王 敏 石乔莎

同济大学建筑与城市规划学院景观学系 上海 200092

城镇绿化

城市绿色碳汇效能影响因素及优化研究∗

王 敏 石乔莎

同济大学建筑与城市规划学院景观学系 上海 200092

在快速城市化的进程中，城市生态环境问题日益凸出。如何利用有限的城市绿地空间资源更大地发挥绿色碳汇效能，是改善城市生态环境、促进城市可持续发展的重要问题。文章从植被碳汇、土壤碳汇、水体碳汇3个方面分析城市绿色碳汇效能的影响因素，并进一步从绿地三维生态特征和绿地使用维护特征2个角度探讨城市绿地特征与绿色碳汇效能的相关性及其规划导控要点，提出绿色碳汇效能优化策略，旨在为城市绿地建设实践提供依据。

城市绿地，绿色碳汇效能，影响因素，规划导控，优化策略

0 引言

随着大量人口、产业、交通、建筑在城市高度集中，大量碳排放引发的各类城市生态环境问题日益严峻。“低碳”业已成为可持续发展和新型城镇化道路的必然选择，其核心在于减少碳排放 (减排)和消除碳排放的结果 (增汇)[1]。研究表明，城市作为碳排放的主体，其碳排放量占全球总量的78%[2]；在我国，城市碳排放量占全国总量的比例更是高达90%[3]。作为城市范围内唯一直接增汇、间接减排的要素，城市绿地不仅能够通过植物的栽植进行自然固碳，还能够通过绿地的合理布置减少城市总体能耗，从而达到减排效果。因此，面对土地资源的日益紧张，如何利用有限的城市绿地和绿化空间更大地发挥碳汇效能，是改善城市生态环境、促进城市可持续发展的重要课题。

城市绿色碳汇是指人类活动影响下，城市范围内的绿色植物通过光合作用，将大气中的CO2吸收并固定在植被与土壤当中，主要体现为植被碳汇、土壤碳汇和水体碳汇3种类型[4]。关于城市绿色碳汇的研究国外起步较早，从20世纪70年代起，城市绿地监测成为城市绿地管理的一项基本内容。1991年Rowntree和Nowak对整个美国的城市森林碳储量进行了估算[5]。自此，各种关于城市生态系统碳储量的研究陆续开展。在国内，1996年方精云首次引入生物量模型对我国50年来森林碳库、平均碳密度和CO2源汇功能变化进行了研究[6]，并在此基础上发展了中国陆地生态系统碳循环模型。目前，城市绿色碳汇的研究内容主要涉及大尺度范围内的森林、土壤碳储量及动态变化特征以及个别树种的碳汇研究，整体梳理和系统研究较少[7－10]。

1 城市绿色碳汇影响因素

1.1 植被碳汇影响因素

植被碳汇即城市中的绿化植物所固定、积累的净碳量，是城市绿色碳汇的主体。影响植物固碳能力的因素很多。首先，植物本身的类型、年龄、规格、群落结构等对其固碳能力起决定性作用；其次，大气温度、相对湿度、人为干扰影响以及城市绿地网络的连续性、布局均衡性、结构合理性等，对植物的固碳能力也产生较大影响。

1)植物类型。乔木、灌木、草本和藤本等各类植物单位叶面积年光合总量表现出具体物种间的差异，而非类别间的明显差异。不同类型的植物碳汇能力主要由其生物学特征决定，而环境影响则是次要的。一般而言，植物碳汇能力最强的是乔木，灌木其次，草本和藤本最弱；且乔木碳汇能力远高于灌木、草本和藤本植物。

2)植物年龄与规格。植物碳汇能力一般以生物量来计算[11]。相比之下，幼龄、中龄的植物生长快，生物量增长速度快、增加量大，碳汇能力强。而当植物达到成熟期后，生长变慢，生物量基本稳定，碳汇能力放缓。就目前城市绿地普遍的植物移植现象来说，根据植物的生长规律，胸径10～12 cm的苗木适应能力强，成活率高；而胸径30 cm以上的苗木树龄已大，成长趋于成熟，年生长量小，再生能力差。

3)群落结构。植物在不同的群落结构中表现出的碳汇能力也有一定的区别，合理的群落配置可以有效发挥植物的碳汇能力。一般而言，复层植物群落的碳汇能力优于单层植物群落的碳汇能力。其中乔灌草群落的植物碳汇能力最强；阔叶林植被碳储量一般高于针叶林植被碳储量。

4)大气温度与相对湿度。大气温度、相对湿度对植物光合作用有一定的影响，从而导致碳储量的差异[12]。一般来说，植物进行光合作用会有一个适宜温度，不同植物的光合最适温度不同。例如，三碳植物光合作用的最适温度在25℃左右，四碳植物在35℃左右。最适温度的具体值通常随着植物种类和生长环境的温度而变化[13]。另一方面，湿润的空气 (相对湿度大)能够提高植物叶片的气孔导度，从而提高其光合作用速率[14]。

5)人为干扰。由于地理条件的局限性 (位置、面积等)、环境条件的差异性和人为活动 (踩踏、污染等)等影响，城市植被的碳储量往往小于天然林植被的碳储量。但是合理的管理维护方式又可以为植物提供良好的生长环境，从而提升植被的碳汇能力。研究表明，相比于防护绿地、道路绿地，公园绿地植物种类丰富、群落结构合理、环境条件良好，植物碳汇能力较强，碳储量较大。单位附属绿地涉及的可变条件多，如单位类型、植物配置、养护标准等。因此其植物碳汇能力的研究结果也不尽相同。

6)城市绿地网络的连通性、布局均衡性、结构合理性。城市绿地网络的连通性是影响城市绿地整体生态环境效益的重要因素，能为植被固碳提供更好的环境。城市绿地网络可以很好地引导绿色交通，在一定程度上促进城市交通更为合理地排碳[15]。此外，城市绿地的均衡布局以及结构形态的合理调整，都能更好地发挥城市绿地的冷岛效应，减少建筑能耗，实现绿色交通方面的生态功能等。

1.2 土壤碳汇影响因素

土壤是城市绿色碳汇的重要组成部分，主要指城市绿地范围内的土壤以有机和无机的形式储存碳而形成庞大的碳储库，影响因素主要包括土层深度、建造时间、绿地类型等。其中，城市绿地土壤碳储量垂直变化整体上随土层深度的增加而递减，这与大多数自然土壤类似。例如，上海市区绿地0～10 cm土壤碳密度明显高于10～20 cm土壤碳密度[16]。其次，城市绿地建造时间的长短对土壤碳储量影响很大。一般来说，建造时间越长，绿地中根深叶茂的高大乔木就越多，群落郁闭度高，林下土壤经常保持湿润的环境，使得微生物分解枯枝落叶的活性大大增强，土壤碳密度越高，碳储量越大。第三，不同的绿地类型土壤碳储量差异很大。例如，上海绿地土壤碳储量大小为公园绿地＞街道绿地＞道路绿地[17]，郑州绿地土壤碳储量大小为公共设施绿地＞公园绿地＞居住绿地＞街道绿地[18]。但通过合理的堆积、栽培、管理等，改变城市绿地的土壤层次和结构，能够增强土壤碳汇能力，提升土壤碳储量[19]。例如，福州沿江的芦苇湿地经过改造变为森林、草坪后，土壤碳储量分别增加了 72.0% 和94.8%[20]。

1.3 水体碳汇影响因素

城市的水体碳汇主要指城市湿地通过污泥、水生动植物和水溶解等对CO2的吸收和固定，影响因素包括植物群落、淹水状况、大气温度和土壤养分等。首先，不同的湿地植物群落，碳汇能力不同。例如，在莎草湿地中，肯尼亚莎草群落生物量明显大于其他植物群落[21]，同时还受到温度、光照、降雨等多种环境因子的影响。其次，湿地水位的消涨有助于湿地生态系统内碳的积累，促进湿地生物量增长。消涨频率、时差、强度、季节等都对湿地的碳循环起着重要的作用，长期淹水对于湿地植物和土壤碳库的恢复也有一定的促进作用。第三，湿地碳汇效能与气候变化有显著关系。一般来说，气候温暖的地区湿地碳产量高于气候寒冷的地区，但同时分解也更快。整体上看，湿地碳储量会随温度上升而下降。温度的升高会导致有机碳的矿化，提升有机质的分解率，从而减少碳的积累[22]。此外，湿地土壤中氮、磷等营养物含量的变化对于湿地植物的生长状况、生物量的积累以及土壤矿化过程都有一定的影响。一般来说，适量营养物浓度可以促进湿地生态系统内碳的积累，但过量的养分会导致湿地表现出 “碳源”的特性。

2 城市绿地特征与绿色碳汇效能的相关性

由上文分析可知，城市绿地的植被碳汇、土壤碳汇、水体碳汇效能在很大程度上受绿地三维生态特征、绿地使用维护特征的影响 (表1)，这也是城市绿地发展中优化绿色碳汇效能的规划导控要点。

表1 绿色碳汇效能与城市绿地特征的相关性分析

2.1 绿地三维生态特征

影响城市绿色碳汇效能的绿地三维生态特征包括绿地面积、植物组成结构、竖向层次结构、植物数量和规格、绿化三维体积、叶面积指数、郁闭度等。其中，绿地面积是绿色生物量的基本保证，与植被碳汇量、土壤碳汇量均成正相关。植物组成结构涉及绿地植被种类的选择以及各类型植被之间的比例关系，对植被碳汇效能起决定性作用。乔木的碳汇能力最强，是植被碳汇的主体。多运用适应本土气候、土壤条件的本地植物也可以减少绿化建设及维护成本，降低碳排放。竖向层次结构主要分为单层植物群落和复层植物群落，在小尺度上更能体现绿色碳汇效能的强弱。一般而言，复层植物群落碳汇效能更高，尤其是乔灌草群落。植物数量和规格指乔木棵树及胸径。在乔灌草合理分配的基础上尽可能多地栽植乔木，以中树、大树为主要规格栽植乔木，可以有效增加绿色碳汇量。叶面积指数指单位土地面积上的植物叶片总面积。在一定范围内，植物的生长量随叶面积指数的增大而提高，碳汇量不断增加。当叶面积指数增加到一定的限度后，林间郁闭，导致光照不足、植物光合效率减弱，生长量反而下降，碳汇量也随之减少。绿化三维体积反映绿色植物茎叶所占据的空间大小。与叶面积指数共同构成的绿地三维量值是衡量植被碳汇效能的重要指征[23－24]。郁闭度是绿地林分密度指标，反映绿地中乔木树冠遮蔽地面的程度，与绿地三维生态特征有密切联系。郁闭度越高表示城市绿地林分密度越大，植被碳汇能力越强。但是当郁闭度达到了一定的峰值后，树冠与树冠之间会相互挤压、交叉重叠，从而导致部分枝叶得不到充分阳光而产生病虫害、生物产量降低等问题，直接影响植被碳汇效能。

2.2 绿地使用维护特征

影响城市绿色碳汇效能的绿地使用维护特征包括绿地主导功能、绿地稳定性、绿地小气候、绿化养护管理等。其中，绿地主导功能包括休闲游憩、生态防护、视觉形象等。一般而言，以生态防护为主导功能的绿地碳汇效能高于以休闲游憩、视觉形象为主导功能的绿地。绿地稳定性主要与绿地建成时间的长短有关。绿地建成时间越长，植物群落结构、土壤结构越稳定，绿色碳汇能力越强。绿地小气候主要是指通过小气候营造，可保持绿地小范围内的适宜温度和相对湿度，为绿地中的植物提供良好的生长环境，促进植物的光合作用。绿化养护管理主要是指后期通过合理、正面的人为干预来增强绿地的碳汇效能，如病虫害防治、定期修剪、灌溉技术、植株抽稀、有机肥使用等。

3 城市绿色碳汇效能规划导控与优化策略

3.1 增加三维绿量

首先，合理布局城市绿地空间，改善绿化结构，提高城市绿地率和绿化覆盖率，并且在同等类型、规格树种内选择三维绿量值高的树种为优先，如香樟、雪松、国槐、悬铃木、银杏、广玉兰、桂花等。其次，营造结构复杂、层次多样的植物群落，增加单位绿地空间的三维绿量，同时加强对于绿地三维量值变化的监测，以便及时进行调整。第三，加强墙面绿化、屋顶绿化、棚架绿化、护坡绿化等立体绿化建设。立体绿化植物材料的选择必须根据不同植物本身特有的习性以及对环境条件的不同需求，选择和创造满足其生长的条件，并根据植物的观赏效果和功能要求进行设计。

3.2 甄选植物种类

由于植物的碳汇能力由其生物学特征决定，植物种类的选择非常关键。首先，在规划设计过程中要坚持适地适树原则，尽可能运用本土树种。相对于外来树种，本土树种作为长期演变中形成的地域性植物更容易适应场地环境，快速达到预期的景观效果，而且在维护管理阶段也不需要过多人力、物力的消耗。其次，合理控制乔、灌、草和藤本植物等的种植比例，实现城市绿色碳汇效能各方面综合最优化，尽可能运用碳汇能力强的植物种类，同时注重植物的观赏性、适用性。一般来说，乔木碳汇能力最强，且在碳汇能力上阔叶树＞针叶树，落叶树＞常绿树，速生树＞慢生树，但最终的生物量可能慢生树种为多；大型树种碳汇能力高于小型树种，但树龄、规格均不宜过大；大密度木材树种碳汇能力高于小密度木材树种[25]。

3.3 改善群落结构

合理的植物群落结构配置不仅可以营造良好的植物景观、提升绿地的碳汇效能，也有利于后期维护成本的降低。应依据互补互惠、避免直接竞争等原则，模仿自然植物群落配置，采用以乔木为骨架和木本植物为主体的乔、灌、草复层植物配置模式，合理种植常绿树种，适量种植针叶树种、落叶树种，营造复合的季相和相宜的色彩，使具有不同生态特性的植物能各得其所，充分利用阳光、空气、土地、养分、水分、空间等资源，形成一个和谐有序、长期稳定的 “复层—异龄—混交”立体植物群落。此外，定期对植株进行修剪维护，控制植株密度，形成适宜的郁闭度也是提升城市绿色碳汇效能的关键。一般而言，乔木植株行距应大于5 m。对于纯林植物群落，在长势相似的条件下，相邻树木冠幅间距以2～3 cm为宜；对于塔形树冠的树木，相邻植株冠幅间距以不超过1.5～2.5 cm为宜[26]。若已出现种植过密的现象，则需遵循 “留强去弱、留优去劣”的原则对植株进行抽稀调整。

3.4 营造适宜小气候

小气候营造和改善不仅能够有效降低城市 “热岛效应”，还能在温度、湿度、光照、通风等条件适宜的情况下为植物提供较为稳定、规律的生长环境，有效促进植物的光合作用，如通过地形疏导来组织空气流通，利用植物的季节性变化和种植形式的不同组合满足人们对气候环境的不同需求，利用水体与周围环境的温度差形成小的空气环流从而产生局地微风，以及根据空间的不同功能选择适当的材料及其颜色等[27]。

3.5 优化养护管理

除了前期的规划设计，城市绿地后期的养护管理也非常重要。首先，通过合理的管理措施，防止火灾发生、防治病虫害、降低水蚀和风蚀等，减少生态系统的 “碳泄漏”，维持城市绿色碳储量。其次，辅以一定量合理的人为措施进行退化湿地、草地、土壤等生态系统恢复，在提高生态系统生产力的同时，降低土壤有机质分解和流失的速度，实现碳汇的保护。第三，采用节水、节能、节材型的精细化管理模式。在灌溉系统中应严格规划设计与施工标准，因地制宜选用喷、微、滴、根等高标准灌溉方式。对于新建大型绿地可尝试应用智能化、精准化自动控制灌溉技术，同时充分利用非常规水、化学调控节水等。此外，还应注重太阳能、风能等清洁能源的利用，环境友好材料的使用，建筑材料的循环利用，以及容易收集、运输、加工并回收利用的固体废物再利用[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

国家科技部 “十二五”科技支撑计划 “城镇群高密度空间效能优化关键技术研究”(2012BAJ15B03)

王敏，副教授、博士，主要从事城市景观规划设计教学、实践与研究