雙碳目標(biāo)導(dǎo)向下的綠色生態(tài)空間碳匯能力優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王晶懋 高 潔 孫 婷 韓 都 王一凡

1 西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院 西安 710055

2 西安建筑科技大學(xué)交叉創(chuàng)新研究院 西安 710055

近年來，城市化進(jìn)程不斷加速，全球氣溫持續(xù)上升，多個國家和地區(qū)就如何應(yīng)對全球氣候變化問題承諾降低溫度、減少碳排放，盡早實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。但由于城市化進(jìn)程對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生重要影響并對氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?，城市建成環(huán)境中不均勻的下墊面及人類活動排放的廢氣和熱量，明顯改變了城市環(huán)境的氣流走勢與溫濕度條件，造成城市熱島效應(yīng)，降低了人居環(huán)境的舒適度[2]；而城市綠色空間作為城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是城市生物多樣性保護(hù)的核心載體[3]，能夠有效調(diào)節(jié)溫濕效應(yīng)，改善局部小氣候狀況，也是塑造文化、連接自然、促進(jìn)公眾認(rèn)知和自然教育的重要途徑[4]。目前以西安為代表的大部分西北城市綠色空間在發(fā)揮生態(tài)價值的同時，也會因綠地的管理維護(hù)而耗費(fèi)大量的資源并產(chǎn)生溫室氣體，而現(xiàn)有研究中通過改善場地生境狀況，結(jié)合微地形改變場地水熱條件，以形成環(huán)境空間的異質(zhì)性組合，塑造植物的適宜生境條件，能有效促進(jìn)節(jié)能減排[5-6]。因此探索雙碳目標(biāo)下城市綠色空間碳匯能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)以應(yīng)對氣候變化中提高韌性與減排增匯具有重要意義。

植物和土壤是城市綠色空間的核心要素，也是發(fā)揮生態(tài)價值和碳匯功能的主要載體。植物對城市碳氧平衡和空氣質(zhì)量的改善具有積極影響，合理的植物群落結(jié)構(gòu)、綠量比例，即更接近于自然的植物群落組構(gòu)模式，有利于營造穩(wěn)定、適宜的小氣候環(huán)境[7-8]。通過選擇植物品種、改善植物群落配置模式、優(yōu)化綠地空間結(jié)構(gòu)、建設(shè)低維護(hù)綠地等低碳設(shè)計(jì)策略，可有效促進(jìn)植物碳匯并緩解熱島效應(yīng)[9-10]。土壤是綠地系統(tǒng)中另一個巨大的碳庫，其碳儲量幾乎是植物和大氣之和的2倍[11]。土壤碳匯受氣候、植被類型、土壤類型、微生物生理生化過程等多種因素影響[12-13]。土壤碳匯對清除大氣CO2、提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、減緩氣候變化具有重要意義[14]，據(jù)估算，保護(hù)和重建土壤有機(jī)碳可以每年增加55億t CO2當(dāng)量，約占全球自然氣候解決方案總潛力的25%[15]。因此，提出碳匯能力優(yōu)化設(shè)計(jì)策略和應(yīng)用模式，以提升植物、土壤的固碳能力，是當(dāng)下城市綠色空間碳匯提質(zhì)增效、改善小氣候的關(guān)鍵途徑。

本文以西安地區(qū)白馬河公園、西安建筑科技大學(xué)南門花園及灃西綠廊等典型綠地為研究對象，依托現(xiàn)有生境實(shí)驗(yàn)基地建植實(shí)驗(yàn)性的植物群落，篩選適宜不同土壤介質(zhì)類型的植物種類，探索城市綠地不同類型生物滯留設(shè)施與植物景觀營造之間的關(guān)系，提出西北地區(qū)海綿城市建設(shè)中適宜性植物景觀營造的技術(shù)與方法，以期為合理布局城市低碳綠色空間提供實(shí)際參考。。

1 研究區(qū)域概況

西安市位于渭河流域中部關(guān)中盆地，屬于溫帶半濕潤型大陸性季風(fēng)氣候。1978—2019年，西安城市綠地面積增加了32 289 hm2，創(chuàng)造了巨大的生態(tài)價值。本文以西安作為研究區(qū)域，選取不同類型城市綠地探索城市綠色空間碳匯能力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其中西安建筑科技大學(xué)南門花園、圖書館前綠地及南苑居住區(qū)等作為生境營造的實(shí)驗(yàn)基地，已開展一系列科學(xué)研究；灃西綠廊、新河公園等實(shí)踐項(xiàng)目基地，具有重要的生態(tài)研究價值；而白馬河公園則同時具備實(shí)踐項(xiàng)目應(yīng)用價值與科學(xué)研究價值，其位于灃西新城北部，東臨城市主干道白馬河路，南臨城市主干道統(tǒng)一路，北側(cè)及西側(cè)為居住區(qū)和商住用地，屬于灃西新城北片區(qū)唯一的公園綠地，占地面積為34 266 m2，是灃西新城海綿建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。

2 研究方法

研究立足于西安地區(qū)的土壤生境條件，為保證樣方的相對全面，選擇南門花園、圖書館前綠地、新河公園、灃西綠廊和白馬河公園5種不同性質(zhì)綠地空間，運(yùn)用環(huán)刀在待測樣點(diǎn)處采集表層(0～30 cm)體積約100 cm3的土樣，裝入塑封袋密封并標(biāo)記，共采集12份不同土壤類型的實(shí)驗(yàn)樣本，運(yùn)用干燒法測定土壤有機(jī)碳含量(表1)。此外，選取白馬河公園、西安建筑科技大學(xué)南門花園及南苑居住區(qū)等典型綠地進(jìn)行西安地區(qū)常見植物個體及群落固碳效益的測定與計(jì)算，植物群落樣方為20 m×20 m，運(yùn)用i-Tree軟件計(jì)算喬木固碳效益，采用同化量法計(jì)算灌木和地被植物的固碳效益[16]。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)以白馬河公園作為實(shí)驗(yàn)性研究驗(yàn)證的主要對象，提出植物群落模式及平面布局優(yōu)化策略等。

表1 土壤樣本有機(jī)碳含量

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳匯能力量化及優(yōu)化

3.1.1 不同場地中土壤固碳量化

由表1可知:南門花園中層鋼板花池、灃西綠廊客土、南門花園下層鋼板花池和新河公園原土的有機(jī)碳含量較高，白馬河公園的原土、新河公園的客土、白馬河公園的1號生境島和南門花園上層鋼板花池的有機(jī)碳含量較低；有比較明顯規(guī)律性差異的是南門花園的鋼板花池，其最上層土壤有機(jī)碳含量是三者中最低的，而中層則最高；經(jīng)改良過的土壤有機(jī)碳含量更高。

3.1.2 土壤碳匯能力優(yōu)化

為提高土壤碳匯能力，需要增加土壤有機(jī)碳含量以修復(fù)和改善土壤質(zhì)量。而土壤有機(jī)碳含量是一定時間內(nèi)碳輸入和碳損失之間的差值[17]，因此從“增加有機(jī)物輸入”和“保持土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性”兩方面著手，具體通過堆肥增加土壤腐殖質(zhì)，施用生物炭以增加有機(jī)碳含量，種植草本植物增加根際碳輸入，并且在保證土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下種植深根系植物，便于在深層土壤中封存有機(jī)碳。

考慮優(yōu)化成本和土壤現(xiàn)狀，對于植物群落較為豐富的喬木林下區(qū)域土壤裸露和板結(jié)問題進(jìn)行多年生草本植物的補(bǔ)種；在單一草本區(qū)、生境島、生態(tài)樹池和旱溪出水口等以地被植物為主和壓實(shí)程度較大的區(qū)域，針對土壤板結(jié)、裸露、污染、植物長勢差等問題，除了進(jìn)行植物補(bǔ)種外，還增加生物炭或綠肥的輸入。

3.2 植物碳匯能力量化測定

有效增加高固碳植物種類和數(shù)量，對于提高綠地碳匯能力具有顯著影響。對西安不同綠地中常用園林植物碳匯能力進(jìn)行測定，總結(jié)出32種園林植物適宜低碳園林建設(shè)(表2)。

表2 西安32種常見喬灌草植物固碳名錄

Pearson相關(guān)性分析(表3)顯示:平均高度與植物群落固碳量呈弱正相關(guān)(R2＝0.684，P＜0.05)；平均冠幅與植物群落固碳量無相關(guān)性；葉面積指數(shù)與植物群落固碳量呈顯著性正相關(guān)(R2＝0.855，P＜0.01)，說明植物葉面積指數(shù)越大、參與光合作用的葉片越多，植物進(jìn)行光合作用的能力就越強(qiáng)，其碳匯效益和生態(tài)價值也越高。單株植物的固碳量與植物群落固碳量存在弱相關(guān)性(R2＝0.591，P＜0.05)，說明植物群落的碳匯量會受到單株植物固碳量的影響。因此，為提高綠地的碳匯能力，可以選擇固碳量較高的植物，并增加其數(shù)量。

表3 綠地植物群落固碳效益與群落特征因子相關(guān)分析

4 白馬河公園碳匯功能分區(qū)及布局優(yōu)化策略

4.1 碳匯功能優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

在城市綠地碳匯研究中，除了對各要素固碳能力進(jìn)行優(yōu)化提升之外，還應(yīng)從增匯減排的角度提出設(shè)計(jì)策略。首先，分析設(shè)計(jì)要素與碳源碳匯的關(guān)聯(lián)性，明確碳匯量化內(nèi)容，提出碳匯優(yōu)化目標(biāo)。其次，依照公園綠地匯水分區(qū)的劃分與各區(qū)植物特點(diǎn)，進(jìn)行固碳與匯水功能的耦合分析，確定碳匯單元劃分標(biāo)準(zhǔn)與具體范圍，并從固碳和碳減排兩個角度進(jìn)行低碳技術(shù)的選擇和應(yīng)用。最后，結(jié)合具體計(jì)算指標(biāo)闡明計(jì)算思路，構(gòu)建碳匯計(jì)算方法(圖1)。

圖1 白馬河公園碳匯功能優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

4.2 碳匯單元劃分及布局模式

4.2.1 碳匯單元劃分

以固碳和減排兩個角度作為切入點(diǎn)，以植物和地形為變量，共劃分4種不同類型的碳匯單元，即高固碳強(qiáng)減排單元、高固碳弱減排單元、低固碳強(qiáng)減排單元、低固碳弱減排單元(圖2)，其面積之比為1∶5∶3∶4，具有高固碳優(yōu)勢的單元與強(qiáng)減排優(yōu)勢單元面積之比為6∶5(表4)。

圖2 碳匯單元劃分

表4 碳匯單元分類

4.2.2 不同碳匯單元布局模式提取

碳匯單元不同，其主導(dǎo)目標(biāo)也不同。通過對4種類型的碳匯單元特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，提取4種布局模式，明確碳匯優(yōu)勢與劣勢，并提出具體的改進(jìn)建議，為類似低碳海綿型公園的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持(圖3)。

圖3 4種碳匯單元布局模式

高固碳強(qiáng)減排單元是公園的植被緩沖帶，坡度較緩，植被群落固碳能力較強(qiáng)。以疏林灌叢草地為主，平均郁閉度和復(fù)層群落占比適中，高固碳樹種占比為56%，且植物多樣性較高，平均每1 000 m2有6種植物(表5)。

表5 高固碳強(qiáng)減排單元布局內(nèi)容

高固碳弱減排單元是公園的密植林帶區(qū)域，植物群落固碳能力強(qiáng)。復(fù)層群落占比75%，郁閉度在50%～65%，密林:疏林:草地＝10∶3∶1。隨地形變化、視線要求種植不同種類植物，物種較豐富，植物種類平均為9種/1 000 m2，高固碳樹種占比70%以上(表6)。

低固碳強(qiáng)減排單元處于公園雨水鏈開頭和末端，分別引導(dǎo)雨水徑流的匯集滲透和滯蓄利用。相較于其他單元，該單元擁有更多的LID設(shè)施，單元植被配置受限導(dǎo)致整體植物固碳能力低。匯集滲透單元由于綠地破碎且占比較小，而針葉植物占比較大，植物整體固碳能力較低，因而提升方法為種植平均胸徑大、自身固碳能力強(qiáng)的落葉闊葉喬木。滯蓄利用單元以草本地被植物為主，應(yīng)選用高固碳、適旱耐澇的草本地被植物，同時注意景觀效果(表7)。

低固碳弱減排單元位于公園外圍及部分植被緩沖帶區(qū)域，包含廣場及其相鄰的林地，起到雨水匯集入滲、轉(zhuǎn)輸凈化的作用。該單元草地面積占比較大；高固碳樹種運(yùn)用較少，低于50%；植被種類較少，約為5種/1 000 m2(表8)。

表8 低固碳弱減排單元布局內(nèi)容

整體而言，在發(fā)揮海綿功能的公園綠地中，以植物固碳為主導(dǎo)的單元和雨水消納功能主導(dǎo)的單元面積幾乎相當(dāng)，但同時滿足兩種情況的單元占比卻極少(＜10%)，說明在這類公園中難以同時滿足高固碳量和強(qiáng)減排功能。因此，在最初進(jìn)行功能選擇及綠地空間布局時，可進(jìn)行碳匯單元劃分，根據(jù)不同單元功能目標(biāo)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，以緩解“植物種植”與“徑流削減”兩者之間的矛盾。

4.3 植物群落優(yōu)化設(shè)計(jì)模式

4.3.1 廣場區(qū)域群落優(yōu)化模式

廣場區(qū)域綠地面積占比最小，植被層次單一，多為喬木或喬-草型結(jié)構(gòu)，固碳總量較小。廣場區(qū)域作為公園門戶空間，需要滿足基本使用需求和良好的景觀效果，植物固碳類型為景觀型。在豐富植被層次和景觀季相變化的同時，應(yīng)盡可能選擇適應(yīng)性較好的鄉(xiāng)土樹種，并且可適當(dāng)增加高固碳樹種(圖4、表9)。

圖4 廣場區(qū)域群落優(yōu)化模式示意

表9 廣場區(qū)域群落優(yōu)化模式

4.3.2 外圍密植林帶區(qū)域群落優(yōu)化模式

外圍密植林帶區(qū)域植被層次最豐富，林下硬質(zhì)場地少，游覽人群少，是碳匯功能發(fā)揮的核心區(qū)域，植物固碳類型為固碳型。該區(qū)域存在植物長勢較差、林下土壤裸露等問題，在優(yōu)化過程中應(yīng)盡可能選用高固碳植物，增加灌木和地被種類，提高植物群落豐富度(圖5、表10)。

圖5 外圍密植林帶區(qū)域群落優(yōu)化模式示意

表10 外圍密植林帶區(qū)域群落優(yōu)化模式

4.3.3 植被緩沖帶區(qū)域群落優(yōu)化模式

植被緩沖帶位于中央生物滯留設(shè)施與外圍環(huán)路之間，具有較大的碳匯潛力及一定的景觀觀賞價值，植物固碳類型為景觀＋固碳型，應(yīng)選用形態(tài)優(yōu)美且具有較高固碳能力的植物。該區(qū)域具有減緩地表徑流流速及去除部分污染物的作用，因此還需考慮植物的抗污染性，并通過種植灌叢、地被植物減緩徑流對土壤的沖刷。優(yōu)化后的植物群落模式的固碳量和整體生態(tài)效益都明顯提升(圖6、表11)。

圖6 植被緩沖帶區(qū)域群落優(yōu)化模式示意

表11 植被緩沖帶區(qū)域群落優(yōu)化模式

4.3.4 生物滯留池區(qū)域群落優(yōu)化模式

生物滯留池位于公園中央生態(tài)綠地，以雨水徑流的儲存調(diào)蓄功能為主。該區(qū)域植物層次不豐富，主要為單一地被植物且旱溪內(nèi)多被雜草占據(jù)，景觀效果及碳匯能力不佳。但由于生物滯留池具有重要的海綿調(diào)蓄功能，且該區(qū)域是公園視線焦點(diǎn)，因此植物配置既需要滿足海綿要求，又應(yīng)該注重視覺效果。綜上，該區(qū)域植物配置在考慮地被植物固碳能力基礎(chǔ)上，更應(yīng)側(cè)重選取景觀效果佳的植物進(jìn)行搭配(圖7)。

圖7 生物滯留池區(qū)域群落優(yōu)化模式示意

5 結(jié)語

面對復(fù)雜的城市生態(tài)建設(shè)問題，基于城市規(guī)劃建設(shè)單元的空間結(jié)構(gòu)和城市生態(tài)系統(tǒng)多層級尺度特點(diǎn)，合理布局城市低碳綠色空間，探索低碳綠地提質(zhì)增效優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與技術(shù)途徑，并結(jié)合實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行綠地碳匯提質(zhì)增效的優(yōu)化研究和應(yīng)用，是雙碳目標(biāo)導(dǎo)向下研究的重點(diǎn)。而城市綠地中植物和土壤碳匯能力的提升，則是改善城市小氣候，促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的基礎(chǔ)路徑。因此，基于近自然理念的解決途徑，采用適宜的植物群落結(jié)構(gòu)和土壤覆蓋方式，以盡可能減少管理維護(hù)產(chǎn)生的碳排放并提升城市綠色空間的碳匯能力，同時構(gòu)建適宜性植物群落數(shù)據(jù)庫，可以為提升綠地碳匯實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。此外，結(jié)合白馬河公園實(shí)踐項(xiàng)目，考慮景觀全生命周期，從增匯和減排角度進(jìn)行碳匯單元劃分和布局模式提取，針對具體要素的固碳能力優(yōu)化，提出具有普適性的設(shè)計(jì)模式和方法路徑，為后續(xù)低碳規(guī)劃設(shè)計(jì)提供實(shí)際參考。