城市绿地碳汇 | 基于生命周期的城市绿地碳源汇研究
编者按
碳排放是造成全球气候变化变暖的重要因素。减少碳排放，实现碳达峰和碳中和是人类应对气候气候变化不利影响的重要举措。2020年，我国提出了2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的目标。今年，又陆续发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》等文件，对碳达峰碳中和工作进行全部部署。
城市绿地是城市生态系统的重要组成部分，是城市碳汇的主要途径。开展城市绿地碳汇研究，提升城市绿地规划设计、建造和管理水平，对应对城市碳排放问题，实现碳达峰和碳中和具有重要意义。为此，中国风景园林学会公众号开辟专栏，将刊载一些相关研究成果和学术论文等，供会员和同行们学习交流。
一、摘要
随着生态文明建设在我国地位的提高，低碳城市与可持续绿地建设也逐渐成为人们关注和研究的热点。植物通过光合作用来实现固碳，但是在栽植和养护过程中由于资源能源的消耗和劳动力的投入，会产生二氧化碳并重新释放回大气中，这一过程涉及碳源和碳汇的变化，从植物类型的角度量化碳收支情况仍存在一定的挑战性。本研究搭建了针对城市绿地的生命周期评估框架，以天津市的各类城市绿地为例，采用实地调查、访谈、模型模拟等方法对植物的碳收支进行评估，探讨其碳动态与各影响因子的关系。研究结果表明，50年后，乔灌木均为碳汇，草坪为碳源；针对不同植物而言，其碳收支源汇情况存在较大差异；城市绿地内碳排放的主要来源是灌溉及农药的使用。本研究针对天津市的典型植物评估其生命周期全过程的碳收支情况，探究城市绿地究竟是碳源还是碳汇，符合当今热门研究方向，更符合地方、国家乃至全球的增汇减排规划原则要求，可以为之后的绿地评估作参考。提高城市绿地的利用效率，使净固碳量达到最大，是当前促进碳中和的绿地建设和管理的重要任务。
▲城市绿地碳收支图示
二 、研究背景
植物的固碳过程依靠叶绿体的光合作用，通过吸收太阳辐射，将此转化为有机物，即通过固碳过程得以生长，所以碳循环过程关系着所有的植物。城市中的植物主要以城市森林、城市绿地等方式发挥其固碳作用。然而，与天然森林不同，人类活动（如栽植，修剪，灌溉，施肥等）对城市绿地碳循环的影响越来越大，这可能进一步影响碳源/汇动态。因为高度密集地利用能源资源（如水，燃料，肥料和农药），我们将面临城市绿地可能成为碳源的事实。
城市化是社会文明发展的必要过程，与全球大多数发展中国家一样，中国正在经历快速的城市化进程。据估计，到2030年全球城市化水平将超过60%[1]。作为世界上最大的发展中国家和第二大经济体，到2050年中国的城市化水平将达到70%[2]。根据政府官方统计，在中国城市地区，植被覆盖率约为35.0%，2019年中国建筑面积和绿地面积分别为2×104km2和3.15×106ha。
三 、研究方法
（1）生命周期评估框架
生命周期原指一个对象的生老病死，目前这个概念的应用逐渐泛化，特别是在经济、环境、化工、医药等众多领域。对于城市绿地而言，生命周期就是从建设施工开始，经历几十年甚至更长时间的管理养护，直至树木死亡的全过程。城市绿地生命周期过程中涵盖一个复杂庞大的体系，涉及人、地及其相互作用各个方面。
▲生命周期评价边界
根据现实情况，所确定的生命周期分为三个部分，包括树木和土壤的运输、施工建设过程和管理养护过程。系统边界可分为能源消耗和物质消耗两部分。树木和土壤的运输过程主要考虑汽油和柴油消耗产生的碳排放。施工建设虽没有在生命周期中持续存在，但也不应被忽略，该过程碳排放的主要来源是机械设备的能源消耗。大多数碳排放来自管理养护过程，包括灌溉、化肥和农药的使用、修剪和枯落物处理。因此，考虑了设备能源消耗（煤、柴油、汽油和电力）和材料消耗（肥料、杀虫剂、除草剂和水）的排放。
（2）研究区概况
截至2020年末，天津市常住人口1386.6万人，其中，城镇人口1174.4万人，城镇化率为84.7%。天津市下设16个区，城市建设面积达998.14km2，其中绿地面积为114.49km2，共有公园126个。建成区绿地面积为3.95万公顷，其中公园绿地1.13万公顷，防护绿地0.37万公顷，附属绿地1.90万公顷，区域绿地0.55万公顷。年末实有树木12239.60万株，建成区绿化覆盖率37.5%，绿地率34.3%，人均公园面积9.2平方米。
本研究实地调查了天津市区中具有代表性的城市绿地，以优势种为单位，选取不同类型的绿地作为样地，分别设置100m2（10m*10m）的标准乔木样方、4m2（2m*2m）灌木样方、1m2（1m*1m）草坪样方。▲样本分布图
（3）调查内容
在群落植被调查时，首先需要详细记录样地内植物的种类，并记录其个体数量，以此得出栽植密度，记录其健康状况用于在计算时进行修正。用胸径尺测量树木在胸高1.3m处的胸径、南北和东西方向冠幅、利用测高仪测量植物的高度。碳排放分为施工建设和管理养护两部分，调查内容如下表。四 、研究结果
（1）生命周期内不同植物碳收支情况从乔木碳收支情况来看，毛白杨固碳能力最为突出，白蜡次之。乔木生长的前20年，其根系尚在发育，枝叶也未达到峰值，所以固碳水平不稳定，加上在建设运输和管理养护中对其投入较多，导致乔木在生长初期成为碳源。但是乔木具有极大的固碳潜力，且生长稳定后对于养护的需要相较灌木小得多，所以逐渐成为碳汇，且碳汇水平持续提高。在40年以后，乔木的碳汇情况基本稳定。
▲不同类型植物固碳量
对比相同龄级的植物单棵固碳量可以看出，乔木优势种固碳水平总体差异较小。10年内，白蜡固碳水平高于其他树种，50年后，毛白杨固碳水平最高，国槐固碳水平最低。毛白杨在50年间固碳水平变化最为显著。灌木存在明显的固碳差异，金银忍冬固碳量年际变化持续处于中高水平，紫叶李在生长后期固碳量增幅明显，大叶黄杨和月季这种强观赏性灌木固碳水平相比较小。此外，具有较强根系以及较大叶面积的树种，光合作用更强，固碳释氧能力较其它树种高。b.栽植密度植物的设置并不是越密越好，栽植过于密集时，枝叶间的相互竞争与遮挡会影响其光合作用，且由于景观上的要求，会加大对其修剪的投入以及对于许多病虫害防治等环节的投入，导致树木无法发挥其最大的碳汇作用。对毛白杨林地养分的研究中，在试验地内设置不同栽植密度的毛白杨样地，结果表明高密度下的养分积累效果不如低密度[3]，由此可表明密度过高会影响植物的固碳水平。对银杏树进行5组不同栽植密度的试验表明，在不同的生长期，采用不同的栽植密度，其生长情况不同，并不是栽植密度最大时生长最旺盛，固碳最多[4]。探究不同栽种密度对杨树人工林非结构性碳水化合物季节动态和空间分布的影响研究中，低密度杨树光合作用产物大于高密度，说明其固碳量也大于高密度林[5]。对水曲柳的研究中，得出次低密度的栽植最有利于其生物量的积累[6]。在城市绿地植物栽植时，应注意其生长特性而选择最佳栽植密度，不应当过密，这样不利于植物生长与后期维护，从碳汇效益的角度来看，会造成其成为碳源的风险。c.碳排放环节影响分析碳排放产生于城市绿地的施工建设以及管理养护各个环节。针对不同的绿地，本研究进行了碳排放贡献分析。在施工建设和管理养护各环节中，产生碳排放最多的环节是灌溉和施药。灌溉产生的碳排放来源于自来水生产以及运输过程。由于天津市降水较少，且集中于夏季，故需要大量灌溉水用于补充自然降水的不足。施药产生的碳排放量较多是由于农药在使用过程中对环境的影响较大，碳排放因子远高于其他材料。故需要尤其重视这两个环节的减排潜力。（3）区域尺度城市绿地碳源汇的贡献分析“双碳”背景下，城市绿色空间作为城市生态系统中最重要的绿色基础设施，发挥着重要作用，研究其对城市碳排放的抵消作用具有重要意义。a. 京津冀地区城市绿地碳汇效益估算京津冀城市群总面积21.8万平方公里，总人口1.1亿，GDP占全国近十分之一，城市面积共25371平方公里，城市化水平近70%，其中，城市绿地面积共计2352平方公里，占城市总面积的9.27%。京津冀地区城市绿地在空间上具有明显的中心聚集特征。北京市作为京津冀的重心城市，绿地在数量上明显高于其他城市。具体来看，北京市的绿地集中分布于南部，即市中心，呈环状向外递减，与北京市经济发展圈层在空间分布上具有较大的关联性。天津市绿地大多分散分布于市内六区，道路绿地较多，东部滨海新区绿地数量较少，但大多为区域绿地，故面积较大。河北省城市绿地面积较多的为石家庄市以及秦皇岛市，石家庄作为河北省省会，市辖区面积大，故城市绿地面积也大，而秦皇岛市的主要优势在于旅游业，所以建设了大量的公园绿地。
▲京津冀地区城市绿地碳汇效益
北京市城市绿地近20年来持续增长，城市绿化覆盖率从2000年的36.5%增加到2020年的49.0%，公园绿地面积增加了28166公顷。天津市城市绿化情况劣于北京，但也呈现逐年增加的变化趋势，城市绿化覆盖率提高了12.6%，公园绿地面积增加了3882公顷。河北省城市绿化覆盖率总体上较2000年高。基于城市绿地的统计数据以及国家编制的碳排放清单进行计算与分析，得到2000年、2010年、2017年京津冀城市群绿地对城市碳排放抵消率空间分布图。京津冀地区城市绿地抵消碳排放能力存在较大时空差异，整体来看，抵消率中心高、外围低。
b.中国各省市城市绿地碳源汇贡献分析中国各城市的绿地抵消碳排放能力存在较大差异，抵消率最高的是广东省、北京市、四川省。最低的是宁夏、山西省、青海省。整体来看，漠河-腾冲线东侧抵消率高于西侧。
传统认知中，绿色基础设施的投入对生产具有一定的“挤出效应”，即“绿色”与“发展”不能兼顾。城市绿地作为国家生态文明建设和人居环境提升的重要载体，在发挥生态效益的同时，也会产生经济、文化等多方面的效益，所以应该结合国土空间规划，构建符合“双碳”战略的土地利用格局，合理规划城市绿地布局。
▲中国城市绿地面积、固碳效益以及固碳抵消率空间分布图
五 、讨论
固碳量的差异来源于植物类型、自然地理背景、栽植密度等。由于气候、土壤、光照、水文条件和人为干扰程度的不同，不同群落的碳收支水平存在明显差异。本研究结果表明，天津市杨树、白蜡和紫叶李具有较高的固碳能力。这是因为它们的胸径较大，根系发达，适宜天津市的自然地理背景。除了植物类型，生长环境也可能是一个影响因素。例如，中国侧柏的固碳量为 0.06 Mg p-1a-1，洛杉矶为 0.15 Mg p-1a-1[7]，可见侧柏更适合洛杉矶。因此，我们应该选择更适合当地土壤、气候等条件的本土植物。
这项研究忽略了苗圃种植过程中的碳排放。实际上，当树木在苗圃时，也会产生碳排放。
改善城市绿地的措施：a. 不同学科的交叉融合，共同致力于城市绿地建设养护；b. 栽植设计应该因地制宜，注意植物种类的选择、密度设计以及林龄搭配；c. 提高生物多样性，采用本土的野生草本植物来代替草坪的大面积铺设。研究的局限性与展望：（1）本研究固碳量的计算采用模型法，相较于实验测定，精确性较低，现阶段我国需建立自己的植物固碳能力数据库。（2）目前的研究缺乏对城乡交错带以及郊区的研究。（3）对于碳排放环节考虑不够完整，许多环节缺乏上游数据，导致计算时与实际情况存在一定的误差，未来可以逐步完善城市绿地碳收支评估体系，使城市绿地更加低碳可持续。
▆ 本文由中国风景园林学会城市绿化专业委员会组织整理。
注：原文部分研究成果刊载于《Environmental Impact Assessment Review》2022年第94卷。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.eiar.2022.106766
参考文献
[1] United Nations, 2018. File 6: Average Annual Rate of Change of the Urban Population by Region, Subregion, Country and Area, 1950–2050 (Percent). Department of Economic and Social Affairs, Population Division, United Nations. [2] Huang, H., Roland-Holst, D., Wang, C., Cai, W., 2020. China’s income gap and inequality under clean energy transformation: a CGE model assessment. J. Clean. Prod. 251, 119626.[3] 薄慧娟,朱嘉磊,文春燕,等. 栽植密度对毛白杨林地土壤垂直方向养分的影响_薄慧娟[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(2): 266-272.[4] 邓辉洪,曹浒,徐雪娇,等. 不同栽植密度对叶用银杏生长量及叶产量的影响[J]. 四川林业科技, 2021, 42(1): 102-108.[5] 曹鹏鹤. 栽植密度和种植点配置对苏北杨树人工林非结构性碳水化合物的影响[D]. 南京林业大学，2021.[6] 谷加存,肖立娟,马振东,等. 造林密度对水曲柳人工林地上生长和细根生物量的影响[J]. 生态学杂志, 2017, 36(11): 3008-3016.[7] E. Gregory McPherson, Alissa Kendall, Shannon Albers. Life cycle assessment of carbon dioxide for different arboricultural practices in Los Angeles, CA[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2015, 14: 388–397.◼ 作者简介：
孟伟庆 男，天津师范大学地理与环境科学学院教授，研究方向为绿地规划设计与景观服务、海岸带环境变化与生态修复、城市生物多样性、生态规划与评价、碳排放估算与可持续发展。
张颖 女，天津大学在读博士生，研究方向为低碳城市绿地、城市生态和可持续发展。///END///