“雙碳”目標(biāo)下的西安地區(qū)綠地植物碳匯矩陣量化與配置模式研究

王晶懋

范李一璇

韓 都

陳 露

目前，全球變暖已引起廣泛的重視，其產(chǎn)生的主要原因——CO2的排放問題逐漸成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)，“雙碳”研究也開始成為當(dāng)前熱點(diǎn)問題。政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的綜合評(píng)估報(bào)告認(rèn)為，源于化石燃料使用導(dǎo)致的人為溫室氣體排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因之一[1]。Thomas等、Root等綜合各種氣候預(yù)測(cè)模式，預(yù)測(cè)未來100年全球氣溫將上升約1.4～5.8℃，并且這種氣候變化的趨勢(shì)將進(jìn)一步加劇[2-3]。從碳排放角度來看，城市是人類活動(dòng)對(duì)地表影響最大的區(qū)域。2021年10月21日中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》[4]，指出要“落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任務(wù)”。城市化建設(shè)帶來了新的生態(tài)過程，這一過程與自然環(huán)境中的生態(tài)過程不同，它受制并耦合于城市物質(zhì)空間形態(tài)和格局中。隨著西安地區(qū)城市化進(jìn)程的迅速推進(jìn)，城市生態(tài)失衡、熱島效應(yīng)等問題凸顯[5]。關(guān)注城市生態(tài)的健康發(fā)展儼然已成為生態(tài)文明建設(shè)的迫切需求，因此，如何在城市有限綠地空間條件下實(shí)現(xiàn)碳中和，堅(jiān)持1.5℃控溫減碳發(fā)展路徑，提升城市綠地植物固碳效益成為新時(shí)代植物景觀營造必須思考和解決的科學(xué)問題。本研究以西安地區(qū)城市綠地植物群落為研究對(duì)象，對(duì)植物群落固碳效益進(jìn)行量化研究，對(duì)現(xiàn)有綠地的植物群落進(jìn)行高固碳型優(yōu)化配置，為西安地區(qū)城市綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)和生態(tài)建設(shè)工作提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)也為促進(jìn)西安地區(qū)低碳園林建設(shè)及緩解熱島效應(yīng)提供新思路。

1 西安城市綠地碳匯研究現(xiàn)狀

1.1 城市低碳綠地設(shè)計(jì)模式研究現(xiàn)狀

城市綠地作為城市區(qū)域內(nèi)唯一產(chǎn)生碳匯的單元，對(duì)實(shí)現(xiàn)低碳城市起著不可替代的作用[6]。另外，城市綠地通過科學(xué)合理布局所形成的城市綠地系統(tǒng)能夠間接減少城市能耗，對(duì)增匯減排也可起到巨大作用[7-8]。近年來，越來越多的學(xué)者聚焦以提升碳匯為目標(biāo)的城市綠地設(shè)計(jì)研究。王洪成等篩選出天津市高固碳植物，并總結(jié)出6種低碳植物群落設(shè)計(jì)模式[9]；王恩等通過杭州園林植物進(jìn)行碳匯研究，總結(jié)出低碳園林植物設(shè)計(jì)策略與模式[10]；章銀珂等通過對(duì)杭州西湖植物固碳量的測(cè)算，提出了12種低碳植物配置模式[11]。如何在城市有限綠地空間條件下實(shí)現(xiàn)碳中和，優(yōu)化城市低碳綠地網(wǎng)絡(luò)格局是值得思考和解決的問題[12]。

1.2 城市綠地設(shè)計(jì)的低碳循環(huán)

低碳導(dǎo)向應(yīng)貫穿于園林設(shè)計(jì)、施工、管理、維護(hù)的全周期過程之中[13]。低碳園林的核心是圍繞“碳”展開的，如何減少碳源量、增加碳匯量是營造低碳園林的關(guān)鍵[14]。因此，更應(yīng)注意城市綠地中不同植物固碳能力的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高植物群落單元的固碳能力[15]。“雙碳”目標(biāo)下的城市綠地低碳矩陣單元設(shè)計(jì)需要通過規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)實(shí)施、管理運(yùn)營3個(gè)層面構(gòu)建適宜性植物群落模式。景觀中碳源主要包含景觀材料生產(chǎn)、建造、日常維護(hù)更新及拆除4個(gè)階段；碳匯主要包含綠色植物固碳、利用廢棄材料和再生能源等。每個(gè)綠地碳匯矩陣單元以場(chǎng)地評(píng)估、植物選種、種植設(shè)計(jì)、施工建成、維護(hù)管理、建立監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系為目標(biāo)，建立城市綠地設(shè)計(jì)的低碳循環(huán)路徑(圖1)。

圖1 城市綠地設(shè)計(jì)的低碳循環(huán)路徑

2 城市碳匯矩陣單元構(gòu)成及特征

2.1 城市綠色空間碳匯矩陣單元模式

城市綠地中的植物可以通過光合作用實(shí)現(xiàn)增匯的作用，對(duì)實(shí)現(xiàn)低碳城市起著不可替代的作用。另外綠地對(duì)降溫效果有積極影響，0.6km2的公園可以使下風(fēng)方向1km范圍內(nèi)的溫度降1.5℃。斑塊數(shù)量越多、平均斑塊面積越大、綠地斑塊間的平均距離越短對(duì)熱島效應(yīng)的緩減越有利[16]。有研究表明1km的距離尺度是人在城市綠色空間使用時(shí)最舒適的行為尺度，結(jié)合社區(qū)生活圈的相關(guān)規(guī)定，可知15min步行距離(800～1 000m)是基本社區(qū)生活圈的尺度范圍[17]，得出城市綠色空間碳匯矩陣是以0.5km為內(nèi)核半徑，以1km為外核半徑的綠地核心斑塊所構(gòu)成的區(qū)域單元，各斑塊之間以生態(tài)綠廊相連接構(gòu)成冷島輻射區(qū)(圖2)。

圖2 城市綠色空間碳匯矩陣單元模式

2.2 城市綠地植物碳匯矩陣單元設(shè)計(jì)

根據(jù)城市不同綠色空間與植物空間結(jié)構(gòu)、形態(tài)、尺度、要素、格局的耦合關(guān)系，提出了符合場(chǎng)地生境斑塊連通性需求的綠色空間碳匯矩陣單元類型(圖3)。針對(duì)4種城市綠地植物碳匯矩陣單元提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程：根據(jù)場(chǎng)地功能導(dǎo)向及生境因子進(jìn)行生境分區(qū)，開展低碳植物種植設(shè)計(jì)，優(yōu)先選擇鄉(xiāng)土植物種類及低碳排放材料，進(jìn)行高固碳喬灌植物群落配置，實(shí)施城市綠地設(shè)計(jì)的低碳循環(huán)。城市林地及草地型綠地以人工種植為主，根據(jù)場(chǎng)地功能及生境條件進(jìn)行生境分區(qū)，確定種植分區(qū)、種植類型、植物配置方式(圖3-1)，城市道路及廣場(chǎng)型綠地應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地灌溉條件適當(dāng)種植喬木，合理布局耐旱型灌木和草本地被(圖3-2)。城市特殊生境型綠地在滿足使用功能及景觀需求的前提下，植物種植方式以人工種植為主(圖3-3)。城市河湖與人工濕地是由水體、沼澤及植被組成的綠地，人工種植區(qū)種植布局方式宜呈條帶狀沿岸分布，宜選擇蔓生或具有較強(qiáng)萌蘗能力的耐鹽堿、耐污染植物(圖3-4)。

圖3 城市綠色空間碳匯矩陣?yán)鋶u效應(yīng)特征圖

3 西安地區(qū)城市綠地植物碳匯效能評(píng)估

3.1 西安地區(qū)高固碳喬灌植物篩選與名錄

研究選取灃西新城白馬河公園、豐慶公園、西安建筑科技大學(xué)南門花園、康定和園、西安建筑科技大學(xué)南苑居住區(qū)5處典型綠地，測(cè)定白馬河公園48個(gè)樣方和南門花園鋼板花池44個(gè)樣方(1m×1m)的地被植物群落固碳量和其他3個(gè)綠地的喬灌植物群落樣方(20m×20m)固碳量。于2020年9月—2021年12月，每個(gè)月選取連續(xù)3天晴朗無風(fēng)日對(duì)所有樣地植物群落凈光合速率、葉面積、胸徑、冠幅等進(jìn)行觀測(cè)調(diào)研，其中凈光合速率從8：00—18：00，每2h記錄一次數(shù)據(jù)。通過調(diào)研觀測(cè)讀取數(shù)據(jù)，結(jié)合i-Tree軟件測(cè)算，得到西安地區(qū)常見喬灌植物的年固碳量(表1)。研究結(jié)果表明，落葉大喬木銀杏的固碳量最高，為215kg/年；中喬木榆樹固碳量最高，為100.85kg/年，常綠喬木棕櫚最高，為411.86kg/年。從表1可以看出西安地區(qū)常用的植物固碳量差異，因此推薦在城市綠地種植設(shè)計(jì)中，多選取雪松、銀杏、苦楝、樸樹、榆樹、側(cè)柏等高固碳樹種，以提高單位土地面積城市綠地碳匯量。

表1 西安地區(qū)常見喬灌木固碳名錄

3.2 西安地區(qū)高固碳地被植物篩選與名錄

通過對(duì)西安地區(qū)典型綠地樣方的地被植物碳匯量的觀測(cè)，得到西安地區(qū)常見地被植物的年固碳量(表2)。西安地區(qū)常見地被植物年固碳量最高的是橙花糙蘇，固碳量為0.76kg/年，其次是松果菊、毛地黃釣鐘柳、火炬花和云南蓍。

表2 西安地區(qū)常見地被植物固碳名錄

4 城市綠地碳匯效益提升途徑

當(dāng)前西安城市綠地空間已由增量發(fā)展進(jìn)入存量提質(zhì)期，面對(duì)城市綠地增量困境，提質(zhì)增效是實(shí)現(xiàn)碳匯功能的有效途徑。對(duì)城市綠地植物群落開展人工干預(yù)和動(dòng)態(tài)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)碳匯提升的重點(diǎn)。

4.1 公園綠地植物群落配置模式研究

基于公園綠地植物群落的調(diào)研觀測(cè)及數(shù)據(jù)整理，對(duì)植物群落調(diào)研樣方進(jìn)行高固碳植物群落篩選，其中高固碳型灌叢-地被模式4種，高固碳型地被模式6種?！坝耵?麥冬+紅葉石楠+紅花檵木+繡線菊+迎春+小蠟+金銀忍冬+蠟梅”模式的凈光合速率最高達(dá)到了367.2mmol/m2/d(圖4、5)。

圖4 公園綠地高固碳型灌叢-地被群落配置模式

4.2 居住區(qū)綠地植物群落配置模式研究

對(duì)居住區(qū)綠地的植物群落進(jìn)行固碳量和相關(guān)指標(biāo)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)居住區(qū)綠地不僅需要提高植物群落的固碳效益而且需要滿足居民的日常觀賞需求，因此篩選出高固碳型灌叢-地被植物群落模式有3種，其中產(chǎn)生碳匯效益最高的為“早熟禾+黃菖蒲+嶗峪苔草+芒+假龍頭+鳶尾+狼尾草+冬青+南天竹+月季+紅葉石楠”配置模式(圖6)，凈光合速率可達(dá)361.62mmol/m2/d。

圖5 公園綠地高固碳型地被群落配置模式

圖6 居住區(qū)綠地高固碳型灌叢-地被植物群落配置模式

4.3 高固碳型植物群落配置模式設(shè)計(jì)依據(jù)

通過對(duì)上述不同類型綠地的植物群落固碳效益進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，篩選出高固碳型植物種類，優(yōu)化配置后形成高固碳型植物群落模式。將不同配置模式按照其主要功能進(jìn)行分類，主要分為：固碳功能主導(dǎo)型植物群落配置模式、景觀效益主導(dǎo)型植物群落配置模式和景觀兼固碳功能主導(dǎo)型植物群落配置模式(表3)。

表3 西安地區(qū)低碳城市綠地植物配置模式推薦表

5 高固碳型植物群落設(shè)計(jì)模式

通過對(duì)樣方高固碳植物群落配置模式的提取，從平面布局和立面結(jié)構(gòu)兩方面初步提出植物群落的設(shè)計(jì)模式，并從碳匯提升和景觀效益等角度出發(fā)，對(duì)群落中的不同生活型植物的適宜生境類型和植物選種給出建議，試圖探索在低碳綠地實(shí)際項(xiàng)目中可應(yīng)用的植物種植設(shè)計(jì)模式。

5.1 灌叢-地被型高固碳植物群落設(shè)計(jì)模式

“灌叢-地被”型高固碳植物群落模式主要分為2種，大灌木層+小灌木層+地被層、大灌木層/小灌木層+地被層。“大灌木層+小灌木層+地被層”模式適用于陽光充足的陽生生境，大灌木層應(yīng)選擇高度在2m以上、葉片較大且稀疏的樹種，如紫荊等，為小灌木層和地被層提供較好的光照條件。小灌木層植物應(yīng)為高度大于1m、葉片較小且密集的常綠灌木，如火棘等。地被層一般選擇50cm以下的低矮多年生草本植物，因受到灌木層遮光影響，應(yīng)選擇耐陰、耐澇、適旱的種類，如細(xì)葉麥冬等?！按蠊嗄緦?小灌木層+地被層”模式適用于陽光不充足的半陽生生境，為了使每株植物接觸到更多的陽光，大灌木/小灌木層應(yīng)選擇葉片較稀疏的種類，為地被層提供適宜生長的光照條件。

5.2 地被型高固碳植物群落設(shè)計(jì)模式

參照Thomas Rainer等對(duì)地被植物景觀進(jìn)行的群落分層設(shè)計(jì)模式，地被型高固碳植物群落設(shè)計(jì)模式分為2種：“結(jié)構(gòu)層+季節(jié)主題層+地被層”和“結(jié)構(gòu)層/季節(jié)主題層+地被層”(表4)?！敖Y(jié)構(gòu)層+季節(jié)主題層+地被層”模式適用于陽生生境，結(jié)構(gòu)層植物應(yīng)選取植株高大且葉片稀疏的種類，如毛地黃釣鐘柳等；季節(jié)主題層植物應(yīng)選取高度30～60cm，種植密度較大、葉片較密集的植物，“如金雞菊等；地被層植物應(yīng)選取植株低矮，能夠覆蓋土壤避免表土裸露的植物，如藍(lán)羊茅、垂盆草等?！敖Y(jié)構(gòu)層/季節(jié)主題層+地被層”模式適用于半陽生生境，結(jié)構(gòu)層或季節(jié)主體層種植間距不宜過于密集，如野菊等。

表4 高固碳植物群落設(shè)計(jì)模式

6 碳匯智能監(jiān)測(cè)與量化平臺(tái)構(gòu)建

目前數(shù)字化技術(shù)手段發(fā)展速度日趨加快，各學(xué)科通過利用數(shù)字技術(shù)方法進(jìn)行科學(xué)研究成為時(shí)代趨勢(shì)。利用信息技術(shù)手段，構(gòu)建城市綠地碳匯智能監(jiān)測(cè)與量化的數(shù)字平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)綠地碳匯數(shù)據(jù)高效分析和精細(xì)化管理的重要途徑。本研究基于“雙碳”目標(biāo)建立不同生境條件下高固碳植物群落組構(gòu)模式數(shù)據(jù)庫，利用Python等編程軟件開發(fā)數(shù)字景觀平臺(tái)——高固碳型植物群落數(shù)字化平臺(tái)(圖7)，并將其融入城市綠地高固碳型植物群落設(shè)計(jì)研究中，為植物種植設(shè)計(jì)方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)。利用編程軟件對(duì)數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行初步構(gòu)建，主要包含已建成實(shí)驗(yàn)基地簡(jiǎn)介、智能游園導(dǎo)覽及語音播報(bào)系統(tǒng)、場(chǎng)地氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、場(chǎng)地土壤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等智能系統(tǒng)。將調(diào)研觀測(cè)數(shù)據(jù)整理后，初步構(gòu)建城市綠地高固碳型植物群落數(shù)據(jù)庫并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

圖7 碳匯智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)與量化計(jì)算界面

7 結(jié)語

基于西安地區(qū)自然條件下的城市“雙碳”建設(shè)目標(biāo)，通過研究城市綠地碳匯的定量指標(biāo)與植物設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，結(jié)合數(shù)字化平臺(tái)構(gòu)建，比較分析了不同種類植物和灌叢-地被群落的固碳效益，以實(shí)驗(yàn)性研究方法提出了適宜西安地區(qū)低碳綠地建設(shè)的高固碳植物名錄和高固碳型灌叢-地被群落設(shè)計(jì)模式，從中微觀尺度范圍提出城市綠地碳匯效能優(yōu)化方法。此外，在以后的研究中，應(yīng)將綠地碳匯與綠地的其他功能兼顧考慮，關(guān)注高固碳植物群落設(shè)計(jì)與多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的關(guān)系，滿足使用者的多種需求與促進(jìn)城市生態(tài)多樣性可持續(xù)發(fā)展。

注：文中圖片均由作者繪制。