李錦鳳 魏光普 李 陜 劉志鵬 康 瑜

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

城市生活中，能源消耗量巨大，碳排放量過高的情況十分常見，過高的碳濃度會(huì)引發(fā)城市熱島效應(yīng)、極端天氣頻發(fā)等環(huán)境問題。隨著社會(huì)的發(fā)展，城市居民對環(huán)境的要求越來越高。因此，在城市環(huán)境治理中，固碳逐漸成為非常重要的內(nèi)容，同時(shí)“減排增匯”也是可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。城市綠地作為城市重要的自然生態(tài)系統(tǒng)之一，能夠通過自身的光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣。城市綜合公園作為城市綠地中重要的部分，固碳效益的高低與城市整體固碳效益息息相關(guān)。但由于城市綜合公園植物群落多樣化，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其固碳作用的定量分析研究發(fā)展較為緩慢。

目前國內(nèi)外學(xué)者對城市綠地生態(tài)效益的研究主要有三個(gè)層面，宏觀層面主要以城市綠地系統(tǒng)為研究對象，分析城市綠地系統(tǒng)的生態(tài)效益及其相應(yīng)的指標(biāo)體系和城市綠地的結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能和城市綠量研究等［1］；中觀層面研究不同類型綠地的生態(tài)效益［2］，城市綠地和植被對周邊環(huán)境的影響［3］；微觀層面主要分析不同樹種的生態(tài)效益等［4］。其中指標(biāo)體系等的評價(jià)指標(biāo)以定性為主，缺乏科學(xué)規(guī)范的評價(jià)指標(biāo)體系，定量的研究主要有兩種：一種是基于GIS/RS的城市綠地系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果較粗略，另一種是針對單一樹種的生態(tài)效益進(jìn)行研究，本文采用的定量分析方法為后者。

城市綠地固碳效益的研究起源于以生物量為基礎(chǔ)的城市區(qū)域內(nèi)的植物生長研究。美國Nowak 在1993年首先發(fā)表了關(guān)于城市樹木與其降低大氣中碳含量的研究［5］。Nowak 等的結(jié)論是：在城市綠地群落中，生長期較長、生長速度較快的成年樹的固碳釋氧效益更高［6］。德國Stroh?bach討論了綠地內(nèi)的樹木死亡率對植物群落整體固碳效益的影響，如樹木死亡率增加0.5%～4%時(shí)，則該樹木的總碳儲(chǔ)量會(huì)相應(yīng)減少70%。與此同時(shí)，國內(nèi)關(guān)于城市樹木固碳效益的研究中也有成果，不同的植物群落特征因素會(huì)導(dǎo)致城市綠地固碳效益的差距［7］。李輝等在北京市居住區(qū)中選取不同結(jié)構(gòu)的植物群落進(jìn)行夏季固碳釋氧的比較研究，得到的結(jié)果是灌草型及草坪型的群落結(jié)構(gòu)比喬灌草類型群落的整體生態(tài)效益低［8］。章銀柯等估算杭州西湖風(fēng)景區(qū)不同生長時(shí)期的綠地的長期固碳量和分析不同典型綠地的碳儲(chǔ)量能力［9］。在以往文獻(xiàn)中，生物量法、蓄積量法等傳統(tǒng)方法在固碳效益研究的使用過程當(dāng)中步驟煩瑣、不易操作。因此，很多國家和地區(qū)著手于基于大數(shù)據(jù)庫研究的植物固碳量計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)，包括美國所研發(fā)的City Green計(jì)算系統(tǒng)或者樹木效益計(jì)算器Tree BenefitCal?culator。此計(jì)算方法是基于美國的數(shù)據(jù)庫所得出，結(jié)果可能存在一定的誤差，但軟件中的計(jì)算模型是通過實(shí)地測量植物的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬出植物的生物量的計(jì)算公式，代入所得生物量的計(jì)算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出相應(yīng)的固碳效益值，與其他常用計(jì)算方法如平均生物量法、生物量轉(zhuǎn)換因子法等都是相同的數(shù)學(xué)推理邏輯。因此將計(jì)算出的數(shù)據(jù)通過對比分析得到的參考取值依然具有一定的研究價(jià)值。

選取包頭市主要城區(qū)的20 個(gè)城市綜合公園展開研究，通過分析城市綜合公園植物群落的固碳能力情況和影響因素，歸納出城市綜合公園固碳效益的影響因素，并針對影響因素進(jìn)行優(yōu)化策略，為后續(xù)城市綠地建設(shè)中碳匯研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

包頭市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，屬于華北地區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°15′～111°26′，北緯40°14′～42°42′，海拔1 067.2 m。包頭市南臨黃河，東部為土默川平原，西部為河套平原，中部為陰山山脈。包頭市的氣候?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?，是旱寒型地區(qū)城市的典型代表。包頭市整體地形中間高，南北低，市區(qū)主要土壤為干旱缺水、肥力不高的栗淤土［9］。研究樣地為包頭市四個(gè)行政區(qū)：昆都侖區(qū)、青山區(qū)、九原區(qū)、東河區(qū)的20個(gè)綠地面積在3～200 hm2范圍內(nèi)的城市綜合公園（表1，圖1）。

圖1 調(diào)研對象位置分布

表1 研究樣地基本信息

2 研究方法

2.1 植物群落調(diào)查方法

在CAD軟件中，選擇綠地的明顯邊緣線為基準(zhǔn)線，繪制25 m×25 m 的網(wǎng)格線覆蓋整塊綠地，從而將綠地劃分為若干正方形小單元［10］。確定有效單元，選取綠地面積超過網(wǎng)格面積50%的單元格進(jìn)行編號［11］。確定樣方數(shù)量。包頭市綜合公園之間面積差距較大，因此根據(jù)10%的比例進(jìn)行樣方選取，如綠地面積3 hm2的城市綜合公園應(yīng)選取5 個(gè)樣方，綠地面積200 hm2的城市綜合公園應(yīng)選取320 個(gè)樣方。使用隨機(jī)數(shù)生成器獲得隨機(jī)數(shù)確定樣方序號（圖2）。

圖2 樣方獲取過程示例——黨建公園

2.2 植物群落年固碳量計(jì)算方法

對選定樣方中的植物群落進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括樹木名稱、樹木胸徑、樹木棵數(shù)、樹木科屬等，利用美國景觀績效平臺(tái)National Tree Benefit Calculator（以下簡稱NTBC），通過輸入單株樹木的樹種、胸徑和所在區(qū)域及土地利用方式，計(jì)算出樣方中單株樹木的單位年固碳量。該軟件基于美國的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)而研發(fā)，本研究選取與包頭市經(jīng)緯度和氣候環(huán)境接近的俾斯麥、芝加哥和波士頓（Bismarck，Chicago and Boston）作為地理位置參考，如遇到軟件內(nèi)缺少對應(yīng)樹種，則選擇相似或同科屬的樹種作為替代。計(jì)算得出所選取區(qū)域的植物群落年固碳效益值。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者通過研究得出的結(jié)論是NTBC 與我國學(xué)者所給出的關(guān)于樹木的碳匯效能結(jié)論一致。這種方法得出的結(jié)論存在一定誤差，但可以作為基本參考來使用。

計(jì)算公式如下：

式中，i為樹種類型，C為年固碳總量，Ci為i種樹種的年固碳量為規(guī)格為A的i樹種總數(shù)量，A為不同植物規(guī)格，n為常數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物群落調(diào)查結(jié)果

樣地植物群落中大多為鄉(xiāng)土樹種，能夠很好地生長。其中喬木樹種50 種，分別隸屬16 科、33 屬。出現(xiàn)頻率較高的園林植物喬木層有：新疆楊、榆樹、梓樹、油松、側(cè)柏、樟子松、旱柳、國槐、火炬樹、絲綿木、山桃、白蠟、云杉、山荊子等。大喬木的平均胸徑為23.28 cm，平均冠幅為4.5 m；小喬木平均胸徑9.36 cm，平均冠幅3.7 m。樣地內(nèi)樹木健康狀況良好，樹形飽滿。從統(tǒng)計(jì)分析來看，包頭市綜合公園的主要樹種構(gòu)成為薔薇科和松科，占植物總數(shù)的30.2%。

由表2 可知，包頭市綜合公園的主要樹種為薔薇科和松科，分別占比20.9%和9.3%。

表2 包頭市綜合公園植物主要科屬及占比

本文調(diào)研得到包頭市20 個(gè)主要城市綜合公園的喬木數(shù)量大約為400 000棵，其中落葉喬木與常綠喬木之比為1∶3。

3.2 植物群落固碳效益

通過NTBC 軟件對樣地?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算，包頭市20 個(gè)城市綜合公園的平均年固碳量為38 673 kg/hm2。由圖3 可知，20 個(gè)城市綜合公園內(nèi)平均年固碳量最高的公園為阿爾丁植物園，其主要組成樹種為油松、云杉、旱柳，杜梨、山桃、金葉榆、新疆楊、國槐等；平均年固碳量最低的公園是陽光體育公園，主要組成樹種為油松、國槐、云杉等。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，不同植物群落的平均固碳效益的差異較大，多數(shù)公園植物群落的年固碳量范圍為10 000 kg～30 000 kg。群落固碳效益的影響因素有許多，群落中樹木的種類、規(guī)格和栽植密度都可能對群落的整體固碳效益產(chǎn)生影響。

由圖3 可知，包頭市20 個(gè)城市綜合公園中平均年固碳量最高的是阿爾丁植物園，最低的是陽光體育公園，并且公園與公園之間的差距較大。

圖3 包頭市20個(gè)城市綜合公園平均年固碳量

3.2.1 種類差異結(jié)果比較。喬木是城市綜合公園固碳的主體，其固碳能力的影響因素有許多。選取樣地內(nèi)的7種高頻喬木作為比較對象，選取樣本中同一胸徑12 cm的喬木進(jìn)行年固碳量計(jì)算并進(jìn)行對比（表3），可知不同的喬木種類的年固碳量明顯不同。7 種喬木年固碳量從高到低依次為：榆樹、山桃、旱柳、山荊子、圓柏、云杉、油松。結(jié)果表明，闊葉喬木的固碳能力明顯高于相應(yīng)規(guī)格的針葉喬木，其中榆樹的固碳效益明顯高于其他喬木，同一規(guī)格下，油松和云杉的年固碳量最小。落葉喬木因?yàn)閾碛懈叩娜~面積指數(shù)從而具有更強(qiáng)的固碳釋氧能力。在城市綜合公園的植物群落構(gòu)成中，固碳能力強(qiáng)的樹種所占比例越大，其年固碳效益越高。

由表3可知，包頭市綜合公園的7種主要樹木里年固碳量最高的喬木是榆樹，年固碳量為60.33 kg。

海瑞溫斯頓將跳時(shí)功能運(yùn)用于部分腕表中，如今史詩陀飛輪Histoire de Tourbillon 9號腕表突破傳統(tǒng)。時(shí)針連續(xù)指示0至12，最后跳回起始位置。連續(xù)分針遵循同樣的設(shè)計(jì)和節(jié)奏。

表3 不同喬木年固碳量對比

3.2.2 規(guī)格變化相關(guān)分析。通過SPSS 軟件進(jìn)行擬合，得出固碳效益與樹木胸徑的相關(guān)性擬合公式y(tǒng)=ax2+bx+c，通過分析發(fā)現(xiàn)，平均年固碳量與城市綜合公園的平均胸徑之間沒有明顯的線性關(guān)系（圖4）。平均胸徑在10～20 cm 的植物群落年固碳量最低，為21 255 kg，遠(yuǎn)低于平均胸徑在20～30 cm之間和30～40 cm之間的植物群落，后兩者的平均年固碳量分別為43 475 kg 和47 251 kg，差距較小，但整體趨勢為隨著城市綜合公園植株平均胸徑的增大，年固碳量隨之增大。

植物群落整體固碳效益的趨勢為隨著城市綜合公園喬木的胸徑增大而增大。胸徑主要影響的是群落中某單株樹木的固碳能力（圖5）。因此當(dāng)城市綜合公園在進(jìn)行植物群落種植時(shí)，可以適當(dāng)增加胸徑較大樹木的占比。

由圖4 可知，城市綜合公園的年平均固碳量與植株胸徑之間沒有明顯的線性關(guān)系。

圖4 平均年固碳量與綜合公園喬木平均胸徑之間的關(guān)系

由圖5 可知，包頭市20 個(gè)城市綜合公園中平均年固碳量隨著植物群落的平均胸徑的增大而增大，當(dāng)平均胸徑基數(shù)較小時(shí)變化明顯，基數(shù)較大時(shí)變化減慢。

圖5 不同平均胸徑的城市綜合公園年固碳量

由圖6 可知，單株植株的固碳量隨著胸徑的增大而增大。

圖6 隨胸徑變化單株植株固碳效益的變化—以榆樹為例

胸徑的變化導(dǎo)致的固碳量增加主要影響的為單種類樹種，單株植株的固碳量隨著胸徑的增大而增大。在城市綜合公園中，不同種類植物的固碳能力不同，受到植物種類固碳能力差異的影響，植物群落的平均胸徑與城市綜合公園的平均年固碳量之間沒有明顯的線性關(guān)系。

由圖7 可知，包頭市20 個(gè)城市綜合公園的固碳效益與樹木栽植密度呈現(xiàn)較為明顯的線性關(guān)系。

圖7 隨固碳效益增加的樹木栽植密度變化

由圖8 可知，城市綜合公園的平均年固碳量隨著植物群落栽植密度的增加而增加。

圖8 不同栽植密度的城市綜合公園的年固碳量

植物群落種植密度變化主要影響的是整個(gè)公園的固碳量，城市綜合公園的固碳量隨著植物群落種植密度的增加而增加，在城市綜合公園中，植物群落種植密度和公園平均年固碳量之間有著比較明顯的線性關(guān)系。

不同樹種的固碳能力不同。同等尺寸規(guī)格下，闊葉喬木的整體固碳效益高于針葉喬木；包頭地區(qū)的高固碳樹種為榆樹、皂莢、楊樹、白蠟樹、山桃、旱柳。樹木規(guī)格上，隨著單株樹木的胸徑的增加，樹木的固碳效益會(huì)增大，這對提高整個(gè)公園的年固碳量有很大幫助。群落密度上，當(dāng)植物群落水平結(jié)構(gòu)布局合理，栽植密度越高，公園的固碳量越多。同時(shí)，植株的生長情況也對城市綜合公園的固碳量有影響，植物生長狀況良好時(shí)有更好的固碳作用。

以下為優(yōu)化策略：

第一，應(yīng)用高固碳樹種。根據(jù)包頭市的地理位置和氣候條件，優(yōu)先考慮包頭市固碳能力較好的鄉(xiāng)土樹種，比如榆樹、皂莢、白蠟樹等。鄉(xiāng)土植物適應(yīng)性好，能夠達(dá)到預(yù)期的生長效果，發(fā)揮最佳固碳能力。同時(shí)，鄉(xiāng)土樹種因其環(huán)境適應(yīng)性能夠降低部分養(yǎng)護(hù)成本，并且避免了遠(yuǎn)距離的植株運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排放。喬木固碳能力更好，應(yīng)著重使用。調(diào)整落葉和常綠植物、闊葉和針葉植物的比例，選用樹齡小、規(guī)格中等的植株，發(fā)揮其生長期優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)固碳效益最大化。

第二，優(yōu)化公園管理方式。通過合理的植物配置和后期管理促進(jìn)植株固碳效益最大化。首先，應(yīng)盡量減少土方變動(dòng)，避免土方變動(dòng)過程中對土壤環(huán)境造成影響，盡量在保護(hù)原生植物群落的前提下進(jìn)行植物群落的優(yōu)化，減少不必要的工程作業(yè)產(chǎn)生的碳排放。根據(jù)種植地條件合理選擇栽植的樹木，避免對原有植株生長產(chǎn)生不利影響。最后，選擇低碳節(jié)能的方式對植株進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，做到定期維護(hù)，避免植株病蟲害和人為破壞，保證植株擁有良好的生長勢，使其能夠最大程度地發(fā)揮固碳能力。

4 結(jié)論

本文基于美國景觀績效工具NTBC 對包頭市20 個(gè)城市綜合公園的固碳量進(jìn)行量化研究。根據(jù)調(diào)查研究的結(jié)果，包頭市城市綜合公園的植物群落種類、規(guī)格和栽植密度對城市綜合公園的固碳量有影響。栽植密度和植物規(guī)格固定時(shí)，樹木規(guī)格越高，年固碳量越多。栽植密度和樹木胸徑固定時(shí)，固碳能力強(qiáng)的鄉(xiāng)土樹種越多，年固碳量越多。植物類型和植物規(guī)格固定時(shí)，栽植密度高的城市綜合公園的固碳量更高。

在城市綜合公園的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)確保城市綜合公園的植物配置合理，能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)、游憩、景觀等多種功能。目前研究中的包頭市綜合公園中落葉闊葉喬木與常綠針葉喬木的占比為1∶3。闊葉喬木占比較低。后續(xù)的植物群落升級改造或新的城市綜合公園進(jìn)行植物種植設(shè)計(jì)時(shí)可以增加闊葉喬木的占比，適當(dāng)減少針葉喬木的占比，尤其可以增加榆樹、皂莢、白蠟等擁有高固碳能力的鄉(xiāng)土樹種；同時(shí)在進(jìn)行植物種植時(shí)應(yīng)注意合理密植，確保城市綜合公園能夠發(fā)揮出最大的固碳能力。