基于i-Tree Eco模型的城市綠地生態功能與價值評估
——以常州市民廣場為例

施煒婷，王燕，陳聃，徐奕，王新軍

(1.常州工學院藝術與設計學院，江蘇常州213022； 2.常州市園林綠化管理局，江蘇常州213002)

0 引言

城市綠地具有生態效益、經濟效益和社會效益，其中生態效益尤為重要[1]。自20世紀90年代以來，城市綠地生態功能的計量研究就成為生態學、林學和經濟學的研究熱點[2]。城市綠地的生態效益主要體現在生態系統中物質和能量的良性循環上，包括凈化空氣、調節小環境氣候、減緩城市熱島效應、固碳、釋氧、涵養水源、降低噪音等方面[3]。盡管城市綠地具有重要的生態功能，但是在城市區域發展和空間規劃中往往被忽視[4]，這一問題的原因在于城市綠地在社會領域中產生的是間接的生態價值[5]。由于規劃者難以從經濟角度闡述其價值，使城市綠地發展受到影響[6]。只有城市森林的生態效益和居住環境得到定量化的評價，城市林業資源浪費、管理不到位等問題才能夠得到解決[7]。

由于綠地生態功能的復雜性和抽象性，目前針對城市綠地生態功能的量化評價方法較為多樣。城市綠地生態功能評價應用最廣泛的是Nowak等在20世紀90年代末創建的城市綠地影響模型(urban forest effects， UFORE)。美國林務局于2006年發布的一款免費且易用的i-Tree模型，可量化評價城市綠地的結構、效益和潛在威脅[8]，可用于研究個體樹木以及街道、城市甚至整個國家的森林狀況。i-Tree模型由起初的城市綠地影響模型和街道樹木資源分析(STRATUM)模塊經過細化改良發展到主要包含i-Tree Eco、i-Tree Street、i-Tree Species、i-Tree Storm、i-Tree Vue(Beta)和i-Tree Hydro的6大模塊，其中i-Tree Eco模塊能夠對較大范圍研究區的城市綠地進行生態功能與價值的評估。

國內對于城市綠地生態功能價值評估采用影子工程法、碳稅法、生產成本法、恢復費用法和效益替代法，將綠地生態功能各評估指標貨幣化，得到其生態功能價值。評估過程所涉及的生產建設成本、費用主要數據采用2008 年國家林業局頒布的《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T 1721—2008)推薦使用價格[9]。雖然國內針對生態系統服務價值評估已經進行了大量研究，但是由于生態系統效能和服務隨時間和空間變化，以及人們對生態系統服務價值認知具有多重性，缺乏統一完善的評估方法、評價理論、指標體系，使評價得出的結論存在較大的差異，可比性較差[10]。

由于中國沒有i-Tree Eco模型的觀測點，國內各個城市中影響植物生態功能的氣候條件、大氣污染數據都需要與國外的城市比對后再開展評估。本文的目的是使用i-Tree Eco模型對我國城市綠地生態功能與價值評估開展實證研究，針對i-Tree Eco使用的氣候背景、評估過程與方法進行深入研究，以常州市民廣場為研究對象，評估其生態功能與價值。

1 基于i-Tree Eco模型的城市綠地生態功能與價值評估方法

1.1 i-Tree Eco模型計算城市綠地效益的原理

1.1.1 城市綠地吸收CO2的效益計算

樹木通過自身光合作用將CO2和H2O轉化為有機物并釋放O2，這一生理過程可以減少大氣中CO2的含量，有效地減緩溫室效應，在一定程度上起到平衡空氣中O2和CO2的作用。對于依靠燃燒化石燃料發電的城市來說，城市綠地的節能作用也間接地減少了CO2的排放量。i-Tree Eco模型對城市綠地年固碳效益的計算基礎是樹木生長模型，并與樹的徑級分布、樹冠覆蓋度、樹的健康狀況具有一定的關系。林地中樹木平均胸徑生長率估計為0.38 cm/a[11]；公園類結構(例如公園、墓地、高爾夫球場等)的樹木平均胸徑生長率為0.61 cm/a。i-Tree Eco根據樹木屬性自動分析城市樹木吸收和間接減排CO2的效率，計算出各樹木每年減少的CO2排放量，按照碳排放稅征收標準，用替代法計算城市綠地碳吸收方面的經濟效益。

1.1.2 城市綠地改善空氣質量效益的計算

城市綠地能減少大氣污染物，改善空氣質量，對凈化城市空氣起到重要作用。樹木每年能夠吸收和過濾大量的NO2、SO2、O3、VOC、PM2.5，為城市居民提供清新的空氣。樹木凈化效率主要取決于樹木葉片對污染物去除的速率F(單位為g·m-2·s-1)，它由空氣中各種污染物的沉降速度Vd(單位為m·s-1)和污染物在空氣中的濃度C(單位為g·m-3)決定，計算公式[12]為

F=VdC

(1)

i-Tree Eco模型對改善空氣質量效益的計算是通過分析樹木去除大氣中污染物的效率，估算出樹木每年去除的各種污染物總量，然后依據政府機構用于凈化空氣，消除大氣中各污染物所需投入的資金，依照替代法進行計算，得出城市綠地在改善空氣質量方面所產生的實際經濟效益。

1.1.3 城市綠地截留雨水效益的計算

城市管理部門每年都要投入大量資金用于保護公共設施免遭暴雨的破壞以及防止水土流失。研究表明,植物尤其是樹木在減少暴雨破壞和保持水土方面具有十分重要的作用。i-Tree Eco 模型對截留雨水效益的計算是依據研究地的氣候、降水量、土壤類型、立地條件、樹種及樹木生長狀況等因素，估算出年暴雨截留總量，再根據政府機構平均每年用于保護公共設施免遭暴雨的破壞以及防止水土流失所投入資金，估算出減緩單位體積的暴雨徑流量所節約的管理資金，進而得出城市綠地在截留雨水方面所產生的經濟效益。年暴雨截留總量用Davis值(RD)估算，公式[12]為

RD=AEisP

(2)

式中：A為研究區總面積(total land area)；Eis為總有效防滲表面率(total effective impervious surface，單位為%)；P為年平均降水量(average annual precipitation)。

1.2 數據采集

使用隨機樣點調查法采集研究區域的數據。首先通過i-Tree Eco模型自帶的隨機樣點生成器，在Google Maps中生成用經緯度坐標表示的樣點中心，通過手機定位的App與現場調查樣點匹配。然后確定樣點大小，每個樣點按照400 m2大小建立調查范圍(半徑約為11.3 m的圓)，調查樣點內的喬木、灌木和地面覆蓋。喬木調查內容包括樹種、胸徑、樹高、東西冠幅、南北冠幅、冠基高度、樹冠長度、健康狀況、冠缺率、立地條件。灌木調查內容包括灌木種類、灌木高度和灌木種植面積。地面覆蓋包括水體、道路或鋪廣場的占比狀況。將每個樣點的調查數據填入i-Tree Eco模型的標準樣點調查表，通過該模型計算出調查區域的生態功能及其價值。

1.3 氣候區選擇與確定

i-Tree Eco模型是依據樹木生長模型、地區氣候和所在城市的資源價格等進行評估的。該模型將美國劃分為 16個氣候區，每個氣候區的植物數據庫各有不同。目前該模型沒有針對中國的氣候區，也沒有針對中國的植物數據庫。然而可以將研究區域的平均氣溫、平均降水量等與美國的氣候區進行對比，選擇氣候條件最為接近的美國氣候區作為氣候背景開展評估。對于數據庫中沒有的樹種，需要查閱資料確定樹木的屬性，尋找相似的樹種進行替代[12]。

2 常州市民廣場的生態功能與價值評估

常州位于東經119.95°、北緯31.78°，地處北亞熱帶，季風影響顯著，屬濕潤季風氣候。四季分明，年均氣溫為15.8 ℃,年平均降水量為1 091.6 mm。光照充足，年平均日照時間為1 940.2 h[13]。美國的亞特蘭大(Atlanta)位于西經84.388°、北緯33.749°，屬亞熱帶濕潤氣候，四季分明，夏季悶熱，冬季溫和。年均溫度為15.8℃，年平均降水量為1 275 mm，年平均日照時間為2 821 h[14]。常州與亞特蘭大均在北緯31°～34°附近，且年均氣溫、年均降水量相近，可以將亞特蘭大選作常州氣象背景城市進行模擬計算。

2.1 市民廣場綠地數據采集

調查時間為2017年9月25日。使用i-Tree Eco模型自帶的隨機樣點生成器，在Google Maps中產生市民廣場的24個調查樣點。調查樣點的數量與調查結果的精度密切相關，樣點數量越多調查精度越高[15]，但是樣點數量的確定也要根據調查面積、調查樣點地面覆蓋情況而定。對于i-Tree Eco模型的400 m2的標準樣點，2個人1 d能夠完成4～5個樣點的調查，因此樣點的選擇還要考慮時間、成本與精度的平衡。調查樣點的分布會生成用經緯度指示的坐標位置，通過手機定位App匹配市民廣場上相應的調查樣點(見圖1)。采集各個調查樣點的詳細數據，整理后錄入i-Tree Eco模型。數據通過校檢后，上傳至美國林務局數據處理中心進行計算，等待1～2 d即可下載計算結果，生成分析報告。

2.2 市民廣場綠地結構及生態功能評估

常州市民廣場面積約為17.2 ha，根據調查樣點估算，市民廣場共有樹木2 371棵，綠化覆蓋率46.9%。調查樣點的植物(見表1)中優勢樹種是桂花、日本晚櫻、香樟，優勢樹種占植物總量的66.7%。胸徑主要分布在7.6～76.2 cm區間內，其中胸徑為22.9～30.5 cm的樹木占總數的38%，胸徑大于30 cm的大樹占總量的20%。

城市的生態效益很大一部分取決于綠化覆蓋率和葉面積，覆蓋率越高，葉面積越大則可以獲得的生態效益越多。市民廣場樹木葉面積可達15.3 ha，葉面積最大的樹種是香樟，其次是桂花，具體見表1。

2.3 凈化空氣

城區的空氣質量已成為人們普遍關心的問題，空氣質量下降會損害人們的健康，破壞公共設施和生態系統，降低能見度[16]。城市公共綠地能夠降低城市溫度、直接減少空氣污染物、減少建筑的能量消耗，從而間接減少污染物的排放，提升城市的空氣質量。空氣凈化功能的估算是基于樣地數據和近期污染數據以及天氣數據計算得出的，見表2。

表1 市民廣場主要喬木及其葉面積構成表 %

注：重要值為數量占比與葉面積占比之和。

表2 市民廣場空氣凈化功能與價值

注：污染物凈化價值由i-Tree Eco評估，并按匯率1美元=6.9元進行計算。

2.4 固碳量

氣候變化是全球面對的問題，城市綠地能夠將大氣中的碳(二氧化碳)固定到植物組織中，減少大氣中的二氧化碳含量，降低溫室效應，進而減緩氣候變化。植物所能固定的碳量多少是由城市綠地中植物的數量及其健康狀況決定的。市民廣場每年固碳量約為15.54 t，i-Tree Eco評估價值約為1.532萬元。市民廣場中的樹木總碳存儲量約386.6 t，i-Tree Eco評估價值約為38.157萬元，在采樣的樹種中，桂花固碳量最大，達到總固碳量的32.7%。

2.5 生成氧氣

綠地的年凈氧氣產生量與綠地的生物量、固碳量正相關。市民廣場的綠地每年產生氧氣約為29.30 t，根據《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721—2008)推薦使用價格1 000元/t進行評估，其每年釋氧價值約為2.930萬元。市民廣場綠地生成氧氣的功能與價值見表3。

表3 市民廣場綠地生成氧氣的功能與價值

2.6 減少地表徑流

降雨過程中，一部分雨水被喬木和灌木阻攔，另外一部分滲入地下，還有一部分形成地表徑流[8]。城市中大量的不透水地面增加了地表徑流量。城市綠地能夠減少地表徑流量，一方面莖葉能夠阻攔降水，另一方面植物的根系既能提升降水的滲透性，又有保水的功能。經i-Tree Eco評估，市民廣場的綠地每年減少地表徑流量約為3 775 m3，價值為6.148萬元。

3 結語

常州市民廣場總面積約為17.2 ha，喬木覆蓋率46.9%，共有樹木約2 371棵，其中優勢樹種是桂花(占比35.7%)、日本晚櫻(占比15.5%)、香樟(占比15.5%)，優勢樹種占植物總量的66.7%。葉面積約為15.3 ha，胸徑主要分布于7.6～76.2 cm區間內，其中胸徑為22.9～30.5 cm的樹木占總數的38%，胸徑大于30 cm的大樹占總量的20%，總碳存儲量達到386.6 t 。市民廣場內綠地的生態功能為每年凈化空氣1 443.97 kg，固碳量15.54 t，生產氧氣29.30 t，減少地表徑流3 775 m3。生態功能價值為每年凈化空氣價值1.519萬元，固碳價值1.532萬元，生產氧氣價值2.930萬元，減少地表徑流價值6.148萬元，合計12.129萬元。自2006年市民廣場建設以來，僅提供的上述4項生態功能已有133.419萬元。

根據由i-Tree Eco模型得出的常州市民廣場生態功能價值評估數據，對城市綠地的管理和優化提出以下建議。

1)由于植物的覆蓋率和葉面積是城市綠地發揮生態功能的重要因素，城市綠地需要盡可能提高喬木的種植密度，并選擇樹形高大、樹冠飽滿的樹種來提高城市綠地的生態功能。

2)喬、灌、草相結合的多層次種植方式能夠使城市綠地群落獲得較大的葉面積，城市管理者和園林設計師在城市綠地管理和設計中需要廣泛應用這一種植方式，充分利用有限的空間，實現最佳的生態功能。

3)為了使城市綠地發揮最佳的生態功能，還需要做好城市綠地的養護管理與病蟲害防治，讓其保持最佳的健康狀況。生病或長勢不佳的城市綠地植物不僅無法達到正常的生態功能，而且會影響城市的生態環境，因此對于已經生病、長勢較弱的喬木需要及時替換。