杭州環西湖公園綠地典型人工植物群落碳收支平衡分析

郭婷婷，黃玉蘋，錢樺，邵鋒，王冰玉，傅東示，章銀柯

（1. 浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300；2. 杭州八林景觀建設有限公司，浙江 杭州 310024；3. 杭州市園林綠化發展中心，浙江 杭州 310002；4. 杭州植物園，浙江 杭州 310013）

隨著經濟增速持續加快，人民生活水平不斷提高，城市擴張、交通擁堵等問題接踵而至，導致環境問題加劇，尤其是CO2濃度上升引起的溫室效應導致的氣候變化是當今人類面臨的嚴重環境問題之一[1-3]。據統計，城市居民活動排放的CO2約占CO2排放總量的71%[4]。城市是全球氣候變化對人類影響最大的地區[5]，減少城市CO2排放、提高公園綠地碳匯能力已被認為是緩解城市環境問題的有效途徑。

公園綠地植物群落通過光合作用吸收大氣中的CO2，并將其固定在植被和土壤中。為減少大氣中的CO2濃度，定量研究公園綠地植物群落的碳收支水平，分析影響植物群落碳收支的因素，已成為當前研究的熱點問題。萬王軍等[6]研究得出，植物群落的碳儲量與其規模、種群密度、群落層次和植物種類有密切關系。王敏等[7]也指出，植物群落結構對固碳具有顯著影響。相關研究表明，多層結構的植物群落碳吸收能力是單層結構的1.1 ～ 1.2倍[8]。不同類型群落的碳儲量大小依次為：闊葉林＞針闊混交林＞針葉林＞疏林[9]。多數研究應用i-Tree 工具對當前和未來樹木的碳儲量和固碳量進行生命周期評估[10]。劉利[11]通過i-Tree 模型分析了城市綠地的生態效益，包括凈化空氣效益、固碳效益和雨水截留效益。施健健等[12]使用i-Tree 模型評估了杭州花港觀魚公園的植物固碳效益。植物群落在吸收CO2的同時，自身在人工養護管理的過程中也會排放CO2，主要包括修剪、灌溉、施肥等方面的碳排放。目前，多采用生命周期評價法（LCA）定量評估碳排放量[13]。相關研究指出，照明耗電和灌溉用水的CO2排放較多[14-16]。人工養護階段的植物群落是主要碳源，降低植物群落碳排量、增加碳匯量，是高效低碳植物群落景觀建設的關鍵[17]。由于植物群落本身具有種類多樣、結構復雜、類型豐富等特點，專家學者對植物群落的碳匯量化研究較少。因此，本文針對杭州環西湖公園綠地植物群落的碳收支水平展開研究，分析植物組成、郁閉度、栽植密度和喬灌木比例等結構因子對植物群落碳收支的影響，以完善不同尺度的碳收支研究，為今后公園綠地植物群落的設計、營建和管理提供有益參考。

1 研究區概況

西湖風景名勝區位于浙江省杭州市西部，總面積為59.04 km2，其中，湖面面積為6.38 km2，外圍保護區面積為35.64 km2。屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為17.8 ℃，年平均降水量為1 500 mm，平均相對濕度為70.3%。雨量充沛、氣候宜人，這為植物生長提供了良好的條件。西湖環湖一帶是其景觀精華所在，沿線分布的公園各具特色，共同構成了現代城市中較成熟的公園體系。本研究范圍為環西湖游線上的5 個公園——曲院風荷、花港觀魚、柳浪聞鶯、杭州太子灣公園、杭州植物園，其植物資源豐富、群落結構多樣、植物景觀特色鮮明。公園位置如圖1 所示。

圖1 公園相對位置圖Fig. 1 Location of the parks around the West Lake

2 研究方法

2.1 樣地選擇

植物群落是指特定空間中植物種群有規律地組合，有一定的植物種類組成，物種之間彼此影響，具有一定的外貌及結構[18]。為最大限度地避免其他因素的干擾，降低試驗誤差，在試驗設計時，保證試驗條件的一致性、可比性及重復性，每個樣方面積均為400 m2，樹齡均為50 年左右。因為多層結構的碳吸收能力較單層結構強[8]，故選取群落類型均為喬—灌—草多層結構形式。樣地選擇是在充分調研杭州環西湖公園綠地植物群落的基礎上確定的，主要考慮因素為植物群落的郁閉度、栽植密度及喬灌木比例。基于以上要求，本試驗選取杭州環西湖公園綠地中的曲院風荷、花港觀魚、柳浪聞鶯、杭州太子灣公園和杭州植物園為研究地（公園選取符合CJJT 85—2017 標準）。2021 年10 月，在5 個公園內選擇30 個典型植物群落作為研究對象，比較不同植物群落的碳收支情況（圖2）。30 個植物群落樣點信息見表1。

表1 各樣點植物群落信息Tab. 1 Information of sampling communities

圖2 植物群落樣點位置圖Fig. 2 Location of sampling plant communities

經調查，所選植物群落均為人工栽培群落，生長穩定，郁閉度為0 ～ 1，栽植密度為0 ～ 1 500 株·hm-2，喬灌木比例為0 ～ 1。植物群落中的樹種為4 ～ 16 種·400 m-2，其中87%為常綠落葉混交植物群落，13%為常綠植物群落。分析調研結果，將3 種因素分為A、B、C、D 4 個等級（表2）。分別以郁閉度、栽植密度、喬灌木比例3 個因子為變量設置3 個小組，每小組4 個樣點，共30 個植物群落，控制其中2 種因素為同一等級，比較另一因素的某一等級對植物群落碳收支量的影響。

表2 植物群落結構分級標準Tab. 2 Grading of plant community structure

2.2 植物群落固碳測定

植物群落年固碳量采用i-Tree 模型Eco V 6.0.29 模塊計算。i-Tree 模型是進行城市林業分析和效益評估的工具。該模型通過調研實地植物的基礎數據，建立基于冠幅、樹高及胸徑等的函數模型，計算出植物的生物量，進而推算植物固碳效益。用i-Tree 模型計算植物群落固碳效益是依據異速生長方程計算植物的生物量，若被試植物在模型中無對應的方程，會采用同一個屬的生長方程計算，若無對應屬的生長方程，則會采用闊葉樹種或者針葉樹種生長方程的平均值[12]。i-Tree 模型中的物種數據庫包括1 萬多種喬木和灌木的信息，是基于不同參考城市的樹木生長模型，以杭州年平均氣溫、年平均降水量、環境狀況為依據，選取與杭州氣候類型相近的地區。分別將30 個植物群落的調研數據錄入Excel 表中，并轉化為i-Tree 模型可識別的csv.格式文件，經過分析處理后，即可進行植物群落的年固碳量分析。將喬木、灌木和草本相應數據輸入軟件中，進行分析處理。

2.3 養護管理碳排放估算

植物群落年碳排放量采用生命周期評價法計算，研究邊界是植物群落的養護管理階段，包括灌溉、修剪、施肥、打藥。園林全生命周期的其他階段，如建造初始的材料生產運輸、設計建造、廢棄物處置等階段不作為考量重點。養護管理階段的基礎數據包括灌溉方式、灌溉頻率、施肥頻率、打藥頻率、樣點植物群落的灌溉年用水量、年化肥用量、年農藥用量、修剪及灌溉分別使用的能源機械型號及功率、年耗油量及年耗電量等，通過與園林養護一線工作人員及管理人員深入交談，同時翻閱公園養護管理日志，獲取上述基礎數據。養護管理碳排放量為灌溉、修剪、施肥、農藥排放的CO2總和。為確保數據的可靠性與真實性，根據《IPCC 國家溫室氣體排放清單指南》推薦的碳排放轉換因子（表3），計算相應過程的碳排放量。

表3 養護能源碳排放轉換系數Tab. 3 Greenhouse gas emissions by tending of plant communities

2.3.1 灌溉CO2排放量 經調查得知，公園內植物群落的灌溉方式為抽水泵抽水，抽水泵以柴油為主要能源補給，通過訪談及資料查閱得到每個樣點植物群落的年用水量及年耗油量。灌溉所產生的CO2計算公式如下：

式中，CEmai-灌溉為30 個植物群落灌溉產生的CO2排放總量；Qi-柴油為每個植物群落灌溉產生的柴油消耗量；Qi-水為每個植物群落灌溉產生的用水消耗量；C柴油為柴油碳排放因子；C水為水碳排放因子。

2.3.2 修剪CO2排放量 各植物群落的修剪方式為機械結合人工修剪，草坪采用坐騎式割草機及手推式割草機，以耗油為主；灌木采用肩背割草機結合手剪，以耗油為主；喬木以高枝剪等人工修剪為主，此過程不計入碳排放計算。修剪所產生的CO2計算公式如下：

式中，CEmai-修剪為30 個植物群落修剪產生的CO2排放總量；Qi-柴油為每個植物群落修剪產生的柴油消耗量；C柴油為柴油碳排放因子。

2.3.3 施肥CO2排放量 各植物群落為冬春季開花施肥，春季花后葉面追肥，冬季施基肥，所使用的肥料包括動物糞便及復合肥，所有肥料均為政采云網站購置，每年購置一次。由于肥料運輸過程較為復雜，涉及多個環節，因此假設所有肥料的運輸距離均為100 km，油耗為20 L（柴油）。施肥所產生的CO2計算公式如下：

式中，CEmai-施肥為30 個植物群落施肥產生的CO2排放總量；Qi-w為每個植物群落的有機肥消耗量；Cw為有機肥碳排放因子；Qi-f為每個植物群落的無機肥消耗量；Cf為無機肥碳排放因子；Qi-柴油為每個植物群落施肥產生的柴油消耗量；C柴油為柴油碳排放因子。

2.3.4 農藥CO2排放量 據調查，公園每年會針對不同植物及植物群落施用不同劑量的農藥，每年施農藥的頻率為5 次，農藥產品包括三唑酮、天王星、吡蟲啉等，所有農藥均為政采云網站購置，每年購置一次。假設所有肥料的運輸距離均為100 km，油耗為20 L（柴油）。農藥所產生的CO2計算公式如下：

式中，CEmai-農藥為30 個植物群落施加農藥產生的CO2排放總量；Qi-農藥為每個植物群落的農藥消耗量；C農藥為農藥碳排放因子；Qi-柴油為每個植物群落的柴油消耗量；C柴油為柴油碳排放因子。

2.4 植物群落碳收支估算

植物群落養護管理周期的碳收支量為每個植物群落的固碳量與碳排放量相減，若相減值為正值，則此植物群落表現為碳匯，反之則為碳源。碳收支量代表該植物群落中的碳平衡狀況，碳收支平衡是根據固碳值和碳排值確定的，其確定依據為當固碳值等于碳排值時，即為碳收支相對平衡狀態。碳收支量是檢驗植物群落生態性的一個重要指標[24]。植物群落養護管理周期的碳收支計算公式如下：

式中，C為公園綠地植物群落養護管理周期的碳收支量；CS為每個植物群落的年固碳總量；CEmai為每個植物群落養護管理階段的CO2年排放總量。

2.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 統計和整理數據，SPSS 25.0 分析數據，Origin 2021 作圖。

3 結果與分析

3.1 植物群落碳收支分析

從表4 可以得出，各植物群落的平均碳收支量為3 209.40 kgC·a-1·hm-2，其中，樣點21 的碳收支量最高（24 436.34 kgC·a-1·hm-2），該樣點植物栽植密度適中、生長空間開闊，群落以大喬木為主，其修剪、施肥需求小，養護管理碳排放少且固碳能力強的植物占比較高。樣點28 的碳收支量最低，為－4 261.58 kgC·a-1·hm-2，總體表現為碳源，該群落栽植密度偏高、植物生長空間狹窄，造成競爭，導致部分植物生長狀況不佳，有較多枯枝落葉，養護頻次增多，且喬木冠幅較小，造成碳收支量偏低。

表4 各樣地碳收支情況Tab. 4 Carbon budge of sample points

3.1.1 植物群落固碳量分析 根據i-Tree 軟件計算得出，杭州環西湖公園綠地植物群落的平均年固碳量為11 209.87 kgC·a-1·hm-2。由表4 可知，樣點21 植物群落的年固碳量最高，為31 000.00 kgC·a-1·hm-2，群落的優勢樹種為樟、銀杏，搭配無刺枸骨、紅花檵木等固碳能力較強的常綠灌木，群落內植物多為杭州地區的鄉土植物，植物胸徑和冠幅普遍偏高，栽植密度為4.75 株·100 m-2，喬灌比為0.35，植物生長狀態良好，群落結構穩定，因此固碳效益較高。樣點20 年固碳量最低，為2 758.41 kgC·a-1·hm-2，群落由無患子、雪松、垂絲海棠等喬木搭配金邊黃楊、南天竹等灌木，喬木冠幅較小，葉片散布稀疏，群落郁閉度偏低，這些特征導致群落固碳量較低。

3.1.2 植物群落碳排放分析 各植物群落的年碳排放量為（6 059.76 ～ 9 940.09）kgC·a-1·hm-2，平均年碳排放量為8 000.47 kgC·a-1·hm-2。樣點7 植物群落養護管理碳排放量最高，為9 940.09 kgC·a-1·hm-2，該樣地的郁閉度和栽植密度均為最高，植物數量偏多，灌木占比大，由于灌木需水量較喬木多，且農藥噴灑和肥料施用需求更大，因此其養護管理階段碳排放量更多，其對碳收支為負作用，造成植物群落碳收支量低。樣點14 植物群落的生命周期管理養護碳排放量最低（6 059.76 kgC·a-1·hm-2），該樣點的植物數量較少，喬灌比例較均衡，樹木規格偏低，養護需求較小，所需的肥料和灌溉量偏少，其對植物群落碳收支為正作用。

3.2 結構因子對植物群落碳收支的影響

3.2.1 不同郁閉度對碳收支的影響 圖3 反映出不同郁閉度對公園綠地植物群落養護管理碳收支量的影響。

圖3 不同郁閉度植物群落碳收支量對比Fig. 3 Comparison on carbon budget of plant community with different canopy density

為避免另外2 種因素影響碳收支水平，選擇栽植密度和喬灌木比例為同一等級，分析不同郁閉度對植物群落碳收支能力的影響。3 組試驗在郁閉度為0 ～ 0.75 時，碳收支量均表現為隨郁閉度的提高而增加，均為碳匯狀態；當郁閉度為0.50 ～ 0.75 時，植物群落碳收支量達到最大，隨后開始下降；郁閉度達到0.75 ～ 1.00 時，碳收支量隨之下降。郁閉度低時，植物群落覆蓋面小，葉片覆蓋率低；郁閉度偏高時，植物的葉片生長受到抑制，固碳效應受到影響。植物群落優化過程中，可以通過適當提高郁閉度以提升植物群落整體的碳匯能力，因此將郁閉度控制在0.50 ～ 0.75 為最佳。

3.2.2 不同栽植密度對碳收支的影響 圖4 反映出不同栽植密度對公園綠地植物群落養護管理周期碳收支量的影響。在郁閉度和喬灌木比例一定的情況下，3 組試驗均表現為隨著栽植密度增大群落的碳收支量先增加后下降，當栽植密度增加至375 ～ 750 株·hm-2時，群落的碳收支量增至最大，當栽植密度超過750 株·hm-2，群落的碳收支量逐步下降，部分樣點呈現碳源狀態。這是由于栽植密度大，群落內部的植物數量增多，相互競爭影響植物的固碳效益。此外，郁閉度和喬灌木比例較均衡的Ⅰ組，各樣點植物群落的碳收支量明顯高于另外2 組，這表明3 個因素對植物群落的碳收支水平會產生綜合影響。

圖4 不同栽植密度植物群落碳收支量對比Fig. 4 Comparison on carbon budget of plant community with different density

3.2.3 喬灌木比例對碳收支的影響 圖5 反映出喬灌木比例對公園綠地植物群落養護管理周期碳收支量的影響。

圖5 不同等級喬灌木比例植物群落碳收支量對比Fig. 5 Comparison on carbon budget of plant community with different proportion of tree and shrub

在郁閉度和栽植密度一定的情況下，3 組試驗中當喬灌木比例為0.25 ～ 0.50 時，植物群落的碳收支量最大，當喬灌木比例為0 ～ 0.25 時，植物群落的碳收支量最低，表明喬灌木比例在影響群落固碳中有顯著作用。植物群落固碳主要依靠喬木，考慮到公園綠地中植物群落的觀賞性，需搭配灌木栽植。喬木過多的群落，植物生存空間受限，相互抑制生長；而灌木過多的群落，養護管理成本增大，固碳能力發揮受限。

4 討論與結論

4.1 討論

植物群落的碳收支水平受自身結構、樹種組成和養護管理等因素的影響。本研究控制植物群落生存環境、光照條件、植物樹齡等試驗條件，盡可能減少其他因素的影響，以郁閉度、栽植密度、喬灌木比例為變量，分析3 個結構因子對植物群落碳收支水平的影響，設置3 組試驗。分別控制其中2 個自變量為同一等級，得到另一個自變量對碳收支量的影響，排除自變量之間相互影響的誤差，提高研究結果的準確性。

通過試驗發現，植物群落的碳收支量均隨著郁閉度、栽植密度和喬灌木比例提高而增加，達到一定值時碳收支量為最大值，隨后降低。張婉茹[25]通過對比30 個植物群落的單位面積土地固碳量，得出當植物群落郁閉度在0.36 ～ 0.65 或0.75 以上時，固碳效益隨群落郁閉度的提高而增強，這與本文的研究結論略有不同。徐飛等[26]評估城市森林固碳能力，得到城市森林的郁閉度與碳密度和固碳率呈現出明顯的正相關關系，并且隨著郁閉度的提高而明顯增強。本研究發現植物群落郁閉度在0.75 以下時，碳收支量隨著郁閉度的提高而增強，超過0.75時碳收支量下降，固碳效益降低。何晶[27]發現，群落栽植密度越大的植物群落，在一定的樹木種類和規格條件下，其凈碳固定量越大，當栽植密度超過一定范圍時，碳固定量隨之減少，這與本研究結論一致。依蘭等[28]也認為具有中等栽植密度的植物群落，其固碳能力明顯高于高栽植密度與低栽植密度的植物群落的固碳能力。栽植密度過大會造成生存空間縮小，植物的生存空間對固碳產生較大影響。可通過調節栽植密度優化植物生存環境，合理設計植物群落結構，提高固碳能力。喬木與灌木競爭光照、養分及水分，通過適當的喬灌木比例創造有利于植物固碳的條件。喬木占比大會導致公園綠地的植物群落層次結構單一，而灌木占比大則導致養護管理產生的碳排放量增多。本研究發現，喬木與灌木之比為0.25 ～ 0.50 時，可兼顧觀賞及固碳功能，而張穎[29]研究得出喬灌木之比為50% ～ 70%時固碳效益較高，這是由于研究地域及環境條件不同，本研究區域位于公園綠地內，與建筑垃圾堆山公園的環境條件有較大區別，植物群落的固碳效益因此存在一定差異性。

通過估算植物群落養護管理主要環節——灌溉、修剪、施肥、施農藥產生的碳排放量，以降低養護碳排放為主要目標，進一步優化養護管理方式，實現植物養護低碳可持續。蕭簫等[16]以上海49 個公園為例，估算植物養護管理各環節CO2排放量，得出以自來水灌溉比河水灌溉產生的碳排放多，同時發現耗電和灌溉所產生的碳排放占比較大，這與本研究結論一致。黃柳菁等[30]的研究也表明，灌溉產生的碳排放量占公園綠地養護碳排放量的64%，而修剪產生的碳排放量只占公園綠地養護碳排放量的9% ～ 19%，因此采取合理方式節約用水是今后公園綠地減少碳排放量的重點，節水型灌溉技術能很大程度上降低水資源浪費，減少碳排放量。張穎[31]通過核算草坪碳收支量，得出草坪始終為碳源的結論，Strohbach 等[32]認為降低草坪修剪頻率可減少70%的碳排放量，通過栽植多年生草種或選擇其他草坪草覆蓋的方式以降低草坪修剪頻率。因此降低養護頻率，推廣近自然式植物群落，對植物群落碳匯會起到正向作用。植物群落結構也會影響CO2排放，栽植密度和喬灌木比例是主要的影響因素，植株數偏大時，灌溉、施肥、農藥的需求量相應增多。此外，大喬木的生長已較為穩定，養護管理頻次相對較少，而灌木生長需要修剪、灌溉、施肥等，養護頻次較多，CO2排放量相應增多。降低各環節養護管理的碳排放量是提高植物群落碳收支水平的重要渠道，通過調整植物養護策略以降低能源消耗是今后高效低碳植物群落的研究重點。

4.2 結論

本研究采用i-Tree 軟件估算植物群落固碳量，養護管理周期評價法估算碳排量，通過控制變量法分析杭州環西湖公園綠地碳收支水平的影響因素。根據調研及試驗的結果得到，郁閉度、栽植密度、喬灌木比例對植物群落的碳收支水平有一定影響。碳收支量隨著郁閉度、栽植密度和喬灌木比例的等級提高而增加，但郁閉度、栽植密度、喬灌木比例過高會導致植物生長空間受限，進而影響碳收支水平。研究得出，植物群落郁閉度為0.50～ 0.75，栽植密度和喬灌木比例分別在375 ～ 750 株·hm-2和0.25 ～ 0.50，植物群落的碳收支水平最高。在今后公園綠地植物群落設計時，結合生態效益、美學價值及游憩等多種功能需求，以適當的郁閉度、栽植密度和喬灌木比例設計植物群落，為公園綠地固碳提供有利條件。