“双碳”目标下的西安地区绿地植物碳汇矩阵量化与配置模式研究
王晶懋
范李一璇
韩 都
陈 露
目前，全球变暖已引起广泛的重视，其产生的主要原因——CO2的排放问题逐渐成为全世界关注的焦点，“双碳”研究也开始成为当前热点问题。政府间气候变化专门委员会(IPCC)的综合评估报告认为，源于化石燃料使用导致的人为温室气体排放是导致全球气候变暖的主要原因之一[1]。Thomas等、Root等综合各种气候预测模式，预测未来100年全球气温将上升约1.4～5.8℃，并且这种气候变化的趋势将进一步加剧[2-3]。从碳排放角度来看，城市是人类活动对地表影响最大的区域。2021年10月21日中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于推动城乡建设绿色发展的意见》[4]，指出要“落实碳达峰、碳中和目标任务”。城市化建设带来了新的生态过程，这一过程与自然环境中的生态过程不同，它受制并耦合于城市物质空间形态和格局中。随着西安地区城市化进程的迅速推进，城市生态失衡、热岛效应等问题凸显[5]。关注城市生态的健康发展俨然已成为生态文明建设的迫切需求，因此，如何在城市有限绿地空间条件下实现碳中和，坚持1.5℃控温减碳发展路径，提升城市绿地植物固碳效益成为新时代植物景观营造必须思考和解决的科学问题。本研究以西安地区城市绿地植物群落为研究对象，对植物群落固碳效益进行量化研究，对现有绿地的植物群落进行高固碳型优化配置，为西安地区城市绿地规划设计和生态建设工作提供理论支持和技术指导，同时也为促进西安地区低碳园林建设及缓解热岛效应提供新思路。
1.1 城市低碳绿地设计模式研究现状
城市绿地作为城市区域内唯一产生碳汇的单元，对实现低碳城市起着不可替代的作用[6]。另外，城市绿地通过科学合理布局所形成的城市绿地系统能够间接减少城市能耗，对增汇减排也可起到巨大作用[7-8]。近年来，越来越多的学者聚焦以提升碳汇为目标的城市绿地设计研究。王洪成等筛选出天津市高固碳植物，并总结出6种低碳植物群落设计模式[9]；
王恩等通过杭州园林植物进行碳汇研究，总结出低碳园林植物设计策略与模式[10]；
章银珂等通过对杭州西湖植物固碳量的测算，提出了12种低碳植物配置模式[11]。如何在城市有限绿地空间条件下实现碳中和，优化城市低碳绿地网络格局是值得思考和解决的问题[12]。
1.2 城市绿地设计的低碳循环
低碳导向应贯穿于园林设计、施工、管理、维护的全周期过程之中[13]。低碳园林的核心是围绕“碳”展开的，如何减少碳源量、增加碳汇量是营造低碳园林的关键[14]。因此，更应注意城市绿地中不同植物固碳能力的优势互补，提高植物群落单元的固碳能力[15]。“双碳”目标下的城市绿地低碳矩阵单元设计需要通过规划设计、建设实施、管理运营3个层面构建适宜性植物群落模式。景观中碳源主要包含景观材料生产、建造、日常维护更新及拆除4个阶段；
碳汇主要包含绿色植物固碳、利用废弃材料和再生能源等。每个绿地碳汇矩阵单元以场地评估、植物选种、种植设计、施工建成、维护管理、建立监测与评价体系为目标，建立城市绿地设计的低碳循环路径(图1)。
图1 城市绿地设计的低碳循环路径
2.1 城市绿色空间碳汇矩阵单元模式
城市绿地中的植物可以通过光合作用实现增汇的作用，对实现低碳城市起着不可替代的作用。另外绿地对降温效果有积极影响，0.6km2的公园可以使下风方向1km范围内的温度降1.5℃。斑块数量越多、平均斑块面积越大、绿地斑块间的平均距离越短对热岛效应的缓减越有利[16]。有研究表明1km的距离尺度是人在城市绿色空间使用时最舒适的行为尺度，结合社区生活圈的相关规定，可知15min步行距离(800～1 000m)是基本社区生活圈的尺度范围[17]，得出城市绿色空间碳汇矩阵是以0.5km为内核半径，以1km为外核半径的绿地核心斑块所构成的区域单元，各斑块之间以生态绿廊相连接构成冷岛辐射区(图2)。
图2 城市绿色空间碳汇矩阵单元模式
2.2 城市绿地植物碳汇矩阵单元设计
根据城市不同绿色空间与植物空间结构、形态、尺度、要素、格局的耦合关系，提出了符合场地生境斑块连通性需求的绿色空间碳汇矩阵单元类型(图3)。针对4种城市绿地植物碳汇矩阵单元提出了相应的设计流程：根据场地功能导向及生境因子进行生境分区，开展低碳植物种植设计，优先选择乡土植物种类及低碳排放材料，进行高固碳乔灌植物群落配置，实施城市绿地设计的低碳循环。城市林地及草地型绿地以人工种植为主，根据场地功能及生境条件进行生境分区，确定种植分区、种植类型、植物配置方式(图3-1)，城市道路及广场型绿地应根据场地灌溉条件适当种植乔木，合理布局耐旱型灌木和草本地被(图3-2)。城市特殊生境型绿地在满足使用功能及景观需求的前提下，植物种植方式以人工种植为主(图3-3)。城市河湖与人工湿地是由水体、沼泽及植被组成的绿地，人工种植区种植布局方式宜呈条带状沿岸分布，宜选择蔓生或具有较强萌蘖能力的耐盐碱、耐污染植物(图3-4)。
图3 城市绿色空间碳汇矩阵冷岛效应特征图
3.1 西安地区高固碳乔灌植物筛选与名录
研究选取沣西新城白马河公园、丰庆公园、西安建筑科技大学南门花园、康定和园、西安建筑科技大学南苑居住区5处典型绿地，测定白马河公园48个样方和南门花园钢板花池44个样方(1m×1m)的地被植物群落固碳量和其他3个绿地的乔灌植物群落样方(20m×20m)固碳量。于2020年9月—2021年12月，每个月选取连续3天晴朗无风日对所有样地植物群落净光合速率、叶面积、胸径、冠幅等进行观测调研，其中净光合速率从8：00—18：00，每2h记录一次数据。通过调研观测读取数据，结合i-Tree软件测算，得到西安地区常见乔灌植物的年固碳量(表1)。研究结果表明，落叶大乔木银杏的固碳量最高，为215kg/年；
中乔木榆树固碳量最高，为100.85kg/年，常绿乔木棕榈最高，为411.86kg/年。从表1可以看出西安地区常用的植物固碳量差异，因此推荐在城市绿地种植设计中，多选取雪松、银杏、苦楝、朴树、榆树、侧柏等高固碳树种，以提高单位土地面积城市绿地碳汇量。
表1 西安地区常见乔灌木固碳名录
3.2 西安地区高固碳地被植物筛选与名录
通过对西安地区典型绿地样方的地被植物碳汇量的观测，得到西安地区常见地被植物的年固碳量(表2)。西安地区常见地被植物年固碳量最高的是橙花糙苏，固碳量为0.76kg/年，其次是松果菊、毛地黄钓钟柳、火炬花和云南蓍。
表2 西安地区常见地被植物固碳名录
当前西安城市绿地空间已由增量发展进入存量提质期，面对城市绿地增量困境，提质增效是实现碳汇功能的有效途径。对城市绿地植物群落开展人工干预和动态调控是实现碳汇提升的重点。
4.1 公园绿地植物群落配置模式研究
基于公园绿地植物群落的调研观测及数据整理，对植物群落调研样方进行高固碳植物群落筛选，其中高固碳型灌丛-地被模式4种，高固碳型地被模式6种。“玉簪+麦冬+红叶石楠+红花檵木+绣线菊+迎春+小蜡+金银忍冬+蜡梅”模式的净光合速率最高达到了367.2mmol/m2/d(图4、5)。
图4 公园绿地高固碳型灌丛-地被群落配置模式
4.2 居住区绿地植物群落配置模式研究
对居住区绿地的植物群落进行固碳量和相关指标测定，发现居住区绿地不仅需要提高植物群落的固碳效益而且需要满足居民的日常观赏需求，因此筛选出高固碳型灌丛-地被植物群落模式有3种，其中产生碳汇效益最高的为“早熟禾+黄菖蒲+崂峪苔草+芒+假龙头+鸢尾+狼尾草+冬青+南天竹+月季+红叶石楠”配置模式(图6)，净光合速率可达361.62mmol/m2/d。
图5 公园绿地高固碳型地被群落配置模式
图6 居住区绿地高固碳型灌丛-地被植物群落配置模式
4.3 高固碳型植物群落配置模式设计依据
通过对上述不同类型绿地的植物群落固碳效益进行实验测定，筛选出高固碳型植物种类，优化配置后形成高固碳型植物群落模式。将不同配置模式按照其主要功能进行分类，主要分为：固碳功能主导型植物群落配置模式、景观效益主导型植物群落配置模式和景观兼固碳功能主导型植物群落配置模式(表3)。
表3 西安地区低碳城市绿地植物配置模式推荐表
通过对样方高固碳植物群落配置模式的提取，从平面布局和立面结构两方面初步提出植物群落的设计模式，并从碳汇提升和景观效益等角度出发，对群落中的不同生活型植物的适宜生境类型和植物选种给出建议，试图探索在低碳绿地实际项目中可应用的植物种植设计模式。
5.1 灌丛-地被型高固碳植物群落设计模式
“灌丛-地被”型高固碳植物群落模式主要分为2种，大灌木层+小灌木层+地被层、大灌木层/小灌木层+地被层。“大灌木层+小灌木层+地被层”模式适用于阳光充足的阳生生境，大灌木层应选择高度在2m以上、叶片较大且稀疏的树种，如紫荆等，为小灌木层和地被层提供较好的光照条件。小灌木层植物应为高度大于1m、叶片较小且密集的常绿灌木，如火棘等。地被层一般选择50cm以下的低矮多年生草本植物，因受到灌木层遮光影响，应选择耐阴、耐涝、适旱的种类，如细叶麦冬等。“大灌木层/小灌木层+地被层”模式适用于阳光不充足的半阳生生境，为了使每株植物接触到更多的阳光，大灌木/小灌木层应选择叶片较稀疏的种类，为地被层提供适宜生长的光照条件。
5.2 地被型高固碳植物群落设计模式
参照Thomas Rainer等对地被植物景观进行的群落分层设计模式，地被型高固碳植物群落设计模式分为2种：“结构层+季节主题层+地被层”和“结构层/季节主题层+地被层”(表4)。“结构层+季节主题层+地被层”模式适用于阳生生境，结构层植物应选取植株高大且叶片稀疏的种类，如毛地黄钓钟柳等；
季节主题层植物应选取高度30～60cm，种植密度较大、叶片较密集的植物，“如金鸡菊等；
地被层植物应选取植株低矮，能够覆盖土壤避免表土裸露的植物，如蓝羊茅、垂盆草等。“结构层/季节主题层+地被层”模式适用于半阳生生境，结构层或季节主体层种植间距不宜过于密集，如野菊等。
表4 高固碳植物群落设计模式
目前数字化技术手段发展速度日趋加快，各学科通过利用数字技术方法进行科学研究成为时代趋势。利用信息技术手段，构建城市绿地碳汇智能监测与量化的数字平台，是实现绿地碳汇数据高效分析和精细化管理的重要途径。本研究基于“双碳”目标建立不同生境条件下高固碳植物群落组构模式数据库，利用Python等编程软件开发数字景观平台——高固碳型植物群落数字化平台(图7)，并将其融入城市绿地高固碳型植物群落设计研究中，为植物种植设计方案优化和科学决策提供依据。利用编程软件对数字化平台进行初步构建，主要包含已建成实验基地简介、智能游园导览及语音播报系统、场地气象站实时监测数据、场地土壤实时监测数据等智能系统。将调研观测数据整理后，初步构建城市绿地高固碳型植物群落数据库并实现数据可视化。
图7 碳汇智能监测平台与量化计算界面
基于西安地区自然条件下的城市“双碳”建设目标，通过研究城市绿地碳汇的定量指标与植物设计之间的关系，结合数字化平台构建，比较分析了不同种类植物和灌丛-地被群落的固碳效益，以实验性研究方法提出了适宜西安地区低碳绿地建设的高固碳植物名录和高固碳型灌丛-地被群落设计模式，从中微观尺度范围提出城市绿地碳汇效能优化方法。此外，在以后的研究中，应将绿地碳汇与绿地的其他功能兼顾考虑，关注高固碳植物群落设计与多重生态系统服务功能之间的关系，满足使用者的多种需求与促进城市生态多样性可持续发展。
注：文中图片均由作者绘制。
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