面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的城市綠地碳匯量估算研究

于 洋，王昕歌

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西部綠色建筑國家重點實驗室，陜西 西安 710055)

目前全球變暖、溫室效應(yīng)等氣候問題日趨嚴重，而在國土空間“雙評價”(資源環(huán)境承載力和國土空間開發(fā)適宜性的評價)中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能缺少碳匯效益的評價，城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是城市中唯一的直接碳匯途徑[1]，在固碳方面有很大作用，因此，定量分析城市綠地的碳匯效益對國土空間“雙評價”中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價極其重要.

國內(nèi)外已出現(xiàn)很多種技術(shù)方法對城市綠地碳匯量估算，但大部分方法工程量大，計算過程復(fù)雜，并且對操作人員的專業(yè)水平要求過高[2].本文通過碳匯量估算系統(tǒng)對城市綠地的碳匯效益進行估算，可以對城市規(guī)劃周期中不同階段和不同尺度城市空間的綠地碳匯量快速估算.以期推動我國城市綠地碳匯量估算的發(fā)展，推進低碳城市發(fā)展目標，并完善國土空間“雙評價”中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價.

1 城市綠地碳匯量估算方法研究現(xiàn)狀

城市綠地碳匯量估算是評價城市綠地碳匯效益的重要途徑，目前估算主要方法如下[3-9]：(1)樣地勘測法，該類方法主要通過大規(guī)模的樣地勘測，通過測試和計算將取得的實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，最后通過公式推算出研究區(qū)域的碳匯量[10-14]；(2)同化量法，該類方法通過儀器測定瞬時進出植物葉片的二氧化碳濃度和水分，利用葉面積乘以植物單位時間凈光合速率得到植物固碳量[15-16]；(3)微氣象學(xué)法，該類方法基于對二氧化碳通量的動態(tài)測定，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算公式[17-18]；(4)遙感估算法，該類方法將遙感影像和數(shù)學(xué)模型結(jié)合，建立植物固碳量和其影響因素的單因子或多因子的關(guān)系，從而對大尺度的城市綠地碳匯量進行估算[19]；(5)利用碳匯量估算系統(tǒng)，該類方法基于樣地勘測提供的樹木信息，模擬樹木生長或直接建立樹木模型，通過輸入研究區(qū)域植被信息或通過遙感影像對研究區(qū)域的植被進行識別，最后對研究區(qū)域的碳匯量進行估算[20].

2 碳匯量估算系統(tǒng)的技術(shù)方法

利用碳匯量估算系統(tǒng)的方法不同于生物量法等通過實地勘測或儀器測量的傳統(tǒng)估算方法，可極大節(jié)約人力物力，使運算更加快速高效.該方法也不同于遙感估算法，遙感估算法只能測定植被的瞬時碳匯量，而碳匯量估算系統(tǒng)是根據(jù)植被自身屬性模擬樹木生長狀態(tài)，增強了估算的精準度，并且操作簡單，所需數(shù)據(jù)少，對技術(shù)人員的專業(yè)水平要求低，適合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價中對城市綠地碳匯量的估算需要.之后部分將對該方法包括的Citygreen，itree，The Pathfinder和National tree benefit calculator進行重點展開.

2.1 Citygreen模型法

Citygreen是一款以GIS和RS技術(shù)為基礎(chǔ)，基于ArcView平臺的綠地生態(tài)效益評價模型[21]，該模型不僅能評價樹木的生長，還能評價樹種特有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，包括固碳、蒸騰、減少空氣污染物、減少暴雨徑流、遮蔭和節(jié)能作用[22].

Citygreen由數(shù)據(jù)庫和生態(tài)效益分析兩個模塊構(gòu)成，兩個部分共同作用可以模擬植被的生長.Citygreen數(shù)據(jù)庫的植物屬性部分提供了一個具有300多種樹木信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，由于所提供的數(shù)據(jù)來源于美國本土各州市，所以使用該模型前必須修正一些基本參數(shù)或更新樹種數(shù)據(jù)庫[23]，更新時需提供樹木的葉密度，樹高生長率，胸徑生長率，樹冠形狀，樹葉脫落情況，最大樹高等級[24]等詳細資料，以便系統(tǒng)和模型內(nèi)自帶的基礎(chǔ)樹種數(shù)據(jù)庫匹配，并根據(jù)異速生長模型估算每棵樹木的生態(tài)效益[25].

圖1 Citygreen對城市綠地碳匯量估算的技術(shù)路線[24]Fig.1 Technical route of Citygreen′s carbon sink estimation [24]

具體估算公式如下:

碳存儲量(t)=碳存儲因子×植被覆蓋率×研究區(qū)域面積；

碳吸收量(t)=碳吸收因子×植被覆蓋率×研究區(qū)域面積.

表1 Citygreen數(shù)據(jù)庫參數(shù)數(shù)據(jù)[25]Tab.1 Parameter data of Citygreen database[25]

2.2 itree模型法

itree是2006年由美國林務(wù)局開發(fā)的城市林業(yè)分析和生態(tài)效益評價模型.在城市綠地碳匯量估算方面，主要使用itree-Streets和itree-Eco.itree-Eco主要對整個城市森林樹木種群的碳匯效益進行評估，而離散街道樹木種群多使用itree-Streets.

itree-Streets是一種面向城市森林管理者的街道樹專用分析工具，它使用樹木清單數(shù)據(jù)量化樹木年度效益的結(jié)構(gòu)、功能和價值[26-27].itree-Eco則是根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、當?shù)孛啃r空氣污染和氣象數(shù)據(jù)對城市森林結(jié)構(gòu)、環(huán)境影響和社區(qū)價值對樹木年度效益進行量化[28].這兩個模型都可以制作關(guān)于城市森林結(jié)構(gòu)、功能和價值的表格和圖表，可以以多種格式導(dǎo)出.表格內(nèi)容不僅包括研究對象對二氧化碳的儲存和封存，還包括研究對象對建筑能耗的影響和間接減少的二氧化碳排放、空氣污染的去除等.

圖2 itree對城市綠地碳匯量估算的技術(shù)路線Fig.2 Technical route of itree for urban green space carbon sink estimation

2.3 The Pathfinder系統(tǒng)

The Pathfinder是美國開發(fā)的城市景觀碳計算系統(tǒng)，以網(wǎng)頁的形式出現(xiàn)，它指導(dǎo)設(shè)計師該如何達到指定的碳排放目標，并對氣候起到積極作用.

用戶需要輸入以下信息：(1)碳源：該系統(tǒng)包括使用在景觀工程中的80種不同材料，這些材料被用在鋪裝、墻壁、柵欄等要素中，以及這些材料從提取、制造、運輸、安裝、使用/維護和替換中產(chǎn)生的相關(guān)碳排放.此部分數(shù)據(jù)來源于加拿大雅典娜可持續(xù)材料研究所；(2)碳匯：樹木、植物、濕地和某些類型的草地從大氣中吸收二氧化碳，并將碳吸收到土壤中.所有用于計算樹木和灌木的碳匯數(shù)據(jù)都來自美國林務(wù)局；(3)碳成本：碳成本是指在修剪樹木和灌木時使用機器和肥料所產(chǎn)生的排放.這些排放在項目的使用期內(nèi)定期發(fā)生，通常被稱為“運作過程中產(chǎn)生的碳”，該部分數(shù)據(jù)來源于美國保護署[29].

2.4 National tree benefit calculator模型

National tree benefit calculator是在itree的基礎(chǔ)上開發(fā)出樹木效益計算器，并在操作界面，技術(shù)路線，數(shù)據(jù)輸入等方面都進行了簡化.National tree benefit calculator通過樹的高度和直徑估算研究對象的地上生物量，然后通過換算將地上生物量轉(zhuǎn)換為固碳量，對研究對象的年固碳量進行估算.該模型中研究對象的年固碳量實際上是研究對象以生物量形式儲存的碳的年增量[30-32].

2.5 討論與歸納

Citygreen是基于樣地勘測的生態(tài)效益評價模型，依據(jù)樹木生長狀態(tài)，對城市綠地的碳匯量進行估算，使用該系統(tǒng)對城市綠地碳匯量估算兼具樣地勘測法的可靠和模型估算的便捷，并且所需數(shù)據(jù)較少，估算快捷簡單[33].不足在于Citygreen的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是根據(jù)美國本土的自然條件建立的，對城市綠地進行碳匯量估算時只是簡單的考慮到樹冠等因素，無法針對不同樹種設(shè)定不同參數(shù)，導(dǎo)致最后估算結(jié)果和實際值有一定偏差[34].itree和National tree benefit calculator中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是通過對植物的實地測量而得，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算公式得出不同樹種的碳匯量，并且可以根據(jù)生物量計算方程對植物地上和地下部分的碳匯量都做出計算，通過該系統(tǒng)對城市綠地碳匯量的估算結(jié)果具有很高的參考價值.并且National tree benefit calculator以網(wǎng)頁形式出現(xiàn)，簡化了itree在使用中的復(fù)雜程度，任何非專業(yè)人士都可以使用.itree的不足在于系統(tǒng)缺乏一些樹種數(shù)據(jù)，需要進行數(shù)據(jù)修正.McPherson, E Gregory以葡萄牙里斯本市為例，對氣候區(qū)匹配方法做出具體研究.通過比較研究城市和美國十六個城市的日采暖指數(shù)，空調(diào)指數(shù)，年降水量和當?shù)爻Ｒ姌浞N數(shù)據(jù)庫四個參數(shù)，建立相關(guān)性分析后得出最佳匹配結(jié)果[35].The Pathfinder可以對場地內(nèi)設(shè)計要素的碳排放量進行估算，完整模擬一個項目的碳排放和碳吸收情況，并對50年內(nèi)項目的碳效益進行評估.Citygreen和itree一般只對喬木的碳匯量進行估算，The Pathfinder中新增了對灌木，草地的碳匯量估算.不足在于系統(tǒng)內(nèi)對植物的碳匯量估算是根據(jù)植物的生長狀態(tài)決定，沒有涉及到植物種類.并且最終報告形式是以五十年為單位，若要對植被年碳匯量進行估算，需要查看系統(tǒng)數(shù)據(jù).

在估算系統(tǒng)本土化方面， Citygreen，itree，National tree benefit calculator中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)本土化的方面都有待進一步的探究和完善.The Pathfinder則不需要進行本土化數(shù)據(jù)更正.未來研究者應(yīng)更多致力于根據(jù)中國的氣候條件，地理條件，植物種類等信息建立本土化的基礎(chǔ)樹種數(shù)據(jù)庫，對現(xiàn)有估算系統(tǒng)進行完善.

面對不同尺度的城市綠地，National tree benefit calculator 適合對特定樹種的碳匯量估算.The Pathfinder在系統(tǒng)給定的地圖上可以劃定不同尺度的研究對象，但由于后期要輸入場地設(shè)計要素的具體信息，研究區(qū)域不宜過大.itree可以對單棵行道樹和城市森林這兩個不同尺度進行碳匯估算，可以通過抽樣調(diào)查法估算大尺度的城市森林碳匯效益，也可以通過實地勘測對小尺度的研究區(qū)域進行全部調(diào)查.Citygreen是基于地理信息系統(tǒng)和遙感影像基礎(chǔ)上，以植物整體的覆蓋率對城市森林的碳匯量進行估算，可以對城市公園碳匯效益做出評價，但由于通常使用矢量數(shù)據(jù)，分析速度較慢，并且Citygreen不適合單棵樹木碳匯量的精確評估.

3 碳匯量估算系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)目前國內(nèi)外城市綠地碳匯量估算的應(yīng)用研究內(nèi)容，本文大致將其分為兩類來闡述：規(guī)劃周期中不同階段的城市綠地碳匯量研究與不同尺度城市空間的城市綠地碳匯量研究.其中，不同城市空間的尺度包括單體建筑、街區(qū)、城市片區(qū)、城市；規(guī)劃周期的不同階段包括規(guī)劃方案優(yōu)化，建成環(huán)境評價，規(guī)劃后期監(jiān)測.

3.1 不同尺度城市空間的綠地碳匯量估算

3.1.1 單體建筑

單體建筑中的城市綠地包括宅前、宅后，住宅之間及建筑本身的綠地.單體建筑尺度下的城市綠地碳匯量估算多以單棵樹的碳匯量為研究對象，由于植物本身具有直接碳匯能力以及通過遮蔭擋風(fēng)等方式降低建筑能耗的間接碳匯能力，因此，該尺度上的城市綠地碳匯量估算不可忽略，目前對該尺度上的研究較少.National tree benefit calculator和The Pathfinder都可以對單株植物的年碳匯量進行估算，適合單體建筑中的城市綠地碳匯量估算.

3.1.2 城市街區(qū)

城市街區(qū)中的城市綠地碳匯量估算是針對城市中某個街道或街區(qū)構(gòu)成的綠地，如街頭綠地，行道樹等，研究者常使用itree對該尺度下的城市綠地碳匯量進行估算.在該尺度下，劉朋朋等[36]，張玉陽等[37]分別對杭州市西湖風(fēng)景區(qū)行道樹和青島市南區(qū)行道樹進行生態(tài)效益評價，并對研究對象的年碳匯量進行估算，John Blair等[38]對悉尼一條主要鐵路的代表性路段的行道樹進行碳匯量估算.

3.1.3 城市片區(qū)

城市片區(qū)中的城市綠地碳匯量估算是針對城市中某個區(qū)域或局部的綠地，如城市森林，城市公園等，itree和Citygreen都可以對該尺度下的城市綠地碳匯量進行估算.其中施健健等[39]利用itree對杭州花港觀魚公園內(nèi)綠地的碳匯量進行估算.劉常富等[40]，黃初冬等[41]，鄒濤等[42]都運用Citygreen對城市建成區(qū)的植被環(huán)境效益進行分析，并對市區(qū)樹木碳匯量進行估算.

3.1.4 城市

城市中的城市綠地碳匯量估算是針對整個城市范圍的全部綠地.在實際應(yīng)用中，研究者多使用Citygreen對此尺度下的城市綠地碳匯量進行估算.Citygreen在國際尤其是北美等國家已廣泛使用，美國林務(wù)局應(yīng)用此模型完成了對200多個城市的生態(tài)分析，如芝加哥，休斯敦，亞特蘭大，丹佛[43].

3.2 規(guī)劃周期中不同階段的城市綠地碳匯量估算

3.2.1 規(guī)劃方案優(yōu)化

城市中有部分碳排放是由于城市規(guī)劃不當而間接產(chǎn)生的，因此規(guī)劃者有必要在方案設(shè)計初期對城市綠地碳匯量估算，然后對方案進行低碳化處理.城市綠地的面積，空間位置，以及植物配置等都對城市綠地的碳匯效益產(chǎn)生影響.

在設(shè)計的概念階段，使用者可以通過The Pathfinder對方案中設(shè)計元素的碳匯情況模擬(圖3)，首先需要建立一個項目，選擇項目類型(公園，花園，廣場，街道景觀，大學(xué)，綠色屋頂，混合區(qū)域，居住區(qū)，服務(wù)區(qū)，其他)和設(shè)計階段(概念，原理圖，設(shè)計開發(fā)，施工圖，施工建設(shè))，其次是對研究范圍進行框選，該系統(tǒng)提供的地圖包含全世界范圍.第三是對場地信息進行完善，首先要確定輸入的場地信息是現(xiàn)狀或是設(shè)計可能性，然后對場地內(nèi)的物質(zhì)要素(鋪裝，墻壁，柵欄，現(xiàn)場要素，排水，地下要素)，植物要素(草地，灌木，樹木，濕地)，運作方式(天然氣動力設(shè)備，電動設(shè)備，拆除和廢棄物處理，現(xiàn)存樹木影響，土壤干擾，土壤運動)等信息進行錄入.最后系統(tǒng)對場地內(nèi)部碳匯效益的評估結(jié)果將以報告形式出現(xiàn)，其中包括圖表和具體數(shù)據(jù)信息.

在植物選取方面，選取碳匯效益強的植物對提高城市綠地碳匯能力意義重大.National tree benefit calculator可以對不同樹種的年碳匯量做出估算,該系統(tǒng)會要求使用者輸入植物信息和植物所處環(huán)境[44].由于植物周邊環(huán)境不同，碳匯效益也會受到影響，規(guī)劃者可以根據(jù)系統(tǒng)估算結(jié)果，對城市綠地的空間位置和植物選取進行調(diào)整，以實現(xiàn)城市綠地碳匯效益最大化.Kent F. Kovacs等[45]使用該模型對法國梧桐，櫻花樹，松樹，梨樹這四個樹種的年固碳量做出評價，對該城市的低碳樹種選取提供依據(jù).

3.2.2 建成環(huán)境評價

規(guī)劃者可以對建成環(huán)境的城市綠地碳匯量進行估算，比如對某塊城市綠地的碳匯量變化進行逐年分析或者對方案中不同區(qū)域的城市綠地的碳匯量進行對比，并對其帶來的生態(tài)效益做出評價.城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的碳匯效益評價中，研究者多使用Citygreen和itree進行估算.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所是國內(nèi)較早引進Citygreen的單位，該研究所的胡志斌等[46]以沈陽市區(qū)城市森林為研究對象，對其產(chǎn)生的生態(tài)效益進行了分析，結(jié)果表明，沈陽城市森林在碳匯方面的生態(tài)效益可以達到2.6×107元左右.陳莉等[47]，凌煥然等[48]也都通過碳匯量估算系統(tǒng)對城市建成環(huán)境綠地的碳匯能力進行研究.

3.2.3 規(guī)劃后期監(jiān)測

規(guī)劃后期會存在城市中不同區(qū)域碳分布不均衡的現(xiàn)象，規(guī)劃者需要監(jiān)測城市中的碳分布狀況.首先可以將城市中的高碳空間和低碳空間與現(xiàn)實空間建立對應(yīng)關(guān)系，然后將高碳空間和低碳空間中的城市綠地布局，城市綠地覆蓋率，城市綠地碳匯量等數(shù)據(jù)進行比對分析，并從以上分析中吸取經(jīng)驗，歸納總結(jié)出有利于低碳城市發(fā)展的綠地模式，以期對后續(xù)城市規(guī)劃進行指導(dǎo).

4 總結(jié)與結(jié)論

城市綠地碳匯量估算以定量化方法評價城市綠地的碳匯效益，對科學(xué)評估城市綠地的生態(tài)效益具有十分重要的現(xiàn)實意義.通過對城市綠地碳匯量估算系統(tǒng)方法的總結(jié)，系統(tǒng)介紹了針對不同尺度和規(guī)劃周期不同階段的碳匯量估算，為城市規(guī)劃師提供了一個多尺度全周期的城市綠地碳匯量估算路線.筆者認為未來在城市綠地碳匯量估算的研究應(yīng)在以下幾個方面開展：

(1)在城市綠地碳匯量估算方法的實際操作中，Citygreen，itree， National tree benefit calculator三者在國內(nèi)外均已被廣泛應(yīng)用，The Pathfinder是美國近年新開發(fā)的一個碳估算系統(tǒng)，由于開發(fā)不久還沒有展開大范圍使用.現(xiàn)對四種估算系統(tǒng)方法特點對比(表2)，未來可以將不同方法結(jié)合對規(guī)劃全周期的城市綠地碳匯量估算.

表2 各碳匯量估算系統(tǒng)的特點對比Tab.2 Comparison of characteristics of each carbon sink estimation system

(2)在規(guī)劃周期中不同階段的研究上，現(xiàn)有城市對城市綠地碳匯量估算多集中在規(guī)劃前期方案優(yōu)化和建成環(huán)境評價，對規(guī)劃后期監(jiān)測研究甚少.目前大部分城市都出現(xiàn)城市空間碳排放分布不均勻的情況，因此有必要著力拓展對后期監(jiān)測的城市綠地碳匯研究，從而對城市中高碳空間和低碳空間進行協(xié)調(diào)和均衡.

(3)在不同尺度城市空間的綠地研究上，現(xiàn)有城市對城市綠地碳匯量估算研究多集中在大尺度上，如城市和城市片區(qū)，但對中小尺度的綠地，如單體建筑和城市街區(qū)綠地的研究有所欠缺.城市系統(tǒng)的復(fù)雜性對整個城市低碳化的目標推進帶來困難，我們只能對城市局部做出低碳化措施，提高城市綠地碳匯能力是其中的重要舉措，所以日后應(yīng)從中小尺度的城市綠地碳匯研究入手，對單體建筑，街區(qū)等城市空間的綠地碳匯量展開深入研究.

(4)在國土空間“雙評價”背景下的城市規(guī)劃中，需要進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價，并且在省市“雙評價”基礎(chǔ)上應(yīng)該進一步要求分區(qū)規(guī)劃開展小尺度精細化的現(xiàn)狀評價.因此，國土生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價應(yīng)該包括各個尺度，比如大到省市級，也可以小到某一塊場地，如公園，街區(qū)等.城市綠地的碳匯效益是重要的生態(tài)功能，應(yīng)將其考慮進生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價的體系中，形成涵蓋城市規(guī)劃全生命周期，并且包括各個尺度的碳匯量估算體系(圖3).

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中碳匯與規(guī)劃周期結(jié)合Fig.3 Integration of carbon sink and planning cycle in ecosystem services