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    杭州花港觀魚公園森林固碳效益評估

    2018-09-28 09:16:02施健健蔡建國劉朋朋魏云龍
    關(guān)鍵詞:觀魚花港胸徑

    施健健,蔡建國,劉朋朋,魏云龍

    (1.浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院,浙江 杭州311300;2.浙江省林業(yè)勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,浙江 杭州 310020)

    城市是人類文明的重要組成部分,也是人類活動與自然環(huán)境高度復(fù)合的獨特生態(tài)系統(tǒng)[1]。中國的城市化進程不斷加速,隨之也產(chǎn)生了一系列環(huán)境問題,其中以二氧化碳為代表的溫室氣體排放即成為了普遍關(guān)注的熱點。有研究表明,全球城市地區(qū)的溫室氣體排放量達(dá)到了世界總量的80%[2]。周葵等[3]在對中國城市化進程與碳排放量關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn),城市化率的提高將引起碳排放量的增加,當(dāng)城市化率提高1%,碳排放量以1.61%的比率增加。城市作為碳排放的主要區(qū)域正對全球的可持續(xù)發(fā)展提出新的挑戰(zhàn)[4]。森林具有顯著吸收二氧化碳的作用[5],其面積雖然只占陸地總面積的1/3,但森林植被區(qū)的碳儲量幾乎占到了陸地碳庫總量的2/3[6]。低碳城市的建設(shè)呼喚著城市森林。近年來,隨著社會發(fā)展與技術(shù)進步,對城市森林生態(tài)效益的評估研究已經(jīng)由原來的傳統(tǒng)方法,如Council of Tree and Landscape Apprais(CTLA)法、Amenity Valuation of Trees and Wood(AVTW)法、碳稅法、造林成本法等,逐步發(fā)展到計算機模型測算法[7-8]。i-Tree模型是由美國林務(wù)局開發(fā)的一種先進評估工具套裝,主要提供城市林業(yè)分析和生態(tài)效益評估服務(wù),由于其靈活性、準(zhǔn)確性而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本研究以杭州花港觀魚公園作為研究對象,通過i-Tree V 6.0模型Eco模塊分析評估該公園的固碳效益,為城市森林如何發(fā)揮最大的固碳生態(tài)效益提供一定的參考。

    1 研究地區(qū)與研究方法

    1.1 研究區(qū)概況

    杭州市地處中北亞熱帶過渡區(qū),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,溫和濕潤,光照充足,雨水充沛。截至2016年,杭州市城市化率已經(jīng)達(dá)76.2%。杭州市生態(tài)環(huán)境優(yōu)越,全市森林覆蓋率超過65%,建成區(qū)綠化覆蓋率約40%。作為全國首批低碳城市試點之一,杭州早在2008年便出臺了《杭州市建設(shè)低碳城市工作方案》[9]。

    花港觀魚公園為西湖十景之一,位于杭州西湖西南角,總面積約32.8 hm2,是西湖南片的中心景區(qū)。園內(nèi)港汊縱橫,花木繁茂,將中國傳統(tǒng)園林造景藝術(shù)與西方造園手法巧妙結(jié)合,是中國園林規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)的優(yōu)秀典范[10]。

    1.2 調(diào)查方式與內(nèi)容

    參照i-Tree Eco V 6.0用戶手冊,采用每木調(diào)查法對花港觀魚公園內(nèi)的植物現(xiàn)狀進行系統(tǒng)調(diào)查。根據(jù)研究所需數(shù)據(jù),調(diào)查主要包括植物種類、植物數(shù)量、樹木胸徑、樹高、東西冠幅、南北冠幅、枝下高、冠高、健康狀況、冠缺率、樹木生長類型、所測喬木距建筑物的距離等內(nèi)容。

    1.3 固碳功能效益評估方法

    研究通過將前期調(diào)查數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后輸入Excel表格,而后導(dǎo)入至Access數(shù)據(jù)庫中,經(jīng)過格式化處理后保存為mdb格式文件,最后導(dǎo)入i-Tree V 6.0中。根據(jù)杭州市實際情況定義效益成本參數(shù),并依據(jù)就近原則選定位于30.22°N,120.43°E的氣象數(shù)據(jù)定義氣象參數(shù)。在將樹種信息導(dǎo)入i-Tree時,需要根據(jù)Eco模塊樹種目錄 “Specied List”進行匹配。i-Tree Eco計算分析森林固碳效益是利用異速生長方程測量各株樹木的生物量。如果一個樹種沒有與之對應(yīng)的異速生長方程,則可采用同一個屬的生長方程預(yù)測結(jié)果的平均值。如果沒有同一個屬的生長方程,則可采用所有闊葉樹種或者針葉樹種生長方程的平均值。Eco的樹種數(shù)據(jù)庫主要是基于美國16個參考城市(代表美國的16個氣候分區(qū))的樹種信息建立,若花港觀魚公園的樹種在Eco的樹種數(shù)據(jù)庫中沒有相對應(yīng)的樹種,則需要查閱該缺失樹種的屬性值,匹配屬性相近的同屬或同葉型樹種數(shù)據(jù)進去。最后,將所有數(shù)據(jù)發(fā)送至美國林務(wù)局處理中心,經(jīng)過分析處理后,又將分析報告發(fā)還至本地客戶端。分析報告中的固碳結(jié)果最終是以調(diào)查樹木的年固碳量與總碳儲量的形式展現(xiàn)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 公園樹木結(jié)構(gòu)與生物多樣性分析

    i-Tree對城市森林年固碳效益的計算基礎(chǔ)是樹木生長模型,它根據(jù)樹木的屬性自動分析城市樹木吸收二氧化碳和間接減排的效率,并依此計算出各樹木每年的固碳量。根據(jù)碳排放稅征收標(biāo)準(zhǔn),對城市森林碳吸收能力做具體的經(jīng)濟價值估量[7]。因此,最終固碳效益的結(jié)果與城市森林的樹種組成、群落結(jié)構(gòu)、徑級分布、樹冠覆蓋度、樹的健康狀況等都有一定的關(guān)系。

    2.1.1 樹木組成分析 通過調(diào)查花港觀魚公園5 726株樹木分析得出,花港觀魚公園內(nèi)共有119種樹種,分屬43科79屬。其中木犀科Oleaceae,薔薇科Rosaceae,山茶科Theaceae,槭樹科Aceraceae和木蘭科Magnoliaceae所占比例較大,占所調(diào)查樹木總數(shù)的53.68%。公園優(yōu)勢種為桂花Osmanthus fragrans,山茶Camellia japonica,雞爪槭Acer palmatum,水杉Metasequoia glyptostroboides和廣玉蘭Magnolia grandiflora,共計2 386株,占總數(shù)的41.70%。主要樹種數(shù)量及比例如表1所示。由表1得出:花港觀魚公園現(xiàn)有的植物群落總體表現(xiàn)為常綠和落葉相均衡的林相。由調(diào)查可知:公園內(nèi)常綠樹和落葉樹所占比例相近,常綠樹共計2 987株,占總數(shù)的52.17%,落葉樹總計2 739株,占總數(shù)的47.83%。而公園內(nèi)闊葉樹與針葉樹比例則相差較大,闊葉樹共計4 967株,占總數(shù)的86.74%;針葉樹共計759株,僅為總數(shù)的13.26%,兩者相差近7.00倍。花港觀魚公園內(nèi)植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不同層次植物數(shù)量保持和諧的關(guān)系。

    表1 花港觀魚公園主要樹種(株數(shù)>100)Table 1 Main tree species of Hangzhou Huagangguanyu Park (number>100)

    2.1.2 樹木胸徑分布分析 為了便于統(tǒng)計,i-Tree將樹木的胸徑等級劃分為包括<7.60,7.60~<15.20,15.20~<30.50, 30.50~<45.70, 45.70~<61.00,61.00~<76.20,76.20~<91.40, 91.40~<106.70, ≥106.70 cm等9個等級。數(shù)據(jù)顯示,花港觀魚公園內(nèi)樹木的胸徑在7.60~<15.20 cm最多。作為優(yōu)勢樹種的桂花、山茶、雞爪槭胸徑都以<15.20 cm為主,分別占其總數(shù)的67.30%,99.00%和89.60%,這既符合它們本身的生長規(guī)律,同時說明公園方面也在不斷對這些樹種進行更新補充。而整個園區(qū)胸徑在>91.40 cm區(qū)間的樹木約為14株,其中樟樹和楓楊各占了5株,公園最大的樹為1株胸徑110.10 cm的樟樹,所以樟樹、楓楊等樹種構(gòu)成了園區(qū)的骨干樹種。這些樹都是公園50多年歷史的見證,應(yīng)該大力保護。樹木胸徑分布如圖1所示。

    2.1.3 物種多樣性分析 本研究采用物種豐富度指數(shù)Margalef(d)和度量群落優(yōu)勢度的Simpson指數(shù)(D)作為花港觀魚公園物種多樣性的測量指標(biāo)[11]。①物種豐富度指數(shù)dma=(S-1)/lnN。其中:S表示物種數(shù),N表示個體總數(shù)。Margalef指數(shù)反映花港觀魚公園的物種豐富度。通過對數(shù)據(jù)的分析整理,得出本次調(diào)查的花港觀魚公園物種整體豐富度指數(shù)為13.64。對公園內(nèi)85個不同群落類型的樣地分別測算其物種豐富度可以發(fā)現(xiàn),混合型植物群落物種相對單一型植物群落更為豐富,其中常綠落葉闊葉混交型群落的豐富度指數(shù)最高,達(dá)1.75。各群落類型物種豐富度指數(shù)從高到低排序為1.75(常綠落葉闊葉混交型)>1.58(針闊混交型)>1.33(竹闊混交型)>0.89(常綠闊葉型)>0.56(落葉闊葉型)>0.25(針葉型)。②物種多樣性指數(shù)其中:D為Simpson指數(shù),Pi=Ni/N,Ni為第i個物種在群落中出現(xiàn)的個體數(shù)目,N為群落中所有個體的總數(shù)目。Simpson指數(shù)D越小,表示優(yōu)勢度物種越小,也就是豐富度越高。根據(jù)數(shù)據(jù)分析,得出花港觀魚公園的整體Simpson指數(shù)為0.95。對公園內(nèi)85個不同群落類型的樣地分別進行測算,物種多樣性指數(shù)從高到底排序為0.73(常綠落葉闊葉混交型)>0.72(針闊混交型)>0.53(常綠闊葉型)>0.40(竹闊混交型)>0.36(落葉闊葉型)>0.30(針葉型)。

    圖1 花港觀魚公園樹木胸徑分布Figure1 DBH distribution oftreesat Hangzhou Huagangguanyu Park

    2.2 公園固碳效益分析

    樹木通過光合作用將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化有機物并釋放氧氣,這一生理過程是植物固碳釋氧的基本原理,然而城市森林通過吸收二氧化碳直接固碳的量不到城市碳排放量的1%[7]。樹木自身的呼吸作用以及枯枝落葉的腐敗過程都是碳排放的過程[12]。i-Tree Eco正是基于樹木的生長模型,計算樹木吸收大氣中的二氧化碳和改變建筑物中的能源使用而間接減排的碳量,實現(xiàn)對城市森林固碳效益的評估[13]。計算樹木在碳吸收方面的經(jīng)濟價值時采用瑞典碳稅率固碳價格, 即二氧化碳為 1.20元·kg-1[14]。

    2.2.1 年固碳效益分析 城市森林通過直接吸收以及間接減排來減少大氣中的碳含量,這個數(shù)值會隨著樹木的大小和健康而變化,一般來說每年固碳量都會增加。運用i-Tree模型對花港觀魚公園5 726株樹木2016年固碳效益進行評估,得出公園年固碳量約54.95 t·a-1,效益約6.59萬元·a-1;全園單株樹木年固碳量平均約 9.60 kg·株-1·a-1, 效益約 11.52 元·株-1·a-1。 以單株樹木進行比較, 懸鈴木Platanus acerifolia的年固碳量最高,單株年固碳量達(dá) 46.47 kg·株-1·a-1,平均固碳效益約 55.61 元·株-1·a-1。公園年固碳量前10位的樹種還包括楓楊Pterocarya stenoptera,麻櫟Quercus acutissima,連香樹Cercidiphyllum japonicum,樟樹,薄殼山核桃Carya illinoensis,槲樹Quercus dentata,合歡Albizia julibrissin,白櫟Quercus fabri, 構(gòu)樹Broussonetia papyrifera。 這 10 種樹木單株年加權(quán)平均固碳量達(dá) 35.09 kg·株-1·a-1。 通過與其他樹種比較可以發(fā)現(xiàn),這些樹以大樹居多。由調(diào)查數(shù)據(jù)計算得到,全園樹木平均胸徑約20.52 cm,這10種樹木的平均胸徑則達(dá)47.50 cm,固碳效益最高的懸鈴木單株樹平均胸徑更是達(dá)到了最高的62.93 cm。基于此,根據(jù)花港觀魚公園樹木實際情況,定義胸徑≥30.00 cm的樹木為大樹。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計符合要求的大樹占全園樹木的24.54%,約1 405株。2016年公園大樹的固碳量約32.15 t·a-1,占全園年固碳量的58.51%,單株年固碳量達(dá)22.89 kg·株-1·a-1,是全園樹木平均數(shù)據(jù)的2.38倍。由此可見,大樹的固碳能力較其他樹木強。公園樹木年固碳量前10位的樹種如圖2所示。為了減少胸徑個體差異對固碳結(jié)果的影響,根據(jù)上文所劃分的胸徑等級,將全園樹木分為9組,分組篩選出年固碳量≥全園樹木平均值(9.60 kg·株-1·a-1)且各組排名前10位的樹種。不同胸徑組樹木年固碳量前10位的樹種如表2所示。將表2中出現(xiàn)的樹種名的頻率進行統(tǒng)計,得到出現(xiàn)頻率最高的8個樹種依次為樟樹、楓楊、廣玉蘭、垂柳、薄殼山核桃、白櫟、麻櫟、無患子,因此,可以認(rèn)為這8種樹種的年固碳能力較強。年固碳效益最低的樹種為蒲葵Livistona chinensis和棕櫚Trachycarpus fortunei,這2種植物的單株樹年固碳量平均僅為0.75 kg·株-1·a-1, 效益約 0.90 元·株-1·a-1。 這主要是由于棕櫚科Palmae植物生長速率相對較慢,生理代謝速度也相應(yīng)較慢,因此,公園內(nèi)配置棕櫚科植物時,尤其在杭州地區(qū),需要考慮此因素。

    圖2 花港觀魚公園年固碳量前10位的樹種Figure 2 Top 10 trees of annual gross carbon sequestration at Hangzhou Huagangguanyu Park

    表2 花港觀魚公園各胸徑等級年固碳量≥9.60 kg·株-1·a-1且排名前10位的樹種Table 2 Top 10 tree species of annual gross carbon sequestration (while ≥ 9.60 kg·tree-1·a-1) in every DBH grades at Hangzhou Huagangguanyu Park

    2.2.2 碳儲量效益分析 隨著樹木的生長,越來越多的碳被儲存在樹體中,但不同的樹木所能儲存的最大碳量是有差異的。i-Tree模型通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以及生物量計算方程計算樹木地上和地下部分的生物量,以此分析樹木的碳儲量。NOWAK[15]曾發(fā)現(xiàn),城市開放栽植的樹木所固定的碳量往往比森林衍生生物量方程所預(yù)測的要少。為了減小誤差,模型將生物量計算方程的計算結(jié)果乘以相對誤差比0.8進行調(diào)整。而碳儲量則是通過計算得到的生物量乘以轉(zhuǎn)化系數(shù)0.5得到。通過模型分析,花港觀魚公園內(nèi)5 726株樹木的碳儲量約為806.90 t,效益約968.28萬元,全園單株樹木平均碳儲量約140.92 kg·株-1,效益約169.10元·株-1。以單株樹木進行比較,懸鈴木的平均碳儲量最高,達(dá)1 400.59 kg·株-1,效益約1 680.71元·株-1。公園單株平均碳儲量較高的樹還包括楓楊,連香樹,樟樹,麻櫟,合歡,薄殼山核桃,泡桐Paulownia fortunei,香椿,白櫟。與年固碳量類似的是,大樹的碳儲量仍然較高,這主要由于大樹體積大,生物量含量高,樹體內(nèi)儲存的碳量也相應(yīng)較高。因此,公園在日常管理中,要格外注意大樹的科學(xué)養(yǎng)護。花港觀魚公園平均碳儲量最高的10種樹如圖3所示。

    2.3 不同地區(qū)固碳量比較評估

    i-Tree Eco V 6.0提供了該模型對部分北美城市森林固碳量進行評估的數(shù)據(jù)。不同地區(qū)固碳量比較如圖4所示。由圖4可知:這些地區(qū)的城市森林樹木年固碳量為4.44 kg·株-1·a-1,最高的波士頓為8.03 kg·株-1·a-1, 花港觀魚公園為 9.60 kg·株-1·a-1, 水平最高; 12 個北美城市的樹木單株加權(quán)平均碳儲量為128.93 kg·株-1, 最高的波士頓為 244.29 kg·株-1, 花港觀魚公園為 140.92 kg·株-1, 處于中等偏上水平。由此可見,花港觀魚公園樹木的固碳量較高。

    3 結(jié)論與討論

    3.1 結(jié)論

    采用每木調(diào)查法對杭州花港觀魚公園內(nèi)的所有喬木以及符合測量條件的灌木進行相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)查研究,總計調(diào)查園內(nèi)樹木5 726株,隸屬于43科79屬119種,植物群落總體表現(xiàn)為常綠和落葉相均衡的林相。公園內(nèi)大部分樹木的胸徑集中在7.60~<15.20 cm,胸徑分布總體呈現(xiàn) “中間多,兩邊少”的趨勢。公園的Margalef指數(shù)為13.64,Simpson指數(shù)為0.95,表明杭州花港觀魚公園樹種豐富度水平較好,樹種多樣性水平較優(yōu)異。對不同群落類型樣地的多樣性進行分析,則發(fā)現(xiàn)混合型植物群落物種相對單一型植物群落更為豐富。

    應(yīng)用i-Tree模型對杭州花港觀魚公園固碳效益進行評估可知:杭州花港觀魚公園2016年固碳量約54.95 t·a-1,生態(tài)效益約6.59萬元·a-1;總碳儲量約806.90 t,生態(tài)效益約968.28萬元。其中懸鈴木的固碳量最大, 年固碳量達(dá) 46.47 kg·株-1·a-1, 效益約 55.61 元·株-1·a-1; 平均碳儲量達(dá) 1 400.59 kg·株-1·a-1,效益約1 680.71元·株-1·a-1。大樹(本研究定義胸徑≥30.00 cm的樹木)的固碳能力要強于其他樹木,數(shù)量占全園樹木24.54%的大樹年固碳量約占全園總量的58.51%,年固碳量達(dá)22.89 kg·株-1·a-1,是全園樹木平均數(shù)據(jù)的2.38倍。除去胸徑大小對固碳量的影響,發(fā)現(xiàn)固碳能力較強的樹種為樟樹、楓楊、廣玉蘭、垂柳、薄殼山核桃、白櫟、麻櫟和無患子。

    圖3 花港觀魚公園平均碳儲量前10位的樹種Figure 3 Top 10 tree species ofcarbon storage atHuagangguanyu Park

    圖4 不同地區(qū)樹木固碳量比較Figure 4 Comparison of trees’carbon content in different regions

    3.2 討論

    杭州花港觀魚公園植物個體的固碳能力較強,這與公園樹木整體分布均勻,群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,管理養(yǎng)護科學(xué),各層次植物保持和諧發(fā)展密不可分,如此才能收獲長期的固碳效益和景觀效益。在建設(shè)固碳高效的城市森林時,應(yīng)考慮選擇固碳能力較強的樹木作為骨干樹種,例如樟樹、楓楊、廣玉蘭等,再結(jié)合植物配置要求,配置大樹以及其他層次植物,形成固碳效益與景觀效益俱佳的城市森林。

    本研究通過運用目前在生態(tài)效益評估領(lǐng)域國際領(lǐng)先的i-Tree軟件,針對花港觀魚公園的生態(tài)環(huán)境和固碳價值做了一次有益的探索與嘗試。然而由于模型內(nèi)的部分參數(shù)是基于美國本土的生態(tài)環(huán)境及價值取向而確定的,因此會對研究結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響。這體現(xiàn)在樹種匹配上,當(dāng)公園內(nèi)的樹種在Eco的樹種數(shù)據(jù)庫中沒有對應(yīng)樹種時,通過缺失樹種的屬性匹配相類似的樹種是存在一定誤差的。再者,本研究只對公園內(nèi)的大型喬木或者小喬木進行了相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)查與研究,沒有對公園內(nèi)的灌木以及草本等植物進行數(shù)據(jù)調(diào)查與統(tǒng)計,這對公園固碳效益的評估會有一定的影響;除去植物群落結(jié)構(gòu)以外,杭州花港觀魚公園內(nèi)存在著一定量的草地以及水體,這些公園內(nèi)的基本元素構(gòu)成對于固碳效益應(yīng)有其相應(yīng)的價值體現(xiàn)。城市森林的許多屬性與特征都會直接影響其結(jié)構(gòu)和功能,本研究考慮其結(jié)果由同一軟件評估得出,即采用相同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型以及算法,故而將杭州花港觀魚公園的固碳量同北美部分地區(qū)進行了簡單的橫向數(shù)據(jù)比較,旨在提供一定參考,并不能完全反映地區(qū)之間城市森林固碳能力差異??偟膩碚f,本研究對杭州花港觀魚公園固碳效益評估的研究還有很多需要改進的地方。希望以此為起點,為今后城市森林固碳效益研究提供一定的參考,更好地服務(wù)中國的固碳效益評估研究。

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