低碳視角下西北地區城市綠地的適水種植設計途徑*

許博文 劉 暉 曹 朔

西安建筑科技大學建筑學院 西安 710055

近年來，國家提出的碳達峰、碳中和戰略對城市綠地提出了新標準、新要求。在全球氣候變化的趨勢下，綠化建設成為一種流行的減緩氣候變化的自然解決方案，并得到多個國家的重視，例如澳大利亞墨爾本和英國倫敦提出了“都市森林戰略”和“全球最綠色城市”。但是，作為城市中的耗水大戶，城市綠地的維護管理也是景觀全生命周期的主要碳排放來源之一，且以灌溉導致的碳排量最高[1-2]。

在水資源稀缺的中國西北地區，城市綠化耗水導致的水資源與能源雙重消耗及其帶來的碳排問題更加不容忽視。一方面，根據國家統計局數據，近5年西北地區城鎮化率從54.76%上升到61.58%，西北六省區62個地級及以上城市建成區綠地面積增長了約397.18 km2，約1/3城市的綠地面積增幅超過25%這一全國平均水平[3-4]；加之城市建設用地緊張，為了滿足城市綠地率標準，在城市外圍規劃建設了大量采用常規園林綠化種植的“生態型”綠地，大大超過了水資源的承載能力。另一方面，西北地區水資源量僅占全國的5.7%，單位綠地面積的灌溉養護耗水卻是水量豐沛地區的3～4倍[5]，且長期大量使用自來水澆灌綠地，而自來水的產生要經過一系列取水、給水、用水、排水及污水處理等各種供、排水設施，需要大量的能源投入與消耗[6]。

當前關于“雙碳”目標下的城市綠地規劃設計研究可以歸納為“增匯”和“減源”兩方面。從“增匯”角度而言，相關研究指出提升城市綠化種植結構豐富度可以增加綠量進而提高碳匯能力[7-9]；從“減源” 角度而言，相關研究指出了景觀維護階段灌溉產生的碳排放問題，并從節水灌溉、智慧園林養護角度提出相應的設計策略[10-11]。然而，在城市中擴大綠化種植及其綠量意味著更多的灌溉養護投入，且僅從綠化種植后期開展節水灌溉也難以從根本上改善和滿足氣候變化背景下日益增長的用水需求。因此，為滿足當前應對氣候變化的綠化種植需求，本文分析西北地區城市綠地用水現狀及其碳排放問題，將綠化種植設計及其耗水耗能相關聯，并基于城市場地空間特征影響下的水分條件與不同植物需水的關系，探索緩解綠化種植耗水及其碳排放問題的可持續設計途徑。

1 節水減碳目標導向下的城市綠地適水種植設計

1.1 城市綠地適水種植的節水減碳原理

在自然環境中，植被分布與水文條件高度耦合并達到自平衡狀態，植被依靠自然降水即可成活，亦不會產生碳排放問題。在城市環境中，由于植物生長立地條件的改變和人為需求的干預，自然狀態下植被與水之間的平衡關系被打破，形成了城市中人為干預下新的平衡關系，而維持這種平衡關系所依賴大量的人為做功是造成能源消耗及碳排放問題的重要原因，具體表現在城市綠化用水水源和用水模式2個方面。首先，用水水源“高質低用”，使用自來水澆灌綠地需要消耗大量的能源導致碳排放增加；其次，因在種植設計階段忽略了有限水資源與植物需水之間的匹配關系，從而導致綠化后期養護按需供水的被動用水模式，過度的用水消耗造成水資源與能源的雙重浪費，并加劇碳排放。

從植物生長的客觀規律來看，一方面，城市園林植物對于用水水質要求并不高，不僅不需要純凈的自來水，反而需要適度的“營養”；另一方面，在西北干旱地區，由于微小的水分條件改善即可對植物生長產生重要影響，在城市環境的局部生境中，地表匯水低洼、背風、背光坡向等空間特征形成的不同水分立地條件即可造就多樣化的植物景觀[12]。因此，遵循水與植物這一對生態因子耦合的內在機制，充分利用城市空間特征影響下的不同水源類型及其水分條件與不同植物需水的關系，可以在最大化節約水資源的基礎上形成良好的綠地植物景觀，從而達到節水減碳的雙重效益。

基于此，本文以低影響手段提高城市綠地植物與水因子的適配性為出發點，提出城市綠地“適水種植”設計途徑。“適水”(Water adaptation)的概念源于“適應”(Adaptation)，城市綠地“適水種植”設計本質在于減少人為做功，最大程度還原自然狀態下水與植物的適應關系。

1.2 城市綠地適水種植的內涵

城市綠地適水種植的核心思想在于對綠地用水水源和用水模式2個層面的優化，以提高用水效率和用水效益，實現節水節能的雙重目標(圖1)。

圖1 城市綠地適水種植的用水特點

首先，在用水水源上，不同于常規綠化用水以自來水為主的用水特點，適水種植設計中應豐富水源類型，注重對非傳統水源的利用，同時優先選用低碳排放的水源，少用或不用高碳排水源。其次，在用水模式上，改變常規綠化按需供水的被動用水模式，通過生境集水和適水種植，采用以供定需的用水模式，強調對植物種植設計的需水管理，以最大限度保證城市綠地種植與場地水分條件的匹配關系，避免無節制使用水資源而造成水資源和能源的浪費。

1.3 低碳排放的城市綠地用水水源選擇

在適水種植設計模式中對低碳排放用水水源的選擇是關鍵。城市中可供綠化應用的水源主要有傳統水源(自來水、地表水)和非傳統水源(降雨及其徑流、中水、空調冷凝水)2大類，由于不同用水水源的利用方式及供水設備不同，其單位用水碳排放和間接碳減排放量也有所不同，參考各類用水水源的電耗研究成果[13-16]，結合中國西北區域電網平均排放系數0.667 1 kg CO2/kwh，估算出各用水水源的單位用水碳排放量(表1)。

表1 不同城市綠地用水水資源類型特點及其碳排放量 kg/m3

由表1可知:首先，由于供水設備流程的復雜程度，自來水是碳排放最高的水源，同時中水雖為非傳統水源，一定程度能起到節水作用，但因需要深度處理加工后使用，碳排放也較高。其次，地表水(江河水、湖泊水、灌溉渠)用于綠化灌溉只需就近采用泵站取水即可，雖為傳統水源，但使用的碳排放也較低。最后，降雨及其徑流、空調冷凝水2類水源的碳排放相對較低，其中，對于雨水資源的利用，在近年來的低影響開發設計實踐中已得到廣泛重視，雨水資源既可直接入滲綠地作為用水水源補充，同時城市環境中約2/3不透水下墊面的降雨產匯流也具有可觀的水量；而空調冷凝水雖品質高、生成點分散且量小，但總量大、應用成本低[17-18]。

綜上，在城市綠地適水種植設計實踐中，各類綠地均應充分利用降雨及其徑流，在建筑集中的場地則應注重對空調冷凝水的利用，對于此2類水源應優先就地最大化利用的同時輔以收集回用；中水和地表水可作為重要的補充水源，并應根據當地水務部門分配給園林綠地的用水量來取水；自來水則應少用或不用。

1.4 “生境集水+適水種植”的低影響設計模式

區別于常規綠化種植多注重后期維護的節水特點，適水種植設計的另一關鍵內容為“生境集水＋適水種植”的低影響設計模式，其本質是采用低影響的設計手法對常規設計流程進行優化，以此達到在規劃設計階段就充分考慮場地水分條件與植物需水的匹配性。將植物用水前置考慮，進行適水優化設計，變被動用水為主動調水，減少后期維護用水壓力，實現節水減碳的雙重目標(圖2)。

圖2 城市綠地適水種植的設計流程

生境集水就是通過場地生境優化設計，匯集增加場地植物可利用水分，減少土壤水分的無效蒸發，最大化讓自然做功，將可利用水源盡量多地留在土壤中為植物所用，同時為不同的植物景觀營造創造多樣化的水分生境條件。適水種植就是在生境優化集水的基礎上，對場地土壤水分分布進行充分評估，并協同其他景觀設計要素布局進行適水性種植設計，從而最大化實現植被耗水需求與土壤水分供給之間的高匹配度，減少供需失衡導致的低效用水。此外，在土壤水分補給與植被耗水需求匹配程度最優的種植設計基礎上，通過節水灌溉措施精準補給綠化所需水量，即可實現人為做功的最小化，以此達到用水的低投入和低維護，最大限度地減少用水及其碳排放。

2 城市綠地適水種植設計途徑

2.1 場地生境優化集水

土壤水是植物生長的直接水源，任何不同形式的水均需轉化為土壤水才能為植物所利用，因此進行場地生境優化集水就是利用生境因子將各類水資源轉化為土壤水。現實中影響土壤水分收支的因素是多方面的，針對中國西北地區年降水量和日最大降水量相對較小、蒸發量大且地帶性土壤多具有較強滲透性的特點，綜合分析各生態因子對土壤水分的影響，以及場地設計可人工干預的生態因子，確定小氣候條件(日照、風環境、熱環境)、地形及豎向條件、土壤物理性質3類生境優化“集水”影響因子。本文通過總結3類生境因子作用于土壤水分的空間變量，提出相應的設計變量及場地設計影響方式(表2、圖3)，根據場地條件可選用一種或多種生境優化集水策略用以豐富場地水分條件。

表2 生境集水影響因子及其設計影響方式

圖3 生境優化集水設計模式

2.2 適水性種植設計

適水性種植設計的核心在于依據水分條件及其分布來匹配相適應的種植類型，簡而言之，就是在水分條件好的場地布置更高的綠量，水分條件較差的地方布置較少的綠量。然而由于在城市綠地種植設計實踐中，綠化種植需同時滿足人群的基本景觀和功能需求，因此，適水性種植設計應協同種植設計的基本景觀和功能需求，以生境優化集水為基礎，根據生境優化后的場地水分生境特征開展具有不同需水量特點的種植設計。

不同需水量的植物種植可通過改變植物配置方式、種植類型和種植密度3個層面進行設計優化。首先，生態化的植物群落構建模式可以改變綠化種植對水分的需求，例如，相比于常規綠化植物配置方式，自生植物群落改良和近自然植物群落種植的配置方式具有較低的灌溉養護需求[19]，因此大面積的城市生態綠地可參考項目所在地的區域地帶性植被類型，構建以節水型、低維護型的近自然植被景觀為主。其次，耐旱低需水量的植物景觀營造對于西北地區尤為關鍵，由鄉土物種構成的林地、灌叢和草地等單層植被結構類型，以及灌草叢、疏林草地等雙層植被結構類型(草本層以禾本科自生植物為主)往往具有較低的水分需求。最后，通過降低種植密度，同時采用枯枝落葉等有機覆蓋物覆蓋裸露地表，進而減少蒸發的同時降低種植的耗水需求。

在生境優化集水和適水性種植設計的基礎上，對土壤水分供給與植被耗水需求的供需平衡關系進行量化評估，若土壤水分供給與植被耗水需求的匹配程度未達到最優，則可優先通過上文生境優化集水措施及其組合對場地水分條件進行優化調配或改變種植設計的需水特點，再以節水型精準灌溉措施為補充，最終輸出綜合匹配程度最優的適水種植設計方案(圖4)。其中，土壤水分供給可通過水量平衡法計算，主要由有效降水、生境優化集水額外補充的入滲量和減少的蒸發量構成，植被耗水需求可通過景觀系數法進行計算[20]。

圖4 城市綠地適水種植設計模式的技術途徑

2.3 節水型精準灌溉

作為城市綠地種植適水優化設計的重要補充，節水型精準灌溉設計的關鍵在于針對不同植物配置方式、種植類型進行針對性的節水灌溉方式，從而實現人為做功的最小化。節水型精準灌溉設計可以從是否需要設置節水灌溉裝置和設置何種節水灌溉裝置2個層面開展。首先，大面積城市生態綠地的生態保育、修復區往往不宜設置固定的灌溉裝置，其大部分種植區域綠化種植應以自生植物群落改良、近自然群落種植的配置方式為主，采用短期養護灌溉方式(只需在移栽到植物成活期的一段時間內進行灌溉、成活后一般不需要灌溉)即可。其次，對于需要進行長期養護灌溉的綠地，應設置節水灌溉裝置，且根據不同的種植類型的選擇不同的節水灌溉裝置；在灌溉時間上，可在春季返青和秋季封凍時進行關鍵階段充分灌溉，其他階段可采取非充分灌溉。

3 城市綠地適水種植設計實踐案例

南門花園位于西安建筑科技大學校園南大門入口的東側，屬于附屬綠地，用地狹長，總面積約855 m2，其中鋪裝面積168 m2，綠地面積687 m2。南門花園綠地種植包括鋼板花池種植區、雨水花園種植區、自生群落改良區、鄉土植物種植區、園藝植物種植區5個種植分區，各種植區的適水種植設計策略(圖5)及其土壤水分與植被耗水的供需平衡關系估算如下(表3):

表3 南門花園各種植分區的水分供給與需求量化情況

圖5 西安建筑科技大學南門花園適水種植設計實踐

1)生境優化集水。首先，通過對南門花園場地用水水源條件的分析，確定了建筑屋面雨水、地表徑流、空調冷凝水等可用水源，其中，650 m2的建筑屋頂雨水和2臺空調外機的空調冷凝水分別經過4處雨水落水管和2處排水管匯集至鋼板花池種植區；地表徑流通過地形豎向及雨水組織匯集至雨水花園種植區。其次，通過對場地小氣候條件的分析，確定了以日照為主導的陽生區、建筑西照半陽生區、建筑陰生區3種生境類型[23]，這3種生境類型代表了不同的蒸散發特點。最后，根據種植需求對部分種植區的土壤添加礫石、松鱗等覆蓋物，減少了土壤水分蒸發。

2)適水性種植設計。鋼板花池種植區中，在建筑陰生區承接屋面徑流的雨水種植池營造喜陰喜濕的蕨類群落，此處生長了數十種蕨類植物；在建筑半陽生區域種植以糙蘇 (Phlomis umbrosa)、八寶景天(Sedum spectabile)、蓍草(Achillea millefolium)等耐旱的鄉土植物為主。在雨水花園種植區營造了適旱耐積水的鄉土地被植物群落，種植了以澇峪薹草(Carex giraldiana)、千屈菜 (Lythrumsalicaria)、黃菖蒲 (Iris pseudacorus)和馬藺(Iris lactea)為主的鄉土地被植物。在自生群落改良區，通過對場地中一塊區域的自生植物保留并進行改良設計，營造了兼具景觀效果且不需人工養護灌溉的群落配置模式。鄉土植物種植區和園藝植物區則分別種植了以鄉土耐旱植物為主和以常規園藝植物為主的不同植物種類。

3)節水型精準灌溉。南門花園通過場地生境優化集水和適水性種植設計顯著減少了澆水量:自生群落改良區和鋼板花池的蕨類種植區僅在建植初期進行了灌溉養護，此后全年無需灌溉，除蕨類種植區以外的鋼板花池種植區、雨水花園種植區和鄉土植物種植區全年只需在春夏季的關鍵時段補充灌溉(一年按8次計算)，園藝種植區則按照常規綠地養護灌溉。需要說明的是，雖然部分種植區的年有效降雨量就已超過或基本滿足植物的年需水量，但是由于降雨與植物需水的時間分布特征不同，在春旱及夏季的持續干旱時期仍需對植物進行灌溉補給。

綜上，西安建筑科技大學其他校園綠地灌溉養護主要采用城市自來水，基于歐玉民等[5]的研究，每天每平方米綠地的灌溉需水量按2 L進行計算，除去無需灌溉的降雨天氣和冬季時間(由近3年西安的降雨數據可知該城市年均降雨天數為61天，冬季時間按3個月，90天計算)，每平方米綠地全年灌溉需水量約為428 L。綜合加權計算分析南門花園每平方米綠地全年灌溉水量約120 L，相比于其他校園綠地，每年每平米可節約自來水308 L，間接碳減排放約0.21 kg，南門花園共計687 m2綠地的每年間接減碳量為144.3 kg。

4 結語

通過擴大城市綠化種植的方式應對氣候變化的做法已在世界范圍得到廣泛認可，其所帶來的水資源消耗、能源消耗及其碳排矛盾可通過城市綠地種植的適水優化進行協調。城市綠地適水種植設計的關鍵在于充分利用城市空間特征影響下的水分條件與不同植物需水的關系，遵循水與植物這一對生態因子耦合的內在機制，以低影響手段提高城市綠地植物與水因子的適配性，核心設計策略包括3個方面。首先，以非傳統水源、低碳排放水源為適水優化設計的用水基礎；其次，通過場地設計充分結合利用小氣候、地形豎向、土壤條件3類生境因子，將可利用水源盡量多地就地留在土壤中為植物所用；最后，通過適水性種植設計最大化實現植被耗水需求與土壤水分供給之間的高匹配度，減少供需失衡導致的低效用水，并輔以節水灌溉措施精準補給綠化所需水量，最終達到用水的低投入和低維護，最大限度地減少用水及其碳排放。本文提出的城市綠地適水種植設計途徑旨在為開展科學化的西北地區城市綠地種植設計提供技術支持，對城市綠地低碳可持續設計具有實踐指導意義。