雙碳目標導向下的綠色生態空間碳匯能力優化設計*

王晶懋 高 潔 孫 婷 韓 都 王一凡

1 西安建筑科技大學建筑學院 西安 710055

2 西安建筑科技大學交叉創新研究院 西安 710055

近年來，城市化進程不斷加速，全球氣溫持續上升，多個國家和地區就如何應對全球氣候變化問題承諾降低溫度、減少碳排放，盡早實現碳中和[1]。但由于城市化進程對生態系統服務功能產生重要影響并對氣候變化產生反饋作用，城市建成環境中不均勻的下墊面及人類活動排放的廢氣和熱量，明顯改變了城市環境的氣流走勢與溫濕度條件，造成城市熱島效應，降低了人居環境的舒適度[2]；而城市綠色空間作為城市生態系統中的重要組成部分，是城市生物多樣性保護的核心載體[3]，能夠有效調節溫濕效應，改善局部小氣候狀況，也是塑造文化、連接自然、促進公眾認知和自然教育的重要途徑[4]。目前以西安為代表的大部分西北城市綠色空間在發揮生態價值的同時，也會因綠地的管理維護而耗費大量的資源并產生溫室氣體，而現有研究中通過改善場地生境狀況，結合微地形改變場地水熱條件，以形成環境空間的異質性組合，塑造植物的適宜生境條件，能有效促進節能減排[5-6]。因此探索雙碳目標下城市綠色空間碳匯能力的優化設計以應對氣候變化中提高韌性與減排增匯具有重要意義。

植物和土壤是城市綠色空間的核心要素，也是發揮生態價值和碳匯功能的主要載體。植物對城市碳氧平衡和空氣質量的改善具有積極影響，合理的植物群落結構、綠量比例，即更接近于自然的植物群落組構模式，有利于營造穩定、適宜的小氣候環境[7-8]。通過選擇植物品種、改善植物群落配置模式、優化綠地空間結構、建設低維護綠地等低碳設計策略，可有效促進植物碳匯并緩解熱島效應[9-10]。土壤是綠地系統中另一個巨大的碳庫，其碳儲量幾乎是植物和大氣之和的2倍[11]。土壤碳匯受氣候、植被類型、土壤類型、微生物生理生化過程等多種因素影響[12-13]。土壤碳匯對清除大氣CO2、提供生態系統服務、減緩氣候變化具有重要意義[14]，據估算，保護和重建土壤有機碳可以每年增加55億t CO2當量，約占全球自然氣候解決方案總潛力的25%[15]。因此，提出碳匯能力優化設計策略和應用模式，以提升植物、土壤的固碳能力，是當下城市綠色空間碳匯提質增效、改善小氣候的關鍵途徑。

本文以西安地區白馬河公園、西安建筑科技大學南門花園及灃西綠廊等典型綠地為研究對象，依托現有生境實驗基地建植實驗性的植物群落，篩選適宜不同土壤介質類型的植物種類，探索城市綠地不同類型生物滯留設施與植物景觀營造之間的關系，提出西北地區海綿城市建設中適宜性植物景觀營造的技術與方法，以期為合理布局城市低碳綠色空間提供實際參考。。

1 研究區域概況

西安市位于渭河流域中部關中盆地，屬于溫帶半濕潤型大陸性季風氣候。1978—2019年，西安城市綠地面積增加了32 289 hm2，創造了巨大的生態價值。本文以西安作為研究區域，選取不同類型城市綠地探索城市綠色空間碳匯能力優化設計方法。其中西安建筑科技大學南門花園、圖書館前綠地及南苑居住區等作為生境營造的實驗基地，已開展一系列科學研究；灃西綠廊、新河公園等實踐項目基地，具有重要的生態研究價值；而白馬河公園則同時具備實踐項目應用價值與科學研究價值，其位于灃西新城北部，東臨城市主干道白馬河路，南臨城市主干道統一路，北側及西側為居住區和商住用地，屬于灃西新城北片區唯一的公園綠地，占地面積為34 266 m2，是灃西新城海綿建設的重點項目。

2 研究方法

研究立足于西安地區的土壤生境條件，為保證樣方的相對全面，選擇南門花園、圖書館前綠地、新河公園、灃西綠廊和白馬河公園5種不同性質綠地空間，運用環刀在待測樣點處采集表層(0～30 cm)體積約100 cm3的土樣，裝入塑封袋密封并標記，共采集12份不同土壤類型的實驗樣本，運用干燒法測定土壤有機碳含量(表1)。此外，選取白馬河公園、西安建筑科技大學南門花園及南苑居住區等典型綠地進行西安地區常見植物個體及群落固碳效益的測定與計算，植物群落樣方為20 m×20 m，運用i-Tree軟件計算喬木固碳效益，采用同化量法計算灌木和地被植物的固碳效益[16]。在此基礎上，重點以白馬河公園作為實驗性研究驗證的主要對象，提出植物群落模式及平面布局優化策略等。

表1 土壤樣本有機碳含量

3 結果與分析

3.1 土壤碳匯能力量化及優化

3.1.1 不同場地中土壤固碳量化

由表1可知:南門花園中層鋼板花池、灃西綠廊客土、南門花園下層鋼板花池和新河公園原土的有機碳含量較高，白馬河公園的原土、新河公園的客土、白馬河公園的1號生境島和南門花園上層鋼板花池的有機碳含量較低；有比較明顯規律性差異的是南門花園的鋼板花池，其最上層土壤有機碳含量是三者中最低的，而中層則最高；經改良過的土壤有機碳含量更高。

3.1.2 土壤碳匯能力優化

為提高土壤碳匯能力，需要增加土壤有機碳含量以修復和改善土壤質量。而土壤有機碳含量是一定時間內碳輸入和碳損失之間的差值[17]，因此從“增加有機物輸入”和“保持土壤有機碳穩定性”兩方面著手，具體通過堆肥增加土壤腐殖質，施用生物炭以增加有機碳含量，種植草本植物增加根際碳輸入，并且在保證土壤結構穩定的前提下種植深根系植物，便于在深層土壤中封存有機碳。

考慮優化成本和土壤現狀，對于植物群落較為豐富的喬木林下區域土壤裸露和板結問題進行多年生草本植物的補種；在單一草本區、生境島、生態樹池和旱溪出水口等以地被植物為主和壓實程度較大的區域，針對土壤板結、裸露、污染、植物長勢差等問題，除了進行植物補種外，還增加生物炭或綠肥的輸入。

3.2 植物碳匯能力量化測定

有效增加高固碳植物種類和數量，對于提高綠地碳匯能力具有顯著影響。對西安不同綠地中常用園林植物碳匯能力進行測定，總結出32種園林植物適宜低碳園林建設(表2)。

表2 西安32種常見喬灌草植物固碳名錄

Pearson相關性分析(表3)顯示:平均高度與植物群落固碳量呈弱正相關(R2＝0.684，P＜0.05)；平均冠幅與植物群落固碳量無相關性；葉面積指數與植物群落固碳量呈顯著性正相關(R2＝0.855，P＜0.01)，說明植物葉面積指數越大、參與光合作用的葉片越多，植物進行光合作用的能力就越強，其碳匯效益和生態價值也越高。單株植物的固碳量與植物群落固碳量存在弱相關性(R2＝0.591，P＜0.05)，說明植物群落的碳匯量會受到單株植物固碳量的影響。因此，為提高綠地的碳匯能力，可以選擇固碳量較高的植物，并增加其數量。

表3 綠地植物群落固碳效益與群落特征因子相關分析

4 白馬河公園碳匯功能分區及布局優化策略

4.1 碳匯功能優化設計流程

在城市綠地碳匯研究中，除了對各要素固碳能力進行優化提升之外，還應從增匯減排的角度提出設計策略。首先，分析設計要素與碳源碳匯的關聯性，明確碳匯量化內容，提出碳匯優化目標。其次，依照公園綠地匯水分區的劃分與各區植物特點，進行固碳與匯水功能的耦合分析，確定碳匯單元劃分標準與具體范圍，并從固碳和碳減排兩個角度進行低碳技術的選擇和應用。最后，結合具體計算指標闡明計算思路，構建碳匯計算方法(圖1)。

圖1 白馬河公園碳匯功能優化設計流程

4.2 碳匯單元劃分及布局模式

4.2.1 碳匯單元劃分

以固碳和減排兩個角度作為切入點，以植物和地形為變量，共劃分4種不同類型的碳匯單元，即高固碳強減排單元、高固碳弱減排單元、低固碳強減排單元、低固碳弱減排單元(圖2)，其面積之比為1∶5∶3∶4，具有高固碳優勢的單元與強減排優勢單元面積之比為6∶5(表4)。

圖2 碳匯單元劃分

表4 碳匯單元分類

4.2.2 不同碳匯單元布局模式提取

碳匯單元不同，其主導目標也不同。通過對4種類型的碳匯單元特點進行總結，提取4種布局模式，明確碳匯優勢與劣勢，并提出具體的改進建議，為類似低碳海綿型公園的優化提供數據支持(圖3)。

圖3 4種碳匯單元布局模式

高固碳強減排單元是公園的植被緩沖帶，坡度較緩，植被群落固碳能力較強。以疏林灌叢草地為主，平均郁閉度和復層群落占比適中，高固碳樹種占比為56%，且植物多樣性較高，平均每1 000 m2有6種植物(表5)。

表5 高固碳強減排單元布局內容

高固碳弱減排單元是公園的密植林帶區域，植物群落固碳能力強。復層群落占比75%，郁閉度在50%～65%，密林:疏林:草地＝10∶3∶1。隨地形變化、視線要求種植不同種類植物，物種較豐富，植物種類平均為9種/1 000 m2，高固碳樹種占比70%以上(表6)。

低固碳強減排單元處于公園雨水鏈開頭和末端，分別引導雨水徑流的匯集滲透和滯蓄利用。相較于其他單元，該單元擁有更多的LID設施，單元植被配置受限導致整體植物固碳能力低。匯集滲透單元由于綠地破碎且占比較小，而針葉植物占比較大，植物整體固碳能力較低，因而提升方法為種植平均胸徑大、自身固碳能力強的落葉闊葉喬木。滯蓄利用單元以草本地被植物為主，應選用高固碳、適旱耐澇的草本地被植物，同時注意景觀效果(表7)。

低固碳弱減排單元位于公園外圍及部分植被緩沖帶區域，包含廣場及其相鄰的林地，起到雨水匯集入滲、轉輸凈化的作用。該單元草地面積占比較大；高固碳樹種運用較少，低于50%；植被種類較少，約為5種/1 000 m2(表8)。

表8 低固碳弱減排單元布局內容

整體而言，在發揮海綿功能的公園綠地中，以植物固碳為主導的單元和雨水消納功能主導的單元面積幾乎相當，但同時滿足兩種情況的單元占比卻極少(＜10%)，說明在這類公園中難以同時滿足高固碳量和強減排功能。因此，在最初進行功能選擇及綠地空間布局時，可進行碳匯單元劃分，根據不同單元功能目標進行具體設計，以緩解“植物種植”與“徑流削減”兩者之間的矛盾。

4.3 植物群落優化設計模式

4.3.1 廣場區域群落優化模式

廣場區域綠地面積占比最小，植被層次單一，多為喬木或喬-草型結構，固碳總量較小。廣場區域作為公園門戶空間，需要滿足基本使用需求和良好的景觀效果，植物固碳類型為景觀型。在豐富植被層次和景觀季相變化的同時，應盡可能選擇適應性較好的鄉土樹種，并且可適當增加高固碳樹種(圖4、表9)。

圖4 廣場區域群落優化模式示意

表9 廣場區域群落優化模式

4.3.2 外圍密植林帶區域群落優化模式

外圍密植林帶區域植被層次最豐富，林下硬質場地少，游覽人群少，是碳匯功能發揮的核心區域，植物固碳類型為固碳型。該區域存在植物長勢較差、林下土壤裸露等問題，在優化過程中應盡可能選用高固碳植物，增加灌木和地被種類，提高植物群落豐富度(圖5、表10)。

圖5 外圍密植林帶區域群落優化模式示意

表10 外圍密植林帶區域群落優化模式

4.3.3 植被緩沖帶區域群落優化模式

植被緩沖帶位于中央生物滯留設施與外圍環路之間，具有較大的碳匯潛力及一定的景觀觀賞價值，植物固碳類型為景觀＋固碳型，應選用形態優美且具有較高固碳能力的植物。該區域具有減緩地表徑流流速及去除部分污染物的作用，因此還需考慮植物的抗污染性，并通過種植灌叢、地被植物減緩徑流對土壤的沖刷。優化后的植物群落模式的固碳量和整體生態效益都明顯提升(圖6、表11)。

圖6 植被緩沖帶區域群落優化模式示意

表11 植被緩沖帶區域群落優化模式

4.3.4 生物滯留池區域群落優化模式

生物滯留池位于公園中央生態綠地，以雨水徑流的儲存調蓄功能為主。該區域植物層次不豐富，主要為單一地被植物且旱溪內多被雜草占據，景觀效果及碳匯能力不佳。但由于生物滯留池具有重要的海綿調蓄功能，且該區域是公園視線焦點，因此植物配置既需要滿足海綿要求，又應該注重視覺效果。綜上，該區域植物配置在考慮地被植物固碳能力基礎上，更應側重選取景觀效果佳的植物進行搭配(圖7)。

圖7 生物滯留池區域群落優化模式示意

5 結語

面對復雜的城市生態建設問題，基于城市規劃建設單元的空間結構和城市生態系統多層級尺度特點，合理布局城市低碳綠色空間，探索低碳綠地提質增效優化設計方法與技術途徑，并結合實踐項目進行綠地碳匯提質增效的優化研究和應用，是雙碳目標導向下研究的重點。而城市綠地中植物和土壤碳匯能力的提升，則是改善城市小氣候，促進城市生態系統碳循環的基礎路徑。因此，基于近自然理念的解決途徑，采用適宜的植物群落結構和土壤覆蓋方式，以盡可能減少管理維護產生的碳排放并提升城市綠色空間的碳匯能力，同時構建適宜性植物群落數據庫，可以為提升綠地碳匯實踐提供科學依據。此外，結合白馬河公園實踐項目，考慮景觀全生命周期，從增匯和減排角度進行碳匯單元劃分和布局模式提取，針對具體要素的固碳能力優化，提出具有普適性的設計模式和方法路徑，為后續低碳規劃設計提供實際參考。