 789 组. 利用Excel 2013录入监测数据并进行统计分析，借助SPSS 22.0统计软件对数据进行相关性分析. 由于设备故障等原因，2013年8月的数据缺测，2013年11月、12月及2014年1—4月、10—12月的大气c(CO2)数据缺测. 2013年8月的大气c(CO2)数据采用同年7月和9月的平均值.

采用Pearson相关系数分析大气c(CO2)与各要素的相关性[19]. 对于2个要素(x与y)，如果其样本值分别为xi与yi(i=1,2,…，n)，则二者之间的相关系数为

(1)

3 结果与讨论

3.1 大气c(CO2)的变化特征

3.1.1大气c(CO2)的日变化

图2 研究区大气c(CO2)日变化Fig.2 Diurnal variation curve ofatmospheric c(CO2) in the study area

大气c(CO2)日变化特征依赖于气象条件的日变化[20]. 由图2可见：研究区大气c(CO2)的日变化呈波动型，最高值出现在09:00左右，达316.2 μmolL；随后大气c(CO2)开始剧烈下降，至13:00左右达最低值(291.0 μmolL)；在14:00左右出现了一个不明显的峰值(293.4 μmolL)；在17:00左右出现低值(291.5 μmolL)，随后又开始上升，直到翌日09:00左右达一天的最大值. 大气c(CO2)的日波动幅度为25.2 μmolL. 研究区大气c(CO2)平均值表现为白天(06:00—17:00)低于夜间(18:00—翌日05:00)的特征，大气c(CO2)日平均值为304.9 μmolL，白天为301.7 μmolL，夜间为308.3 μmolL.

该研究关于大气c(CO2)日变化特征的结论与其他学者的研究结果一致. 李燕丽等[21]对厦门市秋季近郊近地面大气c(CO2)的研究发现，厦门市一天中大气c(CO2)最高值出现在05:00—06:00，最低值出现在13:00. 王庚辰等[22]研究表明，内蒙古自治区草原上空大气c(CO2)日变化呈马鞍型，一天中最高值出现在04:00—05:00，最低值出现在13:00—15:00. Rice等[12]在美国一个乡村站点进行大气c(CO2)观测时发现，一天中最高值出现在05:00—08:00，最低值出现在15:00—17:00，其变化与光合作用、呼吸作用、区域边界层高度变化相关. 日本东京一天内大气c(CO2)的最高值出现在09:00左右，最低值出现在15:00左右[23]. 可见，金沙江河谷的大气c(CO2)日变化特征与上述城市、草原、农村等地区是相似的. 但是夏威夷莫纳罗亚山(Mauna Loa)大气c(CO2)的日变化并不明显，该地为热带海洋性气候，远离大陆，大气CO2排放源很少，受人类活动和植物生长的影响较小[24]. 与海洋地区不同，受植被光合作用、呼吸作用和土壤微生物活动的昼夜差异影响[25]，金沙江河谷等内陆地区大气c(CO2)有明显的日变化特征，因此金沙江河谷大气c(CO2)的日变化特征不同于莫纳罗亚山(Mauna Loa).

3.1.2大气c(CO2)的年变化

由图3可见：研究区大气c(CO2)季节性变化显著且呈单峰型，表现为秋、冬两季高，春、夏两季低的特征. 秋季大气c(CO2)平均值最高，达326.1 μmolL；其次是冬季，为313.2 μmolL；大气c(CO2)平均值最低的是夏季，仅为258.8 μmolL. 大气c(CO2)的年变化(月均值)曲线为双峰型，在3—7月呈快速下降的趋势. 大气c(CO2)月均值在7月达最小值，为228.5 μmolL；次小值出现在6月，为254.8 μmolL；在10月达最大值，为338.9 μmolL；次大值出现在9月，为335.4 μmolL. 研究区大气c(CO2)年波动幅度为110.4 μmolL. 研究区大气c(CO2)在3—8月(春、夏两季)变化较剧烈，其波动幅度为68.9 μmolL；在9月—翌年2月(秋、冬两季)变化较缓和，其波动幅度为34.9 μmolL. 大气c(CO2)的年均值为299.1 μmolL，其中9月—翌年2月大气c(CO2)月均值(依次为335.4、338.9、304.0、308.9、326.6、334.9 μmolL)且均超过了年均值.

图3 研究区大气c(CO2)季节性变化和年变化Fig.3 Seasonal and annual variation curve of atmospheric c(CO2) in the study area

大气c(CO2)的季节性变化与地球生态系统中CO2吸收和释放过程、人类活动、海洋吸收等有关[26-27]. 由于研究区远离人口密集区、交通干线和工矿等人为活动影响频繁区，大气c(CO2)变化主要受自然因素的影响. 夏季是当地植被的生长旺季，光合作用强烈，是“碳汇”效应明显期，大气中的CO2通过植物的光合作用被固定下来[28]，由光合作用所吸收的大气CO2远大于由土壤有机碳氧化所排放出的CO2[29]，因此大气c(CO2)在夏季达到最低值；到秋季植被生长迅速下降，而此时当地相对较好的水热条件使土壤与植被凋落物呼吸作用保持旺盛，故“碳源”效应明显，因此大气c(CO2)呈上升趋势；在冬、春两季，相应自然因素的消长及其匹配介于夏、秋两季之间，因此冬、春两季的大气c(CO2)也介于夏、秋两季之间，并且冬季高于春季. 与北京市、长江三角洲城市区域的大气c(CO2)季节性变化相比，金沙江河谷与上述城市区域大气c(CO2)的最低值均出现在夏季，但金沙江河谷的最高值出现在秋季，而上述城市区域最高值出现在冬季[30]，这与城市区域冬季取暖导致的大量化石燃料燃烧有关[31]，黑龙江省龙凤山站还受到人类活动和植物光合作用的双重影响[32]. 从最值出现的时间上来看，青海省瓦里关全球大气本底站2008年大气c(CO2)最高值和最低值分别出现在4月和8月[33]；2009年夏威夷莫纳罗亚山(Mauna Loa)站的大气c(CO2)最高值和最低值分别出现在5月和10月[34]；青藏高原6—9月，由于高寒草甸和灌丛生态系统为“碳汇”，因此大气c(CO2)偏低[35]. 可见，金沙江河谷大气c(CO2)的变化特征不同于受季风影响小、海陆热力性质差异小的瓦里关，以及受海洋性气候影响大的莫纳罗亚山(Mauna Loa)，金沙江河谷大气c(CO2)的最高值出现在10月，可能与该时段内金沙江河谷的植被凋落物呼吸旺盛有关. 与海洋相比，陆地上植被生长与人类活动的存在对大气c(CO2)的变化有着重要的影响[24].

3.2 大气c(CO2)变化与气象因子的关系

3.2.1大气c(CO2)与气温的关系

图4 研究区大气c(CO2)与气温的日变化Fig.4 Diurnal variation of atmospheric c(CO2) and temperature in the study area

研究区大气c(CO2)与气温的变化总体呈负相关(见图4)，二者Pearson相关系数为-0.97(P<0.01). 由图4和表1可见：观测期内平均气温为20.9 ℃. 日出后气温上升，大气c(CO2)随之下降，在07:00左右气温达最低值(15.4℃)，此时大气c(CO2)较高；之后气温上升而大气c(CO2)下降，至15:00左右气温达最高值(27.4 ℃)，而大气c(CO2)较低；随后，气温下降而大气c(CO2)上升. 00:00—07:00，气温在15.4～18.6 ℃之间变化时，大气c(CO2)变化(311.6～315.5 μmolL)较平稳；11:00—19:00，气温在22.9～27.4 ℃变化时，大气c(CO2)变化(291.0～298.9 μmolL)较大. 大气CO2浓度的变化与气候变量中影响陆地生物圈光合作用呼吸作用的近地面气温密切相关[36]. 白天太阳辐射强，使气温升高，改变了近地面大气的热量平衡，空气的对流运动强烈，大气边界层充分混合，加上光合作用大气c(CO2)降到了一天中的最小值[22]. 夜间气温较低，大气层结较稳定，空气的对流运动微弱，大气边界层的混合和垂直输送能力均较弱，加之植物的呼吸作用，因此夜间大气c(CO2)呈上升趋势. 在13:00—15:00大气c(CO2)出现异常表现，可能与土壤水分条件的变化，以及土壤温度和气温之间关系的变化有关[37]；该时段内气温较高，生物呼吸旺盛，也是导致大气c(CO2)出现异常的因素之一.

表1 研究区气象要素统计

3.2.2大气c(CO2)与相对湿度的关系

图5 研究区大气c(CO2)与相对湿度的日变化Fig.5 Diurnal variation of atmospheric c(CO2) and relative humidity in the study area

研究区大气c(CO2)与相对湿度的变化总体呈正相关(见图5)，大气c(CO2)与相对湿度之间的Pearson相关系数为0.97(P<0.01). 由图5可见：随着日出后相对湿度的下降，大气c(CO2)相应下降，13:00—15:00相对湿度和大气c(CO2)均达一天中最小值；日落后，相对湿度上升，大气c(CO2)也随之上升，到日出前后达一天中最大值. 00:00—07:00，当相对湿度变化范围为62.9%～72.9%时，大气c(CO2)的变化(311.6～315.5 μmolL)较稳定；11:00—19:00，相对湿度变化范围为39.7%～51.3%时，大气c(CO2)的波动(291.0～298.9 μmolL)较大. 根据对观测期内数据的统计和计算发现，研究区湿季(5—10月)大气c(CO2)月均值与相对湿度月均值变化呈弱正相关(r为0.20)，此时河谷内气候湿润，降水丰沛，植被覆盖率高，观测期内研究区平均相对湿度为57.5%. 该研究结果与深居内陆的慕士塔格峰大气c(CO2)与相对湿度呈负相关的结果不同，慕士塔格峰位于干旱地区，水汽贫乏，植物生长缓慢，光合作用受到限制，因此大气c(CO2)出现上升趋势[26]. 研究区地属于干热河谷，全年分为干、湿两季，大气相对湿度是影响当地大气c(CO2)的重要因子. 夜间相对湿度较高，有利于植物呼吸[22]，因此增加了大气c(CO2). 大气c(CO2)的日变化和年变化情况相似，其原因与当地植被在不同生长期与大气之间的气体交换差异有关[26].

图6 研究区大气c(CO2)与风速的日变化Fig.6 Diurnal variation of atmospheric c(CO2) and wind speeds in the study area

3.2.3大气c(CO2)与风速的关系

不同风速对大气c(CO2)的变化也有影响，其导致大气c(CO2)的上升或降低[38]. 观测期间的风速介于0.1～2.3 ms之间，3月的平均风速(1.1 ms)最大，8月的平均风速(0.2 ms)最小(见图6). 各月研究区地面1.5 m处风级多为1级(0.3～1.5 ms)，其次为0级(0～0.2 ms)，再次为2级(1.6～3.3 ms)，2级及以下风出现频率为98.3%；各月中出现的小时平均最大风速为2.3 ms(2级，3月14:00)，小时平均最小风速为0.5 ms(1级，8月14:00). 各月夜间的平均风速均小于白天，1级及以下(≤1.5 ms)风的出现频率较白天高19%. 7月大气c(CO2)随平均风速的增加降幅最大，达74.0 μmolL；3月降幅最小，为19.2 μmolL. 大气c(CO2)在22:00—翌日07:00 呈缓慢增加的趋势，在09:00—23:00总体呈先降后升的特征(见图6). 平均风速范围为0.3～0.5 ms时，大气c(CO2)变化较为平稳，大气c(CO2)平均值维持在311.6～315.5 μmolL. 白天风速范围为0.7～1.3 ms时，大气c(CO2)波动较大，大气c(CO2)平均值范围为291.0～298.9 μmolL；风速范围为0.4～0.9 ms时，大气c(CO2)下降最剧烈(变化范围为25.2 μmolL). 在α=0.01置信水平上来看，观测期间大气c(CO2)与风速呈显著负相关，其Pearson相关系数为-0.93(P<0.01). 夜间平均风速小于白天，当风速较小时，大气层结稳定，大气c(CO2)的变化受局地影响较大，造成近地面大气CO2堆积，导致大气c(CO2)增大；随风速的增大，大气扩散条件转好，近地面大气CO2向高空输送，大气c(CO2)随之下降.

3.2.4大气c(CO2)与风向的关系

计算各季节各风向上所对应的平均大气c(CO2)的距平值，并绘制大气c(CO2)距平风玫瑰图(见图7). 由图7可见：春季，导致大气c(CO2)上升最多的是西南西风(上升9.9 μmolL)，导致大气c(CO2)下降最多的是北北东风(下降6.9 μmolL)；夏季，导致大气c(CO2)上升最多的是南南西风(上升48.4 μmolL)，导致大气c(CO2)下降最多的是东风(下降31.8 μmolL)；秋季，导致大气c(CO2)上升最多的是西南西风(上升37.3 μmolL)，导致大气c(CO2)下降最多的是北北西风(下降30.9 μmolL)；冬季，导致大气c(CO2)上升最多的是南风(上升5.2 μmolL)，导致大气c(CO2)下降最多的是北风(下降5.0 μmolL). 这些现象可能与观测点周边一定范围内交通、农田和居民区等“碳源”[39]的分布以及在不同季节的不同效应(如耕种、秸秆焚烧)密切相关，有待于进一步对上述各种因素进行一定时间的平行监测与研究.

注： 图中数值为大气c(CO2)的距平值，虚线圈的距平值为0，单位为μmolL. 黑色实线为各风向上距平值点的连线.图7 研究区对应不同风向上的大气c(CO2)距平值Fig.7 Anomalous atmospheric c(CO2) corresponding to the different wind direction in the study area

4 结论

a) 研究区大气c(CO2)白天低于夜间，春、夏两季低于秋、冬两季，大气c(CO2)日变化曲线呈波动型. 一天中大气c(CO2)最高值(316.2 μmolL)和最低值(291.0 μmolL)分别出现在09:00和13:00，日波动幅度为25.2 μmolL；一年中大气c(CO2)最高值(338.9 μmolL)和最低值(228.5 μmolL)分别出现在10月和7月，年波动幅度为110.4 μmolL. 大气c(CO2)年最高值和最低值出现的时间因不同区域、不同气候条件而不同.

b) 研究区大气c(CO2)与气温呈显著负相关(r=-0.97，P<0.01)，夜间大气c(CO2)的变化幅度较白天小；大气c(CO2)与相对湿度呈显著正相关(r=0.97，P<0.01)，大气c(CO2)的最大值及最小值分别出现在日出前后及下午；大气c(CO2)与风速呈显著负相关(r=-0.93，P<0.01)，不同季节大气c(CO2)最高值和最低值所对应的风向不同，春季、夏季、秋季、冬季的大气c(CO2)最高值对应的风向分别为西南西、南南西、西南西、南，最低值对应的风向分别为北北东、东、北北西、北. 白天太阳辐射强，改变了地表的热量平衡，空气对流运动增强，近地面气温梯度增大，气温和相对湿度的改变使得大气边界层充分混合，同时伴随着风速的加大，大气输送能力增强，加速了大气CO2向高空扩散，因此大气c(CO2)在白天达最低值；夜间无太阳辐射，大气层结较稳定，其输送能力较弱，加之植物呼吸作用的影响，因此大气c(CO2)在夜间最高.

c) 该研究存在观测点单一、涉及气候因子不全面、缺乏碳通量平行观测等不足，因此今后有必要进一步开展基于多空间布点、多气候因子以及碳通量的平行观测等研究工作，以期获得该区域大气c(CO2)的时间和空间分布特征，并深入探讨其相关影响因素.