加拿大南安大略地区两种城市植被模型的改进与对比研究：多伦多城市碳通量评估新视角

这篇研究通过改进城市植被光合呼吸模型(UrbanVPRM)和太阳诱导荧光模型(SMUrF)，显著提升了与涡度协方差通量塔观测数据的吻合度。研究揭示了城市植被在夏季午后可吸收50%-100%的人为CO2排放，而在夜间释放25%-50%的排放量，为城市碳循环研究提供了重要工具。模型改进后的一致性差异(24±13%)远小于排放清单间的差异(80±24%)。

　　

引言

碳循环研究在城市尺度面临独特挑战。作为最重要的温室气体，二氧化碳(CO₂)的城市排放主要来自人为活动，但城市植被的碳通量显著影响局地碳收支。多伦多作为加拿大人口最多的城市，拥有30%的植被覆盖率，是研究城市生物源通量的理想场所。

传统排放清单存在显著不确定性，而城市植被的特殊性使其不同于乡村生态系统。城市热岛效应延长生长季，但夏季热胁迫增加呼吸(R_eco)并减少总初级生产力(GPP)。不透水表面限制土壤呼吸，边缘效应改变植被生长特性。这些因素使得准确量化城市生物源通量成为挑战。

研究方法

研究区域南安大略属湿润温带气候，年均温4.9-9.4°C。多伦多人口密度达4,428人/km²，计划到205年实现40%的树冠覆盖率。研究使用三个涡度协方差通量塔(Borden森林、Turkey Point松林和落叶林)进行模型验证。

对UrbanVPRM的主要改进包括：

1. 1.

   采用最新呼吸(R_eco)方程，考虑温度调整项和水分胁迫

2. 2.

   移除物候尺度参数，改用MODIS物候产品

3. 3.

   使用样条插值填补EVI和LSWI数据空缺

4. 4.

   采用双线性重采样提高PAR数据质量

对SMUrF模型的改进包括：

1. 1.

   用TROPOMI SIF替代CSIF，分辨率提升至500m

2. 2.

   冬季SIF设为零值

3. 3.

   基于生物量重新定义稀树草原类型

4. 4.

   加入不透水表面对呼吸的抑制效应

研究结果

改进后的UrbanVPRM在春秋季与通量塔数据吻合度显著提高，而SMUrF在春夏季改进明显。两模型在2018-2021年间的一致性显著改善，差异主要源于驱动变量的不同。

夏季午后，植被可吸收50%-100%的人为排放，具体比例取决于所用清单。夜间和非生长季，植被释放相当于人为排放25%-50%的CO₂。模型差异(24±13%)远小于排放清单间差异(80±24%)。

空间上，SMUrF在Don Valley等植被密集区估算的吸收更强。UrbanVPRM的估算更为均匀。这种差异与归一化EVI和SIF的差异高度相关(R²=0.70)。

讨论与展望

研究揭示了城市植被对碳收支的重要影响，特别是在小时尺度上。模型在短时间尺度表现良好，但年际尺度仍有改进空间。未来研究可考虑：

1. 1.

   纳入碳储量数据

2. 2.

   增加季节性参数化

3. 3.

   结合更多城市通量观测验证

4. 4.

   用于大气化学传输模型

这些改进将进一步提升模型在城市碳管理中的应用价值，支持多伦多等城市实现碳中和目标。研究开发的工具为准确量化城市碳通量提供了新方法，对理解城市生态系统功能具有重要意义。