城市绿地碳汇研究进展

2020-09-22王永华高含笑

湖北林业科技 2020年4期

王永华高含笑

摘要：全球气候变暖是国际社会广泛关注的全球性难题。随着中国城市化水平越来越高，城市中的碳排放也随之增加。如何通过增强城市绿地碳汇功能使城市达到碳氧平衡或缓解城市外林地的碳汇压力成为了迫切需要解决的问题。城市绿地系统作为城市中重要的组成部分，既是调节城市碳氧平衡的关键，又是城市可持续发展的基础。文章概述了城市绿地碳汇功能及相关概念;介绍了现场测定法、样地清查法、生物量模型法和遥感估算法四种城市绿地碳汇功能研究方法;综述了基于碳氧平衡的低碳森林城市构建理论和“三源绿地”城市绿地空间布局理论两种基于碳汇理念的城市绿地理论。分析了当前城市绿地碳汇研究的不足;展望了城市绿地碳汇研究的发展趋势。

关键词：城市绿地;碳汇;碳汇功能;碳氧平衡

中图分类号：TU985.2，X22 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2020）03-0069-08

Abstract： Global warming is a global problem of wide concern to the international community. As China becomes more and more urbanized， carbon emissions in cities are increasing. How to make the city reach carbon and oxygen balance or relieve the pressure of forest outside the city by enhancing the function of urban green space carbon sink has become an urgent problem to be solved. As an important part of the city， urban green space system is not only the key to regulate urban carbon and oxygen balance， but also the foundation of urban sustainable development. This paper summarizes the function and related concept of urban green space carbon sink. Four methods to study the function of urban green space carbon sink are introduced， including field measurement， sample land inventory， biomass model and remote sensing estimation. Two urban green space theories based on the concept of carbon sink are summarized， which are the low carbon forest city construction theory based on carbon and oxygen balance and the "three source green space" urban green space layout theory. The deficiency of current research on urban green space carbon sink is analyzed. The development trend of urban green space carbon sink function is prospected.

Key words： urban green space;carbon sink;carbon sink function;carbon and oxygen balance

全球氣候变暖自提出以来便受到国际社会的广泛关注，是全球性的热点和难题，通过各方的共同努力和不懈奋斗，缓解气候变化、保护环境生态等方面已取得阶段性进展。国际社会先后制定了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》以解决气候问题。造林碳汇项目已成为全球合作的创新性机制，随着碳汇实践和理论的进一步推进，碳汇理念受到世界各国政府和学者的广泛认可[1]。2016年4月22号，中国同175个国家共同签署《巴黎协定》，中国在发展过程中坚持创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，大力推动绿色低碳循环发展模式，采取有效措施应对气候变化，为建立合作共赢、公平合理的全球气候治理机制做出贡献[2]。随着中国城市化水平越来越高，城市中的碳排放也随之增加[3]。目前，更多学者开始关注碳汇理念，如何通过增强城市绿地碳汇功能使城市达到碳氧平衡或缓解城市外林地的碳汇压力成为了迫切需要解决的问题。根据《联合国气候变化框架公约》的定义，将“从大气中清除CO2的过程、活动和机制”称之为“碳汇”[4]。森林作为陆地生态系统主体起到主要的固碳作用，但城市作为主要碳源不能仅仅依赖较为偏远的林地来承担碳汇功能，城市绿地应充分发挥自身碳汇功能，增强绿地生态效益，打造绿色低碳城市[5]。

1 城市绿地碳汇概述

1.1 城市绿地与城市绿地系统

城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分，既是调节城市碳氧平衡的关键，又是城市生态环境可持续发展的基础。所谓“绿地”，《辞海》释义为“配合环境创造自然条件，适合种植乔木、灌木和草本植物而形成2018一定范围的绿化地面或区域”;或指“任何种植植物的土地，无论是天然植被还是人工栽培，包括农业、林业、畜牧业生产用地和园林用地，均可称为绿地”[6]。宏观上的城市绿地是指城市用地及其周边地区以自然植被和人工植被为主的区域[7]。绿地按主要功能进行分为大类、中类、小类三个层次，其中大类共有五种类别，即G1公园绿地、G2防护绿地、G3广场用地、XG附属绿地、EG区域绿地五大类。

城市绿地系统是由各种质量和数量的绿色空间相互作用和相互联系形成的绿色有机整体。城市绿地系统具有生态、游憩和防护等多重功能，是由各类绿地共同组成的稳定持久的城市绿色环境体系[8]。面对全球气候变化和碳氧失衡等国际难题，城市绿地系统担负着重要的生态任务，同时城市绿地系统也蕴含着巨大的生态潜力。传统的生态理论往往拘泥于增加绿地面积来增加城市绿地的生态效益，然而受客观条件限制，城市绿地面积难以持续不停增加，更不可能无限提升城市绿地比重。如何使同样面积的绿地发挥更好的生态效益，更加科学有效的开发城市绿地的生态功能，将会成为相关学者进一步研究的焦点。

1.2 碳汇概念

根据相关学者和机构在研究和实践中对部分概念进行的界定，碳汇（Carbon Sink）是指通过植树造林、森林管理、城市绿地布局优化等措施，利用植物光合作用吸收大气中的CO2，并将其固定在植被和土壤中，以减少大气中温室气体浓度的过程、活动或机制。碳汇功能主要指森林、绿地、土壤、岩石等作为载体吸收和储存CO2的能力[9]。

区分“汇”与“源”：《联合国气候变化框架公约》将“碳汇”定义为从大气中去除CO2的过程、活动或机制;相反，将CO2排放到大气中的过程、活动或机制称为“碳源（Carbon Source）”[10]。碳源来自大自然，如海洋、土壤、岩石和生物，以及人类活动，如工业生产和日常生活。碳源和碳汇是两个相对的概念，即碳源是指向大气中释放碳的碳母，而碳汇则是指自然界中谈的沉积[11]。

1.3 城市绿地碳汇的含义

根据现有的研究进展，虽然“碳汇”、“森林碳汇”和“林业碳汇”存在差异，但仍常被视为近似概念，而“绿地碳汇”则通常与“城市绿地碳汇”等同使用。城市绿地碳汇指的是城市绿地植物通过光合作用，吸收大气中的CO2并将其固定在植被和土壤中，从而减少大气中CO2浓度的过程[12]。

占陆地总面积1/3的森林几乎占陆地碳储存量的一半[13]。森林是陆地最重要的碳汇，但其也具有分布不均、远离城市、破坏严重等现实问题，城市作为人类社会中最大的碳源，不能仅靠位于郊野的林地承担固碳任务，城市绿地如何为城市发展排忧解难便是其作为城市核心碳汇的生态使命。研究碳在城市中“源”与“汇”的关系，优化城市绿地的空间布局。通过城市绿地系统规划和管理，为城市绿色低碳可持续发展提供良好的策略。

1.4 城市绿地的碳汇功能

碳汇功能即吸收并固定CO2的功能，也可称为碳汇能力。城市绿地碳汇功能是指某城市绿地吸收和固定CO2的功能。城市中的碳一般指城市居民生产生活所产生的CO2，因此城市绿地碳汇功能主要指城市绿地吸收并固定城市居民生产生活所产生的CO2的功能。城市绿地中的园林植物和土壤具有主要的碳汇功能，其中园林植物有着极强的碳汇能力，是城市绿地碳汇最重要的组成部分。根据研究数据（表1），不同覆盖类型绿地平均固碳量有很大差别，与此同时，层次或密度不同的植物群落也会使城市绿地的碳汇功能有所区别。根据于超群等对济南市城区典型绿地碳储量的研究进行分析，可以发现植物群落层次越复杂，固碳效果越好，植物群落密度越高，碳汇功能越强[14]。作为园林植物生长的基础，城市绿地中的土壤也是储碳量庞大的碳库。园林植物和土壤在城市碳循环中都有着不可或缺的作用，因而城市绿地碳汇作为城市中唯一的自然碳汇，其功能具有不可替代性，是城市碳汇的基础部分。

2 城市绿地碳汇功能研究方法

2.1 现场测定法

通过借助实验仪器对大气中CO2的浓度进行现场测定，现较为常用的绿地CO2分析仪器有CI-110冠层分析仪和CXH-305便携式红外线CO2分析仪。具体实践过程中应充分考虑所测定的绿地属性，根据现场情况选择所需要的实验仪器。在观测时，应在观测地区内以相等的间隔布置观测点连续观测和记录，观测高度离地面1.2 m到1.5 m。在風小或无风的夏季进行观测有利于提高观测结果的准确性。

2.2 样地清查法

样地清查法是通过设立典型样地对所检测的城市绿地中的植被、枯枝落叶和土壤等碳库碳储量进行调查研究[15]。在对连续测定的数据进行分析后，获得一定时期内碳储量的变化。此方法受较多客观条件所限制，多适用于小尺度城市绿地碳汇功能的研究，而较大尺度的城市绿地碳汇研究需借助生物量模型法和遥感估算法等进行估算。

2.3 生物量模型法

2.4 遥感估算法

近年来，碳汇测量方法在国际碳汇合作的推动下发展迅速，在高新技术的助力下的城市绿地碳汇功能测量方法不仅精准度得到有效保证，其测量成本也有所降低。3S技术是多学科高度集成的现代信息技术，随着3S技术的快速发展和完善，已经可以成熟的运用到城市绿地碳汇测量的实践之中[16]。

遥感估算法便是对卫星遥感图像进行解译，结合实地调查观测区域的绿地生物具体信息，再通过地理信息系统对观测区域进行综合分析得出估算。遥感估算法不仅适用于大尺度绿地碳汇功能的研究，也可用于了解城市绿地碳库的变化趋势[17]。

3 城市绿地碳汇理论

3.1 基于碳氧平衡的低碳森林城市构建理论

“基于碳氧平衡的低碳森林城市构建研究”理论主要关注城市绿地的建设，集中在如何发挥城市绿地的固碳释氧功能;如何通过调整产业结构等有效途径降低城市碳排放量从而达到低碳森林城市[18]。秦碧莲以济南市为例，研究基于碳氧平衡的低碳森林城市构建理论，以RS、GIS技术为支撑，对济南市2013年遥感影像进行解译，在此基础上通过计算模型定量分析济南市二环路以内中心城区绿地固碳释氧能力，结合济南市生产生活实际情况综合分析，提出了低碳森林城市构建方案[19]。

3.1.1 城市碳氧平衡原理

碳氧平衡原理是人类生产生活等各项活动排碳吸氧与绿色植物吸碳放氧总量相互平衡的理论，也可以理解为大气中的碳排放量和碳吸收量维持在一定平衡范围内，从而保证生态系统的安全[20]。“城市CO2吸收缺口指标”是评价城市碳氧平衡的重要指标，是通过城市中排放的CO2与城市中吸收的CO2的相差数和碳排放的比值来衡量。

3.1.2 低碳森林城市基本概念及内涵

森林城市最初起源于城市森林，1962年“城市森林”这一名词首次出现在美国肯尼迪的政府工作中，此后的数十年各国各界学者相继从不同研究角度对其进行了不同程度的探讨和补充[21]。我国森林城市的建设及其理论研究起步相对较晚，但在相关部门的大力推进下取得了快速发展。当前对于森林城市仍未有确切的定义，综合森林城市的研究综述，可将其定义为：森林城市是指城市森林建设具有较大规模，生态系统稳定，生态结构完整且生态环境良好的复合生态系统。

低碳城市是在城市建设发展过程中坚持贯彻低碳理念，在保证城市稳定可持续发展的前提下，以低碳理念为基本思想，运用多种技术与方法降低CO2的排放，缓解温室效应、调节空气碳氧平衡，以建造低碳生态宜居城市为蓝本[22]。低碳森林城市是目前的前沿概念，尚无明确定义。鲁敏等在《低碳森林城市建设途径与策略—以济南市》中提出低碳森林城市既是低碳城市，又是森林城市，并对构建低碳森林城市的必要性进行了详细的阐述[23]。

3.1.3 低碳森林城市研究进展

国内外针对低碳城市的研究主要涉及城市碳排放来源、空间结构、市场环境监制、建设方法、评价体系等方面[24]。森林城市建设可以缓解城市快速发展中人类与自然之间日趋严重的矛盾，同时在改善空气质量、降低噪声、减轻热岛效应、涵养水源等方面发挥着重要作用[25]。城市森林是20世纪60年代由外国专家首次提出的[26]。中国在20世纪90年代引入了森林城市建设的概念。经过日积月累的发展，中国森林城市建设也取得了一定的研究成果，积淀了丰富的经验。

低碳城市通过调整产业结构、改变居民生活方式和倡导绿色交通等从源头上降低城市碳排放。森林城市则是强调通过大力建设城市森林和优化绿地系统布局等方式，提高城市绿地固碳释氧能力。

3.1.4 城市绿地碳氧平衡能力研究进展

（1）居住区绿地的碳氧平衡能力。在北京市对乔灌草、灌草和草坪三种居住区绿地类型进行调查研究，比较碳氧平衡能力，结果表明乔灌草类型居住区绿地对空气中的CO2的调节能力明显高于另外两种居住区绿地类型[27]。

（2）公园绿地的碳氧平衡能力。通过选择相关指标，调查研究城市公园不同植被群落的碳氧平衡能力。结果表明乔灌草复层植物群落的碳氧平衡能力是单层植物群落的1～2倍。研究结果还表明每公顷公园绿地年吸收CO2共329 t，产生O2共219 t[28]。

（3）自然保护区绿地的碳氧平衡能力。王忠诚等调查研究了鹰嘴界自然保护区绿地的碳氧平衡效益。结果表明自然保护区绿地阔叶混交林的碳氧平衡效益最高，杉木毛竹混交林次之，杉木林最低。研究结果准确反映了鹰嘴界自然保护区绿地生态系统的碳氧平衡效益，具有一定参考价值[29]。

（4）滨水绿地的碳氧平衡能力。通过模拟1998～2010年泾河流域碳汇演化规律和空间分布格局，专家学者分析了碳氧平衡功能与环境因素的相关性。结果表明1998～2010年泾河流域碳汇功能稳定，但季节变化特征较明显。此外，泾河流域碳汇功能与自然影响因素（气候、地形、土壤）的相关性系数表明，气象因子是碳氧平衡空间和时间演变的关键要素，地貌和土壤因素虽然重要但不是主导因素[30]。

3.2 “三源绿地”城市绿地空间布局理论

城市绿地系统是城市中唯一的天然氧源，也是城市中最为重要的碳汇。城市绿地系统的碳汇功能在应对温室气体减排和全球气候变暖方面发挥着重要的作用。传统的城市绿地生态理论往往拘泥于增加绿地面积来提高城市绿地的生态效益，然而受到客观条件的限制，城市绿地面积难以持续不停增加，更不可能无限提升城市绿地比重。“三源绿地”模式是指在城市绿地空间布局由“氧源绿地”、“碳源绿地”、“近源绿地”3种布局模式有机结合形成的城市绿地系统[31]。

（1）“氧源綠地”模式是指为城市提供固碳释氧、滞尘等生态功能的大型城市绿地的布局模式。“氧源绿地”特点是主要分布在城市中心区周边，多处于城市的上风向，植物群落多为乔灌木，面积较大且布局集中[32]。这种城市绿地布局模式主要是在城市外围上风向布置大量生态绿地，从而形成能为城市提供丰富O2的氧源。应充分考虑城市组团布局结构，从低碳城市生态学角度出发，结合具体城市主要风向和产业结构，与远离城市的生态森林共同组成围绕城市的环状生态布局结构。

“氧源绿地”模式强调城市绿地对城市生态的释氧作用，位于城市周边的大型城市绿地在城市生态中有着得天独厚的优势。森林生态系统作为碳汇为调节地区整体碳氧平衡发挥重要作用，郊野森林是城市外围的天然屏障，能够有效促进外界空气与城市的交流。“氧源绿地”和郊野森林共同将城市生态环境与自然生态环境有机结合为一体，为改善城市生态环境，调节城市碳氧平衡，缓解城市热岛效应等城市问题有着至关重要的影响。

（2）“碳源绿地”模式是指碳排放量大的城市功能区附近布置具有较强碳固存能力植被的绿地布局模式。吸收城市碳源排放的CO2是“碳源绿地”的主要功能，紧邻城市功能区下风向且布置集中是“碳源绿地”的主要特点[33]。“碳源绿地”往往处于城市工业区等碳排放量较大的区域之中，受城市发展的客观条件所限，该区域的城市绿地通常面积较小且分布零散。尹沛卓等根据“三源绿地”理论对日照市主城区进行城市绿地布局调查，日照市“碳源绿地”主要由以道路附属绿地为主的附属绿地以及防护绿地构成[34]。防护绿地共有9块，分布于老城区和开发区，以中小型斑块为主且大小不均匀，宽度约为75 m～150 m之间，远低于要求宽度。道路附属绿地分布于老城区和高新区，以分布零散且支离破碎的小型斑块为主，虽然高新区的道路附属绿地宽度达到7 m，但与其他城市绿地类型连接度低。因此，仅靠道路附属绿地和防护绿地不足以形成“碳源绿地”，应采取退耕还林、打通生态廊道、修复河道生态系统等措施增强碳汇功能，将城市绿地与城市下风向碳汇能力极强的郊野森林相结合，进而形成符合低碳城市要求的“碳源绿地”。

“碳源绿地”不仅是城市绿地建设的重点，也是城市实现低碳可持续发展的难点。“碳源绿地”碳汇水平决定于是否有足够的绿地面积和高效的碳汇植物群落。理想的“碳源绿地”应与城市下风向大体量林地碳汇有机结合，共同为碳排放量较大的城市功能区碳源提供强有力的碳汇功能保障。

（3）“近源绿地”模式主要是指分布在城市建成区范围内对于居民可达性较高的城市绿地，常采取点状与带状相结合的方式布置绿地。“近源绿地”分布特点为“大范围分散，小范围集聚”，其规模的大小随着城市中心区的发展而变化。“近源绿地”模式城市绿地中最为靠近城市的碳排放源，故称之为“近源绿地”，一般利用城市中的道路附属绿地形成纵横交错的绿带，将城市中各个绿地斑块与城市森林连接起来，形成以500～1 000 m的带状绿地连接而成的生态网络[35]。

与“氧源绿地”和“碳源绿地”不同的是，“近源绿地”的构建框架为城市道路附属绿地，通过满足物质流通宽度的绿带宽度，链接城市中的点状和块状绿地，城市路网是绿化带的基础，路网的完整性决定了整个城市生态网络的连接性。同时利用城市水系形成带状绿地也可以有效缓解城市道路附属绿地所承担的碳汇压力，从而与城市路网共同形成城市绿网。随着城市的发展，城市中心区往往由商业功能区、文娱功能区和居住功能区组成，碳排放点密集且排放量大。因此，此区域宜建设较大型的城市绿地作为“城市绿心”，如纽约中央公园，在提升城市中心区域碳汇能力的同时起到串联绿色生态廊道的枢纽作用。并以此为碳汇核心，在周边设置街头绿地，如纽约口袋公园，结合社区公园等中小型绿地斑块，形成以“城市绿心”为核心，以城市绿道为基底的碳汇网络。各个城市的历史发展和地理特征等客观因素有所差别，因而不同的城市有着自己的“近源绿地”解决方案，虽具体布局模式不尽相同，但有着相同的功能目的，即开发碳汇功能从而提升碳汇水平、增加景观异质性和城市空间整体性从而促进建成城市低碳生态体系。

4 城市绿地碳汇研究目前存在的问题

4.1 概念尚不明确

到目前为止，城市绿地碳汇没有统一的定义，这将限制城市绿地碳汇的发展。形成公认的城市绿地碳汇概念是研究城市绿地碳汇与城市绿地碳汇功能的基础，否则即使有大量的研究文献，概念上的分歧可能会导致研究结果不具备通用性和说服力。因此，定义一个清晰、公认和普遍的城市绿地碳汇概念至关重要[36]。

4.2 城市绿地碳汇布局不合理

周慕云对上海市各区碳汇量做了调查与研究，较为直观的体现了上海市绿地布局与碳汇功能的关系[37]。通过表2可以看出，上海各区县绿地碳汇量严重不均衡。碳汇量排名前三位的区县碳汇占上海市公园绿地碳汇总量的一半。

中国大部分城市在建设过程中忽视了城市绿地碳汇功能的重要性，在前期城市规划过程中缺乏碳汇意识，没有预留足够的绿地空间，从而导致城市绿地面积和质量严重不足[38]。随着人们生态意识的加强，低碳城市、森林城市等理论的提出与发展，部分城市进行查缺补漏式的綠地建设，造成了城市绿地破碎度高、布局分散、可达性低等问题。

4.3 碳汇实践项目与新碳汇技术理论脱节

新技术、新理论在城市绿地碳汇功能研究中将会发挥更多的作用，在科学研究的过程中也促进了新技术和新理论的日趋成熟。但在实际绿地碳汇项目的实践过程中对新技术与新理论的运用仍较为滞后，其中有技术和理论日新月异的快速发展的因素，但也存在实践与理论脱节的弊端。

从政府及有关各界对碳汇或城市绿地碳汇的宣传角度来看，宣传力度是远远不够的，公众对碳汇的认知也与国际先进水平有较大差距。宣传力度的不足从一定程度上讲也是导致碳汇实践项目与新碳汇技术理论的脱节的重要因素之一。很多人正是因为缺乏对碳汇或城市绿地碳汇功能的认知，才会导致无法自觉减少碳排放，从而减轻城市生态压力。这些问题在很大程度上阻碍了中国城市绿地碳汇的发展。

5 展望

目前，中国正处于城市化快速发展的阶段，城市环境问题日益突出，然而城市绿化理念较为滞后，城市绿地的功能较为单一。城市绿地碳汇功能的研究与森林碳汇有一定差距，在方法和应用方面都相对欠缺。与此同时，城市绿地碳汇研究也正迎来快速发展的阶段，这将是一个机遇与挑战并存的时代，城市绿地碳汇功能的发展趋势主要体现在以下几个方面：

（1）明确城市绿地碳汇与城市绿地碳汇功能等相关概念。城市绿地碳汇是指在人类活动的影响下，城市绿地中的植物吸收大气中的CO2并固定在植被与土壤中，从而减少大气中CO2浓度的过程。正确区分城市中的碳源于碳汇有利于城市绿地布局的构建与优化，而城市绿地碳汇功能是指城市绿地所提供的吸收并固定CO2的功能[39]。

（2）优化城市绿地碳汇布局，构建基于城市绿地碳汇理念的高效绿地布局模式。根据城市碳源和碳汇现状综合分析，合理增加城市绿地面积，科学优化城市绿地布局，才能使城市成为碳氧平衡的低碳森林城市。始终将城市绿地固碳释氧功能视为着手点，结合低碳森林城市和“三源绿地”布局模式，为城市生态健康发展保驾护航。

（3）新技术、新理论在城市绿地碳汇研究中将发挥更大作用。随着信息技术和3S技术的发展和不断完善，新技术应用于现代园林绿地碳汇的开发，形成高效准确的碳汇分析系统。获得新技术和新理论的加持，同时在大数据和互联网+时代的冲击下，城市绿地碳汇研究将开启新的阶段。

（4）城市绿地碳汇功能既是调节城市碳氧平衡的关键，又是发挥城市绿地生态效益的基础[40]。相信不久的将来可以将城市绿地碳汇的相关考核纳入“国家生态园林城市”的评选标准，城市绿地碳汇功能为今后城市绿地布局提供新的思路，为城市碳氧平衡寻找新的方法。

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