夏季城市溫室氣體排放特征及與溫度的耦合

吳昊錦 王 博

(西安高新第一中學，西安 710075)

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夏季城市溫室氣體排放特征及與溫度的耦合

吳昊錦 王 博

(西安高新第一中學，西安 710075)

在全球變暖的背景下，對人口和植被分布特征分析的前提下探究城市生態系統中溫室氣體(甲烷、二氧化碳、氧化亞氮)波動特征及機理。實驗以西安市中心到郊區農業區為主線，按照人口遞減和植被綠化面積遞增的前提選取4個采氣點(鐘樓、豐慶公園、繞城高速、灤鎮)，共采集3次，每次重復3次，選取平均值來代表該區域溫室氣體濃度。結合氣相色譜測定儀測定及與溫度的分析發現：由于人口減少和植被增加，從鐘樓途徑豐慶公園和繞城高速到灤鎮的過程中二氧化碳濃度大幅度降低，甲烷及氧化亞氮出現上升的趨勢。

西安，城市生態系統，溫室氣體

1 引 言

人類焚燒化石礦物或砍伐森林并將其焚燒時產生的二氧化碳等多種溫室氣體，由于這些溫室氣體對來自太陽輻射的可見光具有高度的透過性，而對地球反射出來的長波輻射具有高度的吸收性，能強烈吸收地面輻射中的紅外線，也就是常說的“溫室效應”，導致全球氣候變暖。全球變暖的后果，會使全球降水量重新分配、冰川和凍土消融、海平面上升等，既危害自然生態系統的平衡，更威脅人類的食物供應和居住環境(IPCC，2007)。

地球的大氣中重要的溫室氣體主要包括：二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)等。二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)。這三類氣體造成溫室效應的能力最強，但對全球升溫的貢獻百分比來說，二氧化碳由于含量較多，所占的比例也最大約為56%，但甲烷分子的致暖效應是二氧化碳分子的 25 倍，是繼二氧化碳(CO2)之后最重要的溫室氣體(Forster et al.，2007；蔡博峰，2011)。

溫室氣體的增加對氣候和生態系統的影響是一個更為復雜的問題。二氧化碳增加雖然有利于增加綠色植物的光合產物，但它的增加引起的氣溫和降水的變化，會影響和改變氣候生產潛力，從而改變生態系統的初級生產力和農業的土地承載力。這種因氣候變化而對生態系統和農業的間接影響，可能大大超過二氧化碳本身對光合作用的直接影響。按照氣候模擬試驗的結果，二氧化碳加倍以后，可能造成熱帶擴展，副熱帶、暖熱帶和寒帶縮小，寒溫帶略有增加，草原和荒漠的面積增加，森林的面積減少。二氧化碳和氣候變化可能影響到農業的種植決策、品種布局和品種改良、土地利用、農業投入和技術改進等一系列問題。因此在制定國家的發展戰略和農業的長期規劃時，應該考慮到二氧化碳增加可能導致的氣候和環境的變化背景。這個問題對于面臨人口膨脹和人均資源貧乏兩大壓力的我國，顯得尤為重要和緊迫(IPCC 2014)。

2 材料與方法

2.1 研究地點

西安總人口846.78萬(2010年統計)，人均綠化面積7.61平方米(2008年統計)位于渭河流域中部關中盆地，東經107.40度～109.49度和北緯33.42°～34.45°之間，轄境東西長約204公里，南北寬約116公里，面積9983平方公里，其中市區面積1066平方公里。

實驗地點嚴格按照調節影響溫室氣體的因素(人口和植被)選取，起點以市中心鐘樓為人口最多，植被最少的取樣點，終止于植被豐富人口稀少的灤鎮，中途經過植被和人口平衡的豐慶和繞城高速，共計四個采樣點。

2.2 調查方法

按照植被綠化面積和人口數量為干擾因素選取4個取氣點，其中從市中心到郊區是鐘樓、豐慶、繞城、灤鎮，人口減少，植被面積增加。實驗利用注射器將氣體注入密封氣體采樣袋中，并標注取樣時地區氣溫，統一采樣后集中在中科院植物研究所植被與環境變化重點實驗室的氣象色譜中心進行統一測樣(劉偉等，2011)。

2.3 數據處理

實驗過程中所獲得的原始數據通過Microsoft Excel軟件，求得平均值并編制成表，通過Sigmaplot.12軟件進行數據的繪圖和SPSS.18進行數據分析。

3 結果與分析

3.1 溫室氣體波動特征

通過對鐘樓、豐慶、繞城、灤鎮四個樣點的二氧化碳，甲烷及氧化亞氮測定結果的分析發現：與實驗前的預期相同，從市中心鐘樓到郊區灤鎮的過程中，二氧化碳的濃度隨著植被增加和人口的減少而急劇減少(圖1-a)，而甲烷和氧化亞氮的濃度隨著遠離市中心而增加，但整體濃度之間的差距相對比較小(圖3-b+c)，整體區域溫度符合城市熱島效應趨勢，從市中心到郊區溫度呈下降趨勢(圖1-d)。

圖1 波動趨勢圖

3.2 溫室氣體與溫度的耦合

經過不同溫室氣體與溫度的耦合分析發現：西安城市生態系統從市中心鐘樓到郊區灤鎮的過程中，城市人口在下降而綠化植被在上升的前提下，我們研究發現二氧化碳的濃度與溫度呈下降趨勢，而甲烷和氧化亞氮呈顯著上升，在結合溫度的分析后認為二氧化碳與溫度呈正顯著相關(圖2-a p=0.001 r2=0.924)，而甲烷和氧化亞氮與溫度的相關性分析顯示兩者與溫度都是顯著負相關(圖2-b p=0.008 r2=-0.698，圖3.2c p=0.001 r2=-0.848)。

圖1 相關性分析

4 討 論

大氣中的二氧化碳是生物圈中生物通過光合作用固定二氧化碳和呼吸作用消耗氧氣產生二氧化碳之間平衡的結果。生物圈中各個生態系統之間的二氧化碳變化都與生物活動息息相關。當前作為全球變暖的頭號元兇的二氧化碳更是在溫室氣體中占有很大比例。隨著人類對自然的干擾調節作用越來越大，溫室效應的直接結果首先在城市周邊表現出來，而全球各國城市中心近乎同步的城市溫室效應最終擴展到生物圈的其他生態系統中(IPCC，2007)。在此基礎上我們探究西安市城市生態系統的溫室氣體特征及機理，通過對鐘樓、豐慶、繞城、灤鎮四個樣點的二氧化碳，甲烷及氧化亞氮測定結果的分析發現：與實驗前的預期相同，從市中心鐘樓到郊區灤鎮的過程中，二氧化碳的濃度隨著植被增加和人口的減少而急劇減少，而甲烷和氧化亞氮的濃度隨著遠離市中心而增加，但整體濃度之間的差距相對比較小，整體區域溫度符合城市熱島效應趨勢，從市中心到郊區溫度呈下降趨，同樣表明溫室會促進溫室氣體的排放高溫已經被確定為一個促進植物材料甲烷排放的重要環境因子(Keppler et al.，2006；Vigano et al.，2008；Qaderi & Reid，2011)。

[1]IPCC第四次評估報告氣候變化，2007(綜合報告)，11-22.

[2]蔡博峰.城市溫室氣體清單研究-氣候變化研究進展.氣候變化研究進展，2011，7(1)：1673-1719.

[3]劉偉，王繼明，王智平.內蒙古典型草原植物功能型對土壤甲烷吸收的影響植物生態學，2011，35 (3)：275-283.

[4]Forster P，Ramaswamy P，Artaxo P (2007) Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing.In：Climate Change 2007，The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (eds Solomon S，Qin D，Manning M，Chen Z，Marquis M，Averyt KB，Tignor M，Miller HL).Cambridge University Press，Cambridge，UK，129-234.

[5]Keppler F，Hamilton JTG，BraM，Rckmann T (2006) Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions.Nature 439，187-191.

[6]Takahashi K，Kosugi Y，Kanazawa A，Sakabe A (2012) Automated closed-chamber measurements of methane fluxes from intact leaves and trunk of Japanese cypress.Atmospheric Environment 51，329-332.

[7]Vigano I，Van Weelden H，Holzinger R，Keppler F，McLeod A，Rckmann T (2008) Effect of UV radiation and temperature on the emission of methane from plant biomass and structural components.Biogeosciences 5，937-947.

[8]Qaderi MM，Reid DM (2011) Stressed crops emit more methane despite the mitigating effects of elevated carbon dioxide.Functional Plant Biology 38，97-105.

Urban Greenhouse Gases Emission Character and Its Relation with Temperature during Summer

WU Haojin WANG Bo

(Xi′an Gaoxin No.1 High School，Xi′an 710075)

This experiment probes the greenhouse gases on the effect of the global warming in the urban ecosystem of Xi′an city during summer.The data come from four plots (from downtown to the suburb)of city，each plots got three times gases and three different time during summer.The result show CO2and temperature had great decreased.while N2O and CH4had the opposite tread.In addition，the temperature had the notable relationship with all of above.

Xi′an；urban ecosystem；greenhouse gases

吳昊錦，本文為高中大氣環境議題的研究性學習成果

X81

A

1673-288X(2016)06-0236-03

引用文獻格式：吳昊錦 等.夏季城市溫室氣體排放特征及與溫度的耦合[J].環境與可持續發展，2016，41(6)：236-238.