南昌城市森林碳水通量及资源利用效率变化特征

Changes in Carbon and Water Flux and Resource Utilization Efficiency of Urban Forests in Nanchang

摘要

在城市暖干化背景下，了解城市森林和大气之间的碳、水、热交换以及资源利用效率情况至关重要。基于江西南昌城市生态系统国家定位观测研究站（南昌植物园辅站）的监测资料，分析南昌植物园森林生态系统的碳源与碳汇、能量分配以及资源利用效率变化情况。结果表明，南昌植物园森林生态系统的净碳交换量、总初级生产力以及生态系统呼吸量，具有明显的季节性变化特征，净碳交换量的峰值出现在5月，总碳吸收量与呼吸释放量的峰值均出现在7月。南昌植物园森林生态系统具有较强的碳汇能力，观测期间生态系统总碳吸收量为1 933.32 g/（m²·a），除去呼吸消耗后净碳吸收量为903.22 g/（m²·a）。在非生长季，南昌植物园森林生态系统净辐射主要用于加热大气与植被的耗能，湍流通量以显热为主；而在生长季，能量主要用于生态系统的蒸散耗热，波文比平均值为0.28；在主要生长季（5—9月），碳利用效率与光能利用效率均维持较高水平，而水分利用效率在6—7月较高。研究结果为评估城市化进程对城市森林固碳释氧、降温增湿等生态系统服务功能的影响奠定了基础。

Abstract

In the context of urban warming and drying， understanding the carbon， water， and heat exchanges between urban forests and the atmosphere， as well as resource utilization efficiency， is crucial. This study analyzed the variations in carbon sources （carbon sinks）， energy allocation， and resource utilization efficiency in the forest ecosystem of Nanchang Botanical Garden， based on monitoring data from the Nanchang National Observation and Research Station for Urban Ecosystems， also the Botanical Garden Station. The results show that the net carbon exchange， gross primary productivity， and ecosystem respiration of the forest ecosystem in Nanchang Botanical Garden exhibit significant seasonal variations. The peak of net carbon exchange occurs in May， while the peaks of total carbon absorption and respiration release occur in July. The forest ecosystem in Nanchang Botanical Garden has strong carbon sink capabilities， with a total carbon absorption of 1，933.32 g/（m²·a） during the observation period， and a net carbon absorption of 903.22 g/（m²·a） after accounting for respiratory losses. During the non-growing season， net radiation in the ecosystem primarily heats the atmosphere and vegetation， with turbulent fluxes dominated by sensible heat. In contrast， during the growing season， energy is manily used for evapotranspiration in the ecosystem， with an average Bowen ratio of 0.28. In the peak growing seasons （May to September）， both carbon utilization efficiency and light utilization efficiency of the ecosystem remain high， while water use efficiency is notably high in June and July. These findings provide an important foundation for assessing the impact of urbanization on the urban sequestration， oxygen release， cooling and humidifying ecosystem services of urban forests.

Graphical abstract

关键词

城市森林生态系统 / 碳水通量 / 资源利用效率 / 南昌市

Key words

urban forests ecosystem / carbon water fluxes / resource utilization efficiency / Nanchang City

城市森林是城市生态系统的重要组成部分，具有固碳释氧、降温增湿、治污减霾、水质净化及生物多样性保育等不可替代的服务功能，在调节城市气候、提高人居环境等方面发挥重要作用，是加强城市可持续发展的自然解决方案^{［1— 2］}。 随着我国城市化进程的加快，城市生态环境问题日益突出，如温室气体大量排放与道路硬化等引发的城市热岛效应和城市干岛现象^［3-4］，对城市森林生态系统造成严重影响^［5-7］，从而限制了城市森林生态系统的服务功能。了解城市森林生态系统的碳、水、能量通量以及资源利用效率的动态变化过程，对评估城市化进程对森林生态系统固碳释氧、降温增湿等服务功能的影响以及对城市人居环境的影响具有重要意义。

目前，基于生物量调查法探索城市森林碳汇的研究较多^［8-10］，但该方法无法对生态系统的碳、水及热通量进行高频连续测定，导致针对城市森林与大气之间的碳、水、热交换以及资源利用效率的动态研究鲜有报道。涡度相关法因具有观测精度高、时间分辨率高、时间连续性强以及不破坏下垫面等优点，已成为生态系统尺度测量大气与下垫面之间能量、水汽和碳交换的标准工具^［11］。 城市森林的碳、水和能量通量动态变化受多种因素影响，如树种组成^［12］、环境条件^［13］以及城市化进程^［14-15］等。高时间分辨率的通量数据，有助于分析城市森林生态系统物质与能量的动态变化过程及其对环境变化的反馈机制；在指导城市林业实践方面也发挥着重要作用，如将通量数据与城市碳排放数据相结合，可为城市制定更高效的碳平衡战略^［16］。涡度相关技术在下垫面均一的人工纯林、农田及草原等生态系统中被广泛应用，但在用地紧张的城市生态系统中应用较少。

近年来，江西省加强城市森林规划、建设与管理，提出“让森林走进城市，让城市拥抱森林”的宗旨，并率先实现国家森林城市设区市全覆盖。南昌市作为江西省省会城市，在2010年启动国家森林城市创建工作以来，大力开展城市绿化，并于2015年正式被命名为国家森林城市，目前全市森林覆盖率已达21.27%。然而，有关城市化进程中南昌市城市森林的固碳释氧与降温增湿能力以及资源利用效率情况，仍然处于未知状态。南昌植物园是江西南昌城市生态系统国家观测网络的重要组成部分，文中以南昌植物园为研究对象，基于涡度相关系统，在2023年对南昌植物园的碳、水通量数据进行连续观测，研究南昌植物园森林生态系统的碳源与碳汇状况，揭示其能量分配情况，探讨其资源利用效率，旨在为城市生态系统科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

依托江西南昌城市生态系统国家定位观测研究站（南昌植物园辅站）开展研究（图1），该站位于南昌市边缘区（λ_N =28°45'，φ_E=115°46'），距离南昌市中心约12.5 km，平均海拔为248.5 m。南昌市的平均海拔为25 m。研究区属亚热带湿润季风气候，年平均气温为18.8 ℃，年降雨量为1 559.8 mm，年日照时间为1 778.6 h，年无霜期为262 d。植物园土壤类型以红壤和山地黄红壤为主，主要有树种为麻栎、擦木、樟树、南方红豆杉、白玉兰等人工林，面积约133 hm²，林木覆盖率达90%以上，平均树龄为52 a，平均树高为10 m。

1. 2 梯度气象和涡度相关数据观测

梯度气象观测系统由HMP155型空气温湿度传感器（芬兰Vaisala）、WindSonic型风速风向传感器（英国Gill）、CNR4型净辐射传感器（荷兰Kipp &Zonen）、Li-190R型光合有效辐射传感器（美国Li-Cor）以及TE525MM型雨量筒（美国Campbell Scientific）组成。其中，空气温湿度传感器与风速风向传感器被安装在1.5，15，20，25，30 m高度，净辐射传感器与光合有效辐射传感器被安装在植物群落冠层上方5 m处，雨量筒被安装在综合观测塔顶30 m处。 此外，4个CS655型土壤温湿度传感器（美国Campbell Scientific）分别被安装在10，30，50，70 cm处，两个HFP01SC-L型土壤热通量板（芬兰Hukseflow）分别被安装在综合观测塔东西两侧5 cm处。 上述所有仪器均与CR1000数据采集器（美国Campbell Scientific）相连，每10 min储存1组平均数据。

由CSAT3型三维超声风速仪（美国Campbell Scientific）和Li-7500A型红外气体分析仪（美国 Li-Cor）组成的涡度相关系统，被安装在综合观测塔（30 m高度）平台上，用于连续测定南昌市森林生态系统与大气之间的能量、水汽和碳交换。 数据采集器为Li-7550型搭配SmartFlux（实时在线通量计算模块），原始数据采样频率为10 Hz。

1. 3 通量数据质量控制及缺失数据插补

使用Eddypro 7.0.7（美国Li-COR）软件对通量原始数据进行计算，包括异常值处理、野点剔除、二维坐标旋转、WPL方法订正等，以进一步获得半小时尺度的碳、水及热通量数据。 通过对涡度相关通量数据处理的R语言包（REddyProc R package）、日间通量分配算法，将净生态系统碳交换量拆分成生态系统呼吸量与总初级生产力。并使用边际分布采样法对缺失数据进行插补，最终得到半小时尺度的显热、潜热与总初级生产力数据。

1. 4 生态系统能量闭合状况评估

森林生态系统能量平衡方程为

E_{\mathrm{l}}+H=R_{\mathrm{n}}-G-S\mathrm{。}（1）

式中：R_n为净辐射（net radiation， W/m²）；H为显热通量（sensible heat flux，W/m²）；H_l为潜热通量（latent heat flux，W/m²）；G为土壤热通量（soil heat flux，W/m²）；S为冠层储存项数据（W/m²）。对于森林生态系统，S较小，可以忽略不计。当湍流能（E₁+H）与有效能（R_n-G）相等时，为能量闭合，反之则为能量不闭合。

能量平衡比率（energy balance ratio，R_eb）计算式为

R_{\mathrm{e}\mathrm{b}}=\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{m}(H+E_{\mathrm{1}})/\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{m}\left(R_{\mathrm{n}}-G\right)\mathrm{。}（2）

文中采用最小二乘线性回归法与能量平衡比率法，综合分析生长季城市森林生态系统能量闭合状况。

1. 5 波文比的计算

波文比（\beta）是显热通量与潜热通量之比，即

\beta =H/H_{\mathrm{1}}\mathrm{。}（3）

1. 6 生态系统资源利用参数

在大叶模型框架中，城市森林生态系统被视为一个大的单层叶片与大气进行碳、水和能量交换^［16］。文中选择碳利用效率（carbon use efficiency，CUE）、光能利用效率（light use efficiency， LUE）及水分利用效率（water use efficiency，WUE）这3个指标，分析生态系统资源利用效率。

CUE是净生态系统生产力（net ecosystem productivity，NEP）与总初级生产力（gross primary productivity，GPP）之比，其计算式分别为

P_ne=-E_ne，（4）

E_cu=sum（P_ne）/sum（P_gp）。（5）

式中：P_ne为净生态系统生产力（g/（m²·s））；E_ne为净生态系统二氧化碳交换量（net ecosystem CO₂ exchange，NEE，g/（m²·s））；E_cu为生态系统碳利用效率；P_gp为生态系统总初级生产力（g/（m²·s））。

WUE量化了生态系统损耗单位质量水分所固定的有机碳质量，其计算式为

E_wu= P_gp/E_e。（6）

式中：E_wu为生态系统水分利用效率（g/kg）； E_e为生态系统蒸散量（ecosystem evapotranspiration， mg/（m²·h））。

LUE描述了生态系统吸收的光能转化为化学能的效率，其计算式为

E_lu= P_gp/R_pa。（7）

式中： E_lu为生态系统光能利用效率（μmol/μmol）； R_pa为光合有效辐射（photosynthetically active radiation， PAR，μmol/（m²·s））。

3 研究结果与分析

3. 1 南昌植物园森林生态系统环境因子季节变化

研究期间，南昌植物园森林生态系统环境要素日均值（白天）或日总量的季节变化见图2。 PAR年内变化总体上呈现先缓慢增加后逐渐降低的变化趋势，且受天气影响波动剧烈，尤其在6月因降水较多，PAR的平均值仅为525.80 μmol/（m²·s）。空气温度（t_a）的变化趋势与PAR基本一致，t_a为-2.00~33.17 ℃，其平均值为19.4 ℃，最冷的月份为1月，最热的月份为7月。2023年总降雨量（R）为1 572.10 mm，其中，67.20%的降雨发生在3—6月，而7—10月的R仅占全年总R的23.11%。生长季，土壤含水量（w（H₂O））在7月、9月中旬至11月初较低，最低w（H₂O）=9.27%。相同时段的饱和水汽压差（Δp_v）也相对较高，Δp_v的峰值为2.31 kPa，表明研究区域存在明显的季节性干旱现象。此外，与历史气候数据相比，2023年研究区域t_a略高于常年平均值，总R则与常年平均值基本持平。

2. 2 南昌植物园森林生态系统碳通量变化

2023年，南昌植物园森林生态系统能量闭合情况见图3。涡度相关系统测定显示，（H+E_l ）<（R_n-G），即湍流能小于有效能，且二者之间呈极显著相关关系（p<0.001），拟合曲线的决定系数约为0.77，斜率与截距分别约为0.75，20.97。同时，南昌城市森林生态系统的R_eb =0.91，表明南昌植物园森林生态系统存在轻微的能量不平衡现象。

不同时间尺度碳通量的分析结果显示，南昌植物园森林生态系统的碳交换具有明显动态变化特征（图4）。 在年均日变化中，净生态系统碳交换（net ecosystem carbon exchange， NEE）数值在夜间略大于零，而在白天小于零，但在正午达到峰值（-14.01 μmol/（m²·s））。NEE数值转化发生在6：00与18：00左右，表明在6：00左右生态系统从碳源转变为碳汇，并在18：00左右从碳汇转变为碳源，即研究区域植被进行光合作用的主要时间段是6：00至18：00（图4（a））。GPP与生态系统呼吸（ecosystem respiration， ER）均呈倒U型分布（图4（d）~（g）），其中，GPP在夜间为零，并在正午左右达到峰值（14.84 μmol/（m²·s）），而ER在夜间保持2.50 μmol/（m²·s）左右，在13：00左右达到峰值（2.96 μmol/（m²·s））。GPP与ER差异的主要原因是，生态系统光合作用与呼吸作用的控制因素存在差异，前者主要受辐射控制，而后者主要受温度控制。 在日变化中，总GPP与ER均呈倒U型变化，而NEE则呈波动变化。其中，GPP与ER在1—3月分别维持在1.3，1.0 g/（m²·d）左右，4月初开始迅速增加，并在11月初回归到最初水平，表明4—10月是研究区域的重要生长季。NEE大部分数值均小于0，但最大净生态系统碳吸收量（net ecosystem carbon uptake，NECU）达到-12.32 g/（m²·d），说明研究区域全年生态系统主要以碳汇为主。从月变化看，南昌植物园森林生态系统的GPP与ER的峰值均出现在7月，分别为276.01，177.64 g/（m²·月），而NEE的峰值出现在5月，达到-144.88 g/（m²·月）。然而，GPP在6月份发生明显的下降，ER在8月与10月出现明显下降，这也导致NEE在6月较低，而在8月、10月均明显下降。一年中，南昌城市森林生态系统吸收总碳量为1 933.32 g/（m²·a），除去呼吸消耗后，净吸收碳量为903.22 g/（m²·a）。

2. 3 南昌植物园森林生态系统水热通量变化

南昌植物园森林生态系统潜热通量（H_l）与显热通量（H）的年均日变化均呈倒U型分布，在正午左右达到峰值，分别为179.41，170.96 W/m²，且夜间的H_l略高于0、H略低于0（图5），表明大气中的热量用于蒸发和升华过程，并抵消了植物和土壤的热量散失。另一方面，南昌植物园森林生态系统H_l的日变化与月变化均呈单峰变化趋势，但H呈现双峰变化趋势，其中H_l的峰值出现在8月，达到309.35 MJ/（m²·月），而H分别在1月、11月达到峰值，分别为234.98，133.19 MJ/（m²·月）。一年中，南昌植物园森林生态系统总蒸散量（E_e）为876.14 mm，低于降水量（R），表明生态系统中有695.96 mm的降水用于补充地下水或产生地表径流。

南昌植物园森林生态系统波文比（β）的月变化见图6。生态系统β的月变化呈U型分布，β=0.1~2.0。其中，在非生长季（11月至次年3月），β的平均值为1.28，净辐射主要用于加热大气和植被耗能，湍流通量以H为主；在生长季（4—10月），H占比不足H_l的一半，β的平均值为0.28，尤其在6—8月，β较低，分别为0.14，0.10，0.17，说明净辐射主要用于生态系统蒸散耗热。 这表明南昌植物园森林生态系统在炎热夏季具有明显的降温增湿功效。

3. 4 南昌植物园森林生态系统资源利用效率变化

在生长季，南昌植物园森林生态系统的碳利用效率（CUE）、水分利用效率（WUE）及光能利用效率（LUE）平均值分别为0.52，5.60 g/kg，0.027 μmol/μmol（图7）。其中，除10月外，其他月份生态系统的CUE均维持较高水平，尤其在6—7月，均达到0.64；WUE在6—7月保持较高水平，分别为9.92，11.62 g/kg；LUE在5—9月均较高，并在6月达到峰值（0.03 μmol/μmol）。

4 讨论

能量闭合状况是检验涡度相关系统观测值可靠性的重要指标。Willson等^［17］对全球长期通量观测网络（global flux network，FLUXNET）中22个站点的能量闭合状况进行分析，发现有效能（R_n+G）与湍流能（E_l+H）之间的斜率为0.55~0.99，截距为-32.9~36.9 W/m²，决定系数为0.64~0.96，能量平衡比率（R_eb）为0.34~1.17。文中研究区域的R_n+G与E_l+H之间的斜率与截距分别约为0.75，20.97，R_eb =0.91，与黄河小浪底人工混交林（斜率为0.79）^［18］、浙江雷竹林生态系统（斜率为0.78）等观测站的结果接近^［19］，高于上海城市森林生态系统观测站（斜率为0.69、R_eb=1.29）^［16］。这表明涡度相关系统可监测南昌植物园森林的湍流通量。

目前，中国许多城市大力开展绿化行动，但有关城市森林系统固碳能力研究较少^{［13， 20］}。文中基于涡度相关系统的碳通量观测结果，得出南昌植物园森林的NEE，GPP，ER具有明显的季节变化，最高的碳吸收量出现在5月，这与Zheng等^［14］对上海崇明岛城市森林生态系统碳汇的研究结果一致。 同时，该研究结果显示，南昌植物园森林生态系统具有较强的碳汇能力，GPP达到903.22 g/（m²·a），远高于千烟洲亚热带混交人工林生态系统的多年平均固碳量（645 g/（m²·a））^［21］，略高于浙江大毛尖山常绿阔叶林生态系统的同年固碳量（789.92 g/（m²·a））^［22］。黄云等^［23］指出，1970—2021年赣江流域常绿阔叶林平均NEP为862.4 g/（m²·a）。然而，Chen等^［24］收集20多个典型森林与城市森林的碳通量数据，发现城市森林的固碳能力弱于典型森林，其中，城市森林的平均NEP维持在1 327.99 g/（m²·a），而典型森林的平均NEP为1 680.37 g/（m²·a），这与文中研究结果不一致。目前，部分研究结果显示，城市化进程不仅加剧了城市热岛效应，还诱发城市干岛现象，造成城市森林水热环境失衡，从而影响森林生态系统功能^{［3， 25］}。然而，该研究结果显示，南昌植物园森林生态系统的固碳释氧能力较强，且与典型森林生态系统的固碳能力相当。这可能与城市中二氧化碳浓度较高产生“施肥效应”现象以及城市中植被采用较为保守的资源利用策略有关^［26］。 该结果为未来南昌市实现碳中和目标提供了重要参考。

资源利用效率指标反映了城市森林生态系统将不同资源转化为生物量的能力。在气候变化背景下，资源利用效率指标可体现陆地生态系统对环境条件变化的响应，因此备受学者关注。该研究结果显示，南昌植物园森林生态系统的LUE在6月达到峰值，这可能与6月辐射较弱有关。研究结果显示，相较于晴天，阴天的散射辐射比例增加，使输入的光合有效辐射在整个森林冠层中垂直分布更加均匀，从而提高了生态系统的LUE^［27］。文中CUE，WUE均在6、7月较高，这可能与6月辐射较弱以及7月的季节性干旱有关。太阳辐射与水分是植物光合作用必需的条件，弱光和干旱会抑制植物气孔开度，从而降低植物在6，7月的光合速率与蒸腾速率。而在光合作用不足或水分供应不足条件下，植物一般会采取较为保守的碳利用策略或水分利用策略来提升自身的抗逆性^{［28— 29］}。此外，弱光环境常常伴随较低温度和较高湿度，加剧了对植物蒸腾作用的限制，并间接提升了WUE，这与王强等^［30］在野生商陆植株中的研究结果相同。可见，在逆境条件下，植物往往通过提升资源利用效率响应逆境条件。该研究中，生长季南昌植物园森林生态系统CUE，WUE，LUE的平均值分别为0.52，5.60 g/kg，0.027 μmol/μmol。其中，CUE高于1970—2021年赣江流域常绿阔叶林（0.36）^［23］；WUE高于2003—2010年千烟洲亚热带人工混交林生态系统（3~4 g/kg）与鼎湖山南亚热带常绿阔叶林生态系统（2~3 g/kg） ^［31］；但LUE与上海城市森林生态系统相当^［16］。这表明相对于典型森林生态系统，城市森林生态系统可能受城市化进程的影响，并通过提升资源利用效率来抵抗城市化进程的干扰。

波文比（\beta）是表征地表与大气之间能量交换特征的重要参数，\beta的大小决定着能量在生态系统中的分配。该研究结果显示，南昌城市森林的\beta月变化呈U型（\beta=0.1~2.0），与黄松宇等^［32］研究不同生态系统类型得出的结果（\beta=0.07~3.43）吻合。在非生长季，南昌城市森林生态系统的净辐射主要用于加热大气与植被耗能，湍流通量以H为主。在生长季，森林处于旺盛的生长阶段，能量主要用于生态系统的蒸散耗热，\beta \mathrm{的}平均值为0.28，低于天目山阔叶混交林生态系统^［33］，表明城市森林生态系统具有显著的降温增湿功效。

文中基于涡度相关系统，分析南昌植物园森林生态系统的碳源与碳汇、能量分配及资源利用效率的变化特征，为深入理解城市化背景下城市森林生态系统在固碳释氧、调节气候等方面的功能奠定了重要基础。需要指出的是，目前国内外多数生态监测研究均基于单一站点开展，受限于城市用地条件与高质量通量数据观测对下垫面水平均匀性的要求等，多点布局在实际操作中难以实现。文中所在地具有典型城市森林的特征，基于该地的观测结果对同类型城市绿地具有参考意义。未来应加强多类型、多区域城市森林生态系统通量数据的长期观测，特别是生态脆弱区，如干旱和半干旱地区，以进一步揭示城市化进程对城市森林生态系统服务功能的影响机制与区域差异性。

5 结论

南昌植物园森林生态系统具有较强的碳汇能力，碳吸收量峰值出现在5月。在非生长季，生态系统净辐射主要用于加热大气与植被的耗能，而在生长季，能量主要用于生态系统的蒸散耗热，体现出城市森林生态系统具有明显的降温增湿功效。此外，南昌植物园森林生态系统的资源利用效率相对较高。该研究结果显示，城市森林在固碳释氧、降温增湿等方面的生态价值，城市森林使用较为保守的资源利用策略维持生态系统功能。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(32201631)

江西省自然科学青年科学基金资助项日(20242BAB20260)

江西省职业早期青年科技人才培养基金资助项目(20244BCE52288)

江西省林业科学院基础研究与人才科研基金资助项目(2024520801)

江西省林业科学院基础研究与人才科研基金资助项目(2025520802)