基于i-Tree Eco模型的城市绿地生态功能与价值评估——以常州市民广场为例

施炜婷，王燕，陈聃，徐奕，王新军

(1.常州工学院艺术与设计学院，江苏常州213022； 2.常州市园林绿化管理局，江苏常州213002)

0 引言

城市绿地具有生态效益、经济效益和社会效益，其中生态效益尤为重要[1]。自20世纪90年代以来，城市绿地生态功能的计量研究就成为生态学、林学和经济学的研究热点[2]。城市绿地的生态效益主要体现在生态系统中物质和能量的良性循环上，包括净化空气、调节小环境气候、减缓城市热岛效应、固碳、释氧、涵养水源、降低噪音等方面[3]。尽管城市绿地具有重要的生态功能，但是在城市区域发展和空间规划中往往被忽视[4]，这一问题的原因在于城市绿地在社会领域中产生的是间接的生态价值[5]。由于规划者难以从经济角度阐述其价值，使城市绿地发展受到影响[6]。只有城市森林的生态效益和居住环境得到定量化的评价，城市林业资源浪费、管理不到位等问题才能够得到解决[7]。

由于绿地生态功能的复杂性和抽象性，目前针对城市绿地生态功能的量化评价方法较为多样。城市绿地生态功能评价应用最广泛的是Nowak等在20世纪90年代末创建的城市绿地影响模型(urban forest effects， UFORE)。美国林务局于2006年发布的一款免费且易用的i-Tree模型，可量化评价城市绿地的结构、效益和潜在威胁[8]，可用于研究个体树木以及街道、城市甚至整个国家的森林状况。i-Tree模型由起初的城市绿地影响模型和街道树木资源分析(STRATUM)模块经过细化改良发展到主要包含i-Tree Eco、i-Tree Street、i-Tree Species、i-Tree Storm、i-Tree Vue(Beta)和i-Tree Hydro的6大模块，其中i-Tree Eco模块能够对较大范围研究区的城市绿地进行生态功能与价值的评估。

国内对于城市绿地生态功能价值评估采用影子工程法、碳税法、生产成本法、恢复费用法和效益替代法，将绿地生态功能各评估指标货币化，得到其生态功能价值。评估过程所涉及的生产建设成本、费用主要数据采用2008 年国家林业局颁布的《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721—2008)推荐使用价格[9]。虽然国内针对生态系统服务价值评估已经进行了大量研究，但是由于生态系统效能和服务随时间和空间变化，以及人们对生态系统服务价值认知具有多重性，缺乏统一完善的评估方法、评价理论、指标体系，使评价得出的结论存在较大的差异，可比性较差[10]。

由于中国没有i-Tree Eco模型的观测点，国内各个城市中影响植物生态功能的气候条件、大气污染数据都需要与国外的城市比对后再开展评估。本文的目的是使用i-Tree Eco模型对我国城市绿地生态功能与价值评估开展实证研究，针对i-Tree Eco使用的气候背景、评估过程与方法进行深入研究，以常州市民广场为研究对象，评估其生态功能与价值。

1 基于i-Tree Eco模型的城市绿地生态功能与价值评估方法

1.1 i-Tree Eco模型计算城市绿地效益的原理

1.1.1 城市绿地吸收CO2的效益计算

树木通过自身光合作用将CO2和H2O转化为有机物并释放O2，这一生理过程可以减少大气中CO2的含量，有效地减缓温室效应，在一定程度上起到平衡空气中O2和CO2的作用。对于依靠燃烧化石燃料发电的城市来说，城市绿地的节能作用也间接地减少了CO2的排放量。i-Tree Eco模型对城市绿地年固碳效益的计算基础是树木生长模型，并与树的径级分布、树冠覆盖度、树的健康状况具有一定的关系。林地中树木平均胸径生长率估计为0.38 cm/a[11]；公园类结构(例如公园、墓地、高尔夫球场等)的树木平均胸径生长率为0.61 cm/a。i-Tree Eco根据树木属性自动分析城市树木吸收和间接减排CO2的效率，计算出各树木每年减少的CO2排放量，按照碳排放税征收标准，用替代法计算城市绿地碳吸收方面的经济效益。

1.1.2 城市绿地改善空气质量效益的计算

城市绿地能减少大气污染物，改善空气质量，对净化城市空气起到重要作用。树木每年能够吸收和过滤大量的NO2、SO2、O3、VOC、PM2.5，为城市居民提供清新的空气。树木净化效率主要取决于树木叶片对污染物去除的速率F(单位为g·m-2·s-1)，它由空气中各种污染物的沉降速度Vd(单位为m·s-1)和污染物在空气中的浓度C(单位为g·m-3)决定，计算公式[12]为

F=VdC

(1)

i-Tree Eco模型对改善空气质量效益的计算是通过分析树木去除大气中污染物的效率，估算出树木每年去除的各种污染物总量，然后依据政府机构用于净化空气，消除大气中各污染物所需投入的资金，依照替代法进行计算，得出城市绿地在改善空气质量方面所产生的实际经济效益。

1.1.3 城市绿地截留雨水效益的计算

城市管理部门每年都要投入大量资金用于保护公共设施免遭暴雨的破坏以及防止水土流失。研究表明,植物尤其是树木在减少暴雨破坏和保持水土方面具有十分重要的作用。i-Tree Eco 模型对截留雨水效益的计算是依据研究地的气候、降水量、土壤类型、立地条件、树种及树木生长状况等因素，估算出年暴雨截留总量，再根据政府机构平均每年用于保护公共设施免遭暴雨的破坏以及防止水土流失所投入资金，估算出减缓单位体积的暴雨径流量所节约的管理资金，进而得出城市绿地在截留雨水方面所产生的经济效益。年暴雨截留总量用Davis值(RD)估算，公式[12]为

RD=AEisP

(2)

式中：A为研究区总面积(total land area)；Eis为总有效防渗表面率(total effective impervious surface，单位为%)；P为年平均降水量(average annual precipitation)。

1.2 数据采集

使用随机样点调查法采集研究区域的数据。首先通过i-Tree Eco模型自带的随机样点生成器，在Google Maps中生成用经纬度坐标表示的样点中心，通过手机定位的App与现场调查样点匹配。然后确定样点大小，每个样点按照400 m2大小建立调查范围(半径约为11.3 m的圆)，调查样点内的乔木、灌木和地面覆盖。乔木调查内容包括树种、胸径、树高、东西冠幅、南北冠幅、冠基高度、树冠长度、健康状况、冠缺率、立地条件。灌木调查内容包括灌木种类、灌木高度和灌木种植面积。地面覆盖包括水体、道路或铺广场的占比状况。将每个样点的调查数据填入i-Tree Eco模型的标准样点调查表，通过该模型计算出调查区域的生态功能及其价值。

1.3 气候区选择与确定

i-Tree Eco模型是依据树木生长模型、地区气候和所在城市的资源价格等进行评估的。该模型将美国划分为 16个气候区，每个气候区的植物数据库各有不同。目前该模型没有针对中国的气候区，也没有针对中国的植物数据库。然而可以将研究区域的平均气温、平均降水量等与美国的气候区进行对比，选择气候条件最为接近的美国气候区作为气候背景开展评估。对于数据库中没有的树种，需要查阅资料确定树木的属性，寻找相似的树种进行替代[12]。

2 常州市民广场的生态功能与价值评估

常州位于东经119.95°、北纬31.78°，地处北亚热带，季风影响显著，属湿润季风气候。四季分明，年均气温为15.8 ℃,年平均降水量为1 091.6 mm。光照充足，年平均日照时间为1 940.2 h[13]。美国的亚特兰大(Atlanta)位于西经84.388°、北纬33.749°，属亚热带湿润气候，四季分明，夏季闷热，冬季温和。年均温度为15.8℃，年平均降水量为1 275 mm，年平均日照时间为2 821 h[14]。常州与亚特兰大均在北纬31°～34°附近，且年均气温、年均降水量相近，可以将亚特兰大选作常州气象背景城市进行模拟计算。

2.1 市民广场绿地数据采集

调查时间为2017年9月25日。使用i-Tree Eco模型自带的随机样点生成器，在Google Maps中产生市民广场的24个调查样点。调查样点的数量与调查结果的精度密切相关，样点数量越多调查精度越高[15]，但是样点数量的确定也要根据调查面积、调查样点地面覆盖情况而定。对于i-Tree Eco模型的400 m2的标准样点，2个人1 d能够完成4～5个样点的调查，因此样点的选择还要考虑时间、成本与精度的平衡。调查样点的分布会生成用经纬度指示的坐标位置，通过手机定位App匹配市民广场上相应的调查样点(见图1)。采集各个调查样点的详细数据，整理后录入i-Tree Eco模型。数据通过校检后，上传至美国林务局数据处理中心进行计算，等待1～2 d即可下载计算结果，生成分析报告。

2.2 市民广场绿地结构及生态功能评估

常州市民广场面积约为17.2 ha，根据调查样点估算，市民广场共有树木2 371棵，绿化覆盖率46.9%。调查样点的植物(见表1)中优势树种是桂花、日本晚樱、香樟，优势树种占植物总量的66.7%。胸径主要分布在7.6～76.2 cm区间内，其中胸径为22.9～30.5 cm的树木占总数的38%，胸径大于30 cm的大树占总量的20%。

城市的生态效益很大一部分取决于绿化覆盖率和叶面积，覆盖率越高，叶面积越大则可以获得的生态效益越多。市民广场树木叶面积可达15.3 ha，叶面积最大的树种是香樟，其次是桂花，具体见表1。

2.3 净化空气

城区的空气质量已成为人们普遍关心的问题，空气质量下降会损害人们的健康，破坏公共设施和生态系统，降低能见度[16]。城市公共绿地能够降低城市温度、直接减少空气污染物、减少建筑的能量消耗，从而间接减少污染物的排放，提升城市的空气质量。空气净化功能的估算是基于样地数据和近期污染数据以及天气数据计算得出的，见表2。

表1 市民广场主要乔木及其叶面积构成表 %

注：重要值为数量占比与叶面积占比之和。

表2 市民广场空气净化功能与价值

注：污染物净化价值由i-Tree Eco评估，并按汇率1美元=6.9元进行计算。

2.4 固碳量

气候变化是全球面对的问题，城市绿地能够将大气中的碳(二氧化碳)固定到植物组织中，减少大气中的二氧化碳含量，降低温室效应，进而减缓气候变化。植物所能固定的碳量多少是由城市绿地中植物的数量及其健康状况决定的。市民广场每年固碳量约为15.54 t，i-Tree Eco评估价值约为1.532万元。市民广场中的树木总碳存储量约386.6 t，i-Tree Eco评估价值约为38.157万元，在采样的树种中，桂花固碳量最大，达到总固碳量的32.7%。

2.5 生成氧气

绿地的年净氧气产生量与绿地的生物量、固碳量正相关。市民广场的绿地每年产生氧气约为29.30 t，根据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008)推荐使用价格1 000元/t进行评估，其每年释氧价值约为2.930万元。市民广场绿地生成氧气的功能与价值见表3。

表3 市民广场绿地生成氧气的功能与价值

2.6 减少地表径流

降雨过程中，一部分雨水被乔木和灌木阻拦，另外一部分渗入地下，还有一部分形成地表径流[8]。城市中大量的不透水地面增加了地表径流量。城市绿地能够减少地表径流量，一方面茎叶能够阻拦降水，另一方面植物的根系既能提升降水的渗透性，又有保水的功能。经i-Tree Eco评估，市民广场的绿地每年减少地表径流量约为3 775 m3，价值为6.148万元。

3 结语

常州市民广场总面积约为17.2 ha，乔木覆盖率46.9%，共有树木约2 371棵，其中优势树种是桂花(占比35.7%)、日本晚樱(占比15.5%)、香樟(占比15.5%)，优势树种占植物总量的66.7%。叶面积约为15.3 ha，胸径主要分布于7.6～76.2 cm区间内，其中胸径为22.9～30.5 cm的树木占总数的38%，胸径大于30 cm的大树占总量的20%，总碳存储量达到386.6 t 。市民广场内绿地的生态功能为每年净化空气1 443.97 kg，固碳量15.54 t，生产氧气29.30 t，减少地表径流3 775 m3。生态功能价值为每年净化空气价值1.519万元，固碳价值1.532万元，生产氧气价值2.930万元，减少地表径流价值6.148万元，合计12.129万元。自2006年市民广场建设以来，仅提供的上述4项生态功能已有133.419万元。

根据由i-Tree Eco模型得出的常州市民广场生态功能价值评估数据，对城市绿地的管理和优化提出以下建议。

1)由于植物的覆盖率和叶面积是城市绿地发挥生态功能的重要因素，城市绿地需要尽可能提高乔木的种植密度，并选择树形高大、树冠饱满的树种来提高城市绿地的生态功能。

2)乔、灌、草相结合的多层次种植方式能够使城市绿地群落获得较大的叶面积，城市管理者和园林设计师在城市绿地管理和设计中需要广泛应用这一种植方式，充分利用有限的空间，实现最佳的生态功能。

3)为了使城市绿地发挥最佳的生态功能，还需要做好城市绿地的养护管理与病虫害防治，让其保持最佳的健康状况。生病或长势不佳的城市绿地植物不仅无法达到正常的生态功能，而且会影响城市的生态环境，因此对于已经生病、长势较弱的乔木需要及时替换。