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Near surface CO2 concentration and its quantitative relationship with character of underlying surface in Shanghai City, China.

上海市近地面CO2浓度及其与下垫面特征的定量关系


城市化所带来的土地利用变化和化石燃料燃烧对全球碳循环和气候变化产生了深远影响.明确城市区域CO2浓度的空间变化特征,对于认识和控制温室气体排放、减少人类活动对全球气候变化的影响具有重要意义.本研究以高强度人类扰动和快速城市化背景下的上海市为研究对象,于2014年春季利用近红外气体分析仪Li840A开展近地面CO2浓度样带监测,结合遥感数据获取的城市下垫面特征信息,在明确上海市近地面CO2浓度空间分布格局的基础上,进一步定量分析其对城市下垫面特征的响应机制.结果表明: 上海市近地面CO2浓度为(443.4±22.0) μmol·mol-1,城市中心CO2浓度比郊区平均高12.5%(52.5 μmol·mol-1).近地面CO2浓度空间异质性显著,呈现西北高、西南次之、东南低的趋势,总体表现为随着下垫面城市化水平的降低而降低. 城市下垫面植被覆盖率(CVeg)是城市近地面CO2浓度的重要指示因子,两者呈现负相关;不透水层覆盖率(CISA)次之,两者呈正相关.CO2浓度(CCO2)与CISA及CVeg的相关性(R2)在缓冲距离为5 km时同时达到峰值,三者之间的定量关系可通过建立逐步回归方程表征:CCO2=0.32CISA-0.89CVeg+445.13 (R2=0.66, P<0.01).

 

Land use change and fossil fuel combustion due to urbanization have a significant effect on global carbon cycle and climate change. It’s important to have an explicit understanding of the spatial distribution of CO2 to recognize and control GHG emission, which is helpful to reduce humaninduced contribution to global climate change. The study area of this project was set in the city of Shanghai with intensive human activity and rapid urbanization. The monitoring of near surface CO2 concentration along 3 transects was conducted across an urbanrural gradient by means of near infrared gas analyzer Li840A in spring, 2014. Remote sensing data were also used to derive underlying surface information. Further quantitative analysis of the mechanism of CO2 concentration’s response to the characteristics of underlying surface was presented in this paper. The results showed that the average near surface CO2 concentration was (443.4±22.0) μmol·mol-1. CO2 concentration in city center was in average 12.5% (52.5 μmol·mol-1) higher than that in the suburban area. Also, CO2 concentration showed a significant spatial differentiation, with the highest CO2 concentration in the northwest, the second highest in the southwest, and the lowest in the southeast, which was in accordance with the urbanization level of the underlying surface. The results revealed that the vegetation coverage rate (CVeg) was an important indicator to describe near surface CO2 concentration with a negative correlation, and the impervious surface area coverage rate (CISA) had lower explanatory power with a positive correlation. The study also found that the determination coefficient (R2) between CO2 concentration (CCO2) and CISA or CVeg achieved its highest value when the buffer distance was 5 km, and their quantitative relationships be described by a stepwise regression equation: CCO2=0.32CISA-0.89CVeg+445.13 (R2=0.66, P<0.01).


全 文 :上海市近地面 CO2浓度及其与下垫面特征
的定量关系∗
潘  晨1,2  朱希扬1,3  贾文晓1,3  杨  芳1,3  刘  敏1,3∗∗  象伟宁1,3
( 1华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室, 上海 200241; 2华东师范大学地理科学学院, 上海 200241;
3华东师范大学生态与环境科学学院, 上海 200241)
摘  要  城市化所带来的土地利用变化和化石燃料燃烧对全球碳循环和气候变化产生了深
远影响.明确城市区域 CO2浓度的空间变化特征,对于认识和控制温室气体排放、减少人类活
动对全球气候变化的影响具有重要意义.本研究以高强度人类扰动和快速城市化背景下的上
海市为研究对象,于 2014年春季利用近红外气体分析仪 Li⁃840A开展近地面 CO2浓度样带监
测,结合遥感数据获取的城市下垫面特征信息,在明确上海市近地面 CO2浓度空间分布格局
的基础上,进一步定量分析其对城市下垫面特征的响应机制.结果表明: 上海市近地面 CO2浓
度为(443.4±22.0) μmol·mol-1,城市中心 CO2浓度比郊区平均高 12.5%(52.5 μmol·mol
-1) .
近地面 CO2浓度空间异质性显著,呈现西北高、西南次之、东南低的趋势,总体表现为随着下
垫面城市化水平的降低而降低. 城市下垫面植被覆盖率(CVeg)是城市近地面 CO2浓度的重要
指示因子,两者呈现负相关;不透水层覆盖率(CISA)次之,两者呈正相关. CO2浓度(CCO2)与
CISA及 CVeg的相关性(R2)在缓冲距离为 5 km时同时达到峰值,三者之间的定量关系可通过建
立逐步回归方程表征:CCO2 = 0.32CISA-0.89CVeg+445.13 (R
2 = 0.66, P<0.01) .
关键词  近地面 CO2浓度; 下垫面特征; 样带监测; 城市化; 上海市
∗国家自然科学基金项目(41201092,41471076)和华东师范大学创新基金项目(78210270)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: mliu@ re.ecnu.edu.cn
2014⁃07⁃31收稿,2015⁃03⁃05接受.
文章编号  1001-9332(2015)07-2123-08  中图分类号  X831  文献标识码  A
Near surface CO2 concentration and its quantitative relationship with character of underlying
surface in Shanghai City, China. PAN Chen1,2, ZHU Xi⁃yang1,3, JIA Wen⁃xiao1,3, YANG
Fang1,3, LIU Min1,3, XIANG Wei⁃ning1,3 ( 1Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Proces⁃
ses and Eco⁃Restoration, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 2School of Geo⁃
graphy Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 3School of Ecological
and Environmental Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China) . ⁃Chin. J.
Appl. Ecol., 2015, 26(7): 2123-2130.
Abstract: Land use change and fossil fuel combustion due to urbanization have a significant effect
on global carbon cycle and climate change. It’s important to have an explicit understanding of the
spatial distribution of CO2 to recognize and control GHG emission, which is helpful to reduce
human⁃induced contribution to global climate change. The study area of this project was set in the
city of Shanghai with intensive human activity and rapid urbanization. The monitoring of near surface
CO2 concentration along 3 transects was conducted across an urban⁃rural gradient by means of near
infrared gas analyzer Li⁃840A in spring, 2014. Remote sensing data were also used to derive under⁃
lying surface information. Further quantitative analysis of the mechanism of CO2 concentration’ s
response to the characteristics of underlying surface was presented in this paper. The results showed
that the average near surface CO2 concentration was (443.4±22.0) μmol·mol
-1 . CO2 concentration
in city center was in average 12.5% (52.5 μmol·mol-1) higher than that in the suburban area. Al⁃
so, CO2 concentration showed a significant spatial differentiation, with the highest CO2 concentra⁃
tion in the northwest, the second highest in the southwest, and the lowest in the southeast, which
was in accordance with the urbanization level of the underlying surface. The results revealed that the
应 用 生 态 学 报  2015年 7月  第 26卷  第 7期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2015, 26(7): 2123-2130
vegetation coverage rate (CVeg) was an important indicator to describe near surface CO2 concentra⁃
tion with a negative correlation, and the impervious surface area coverage rate (CISA) had lower ex⁃
planatory power with a positive correlation. The study also found that the determination coefficient
(R2) between CO2 concentration (CCO2) and CISA or CVeg achieved its highest value when the buffer
distance was 5 km, and their quantitative relationships be described by a stepwise regression equa⁃
tion: CCO2 = 0.32CISA-0.89CVeg+445.13 (R
2 = 0.66, P<0.01).
Key words: near surface CO2 concentration; character of underlying surface; monitoring along the
transects; urbanization; Shanghai City.
    全球大气 CO2浓度已从工业革命之前的 280
μmol·mol-1[1]迅速增长到超过 400 μmol·mol-1[2]
(2013年).CO2浓度的显著增加引发了全球变暖、海
平面上升等一系列重大环境问题,严重威胁着各国
经济的可持续发展和国家安全[3] .已有研究表明,化
石燃料燃烧和土地利用变化是引起 CO2浓度显著增
加的两大主要原因[4-5] .长期以来作为碳源存在的城
市区域[6],虽然仅占据全球陆地面积的 2.4%,却产
生了全球 80%以上的 CO2排放量[7] .并且由于城市
下垫面与碳源汇分布的高度异质性,其碳循环过程
及内部机制显得尤为复杂[6] .近地面 CO2浓度是全
球碳循环及气候变化的重要指示因子,掌握城市区
域 CO2浓度的时空变化特征,对认识和控制温室气
体排放、减少人类活动对全球气候变化的负面影响
具有重要参考意义[8-9] .
目前,世界气象组织(World Meteorological Or⁃
ganization,WMO)已经在世界各地建立了 200 多个
大气 CO2监测本底站,用于监测与研究全球 CO2本
底浓度的长期变化趋势和演变规律[10-11] .但大多数
CO2监测本底站建立在较少受人类活动干扰的自然
生态系统区域,空间代表性有限,难以反映化石燃料
燃烧和土地利用变化所引起的全球 CO2浓度空间异
质性.另一方面,遥感技术的发展为获得统一、连续
及大范围大气 CO2浓度提供了可能[12
-14],但其仅能
够监测对流层中层以上的 CO2信息,数据空间分辨
率较低且其数据准确性还需地面监测数据的验证.
鉴于上述原因,有必要开展城市区域近地面 CO2浓
度的监测研究.目前城市地区的 CO2浓度监测研究
还比较有限,大多基于若干定点监测数据开展长时
间序列比较分析、若干城乡站点对比分析及其与某
些气候因子关系的研究[8,15-16] .据已发表文献统计,
德国埃森[9]、美国菲尼克斯[17]、巴尔的摩[18]、中国
北京[15]、南京[16]已在城市区域开展了定点连续监
测或样带监测研究.也有研究基于城市多点监测数
据与热红外影像反演得到的温度分布特征来模拟城
市 CO2浓度的空间分布特征[19] .已有研究表明,CO2
浓度受多重因素的影响,除能源消耗、气候条件和人
口因素外,城市下垫面特征也是影响 CO2浓度的重
要因素[20-21],特别是下垫面特征对人们出行方式、
车辆行驶公里数以及尾气排放的影响[22-23] .然而现
有研究虽描述了不同城市化水平区域 CO2浓度的差
异,并对造成这些差异的原因进行了阐述[24-25],但
针对近地面 CO2浓度与区域下垫面特征定量关系的
研究还比较缺乏.
鉴于此,本研究以高强度人类干扰和快速城市
化背景下的上海市为研究对象,采用近红外气体分
析仪 Li⁃840A进行样带监测,结合 Landsat 8 陆地成
像仪(Operational Land Imager,OLI)遥感数据作为主
要数据源提取城市下垫面信息,开展不同城市化水
平下近地面 CO2浓度监测和研究,明确上海市近地
面 CO2浓度的空间分布格局,并探讨其空间影响范
围及其对城市下垫面特征的响应机制,以加深对城
市碳循环的认识,为模拟和预测城市碳循环对人类
活动的响应机制提供理论依据.
1  研究区域与研究方法
1􀆰 1  研究区域概况
上海市(30°40′—31°53′ N,120° 52′—122° 12′
E)位于长江入海口,毗邻江苏和浙江两省,盛行亚
热带季风气候,地形平坦,平均海拔为 4 m.现辖普
陀、闸北等 17 区县,全市总面积为 6340.5 km2(其
中,建成区面积为 1514.5 km2) [26],2012年末常住人
口 2382.43万[27] .上海市是中国的经济与金融中心,
随着经济的飞速发展,上海市生产总值从 1990 年的
781.66亿元增长到 2012 年的 20181.72 亿元[27];能
源消耗量逐年递增,从 1985 年的 2553.21 万 t 标准
煤增加至 2012年的 11362.15万 t标准煤[27];CO2排
放量从 2000 年的 14650 万 t 增加到 2010 年的
42084万 t [28] .
1􀆰 2  CO2采样方案及数据分析
结合上海市下垫面特征,本研究以上海市中心
(人民广场)为起点分别选取沿西北、西南和东南走
4212 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 1  上海市 CO2浓度监测的 3条样带空间分布
Fig.1  Spatial distribution of three transects with CO2 concen⁃
tration monitoring in Shanghai City.
向 3条样带开展 CO2浓度监测(图 1),每条样带全
长均为 40 km,覆盖不同城市化水平的区域.其中,样
带 1(NWT)为西北走向,从人民广场至嘉定区朱家
桥镇,途经黄浦、静安、闸北、普陀和嘉定 5 个市辖
区;样带 2(SET)为东南走向,从人民广场至浦东新
区大团镇,途经黄浦和浦东新区;样带 3(SWT)为西
南走向,从人民广场至松江区大港镇,途径黄浦、静
安、徐汇、闵行和松江 5个市辖区.
    3 条样带 CO2浓度监测时间为 2014 年 3 月 26
日至 2014年 4月 14日中天气状况较好(非雨天)的
工作日(表 1).为减少早高峰交通拥堵时段汽车尾
气对 CO2浓度监测的影响,采样时间为 9: 00—
11:00.同时为降低各监测点时间不一致可能造成的
误差,每条样带均采取往返测量的方法,并在不同工
作日重复监测 3 次,以最大限度地减少外在环境条
件对研究结果产生的不利影响.本研究采样时将硬
质塑料管置于汽车上部约 0. 7 m 处(距地面高约
2 m,CO2浓度受海拔影响较小[29] ),数据采集时间
间隔为 10 s,并同步利用 GPS 设备记录采样点坐标
信息,每次约采集 650个 CO2浓度数据.为了减少异
常值对监测结果的影响,将所有监测数据中大于前
后 30个数据 3倍标准差的值作为异常值剔除.采样
仪器为美国 Li⁃Cor 公司生产的便携式 CO2 / H2O 红
外气体分析仪 Li⁃840A,该仪器内置可互换光路的
双波长红外检测系统,具有自动温度和压力补偿功
能,能够依靠光路中 IR 能量的吸收来测量 CO2和
H2O含量,误差范围为读数的±1%.
表 1  上海市 3条样带 CO2浓度监测时间
Table 1  Time of monitoring CO2 concentration along three
transects in Shanghai City
样带
Transect
监测日期
Monitoring date
NWT 04⁃09(周三 Wednesday)、04⁃11(周五 Friday)、04⁃14
(周一 Monday)
SET 03⁃26日(周三 Wednesday)、03⁃31(周一 Monday)、
04⁃01(周二 Tuesday)
SWT 04⁃02(周三 Wednesday)、04⁃04(周五 Friday)、04⁃08
(周二 Tuesday)
1􀆰 3  下垫面特征信息提取
本研究基于 V⁃I⁃S ( vegetation⁃impervious sur⁃
face⁃soil)模型理论[30]提取城市面下垫面特征信息,
该模型认为高度异质化的城市下垫面特征可简化为
除水体外的不透水层、植被以及裸土的线性组合,这
样可尽量避免以往城市研究中过于重视城市土地利
用 /土地覆盖的分类而忽视城市生态系统中最基本
的相互关系的情况[31] .由于上海裸土所占比例极
小,本研究重点考虑城市不透水层、植被和水体信息
的提取.由于 2014 年 4 月 10 日及其邻近时间的遥
感影像云量较高,空气中水汽含量大,对影像的分类
精度产生较大影响,而其他卫星传感器几乎不能同
时满足本文对于光谱分辨率及空间分辨率的要求.
因此,本文以 2013年 8月 29日(无云,质量较好)的
Landsat 8 OLI 遥感数据(空间分辨率为 30 m)作为
主要数据源,首先对影像进行镶嵌、大气辐射校正,
并以 Google Earth中的高分辨率影像为基准采用三
次多项式进行几何精校正,校正后误差控制在 0.5
个像元内.在此基础上,采用决策树分类方法提取不
透水层、植被和水体信息.其中,不透水层信息采用
归一化差值不透水层指数[32] ( normalized difference
impervious surface index,NDISI)提取,植被信息采用
归一化差值植被指数[33](normalized difference vege⁃
tation index,NDVI)进行提取,水体信息采用改进的
归一化差值水体指数[34](modified normalized differ⁃
ence water index,MNDWI)提取.具体计算公式如下:
NDISI=[TIR-(MNDWI+NIR+MIR1) / 3] /
[TIR+(MNDWI+NIR+MIR1) / 3] (1)
NDVI=(NIR-R) / (NIR+R) (2)
MNDWI=(GREEN-MIR1) / (GREEN+MIR1)
(3)
式中:NIR、R、GREEN、MIR1 和 TIR 分别代表近红
外、红、绿、中红外 1和热红外波段的反射率.
遥感影像采用决策树方法分类,分别利用NDISI>
0.77、NDVI>0.45及 MNDWI>-0.55 3个临界值提取
52127期                      潘  晨等: 上海市近地面 CO2浓度及其与下垫面特征的定量关系           
不透水层、植被与水体,并进行部分人工修正,整个
分类过程在 ENVI 5. 0 平台上完成.通过与 Google
Earth中 2014年 4月 15 日(与采样时间接近)的高
分辨率影像对比,运用混淆矩阵法随机选取若干样
本进行评价.结果表明,影像分类总体精度达到
81%,Kappa系数为 0.80,符合分类精度要求.
2  结果与讨论
2􀆰 1  上海市近地面 CO2浓度的空间特征
2014年春季上海市近地面 CO2浓度为(443.4±
22.0) μmol·mol-1,其中,人民广场、陆家嘴、徐家汇、
莘庄、松江与嘉定附近 CO2浓度分别为 471.8、455.3、
454.6、437.7、428.5、437.2 μmol·mol-1(图 2),市中心
比郊区高 12.5%(52.5 μmol·mol-1).这一差值与巴
尔的摩[18]的研究结果(15􀆰 6%,66 μmol·mol-1)较
接近,但远低于菲尼克斯[17]近地面 CO2浓度的城郊
差异(50%,185 μmol·mol-1),其原因可能与上海
市郊区城镇的快速发展有关.受化石燃料燃烧及土
地利用变化的影响,上海市近地面 CO2浓度明显高
于同期莫纳罗亚和瓦里关全球本底浓度(表 2),也高
于代表长江三角洲地区大气本底值的临安本底
站[10,35]浓度.同时,上海 CO2浓度也比南京[19]高,其
一方面可能是因为南京城市森林覆盖率(>35%) [36]
比上海(12.6%) [27]高;另一方面可能是由于南京采
样时间为夏季,植被光合作用对 CO2吸收强烈,且夏
季较强的大气湍流也有利于 CO2的稀释扩散. 沈
阳[18]、埃森[9]属于重工业城市,化石燃料消耗巨大,
CO2浓度处于较高水平;而北京[37]和菲尼克斯[17]则
是由于人口密度高且植被覆盖率低,CO2浓度总体
与上海相当.由于各地监测时间上不完全匹配,不同
图 2  上海市 3条样带 CO2浓度空间分布及变化特征
Fig.2  Spatial distribution and variation of CO2 concentration at
three transects in Shanghai City.
城市 CO2浓度的比较可能会受到一定影响.
受城市用地水平的影响,上海市近地面 CO2浓
度总体呈现西北高、西南次之、东南低的特征.
NWT、SET、SWT 等 3 条样带 CO2浓度均值分别为
(458.1 ± 25. 7)、 ( 428. 7 ± 30. 0)和 ( 440. 8 ± 22􀆰 0)
μmol·mol-1 .同时,3 条样带 CO2浓度城郊差异显
著, 其 中, SET 城 郊 差 异 最 大, 差 值 为 72􀆰 1
μmol·mol-1,NWT次之,为 49.2 μmol·mol-1,SWT
差异最小,为 36􀆰 3 μmol·mol-1 .上海市近地面 CO2
浓度与距市中心距离呈显著负相关(P<0.01),距离
市中心距离每增加 1 km, CO2 浓度降低 1􀆰 56
μmol·mol-1(图 3).同时,由于城区交通流量变异性
较郊区突出,距离市中心越远,CO2浓度变化也越趋
于稳定.CO2浓度均值在距市中心15~20 km内下降
表 2  世界本底监测站及城市地区监测点 CO2浓度
Table 2  CO2 concentration of the world background monitoring stations and urban monitoring stations
站点
Station
站点类型
Type of station
CO2浓度
CO2 concentration
(μmol·mol-1)
年份
Year
2014年推算 CO2浓度a
Estimation of CO2 concentration
in 2014 (μmol·mol-1)
美国莫纳罗亚 Mauna Loa, USA Ⅰ 402 2014 /
中国瓦里关 Waliguan, China Ⅰ 387 2009 397
中国临安 Lin’an, China[35] Ⅰ 411 2010 419
中国北京 Beijing, China[37] Ⅱ 420 2002 444
中国南京 Nanjing, China[19] Ⅱ 411 2008(夏季 summer) 423
中国沈阳 Shenyang, China[18] Ⅱ 430 2010(4月 22日 April 22nd) 438
德国埃森 Essen, Germany[9] Ⅱ 415 2002 439
美国菲尼克斯 Phoenix, USA[17] Ⅱ 414 1998(1月 January) 446
Ⅰ: 本底监测站 Background monitoring station; Ⅱ: 城市监测站 Urban monitoring station. a)依据全球 CO2本底浓度每年上升约 2 μmol·mol-1推
算[38] Estimation based on CO2 background concentration increased 2 μmol·mol-1 every year[38] .
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图 3  NWT、SET、SWT等 3条样带及其均值的 CO2浓度在距
市中心不同距离时的变化
Fig. 3   Variation of CO2 concentration along three transects
(NWT, SET, SWT) and the average value along with the dis⁃
tance from urban center (mean±SD).
幅度较大,为 13.4 μmol·mol-1,其余距离内下降幅
度较小,为 6.0 μmol·mol-1左右,其原因可能是 15~
20 km段与位于上海城郊结合部的外环线相交,沿
外环线向内5 km范围所在辖区的人口密度(19512.2
人·km-2)明显高于沿外环线向外 5 km范围所在辖
区的人口密度(5420.5人·km-2) [27] .
2􀆰 2  上海市下垫面特征对 CO2浓度的影响
由图 4 可知,上海市下垫面特征总体表现为离
市中心越远,不透水层覆盖率越低、植被覆盖率越
高.3条样带不透水层、植被和水体的覆盖率均值分
别为 65.5%、24.8%与 5.2%,其中,NWT 三者的覆盖
率为 68. 9%、22. 6%、4. 4%,SET 为 59. 5%、31􀆰 9%、
5􀆰 0%,SWT为 68.5%、20.8%、6.1%.NWT 除了在距
市中心 35~40 km 内不透水层的覆盖率较低外,其
他几乎都在 60%以上,样带两侧分布有大片的城市
建筑景观;SET在穿过陆家嘴之后,植被覆盖率大幅
上升至 26.2%,而 NWT和 SET在距离市中心等距离
范围时植被覆盖率分别只有 10.5%和 10.2%;SWT
则是经过了 3个不同级别的中心城区,整条样带不
透水层覆盖率较高,整体与 NWT 相似.3 条样带不
透水层、植被和水体的覆盖率可在一定程度上解释
上海市 CO2浓度在 3条样带上的空间异质性.
    为定量分析近地面 CO2浓度与下垫面特征的关
系,本研究以市中心为原点,1 km 为间距对所有监
测数据进行分段统计(3 条样带总计 120 个样点),
研究近地面 CO2浓度对下垫面特征的响应机制.结
果表明,上海市近地面 CO2浓度与不透水层覆盖率
呈显著正相关(P<0.01),与植被覆盖率呈显著负相
关(P<0.01),而与水体覆盖率相关性不显著.这与
加拿大蒙特利尔市[39]的研究结果相似,其城区监测
站(不透水层与植被的覆盖率分别为 71%与 29%,
下同)和郊区监测站(49%与 50%)的 CO2排放量分
别比农田(0与 100%)背景值(-0.2 kg CO2·m
-2·
a-1)高 20.6和 5.4 kg CO2·m
-2·a-1 .
图 4  NWT、SET、SWT 3条样带及其均值在距市中心不同距离时下垫面特征变化
Fig.4  Variation of characters of underlying surface along three transects (NWT, SET, SWT) and the average value along with the
distance from urban center.
72127期                      潘  晨等: 上海市近地面 CO2浓度及其与下垫面特征的定量关系           
图 5  不同缓冲距离 CO2浓度与不透水层、植被覆盖率的相
关性
Fig.5  Correlations between CCO2 and CISA, CVeg with different
buffer distances.
    在此基础上,根据散点图的分布情况先后利用
多种函数(线性、指数、对数、幂等)开展近地面 CO2
浓度与不同缓冲距离范围内的不透水层及植被覆盖
率的回归拟合.结果表明,线性函数拟合 CO2浓度与
不透水层和植被覆盖率关系效果最佳.由于样点的
CO2浓度仅能代表其周围一定范围,为了更好地反
映样点周围下垫面特征对其 CO2浓度的影响,本研
究将基于 CO2浓度与样点周围不同缓冲距离下垫面
特征的最佳相关关系确定 CO2浓度的主要空间影响
范围.关于样点缓冲距离的选取,本研究以每个样点
为中心,在其周围 7 km 范围内每隔 1 km 计算一次
CO2浓度与不透水层、植被覆盖率的相关性.由图 5
可以看出,CO2浓度与不透水层及植被覆盖率相关
性(R2)随缓冲距离的增加,都呈先增加后减小的趋
势,在缓冲距离为 5 km处达到峰值.因此,本研究选
择样点周围 5 km范围来探究不透水层及植被覆盖
率对 CO2浓度的影响.
    在分析 CO2浓度分别与不透水层和植被覆盖率
相关性的基础上,本研究利用三维特征空间散点图
来综合表征 CO2浓度(CCO2)与不透水层(CISA)、植
被覆盖率(CVeg)三者之间的内在关系.散点图(图 6)
的顶端以 CO2浓度较高的不透水层区域为主,而底
端则是 CO2浓度较低的植被与不透水层混合区域.
将 CO2浓度作为因变量、不透水层与植被覆盖率作
为自变量,逐步回归分析后获得以下拟合方程:
CCO2 = 0.32CISA-0.89CVeg+445.13
(R2 = 0.66,P<0.01)
从回归方程可以发现,不透水层覆盖率每增加
1%,CO2浓度增加 0.32 μmol·mol
-1;植被覆盖率每
增加 1%,CO2浓度下降 0.89 μmol·mol
-1,说明植被
对近地面CO2浓度的影响明显高于不透水层 .这一
图 6  缓冲距离为 5 km时 CO2浓度与不透水层及植被覆盖
率之间关系的三维空间散点分布
Fig.6   Scatter distribution in three⁃dimensional space among
CCO2, CISA and CVeg when buffer distance was 5 km.
结论与 Nordbo 等[40]基于 14 个城市涡度相关技术
监测以及 56个城市碳排放核算得出的关于自然植
被覆盖率是碳收支最重要的指示因子相似,即当一
个城市的自然植被覆盖率达到 80%时,该城市就处
于碳收支平衡状态.王黎雯等[19]模拟沈阳市 CO2浓
度空间分布得到的结果也表明,自然植被区域 CO2
受到植被光合作用的削弱,林业区与草地区的 CO2
浓度分别比交通用地低 29 和 24 μmol·mol-1 .美国
巴尔的摩[41] Cub Hill 监测站点(2002—2006 年)下
垫面由于植被覆盖率较高 (67. 4%),其碳排放量
(1􀆰 32 kg CO2·m
-2·a-1)为目前已发表城市生态
系统文献中的最低值.日本东京住宅区 CO2排放量
是同纬度温带阔叶林的 6倍[42],这也在一定程度上
佐证了植被对于降低 CO2浓度的重要性.因此,适当
降低不透水层覆盖率的同时增加植被覆盖率,可一
定程度上降低城市 CO2浓度.
3  结    论
本研究通过开展上海市近地面 CO2浓度样带监
测,结合基于遥感数据获得的下垫面特征信息,在明
确上海市近地面 CO2浓度空间分布格局的基础上,
定量分析了近地面 CO2浓度对下垫面特征的响应特
征.结果表明,2014年春季上海市近地面 CO2浓度为
(443.4 ± 22. 0) μmol·mol-1,市中心比郊区高出
12􀆰 5%(52.5 μmol·mol-1).受城市用地水平的影
8212 应  用  生  态  学  报                                      26卷
响,上海市近地面 CO2浓度总体呈现西北高、西南次
之、东南低的趋势.CO2浓度随距市中心距离的增加
而降低,距市中心距离每增加 1 km,CO2浓度降低
1􀆰 56 μmol·mol-1 .植被覆盖率是影响城市近地面
CO2浓度的重要因子,两者呈显著负相关,不透水层
覆盖率次之,两者呈显著正相关.CO2浓度与不透水
层及植被覆盖率的线性相关性(R2)分别在缓冲距
离达到5 km时达到峰值.缓冲距离为 5 km 时,近地
面 CO2浓度与下垫面植被覆盖率和不透水层覆盖率
可通过建立逐步回归方程来表征:CCO2 = 0.32CISA -
0􀆰 89CVeg+445.13 (R2 = 0.66, P<0.01).
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作者简介  潘  晨,男,1990年生,硕士研究生. 主要从事城
市生态环境遥感研究. E⁃mail: pcpc19901116@ gmail.com
责任编辑  杨  弘
0312 应  用  生  态  学  报                                      26卷