城市綠色碳匯效能影響因素及優化研究?

王 敏 石喬莎

同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系 上海 200092

城鎮綠化

城市綠色碳匯效能影響因素及優化研究?

王 敏 石喬莎

同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系 上海 200092

在快速城市化的進程中，城市生態環境問題日益凸出。如何利用有限的城市綠地空間資源更大地發揮綠色碳匯效能，是改善城市生態環境、促進城市可持續發展的重要問題。文章從植被碳匯、土壤碳匯、水體碳匯3個方面分析城市綠色碳匯效能的影響因素，并進一步從綠地三維生態特征和綠地使用維護特征2個角度探討城市綠地特征與綠色碳匯效能的相關性及其規劃導控要點，提出綠色碳匯效能優化策略，旨在為城市綠地建設實踐提供依據。

城市綠地，綠色碳匯效能，影響因素，規劃導控，優化策略

0 引言

隨著大量人口、產業、交通、建筑在城市高度集中，大量碳排放引發的各類城市生態環境問題日益嚴峻。“低碳”業已成為可持續發展和新型城鎮化道路的必然選擇，其核心在于減少碳排放 (減排)和消除碳排放的結果 (增匯)[1]。研究表明，城市作為碳排放的主體，其碳排放量占全球總量的78%[2]；在我國，城市碳排放量占全國總量的比例更是高達90%[3]。作為城市范圍內唯一直接增匯、間接減排的要素，城市綠地不僅能夠通過植物的栽植進行自然固碳，還能夠通過綠地的合理布置減少城市總體能耗，從而達到減排效果。因此，面對土地資源的日益緊張，如何利用有限的城市綠地和綠化空間更大地發揮碳匯效能，是改善城市生態環境、促進城市可持續發展的重要課題。

城市綠色碳匯是指人類活動影響下，城市范圍內的綠色植物通過光合作用，將大氣中的CO2吸收并固定在植被與土壤當中，主要體現為植被碳匯、土壤碳匯和水體碳匯3種類型[4]。關于城市綠色碳匯的研究國外起步較早，從20世紀70年代起，城市綠地監測成為城市綠地管理的一項基本內容。1991年Rowntree和Nowak對整個美國的城市森林碳儲量進行了估算[5]。自此，各種關于城市生態系統碳儲量的研究陸續開展。在國內，1996年方精云首次引入生物量模型對我國50年來森林碳庫、平均碳密度和CO2源匯功能變化進行了研究[6]，并在此基礎上發展了中國陸地生態系統碳循環模型。目前，城市綠色碳匯的研究內容主要涉及大尺度范圍內的森林、土壤碳儲量及動態變化特征以及個別樹種的碳匯研究，整體梳理和系統研究較少[7－10]。

1 城市綠色碳匯影響因素

1.1 植被碳匯影響因素

植被碳匯即城市中的綠化植物所固定、積累的凈碳量，是城市綠色碳匯的主體。影響植物固碳能力的因素很多。首先，植物本身的類型、年齡、規格、群落結構等對其固碳能力起決定性作用；其次，大氣溫度、相對濕度、人為干擾影響以及城市綠地網絡的連續性、布局均衡性、結構合理性等，對植物的固碳能力也產生較大影響。

1)植物類型。喬木、灌木、草本和藤本等各類植物單位葉面積年光合總量表現出具體物種間的差異，而非類別間的明顯差異。不同類型的植物碳匯能力主要由其生物學特征決定，而環境影響則是次要的。一般而言，植物碳匯能力最強的是喬木，灌木其次，草本和藤本最弱；且喬木碳匯能力遠高于灌木、草本和藤本植物。

2)植物年齡與規格。植物碳匯能力一般以生物量來計算[11]。相比之下，幼齡、中齡的植物生長快，生物量增長速度快、增加量大，碳匯能力強。而當植物達到成熟期后，生長變慢，生物量基本穩定，碳匯能力放緩。就目前城市綠地普遍的植物移植現象來說，根據植物的生長規律，胸徑10～12 cm的苗木適應能力強，成活率高；而胸徑30 cm以上的苗木樹齡已大，成長趨于成熟，年生長量小，再生能力差。

3)群落結構。植物在不同的群落結構中表現出的碳匯能力也有一定的區別，合理的群落配置可以有效發揮植物的碳匯能力。一般而言，復層植物群落的碳匯能力優于單層植物群落的碳匯能力。其中喬灌草群落的植物碳匯能力最強；闊葉林植被碳儲量一般高于針葉林植被碳儲量。

4)大氣溫度與相對濕度。大氣溫度、相對濕度對植物光合作用有一定的影響，從而導致碳儲量的差異[12]。一般來說，植物進行光合作用會有一個適宜溫度，不同植物的光合最適溫度不同。例如，三碳植物光合作用的最適溫度在25℃左右，四碳植物在35℃左右。最適溫度的具體值通常隨著植物種類和生長環境的溫度而變化[13]。另一方面，濕潤的空氣 (相對濕度大)能夠提高植物葉片的氣孔導度，從而提高其光合作用速率[14]。

5)人為干擾。由于地理條件的局限性 (位置、面積等)、環境條件的差異性和人為活動 (踩踏、污染等)等影響，城市植被的碳儲量往往小于天然林植被的碳儲量。但是合理的管理維護方式又可以為植物提供良好的生長環境，從而提升植被的碳匯能力。研究表明，相比于防護綠地、道路綠地，公園綠地植物種類豐富、群落結構合理、環境條件良好，植物碳匯能力較強，碳儲量較大。單位附屬綠地涉及的可變條件多，如單位類型、植物配置、養護標準等。因此其植物碳匯能力的研究結果也不盡相同。

6)城市綠地網絡的連通性、布局均衡性、結構合理性。城市綠地網絡的連通性是影響城市綠地整體生態環境效益的重要因素，能為植被固碳提供更好的環境。城市綠地網絡可以很好地引導綠色交通，在一定程度上促進城市交通更為合理地排碳[15]。此外，城市綠地的均衡布局以及結構形態的合理調整，都能更好地發揮城市綠地的冷島效應，減少建筑能耗，實現綠色交通方面的生態功能等。

1.2 土壤碳匯影響因素

土壤是城市綠色碳匯的重要組成部分，主要指城市綠地范圍內的土壤以有機和無機的形式儲存碳而形成龐大的碳儲庫，影響因素主要包括土層深度、建造時間、綠地類型等。其中，城市綠地土壤碳儲量垂直變化整體上隨土層深度的增加而遞減，這與大多數自然土壤類似。例如，上海市區綠地0～10 cm土壤碳密度明顯高于10～20 cm土壤碳密度[16]。其次，城市綠地建造時間的長短對土壤碳儲量影響很大。一般來說，建造時間越長，綠地中根深葉茂的高大喬木就越多，群落郁閉度高，林下土壤經常保持濕潤的環境，使得微生物分解枯枝落葉的活性大大增強，土壤碳密度越高，碳儲量越大。第三，不同的綠地類型土壤碳儲量差異很大。例如，上海綠地土壤碳儲量大小為公園綠地＞街道綠地＞道路綠地[17]，鄭州綠地土壤碳儲量大小為公共設施綠地＞公園綠地＞居住綠地＞街道綠地[18]。但通過合理的堆積、栽培、管理等，改變城市綠地的土壤層次和結構，能夠增強土壤碳匯能力，提升土壤碳儲量[19]。例如，福州沿江的蘆葦濕地經過改造變為森林、草坪后，土壤碳儲量分別增加了 72.0% 和94.8%[20]。

1.3 水體碳匯影響因素

城市的水體碳匯主要指城市濕地通過污泥、水生動植物和水溶解等對CO2的吸收和固定，影響因素包括植物群落、淹水狀況、大氣溫度和土壤養分等。首先，不同的濕地植物群落，碳匯能力不同。例如，在莎草濕地中，肯尼亞莎草群落生物量明顯大于其他植物群落[21]，同時還受到溫度、光照、降雨等多種環境因子的影響。其次，濕地水位的消漲有助于濕地生態系統內碳的積累，促進濕地生物量增長。消漲頻率、時差、強度、季節等都對濕地的碳循環起著重要的作用，長期淹水對于濕地植物和土壤碳庫的恢復也有一定的促進作用。第三，濕地碳匯效能與氣候變化有顯著關系。一般來說，氣候溫暖的地區濕地碳產量高于氣候寒冷的地區，但同時分解也更快。整體上看，濕地碳儲量會隨溫度上升而下降。溫度的升高會導致有機碳的礦化，提升有機質的分解率，從而減少碳的積累[22]。此外，濕地土壤中氮、磷等營養物含量的變化對于濕地植物的生長狀況、生物量的積累以及土壤礦化過程都有一定的影響。一般來說，適量營養物濃度可以促進濕地生態系統內碳的積累，但過量的養分會導致濕地表現出 “碳源”的特性。

2 城市綠地特征與綠色碳匯效能的相關性

由上文分析可知，城市綠地的植被碳匯、土壤碳匯、水體碳匯效能在很大程度上受綠地三維生態特征、綠地使用維護特征的影響 (表1)，這也是城市綠地發展中優化綠色碳匯效能的規劃導控要點。

表1 綠色碳匯效能與城市綠地特征的相關性分析

2.1 綠地三維生態特征

影響城市綠色碳匯效能的綠地三維生態特征包括綠地面積、植物組成結構、豎向層次結構、植物數量和規格、綠化三維體積、葉面積指數、郁閉度等。其中，綠地面積是綠色生物量的基本保證，與植被碳匯量、土壤碳匯量均成正相關。植物組成結構涉及綠地植被種類的選擇以及各類型植被之間的比例關系，對植被碳匯效能起決定性作用。喬木的碳匯能力最強，是植被碳匯的主體。多運用適應本土氣候、土壤條件的本地植物也可以減少綠化建設及維護成本，降低碳排放。豎向層次結構主要分為單層植物群落和復層植物群落，在小尺度上更能體現綠色碳匯效能的強弱。一般而言，復層植物群落碳匯效能更高，尤其是喬灌草群落。植物數量和規格指喬木棵樹及胸徑。在喬灌草合理分配的基礎上盡可能多地栽植喬木，以中樹、大樹為主要規格栽植喬木，可以有效增加綠色碳匯量。葉面積指數指單位土地面積上的植物葉片總面積。在一定范圍內，植物的生長量隨葉面積指數的增大而提高，碳匯量不斷增加。當葉面積指數增加到一定的限度后，林間郁閉，導致光照不足、植物光合效率減弱，生長量反而下降，碳匯量也隨之減少。綠化三維體積反映綠色植物莖葉所占據的空間大小。與葉面積指數共同構成的綠地三維量值是衡量植被碳匯效能的重要指征[23－24]。郁閉度是綠地林分密度指標，反映綠地中喬木樹冠遮蔽地面的程度，與綠地三維生態特征有密切聯系。郁閉度越高表示城市綠地林分密度越大，植被碳匯能力越強。但是當郁閉度達到了一定的峰值后，樹冠與樹冠之間會相互擠壓、交叉重疊，從而導致部分枝葉得不到充分陽光而產生病蟲害、生物產量降低等問題，直接影響植被碳匯效能。

2.2 綠地使用維護特征

影響城市綠色碳匯效能的綠地使用維護特征包括綠地主導功能、綠地穩定性、綠地小氣候、綠化養護管理等。其中，綠地主導功能包括休閑游憩、生態防護、視覺形象等。一般而言，以生態防護為主導功能的綠地碳匯效能高于以休閑游憩、視覺形象為主導功能的綠地。綠地穩定性主要與綠地建成時間的長短有關。綠地建成時間越長，植物群落結構、土壤結構越穩定，綠色碳匯能力越強。綠地小氣候主要是指通過小氣候營造，可保持綠地小范圍內的適宜溫度和相對濕度，為綠地中的植物提供良好的生長環境，促進植物的光合作用。綠化養護管理主要是指后期通過合理、正面的人為干預來增強綠地的碳匯效能，如病蟲害防治、定期修剪、灌溉技術、植株抽稀、有機肥使用等。

3 城市綠色碳匯效能規劃導控與優化策略

3.1 增加三維綠量

首先，合理布局城市綠地空間，改善綠化結構，提高城市綠地率和綠化覆蓋率，并且在同等類型、規格樹種內選擇三維綠量值高的樹種為優先，如香樟、雪松、國槐、懸鈴木、銀杏、廣玉蘭、桂花等。其次，營造結構復雜、層次多樣的植物群落，增加單位綠地空間的三維綠量，同時加強對于綠地三維量值變化的監測，以便及時進行調整。第三，加強墻面綠化、屋頂綠化、棚架綠化、護坡綠化等立體綠化建設。立體綠化植物材料的選擇必須根據不同植物本身特有的習性以及對環境條件的不同需求，選擇和創造滿足其生長的條件，并根據植物的觀賞效果和功能要求進行設計。

3.2 甄選植物種類

由于植物的碳匯能力由其生物學特征決定，植物種類的選擇非常關鍵。首先，在規劃設計過程中要堅持適地適樹原則，盡可能運用本土樹種。相對于外來樹種，本土樹種作為長期演變中形成的地域性植物更容易適應場地環境，快速達到預期的景觀效果，而且在維護管理階段也不需要過多人力、物力的消耗。其次，合理控制喬、灌、草和藤本植物等的種植比例，實現城市綠色碳匯效能各方面綜合最優化，盡可能運用碳匯能力強的植物種類，同時注重植物的觀賞性、適用性。一般來說，喬木碳匯能力最強，且在碳匯能力上闊葉樹＞針葉樹，落葉樹＞常綠樹，速生樹＞慢生樹，但最終的生物量可能慢生樹種為多；大型樹種碳匯能力高于小型樹種，但樹齡、規格均不宜過大；大密度木材樹種碳匯能力高于小密度木材樹種[25]。

3.3 改善群落結構

合理的植物群落結構配置不僅可以營造良好的植物景觀、提升綠地的碳匯效能，也有利于后期維護成本的降低。應依據互補互惠、避免直接競爭等原則，模仿自然植物群落配置，采用以喬木為骨架和木本植物為主體的喬、灌、草復層植物配置模式，合理種植常綠樹種，適量種植針葉樹種、落葉樹種，營造復合的季相和相宜的色彩，使具有不同生態特性的植物能各得其所，充分利用陽光、空氣、土地、養分、水分、空間等資源，形成一個和諧有序、長期穩定的 “復層—異齡—混交”立體植物群落。此外，定期對植株進行修剪維護，控制植株密度，形成適宜的郁閉度也是提升城市綠色碳匯效能的關鍵。一般而言，喬木植株行距應大于5 m。對于純林植物群落，在長勢相似的條件下，相鄰樹木冠幅間距以2～3 cm為宜；對于塔形樹冠的樹木，相鄰植株冠幅間距以不超過1.5～2.5 cm為宜[26]。若已出現種植過密的現象，則需遵循 “留強去弱、留優去劣”的原則對植株進行抽稀調整。

3.4 營造適宜小氣候

小氣候營造和改善不僅能夠有效降低城市 “熱島效應”，還能在溫度、濕度、光照、通風等條件適宜的情況下為植物提供較為穩定、規律的生長環境，有效促進植物的光合作用，如通過地形疏導來組織空氣流通，利用植物的季節性變化和種植形式的不同組合滿足人們對氣候環境的不同需求，利用水體與周圍環境的溫度差形成小的空氣環流從而產生局地微風，以及根據空間的不同功能選擇適當的材料及其顏色等[27]。

3.5 優化養護管理

除了前期的規劃設計，城市綠地后期的養護管理也非常重要。首先，通過合理的管理措施，防止火災發生、防治病蟲害、降低水蝕和風蝕等，減少生態系統的 “碳泄漏”，維持城市綠色碳儲量。其次，輔以一定量合理的人為措施進行退化濕地、草地、土壤等生態系統恢復，在提高生態系統生產力的同時，降低土壤有機質分解和流失的速度，實現碳匯的保護。第三，采用節水、節能、節材型的精細化管理模式。在灌溉系統中應嚴格規劃設計與施工標準，因地制宜選用噴、微、滴、根等高標準灌溉方式。對于新建大型綠地可嘗試應用智能化、精準化自動控制灌溉技術，同時充分利用非常規水、化學調控節水等。此外，還應注重太陽能、風能等清潔能源的利用，環境友好材料的使用，建筑材料的循環利用，以及容易收集、運輸、加工并回收利用的固體廢物再利用[28]。

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A Study of Influencing Factors to Urban Green Carbon Sequestration and Its Efficiency Optimization

Wang Min Shi Qiaosha
(College of Architecture and Urban Planning，Tongji University，Shanghai200092，China)

In the process of rapid urbanization，eco-environment issue has become increasingly prominent in cities. How to utilize limited urban green spaces to better give play to its green carbon sequestration efficiency is very important to improve the urban eco-environment and promote the sustainable urban development.This paper analyzed the influencing factors to green carbon sequestration in terms of vegetation carbon sequestration，soil carbon sequestration and waterbody carbon sequestration，and discussed the relevance between urban green space characteristics and green carbon sequestration efficiency and the points for planning guidance and control from the two perspectives of three-dimensional ecological characteristics and use-maintenance characteristics of green spaces.In the end，strategies were proposed to create a high green carbon sequestration efficiency landscape and guide the practices of urban green space construction.

urban green space，green carbon sequestration efficiency，influencing factor，planning guidance and control，optimization strategy

2015－02－01

國家科技部 “十二五”科技支撐計劃 “城鎮群高密度空間效能優化關鍵技術研究”(2012BAJ15B03)

王敏，副教授、博士，主要從事城市景觀規劃設計教學、實踐與研究