周貝寧, 蘆建國, 花壯壯
(南京林業(yè)大學 風景園林學院,江蘇 南京 210037)
我國城鎮(zhèn)化進程的加快使城市成為人類與大自然矛盾沖突的集中地?;诰坝^生態(tài)學理念,利用綠道網(wǎng)絡修補割裂的城市綠色空間逐漸成為一種趨勢。城市綠道從最初著重體現(xiàn)景觀和審美價值,到如今其生態(tài)效益研究日益成為重點,同時也成為綠道提供社會、經(jīng)濟和文化價值的基礎[1-2]。浙江省作為全國第二個編制省級綠道規(guī)劃的省份,自2012年開始規(guī)劃省級綠道網(wǎng)布局,至今已實現(xiàn)市、縣綠道網(wǎng)絡全覆蓋[3],建成5 800 km高標準綠道。如何在增加綠道里程的同時,構筑生態(tài)服務效益突出的城市綠道是迫切需要解決的問題。
我國對綠道生態(tài)服務效益的相關研究處于初步探索階段,研究方法基于層次分析法和問卷調(diào)查法[4-8],缺少從定性描述到定量評價的演變。目前已有CITYgreen模型、i-Tree模型[9-14]、UFORE模型等生態(tài)效益評價模型應用于城市綠地空間,其中基于“3S”技術(遙感技術、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的統(tǒng)稱)的CITYgreen模型通過構建整個研究區(qū)的森林格局,較適用于大面積城市森林生態(tài)服務價值的評估;而i-Tree模型基于Streets、Eco、Vue等8個模塊,各模塊分別適用于不同規(guī)模和類型的城市綠地,針對節(jié)能減排、雨水徑流、改善空氣質(zhì)量等不同生態(tài)效益進行量化評估[15]。2009年,陶曉等[16]率先將i-Tree模型引入國內(nèi),迄今已成功應用于多個城市森林和公園綠地的生態(tài)效益研究,但仍未有采用i-Tree模型量化綠道生態(tài)效益的研究。本研究以浙江省寧波市“三江六岸核心區(qū)”綠道為研究對象,運用i-Tree模型對綠道樹木結(jié)構,以及節(jié)能效益、固碳效益、改善空氣質(zhì)量效益、截留雨水效益和美學價值進行量化評估分析,以期為長江三角洲地區(qū)綠道中樹種篩選提供一定的理論依據(jù)。
浙江省寧波市(120°55′~122°16′E,28°51′~30°33′N)地處長江三角洲南翼,屬亞熱帶季風氣候,四季分明,年平均氣溫16.4 ℃,1月最低,7月最高;年均降水量1 480 mm,降水主要集中于每年3—6月梅雨季和8—9月臺風季;植被資源豐富且南北差異不大,地帶性植被為典型常綠闊葉林。作為國家園林城市,寧波市建成區(qū)綠化覆蓋率達45%。
寧波市以水為脈,擁江而興,發(fā)源于上虞區(qū)梁湖的余姚江、奉化區(qū)溪口鎮(zhèn)斑竹村的奉化江在市區(qū)“三江口”匯成甬江,三江匯流經(jīng)鎮(zhèn)海招寶山入東海,由此而形成的“三江六岸核心區(qū)”是寧波城市生態(tài)的核心空間、城市發(fā)展的戰(zhàn)略平臺和自然風貌的歷史變遷。以《浙江省省級綠道網(wǎng)布局規(guī)劃》為引領,2014年寧波市規(guī)劃局發(fā)布《寧波市城市綠道網(wǎng)專項規(guī)劃》旨在形成“三縱、三江、兩環(huán)”的市域主線綠道結(jié)構,發(fā)揮寧波三江匯聚、一城居中的特色,打造甬江、姚江和奉化江沿岸“三江六岸核心區(qū)”綠道。
1.2.1 實地調(diào)查
于2019年12月至2020年5月對寧波市“三江六岸核心區(qū)”綠道樹種進行調(diào)研。綠道調(diào)研長度共計14.2 km,占地面積65 hm2,采集的數(shù)據(jù)包括綠道樹木種類、樹木胸徑(diameter at breast height,DBH)、樹高、樹木冠幅、主干和枝葉生長狀況、維護建議和優(yōu)先工作、土地類型、立地條件(人行道損壞和電線沖突)、道路長度和寬度、人行道長度和寬度等情況,建立完整普查數(shù)據(jù)庫并按照i-Tree模型樣本表格進行格式化處理。
1.2.2 建立i-Tree模型
i-Tree模型(表1)由美國林務局開發(fā)并用于城市林業(yè)分析與效益評估服務。本研究使用i-Tree V5.1.7模型的Streets板塊,使用完整的普查數(shù)據(jù)定量評估綠道的年生態(tài)服務效益,揭示植物個體與群落發(fā)揮生態(tài)服務效益間的關系。寧波市地處東南沿海,屬亞熱帶季風氣候,故本研究選取模型中與研究區(qū)氣候最為相似的Coastal Plain亞熱帶氣候區(qū)作為綠道樹木生長的氣候條件。基于寧波市綠地樹木養(yǎng)護費標準,錄入城市信息,定義成本界面,包括年度種植成本、修剪成本、病蟲害防治成本、灌溉成本等養(yǎng)護成本;基于《中華人民共和國環(huán)境保護稅法》中大氣污染當量值[二氧化硫0.95 kg;氮氧化物0.95 kg;揮發(fā)性有機物(VOCs)0.95 kg;PM104 kg],以及《浙江省人民代表大會常務委員會關于大氣污染物和水污染物適用稅額的決定》中浙江省大氣污染物(1.2元·污染當量-1)和VOCs(3.6元·污染當量-1)[17]適用稅額的確定,計算大氣污染物治理費為每污染當量的污染稅額,從而對經(jīng)濟參數(shù)進行修正,其中包括電費(0.538元·kWh-1)、天然氣價(3.50元·m-3)、固碳經(jīng)濟價值(1.04元·kg-1,采用瑞典碳稅率固碳價格)、NO2治理費(1.26元·kg-1);SO2治理費(1.26元·kg-1)、PM10治理費(0.30元·kg-1)、VOCs治理費(3.79元·kg-1);核對行道樹標準樹種代碼信息,對數(shù)據(jù)庫內(nèi)缺失的樹種應用“Define Species”選擇同屬或生長類型相似樹種進行匹配。
表1 i-Tree模型生態(tài)效益評估原理
寧波“三江六岸核心區(qū)”綠道樹種資源共71種,分屬37科54屬,總計6 799株;其中,樟樹(Cinnamomumcamphora)、大葉早櫻(Prunussubhirtella)、雞爪槭(Acerpalmatum)、桂花(Osmanthusfragrans)、銀杏(Ginkgobiloba)、柳樹(Salixbabylonica)為綠道中的優(yōu)勢樹種,占總量的55.9%?!叭逗诵膮^(qū)”綠道群落的Simpson多樣性指數(shù)為0.94,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為3.24,Pielou物種均勻度0.76,表明物種相對較為豐富,植物群落結(jié)構復雜且穩(wěn)定性較強。
綠道樹種胸徑分布分為7個胸徑區(qū)組,大多數(shù)樹木的胸徑(52.98%)介于15.2≤~30.5 cm,說明綠道樹木處于穩(wěn)定生長階段;19.84%和18.59%的樹木胸徑分別介于7.6≤~15.2 cm和30.5≤~45.7 cm,11.85%的樹木胸徑介于45.7≤~61.0 cm,其余樹木胸徑占8.59%。樟樹、大葉早櫻、桂花、銀杏等優(yōu)勢樹種的徑階分布見圖1,雞爪槭的胸徑主要集中在7.6≤~15.2 cm,大葉早櫻、桂花、銀杏、無患子和杜英胸徑集中在15.2≤~30.5 cm;≥45.7 cm胸徑的樹種主要集中于綠道骨干樹種樟樹和柳樹,這些樹木大多是綠道內(nèi)歷經(jīng)滄桑且具有重要歷史見證意義的古樹。
圖1 綠道優(yōu)勢樹種的胸徑階分布Fig.1 Diameter distribution of dominant tree species in greenway
綠道樹種高度分為5個區(qū)組,綠道優(yōu)勢樹種的樹高分布較為集中(圖2)。高度5≤~10 m的樹木比例最高(46.89%),2≤~5 m和10≤~20 m的樹木分別占整體的29.50%和21.50%,樹高≥20 m的僅32棵水杉??傮w而言,綠道樹高結(jié)構分布較為合理,符合城市樹木的自然生長分布規(guī)律;大葉早櫻、雞爪槭、桂花等優(yōu)勢樹種在10 m以下占比較大,是構成下層群落的重要組成部分;水杉、樟樹、欒樹、銀杏等10 m以上的大型喬木是構成植物中上層群落和綠道林緣線的主要樹種。
圖2 綠道樹木樹高結(jié)構分布情況Fig.2 Distribution of tree height in the greenway
綠道現(xiàn)有的樹木總體表現(xiàn)為落葉樹種占較大比例(59.40%),綠道季相變化較豐富。其中,小型落葉闊葉樹種(broadleaf deciduous small)所占比例最大,占總數(shù)的33.43%,大型常綠闊葉樹種(broadleaf evergreen large)占總數(shù)的14.85%,中型落葉闊葉樹種(broadleaf deciduous medium)占總數(shù)的13.61%,說明綠道樹木整體分布相對均勻,樹種復層數(shù)量分布合理,植物群落結(jié)構相對穩(wěn)定。綠道內(nèi)闊葉樹種與針葉樹種比例相差較大,針葉樹種僅占2.14%,棕櫚類樹種(palm evergreen)所占比例最小(0.49%)。
BDL,落葉闊葉型大喬木;BDS,落葉闊葉型小喬木;BES,常綠闊葉型小喬木;CEM,常綠針葉型中喬木;PEM,常綠棕櫚型中喬木。BDL, Broadleaved deciduous large tree; BDS, Broadleaved deciduous small tree; BES, Broadleaved evergreen small tree; CEM, Conifer evergreen medium tree; PEM, Palm evergreen medium tree.圖3 綠道樹木生長類型分布情況Fig.3 Distribution of tree growth types in the greenway
2.2.1 節(jié)約能源效益
樹木通過蒸騰作用緩解城市熱島效益,增加空氣濕度,降低城市溫度[18]。研究表明,在夏季,1 hm2的綠地每天能夠吸收81.8 MJ的熱量[19]。在建筑物的東西側(cè)分別種植1~2株樹木,每年可節(jié)省約1 035 kWh的電量[20]?!叭逗诵膮^(qū)”綠道節(jié)約能源價值由節(jié)約電量和天然氣構成,樹木種類、冠幅和栽植年限等因素決定單株節(jié)能效益的不同。研究區(qū)行道樹年提供的節(jié)約能源總效益為356 631.75元,其中節(jié)電量為487.9 MWh,節(jié)電效益為262 508.62元,節(jié)約天然氣量為26 814.53 m3,節(jié)約天然氣效益為94 123.13元,單株平均效益為52.43元。單株效益最高的為泡桐(257.66元·株-1),最低的為木槿(5.17元·株-1)。在綠道內(nèi)對節(jié)能效益發(fā)揮重要作用的樹種是骨干樹種樟樹、銀杏和柳樹,分別占總效益的29.2%、10.2%和9.4%。
2.2.2 固碳效益
樹木被廣泛認為是天然的碳匯體,i-Tree模型中的固碳生態(tài)效益主要由樹木凈吸收二氧化碳量所產(chǎn)生的經(jīng)濟價值決定。樹木主要通過光合作用,直接吸收和存儲二氧化碳從而減少大氣中的二氧化碳含量,少量間接通過樹冠對太陽光的反射、遮擋作用進而減少排放量,緩解城市熱島效應[21]。“三江六岸核心區(qū)”綠道年凈固碳總量714 876 kg,折合人民幣為739 312.25元,單株樹木固碳平均效益為108.72元。泡桐、樟樹、三角槭等32個樹種的單株固碳效益高于平均值(表2),其中泡桐的單株效益值最高,達371.48元·株-1,樟樹的單株平均效益(259.04元·株-1)略低于泡桐,但由于數(shù)量遠遠大于泡桐,所以對綠道發(fā)揮年度固碳效益貢獻最高(35.25%)。此外,綠道優(yōu)勢樹種銀杏(9.13%)、柳樹(9.11%)和雞爪槭(6.09%)的總年度固碳效益貢獻率較高。
2.2.3 截留雨水效益
樹木的截留雨水效益對于減少城市暴雨徑流量、減輕徑流污染起積極作用,樹木的冠幅大小和高低,以及葉片、枝干的疏密程度均會影響其截留雨水徑流的效益價值。“三江六岸核心區(qū)”綠道年截留雨水量共38 377.25 m3,折合人民幣419 628.86元,平均單株截留雨水效益為61.74元·株-1,其中二球懸鈴木、泡桐、楓楊、喜樹、構樹、加拿利海棗的平均單株截留雨水效益均在150元·株-1以上;泡桐的平均截留雨水效益最高,達到442.61元·株-1;單株效益較低的是巨紫荊,僅6.14元·株-1。對綠道發(fā)揮截留雨水效能貢獻最高的樹種有樟樹(27.7%)、銀杏(11.4%)、柳樹(10.0%)和櫸樹(4.5%)。
2.2.4 改善空氣質(zhì)量效益
“三江六岸核心區(qū)”綠道樹木通過樹木枝干攔截和葉片吸附沉積空氣污染物年均量為O3798.8 kg、NO2114.6 kg、PM10329.3 kg和SO271.3 kg,產(chǎn)生經(jīng)濟價值為717.44元·a-1。所有樹種均具吸附O3的能力,且吸附沉積O3的能力最強,占總吸附量的60.79%。其中,樟樹對4種污染物沉積和吸附的量最大,達到每年500.8 kg,占綠道空氣污染物總沉積量的38.11%,產(chǎn)生價值為510.49元·a-1;對改善空氣質(zhì)量貢獻較高的樹種還有柳樹、銀杏、大葉早櫻和桂花;有63個樹種對4種污染物均具沉積吸附能力,綠道綜合吸附空氣污染物能力較強。樹木除了通過吸附作用降低空氣中污染物濃度,還可間接降低風速和溫度,促進空氣顆粒物沉降和減少空氣顆粒物污染[22]。“三江六岸核心區(qū)”綠道可間接減少NO2排放量579.8 kg·a-1、PM10排放量140.8 kg·a-1、VOCs排放量140.0 kg·a-1、SO2排放量1 727.5 kg·a-1;其中,SO2的減排量最為顯著,對減少排放量貢獻最大的樹種為樟樹(965.79元·a-1),其次為銀杏(310.43元·a-1)、柳樹(289.74元·a-1)。
表2 單株年度固碳效益前10位樹種的生態(tài)效益
針對我國環(huán)境污染日益嚴重的情況,生態(tài)環(huán)境部針對生成臭氧的重要前驅(qū)體污染物——VOCs,明確提出了相關污染治理重點和目標[23]。有研究表明,植物揮發(fā)性有機物(BVOC)占到了全球VOCs排放總量的70%以上[24];而在許多植物改善空氣效益的研究中卻忽略了植物揮發(fā)性有機物對環(huán)境空氣的負面影響:因此,i-Tree模型將BVOC指數(shù)納入綜合評估改善空氣質(zhì)量價值中,計算植物自身產(chǎn)生的污染量。“三江六岸核心區(qū)”綠道每年共計釋放植物揮發(fā)性有機物(BVOC)1 070 kg,其中樟樹釋放的BVOC量最多,為877.6 kg,釋放較多的樹種還有廣玉蘭和杜英,綠道中的71個樹種中有45個樹種的BVOC釋放量為0,以中小型喬木和灌木為主。
綜合植物直接和間接吸附減排空氣中污染物的生態(tài)價值和釋放植物揮發(fā)性有機物的污染價值,“三江六岸核心區(qū)”綠道年度改善空氣總價值為827.82元,單株植物年平均價值為0.14元,改善空氣質(zhì)量綜合能力最強的樹種是柳樹,產(chǎn)生年生態(tài)價值427.71元。綜合改善空氣質(zhì)量生態(tài)效益值相對較低,經(jīng)過分析歸因于浙江省大氣其他污染物和VOCs的稅額相差近2倍,即BVOC在很大程度上抵消了其沉積吸附效益。
2.2.5 美學與其他價值效益
由于西方國家對美學價值效益十分重視,故美學價值效益與其他生態(tài)效益相比,數(shù)值占比較大。“三江六岸核心區(qū)”綠道美學和其他價值效益年價值量為2 770 623.86元,每株植物的平均年價值為407.49元。從單株樹種所發(fā)揮的美學與其他價值來看,懸鈴木的年價值最高,達到1 500.49元·株-1,其次為泡桐(1 419.78元·株-1),楓楊(1 166.33元·株-1)、喜樹(1 063.82元·株-1)、楓香(1 035.46元·株-1)、櫸樹(994.83元·株-1)的美學價值也相對較高,而垂絲海棠(54.29元·株-1)、木芙蓉(54.98元·株-1)、巨紫荊(56.08元·株-1)等灌木或小喬木的年價值較低。通過i-Tree模型的數(shù)據(jù)分析得出,由于大型落葉喬木的季相變化具較高的美學價值且更易營造植物整體景觀,所以其美學價值較小喬木、灌木高出許多,植物景觀的審美屬性、文化意蘊,以及季相變化會對人的美學感受產(chǎn)生深遠影響。
根據(jù)i-Tree模型對綠道各項生態(tài)效益的統(tǒng)計分析,“三江六岸核心區(qū)”綠道年生態(tài)效益為4 287 024.54元,單株樹種平均年生態(tài)效益為630.52元。樟樹對綠道年生態(tài)效益貢獻最高,約占總體年平均效益的33.3%。從各項生態(tài)效益來看,美學與其他價值效益量最大(64.62%),其次是固碳效益(17.25%)、截留雨水效益(9.79%)、節(jié)能效益(8.32%)和改善空氣質(zhì)量效益(0.02%)。綠道樹種單株生態(tài)效益價值的大小與樹種數(shù)量不呈現(xiàn)正相關趨勢,而與樹種自身的胸徑、冠幅等生長特性相關,大型喬木的單株生態(tài)效益價值顯著高于小喬木或灌木。泡桐、二球懸鈴木、楓楊、喜樹的單株年生態(tài)效益較高(表3),蘇鐵(67.61元·株-1)、木槿(71.68元·株-1)、巨紫荊(80.51元·株-1)、紫薇(88.99元·株-1)的單株年生態(tài)效益較低。
表3 單株年平均效益前10位樹種的各生態(tài)效益
本文以寧波市“三江六岸核心區(qū)”綠道為研究區(qū)域,分析綠道樹木群落結(jié)構,并運用i-Tree模型進行生態(tài)效益評估,將節(jié)能效益、固碳效益、改善空氣質(zhì)量效益、截留雨水效益和美學效益量化為經(jīng)濟價值,清晰揭示了植物個體與城市綠道生態(tài)服務效益之間的關系。分析結(jié)果表明:寧波市“三江六岸核心區(qū)”綠道樹種較為豐富,胸徑分布顯示其總體處于穩(wěn)定生長階段,生長類型多為闊葉落葉型喬木,季相變化較為豐富;i-Tree模型運行結(jié)果顯示,綠道年生態(tài)效益經(jīng)濟值為4 287 024.54元,其中美學效益>固碳效益>截留雨水效益>節(jié)約能源效益>改善空氣質(zhì)量效益,樹種優(yōu)勢度與綠道總生態(tài)效益貢獻率相關性較強,但與單株年生態(tài)效益之間沒有較強相關性。本文所選取的研究區(qū)屬于典型的亞熱帶季風氣候區(qū),研究結(jié)果可為長江三角洲類似地區(qū)的綠道樹種生態(tài)效益研究提供參考。
近幾年,利用i-Tree模型量化分析城市森林生態(tài)效益的研究越來越多[9-14]。例如環(huán)西湖行道樹年生態(tài)效益價值398.53萬元[11],南京林業(yè)大學行道樹年生態(tài)效益價值102.31萬元[12]等?;趇-Tree模型分析“三江六岸核心區(qū)”綠道的生態(tài)效益結(jié)果表明,盡管樟樹、銀杏、柳樹等優(yōu)勢樹種的分布量最多且對綠道的年生態(tài)效益貢獻最大,但樹種數(shù)量與單株年生態(tài)效益沒有較強相關性:泡桐、二球懸鈴木在節(jié)約能源、固碳、截留雨水、改善空氣質(zhì)量效益方面平均價值均較高,這與楊清[25]測定泡桐、懸鈴木單位葉面積固碳釋氧量和單位葉面積蒸騰速率均顯示出較高數(shù)值的研究結(jié)果相一致。楓楊、構樹具較強的截留雨水效益和改善空氣質(zhì)量效益,與江勝利[26]、解瑩然[27]通過滯塵量測定和超聲波提取發(fā)現(xiàn)楓楊、構樹等植物滯塵量較大且葉片富集多環(huán)芳烴能力較強的結(jié)果相同。喜樹顯示出較強的改善空氣質(zhì)量效益,與李一川等[28]通過人工模擬熏氣測定喜樹對SO2具較高凈化率和耐受性結(jié)果一致。在綠道發(fā)揮節(jié)約能源、固碳、改善空氣質(zhì)量、滯留雨水和美學的經(jīng)濟效益中,美學效益所占比例最大(64.62%),其次為固碳效益、截留雨水效益、節(jié)約能源效益、改善空氣質(zhì)量效益,這個結(jié)果與魏云龍[9]、劉朋朋等[11]、王穎等[14]研究結(jié)果一致,可見由于發(fā)達國家尤為注重景觀美學,對于美學價值量的評估結(jié)果受軟件參數(shù)的影響較大;而改善空氣質(zhì)量效益所占比例最小,這是由于i-Tree模型將BVOC納入綜合評估改善空氣質(zhì)量價值中,計算植物自身產(chǎn)生的污染量,而這一指數(shù)正是經(jīng)常被國內(nèi)相關研究所忽略的。
從研究方法上看,國內(nèi)的生態(tài)效益評估多針對城市森林等大尺度區(qū)域,而對于城市公園、居住區(qū)等中小尺度的公共綠地研究較少,缺乏植物個體與綠地發(fā)揮生態(tài)效益價值間的關系研究。本文采用美國林務局開發(fā)的i-Tree模型首次對綠道樹種結(jié)構和生態(tài)效益價值進行量化分析,是對于i-Tree模型應用于國內(nèi)綠道生態(tài)效益價值評估研究方向的一次嘗試。i-Tree模型具有以下優(yōu)勢:第一,i-Tree模型的計算結(jié)果精確度高于CITYgreen[29-30],可以根據(jù)不同樹種設定具體參數(shù)且適用范圍更廣,無論是大片森林、整個城市、社區(qū)還是隨機樣地,均可以基于植被、經(jīng)濟、氣象數(shù)據(jù)精確評估樹木個體的生態(tài)服務價值并做出更有效的決策;第二,i-Tree 模型作為將城市綠地生態(tài)服務效益以貨幣形式呈現(xiàn)的評價模型,可對建成后的景觀項目進行量化評估,即對景觀績效量化有著積極的推動作用,使風景園林規(guī)劃設計更加“科學、客觀、可量度、可循證”[31];第三,除了傳統(tǒng)美學價值的考量外,通過i-Tree模型的模擬數(shù)據(jù),提供各樹種在不同生長周期內(nèi)的生態(tài)效益量化數(shù)據(jù),有助于科學選擇樹種。
但要說明的是,由于i-Tree模型中的基礎參數(shù)主要基于國外當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和原有樹種數(shù)據(jù)庫,在樹種匹配上存在一定局限性,本次研究調(diào)查樹種匹配率為78.87%,對于研究區(qū)生態(tài)服務效益值會產(chǎn)生一定影響。今后的研究應針對中國不同氣候區(qū)下樹種生長模型進行研究,也要更新模型基礎數(shù)據(jù)庫以便更好地適用于本土樹種,同時應形成中國統(tǒng)一的污染物適用稅額和截留雨水等生態(tài)相關參數(shù),從而建立適合中國生態(tài)環(huán)境下的效益評估模型。在條件允許的情況下,應結(jié)合實驗測定收集綠道樹木的降溫增濕、吸收二氧化碳等數(shù)據(jù),建立不同樹種的生態(tài)模型,進行模型結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比驗證,使結(jié)果更具科學性的同時增加實際應用中的可行性,為我國綠道樹種的篩選和綠道生態(tài)效益的評價研究提供新依據(jù)和新方法。