I-Trees模型在城市綠地生態服務功能評估中的應用探索研究

王 茜 ，杜萬光 ，王曉磊

（1.北京市園林科學研究院，北京 100102；3.北京市園林綠化局，北京350000；2.東營市城市管理局，東營 257000）

城市綠地作為城市生態系統中的不可分割部分，它可以明顯改善城市的生態環境，如保持水土、調節小氣候、降低噪音、凈化空氣、涵養水源、節約能源、美化環境等［1］。城市綠地不僅能改善城市生態環境，同時還能給其帶來經濟效益，節約能源消耗，節省財政開支，為城市的發展起到積極的促進作用［2］。因此生態服務功能如何被定量的價值評估，是目前各國專家研究的熱點。

隨著科學技術的日新月異，對城市綠地生態服務功能的評估方法也在不斷與時俱進。國外的傳統方法主要有CTLA法、Burnley方法、AVTW方法、STEM方法、Noma Granada方法等［2-3］，國內傳統的方法主要有樹木定價法、綜合價值評估法、工業制氧法、水量平衡法、替代法以及防護費用法等［2、4］。目前，評估森林生態服務功能的測算法主要有美國林業署開發的基于GIS技術的CITYgreen及林務局Nowak等研發的i-Tree兩個計算機模型，CITYgreen模型通過數字化軟件建立 “綠色數據層”（GreenLayer），利用多光譜、高分辨率影像，清晰的勾畫出研究區的整個森林格局，既可以對小試驗地也可以對大研究區的城市森林結構進行分析與生態效益評價，我國先后有學者利用該模型對哈爾濱［5］、沈陽［6-7］、南京［8］、北京［9-10］、深圳［11］、上海［12］、廈門［13］等城市開展了研究，而i-Trees模型在國內還未廣泛應用，目前國內使用該模型的城市僅有北京［14］、合肥［15］、沈陽［16］、青島［17］等，但 i-Trees 模型較 CITYgreen模型功能更加細化，計算結果精確度更高，針對性更強。美國林務局于2016年對舊版本進行了升級，新的5.0版本在模型界面上功能更強大，物種數據庫信息含量也更豐富，界面上增加了手機的同步操作和記錄功能等，使用戶的管理和操作更加便捷［18］。本文以i-Tree Eco（UFORE）模型為基礎，介紹了其在城市綠地生態系統服務功能評估中的應用以及研究進展，為其能在國內廣泛應用提供科學依據。

1 i-Trees模型

1.1 i-Trees模型簡介

i-Trees由美國農業部林務局開發研制，是提供城市和社區林業分析和效益評估的工具。i-Trees包括多個工作模塊，這些模塊通過量化樹木提供的環境服務和評估城市森林的結構，可以幫助規模各異的社區對城市森林的管理和宣傳工作。2016年i-Trees團隊對軟件進行了升級，分別推出5.0和6.0版本，新版本i-Trees軟件套件主要包括帶狀城市森林分析工具和實用程序有：i-Tree Eco、i-Tree Landscape、i-Tree Streets、i-Tree Hydro、i-Tree Vue、i-Tree Species 、i-Tree Storm、i-Tree Design 、i-Tree Canopy［19-20］。

1.2 樣地選擇與數據采集

1.2.1 選擇樣地

研究區域既可以是整個城市，也可以是公園綠地、單位綠地、街道綠地或者社區綠地等。但是，如果所選研究區域為小或不連續的區域，則要對其樣地內全部樹木進行完整普查，以便對城市綠地生態服務功能進行準確的價值評估［21］。首先在研究區域內選擇典型樣地，選擇樣地的方法包括：分層法、隨機法和網格法等，并采集精確度高的樣地數據,只有精確度高的數據集才能被采用。

1.2.2 數據采集

1.2.2.1 樣地數據采集

根據i-Trees生態服務評價軟件的需要在標準樣方內，一是對喬木層所有樹木進行測量：包括樹種的名稱、胸徑、樹高、冠幅（包括東西、南北兩個方向數值）、枝下高、健康狀況、缺失率、樹木生活性、喬木與建筑物之間的直線距離、樹木透光率、立地條件等；二是對灌木層進行測量：包括物種的名稱、數量（包括株數、面積）、地徑、樹高、冠幅、生長情況等；三是對草本層進行調查：包括草本覆蓋度、高度、生長狀況、是否為自然野生草本以及人工干擾狀況等，并對植物群落拍攝照片。

1.2.2.2 氣象數據采集

根據國際用戶的特殊需求，需要對當地的氣象數據進行采集：包括全年每小時空氣污染數據、全年每小時空氣溫濕度數據、全年降水數據、以及生物排放數據等。

1.2.2.3 經濟數據采集

需要收集的當地經濟數據包括：人口、面積、植物種植成本、養護成本、市政每年用于節能減排的預算等，最后根據國際用戶的各自情況，結合當地的氣象數據、降水數據、生物排放數據，以及經濟數據，利用軟件程序計算出生態效益和生態價值。

1.2.3 數據處理

通過i-Trees database軟件的Species Location Precipitation Pollution模塊分別錄入樹種、位置信息、氣象信息和空氣污染信息。將數據集通過info@itreetools.org郵箱發送至美國林務局（只有完成、高質量的數據才會被接受），美國林務局根據收到的國際數據將i-Trees軟件進行格式化矯正，一般2～6個月時間收到結果。

軟件經過格式化矯正后，再通過i-Trees Eco5.0軟件對數據集進行處理分析，測算出城市綠地內包括節能效益、碳儲存和碳吸收效益、改善空氣質量效益、截留雨水效益和森林美學效益5個方面的經濟效益。

2 i-Trees軟件的計算機理及研究進展

2.1 城市綠地節能減排效益

i-Trees節能效益的評估是基于McPherson和Simpson的研究［22］，城市綠地系統可以起到降溫增濕，明顯緩解城市的熱島效應，例如夏季喬、灌、草可以通過降溫增濕作用，緩解周圍建筑物用于降低環境溫度而消耗的其他能源。反之嚴寒冬季，高大建筑被常綠樹包圍，具有保溫效果，這種保溫作用同樣可以降低其他形式的能源消耗。i-Trees的節能效益主要是通過運用空調降低或增加同樣溫度所耗電能的量，折算成貨幣來計算的［2］。

國外對此研究比較成熟，據報道，2001年美國加州單株行道樹節約能源產生的經濟效益，折算成美元為19.2美元，而1.77億株行道樹通過遮蔭減少能源消耗，折算成貨幣達5億美元［23］。2008年加拿大多倫多艾倫公園單株樹的生態效益，折算成貨幣為35美元，309株樹每年節電84.8GJ，折算成貨幣為1190美元，節約天然氣量937GJ，折算成貨幣為9914美元［24］。國內李興興2011年對四川農大校園內森林節能效益的研究發現，單株樹產生的生態效益，折算成人民幣為37.86元，全年森林節約能源，折算人民幣總數為7.8萬元，其中對節能效益發揮重要作用的樹種是楠木和銀杏，分別占總效益的13%和10%［25］。陶曉研究發現合肥市單株行道樹的平均效益為21.56元，每年節約的能源折算成人民幣總數為77.1萬元，其中節約電量折算成人民幣為47.5萬元，節約天然氣折算成人民幣為29.6萬元［23］。

2.2 城市綠地吸收CO2效益

樹木自身生理特性之一即進行光合作用將無機物轉化為有機物并釋放氧氣，在這個生理過程中不但減少了空氣中碳含量，而且緩解了溫室效應，實現了空氣中的碳、氧平衡［26］。i-Trees對城市綠地年固碳效益的計算與樹木的空間分布格局、樹木生長情況、樹冠覆蓋率等因素有關［27］。它可以為城市森林每年的碳吸收能力以貨幣的形式表現出來，首先通過軟件設定的公式自動計算出樹木吸收CO2的效率，再根據政府征收的碳排放稅標準，核算出城市綠地吸收CO2產生的經濟效益［28-29］。

國外對城市森林固碳效益的研究，既可大到整個國家也可小到某個城市進行價值評估，如美國對許多城市的固碳效益研究發現，紐約的固碳量最大，其次為芝加哥［30］。美國林業研究中心研究表明，Garland、Texas每年固碳4400 t［10］。國內的研究多采用CITYgreen、碳平衡等方法，如劉常富利用CITYgreen模型測算出沈陽市建成區每年碳存留量為880t［7］。李薇對北京市奧林匹克森林公園的生態效益研究發現，每年碳儲存和吸收量分別為11455 t和234 t，并且隨著樹木的生長，其碳儲存和吸收量也在不斷增加［9］。陶曉估算出合肥主城區3萬余株行道樹每年可從大氣中吸收C02達1.6t，折合成貨幣價值為157.4萬元［23］。

2.3 城市綠地改善空氣質量效益

城市綠地主要通過截留顆粒物與吸收有害氣體兩個方面來改善空氣質量，樹木每年能夠吸收和過濾大量的顆粒物、氮氧化物、硫化物等［31］。i-Trees軟件是通過分析樹木凈化空氣中有害物質的能力來計算其改善空氣質量的經濟效益，具體方法首先是估算出樹木每年凈化空氣中各種污染物的總量，然后依據政府相關機構每年用于消除和凈化各種污染物所投入的資金進行核算，最終根據軟件設定的程序，計算出樹木在改善空氣質量方面所產生的經濟效益［10］。

Escobedo等對圣地亞哥城市森林凈化空氣產生的效益進行價值評估，發現利用城市森林消除空氣中污染物同采取其他有效手段凈化空氣，能夠取得同樣的經濟效益［32］。美國學者Nowak等對城市森林進行研究，得出同樣的結論［27］。馬新輝等對西安市多植物類型凈化空氣的量進行了核算，結果發現植被每年滯塵3900萬噸，轉化為經濟效益為3100萬元［31］。

2.4 城市綠地截留雨水效益

有研究表明樹木在防風固沙和減少暴雨徑流方面起到舉足輕重的作用［23］。i-Trees模型是依據研究區的立地條件、土壤種類、氣候類型、降雨量等因素來計算樹木截留雨水產生的生態效益，再根據政府相關機構每年用于暴雨、泥石流等自然災害所需資金，進而得出城市森林在截留雨水方面所產生的經濟效益［28］。

根據國外研究，暴雨洪峰出現的頻率與森林覆蓋率的大小息息相關，森林覆蓋率每增加2個百分點，大約可削減洪峰1個百分點［29］。國內李興興經i-Trees運算2011年川農大校區森林可截留雨水1.02萬m3，折算經濟價值達16.83萬元［25］，陶曉研究發現合肥市區行道樹年截留雨水量為8.11萬m3，折合成經濟效益為4000萬元［23］。

2.5 城市綠地美學效益

城市綠地的美學效益與人類活動以及生理、心理健康息息相關。如何評價其美學效益也是國內外研究的熱點。目前i-Trees軟件利用支付意愿法對美學效益進行估算，每株樹木的美學價值與該株樹木的地理位置以及生長情況相關［30］。計算單株樹木美學價值的公式為：單株樹木提升的房地產價值、樹木區位因素與樹木每年增加的葉面積三者之乘積，再除以樹木總葉面積。

目前，國內外對行道樹的美學評價還處于起步階段，研究成果還不成熟。國內學者僅對合肥市的行道樹進行過美學價值的探索研究，折算成人民幣產生的經濟效益為300多萬元［16］。除此之外，對森林美學價值的評估還可以利用STRATUM模型進行，不但可以計算出單株樹木的經濟價值，還可得出所有樹木的經濟價值［17］。

3 國際用戶使用i-Trees模型需要注意的問題

i-Tree Eco模型為美國、加拿大及澳大利亞的使用者默認了氣象與空氣質量數據。這些數據將自動化處理這些國家進行的項目，并在一天內回報結果。但對于其他國家用戶則存在如下限制條件

3.1 處理時間

對于國際生態項目來說，i-Trees團隊在收到所有數據之后需要額外的格式化時間來對模型進行調整，以便接受和分析國際數據項目，所以處理時間從1到6個月不等。所需的實際時間取決于當前的積壓和需要解決的數據完整性問題等［33］。2017年7月i-Trees團隊升級了程序。在新版本中，用戶可以自己選擇年份，提交相關的天氣數據和污染數據。整個過程從最初的位置、批準、實現和最終發布可能需要6個月的時間。

3.2 物種和位置信息

i-Trees Eco模塊由物種和位置兩種主要的數據庫組成。對于國際生態用戶來說，某些當地樹種在i-Trees生態物種數據庫中是沒有的。2017年7月前，國際用戶需要從生態物種數據庫中選擇一種從大小、結構和葉子類型上具有相似特征的替代樹種。2017年7月后，由于系統升級，以及該軟件在全球范圍內的使用增加，i-Trees數據庫為這些新數據（物種、位置）提供了一個中心提交站點。提交的數據將經過審核并正式添加到i-Trees Eco。這些新地點的用戶將能夠更新他們的i-Trees Eco軟件，并對新的地點和物種進行分析，而不需要美國林務局的人工處理。用戶提交的數據將被審查，只有完整、高質量的數據才會被接受。一旦驗證，這些數據將被包含在下一個i-Trees Eco軟件版本中。

3.3 其他額外數據

國際用戶需要現場數據以及一起使用的數據集，包括位置信息、空氣質量數據、無線電探空數據、氣象數據、降水數據和生物排放數據，其中氣象數據是全球唯一可用的數據集［34］。國際用戶可以直接在Eco應用程序中選擇一個氣象站，而不需要提供數據本身。其他數據集則需要以Microsoft Excel格式標注域名與數據，所有數據集匯總后附件于電子郵件寄至美國i-Trees團隊。

4 討 論

國外成熟的模型具有其特有的地域性,若將其推廣應用于我國，具有一定的局限性［35］。但是在符合我國國情的生態服務評估模型還未成功研發之前,借鑒國外成熟模型，進行我國城市綠地生態效益的價值評估是一種有效方法。為了廣泛研究國內城市綠地生態服務功能效益，我們不能僅是引進國外的測評軟件工具，還要借鑒國外成熟技術開發研制適合國內使用的新軟件，使之本土化，方便國內用戶的使用，為進一步研究我國城市森林系統的生態效益提供有利平臺。

但是,一方面：由于筆者所學知識及目前國內研究成果有限，本文內容上只探討分析了城市綠地所發揮的生態效益的五個主要方面，從研究深度和廣度方面來說,屬于一種比較簡單的嘗試和探索,望今后豐富研究內容，例如增加森林對降低噪音、空氣中負離子能力等其他生態效益分析的內容。另一方面：雖然對I-Trees軟件屬性數據庫進行修正與更新，完成軟件的本地化，但是還存在誤差，這種誤差對生態效益總量計算還會帶來較大影響，所以希望在今后更加深入的探索和分析I-Trees軟件在我國城市綠地生態系統功能評估中的應用的同時，從模型的機理進行研究，重新編寫其原代碼，加入中國的氣候、植被等數據源，以期建立一種本土化的測評軟件工具，使定量評估城市森林生態效益的方法更加有效和可行。