基于“雙碳”目標(biāo)的城市綠化樹種篩選及配置研究
——以上海世博公園為例

羅玉蘭 張冬梅 張 浪 陳香波

LUO Yulan ZHANG Dongmei ZHANG Lang* CHEN Xiangbo

（上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，城市困難立地生態(tài)園林國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家林業(yè)和草原局城市困難立地綠化造林國家創(chuàng)新聯(lián)盟，上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232）

( Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning, Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Ecological Landscaping of Challenging Urban Sites, National Innovation Alliance of National Forestry and Grassland Administration on Aんorestation and Landscaping of Challenging Urban Sites, Shanghai Engineering Research Center of Landscaping on Challenging Urban Sites, Shanghai, China, 200232 )

城市綠地系統(tǒng)是城市內(nèi)唯一的自然碳匯，對大氣中CO2濃度的變化起到了不可忽視的作用。以上海世博公園為例，探討不同群落類型、結(jié)構(gòu)及其組成樹種的碳匯能力，分析影響群落碳儲量的關(guān)鍵因子。結(jié)果表明：調(diào)查樣地內(nèi)喬木17科27屬30種，灌木和藤本植物28科51屬62種，地被草本植物9種；2017年、2018年的總碳儲量和平均碳密度分別為388.91 t、80.53 t/hm2和399.82 t、94.08 t/hm2，公園內(nèi)樹種較豐富，碳儲量逐年增加。以闊葉林或針葉闊葉林為主的喬木層與灌木層復(fù)層配置，闊葉樹種與針葉樹種混合配置，增加群落的固碳作用。單株碳儲量依次為香樟（654.35±84.13 kg）、黃連木（631.47±52.53 kg）、榔榆（538.47±40.35 kg）、重陽木（435.50±62.25 kg）、櫸樹（386.76±36.83 kg）；以香樟（25號、48號）為主要建群種的群落碳密度最高，香樟純林、香樟+榔榆+楓楊、香樟+樸樹+烏桕、香樟+榔榆的碳密度年增量較大。與群落配置相關(guān)的6個(gè)因子對群落碳密度貢獻(xiàn)率從大到小依次為：喬木層樹齡（31.44%）、種植密度（25.66%）、喬木層種類（11.95%）、配置結(jié)構(gòu)（10.52%）、物種豐富度（10.50%）、立地類型（9.92%）。城市綠化中的植物群落配置應(yīng)從樹種、群落密度、群落結(jié)構(gòu)等方面綜合考慮，提升城市綠地碳匯效益和能力。

城市綠化；優(yōu)良固碳樹種；群落配置；碳匯能力

2020年9月，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出，中國將采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這是應(yīng)對全球氣候變化的綠色低碳轉(zhuǎn)型大方向。目前，國家層面的“雙碳”行動方案已在制定過程中，各行、各地也正積極謀劃2030年前的“碳達(dá)峰、碳中和”行動方案[1-3]。2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會議將“開展大規(guī)模國土綠化行動，提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力”作為“碳達(dá)峰、碳中和”的內(nèi)容，并納入了“十四五”開局之年中國經(jīng)濟(jì)工作重點(diǎn)任務(wù)。整個(gè)綠化工作將由過去注重?cái)?shù)量向數(shù)量和質(zhì)量并重轉(zhuǎn)變[4]。

隨著城市化進(jìn)程的加快，CO2排放量的80%以上均來自于城市及周邊地區(qū)[5]。城市綠地系統(tǒng)是城市內(nèi)唯一的自然碳匯，在低碳城市發(fā)展過程中扮演重要且無可替代的角色[6]。2005年，全球碳計(jì)劃（Global Carbon Project，GCP）發(fā)起城市與區(qū)域碳管理（Urban and Regional Carbon Management，URCM）研究計(jì)劃推動了城市碳過程的研究。Konijnendijk發(fā)現(xiàn)區(qū)域的固碳能力受該區(qū)域綠地和樹木數(shù)量影響，一個(gè)樹木茂盛的社區(qū)固碳能力可達(dá)17 t/hm2[7]。李怒云等研究認(rèn)為森林每生長1 m3木材，約可以吸收CO21.83 t[8]，經(jīng)測算，每人每年栽上3棵樹，就可以吸收個(gè)人當(dāng)年在基本生活過程中排放的CO2，從而實(shí)現(xiàn)“零排放”。

為了在有限的城市空間范圍內(nèi)發(fā)揮綠地更大的碳匯效能，除了宏觀層面通過國土空間綠地規(guī)劃增加綠化覆蓋率和綠量以外，更要從微觀層面的植物固碳能力、群落結(jié)構(gòu)等角度考慮。目前，中國對碳匯的研究主要集中于林業(yè)方面，從不同尺度開展了碳匯樹種選擇、森林碳匯計(jì)量、森林碳匯能力評價(jià)、森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量等研究[9-14]，而關(guān)于城市綠地碳匯中群落配置方面的研究較少[15-17]。文章以上海世博公園為例，探討不同類型、結(jié)構(gòu)群落及其組成樹種的碳匯能力，分析影響群落碳儲量的關(guān)鍵因子，并對其樹種選擇和配置提出優(yōu)化方式，為今后城市綠化行業(yè)固碳樹種推薦和低碳園林設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

調(diào)查區(qū)域?yàn)樯虾Ｊ啦┕珗@，位于黃浦江東岸與浦明路之間，呈東西走向，西至倪家浜，東接世博園區(qū)廣場，長度約1.5 km，總面積約29 hm2，綠化覆蓋率約為51.8%，是上海世博園區(qū)的核心綠地和黃浦江兩岸重要的濱江景觀帶。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方調(diào)查

以張冬梅等[18]劃分的上海世博公園64個(gè)樣地為基礎(chǔ)（圖1），其中無生長量異速方程式或調(diào)查面積小于100 m2的4個(gè)樣地未列入統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。于2017、2018年連續(xù)調(diào)查樣地內(nèi)的喬木種類、數(shù)量、胸徑、高度和冠幅，灌木種類、平均高度和面積、地被，以及草本植物的種類和蓋度。

圖1 研究區(qū)及64個(gè)調(diào)查樣地Fig.1 Study area and 64 investigation plots

1.2.2 碳儲量估算方法

喬木采用生物量法，通過文獻(xiàn)檢索等方式獲得每個(gè)樹種的單木生物量異速生長方程[19]，計(jì)算單株喬木的生物量，見公式（1）。

式中，W為生物量，a、b為方程中的估算參數(shù)，D為胸徑或地徑（cm），H為樹高（m）。

灌木、藤本和草本采用樣方收獲法，設(shè)置一個(gè)1.0 m×1.0 m的樣方，收獲樣方內(nèi)的灌木或草本，將其烘干稱重，即為單位面積內(nèi)的生物量。

按喬木、灌木、藤本和草本4類將樣地內(nèi)所有植物的生物量相加，進(jìn)而得到總生物量（B）。通過生物量乘以含碳系數(shù)，計(jì)算樣地碳儲量，見公式（2）。

式中C為碳儲量（t），B為總生物量（t），Cc為含碳率。為了提高碳儲量的計(jì)算精度，分別采用不同的含碳系數(shù)[20]估算其碳儲量，其中針葉喬木為0.5265、落葉喬木為0.4622、灌木和藤本為0.4593、地被草本植物為0.3713。通過碳儲量除以樣地綠化面積，計(jì)算樣地碳密度，見公式（3）。

式中Cp為碳密度（t/hm2），C為碳儲量（t），S為樣地綠化面積（hm2）。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

通過DPS15.1采用單因素方差分析方法對60個(gè)樣地、樹種的指標(biāo)進(jìn)行差異性分析，利用相關(guān)性分析研究碳密度與樹種類型、種植密度、配置形式之間的關(guān)系。對存在顯著相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行逐步回歸分析，分析影響群落碳儲量的關(guān)鍵配置因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 上海世博公園群落結(jié)構(gòu)特征及碳儲量

從表1可以看出，60個(gè)樣地內(nèi)喬木樹種共有17科27屬30種，其中落葉樹種與常綠樹種比例為7∶3，闊葉樹種與針葉樹種比例為9∶1，落葉闊葉樹種在上海世博公園內(nèi)占有絕對優(yōu)勢。喬木樹種在樣地中出現(xiàn)頻次由高到低依次為香樟（Cinnamomum camphora，45.31%）、榔榆（Ulmus parvifolia，29.68%）、樸樹（Celtis sinensis，25.00%）、銀杏（Ginkgo biloba，18.75%）、 池 杉（Taxodium ascendens，17.18%）。以常綠和落葉樹種構(gòu)成的群落有36個(gè)，平均種植密度為210.67株/hm2。喬木層下灌木和藤本植物共有28科51屬62種，地被和草本植物有9種，組成的喬灌（草）群落48個(gè)。從2017年、2018年調(diào)查樣地的總碳儲量和平均碳密度來看，2017年估算為388.91 t、80.53 t/hm2，2018年估算為399.82 t、94.08 t/hm2，上海世博公園的碳匯能力處于逐年增加階段。60個(gè)樣地之間的碳儲量差異較大，連續(xù)兩年的碳密度增量范圍為0.07～87.34 t/hm2（圖2），其中25號、48號以香樟為主要建群種的群落碳密度最 高，2017年為591.03 t/hm2、389.61 t/hm2，2018年為678.36 t/hm2、464.83 t/hm2，兩個(gè)樣地的年增量也處于最高水平，為87.33 t/hm2、75.22 t/hm2；37號櫻花林群落碳匯量最低，兩年的平均碳密度為1.01 t/hm2、1.08 t/hm2，增量為0.07 t/hm2。

表1 上海世博公園內(nèi)植物種類Tab. 1 Plant species of Shanghai Expo Park

圖2 2017 — 2018年60個(gè)樣地的碳密度年增量Fig.2 Annual increment of carbon density in 60 plots in 2017 — 2018

2.2 不同樹種組成對群落碳儲量的影響

對23個(gè)主要喬木樹種的碳匯能力進(jìn)行比較，從圖3可以看出，單株碳儲量最大的為香樟（654.35±84.13 kg），其次為黃連木（Pistacia chinensis，631.47±52.53 kg）、榔榆（Ulmus parvifolia，538.47±40.35 kg）、 重陽木（Bischo fia polycarpa，435.50±62.25 kg）、 櫸 樹（Zelkova schneideriana，386.76±36.83 kg）， 除了香 樟為常綠闊葉樹以外，其余均為落葉闊葉樹種。單株碳儲量最小的為櫻花（Prunus serrulata，45.57 kg），廣玉蘭（Magnolia Grandiflora）、白玉蘭（Magnolia denudata）、三角楓（Acer buergerianum）、柿 樹（Diospyros kaki）、 落 羽 杉（Taxodium distichum）、杜英（Elaeocarpus decipiens）、女貞（Ligustrum lucidum）、銀杏的單株碳儲量均低于100 kg。另外，碳儲量較大的樹種胸徑均達(dá)到了25 cm以上，樹種碳儲量與胸徑之間的相關(guān)系數(shù)（r）為0.806。

圖3 23個(gè)喬木樹種的平均胸徑和碳儲量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Average diameter and carbon storage of 23 tree species

30個(gè)喬木樹種組成了5類不同結(jié)構(gòu)的群落（表2），調(diào)查的樣地中以闊葉林+灌木為主，占57.05%。其中碳密度年增量最大的群落類型為針闊混交林+灌木，2017年、2018年的碳密度為83.60 t/hm2、106.52 t/hm2，其碳密度年增量（22.92 t/hm2）與其他類型群落達(dá)到了極顯著性差異。以闊葉林或針葉闊葉林為主的喬木層與灌木層形成多層的植物群落結(jié)構(gòu)，其碳密度均比單一喬木層的高，同時(shí)闊葉樹種與針葉樹種混合配置，對群落的固碳效益也起到一定的提升作用。

表2 不同群落類型的碳密度比較Tab.2 Comparison of carbon density in different community types

所調(diào)查的樣地中，29個(gè)群落的喬木層均有香樟，并分別與除了柳樹（Salix babylonica）、杜英、三角楓以外的其他19個(gè)樹種組成了不同類型的喬木冠層。從圖4可以看出，以香樟純林組成的群落平均碳密度較高，2017年、2018年分別為333.57 t/hm2、391.28 t/hm2；與香樟混交的群落碳密度較低，在100 t/hm2左右，并且隨著喬木層構(gòu)成的種類數(shù)量增加碳密度減少。

圖4 喬木種類數(shù)量對群落碳密度的影響Fig.4 Effects of tree species number on community carbon density

以2～3個(gè)樹種構(gòu)成的香樟混交林中，主要是榔榆、懸鈴木（Platanus Orientalis）、樸樹、楓楊（Pterocarya stenoptera）、烏桕（Sapium sebiferum）等樹種，從表3可以看出，兩個(gè)樹種組成的群落碳密度從大到小依次為：香樟+榔榆、香樟+懸鈴木、香樟+樸樹，與單株碳儲量大小排序相一致，不同樹種的配置比例對其影響不大。三個(gè)樹種組成的群落中，香樟+榔榆+楓楊、香樟+樸樹+烏桕的碳密度年增量均高于其他6個(gè)混交群落。

表3 不同樹種組成對群落碳密度的影響Tab. 3 Effects of different tree species on community carbon density

2.3 不同立地條件對群落碳匯功能的影響

上海世博公園處于城市中心區(qū)、黃浦江南岸，為典型的城市濱岸帶綠地。園中植物與道路建筑、水體結(jié)合布置，根據(jù)群落功能、空間性質(zhì)將調(diào)查的60個(gè)樣地劃分成為濱岸帶綠化、道路綠化（主干道、綠道）、構(gòu)筑物周圍綠化4大類型。從圖5可以看出，碳密度從大到小依次為：構(gòu)筑物周圍、濱岸帶、道路（主干道）、道路（綠道），但不同類型之間沒有顯著性差異。

圖5 不同立地類型對群落碳密度的影響Fig. 5 Effects of different site types on community carbon density

2.4 影響群落碳密度的關(guān)鍵性因子分析

從表4可以看出，與群落配置相關(guān)的6個(gè)因子對群落碳密度貢獻(xiàn)率從大到小依次為：喬木層樹齡、種植密度、喬木層種類、配置結(jié)構(gòu)、物種豐富度、立地類型，其中喬木層樹齡（31.44%）和種植密度（25.66%）的貢獻(xiàn)率占到一半以上，與群落碳密度達(dá)到顯著性差異；其他4個(gè)因子之間的貢獻(xiàn)率差異不大，為9.92%～11.95%。

表4 群落配置關(guān)鍵因子間的相關(guān)性Tab. 4 Correlation of key factors of community configuration

3 結(jié)論與討論

3.1 優(yōu)良固碳樹種的選擇

植物通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳（CO2），并將其作為碳存儲在體內(nèi)的不同部位，如莖、枝、葉等，從而成為CO2吸收庫。一般將植物吸收大氣中CO2的過程，稱為“固碳”。目前，對單一植物碳儲量的衡量主要依據(jù)同化量法、生物量法或蓄積量法。王麗勉等[21]根據(jù)單位葉面積固碳釋氧量對上海地區(qū)151種植物進(jìn)行分級，認(rèn)為CO2固定量大于12 g/m2d、O2釋放量大于8.7 g/m2d的固碳能力最強(qiáng)。張嬌等[22]比較了浙北30種喬木的光合凈同化量，認(rèn)為香樟、垂柳、碧桃等固碳能力較強(qiáng)。方艷輝[23]通過對上海25種常見灌木一年生枝條生物量的分析，計(jì)算單位體積的一年枝的碳儲量，比較得出金絲桃的單位體積碳儲量最大，并建立灌木一年生枝生物量與冠幅和樹冠體積的生物量模型。陳婷婷等[24]采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法對廣州天河區(qū)5條主要道路行道樹碳儲量進(jìn)行估算，胸徑25±5 cm的大葉榕單株生物量、單株碳儲量均最高。

但是，由于中國在估算植物固碳量方面的核算方法不統(tǒng)一、測定誤差大、考慮不充分等問題[17]，無法對單一樹種的固碳能力進(jìn)行比較。近幾年，林瑋等[25]采用層次分析法構(gòu)建了碳匯樹種評價(jià)體系和評分標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮樹高、胸徑、冠幅以及各器官的含碳量，從52個(gè)樹種中評選出8個(gè)優(yōu)良碳匯樹種。韓煥金[26]對哈爾濱市20種園林植物的葉面積進(jìn)行測算，得出其葉面積指數(shù)、耐蔭參數(shù)、固碳釋氧量，通過聚類分析法得出生態(tài)優(yōu)化效益較高的優(yōu)勢樹種、灌木種。

葉榕標(biāo)等[9]認(rèn)為提高樹種的固碳能力應(yīng)優(yōu)先選擇吸收固定CO2能力強(qiáng)、優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種、穩(wěn)定性和抗逆性強(qiáng)的樹種。但對于城市綠化樹種，還要應(yīng)遵循以下原則：

（1）選擇生長速度快的闊葉樹種，以增加單位面積碳密度。通過生物量法對上海世博公園內(nèi)的23個(gè)主要喬木樹種的碳儲量進(jìn)行比較，單株碳儲量由高到低依次為香樟（654.35 kg）、黃連木（631.47 kg）、榔榆（538.47 kg）、重陽木（435.50 kg）、櫸樹（386.76 kg）等闊葉樹種。在城市綠地群落中，生長期較長、生長速度較快的成年樹固碳釋氧效益更高[27]。

（2）選擇樹種胸徑在25 cm左右的喬木樹種，有效提升城市綠地的碳匯能力。樹木的碳儲量會隨著樹齡的增加而增加，當(dāng)樹木胸徑從6 cm生長到13 cm時(shí)，樹木的碳儲量增加幅度??；當(dāng)樹木胸徑從13 cm左右生長到22 cm左右，進(jìn)入旺盛期的樹木年固碳量最大[28]。

（3）選擇易養(yǎng)護(hù)的樹種，減少后期的養(yǎng)護(hù)管理，如修剪、施肥等對碳儲量的影響。草坪修剪、樹木修剪、施肥與灌溉所產(chǎn)生的碳排放量比例為56%、38.4%、0.06%[29]。因養(yǎng)護(hù)管理而產(chǎn)生的年碳排量約37.0～264.9 t/hm2[30]。

3.2 植物群落配置及優(yōu)化

上海世博公園內(nèi)樹種較豐富（圖6），調(diào)查的60個(gè)樣地中，喬木17科27屬30種，灌木和藤本植物28科51屬62種，地被和草本植物9種。2017年、2018年總碳儲量和平均碳密度分別為388.91 t、80.53 t/hm2和399.82 t、94.08 t/hm2。比較美國市區(qū)范圍內(nèi)單位樹木覆蓋面積（2005年）碳密度（均值為77 t /hm2）[31]，上海世博公園的碳匯能力較高，且呈逐年增加的趨勢。

圖6 上海世博公園內(nèi)的植物群落類型Fig.6 Plant community types of Shanghai Expo Park

受植物群落配置內(nèi)在因素，包括樹種組成、樹木規(guī)格、群落結(jié)構(gòu)等，以及立地條件和人為干擾等外界因素影響，即使在同一城區(qū)，不同功能區(qū)內(nèi)綠地植被碳儲量也相差懸殊。本研究調(diào)查的60個(gè)樣地之間的碳儲量差異也較大，碳密度年增量范圍為0.07～87.34 t/hm2。城市綠地如能得到適當(dāng)改良、保護(hù)，可以大大促進(jìn)綠地的固碳能力[32]。通過相關(guān)性分析，6個(gè)與群落配置有關(guān)因子對群落碳密度貢獻(xiàn)率從大到小依次為：喬木層樹齡（31.44%）、種植密度（25.66%）、喬木層種類（11.95%）、配置結(jié)構(gòu)（10.52%）、物種豐富度（10.50%）、立地類型（9.92%）。因此，除了選擇固碳量較大樹種外，應(yīng)考慮從群落密度、喬木層種類和結(jié)構(gòu)等方面增加綠地群落的碳匯能力。

（1）適當(dāng)增加群落內(nèi)喬木樹種的栽植密度。植物群落的樹木栽植密度與其整體碳匯能力具有一定的關(guān)聯(lián)，300～450株/hm2栽植密度范圍內(nèi)的植物群落固碳效益最高[33]。由于老樹和成年樹本身儲存的碳量高，而幼樹則每年吸收的碳多，將不同樹齡的樹木進(jìn)行混栽，可以保持植物固碳的穩(wěn)定性[34]。

（2）構(gòu)建喬灌草復(fù)層、針闊葉混交的植物群落。許多研究表明，植物群落單層結(jié)構(gòu)不利于增加綠地單位面積的碳儲量。植物群落層次越復(fù)雜，固碳效果越好，植物群落密度越高，碳匯功能越強(qiáng)[35]。從植物特性考慮，固碳能力分別由高到低為喬木＞灌木＞地被及草本植物、落葉植物＞常綠植物[36]、闊葉林＞針闊混交林＞針葉林[37]。上海世博公園植物群落以闊葉林+灌木為主，占57.05%，年增量最大的群落類型為針闊混交林+灌木，適量增加針葉樹種，并與闊葉樹種混合配置，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、物種多樣，能增加群落的固碳效益。

《上海市生態(tài)空間專項(xiàng)規(guī)劃》作為實(shí)施“上海2035”的重要市級專項(xiàng)規(guī)劃，核心任務(wù)是推動生態(tài)之城的目標(biāo)落地，助力上海構(gòu)建與“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展要求相匹配的空間治理格局。城市生態(tài)綠化雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)既要關(guān)注人均綠地率、綠化覆蓋率、樹種多樣性等指標(biāo)的數(shù)量變化，也要關(guān)注城市綠地、植物群落等空間格局的變化。加強(qiáng)優(yōu)良固碳樹種的引進(jìn)及選育，特別從觀花、觀葉等“彩化”方面選育。建立單個(gè)樹種的碳儲量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對氣候條件、土壤特性以及樹種自身特點(diǎn)等進(jìn)行科學(xué)地配置，實(shí)現(xiàn)城市綠地碳匯效益最大化。完善碳匯計(jì)量、監(jiān)測方法，建立城市綠地碳匯監(jiān)測體系，從“高碳匯”“低碳排”角度合理布局公園綠地，為建設(shè)低碳園林、低碳城市提供理論依據(jù)。