城市绿色屋顶碳汇与蒸散作用观测：涡度协方差与土壤通量箱技术的对比研究

本文针对城市绿色屋顶碳汇能力评估中传统涡度协方差(EC)技术受限于空间尺度的问题，创新性地将自动土壤通量箱与EC系统协同布设于柏林大型拓展型绿色屋顶，通过4.5个月同步观测揭示：箱式法对水汽通量的测量系统性低估达75%，而碳通量测量虽在半小时尺度与EC吻合良好（R2>0.9），但累积碳汇量(-51 g C m?2)显著高于EC结果(-14 g C m?2)，凸显了绿色屋顶空间异质性对测量方法的深刻影响。

　　

随着城市化进程加速，城市热岛效应和碳排放问题日益严峻。绿色屋顶作为重要的自然解决方案(nature-based solutions)，通过植物光合作用直接固碳和增强屋顶隔热性能间接节能，成为城市气候缓解策略的焦点。然而，准确量化绿色屋顶的碳汇能力面临方法学挑战：涡度协方差(eddy covariance, EC)作为大气-地表交换通量观测的金标准，需要较大的通量源区(通常10³–10⁷ m2)，而城市绿色屋顶平均面积较小（如柏林约287 m2），导致EC技术应用受限。土壤通量箱(chamber)虽能规避空间限制，但其在绿色屋顶生态系统中的代表性和准确性尚未系统验证。

为此，研究团队在柏林勃兰登堡机场大型拓展型绿色屋顶(8600 m2)上开展了开创性对比研究。该屋顶以景天属植物(Sedum floriferum和Sedum album)为主，基质厚度0.09 m，植被覆盖率从2015年40%增至2021年70%。研究人员将EC系统（CSAT3A超声风速仪和EC150开路气体分析仪，安装高度1.15 m）与5个自动通量箱（3个透明箱测净生态系统交换NEE，2个 opaque箱测生态系统呼吸R_eco）协同布设，通量箱均位于EC主导风向下游通量源区内（230°-255°风向扇区）。观测历时4.5个月（2022年6月24日至11月10日），同步监测气象要素、基质温度和体积含水量(VWC)。数据经EddyPro软件处理和REddyProcWeb在线工具插补，通量箱数据采用SoilFluxPro软件分别进行线性和指数拟合计算。

研究的关键技术方法包括：1）双技术协同观测设计：EC系统提供连续半小时通量基准，通量箱采用90秒测量/30分钟循环模式；2）通量源区分析：采用Kljun模型计算EC通量贡献区，通量箱按源区贡献权重加权平均（T1-T3权重0.8/0.4/0.2）；3）多维度数据比对：从半小时通量、日变化、月动态到累积碳汇（NEE）进行全面验证；4）气象分层分析：区分暖干期（7-8月）与凉湿期（9-10月）的差异响应。

3.1. 气象条件与通量变异

研究期呈现两段式气象特征：7-8月暖干（平均气温>20°C，VWC<0.06 m3 m^?3），9-10月凉湿（气温≈13°C，VWC≈0.14 m3 m^?3）。透明箱CO₂通量在个体间差异显著：T1和T2表现为碳汇，而T3在前期为碳源，后期转为弱碳汇，印证了绿色屋顶强烈的空间异质性。

3.2. EC与通量箱通量比对

碳通量方面：加权平均透明箱与EC在半小时尺度高度吻合（线性拟合斜率0.91，指数拟合0.96），在主导风向扇区内一致性更佳（斜率0.95-0.99）。但 opaque箱测得R_eco显著高于EC分区结果（斜率1.5-1.8），且指数拟合出现负值异常，可能与景天植物干季兼性CAM光合（Crassulacean Acid Metabolism，景天酸代谢）有关。

水汽通量方面：通量箱系统性低估EC观测的蒸散(ET)，线性拟合仅捕获26%的EC值，指数拟合为55%，且各月稳定低估，表明箱式法测ET存在根本性技术局限。

3.3. 时间动态与累积碳汇

日变化显示：通量箱光合启动早于EC约1小时，反映了湍流发展滞后于光合生理响应。月际变化上：7-8月通量箱低估EC碳汇（斜率≈0.5），9-10月转为高估（斜率1.3-0.99），与基质水分有效性变化紧密关联。累积NEE揭示根本差异：EC观测整个研究期碳汇为-14 g C m^?2，而通量箱加权平均达-51至-53 g C m^?2，高出3.6倍，且个体箱结果迥异（T3为+33 g C m^?2），凸显"点位代表性问题"。

4.讨论与结论

本研究首次系统论证了通量箱技术在绿色屋顶碳通量监测中的适用性与局限性。空间异质性是被低估的核心因素：通量箱仅捕获0.3 m2的微观变异（如植物种类、基质特性、水分斑块），而EC整合了约2500 m2（80%通量源区）的宏观表现。对于水汽通量，箱内湍流抑制、管路衰减及水汽饱和效应导致ET测量严重失真，使通量箱难以可靠评估绿色屋顶降温效应。但对于碳通量，在多点位（建议≥3-5个）加权整合前提下，通量箱能有效捕捉绿色屋顶NEE动态，为无法布设EC的小型屋顶提供了可行方案。

该研究发表于《Urban Forestry 》的重要价值在于：1）方法学上明确了双技术差异的机理（空间集成vs.点位代表）；2）实践上提出了通量箱布设的优化策略（多点加权、先期勘察）；3）科学上揭示了绿色屋顶碳汇能力的高度情境依赖性（气象驱动、植被动态、基质异质）。未来需深化研究：不同植物功能型（如C3 vs. CAM）的贡献、蒸发/蒸腾组分拆分、以及长期观测验证碳汇稳定性。这些工作将推动绿色屋顶从定性生态功能向定量气候效益评估的跨越，为城市碳中和提供精准数据支撑。