城市二氧化碳排放從哪兒來？狗尾巴草告訴你丨大氣悟理
2020-07-14 中科院之聲編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設「大氣悟理」，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。
20世紀以來，隨著工業化進程的快速發展，人類社會正經受劇烈的氣候變化，其最明顯的標誌之一就是溫室氣體（CO2是最主要的溫室氣體之一）濃度的快速升高，這主要是人類大量燃燒化石燃料產生CO2（化石源CO2）造成，而其中約有70%的化石源CO2排放發生在城市。
另一方面，我國城市化正以前所未有的速度和規模發展著，對未來氣候變化及政府碳減排政策的制定必然會產生重要影響。早在2014年，美國國家標準計量局和航空航天局就已經部署了"大城市群碳排放"研發計劃，城市層面的溫室氣體減排行動逐漸成為各國應對氣候變化的主要手段之一。因此，建立我國的CO2城區監測體系是非常有必要且迫切的。
但要想監測城區CO2的來源，就得站得高，看得遠。
城市溫室氣體排放源及「範圍」示意圖（圖片來源：《城市溫室氣體核算工具指南》）
CO2城區監測的第一種方法是建立起地面觀測系統，如高塔站（如325m高的北京氣象觀測鐵塔）、地面站等，利用數據反演算法、數據質量控制和檢驗方法等，獲取高精度城區CO2濃度數據。
北京氣象觀測鐵塔（圖片來源：中科院大氣所2020年公眾科學開放日互動視頻）
CO2城區監測的另一種方法是通過衛星遙感反演。與傳統的地基觀測方法相比，它具有連續、穩定、大尺度觀測等優點。
在以上兩種方式的基礎上，可建立天地一體化的城區大氣碳濃度定量遙感監測系統，基於國內和國際衛星觀測數據，結合地基驗證資料，運用綜合的反演和資料同化方法實現城市區域高精度碳濃度測定（詳見文章：一「碳」到底——天上人間如何監測「地球呼吸」）。
天地一體化的城區環境遙感監測系統（圖片來自網絡）
我們知道，引起CO2濃度波動的因素既有自然的（如植物光合作用、呼吸作用），也有人為的（如使用化石源CO2排放）。但目前，無論是衛星遙感技術還是地面的溫室氣體觀測，都只能獲得大氣CO2濃度，無法直接獲取化石源CO2相關信息。
誰能來解決這個難題？
你可能沒想到，功臣不是萬裡之外的高空衛星與地面站精密的測量儀器這樣的「專家」，卻恰恰是路邊最不起眼的狗尾巴草！
公園、綠化帶隨處可見的狗尾巴草（熊曉虎攝）
其實，平凡的狗尾巴草也曾不凡——在古代就曾發揮過巨大的作用。《左傳》上記載過這麼一個故事：春秋時，晉國的魏武子在生病時，曾囑咐他的兒子，在他死後，把一個沒有生過兒子的妾嫁出去。後來魏武子病重，又告訴兒子在自己死後讓妾陪葬。魏武子死後，兒子覺得父親病危時的囑咐可能是神志不清時的胡言亂語，便依照他以前的吩咐把妾嫁了出去。後來，兒子領兵和秦國打仗，看見戰場上有個老人把遍地的狗尾巴草都打成了結子，纏住秦軍的戰馬，兒子也因此獲勝並俘虜了秦將。當夜，兒子做了個夢，夢見在戰場上給狗尾巴草打結的老人自稱是那位出嫁妾的父親，是以此來報恩的。這也是成語「結草銜環」的典故之一。
（圖片來源網絡）
言歸正傳，狗尾巴草又怎麼擔當起監測二氧化碳的重任？
這就要說到它除了打結外的「本能」——光合作用。狗尾草在進行光合作用過程中，會將大氣CO2轉化成碳水化合物存儲在體內。在這個過程中，CO2的14C 「信號」 （碳的一種具放射性的同位素）也會被「同步記錄」在狗尾草中。因此，狗尾草就掌握了其生長期內大氣14CO2變化的秘密。
研究人員將城市不同區域狗尾草採集回來後，利用加速器質譜儀（AMS）分析其葉片（光合作用的主要場所）14C水平，然後根據相關方程就能計算出化石源CO2的量了，從而「輕易」獲取到了城區化石源CO2時空變化特徵，免去了帶著儀器四處奔波的辛勞。
如今，狗尾巴草已經在監測城區碳排放中起到了關鍵作用。
中科院地球環境研究所周衛健院士團隊就以陝西省西安市為研究地點，利用2013年和2014年在西安中心城區採集的26個地點的狗尾草樣品，利用3MV加速器質譜儀（AMS）測定其Δ14C，再根據質量平衡方程獲得了西安市化石源CO2濃度連續兩年的時空分布。
該研究發現，2013年西安中心城區化石源CO2濃度變化範圍為15.9-25.0 ppm；2014年，化石源CO2波動濃度有所增大，為13.9-33.1ppm；環城路以內、環城路-二環及二環-繞城高速三個區域內化石源CO2平均濃度沒有顯著差異；化石源CO2的年際變化差異顯著，但市區東北角化石源CO2濃度始終處於較低水平。
2013到2014年化石源CO2濃度變化，濃度增加（減少）用紅色（藍色）表示，引自Xiong et al., 2020
他們進一步分析，發現機動車尾氣和居民生活排放對西安中心城區大氣化石源CO2濃度空間分布影響較市區的兩座熱電廠大，而化石源CO2來源的變化很可能受控於西南風。
2013、2014年4-9月風玫瑰圖，引自Xiong et al., 2020
相關成果發表在 Advances in Atmospheric Sciences最新一期的「溫室氣體監測專刊」上。
在碳監測方面，狗尾巴草算得上是「平凡中的英雄」。在它的幫助下，我們的研究能為碳減排政策的制定、減排效果的評估以及服務低碳經濟發展等提供關鍵的科學依據，而這一切，都將為一個更好的中國，甚至更好的地球服務。
參考文獻：
1. Xiong, X. H., and Coauthors, 2020: Two-year observation of fossil fuel carbon dioxide spatial distribution in Xi』 an City. Adv. Atmos. Sci., 37(6):569-575, https://doi.org/10.1007/s00376-020-9241-4.
2. 魏偉, 任小波, 蔡祖聰,等. 中國溫室氣體排放研究——中國科學院戰略性先導科技專項"應對氣候變化的碳收支認證及相關問題"之排放清單任務群研究進展[J]. 中國科學院院刊, 2015, 030(006):839-847.
來源：中國科學院大氣物理研究所
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