有風條件下典型城市綠地對近地面大氣溫室氣體含量分布的影響

侯翠翠，郭夢源，楊凡，蔡明蕾，王靖，王華，申曉萌

河南師范大學生命科學學院，河南 新鄉 453007

城市綠地是城市生態系統的主體，是重要的溫室氣體排放源與匯，它包括城市公園、草坪、街心花園、道路兩旁的綠化帶及行道樹、城市片林等（王獻溥等，2008）。城市綠地的生態功能主要表現在緩解城市熱島效應的影響、美化城市環境、改善城市小氣候等方面（吳耀興等，2008），為城市建設帶來生態和社會經濟價值。城市綠地系統還具有顯著的凈化環境、降低噪聲的作用（Beckett et al.，1998；Escobedo et al.，2006；Nowak et al.，2006；Kim et al.，2004）。地表植被覆蓋率的增加，可以降低到達地面的太陽直接輻射，改變風速與溫濕度特征，繼而形成局地小氣候（晏海，2014；陳康林等，2016），避免城市熱島效應的加劇。大氣溫室氣體含量與氣候變化密切相關，人口密集、工業活動頻繁、機動車輛擁擠等使得城市大氣中溫室氣體含量進一步增加（何立強等，2014）。城市綠地的分布也進一步影響了不同高度層次主要溫室氣體的濃度，如魏寧等（2016）研究上海市近地面（距地面2 m）N2O含量空間分布發現綠地系統具有最低的 N2O含量，顯著低于交通用地等其他城市用地。有研究表明，隨著人口減少和植被增加，城市底層大氣CO2含量逐漸降低，而CH4與N2O含量逐漸上升（吳昊錦等，2016）；也有研究指出城市綠地CH4通量較小，不足以影響城市溫室氣體的含量（鄧山等，2013）。城市中綠地（如草坪河岸帶、緩沖帶等）也是重要的N2O排放源，降雨、灌溉等可增加濕度的事件能顯著促進CH4及N2O的產生與排放（黃新雨，2013；林挺等，2015）。梅雪英（2008）研究指出，城市草坪在日間表現出對CO2及N2O的吸收，但夜間表現為排放，而對CH4總體表現為吸收，草坪近地面空氣的溫室氣體含量峰值出現在人流及車輛密集的上下班高峰期。Hou et al.（2016）的研究也表明，交通區的大氣CO2含量在不同季節均高于綠化區、居民區等，且除土地利用類型、CO2排放等因素外，風也是影響CO2含量分布的重要環境因子。相似結論也體現在Moore et al.（2015）的研究中。風速與風向影響城市中污染物的擴散（董文成，2014），有研究指出，冬季風速小于夏季時，城市熱島效應更明顯，但在風的影響下，城市綠地的降溫效應可能被削弱，甚至表現出溫度高于周圍城區的態勢（Anjos et al.，2017），說明風的季節變化增加了城市綠地功能的不穩定性。

綜上可知，城市綠地是溫室氣體重要的產生和消納場所，綠地內的溫室氣體含量會隨著周圍道路存在與否、人群活動強度大小和風等氣象因子的變化而變化。就城市綠地系統本身而言，其建設的目的是為了降低城市大氣污染形成較為舒適的內部環境。然而，針對城市綠地系統對城市大氣溫室氣體含量的分布影響，以及該影響在不同風速背景下的表現，尚缺乏細致深入的研究。以河南省新鄉市人民公園為研究對象，對不同風向條件下公園外道路、綠化帶以及公園內部近地面大氣溫室氣體含量及增溫潛勢進行實地監測分析，以量化研究城市綠地系統對近地面大氣中溫室氣體分布的調節作用。

1 研究地點與實驗方法

1.1 研究區域概況

新鄉市（113°50′E，35°21′N）屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明，多年平均氣溫 14 ℃，多年平均降水656.3 mm，降水集中于夏秋兩季，平均濕度為68%。新鄉季風特征為冬季以東北風為主，夏季則多為西南風。全年以東北風向最多，平均風速可達2.5 m·s-1（余浩，2017）。新鄉市人民公園位于河南省新鄉市中西部，占地面積為48.60 hm2，綠化面積39.23 hm2，占全園總面積的 87.20%，綠化覆蓋率達到了94.2%（崔惠，2008）。屬傳統的正方形布局，東邊是和平大道，西邊是勞動中街，南邊是金穗大道，北鄰人民中路，道路寬度40～45 m，斷面設計為4板。公園四周沿道路綠化帶布局完整，綠化帶寬度變化較大，植被層次豐富，主要分為草本-灌木-喬木3個層次。公園內植物物種豐富，調查顯示，其物種數約147種，其中草本以菊科、禾本科等為主，灌木以木樨科、薔薇科、豆科等為主，喬木以懸鈴木科、木樨科、松科、木蘭科等為主（段艷紅等，2016）。

1.2 采樣點設計與樣品采集方法

選取25個采樣點進行近地面大氣CO2、CH4、N2O含量監測（圖1），自公園外部向內分別在人行道路（R）、綠化帶（G）、公園內部（P）適當的位置采集氣體樣品，每個層次設置8個采樣點。為確定公園內郁閉環境對溫室氣體的影響，排除周圍道路及綠化帶干擾，在公園中心區域（C）處增設一處采樣點并采集氣體樣品進行對比分析，具體采樣點位置如圖1所示。

圖1 溫室氣體含量監測采樣點空間分布示意圖Fig. 1 Location of study area and sampling sites for GHGs content

樣品采集時間為2017年3月6日及7日下午15:00—15:30，此時間段風速基本越過最大值，公園四周道路上人和機動車行為的午間高峰也已基本結束，從而減少由交通擁堵造成的機動車尾氣排放對溫室氣體含量監測結果的影響。采樣點設置于距地面高約1.5 m處的較寬闊的地帶。采樣時利用帶有三通閥的醫用注射器抽取50 mL氣體，并將采得的氣體樣品保存在鋁箔氣體采樣袋中。其中，在道路旁、綠化帶、公園內部不同方位取樣時，分別選擇西北（NW）、北（N）、東北（NE）、東（E）、東南（SE）、南（S）、西南（SW）、西（W）等 8個方位進行采樣，C點位于公園中心開闊處。每個采樣點采集3個重復樣品，樣品總量為150個，結束后把樣品帶回實驗室在2 d內分析完畢。采樣時間以及當日氣象條件如表1所示。

表1 采樣時段當地氣象條件Table 1 Metrological conditions during sampling period

1.3 樣品測定方法

使用Agilent HP7890A型氣相色譜儀分析空氣樣品中CO2、CH4與N2O的體積分數（10-6）。

1.4 數據處理及統計分析

所有數據均為 3次重復的平均值，運用SPSS19.0軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用LSD多重比較分析不同風向條件下各采樣點大氣溫室氣體含量差異，并依據采樣點所處的研究區域的相對位置，通過Paired T檢驗分別對公園（P）、綠化帶（G）與道路（R）大氣溫室氣體含量在不同風向下的變化進行比較。P＜0.05時代表有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同風向條件下各研究區域溫室氣體分布特征

風向對不同監測層次溫室氣體分布的影響如表2所示。其中風速較大（6.5 m·s-1）時道路和綠化帶不同方位CO2與N2O變化顯著，公園內3種氣體分布皆有明顯差異，其中CH4與 N2O差異極顯著；風速較小（5.5 m·s-1）時，道路不同監測點CH4與N2O變化顯著，綠化帶內CH4分布變化明顯，而公園中僅 N2O分布在不同監測點間表現出極顯著差異。

2.1.1 CO2分布特征及與風向關系

在研究期內，道路、綠化帶、公園3個監測區域 CO2體積分數分布范圍分別為 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），變化幅度依次減小。在3月6日偏南風的作用下，道路（R）的CO2含量在（圖2）各方位之間差異顯著（表2），其中正南方向（S）最高，與NW、NE、W、SW等處差異顯著（P＜0.05），西北角NW處含量最低，與S、E處差異顯著；綠化帶（G）的CO2含量分布與道路相同，即S點顯著高于其他各點（P＜0.01），NW點最低，NW與N處 CO2含量顯著低于其他各點（P＜0.05）；公園內部CO2含量與綠化帶相反，最高值出現在N點，最低值出現在 S點，二者差異極顯著（P＜0.01），但其他各點之間差異不顯著。

在3月7日偏北風的作用下道路各監測點之間CO2含量無顯著差異（表2），但表現出向公園東側（監測點 E）聚集的趨勢；綠化帶內則表現出 CO2含量在N點的明顯積累，并與除E、SE以外的其他監測點差異顯著（P＜0.05）；公園內部各點之間無顯著差異。

2.1.2 CH4分布特征及與風向關系

在研究期內，道路、綠化帶、公園3個監測區域 CH4體積分數分布范圍分別為 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），其中綠化帶變化幅度最小。Paired T檢驗表明，3月6日各監測點CH4含量顯著高于3月7日（P＜0.01），其原因可能受到大氣與土壤中水分含量影響。由環境因子（表 1）可見，7日大氣濕度明顯降低，可以間接反映土壤中水分含量下降，CH4的產生能力降低。對比不同天氣條件下近地層大氣CH4含量可知，在偏南風（3月6日）的作用下，道路（R）CH4含量在西南方向 SW 處最高，東南方向SE處含量最低（圖3），二者之間差異極顯著（P＜0.01）；綠化帶（G）的CH4含量在正西W位置最高，正東E位置最低，二者之間差異極顯著（P＜0.01），其他各點之間無顯著差異，表現出由東向西 CH4含量逐漸增大的趨勢；公園內部（P）的CH4含量在正北N處最高（P＜0.05），其他各點差異不顯著。而在3月7日偏北風的作用下，道路各監測點表現出向公園東南方向（監測點SE）聚集的趨勢，其中SE與N點監測數值差異極顯著（P＜0.01）；沿綠化帶CH4的含量在東南方向SE處最高，正西W位置最低，且由東向西CH4含量逐漸減小，與6日的監測結果相反；公園內部各點之間無顯著差異。

表2 不同風速對各監測區域CO2、CH4、N2O分布的影響Table 2 Influences of different wind speeds on distributions of CO2, CH4, N2O

圖2 不同風向條件下公園及周邊底層大氣CO2含量分布Fig. 2 CO2 concentration distributions in and around the park under different wind conditions

2.1.3 N2O分布特征及與風向關系

在研究期內，道路、綠化帶、公園3個監測區域 N2O 體積分數分布范圍分別為 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），公園內 N2O 含量變化幅度最大。Paired T檢驗表明，各道路、綠化帶及公園在不同風向下 N2O含量分布無顯著差異（P＞0.05），但各監測點之間差異顯著。偏北風時，人民公園周邊道路西北方向 N2O含量最低值位于東南方向（圖4），其中SE和S點與其他各監測點之間差異顯著（P＜0.05），NW 點N2O含量最高；綠化帶處與道路相同表現為NW方向N2O含量最高，與除 SW、S以外的其他監測點差異顯著（P＜0.05），正東方向（E）最低；公園內N2O分布趨向于向南北兩側積累，其中最大值出現在正北側（N）（P＜0.05）。而在偏南風條件下，道路、綠化帶與公園內N2O含量最高值均出現在SE，最低值出現在NE，二者之間差異顯著（P＜0.05）。由此可知，風向直接影響了 N2O在綠地及其周邊地區的積累分布，且均向風向的左側積累。

2.2 不同風向條件下公園內外溫室氣體含量對比

圖3 不同風向條件下公園及周邊底層大氣CH4含量分布Fig. 3 CH4 concentration distributions in and around the park under different wind conditions

圖4 不同風向條件下公園及周邊底層大氣N2O含量分布Fig. 4 N2O concentration distributions in and around the park under different wind conditions

分別對2個研究日內道路、綠化帶、公園內部3個監測層次的采樣點 CO2、CH4、N2O含量均值與公園中心進行對比，發現3月6日研究區內CO2含量與N2O含量略低于3月7日，但僅公園中心處N2O含量變化達到顯著水平（P=0.005）。而3月6日CH4含量整體高于3月7日（圖5），其中道路與公園中心處低層大氣的CH4含量在不同監測期內差異極顯著（P＜0.001）。CO2、CH4含量在偏南風條件下（3月6日）均表現為公園和綠化帶低于道路，但公園中心區含量增加，而在偏北風條件下（3月7日）表現為逐漸降低的趨勢，僅CO2含量在綠化帶處略有升高。N2O含量在偏南風時表現為由道路到公園中心逐漸降低趨勢，公園中心N2O含量顯著低于其他各監測區域（P＜0.05）；3月7日各監測區域內N2O含量整體升高，但公園內外之間的差異不顯著。

2.3 不同風向條件下道路溫室氣體綜合增溫潛勢

綜合增溫潛勢分析采用CO2當量（CO2-eq）分析法。根據一百年尺度CH4與N2O含量與CO2當量之間的換算關系進行換算（表3）。

表3 不同時間尺度3種主要溫室氣體的增溫潛勢（GWP）（IPCC，2001）Table 3 Global warming potentials of three major greenhouse gases in the difference time scales (GWP) (IPCC, 2001)

對各采樣點的CH4與N2O按照表3的算法進行CO2-eq當量換算后，計算不同層次的平均水平，經過對比發現，道路和綠化帶附近的近地面大氣3種溫室氣體的GWP含量均高于公園內部（表4），但道路和綠化帶的GWP相對大小隨風向和風速變化而出現差異，3月6日偏南風且風速較大時，綠化帶具有較高的GWP，而3月7日偏北風且風速較小時，綠化帶的GWP小于道路。與此相似，公園核心位置的GWP也隨氣象條件不同而表現出相異的態勢，即風速較大時公園中心位置C點的GWP雖低于路緣綠化帶，但高于道路和公園內部，而 3月7日風速下降，風向相反，GWP表現出道路＞綠化帶＞公園內部＞公園中心的態勢。

圖5 不同風向條件下各研究區域溫室氣體含量對比Fig. 5 Comparison of GHGs concentrations in the study areas under different wind conditions

表4 公園、道路、綠化帶近地面空氣的溫室效應潛勢GWP（CO2-eq）Table 4 GWPs of air near the ground surface including the park, roads and green belts (CO2-eq)

3 討論

流動空間里氣體的濃度一般與風向與風速有關，相關研究也表明了風向與氣體含量的關系（Nowak et al.，2006）。風向和風速通常有助于大氣污染物的擴散，可以有效地減少氣體的含量和密度，但在實際研究中大氣成分的含量受多種環境因素的綜合影響。本研究顯示，城市低層大氣CO2、N2O含量受風速影響，表現為風速較大時其含量降低，該結果與朱希揚（2016）對上海市大氣CO2濃度時空變化的研究結論相似，其研究表明大氣CO2濃度與風速呈現顯著負相關性。周國兵（2014）研究也表明，風速越大，湍流越強，城市大氣中氮氧化物的垂直湍流擴散越強，其濃度降低。本研究中CH4含量變化相反，其原因可能為環境濕度變化影響了公園內草坪、水體等景觀系統的CH4產生量（邢陽平，2007；常思琦等，2015）。溫室氣體含量在不同風向條件下的分布有所差異，表現在風向相反時，3個監測層次的氣體含量的空間分布態勢相反。此外研究結果還表明在風速較大時，路旁綠化帶的阻滯作用減少，風速較小時，綠化帶對道路產生的氣體的阻滯過濾作用得到充分體現。

由于城市公園所處的地理位置復雜，受到多方面因素的影響，故溫室氣體（CO2、CH4、N2O）的含量不單單是由風向條件所決定的。如阮俊杰（2016）研究表明，城市公園的降溫效應與公園內人工表面和水域的比重、公園形狀和面積存在較強的相關性，但與植被分布的相關性相對較弱，說明公園內部景觀格局影響其內部小氣候環境。部分城市公園位于城市的中部，因此四周常被道路包圍，導致公園外部道路CO2的含量受道路上汽車尾氣的影響而表現出較高濃度，如有研究表明，道路上經過的汽車數量與CO2的含量呈現正相關關系（Kim et al.，2004），本研究結果也表明道路（R）的CO2含量高于綠化帶（G）和公園內部（P），說明道路及交通活動增加了其周圍低層大氣的溫室氣體含量。本研究還顯示，在不同風向作用下，道路附近CO2分布向下風向積累，而綠化帶中CO2含量則是上風向高于下風向，表明了綠化帶對大氣氣體成分擴散遷移的阻滯效應。綠化帶雖然可以通過綠色植被的光合作用固定CO2，但在有風的情況下，帶狀的綠化帶可能會起到屏障的作用。劉曉華等（2009）研究表明，綠化帶促使了大氣中顆粒態污染物的堆積，本研究證明綠化帶的阻滯效應對CO2等氣體的分布同樣有效。綠化帶的屏障作用使得公園內部CO2不受周圍道路影響，加之植物光合作用吸收CO2，故具有較低的CO2含量（圖5）。在不同風向條件下，綠地系統均表現出對CH4的消耗，即P、G處的CH4含量低于R，說明公園綠地中的環境條件促進了CH4的氧化，符合已有研究結論（梅雪英，2008；Kaye et al.，2004）。但各層次CH4的分布并未表現出與CO2相似的規律，在公園外圍（R、G）均表現為西南側高于東北側，其原因可能與公園本身植被分布有關。雖然公園東北部水域面積較大，會產生較多的 CH4，如圖 3-P中 N點具有較高的CH4，但由于其開闊的環境促進了氣體擴散與 CH4氧化使得其含量下降，而西南部植被郁閉度較高，加之公園內規劃為小型動物園，動物活動等可能增加了低層大氣中CH4的含量（車世德等2010）。

城市低層大氣中N2O的源較為復雜，機動車輛排放、土壤中的硝化及反硝化過程等都會對其產生影響（王長科等，2003；梅雪英，2008；施振香，2010），如城市草坪向大氣中排放的N2O是自然草地的10倍（Kaye et al.，2004）。本研究中，各監測層次N2O含量差異不明顯，說明道路、綠地系統之間對N2O的源匯效應沒有顯著差別。但N2O含量分布總體受到風向影響明顯，主要表現在不同層次均表現為向風向的左側積累。根據董文成（2014）等研究表明，城市中污染物的擴散會隨主體風向表現為扇形分布，即向風向兩側擴散。在本研究中，可以綜合考慮大氣受力，尤其是地轉偏向力的作用，即在本研究區域，其受力方向為風向右側，造成的影響表現為，對扇形右側的污染物擴散更為有利，而扇形左側污染物運動速度相對減緩，污染物輸送速率低，最終使得N2O含量在風向左側表現為積累。

綜合不同氣體的溫室效應可以發現，本研究中公園內部GWP值低于道路，說明較大面積綠地可以有效減弱道路帶來的溫室氣體的影響。而本研究中綠化帶表現出阻滯溫室氣體擴散的作用，其本身的GWP值與道路相近，甚至高于道路，說明綠化帶對建立綠地系統內部微氣象環境具有重要作用。

4 結論

風環境影響城市中近地面溫室氣體的擴散，而綠地系統對溫室氣體的擴散和累積具有重要影響。本研究對新鄉市人民公園的研究顯示，風速較大時城市綠地系統低層大氣CO2、N2O含量低于風速較小環境，有風條件下CO2向下風向遷移，N2O趨向風向左側積累，而風向與風速對CH4分布的影響不明顯。城市公園內部CO2含量較低，N2O與CH4含量降低不顯著，且風速較大時公園中心處CH4含量呈顯著增加趨勢，但公園綜合溫室效應潛勢低于周圍道路，說明所監測公園綠地具有調節局地微氣象條件的生態功能。公園周圍與道路之間的綠化帶對道路源溫室氣體輸送表現出明顯阻滯效應，使得上風向處綠化帶溫室氣體含量增加，該效應在風速較低時更為明顯。