校園二氧化碳濃度時空動態特征

葉爾江·拜克吐爾漢，康劍，王雅佩，王　歡，張　雪，李　金

(新疆農業大學林學與園藝學院，干旱區林業生態與產業技術重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

校園二氧化碳濃度時空動態特征

葉爾江·拜克吐爾漢，康劍，王雅佩，王歡，張雪，李金

(新疆農業大學林學與園藝學院，干旱區林業生態與產業技術重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

摘要：采用美國TELAIRE 7001型紅外二氧化碳分析儀對校園4個不同觀測點的二氧化碳濃度動態特征進行連續1a的觀測。校園二氧化碳濃度變化呈明顯的日、季節和空間變化。日變化趨勢呈“V”型曲線，樹林二氧化碳濃度值高于其他觀測點，近地層空氣平均二氧化碳濃度為355.1±20 mg/m3；二氧化碳濃度按季節大小排序為：春季>夏季>秋季>冬季，5—6月份二氧化碳濃度值最高。氣溫變化、人為活動及局部生境變化對二氧化碳濃度變化的影響最顯著。溫度變化與二氧化碳濃度值之間具明顯的正相關性。

關鍵詞：校園；二氧化碳濃度；動態特征；觀測；日變化；季節變化；空間變化

二氧化碳(CO2)是大氣組成成分之一，它對于生物尤其對綠色植物和動物意義重大[1]。一定水平的二氧化碳濃度對維持生命非常必要，過高或過低的二氧化碳濃度都會對生物生理活動產生不利影響[2]。二氧化碳濃度變化對于人類和生物影響較大，甚至可能帶來全球溫度變化等重大生態問題。大氣二氧化碳濃度的增加已經成為無須爭議的事實，人為活動的影響，使大氣中二氧化碳濃度呈現不斷增長趨勢。如今，大氣層中的二氧化碳含量已接近390 mg/m3，幾乎比工業革命之前高出40%[3]。據推算，到2030年大氣二氧化碳濃度將達到550 mg/m3[4]，而到21世紀末將增加到約700 mg/m3[5]。在全球變暖的大背景下，削減與控制二氧化碳濃度已成為現代社會普遍關心的問題。大氣二氧化碳濃度的區域變化特征存在明顯的差異，主要取決于其源、匯的分布及變化。烏魯木齊市位居干旱區，是環境污染比較嚴重的城市。自然生態環境原本比較脆弱，加之人口增多，城市生態壓力增大，致使烏魯木齊市出現了許多生態問題。近十幾年來，烏魯木齊市環境污染問題越來越突出，大氣污染問題十分嚴峻[6-8]。解決各類生態問題是烏魯木齊市未來發展的必然選擇。高等學校是人才培養基地，優美、整潔、優良的育人環境是培養高素質人才的外部條件。良好的校園環境對廣大師生的身心修養、健康成長有著重要的作用。二氧化碳等溫室氣體對校園環境有很大影響[9]，對其進行監測和相關研究非常有必要。本文使用美國TELAIRE 7001型紅外二氧化碳分析儀對新疆農業大學校園4個不同點的二氧化碳濃度動態特征進行連續1a 的觀測，并在此基礎上，分析4個點的二氧化碳濃度時空動態變化規律，旨在為相關研究或建設生態校園提供科學參考。

1調查與方法

1.1研究區概況

研究區位于烏魯木齊市西部沙依巴克區，烏魯木齊市地處86°37′33″～88°58′24″E，42°45′32″～44°08′00″N。屬于中溫帶半干旱區大陸性干旱氣候，春秋兩季較短，冬夏兩季較長，晝夜溫差大；夏季炎熱少雨，春秋多風，常有浮塵天氣，全年干旱少雨，年平均降水量194 mm，年蒸發量2500 mm；最暖的七、八月平均氣溫為25.7 ℃，最冷的一月平均氣溫為-15.2 ℃；極端氣溫最高47.8 ℃，最低-41.5 ℃。烏魯木齊是中國北方典型的冬季煤煙型污染城市，由于特殊的地形和氣象因素制約，每年長達半年之久的冬季采暖期大氣污染十分嚴重。

1.2儀器設備

采用TELAIRE 7001型紅外二氧化碳分析儀(美國TELAIRE公司)。

1.3調查

在新疆農業大學校園選定4個觀測點(見表1)，在3次觀測時間尺度(上午00∶00—10∶00，中午10∶00—16∶00，晚上16∶00—24∶00)基礎上以每2h為一個研究時段(分別為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段變化較小，故6h為一時段；均為當地時間，下同)，采用TELAIRE 7001型紅外二氧化碳分析儀重復測量3次(取每2h重復測定值的平均值)，記錄每個點二氧化碳濃度和當地當時的空氣溫度值。為保證數據完整性，實驗從2011年4月底持續至 2012年4月底，耗時1a。

1.4統計學方法

調查數據采用SPSS 16.0 軟件進行統計學分析，也用Excel軟件對數據進行處理并繪圖。

表1　新疆農業大學校園二氧化碳濃度觀測點概況

2結果與分析

2.1二氧化碳濃度日變化特征

校園4個觀測點一日不同時段二氧化碳平均值變化情況見圖1。由圖1可見：二氧化碳日變化呈現“V”型曲線，即早晚高、中午低。一日中二氧化碳濃度峰值出現在凌晨日出前的05∶00—06∶00左右，二氧化碳濃度平均值為371.9mg/m3，其原因是前一天午后植物光合作用和大氣二氧化碳匯強度逐漸減弱，土壤和生物呼吸以及生產等產生的二氧化碳在近地層大氣中積累，使其濃度逐漸上升，此時也是逆溫層開始打破的時間段。日出后隨著氣溫升高，二氧化碳濃度值不斷下降，有一個較為明顯的濃度降低過程，日均降幅為30.4mg/m3，午后的15∶00—16∶00左右達到最低值(平均值為341.5mg/m3)，其原因可能是此時植物光合作用較強，消耗掉了大量二氧化碳，并且一部分二氧化碳被輸送到大氣高層所致，此外空氣湍流作用的增強，也使積累的二氧化碳能夠快速、明顯地釋放。之后其值又逐漸增加，日均增幅為24.0mg/m3左右，下班、下課高峰過后逐漸趨于穩定(平均值約在360mg/m3左右)。其原因是隨著植被的光合強度降低，來自土壤-大氣與植被-大氣的呼吸釋放過程增加一定的二氧化碳。20∶00后隨著學校人流規模減小，加之夜間溫度迅速降低導致二氧化碳濃度趨于穩定，所以20∶00之后到天亮之前的一段時間二氧化碳濃度變化較小。上午降幅大于下午降幅，降幅大小與蒸發量大小、植物光合效率等有一定的關系。

4個觀測點二氧化碳濃度值有一定差異(見圖1)，其中A點二氧化碳濃度最高(日變化平均值374.0mg/m3)，其次為B點(日變化平均值369.8mg/m3)、C點(日變化平均值356.7mg/m3)，D點(日變化平均值346.9mg/m3)最低，即二氧化碳濃度值：A點>B點>C點>D點。樹林中二氧化碳濃度高于其他觀測點，這可能與二氧化碳下沉并積累在樹林內，且人為活動的影響使樹林光合能力下降有關；而空曠地由于受到地面物的影響，二氧化碳可能迅速擴散。說明人為活動對二氧化碳濃度的影響高于土壤和植被呼吸的影響。

2.2二氧化碳濃度季節變化特征

不同季節(春季：3—5月；夏季:6—8月；秋季:9—11月；冬季:12—次年2月)二氧化碳濃度時空規律見表2。由表2可看出：二氧化碳濃度季節平均值分別為冬季 333.0mg/m3、春季 392.9mg/m3、夏季 373.3mg/m3、秋季 357.5mg/m3；冬季二氧化碳濃度值最低，最高值出現在春季到夏季，排序為：春季>夏季>秋季>冬季。這可能與開春階段烏魯木齊環境污染嚴重有一定關系，所以認為干擾對二氧化碳濃度季節變化的影響更為明顯。

不同觀測點季節變化基本一致(見圖2)，冬季：A點相對其他觀測點保持較高的值，C點現較明顯起伏，這可能與道路處形成逆溫層無法擴散二氧化碳有關，B、D點變化不明顯；春季：各觀測點值無明顯重疊；夏季C、D點增幅不明顯，基本保持同等水平；秋季D點有明顯的波浪形變化特征，其他各點濃度平滑下降。

校園二氧化碳濃度1—12月為：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月份濃度值較低，整體變化趨勢為正態分布(見圖3)。7—8月溫度最高，應出現最高值，但因假期人為干擾最低使濃度值未超5—6月值。最高月和最低月變化幅度達83.5mg/m3，變化較明顯，主要原因也跟污染季節動態有關。

表2　二氧化碳濃度季節變化規律　(mg/m3)

3討論

校園二氧化碳日變化趨勢呈“V”型曲線，植物光合作用強弱程度、土壤和生物呼吸作用、生產等產生的二氧化碳在近地層大氣中積累情況等為日變化影響因子，此外空氣湍流作用增強，使積累的二氧化碳能夠快速、明顯地釋放[10]，空氣溫度、校園人流量及人類活動對二氧化碳積累與擴散的影響顯著。比起自然變化，校園人為活動對二氧化碳濃度變化的影響顯著；不同觀測點二氧化碳濃度值有一定差異，樹林中因二氧化碳下沉并積累非常明顯，所以濃度值高于其他觀測點，而二氧化碳擴散明顯的區域其值相對較低。校園近地層空氣平均二氧化碳濃度為355.1±20mg/m3。觀測地為人口相對密集地區，人為活動釋放源比較多。人類活動越頻繁，大氣二氧化碳濃度增長越大，此結果與前人觀點一致。

校園秋季二氧化碳濃度值最低，最高值出現在春季到夏季，排序為:春季>夏季>秋季>冬季。這種變化規律與烏魯木齊環境污染季節性規律吻合。植被對二氧化碳的吸收因受到干擾而降低，故植物生長變化對二氧化碳濃度影響可能很小，而人為干擾幾乎不受季節影響。二氧化碳濃度變化主要受氣溫變化影響，二者成明顯的正相關關系。人為活動對二氧化碳濃度的影響高于土壤和植被呼吸的影響。

校園二氧化碳濃度逐月變化趨勢為正態分布。冬季樹林相對其他觀測點保持較高的值，二氧化碳不易擴散是主因；道路形成逆溫層無法擴散二氧化碳，所以道路觀測點濃度值幅度起伏明顯；春季各點受小氣候影響明顯，觀測值無明顯重疊；夏季空氣質量最好，所以各點觀測值基本保持一致，因假期的影響使最高值未出現在夏季；秋季因建筑影響的小氣候變化外，其他各點濃度隨溫度下降而平穩下降。

校園二氧化碳濃度有明顯的日變化、年度變化和溫度變化吻合性，這與相關研究結果非常吻合，通過分析認為：二氧化碳濃度最高值，基本與年度氣溫最高值相對應，最低值也跟年度氣溫最低值相對應，并且變化規律有明顯的正相關關系(圖4)。

4結論

校園各樣點的二氧化碳濃度變化呈現明顯的日變化、季節和空間變化規律。日變化趨勢呈“V”型曲線，即二氧化碳濃度早晚高，中午低；植物光合作用強弱程度，土壤和生物呼吸作用及生產產生的二氧化碳在近地層大氣中積累，空氣湍流作用及校園人流量是二氧化碳積累與擴散影響因子，校園人為活動對二氧化碳濃度變化的影響最顯著；樹林二氧化碳濃度值高于其他觀測點；校園近地層空氣平均二氧化碳濃度為355.1±20mg/m3。

校園二氧化碳濃度按季節濃度大小排序為：春季>夏季>秋季>冬季，二氧化碳濃度變化受氣溫變化影響是最主要原因，二者成明顯的正相關關系；校園二氧化碳濃度月份整體變化趨勢為正態分布，冬季樹林二氧化碳濃度值最高，道路觀測點濃度值幅度起伏明顯，春季各點觀測值無明顯重疊；夏季各點觀測值基本保持一致，秋季各點濃度隨溫度下降而平穩下降。校園二氧化碳濃度有明顯的日變化、年度變化、溫度變化基本吻合性，并且變化規律有明顯的正相關關系。

校園二氧化碳濃度變化有明顯的時空動態特征，受環境變化、氣候變化影響較明顯，但校園局部生境變化對二氧化碳濃度變化影響甚微。

參考文獻：

[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. 溫室效應的歷史回顧[J]. 西南民族大學學報:人文社會科學版, 2010,31(6):213-218.

[4] 蔡曉明.生態系統生態學[M].北京:科學出版社,2000.

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

[6] 魏毅，王芳芳，楊煥明． 烏魯木齊市大氣污染物排放與擴散失衡的原因分析及其防治對策[J]．干旱區資源與環境，2008，22(5) : 178-182.

[7] 劉增強，鄭玉萍，李景林，等．烏魯木齊市低空大氣逆溫特征分析[J]．干旱區地理，2007，30( 3) : 351-357.

[8] 張海珍,趙麗莉,魏疆.烏魯木齊市“煤改氣”對冬季氣態污染物濃度空間分布變化的影響[J].環境工程，2014,32(8):59-63.

[9] 高松.夏季上海城區大氣中二氧化碳濃度特征及相關因素分析[J].中國環境監測,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：楊永安，男，理學博士，山東菏澤人。

作者簡介：唐紅軍，男，高級工程師，四川遂寧人，主要從事環境監測與管理方面的研究。

收稿日期：2015-01-26

中圖分類號：X51

文獻標志碼：A

文章編號：1673-9655(2015)04-0042-05