碳氧平衡理論在生態(tài)城市規(guī)劃中的應(yīng)用——以貴陽(yáng)市為例

林剛 肖勁松 杜鵬飛 陳敏/ LIN Gang, XIAO Jinsong, DU Pengfei, CHEN Min

1 引言

空氣是人類(lèi)生存不可缺少的物質(zhì)條件之一。按體積算，正常空氣 組 成 中 N2占 78%，O2占 21%，CO2只 占 0.027%。 其 中，CO2和O2含量多少是衡量空氣是否自然、清新的重要指標(biāo)。自然界中CO2的濃度原本比較穩(wěn)定，適合人類(lèi)生存，但從工業(yè)革命以來(lái)，由于工業(yè)的迅猛發(fā)展和人類(lèi)生活方式與土地利用方式的轉(zhuǎn)變，化石能源的消耗劇增，植被大量被破壞，大氣中CO2濃度不斷上升，導(dǎo)致 “溫室”效應(yīng)和全球氣候變暖。碳氧平衡因此而成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)之一。城市是以人類(lèi)及其產(chǎn)業(yè)活動(dòng)為主體而自然植被缺乏的生態(tài)系統(tǒng)?；剂系娜紵蛣?dòng)植物的呼吸，都會(huì)消耗大量的O2、排出大量CO2。而綠色植物則通過(guò)光合作用吸收CO2、釋放O2，自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣中CO2和O2的比例，維持著大氣中的碳氧平衡（蔡春菊等，2004；楊士弘，1996）。城市地區(qū)的碳氧平衡，是指一定地域范圍內(nèi)，城市生態(tài)系統(tǒng)空氣中碳氧的收支狀況、空間分配關(guān)系及其調(diào)節(jié)能力。

2 區(qū)域碳氧平衡的計(jì)算方法

2.1 植被系統(tǒng)固碳和釋氧量的計(jì)算

從固碳釋氧角度而言，植被系統(tǒng)是重要的“碳匯”，也是唯一的“氧源”。植物的固碳、釋氧能力可以用生物量法來(lái)測(cè)算。碳固定量由植被生物量乘以其含碳量計(jì)算而得；氧釋放量則需根據(jù)方程CO2+ H2O = CH2O + O2進(jìn)行計(jì)算。固碳量（Sc）和釋氧量（So）計(jì)算公式為：

式中i為土地類(lèi)型，Ai為第i種土地類(lèi)型面積，bi為第i種土地類(lèi)型單位面積生物量；α、β分別為單位生物量固碳系數(shù)和釋氧系數(shù)。

2.2 碳釋放量和耗氧量估算

城市生態(tài)系統(tǒng)的碳源主要來(lái)自于化石能源的燃燒、人類(lèi)和土壤的呼吸等。碳釋放量的計(jì)算公式如下（管東升，1989）：

① 燃煤的碳釋放量(t/a) = 耗煤量×0.982 ×0.732 57

② 燃油的碳釋放量(t/a) = 耗油量×0.982 ×0.732 57 ×0.813

③ 燃?xì)獾奶坚尫帕?t/a) = 耗氣量×0.982 ×0.732 57 ×0.561

其中，0.982為有效氧化系數(shù)，0.732 57 是標(biāo)準(zhǔn)煤的含碳量，0.813和0.561 分別是在獲得相同熱能的情況下，石油和天然氣釋放的CO2與燃煤所釋放的CO2之比。

④ 人口呼吸釋放的碳量(t/a) = 人口總數(shù)(人)×0.079 (t/a)，其中，0.079 是每人每年呼吸所釋放的碳。

⑤ 土壤呼吸的碳釋放量(t/a) = 每種植被的面積×相應(yīng)植被的土壤平均呼吸速率。

其中，森林的土壤平均呼吸率為6.47 t/(hm2·a) ；疏林和灌木林是 5.67 t/(hm2·a) ；耕地是 5.44 t/(hm2·a)。

城市的耗氧主要是指煤、石油、天然氣等化石能源燃燒耗氧、人呼吸和排泄物（生化物）的耗氧。計(jì)算公式如下（中野尊正等，1986）：

① 燃煤的耗氧量(t/a) = 耗煤量(t/a)×32/12×0.8

② 燃油的耗氧量(t/a) = 耗油量(t/a)×24/7

③ 燃?xì)獾暮难趿?t/a) = 耗氣量(t/a)×160/44

④ 人口呼吸的耗氧量(t/a) = 人口總數(shù)(人)×0.292

⑤ 土壤呼吸的耗氧量(t/a) = 土壤呼吸的碳釋放量(t/a) ×2.667

⑥ 生物化學(xué)耗氧量（t/a）=人口總數(shù)（人）×0.004×365天=人口總數(shù)×0.0146

3 貴陽(yáng)碳氧平衡分析

3.1 研究區(qū)概況

貴陽(yáng)位于貴州省中部，轄六區(qū)（云巖、南明、小河、花溪、烏當(dāng)、白云）、一市、三縣，總面積8034km2，總?cè)丝?60萬(wàn)人。森林覆蓋率達(dá)41.78%，中心城市被兩條林帶所環(huán)抱，綠化率達(dá)40.47%，建成區(qū)人均公共綠地面積9.25m2，中心城區(qū)人均綠地面積5.15m2（2007年），形成了全國(guó)省會(huì)城市中獨(dú)有的森林景觀，享有“國(guó)家森林城市”和“林城”的美譽(yù)。森林成為城市的氣溫調(diào)節(jié)器，使得城市空氣清新。因夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，降水豐沛，貴陽(yáng)又稱“避暑之都”。中心城市周?chē)俺菂^(qū)分布著的眾多山體，成為獨(dú)特的“城中有山，山中有城，城在林中，林在城中”的山水園林城市。目前貴陽(yáng)市正在編制生態(tài)文明城市建設(shè)總體規(guī)劃。

表1 貴陽(yáng)生態(tài)用地類(lèi)型間折算系數(shù)（張穎、王群等，2007）

3.2 貴陽(yáng)植被系統(tǒng)的碳氧計(jì)算

本研究運(yùn)用遙感圖像處理軟件ENVI對(duì)2008年4月8日貴陽(yáng)市的TM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取了市域和中心城市的植被類(lèi)型及分布數(shù)量，并結(jié)合相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料，測(cè)算了貴陽(yáng)市域及中心城市的釋氧、固碳和耗氧、釋碳量。

3.2.1 植被的碳凈固定量和氧釋放量估算

首先按照生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)量，以林地基準(zhǔn)，以不同類(lèi)型生態(tài)用地的生物生產(chǎn)量折算統(tǒng)一核算生態(tài)用地總量，折算系數(shù)見(jiàn)表1。然后，按照各類(lèi)生態(tài)用地面積來(lái)計(jì)算相應(yīng)的固碳量和釋氧量，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，貴陽(yáng)植被系統(tǒng)的年總固碳481.32萬(wàn)t，釋放氧氣1323.46萬(wàn)t；中心城市年總固碳142.12萬(wàn)t，釋放氧氣390.63萬(wàn)t。不論市域還是建成區(qū)，林地和耕地的固碳和釋氧能力都占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，高達(dá)90%以上。

由表3可以看出，貴陽(yáng)總耗氧量2181.14萬(wàn)t/年，其中燃燒煤耗氧占85.47%，石油燃料燃燒耗氧占6.85 %，液化氣燃燒耗氧0.50%，人的耗氧占4.78%，生化物占2.40 %，可見(jiàn)各類(lèi)燃燒是耗氧主體。中心城市的耗氧量占全市總耗氧量的71.72%，碳釋放占70.60%。由此可見(jiàn)，中心城市的耗氧水平和碳釋放水平較高，所占比重也較大，碳氧平衡的重點(diǎn)應(yīng)放在中心城市，一方面需要疏散老城區(qū)人口，加強(qiáng)舊城改造，增加綠地面積；另一方面，依靠城中山體的綠化、環(huán)城林帶和重要生態(tài)廊道，加強(qiáng)建成區(qū)與城鄉(xiāng)結(jié)合部、農(nóng)村地區(qū)和貴陽(yáng)周邊地區(qū)的碳氧交換，降低CO2濃度，增加氧的含量，保持城市空氣清新和舒適的溫度。

3.2.2 碳氧平衡分析

從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，燃煤是貴陽(yáng)最大的碳釋放源，共占市域碳釋放量的90.12%，耗氧量的85.47%；人口呼吸和生化物占全市碳釋放量和耗氧量的比重較小，僅2%~4%左右。貴陽(yáng)全市植被碳凈固定量為481.3萬(wàn)t/a，碳釋放總量達(dá)698.67萬(wàn)t/a，也就是說(shuō)全市碳釋放量是植被固碳量的1.45倍；植被氧氣釋放總量為1323.46萬(wàn)t/a，耗氧總量為2181.14萬(wàn)t/a，即貴陽(yáng)市氧氣消耗量是釋放量的1.65倍，而珠江三角洲地區(qū)為3.4倍(彭江穎，2003)；從中心城市的耗氧和釋氧比來(lái)看，貴陽(yáng)市為4.01，長(zhǎng)沙市為5.63（王永安、恭映壁，2002）。這表明，貴陽(yáng)植被的固碳釋氧能力與CO2釋放水平是不平衡的，建成區(qū)碳氧失衡更為嚴(yán)重；但是，在全球城市都存在碳氧失衡的情況下，貴陽(yáng)中心城市耗氧和釋碳水平較低，凸顯了其森林城市的優(yōu)勢(shì)。

表2 2007年貴陽(yáng)固碳釋氧量

表3 貴陽(yáng)釋碳和耗氧總量

城市是區(qū)域面上的一個(gè)點(diǎn)，其碳氧平衡依賴于同周邊地區(qū)的氣體交換能力。以貴陽(yáng)年平均風(fēng)速2.2m/s進(jìn)行交換，按建成區(qū)平均寬9km、長(zhǎng)15km計(jì)算，每年平均交換空氣3967次，平均每天11次，交換頻率較低，比每天僅有8次的東京要好。雖然一般不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碳氧失調(diào)問(wèn)題，但建成區(qū)建筑過(guò)高、密度過(guò)大，加之綠地少和風(fēng)力小等原因，容易導(dǎo)致中心城區(qū)形成“熱島效應(yīng)”，對(duì)貴陽(yáng)避暑型氣候資源構(gòu)成潛在威脅。

4 結(jié)論與建議

4.1 主要結(jié)論

通過(guò)對(duì)貴陽(yáng)市碳氧計(jì)算結(jié)果分析可知：（1）煤炭、石油、天然氣等化石能源燃燒是貴陽(yáng)釋碳、耗氧的主體，其中，煤炭燃燒是貴陽(yáng)CO2主要的釋放源，也是耗氧的主體；（2）全市整體上處于碳氧失衡，但并不嚴(yán)重，中心城區(qū)相對(duì)突出。這是因?yàn)橘F陽(yáng)為貴州省的省會(huì)城市，是省內(nèi)乃至西南地區(qū)重要的人口、經(jīng)濟(jì)集聚地，也是能源集中消耗區(qū)，建設(shè)用地緊張，建筑密度、人口密度大。與珠三角、南京、長(zhǎng)沙等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和城市相比，貴陽(yáng)碳氧失衡程度較輕，這也凸顯了貴陽(yáng)的森林資源、避暑型氣候等生態(tài)資源在碳氧平衡中的優(yōu)勢(shì)。

4.2 對(duì)策與建議

4.2.1 發(fā)展清潔能源，改變以化石能源占絕對(duì)主導(dǎo)地位的能源結(jié)構(gòu)

煤炭等化石能源的燃燒是導(dǎo)致貴陽(yáng)碳氧失衡的主要原因，因此，貴陽(yáng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市的規(guī)劃、建設(shè)要重視能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能降耗。調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，利用其生態(tài)、氣候、旅游等資源優(yōu)勢(shì)，發(fā)展低能耗的避暑經(jīng)濟(jì)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)。限制高能耗、高污染行業(yè)和企業(yè)的發(fā)展，將中心城市的高能耗、高污染的企業(yè)關(guān)停并轉(zhuǎn)或向郊區(qū)搬遷。利用川氣入黔、中緬油氣管線和珠三角對(duì)西電的依賴減弱等契機(jī)，提高再生能源和清潔能源的比重，加強(qiáng)能源的綜合利用與節(jié)能減排。

4.2.2 優(yōu)化城市空間，構(gòu)建碳氧交換通道，促進(jìn)中心城區(qū)的空氣流通

圖1 中心城區(qū)綠地系統(tǒng)規(guī)劃圖

合理調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)，根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)的方向，形成科學(xué)、合理的城市空間格局。中心城市的發(fā)展重心應(yīng)以西北為主，適當(dāng)向西南拓展，總體上應(yīng)順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)向，保持“東西短，南北長(zhǎng)”的格局，有利于空氣流通，促進(jìn)CO2的稀釋、擴(kuò)散。同時(shí)，加快金陽(yáng)等新區(qū)建設(shè)，疏散老城區(qū)人口，加強(qiáng)舊城改造，增加城市綠地面積；依靠城中山體、環(huán)城林帶和重要生態(tài)廊道，加強(qiáng)建成區(qū)同城鄉(xiāng)結(jié)合部、農(nóng)村地區(qū)和市域周邊地區(qū)的有機(jī)聯(lián)系，形成開(kāi)敞的生態(tài)空間，促進(jìn)碳氧交換，降低CO2濃度，增加氧含量，保持城市空氣清新和舒適的溫度。因此，貴陽(yáng)生態(tài)文明城市總體規(guī)劃中，在中心城區(qū)的綠地系統(tǒng)構(gòu)建上，充分考慮其碳氧平衡功能，形成了三條綠化主軸（圖1）。

4.2.3 合理配置城市綠地系統(tǒng)，增強(qiáng)其碳氧平衡功能

綠地系統(tǒng)作為城市景觀引入的拼塊或廊道，是城市生態(tài)系統(tǒng)中其他動(dòng)物的棲息地或遷移通道，具有增強(qiáng)碳氧平衡、降溫增濕、緩解熱島效應(yīng)和滯留粉塵、凈化空氣等多種生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，對(duì)城市環(huán)境起著過(guò)濾、襯托和美化的作用。因此，城市規(guī)劃中十分重視綠地系統(tǒng)的構(gòu)建。不同植被類(lèi)型的綠地固碳釋氧功能也不相同（席宏正，2005）。因此，貴陽(yáng)市的綠地建設(shè)應(yīng)當(dāng)在提高綠地面積和單位面積綠地植物的生物量、生產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，以鄉(xiāng)土性強(qiáng)的喬灌草結(jié)合為主，適當(dāng)發(fā)展草坪；在老城區(qū)加強(qiáng)立體綠化、分散綠化。

5 討論

隨著現(xiàn)代生態(tài)理論的發(fā)展、全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及城市生態(tài)規(guī)劃與建設(shè)的理論研究和實(shí)踐蓬勃開(kāi)展，城市規(guī)劃正努力改變僅將生態(tài)規(guī)劃作為城市規(guī)劃內(nèi)容的一個(gè)章節(jié)、二者實(shí)質(zhì)上是“兩張皮”的局面，積極探討如何將生態(tài)規(guī)劃的成果引入到城市規(guī)劃的理論與實(shí)踐中，促進(jìn)傳統(tǒng)城市規(guī)劃方法的生態(tài)化轉(zhuǎn)變，以期實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃生態(tài)化和生態(tài)城市規(guī)劃的有機(jī)融合（呂斌、佘高紅，2006）。

從貴陽(yáng)、長(zhǎng)沙、南京（董雅文，1995）和北京（陳自新、蘇雪痕等，1998）等城市將碳氧平衡方法引入到城市規(guī)劃的實(shí)踐來(lái)看，生態(tài)學(xué)上的碳氧平衡測(cè)算，為城市規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)布局、綠地系統(tǒng)的構(gòu)建、生態(tài)景觀建設(shè)和人居環(huán)境的改善提供了科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。在具體的計(jì)算中，植被系統(tǒng)面積資料可以由遙感影像進(jìn)行解譯獲得，也可以直接運(yùn)用國(guó)土部門(mén)提供的土地統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算；建成區(qū)的綠地面積可以采用園林局或城市規(guī)劃管理部門(mén)提供的城市綠地統(tǒng)計(jì)面積來(lái)測(cè)算；測(cè)算城市的耗氧與釋碳所需資料主要來(lái)自于相關(guān)的統(tǒng)計(jì)年鑒。

由于城市在發(fā)展過(guò)程中，原有的城市植被（原生植被、農(nóng)田植被）基本被毀，人口與產(chǎn)業(yè)集聚，因此，城市的碳氧失衡是必然存在的，不可能完全徹底根除這種失衡。但是，通過(guò)碳氧平衡分析，可以揭示城市地區(qū)碳氧的消耗與供給關(guān)系及其地域分配特征，并通過(guò)規(guī)劃或社會(huì)經(jīng)濟(jì)決策行為來(lái)促進(jìn)碳氧的良性循環(huán)，把生態(tài)建設(shè)與污染環(huán)境的綜合整治工作納入城市發(fā)展與建設(shè)的行動(dòng)之中。

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