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华北地区城市绿地固碳能力测算研究

花匠小妙招
2024-09-17 09:24

城市作为人类生产和生活的中心，容纳了当前世界过半的人口，导致城市人均能耗是农村地区的3.5倍，超过75%的温室气体是从城市中产生的[1]。减少城市中排放的进入大气中的CO2量主要有2条对策，一是工业、建筑和交通等领域的节能减排，二是碳汇。在城市碳汇方面，绿地是城市中唯一具有自净功能及自动调节能力的子系统，绿地中的植物通过光合作用将大气中的CO2吸收并固定在植被与土壤当中，在城市碳汇中发挥着重要作用[2]。城市绿地系统中较常见的群落结构为乔—灌—草结合的复层结构，具有加快蒸腾、吸收CO2、释放氧气、调节气温、增加湿度以及调节小气候环境等生态效应[3]。城市绿地与森林、草原相比，受人类活动的影响大，但是目前对城市绿地的碳汇测算研究较少。

本研究旨在通过对华北地区具有代表性的城市绿地的固碳能力案例进行研究，形成一套系统的计算方法，进而实现对雄安新区的碳汇能力的初步评估。此外，本研究通过对华北地区常见的树种的固碳量的研究，期望能够初步建立雄安新区植被与碳汇之间的关系。

1. 研究方法

1.1 案例分析

本研究的研究对象为雄安新区，其规划面积起步区约为100 km2，中期发展区200 km2，远期控制区2 000 km2。范围涉及河北省雄县、容城、安新3县及周边部分区域，地处北京、天津以及保定腹地。现有开发程度较低，发展空间充裕，具备高起点、高标准开发建设的基本条件。现基于北京市和文安县的7个案例见表1，对其进行了绿地固碳能力计算，分析了华北地区城市绿化植被的碳汇特点。

序号项目名称总用地面积/m2绿地面积/m2绿地率/% 1北京京西商务中心106 152.715 820302北京用友产业园13 60910 045—3北京万科天竺保税区—2 640—4北京市房山区长阳西站六号地29 630.3810 030.6433.855中关村高端医疗器械产业园（一期）167 083.9225 229.6715.106北京市丰台区卢沟桥乡西局—11 41830.017文安鲁能生态区度假酒店81 98340 80750.53 　　　信息来源：项目的建筑总平面图。注：“—”，未能给出的数据。

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1.2 固碳能力测定方法

根据研究对象北京京西商务中心西区、文安鲁能生态区、北京市房山区、北京市丰台区属于居住区加功能区，北京万科天竺保税区、北京用友产业园和中关村高端医疗器械产业园属于办公区，采用光合速率法对案例绿地植物的固碳量进行预测。光合速率法是先测定植物的光合速率、呼吸速率及叶面积，通过植物光合(呼吸)强度=植物光合(呼吸)速率×植物总叶面积来计算植物光合强度和呼吸强度，两者的差值即为植物的固碳量[4]。一般而言，因光合速率法能描绘出绿地固碳能力的动态变化，测定公园、居住区绿地固碳量应优先选用；缺少相应统计数据时，也可采用这种方法进行近似估算。

1.3 植被固碳能力计算 1.3.1 叶面积指数

叶面积指数指植物的叶面积总和与植株所覆盖的土地面积总和之比[5]。叶面积指数能反映出植物在单位土地面积上的叶片疏密程度和植物对光能的利用能力。

1.3.2 基本指标选取

研究发现乔木树种的冠幅及叶面积指数普遍高于灌木树种，乔木的冠幅多大于4 m×4 m，叶面积指数多大于2；灌木冠幅在3 m×3 m下，叶面积指数多小于3[5]。同时，在查阅相关文献[4，5-7]后，对于案例地点所选择的树种的各项指标进行归纳汇总。同时，针对北京京西商务中心等7个案例中所选择栽种的各类树种，在经过多次查阅文献及园林类相关资料后，由于不同的研究学者所选择研究地、研究项目的不同，各个案例中的一些树种的多项指标无法落实。在此情况下，采用类比法选择与未知指标的树种叶面积相似且指标已知的树种各类指标数值进行嵌套，以期得到较为准确的数据。在查阅《景观植物学》[8]后可知樱花、西府海棠与紫薇的叶片面积近似；小叶黄杨叶片面积与金叶女贞近似；海棠、山杏的叶片面积与国槐近似；榆叶梅叶片面积与木槿近似；银杏的叶片面积与玉兰近似。

1.3.3 固碳量的计算

植被的固碳量（g/d）=植被单位面积固碳量（g/m2·d）×植被的种植面积（m2）。

2. 结果与分析

2.1 研究案例绿地植被固碳能力计算指标汇总

本研究所选取的研究对象在绿地建设中考虑了北京市地理与气候等环境因素，选用不同种类的树种进行种植，同时随着城市建筑密度的增加，阴生植物环境不断扩大，在需满足城市绿化覆盖率要求的前提下，林下绿化应用越来越广泛，选择观赏性好、适应性强、繁育简单、低养护成本和耐阴地被植物，可弥补乔木生长缓慢、下层空隙过大的不足，又能短期内收到较好的景观效果，具有一定的推广意义，且能够达到良好的植物固碳效果[8]。同时草坪作为地被的一大类型，由于应用时间较早，目前已形成独立的体系，在本研究的案例中没有明确指出种植的草坪品种，鉴于7个案例均处于华北地区，故认为种植的是适合生长于北方的冷季型草坪草。由于目前鲜有报道与文献涉及草坪的单位面积固碳量这一指标，因此略去对于草坪的固碳能力计算。具体案例植被固碳能力指标见表2～4。

序号名称冠幅面积/m2叶面积指数单位叶面积固碳量/g·（m2·d）−1单位面积固碳量/g·（m2·d）−1 1国槐 7×8.33.443.475.392银杏———7.353果海棠3.443.475.394白蜡7×83.452.4511.645云杉3×3——6.436樱花—2.373.6111.757碧桃2.5×2.51.893.208.318丛生元宝枫6×61.9410.293.869丛生蒙古栎———6.7810山楂———6.0411山杏—3.443.475.3912紫叶李 2×1.82.294.8015.1013合欢3.5×4 2—4.1714梓树2×3——8.3115白皮松3×3.5——5.5816油松3×4——4.1417杏花2.5×2.52.373.6111.7518丛生五角枫4.5×4.53.861.9410.2919玉兰———7.3520丝棉木3.5×3.55.74—8.5921馒头柳4×45.74—8.5922垂柳4×45.74—8.5923黄栌3.5×4 ——4.2724丛生紫薇2.5×2.52.373.6111.7525高分枝山新杨 2×2.5——8.3126山桃2.5×3 ——8.3127千头椿3×33—7.0928栾树4×43—7.0929法桐4.5×4.5——7.3530洋槐4×43.443.475.3931柿树 4×4.5——6.7832白毛杨4.5×4.5——7.3533复叶槭3×33.443.475.3934其他4×42—4.17 　　　注：“—”，表示不同的研究学者所选择研究地、研究项目的不同，各案例中的一些树种的某项指标无法落实，相关文献中也无相应数据记载。

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序号名称冠幅面积/m2叶面积指数单位叶面积固碳量/g·（m2·d）−1单位面积固碳量/g·（m2·d）−1 1紫叶李 2×1.82.294.8015.102山杏—3.443.475.393西府海棠—3.443.475.394辛夷玉兰———7.355榆叶梅—1.893.198.296丛生紫薇0.7×0.52.373.6111.757丛生蒙古栎———6.788龙柏———12.359小叶黄杨———4.9610金叶女贞———4.9611小叶丁香5×51.91—6.9512太平花———3.3913红瑞木———8.0214红黄子锦带———5.1815醉鱼草———3.3916蔷薇———4.9617棣棠———4.9618金银木1.8×2.53—7.0919珍珠梅1.8×1.81.893.198.2920其他3×33—7.09 　　　注：“—”，表示不同的研究学者所选择研究地、研究项目的不同，各案例中的一些树种的某项指标无法落实，相关文献中也无相应数据记载。

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序号名称单位面积固碳量/g·（m2·d）−-1 1小叶黄杨4.962大叶黄杨3.393金叶女贞4.964金娃娃萱草4.965麦冬7.656胶东卫矛4.967拂子茅6.918神香草6.289金鸡菊5.6710 紫松果菊3.5311 千屈菜4.4212白花山桃草3.8613婆婆纳3.8614狼尾草8.5 15早园竹4.9616萱草4.9617玉簪4.9618红王子锦带5.1819时令花卉4.96

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2.2 研究案例绿地植被固碳能力计算结果

通过对研究案例各类型植被的种植面积的计算汇总，结合上文汇总的各植被的单位面积固碳量指标，可以得到各类型植被的固碳量，从而计算出各研究案例的总固碳量，见表5。

序号项目名称植被种植面积/m2总固碳量/t·a−1乔木灌木地被（不含草坪）草坪植被名称种植面积植被名称种植面积植被名称种植面积植被名称种植面积 1京西商务中心西区银杏1 077山杏302小叶黄杨2 467冷季型草8 30945.53国槐5 767西府海棠496果海棠326紫叶李217大叶黄杨1 314白蜡1 502辛夷玉兰180云杉498榆叶梅221金叶女贞1 196樱花1 332丛生紫薇148碧桃240丛生蒙古栎180丛生元宝枫415其他110金娃娃萱草174其他602北京万科天竺保税区红皮云杉36龙柏45其他15冷季型草坪草1 9413.25丛生蒙古栎56小叶黄杨202麦冬242山楂20金叶女贞55——山杏45小叶丁香116白蜡202其他24紫叶李25——其他1123北京用友产业园合欢420————冷季型草坪草10 02811.05梓树222国槐3 370元宝枫8284文安鲁能生态区度假酒店海棠1 715紫丁香136大叶黄杨653冷季型草坪草21 809108.88白皮松357太平花1 497金叶女贞391云杉1 476红瑞木1 985胶东卫矛1 075油松1 776红黄子锦带589拂子茅696早樱832醉鱼草634神香草410杏花582蔷薇669金鸡菊350丛生五角枫2 673棣棠1 539紫松果菊320国槐552其他1 998千屈菜1 818银杏1 596——白花山桃草155玉兰1 347婆婆纳100白蜡1 837小叶黄杨2 164丝棉木387其他949馒头柳1 280—垂柳1 888黄栌2 464山楂1 554丛生紫薇868山桃577高分枝山新杨365其他3 1005五和万科长阳西站6号地园区千头椿729紫叶李257大叶黄杨171.1冷季型草坪草5 87627.31合欢171榆叶梅157其他583.1元宝枫378金银木205——白蜡496丁香569栾树352珍珠梅155法桐911其他1 918洋槐784——国槐480柿树160白毛杨486复叶槭162西府海棠280山桃127樱花131其他5766中关村高端医疗器械产业园油松240金银木255拂子茅677冷季型草坪草16 70954.96栾树1 312珍珠梅104狼尾草698元宝枫420紫丁香113早园竹217银杏210金叶女贞649千屈菜170国槐3 536大叶黄杨530萱草247千头椿1 341小叶黄杨1 917玉簪221山桃1 057其他1 288其他645山楂570————西府海棠3 910碧桃656其他1 0407北京市丰台区卢沟桥乡西局国槐1 520紫叶李270金叶女贞200冷季型草坪草4 01233.21云杉1 200金银木750红王子锦带150银杏750丁香1 500时令花卉1 350山杏1 000天目琼花750其他500丛生蒙古栎300其他1 885——丛生元宝枫900——山楂200其他200 　　　注：“—”，表示不同的研究学者所选择研究地、研究项目的不同，各案例中的一些树种的某项指标无法落实，相关文献中也无相应数据记载。

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2.3 研究案例的城市绿地植被固碳能力结果分析

植被固碳能力结果见表6。

序号项目名称绿地率/%绿地面积/m2单位用地面积固碳能力/kg·（a·m2）−1 1北京京西商务中心30 15 8202.882北京用友产业园—10 0452.283北京万科天竺保税区—2 6402.724文安鲁能生态区度假酒店50.5340 8072.675北京市房山区长阳西站六号地33.8510 030.642.726中关村高端医疗器械产业园（一期）15.1025 229.672.187北京市丰台区卢沟桥乡西局30.0111 418.712.91平均值31.9016 570.152.62 　　　注：“—”，表示项目所给资料完善度的不同，项目2和项目3的绿地率未能给出。

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估算汇总后可知，7个案例单位用地面积固碳能力平均值为2.62 kg/a·m2，通过表6的统计结果可得出其单位用地面积固碳能力的标准差为0.28。鉴于7个案例所在城市均属于华北地区，各个案例所选取的植被、草坪均适宜生长于华北地区，属于华北地区的本土特色植被，因此，2.62 kg/a·m2可用于雄安新区城市绿地碳汇的计算。

在对7个案例中的乔木、灌木和地被的单位用地面积固碳能力分别进行估算汇总后得到表7。

其中乔木单位用地面积固碳能力的平均值为2.66 kg/a·m2，标准差为0.24，离散程度较小。除北京用友产业园，其余的6个案例灌木单位用地面积固碳能力平均值为2.59 kg/a·m2，标准差为0.53，相较乔木而言，差值较大，初步推断是由于灌木长势较乔木而言矮小，易被乔木的树冠遮挡，因而对于灌木的单位叶面积固碳量及单位面积固碳量的测定容易产生误差。地被的单位用地面积固碳能力平均值为2.01 kg/a·m2，标准差为0.42，相较乔木而言，差值较大，初步推断是由于地被生长在乔木及灌木的下层阴生环境中，受光照影响较小，因而光合速率法的测定会产生一定的误差。同时通过对表5中7个案例的植被种类的对比发现，各个案例间乔木树种的选择具有一定的相似性，树种相对比较固定；而灌木和地被植物的栽种更具多样化。例如北京用友产业园选择不种植地被，而文安鲁能生态区度假酒店的地被植物种类却高达10种以上；文安鲁能生态区度假酒店种植的灌木种类与北京京西商务中心种植的灌木种类基本不重合等。据此推测各个案例中灌木和地被的单位用地面积固碳能力相差较大可能与灌木、地被种类的选择有关。由表7中可知，在单位用地面积的固碳能力，各群落从大到小依次为乔木、灌木和地被，这与黄柳菁等[9]的研究结论存在重合之处。

序号项目名称乔木种植面积/m2乔木单位用地面积固碳能力kg/a·m2灌木种植面积/m2灌木单位用地面积固碳能力kg/a·m2地被种植面积/m2地被单位用地面积固碳能力kg/a·m2 1北京京西商务中心11 2172.721 8543.475 153.891.662北京用友产业园4 8402.28————3北京万科天竺保税区4963.074422.322572.734文安鲁能生态区度假酒店27 2262.6890472.119 0811.875北京市房山区长阳西站六号地6 2232.6932612.85754.21.686中关村高端医疗器械产业园（一期）14 2922.684 8562.082 9802.287北京市丰台区卢沟桥乡西局6 0702.505 1552.732 2001.82平均值10 0522.664 102.52.593 404.352.01 　　　注：“—”，表示由于项目所给资料完善度的不同，项目2缺少灌木和地被种植面积，无法进行相应的计算。

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通过对表6和表7的进一步分析可知，单位用地面积固碳能力的取值很大程度上取决于乔木及灌木的固碳能力。植被种植面积与总绿地面积存在差值表明，由于绿地中乔木、灌木、地被（不含草坪）与草坪中存在重合面积，导致了在乔木、灌木覆盖处存在较大比例的草坪被遮盖，处于阴生环境中，并且由于地被、灌木的长势矮小，其种植处一般不敷设草坪，同时剩下一部分比例的裸露草坪由于目前鲜有报道与文献涉及草坪的单位面积固碳量这一指标，因此对于这一部分的草坪的计算缺乏数据支撑。但是根据文献[4，6]的报道结合对表7的分析，可以推测这部分草坪的固碳能力应该弱于灌木或者乔木的固碳能力。同时结合文献[7，9]的报道可以得知由于绿地中不同植被的固碳能力存在差异，因此在雄安新区的城市绿地规划中，建议针对不同区域的自然条件，加强景观植被的群落配置，优先考虑乔木群落以及乔-灌-草的立体种植。

3. 结论与展望

综观城市绿地碳汇研究现状，主要集中于市域大面积城市绿地固碳量的估算及城市绿地空间布局优化，目前针对小范围、分散式的城市绿地或者具体的城市建设项目中的绿地碳汇计算指标的研究甚少。本研究通过针对北京京西商务中心等7个案例的研究与分析，初步得出了能够适用于雄安新区的城市绿地碳汇计算指标为2.62 kg/a·m2，可据此估算雄安新区城市绿地的固碳能力，在未来雄安新区的城市建设中对碳排放较大的城市功能区与城市绿地进行有针对性的规划布局，促使城市空间形成完整的低碳生态体系。在单位用地面积固碳能力方面，各种植群落固碳能力从大到小依次为乔木、灌木和地被。因此，在雄安新区城市绿地规划中应考虑各个植被群落的合理布局与种植，最大程度地发挥其固碳功能。建议：1）城市绿地树种的碳汇能力差异较大，其固碳能力也随着环境条件的变化而变化，本研究中的7个案例得出的数值也仅能用作粗略估算，很多树种的单位面积固碳量都未有相关文献记载，因此，现阶段我国需建立自己的植物固碳能力数据库。2）研究发现，土壤碳储量远大于地上植被，土壤有机碳库是大气碳库的3倍，约是陆地生物量的2.5倍[10]。同时，土壤作为城市绿地植物生长的基础，以有机和无机的形式存储碳，对碳循环起到很重要的作用。然而对于土壤碳储量的动态演变的研究却十分匮乏，较难综合考虑植物碳固定与土壤有机碳库的碳储量变化耦合所产生的碳收支值，也无法对城市绿地系统碳汇能力进行较为精准的评估。因此，城市绿地总固碳能力的精确计算还需要提过对土壤固碳量的大量研究成果予以支撑，这将成为今后研究的重点。