LA专题 | 玛莎·施瓦茨 伊迪丝·卡茨等 | 设计师的地球工程“工具箱”：危机给予风景园林师扭转、修复和再生地球气候的机会

全文刊登于《风景园林》2020年第12期 P10-25

玛莎·施瓦茨，伊迪丝·卡茨，李致，胡一可.设计师的地球工程“工具箱”：危机给予风景园林师扭转、修复和再生地球气候的机会[J].风景园林，2020，27（12）：10-25.

设计师的地球工程“工具箱”：危机给予风景园林师扭转、修复和再生地球气候的机会 

著：（美）玛莎·施瓦茨

女 / 哈佛大学设计研究生院风景园林设计实践教授 / 玛莎·施瓦茨合伙人事务所总裁 / 研究方向为可持续性城市景观规划与设计

作者研究心得

为解决气候危机贡献一份力量，是我的使命。身为人母，我不希望自己的孩子生活在这样的地球上。要想平安度过21世纪，需要各行各业齐心协力，防止气温上升超过2℃甚至更低的范围，无论如何这都是一项艰巨的任务。因此，“全员参与”的理念及方法应运而生，能够避免全球变暖和温室效应失控。当前人类的“一切照旧”的生存轨迹改变得不够快，这条道路的尽头可能是一场灾难，这也是我研究地球工程的兴趣之源。

就解决气候问题而言，地球工程可以提供诸多选择。但一般意义上它意味着从全球尺度上干预气候系统的运行。为了应对超大尺度规划设计的专业问题，我认为风景园林师有必要提升认知层次。我们需要了解什么是气候危机、可以做些什么以及如何付诸行动。此外，人类正处在“化石燃料向可再生能源经济过渡”的时期，科研人员的研究进展也许能给予我们一些启发。

同时，风景园林师也需要了解太阳能及地球工程相关技术，或者大气脱碳技术。此类技术同样基于全球尺度，要么给地球降温，要么吸收大气二氧化碳。风景园林师必须非常熟悉工具箱中的所有工具，这样才能进一步参与地球气候相关决策。毕竟，我们被评价为这个美丽星球的“管家”，当下正是风景园林师职业发展的重要机遇。

My crusade is to help solve the climate crisis.  I have kids and I don’t want to leave Earth to them in this condition. We are going to need help from a lot of different quarters to get us through this century where holding temperature rise to 2 degrees C., or less, is going to be an enormous undertaking. It will require an ‘all hands-on deck’ approach to avert the planet from heating up and run-away greenhouse effects taking over. My interest in geoengineering evolved from the knowledge that our current trajectory, of business as usual, is not changing fast enough and we are headed for possibly disastrous scenarios.

Geoengineering covers many different possibilities that can help this situation. But very generally, it means operating at a scale that can have global impacts on the climate system of the Earth. I believe it is necessary that landscape architects bump up our thinking to embrace this global scale. We need to understand the climate crisis, what needs to be done and how we can act. We also need to understand what scientific researchers are doing that may be able to help us during this transition out of fossil fuels to renewable energy economies. 

As landscape architects we need to know about technologies like solar geoengineering, or, atmospheric decarbonization technologies. This requires thinking at the planetary scale to either cool down the earth or extract CO2 from the air. As landscape architects we must be thoroughly informed about all the tools in our toolbox so that we can participate in these debates and decisions which affect the Earth. We are, after all, considered the stewards of this extraordinary place and have a very significant opportunity ahead for our profession.

著：（美）伊迪丝·卡茨

女 / 风景园林和景观都市学高级学位 / 风景园林师、设计师、教育家及作家 / 哈佛大学设计研究生院教师 / 研究方向为风景园林与气候变化

作者研究心得

本文总结了跨多个领域的气候治理综合研究及实际应用的方法。随着不断培养寻找气候危机解决方案的能力，我们在许多领域都进行了深入的研究，例如气候危机、大气科学、气候科学、工程和经济发展领域、大气脱碳研究和技术以及生态系统服务等。纵观各类研究和应用进展，尝试在风景园林师的实际工作中找到这些潜在解决方案或技术的落脚点。

我们正在寻找能够帮助扭转气候变化，修复和稳定气候条件以及使地球再生的应用方法，同时这些方法具备既务实又创新的特征。听起来不可思议，但是在应对气候危机的过程中，唯有此计可以一试。我们必须将目光转向更大范围，同时在我们熟悉的区域、城市、近郊和乡村内，继续开展基于自然的、生物的应用方案，整合陆地、土壤、植物和水体诸多内容。在这期间，我们带着新的目标寻找可以开展业务的机遇。

我们正和一些缺乏发展指导的地区接触，气候治理正是新的发展目标和愿景。这就说明，人类社会最深切的需要是治愈地球，并努力清理几百年来基于化石燃料的文明造成的混乱。好比科学家研制出疫苗的时间会远远早于预期，如果我们用心去解决气候问题，同样可以成功。何况已经有了解决办法。但我们必须迅速行动起来，在前行的同时身体力行做好宣传工作。我们正逐步探知风景园林师在本世纪所要扮演的重要角色。

This essay summarizes our attempt to synthesize research across many fields and find ways to apply it. We have drilled down into the climate crisis, atmospheric sciences, climate science, engineering, economic developments, atmospheric decarbonization research and technology plus ecosystem services, to name just a few, as we educated ourselves try to find solutions to the climate crisis. Looking at all these different developments, as landscape architects we are trying to ‘land,’ or locate, these possible solutions or different techniques within our own work. 

We are searching for pragmatic and innovative applications that can help to reverse climate change, repair and stabilize the climate and regenerate the Earth. A big ambition! But, in trying to take on the climate crisis, we have had to strikeout in this direction. We have had to take on new ambitions at larger scales whilst simultaneously continuing to develop the natural, biological based solutions for which we have been trained that include, land, soils, plants, water, at the familiar scale of regional, urban, peri-urban and rural.  Within this search, with a new purpose, we are discovering grounds where we can operate.

We are being engaged by places that need a vision to guide them. Response to the climate emergency offers that new purpose and vision. This confirms to us that the deepest need is to heal the planet and try to clean up the mess we have made over the last few hundred years with this fossil fuel civilization. Just like the scientific community came up with a vaccine in a fraction of the time we were originally told it might take to develop one; if we put our hearts and minds to the climate problem: we can solve this too. We actually have the solutions. But we must act rapidly and educate our clients as we go along. As landscape architects we are discovering we have an important role to play in this century.

译：李致

女 / 天津大学建筑学院在读硕士研究生 / 研究方向为风景园林规划设计

校：胡一可

男 / 博士 / 天津大学建筑学院副教授 / 本刊特约编辑 / 研究方向为风景旅游区规划设计、城市公共空间

摘要：当前，风景园林师的气候危机（CC）教育强调“弹性”（快速恢复能力）和适应力（应对CC影响的能力）。探索并倡导缓解方案，以期从根源上解决CC问题。该实践表明，风景园林专业地位独特，在缓解及修复气候变化方面发挥着重要作用。专家一致认为，应对气候变化不能仅依靠减排或减少化石燃料消耗量。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2019年发布的《全球增暖1.5 ℃特别报告》指出，过量二氧化碳已带来诸多全球变暖的后果，必须采取其他行动减少碳排量。大气脱碳的应对方案与风景园林专业直接相关，其中陆上气候应对方案是公认途径，可减少人为诱发的二氧化碳排放量。基于地球工程学（GE）探讨了一系列方法，总结可纳入风景园林师工具箱的诸多补救措施，并通过代表案例分析各种措施的实际应用。这些工具中有许多涉及设置不同规模的自然和生物系统，且需要相对较长的时间才能发挥生态效用。因此，除了短期策略，本研究也将讨论基于前沿技术的GE工具以避免灾难性影响，并提出在必要情况下，可以采用减缓与减排相结合的方式。

关键词：大气脱碳；陆上气候应对方案；地球工程学（GE）；气候干预；减缓气候变化；气候修复；风景园林在应对气候变化中的作用；碳汇；二氧化碳脱除（CDR）；太阳能辐射管理（SRM）

1 大气脱碳

若想避免气候灾害，除了实现“去碳化”发展，还需要采取脱碳行动。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）将大规模的大气二氧化碳脱除（CDR）作为减排的辅助措施，以实现气候治理目标。本研究重点讨论大气脱碳问题，这是地球工程学领域最重要的研究之一，与风景园林及其脱碳作用密切相关。

1.1 “减缓”：对“适应”和“弹性”的超越

风景园林的教育和实践通常使用弹性（快速恢复的能力）和适应力（应对自然变化的能力）应对气候危机，这2种方法很重要，但无法解决根本问题。

1.2 “减缓”“适应”与“弹性”的区别

“弹性”和“适应”通常应用于局部范围，而“减缓”可解决全球尺度上的问题。“适应”策略侧重治标，而脱碳领域中的“减缓”策略则通过减少二氧化碳排放、大气二氧化碳脱除和稳定碳循环而实现治本。

1.3 脱碳问题已成关注热点

人类已经意识到气候治理的严峻性，为避免产生严重后果，并决心在2030年前采取有效行动。在这个气候变化的新时代，风景园林师的工作重点在于土地和植被，而二者都能吸收并转化二氧化碳，笔者认为风景园林师在减缓气候变化以及气候的逆转、修复和再生方面发挥着非常重要的作用。本研究为风景园林师提供了脱碳“工具箱”，并通过代表案例介绍具体应用效果，以便在日后工作中进一步探索实践。

1.4 气候变化机制与风景园林

人为干预的关键在于气候变化的机制和驱动因素，风景园林师们可在地球系统多圈层间的相互作用、地球能量平衡和碳循环中发现设计机会并解决问题。

2 气候变化的影响：中国将面临什么?

改革开放以来的经济飞速发展加剧了中国的气候危机。以下4种类型的气候影响在中国广泛存在：1）冰川融化和淡水流失；2）温度上升、热浪加剧和空气污染；3）荒漠化对食物和栖息地的影响；4）海平面上升和沿海地区洪灾。

2.1 中国与“亚洲水塔”

青藏高原地区包含全球14%以上的冰川和积雪，可为20多亿人口带来淡水资源，然而气温上升却致使冰川的消融和退缩。

2.2 华北平原（NCP）出现热浪

热浪有可能对中国造成致命影响，特别是在华北平原。若不采取严格措施，华北平原将成为全球“热”点地带，届时必然严重威胁中国居民的生命财产安全。

2.3 荒漠化

淡水资源枯竭，森林遭到大规模破坏，中国荒漠化将进一步加重。目前中国约有27%的土地被沙漠覆盖，荒漠化致使耕地越来越少，由此导致的粮食短缺已经成为中国切实关注的问题。

2.4 上升的海平面

预计到2050年，中国将有9300万人受到海平面上升的威胁，涉及上海、深圳、天津、广州、江苏省和珠三角等地区，对全球经济增长的影响率将达25％。

3 地球工程学

地球工程学指有意识地对地球气候进行大规模干预以缓和全球变暖的学科。有2个主要分支：太阳辐射管理和二氧化碳脱除（CDR）。前者通过增加反照率或地球的反射率影响地球的能源系统，即进出能量之间取得平衡，其中太阳能地球工程通过技术手段与地球能量平衡相互作用，减少太阳辐射，从而降低地球的温度；后者则与地球的碳循环相互作用（图1），根据二氧化碳从大气中分离的方式，可分为自然脱除（NCDR）、物理脱除和化学脱除。

1 地球工程学分支图

4 21世纪风景园林师的职责

二氧化碳自然脱除（NCDR）是风景园林师设计面临的最大机遇，通过影响地球碳循环应对气候问题。

4.1 CDR：二氧化碳自然脱除（NCDR）

许多自然过程能够“吸收”并储存大气中的二氧化碳，如土地、土壤和植被，这也是风景园林师通常采用的方法。《减排：扭转全球变暖最强计划》是一本脱碳行动研究清单，介绍了80种解决气候危机的途径，并指出基于陆地的方案是最有效的大气二氧化碳脱除途径。如果陆上气候应对方案的应用范围足够大，便可在能量平衡（热量控制）和碳循环（减少大气中的二氧化碳）两方面干预全球大气状况。除此之外，本研究所述的一系列脱碳工具同样适用于各种尺度。

4.1.1  自然脱除工具1：植树造林

植树造林的二氧化碳年捕获潜力为5亿~36亿t，成本预估约为每吨花费5~50美元。树木通过光合作用吸收二氧化碳，并将其转化为根、茎、叶等生物量。只要树木存活，便可一直封存二氧化碳。但为了防止树木燃烧或被分解后二氧化碳的大量外泄，可通过火灾管理或用作生物燃料降低风险。

植树造林代表案例：

1）2019北京大兴国际机场临空经济区中央公园方案，由玛莎·施瓦茨合伙人设计事务所设计，结合现有的森林碎片和运河，建立了大规模的绿化和集水区，通过二氧化碳自然封存和生物封存缓解气候危机，并利用“弹性”策略适应场地中预测的气候影响（图2~4）。

2 大兴中央公园鸟瞰图

3 红丝带路和集水区

4 人工林风环境分析

2）速造小型环境保护林，宫胁昭设计。

日本植物学家宫胁昭（Akira Miyawaki）的宫胁造林法可营造森林或密集的植物群落，一般情况下耗时较短，但在生物多样性、弹性和茂密程度上远高于传统植树造林法构建的森林，同时也能够更有效地吸收碳（图5）。

5 孟买宫胁森林

3）杨柳青大运河国家文化公园大师邀请赛，由玛莎·施瓦茨合伙人设计事务所设计，是中国天津 2020 年总体规划的一部分。该方案将作为城市中最广阔的绿色基础设施，茂密的林冠层可营造出舒适的微气候，人工湿地进行碳汇，同时结合下沉式花园房（图 6、7）。

6 天津杨柳青大运河国家文化公园方案鸟瞰图

7 绿意萦绕的大运河

4）济南 CBD 街道景观，Sasaki 景观设计事务所设计。

Sasaki 团队的济南CBD项目以营造“城市森林”作为街道系统的基础。每一种街道类型都被赋予了不同的宽度、限速标准、尺度比例和植物色系，方案建议增加3万多棵树，大规模植被的累积效应将在降温、健康以及生物多样性和生态等方面发挥积极作用（图 8、9）。

8 济南 CBD 街景规划

9 济南街道景观结构

5）智慧森林城市，位于墨西哥坎昆，由斯坦法诺·博埃里（Stefani Boeri）设计。

这项新提案展示了他对 21 世纪城市主义的思考，其内容涉及环境公平、智能技术、可持续能源和密集种植计划。博埃里将城市转变为植物园，颠覆了人们对一般意义下“硬景观”城市风貌的设想。该提案也为循环经济提供了支撑，可实现粮食、水和能源的自给自足（图 10、11）。

10 智慧森林城市规划方案平面放大图

11 智慧森林城市中的水道

4.1.2  自然脱除工具2：城市绿化

城市景观中大部分是硬质景观，若想依据气候变化重塑空间，城市街道和一些待开发利用的空间则是最好的选择。

代表案例：哈佛设计研究生院实践教授玛莎·施瓦茨的2016 年 Option Studio 课程设计：“固碳都市：城市作为应对气候变化的机器”。

工作坊与哈佛森林的管理团队合作，专注于整个大波士顿地区，其目标是展示一个老旧的高密度城市通过重新组织和设计街道和其他公共开放空间，以应对 2060 年全球变暖的影响。方案中提出了“混合系统”，该系统由自然、生物以及人造装置和技术组成，可应对气候变化，同时研究城市绿化并以此为“混合系统”的核心部分（图12~14）。

12 街道类型：市中心固碳区

13 高层 CBD 街道平面图

14 商业街固碳分析

4.1.3  自然脱除工具 3：滨海湿地

沿海的盐沼湿地具有比热带森林更强的碳封存能力。滨海湿地也可充当海洋生物和飞禽的栖息地和觅食地，海岸带生态系统可以抵御风暴潮。这些宝贵资源一直未受到足够的重视。

代表案例：旧金山湾“混合海岸线”，由克里斯蒂娜·希尔设计。

希尔在海岸线上布置微型圩田，圩田周围设置堤坝（图16紫色区域），蓄存雨水并抵御洪水（橙色区域）。在圩田周围引入干净的沉淀物，从而构建湿地“浅滩”（绿色区域）。湿地系统可充当栖息地，也可抵挡海浪侵蚀，甚至可以进一步建造海滩（黄色），为人们提供游憩场所。经济适用房建在圩田区内（图 17）。

15 旧金山湾所在位置

16 “混合海岸线”方案设计流程

17 圩田住宅示意

4.1.4  自然脱除工具4：土地利用

作为风景园林师，我们经常被邀请为城市、城镇、社区（包括郊区在内）以及发展中国家做大尺度的土地规划。但不论面对的任务如何，我们都应当着手促成新的议程：将土地利用实践纳入提案，特别是实现土地和土壤的碳封存作用。

代表案例：土地利用变化报告，来自2014 年哈佛森林研究课题。该研究遵从以下几项原则，通过合理的土地利用实现马萨诸塞州的自给自足。

① 增加土壤下渗率；② 土地利用必须保证马萨诸塞州的粮食供应；③ 增加土地连通性，充分发挥各生态系统的生态效益。 

4.1.5  自然脱除工具5：土壤固碳

土壤固碳可以改善退化的土壤，提高生物产量，净化地表水和地下水，并通过抵消化石燃料的碳排放降低大气中二氧化碳的富集率。

代表案例：诺里公司的脱碳市场项目。

诺里脱碳剂在帮助客户消除碳足迹的同时，也可鼓励农民采用可持续的耕作方式除碳，对土壤固碳进行监测和量化。 

4.1.6  自然脱除工具6：增强风化固碳/岩石固碳

某些类型的岩石可与弱酸性二氧化碳发生剧烈的催化反应，二氧化碳嵌入矿物岩石分子结构，最终将转变为碳酸盐矿物，这些二氧化碳可被封存数千年。科学家们一直在探索如何使用强反应硅酸盐岩石（例如橄榄石或菱锰矿）来加速自然风化过程，并积极在农田、热带地区或海滩进行试验。 

代表案例：

1）维斯塔计划（Project Vesta）。

维斯塔计划用橄榄石制成绿沙海滩；海浪可加快二氧化碳捕获速度，同时能使海洋脱酸。

2）玛莎·施瓦茨合伙人事务所的沙漠试验场。

将硅酸盐矿物图案置于地面，通过灌溉催化化学反应，从而捕获空气中的二氧化碳（图 18）。

18 沙漠试验场显示沿着带状硅酸盐岩（橙色和深灰色）建设配套沙漠绿化带可加快岩石风化过程

4.2 二氧化碳物理脱除和指标

采用其他新材料及新工具从源头控制二氧化碳的排放或将其长期封存，有的甚至可以计算设计方案的除碳效率。

4.2.1  物理脱除工具7：低碳水泥和混凝土

混凝土的碳排量巨大，必须引起重视。许多公司正在研制低碳混凝土，风景园林师们也可以在设计方案中使用低碳混凝土，如桥梁、道路、步行道、墙壁、路缘和人行道等常见节点。 

4.2.2  物理脱除工具 8 ：重型木结构和交叉层压木材

重型木结构或交叉层压木材（CLT）是新型建筑材料的一种，具有结构的完整性和环境友好性，可积累和封存二氧化碳。重型木结构材料可作为钢铁和混凝土的低碳替代品，其生产过程利用的是可再生资源，不会造成化石燃料污染，风景园林师们也可以将其应用于设计中。 

4.2.3  物理脱除工具 9：用量化手段证明观点

为应对科学和经济挑战，碳计算器应运而生，用以评估设计方案缓解气候变化的功效。“探路者”（Pathfinder）工具可提供相关数据，帮助设计师计算景观方案中的碳足迹，以进一步完善设计方案。同时，通过“探路者”，设计师可以将这些好处清晰地传达给客户和相关民众，鼓励人们为气候治理贡献力量。

4.3 二氧化碳化学脱除工具 10：直接空气捕获（DAC）技术

直接空气捕获（DAC）是一种地球工程技术，比自然脱碳更高效，捕获设备吸入空气后经过一系列的化学反应，将提纯的二氧化碳加压并泵入地下岩层进行化学转化，最终可封存于地下数千年。需要清除的二氧化碳高达数十亿t，科学家、工程师和企业家们正在研究这项技术，寻找多种更便宜、更有效的方法。

4.4  太阳能辐射管理（SRM）/ 太阳能地球工程（SG）

人为改变地球的反射率——将阳光反射回太空而改变地球上的光照量，进而降低地球温度，许多太阳能地球工程技术都基于这一原理。

4.4.1  太阳能地球工程与时间期限

尽管上述种种方法组合都能应对气候变化，但其发挥效用的前提是必须在10年内开展行动，而气候变化的速度却远比预想的更快，若升温幅度超过 1.5~2 ℃的临界值将无法逆转。

4.4.2  调整反照率

一些反照率调整方法技术含量低，可应用于城市空间的硬质表面（如屋顶、街道、城市硬景观和墙壁等）降低城市热岛效应。

4.4.3  工具11：地面反照率

改变建筑物表面或铺装材料的颜色，或在建筑物上增加垂直绿墙，既能够增加绿意、营造凉爽微气候，又可以吸收二氧化碳。

4.4.4  工具12：植被反照率——会反光的植物

基因科学家正在开发更多的反光植物，这些植物可以用于农业，也可以用于大面积的景观种植。

4.5 太阳能地球工程技术

这些先进技术大多属于大规模的全球干预：①太空遮阳板（太空镜）；② 海洋云彩增亮（添加粒子，增强云彩反射性）；③ 海洋微气泡工程（增强海洋表面反射性）；④ 卷云薄化（允许热量从大气层排出，回到被云层截留的空间；⑤ 平流层气溶胶注入（SAI）。

4.5.1  最具争议性的观点

SAI 效率高且成本相对较低，是太阳能地球工程中研究最多的技术之一。虽然未被列入“工具箱”，但它是唯一能给地球降温的方法，可为气候治理争取时间。SAI需要飞机群抵达平流层释放硫黄颗粒。但专用的飞行器和系统需要几年的时间部署到位，成本相当于一部好莱坞大片。

4.5.2  SAI 的风险和收益

许多国家都具备部署SAI的能力，而管理是最大的问题。SAI针对的风险和效果需要进一步讨论，同时需要提高社会参与度，通过集体的判断和决策推动SAI的建设与发展，使受过教育且知情的公民能够参与气候工程专题的相关决策。

5 结语

新冠疫情让我们关注到一个事实，人类正经受自然的威胁。人类无法控制自然，是自然在控制着人类，这场疫情动摇了我们一直以来的信念和习惯。我们的思想将受到挑战，工作模式也将改变。气候在变化，设计也需要革新。作为风景园林从业者，理应为气候治理做出一份贡献，利用脱碳“工具箱”减缓气候变化，积极思考并接受各种尺度的设计挑战，并准备好采用地球工程技术、做好最坏的打算；此外，关注、参与相关技术的研究和应用进展，并在日常工作中发挥分享和宣传作用，呼吁更多民众加入气候治理的队伍。

图片来源：

图 1 由伊迪丝·卡茨绘制；图 2~4、6、7、18 来源自玛莎·施瓦茨合伙人设计事务所；图5来自2019年2月24日印度《孟买镜报》；图8、9来自 Sasaki；图 10、11 来自斯坦法诺·博埃里事务所；图 12~14 来自玛莎·施瓦茨；图 15~17 来自克里斯蒂娜·希尔。

为了微信阅读体验，文中参考文献标注进行了删减，详见杂志。

参考文献

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文章编辑 刘昱霏

微信编辑 刘芝若

微信校对 刘昱霏

审核 曹娟

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