王 敏* 朱 雯

“雙碳”目標下，綠地作為城市區(qū)域內(nèi)最主要的近自然生態(tài)空間，同時具有綠色自然碳匯及降低碳排放的作用，在實現(xiàn)碳中和過程中扮演重要角色。研究梳理城市綠地影響碳中和的途徑和評估方法，構建結合城市綠地增匯和減排效能的綜合評估框架，以上海市黃浦區(qū)為例全面評價城市綠地空間影響碳中和的直接和間接成效，深入分析兩種影響途徑的空間分布特征。研究發(fā)現(xiàn)，綠地率、類型、植被配植對綠地增匯效能影響較大，綠地率、附屬綠地占比、綠網(wǎng)建設、綠地分布均衡性及濱水綠地建設對綠地減排效能影響較大。研究進一步提出綠地碳中和綜合效能提升策略及方法，旨在以多維度、系統(tǒng)化的視角衡量城市綠地空間在促進碳中和方面的價值，為城市綠地發(fā)展及優(yōu)化提供參考。

城市綠地；碳中和；綠色碳匯；碳排放；空間特征；優(yōu)化策略

快速城市化進程中，城市空間密度、人口密度和經(jīng)濟活動強度急劇上升，土地利用和覆被發(fā)生巨大變化，能源的超常消耗導致以二氧化碳為主的人為排放溫室氣體增加，加劇了局地、區(qū)域乃至全球氣候變暖，威脅到生態(tài)環(huán)境、國家能源安全、糧食安全、生物多樣性、人類生存及城市社會經(jīng)濟發(fā)展等多方面[1]。為了減緩氣候變化，將高于工業(yè)化前水平的升溫控制在1.5℃之內(nèi)，2020年9月習近平在第75屆聯(lián)合國大會上提出，中國力爭在2030年前達到碳排放峰值，到2060年前實現(xiàn)“碳中和”[2]。

城市綠地是城市區(qū)域內(nèi)重要的近自然生態(tài)空間，能夠固碳釋氧，并有效緩解熱島效應，減少城市整體耗能，在實現(xiàn)碳中和總體目標中扮演重要角色[3]。目前國內(nèi)外關于城市綠地碳中和的研究多集中于碳匯績效測算[4]與碳匯評價體系建立[5]等方面，有關綠地對城市減排的作用聚焦于理論探索與小尺度研究，缺乏中尺度和大尺度的實證研究。為了全面了解城市綠地的“碳中和”效能，整體認知綠地直接增匯、間接減排的功能與價值，研究基于“雙影響途徑”嘗試構建城市綠地空間對碳中和影響的綜合評估框架，并選取上海市黃浦區(qū)為實證研究對象，量化分析城市綠地增匯和減排的效能及其空間分布特征，提出綠地碳中和綜合效能提升策略及方法，為城市綠地發(fā)展優(yōu)化提供參考。

1 綠地影響碳中和的途徑與評估方法

一方面，城市綠地植物通過光合作用有效吸收、轉(zhuǎn)化大氣中的二氧化碳并將其固定在植被和土壤中，從而減少二氧化碳的濃度，這是構成負排放技術的重要部分，是城市綠地影響碳中和的最直接途徑[6]。城市綠色碳匯的影響因素有植物類型、年齡、規(guī)格和群落結構、大氣溫度與相對濕度，及人為干擾等多方面[7]。

目前綠地直接提高碳匯效能的定量評估以實物量核算和價值量核算為主，實物量核算能反映綠地的直接碳匯貢獻價值，而價值量核算能更好評估碳匯對經(jīng)濟發(fā)展的貢獻[8]。實物量核算方法中的現(xiàn)場測定法依靠冠層分析儀和紅外線分析儀，較為精確但耗時耗力，外界干擾大且時間同步性受限[9]；樣地清查法以生物量法和蓄積量法為主，但在時空變化分析上較為局限，且容易受到主觀因素干擾，誤差較大[10]；遙感估算法較客觀，數(shù)據(jù)容易獲取，但存在精度有限、小尺度核算誤差較大的劣勢[11]；模型模擬法考慮到植被種類、規(guī)格、地理氣候環(huán)境等多方面影響因素，能夠準確專業(yè)評估各種尺度的綠地生態(tài)效益[12]。

另一方面，綠地能夠通過影響城市熱環(huán)境，減少城市總體能耗，間接達到減排效果。場地尺度下，城市綠地中的喬木可以遮陽、防風，改善建筑周圍的微氣候環(huán)境條件；城區(qū)尺度下，城市綠地的規(guī)模和分布特征能夠改變城市熱平衡，降低城市熱島強度[13-14]。熱島效應是城市空間形態(tài)層面影響全社會能源使用的重要中介要素，降低熱島效應能夠有效減少城市能耗[15-16]。

目前城市綠地間接減少碳排放的評估聚焦于小尺度實證及模擬研究。佛羅里達州對一座臨時建筑的研究表明，建筑周邊的綠地最多可減少其50%的日常生活用電[17]。洛杉磯的一項模擬研究估計一棵喬木一年可節(jié)約18 kg的碳排，但其每年吸收的碳僅有4.5～11 kg，對建筑能耗的影響顯著[13]。鹽湖城的研究發(fā)現(xiàn)，如果每戶都種植4棵喬木，地方電廠每年可減少9 000 t的碳排放[18]。

2 綜合研究框架與測算方法

2.1 綜合研究框架

“碳中和”（Carbon Neutrality）是應對全球溫室效應問題重要且全面的環(huán)境管理工具[19]，概念源于20世紀的西方，是指實現(xiàn)二氧化碳凈零排放，即人為溫室氣體排放總量必須通過植樹造林、節(jié)能減排等措施抵消[20]。為全面分析城市綠地對于碳中和的影響作用，研究選取綠色碳匯密度作為碳匯強度的表征指標，將熱島強度通過全社會用電量變化轉(zhuǎn)換為減排強度的表征指標，二者比對構建城市綠地影響碳中和的綜合評估框架（圖1）；具體選取上海市黃浦區(qū)為研究對象，進一步分析城市綠地增匯和減排效能的空間分布特征，對其綜合影響特征進行分類及歸納，提出優(yōu)化城市綠地碳中和效能的策略與方法。

1. 城市綠地空間影響碳中和的綜合研究框架

2.2 基于NTBC模型算法的碳匯效能估算

研究利用美國樹木效益網(wǎng)絡計算器（National Tree Benefit Calculator，NTBC）進行喬木年碳匯量計算，灌木碳匯量依據(jù)一年生枝生物量與生物量-碳儲量轉(zhuǎn)換因子的乘積計算[21]，地被草本和藤本植物依據(jù)文獻獲得年固碳量平均值進行計算[22]。城市綠地年綠色碳匯總量（Cs）的計算方法為公式（1）。

其中，Ctr是第i種喬木單棵植物的年碳匯量，Ni是第i種喬木數(shù)量，Csh是第m種灌木單位面積年碳匯量，Sm為第m種灌木面積，Ccv是第p種地被草本或藤本植物單位面積年碳匯量，Sp為第p種地被草本或藤本植物面積，j為喬木種類數(shù)，n為灌木種類數(shù)，q為地被草本或藤本植物種類數(shù)。

研究選取城市綠地綠色碳匯密度作為綠色碳匯強度（CSI）的表征指標，計算方法為公式（2）。

其中S為樣本用地總面積。

2.3 基于地表溫度反演的綠地減排效能評估

綠地通過降低城市地表溫度實現(xiàn)間接減排。目前城市熱環(huán)境研究方法主要有傳統(tǒng)地面氣象觀測技術、熱紅外遙感技術和數(shù)值模擬技術。其中，地面觀測技術中氣象站監(jiān)測站點數(shù)量有限、車載氣象觀測儀器不具有時間同步性，因此其應用逐漸減少[23]；數(shù)值模擬技術包含城市邊界層數(shù)值模式、城市冠層模式和基于流體動力學的模型，能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的情景模擬，但其所需的基礎背景數(shù)據(jù)較多，邊界條件設置復雜[24]；熱紅外遙感技術包含衛(wèi)星熱紅外遙感、高分辨率航空熱紅外遙感和地面熱紅外成像技術，獲取數(shù)據(jù)具有連續(xù)性、完整性和實時性，因此得到廣泛運用[25]。常用的地表溫度反演方法有單窗算法、單通道算法、劈窗算法、輻射傳輸方程法等[26]。

研究選取衛(wèi)星遙感技術獲取基礎數(shù)據(jù)，利用輻射傳輸方程法反演城市地表溫度。借助ENVI5.3軟件完成熱紅外和多光譜的輻射定標、Flaash大氣校正，并計算歸一化植被指數(shù)（NDVI），然后采用混合像元分解法①研究具體采用混合像元二分模型，利用NDVI值估算植被覆蓋度。其計算公式為：Fv = (NDVI－NDVIS )／(NDVIv－NDVIS)，其中Fv 為植被覆蓋度，NDVIv代表完全被植被覆蓋的像元的NDVI值，NDVIS代表裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值。在本研究中，NDVIv選取研究范圍內(nèi)NDVI最大值0.7，NDVIS 取0。計算植被覆蓋度，分別計算水系、城鎮(zhèn)和自然表面的地表比輻射率。根據(jù)電磁波的輻射傳輸理論，衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值由黑體輻射亮度、大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度三部分組成，其計算方法[27]為公式（3）。

其中，ε為地表比輻射率，TS為地表真實溫度，B（TS）為普朗克定律推導的黑體在TS的輻射亮度值，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

由黑體輻射亮度可進一步計算地表溫度[27]，見公式（4）。

其中K1和K2是針對不同衛(wèi)星遙感類型的常數(shù)值。

城市熱島強度（Urban Heat Island Intensity，UHII）是指同時間城市中心區(qū)氣溫與周圍郊區(qū)平均溫度的差值，將其作為城市生態(tài)指標之一有助于客觀反映城市生態(tài)現(xiàn)狀[28]，計算方法為公式（5）。

其中Ti是指城市中心區(qū)第i個樣本的平均氣溫，Tsu指同一時間城市郊區(qū)的平均溫度。

研究將熱島強度轉(zhuǎn)化為全社會用電量變化[17-18]，以定量衡量城市綠地的減排強度（CEI），計算方法為公式（6）。

其中Ka為溫度與用電量的轉(zhuǎn)換因子，即夏季氣溫升高1℃，年人均電力消費增加量，相關研究表明當上海平均氣溫在20℃以上時，此系數(shù)為220 kWh/（℃ · y）[29]；Kb指單位發(fā)電量的二氧化碳排放量，通常取值為0.997 kg/kWh；α是二氧化碳排放量轉(zhuǎn)換為碳排放量的系數(shù)，一般取值3/11[30]；Ni為第i個樣本空間范圍內(nèi)的人口數(shù)量；Tmax為樣本區(qū)域平均溫度的最大值；S為樣本用地總面積。

3 上海市黃浦區(qū)實證研究

3.1 研究對象與數(shù)據(jù)來源

選取上海市黃浦區(qū)為研究對象，全區(qū)陸域面積18.71 km2，內(nèi)部無大型集中水面。2015年區(qū)域內(nèi)共有城市公園13個，總面積約68.83 hm2，游園面積約88.25 hm2，道路附屬綠地面積約3.39 hm2，其他附屬綠地面積約165.68 hm2，合計綠地面積有326.15 hm2。

黃浦區(qū)有10個街道共192個居委會，為便于數(shù)據(jù)采集和考察綠地空間特征，研究依據(jù)街道邊界，參考居委會劃分、城市主要道路和河流，將10個街道進一步劃為43個樣本區(qū)域。每個樣本區(qū)域的規(guī)?？刂圃?0～50 hm2，且均分布有公園綠地（圖2）。根據(jù)統(tǒng)計結果，綠地率較高的樣本集中在西北與西南片區(qū)（圖3），而人口數(shù)量較高的區(qū)域集中在中部及偏南區(qū)域（圖4）。

2. 綠地分布與樣本劃分

3. 綠地率分布圖

4. 人口數(shù)量分布圖

研究涉及的基礎數(shù)據(jù)及獲取途徑包括：（1）2015年8月2日的Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，源自地理空間數(shù)據(jù)云，采集時云量為0.33%；（2）研究區(qū)域內(nèi)不同類型城市綠地分布及植被特征，通過2015年8月至2015年10月的實地調(diào)研獲得，主要包括用地面積、喬木種類、喬木數(shù)量、喬木胸徑、灌木種類、灌木面積、地被草本及藤本植物面積；（3）人口數(shù)量，采用第6次全國人口普查的常住人口數(shù)據(jù)。

3.2 綠地減排效能估算結果與空間特征分析

地表溫度反演結果顯示，2015年8月2日上海市郊區(qū)同一時間的平均地表溫度為30.95℃，上海市主城區(qū)平均地表溫度為32.63℃，熱島強度為1.68℃；研究范圍內(nèi)平均地表溫度為33.03℃，熱島強度為2.08℃（圖5）。根據(jù)熱島強度計算綠地的減排強度，結果表明綠地減排效能高的樣本連續(xù)集中分布在西南片區(qū)，總體呈現(xiàn)南部較高、向北遞減的趨勢（圖6）。其中，減排強度大的樣本為34、35、39和40號，其減排強度分別為46.9 t/hm2、47.61 t/hm2、52.9 t/hm2、55.12 t/hm2，在綠地空間布局上呈現(xiàn)以下特點：（1）樣本內(nèi)綠地面積較大，空間整體綠地率高，如35、40號樣本（；2）附屬綠地在綠地總量中所占比例較高，如34、39號樣本；（3）充分發(fā)揮道路附屬綠地作用，構成高密度綠網(wǎng)，如34、39、40號樣本；（4）樣本中心有較大面積的集中綠地，如34、35、40號樣本；（5）綠地分布在人口密度較高區(qū)域，如35、40號樣本。

5. 地表溫度分布圖

6. 綠地減排強度分級圖

綠地減排強度較強的有14個樣本，主要分布在中部及南部片區(qū)。分析其綠地空間特征：（1）內(nèi)部大型綠地較少，但帶狀游園與道路附屬綠地共同構成綠網(wǎng)，且附屬綠地分布均衡，如22、25、26、33、36號樣本，其減排強度分別為32.98 t/hm2、22.57 t/hm2、24.99 t/hm2、24.99 t/hm2和35.53 t/hm2；（2）利用濱江優(yōu)勢布局較大面積的沿江綠地，充分發(fā)揮水體的降溫輻射效應，如12、26、37號樣本，其減排強度分別為19.26 t/hm2、24.99 t/hm2和26.42 t/hm2。

綠地減排強度弱的有7個樣本，其減排強度在0～5 t/hm2，主要分布在南北兩端。分析其綠地空間特征：（1）綠地率低，且內(nèi)部缺乏大型綠地，如3、7、27號樣本；（2）綠地分布不均衡，樣本內(nèi)較大范圍內(nèi)幾乎無綠地分布，造成局部過熱現(xiàn)象，如3、7、27、38號樣本。

3.3 綠色碳匯效能估算結果與空間特征分析

綠色碳匯強度計算結果顯示，強度高的樣本集中分布在黃浦區(qū)西部，北部、東部及南部片區(qū)，均存在大量連續(xù)分布的低碳匯效能樣本（圖7）。整體上看，綠地率與綠色碳匯強度總體呈正相關。進一步分析綠地率低而碳匯強度高的樣本，發(fā)現(xiàn)在綠地布局上呈現(xiàn)以下特征：（1）開發(fā)地塊中布局較大面積附屬綠地，如15號樣本，其碳匯強度為11.87 t/hm2；（2）道路附屬綠地分布均衡，相連構成高密度綠網(wǎng)，如19號樣本，其碳匯強度為11.32 t/hm2。比較分析綠地率高而碳匯強度低的樣本，主要分布在東部沿江區(qū)域，其空間特征為：（1）公園綠地以游園為主且分散布局，如26、28、30、41號樣本，其碳匯強度分別為3.01 t/hm2、1.56 t/hm2、2.22 t/hm2和3.62 t/hm2；（2）道路附屬綠地較少，多為單側分布，沒有形成綠色網(wǎng)絡，如28、30號樣本；（3）綠地整體分布不均衡，較大范圍內(nèi)幾乎無綠地分布，如26、28、30號樣本。

7. 綠色碳匯強度分級圖

3.4 綠地影響碳中和的分類與空間特征

以43個樣本平均減排強度和平均增匯強度的交點為坐標原點劃分4個象限，運用散點圖對比分析研究樣本的綠地碳匯強度和減排強度（圖8），繪制碳中和效能空間分布圖（圖9），進一步分析總結影響綠地碳中和綜合效能的綠地布局空間特征（表1）。

8. 綠地增匯和減排效能特征分類

9. 綠地碳中和效能類型空間分布

表1 綠地碳中和效能類型及空間特征

4 綠地碳中和增效策略與方法

4.1 擴大綠地面積，重視附屬綠地建設和植被配植

（1）一定的綠量是實現(xiàn)碳中和綜合效能提升的基本保障，對于綠地率低的地區(qū)，規(guī)劃應當擴大綠地面積，可能情況下建議優(yōu)先在中心區(qū)域布局較大面積的公園綠地。（2）重視高效能小微型綠地和附屬綠地的建設，形成整體相對緊湊、內(nèi)部疏密有致的空間形態(tài)。（3）優(yōu)化綠地植被配植、建設和管理，豐富植物種類和層次，形成種類多樣、高效多能的植被群落[31]，提升綠地增匯減排能力。

4.2 人口密度較高的地方優(yōu)先布局綠地

在人口密度較高的區(qū)域優(yōu)先布局綠地，能夠獲得較高的減排效益，有利于碳中和目標的實現(xiàn)。規(guī)劃應在人口密集區(qū)域“見縫插針”布局綠地。在增量布局比較困難的高密度城區(qū)，鼓勵推行立體綠化，增加綠強度，如屋頂綠化、墻體垂直綠化、棚架綠化、檐口綠化等。

4.3 依托道路附屬綠地和濱水空間構建綠網(wǎng)

高密度綠網(wǎng)的建設能夠同時促進綠地增匯與減排效能。綠地建設應注重道路附屬綠地的連通和均衡分布，并通過濱水綠地建設、河網(wǎng)森林保護與修復、垂直河岸的綠道建設等方式擴大水體降溫輻射效能，形成較整體的綠地減排增匯網(wǎng)絡結構，充分發(fā)揮有限綠地的碳中和綜合效能。

5 結論與展望

城市綠地的合理布局和建設管理與我國“碳達峰”和“碳中和”目標的實現(xiàn)緊密相關。研究梳理城市綠地間接減少碳排放和直接增加碳匯兩種途徑，嘗試構建城市綠地空間影響碳中和的綜合評估框架，分類型分析其空間特征，進而提出綠地碳中和綜合效能提升策略及方法，旨在以多維度、系統(tǒng)化的視角衡量城市綠地在影響碳中和方面的價值。上海黃浦區(qū)的實證研究表明，顯著影響綠地直接增匯效能的主要有綠地率、綠地類型和植被配植；顯著影響綠地間接減排效能的主要有綠地率、附屬綠地占比、綠網(wǎng)建設、綠地分布均衡性和濱水綠地建設。綜合考慮綠地布局對于碳中和的“雙影響途徑”，研究嘗試提出多方面的增效策略及方法，包括擴大綠地規(guī)模、優(yōu)化綠地類型、重視植被配植、合理布局綠地、構建道路及濱水綠網(wǎng)等。

研究從街區(qū)尺度切入展開評價分析，明晰城市綠地影響碳中和的途徑和空間特征，未來還應在更小的街坊尺度以及更大的區(qū)域尺度、國家尺度等展開研究，構建城市綠地對碳中和影響的多尺度綜合認知，為城市綠地發(fā)展及優(yōu)化提供參考。此外，碳中和的實現(xiàn)除了提升城市綠地自身效能之外，仍需與能源、工業(yè)、交通、建筑和農(nóng)業(yè)等多種城市功能協(xié)調(diào)，未來還應與碳捕捉、利用和封存等多種技術結合應用，不斷提升綠地在增匯減排方面的價值。