石鐵矛

李沛穎

湯 煜

全球氣候變化導(dǎo)致極端氣候事件頻發(fā)，影響日漸深重，成為21世紀人類共同面臨的最重大環(huán)境挑戰(zhàn)。在七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，中國提出爭取在2060年前實現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。目前，我國的年碳排放量約為160億t，凈排量100億t。在充分利用替代能源的情況下，我國在達峰后每年仍有25億t的負排放缺口。因此，除了采取減排措施外，還要加大碳捕獲、利用與封存，有效提升碳匯能力，最終實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

以往碳匯的研究主要集中在森林、草原、濕地、海洋、土壤等方面[1-2]，把城市作為主要碳源，而忽視了城市生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。城市生態(tài)系統(tǒng)由自然環(huán)境、社會經(jīng)濟和文化科學(xué)技術(shù)共同組成，包括了作為城市發(fā)展基礎(chǔ)的房屋建筑和其他設(shè)施，以及作為城市主體的居民及其活動[3]。城市區(qū)域內(nèi)的植被、土壤、水系、建筑物[4]等具有吸碳能力的要素是城市碳匯的主要組成。Nowak和Greenfield等研究發(fā)現(xiàn)美國城市地區(qū)植被碳儲量占全國森林碳匯的3.2%[5]，城市土壤碳匯是城市植被的3倍[6]，城市建筑混凝土固碳量與城市植被基本相當(dāng)[7]。城市不同用地類型固碳功能具有明顯差異，研究表明：城市綠地植被固碳量較高地塊，以道路綠地與附屬綠地為主，城市公園綠地較低；城市綠地土壤則表現(xiàn)為：商業(yè)區(qū)綠地＞公園綠地＞文教綠地＞交通綠地＞工業(yè)區(qū)綠地＞居住區(qū)綠地的特點。在不同功能區(qū)中，商業(yè)/文教區(qū)的土壤有機碳密度較高，行政/居民區(qū)較低；商業(yè)用地建筑碳密度較高，工業(yè)用地建筑碳密度較低。城市建筑的固碳過程是持續(xù)、緩慢、永久的，除了采取建筑減排手段外，量化城市建筑固碳總量，對科學(xué)評估城市碳匯系統(tǒng)在碳中和中的作用、實現(xiàn)城市碳中和目標(biāo)具有重要價值。

重視城市碳匯資源相關(guān)工作的開展，通過定量分析城市空間格局與碳匯的關(guān)系[8-9]，促進碳匯資源持續(xù)增加和碳匯品質(zhì)持續(xù)提升，能夠有效推動低碳生態(tài)城市建設(shè)[10-11]。國內(nèi)外學(xué)者針對低碳城市規(guī)劃方法和技術(shù)的研究已較為深入，但現(xiàn)有關(guān)于碳匯方面的研究大多針對城市森林綠地或土壤某一方面，而建筑碳匯空間情況迄今為止還沒有相關(guān)研究。城市是一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，只有深入揭示城市各類型碳匯固碳能力，以及其空間布局對城市整體碳吸收的影響，才能夠全面掌握城市碳循環(huán)的內(nèi)在機制。本文以沈陽中心城區(qū)為例，通過分析城市碳匯總量特征，闡明城市碳匯空間分布與城市空間格局關(guān)系，彌補城市碳循環(huán)中的碳缺失。從城市碳匯空間配置的角度，提出城市碳匯功能提升策略，為解決全球氣候變化、建設(shè)低碳城市空間、實現(xiàn)城市碳中和提供規(guī)劃依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

沈陽市(2°25′～123°48′E，41°11′～43°2′N)位于中國東北地區(qū)南部，處于北溫帶半濕潤氣候區(qū)，建成區(qū)面積588.26km2，市區(qū)人口601.4萬人，城鎮(zhèn)化率為80.55%。城區(qū)主要植物以長白植物區(qū)系、蒙古植物區(qū)系和華北植物區(qū)系為主；土壤類型以棕壤、草甸土和褐土為主。本文以沈陽市三環(huán)范圍內(nèi)的核心城區(qū)為研究對象，面積約455km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)及實地采樣數(shù)據(jù)。其中影像數(shù)據(jù)包括2018年夏季Landsat 8遙感影像(30m空間分別率)和同期QuickBird高分辨率遙感影像(0.61m空間分辨率)?，F(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)內(nèi)容包括用地類型與綠地分布情況，于2018年12月完成。實地采樣數(shù)據(jù)包括154塊綠地樣地、79個土壤樣地中、269個土壤樣品數(shù)據(jù)；255塊建筑樣地及城市水系采樣數(shù)據(jù)40個(圖1)。

圖1 研究范圍及采樣位置(a.植被樣點，b.土壤樣點，c.水系樣點，d.建筑樣點)

1.3 研究方法

根據(jù)城市碳匯不同類型，采用抽樣調(diào)查的方法建立各碳匯類型樣方。針對各類型碳匯特點，選擇適合的碳匯量計算方法與計算方程(表1)，并計算樣方固碳總量。結(jié)合遙感數(shù)據(jù)，利用相關(guān)性分析及多元回歸分析和數(shù)學(xué)建模等方式，建立研究區(qū)范圍內(nèi)各碳匯類型估算方法。根據(jù)城市的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，將沈陽市建成區(qū)分為一環(huán)區(qū)域、二環(huán)區(qū)域與三環(huán)區(qū)域，分別以區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ與區(qū)域Ⅲ表示。利用ArcGIS空間分析的區(qū)域統(tǒng)計功能，計算不同區(qū)域內(nèi)的各城市碳匯類型固碳量與碳密度，明確各區(qū)域的碳匯能力并進行對比。

表1中的城市植被與城市表層土的計算結(jié)果為碳儲量，即截至研究取樣年份城市植被與表層土中的總固碳量。為了保證計算結(jié)果尺度一致，在計算城市建筑固碳量時，時間選擇為現(xiàn)有建筑從建成起到取樣年份的碳吸收總量。在計算時，由于各參數(shù)存在一定的不確定性，因此采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中提供的蒙特卡洛分析法計算公式中的5個不確定性的來源。碳化反應(yīng)程度取值范圍為50.0%～90.0%[17]；固碳潛力受水泥中水泥熟料含量和熟料中CaO含量影響，取值范圍為38.3%～49.5%[18]；每立方米混凝土的水泥用量參照中國《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)及建筑樣方實際情況確定；混凝土碳化深度通過文獻梳理與實驗數(shù)據(jù)確定；暴露面積由野外調(diào)查結(jié)合建筑三維信息解譯確定。對模擬計算結(jié)果分析統(tǒng)計，結(jié)果表明：研究區(qū)總體建筑混凝土碳吸收量95%置信區(qū)間[1,168,960.36，2,376,467.88]t，均值為1,701,609.08t，標(biāo)準差為362 016.09t(p=0.05)。

表1 不同碳匯類型抽樣的方式與碳儲量計算方法

在明確城市碳匯量與空間分布的基礎(chǔ)上，分析各類型碳匯的固碳潛力能夠為提出城市碳匯提升策略提供有效的支撐。各類型的碳匯在經(jīng)歷一段時間后都會達到飽和，即能夠產(chǎn)生的最大固碳量，而固碳潛力是最大可能固碳量與當(dāng)前固碳量的差值，因此固碳潛力可以表達為[19]：

式中，CSP為固碳潛力；CSr為碳儲量飽和時的固碳量參考值；CS為當(dāng)前碳匯類型碳儲量。在條件不變的情況下，固碳潛力越大的地塊碳匯可提升的空間越大。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)土地利用類型在遙感影像呈現(xiàn)出的不同特征，結(jié)合現(xiàn)場勘察結(jié)果，在ArcGIS中完成現(xiàn)狀土地利用數(shù)據(jù)的矢量化處理(圖2)。通過提取遙感影像中的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，結(jié)合實地調(diào)研，完成綠地斑塊矢量化處理。

圖2 沈陽核心區(qū)土地利用現(xiàn)狀

建筑三維信息處理通過建筑物平面輪廓提取、高度反演與信息復(fù)合3個步驟實現(xiàn)。建筑物平面輪廓解譯利用了區(qū)域標(biāo)識和特征量測等技術(shù)，完成投影輪廓矢量化。建筑高度提取采用較成熟的陰影長度法，通過ENVI軟件Feature Extraction插件，自動提取出建筑物陰影信息，計算其投影長度，然后再通過衛(wèi)星、太陽、建筑物和陰影的相對幾何位置關(guān)系進行三角函數(shù)求算，進而計算得到建筑物的高度等屬性信息，最終得到建筑的三維信息。

2 沈陽市城市碳匯特征與提升策略

2.1 碳匯總量特征

由表2可以看出，沈陽中心城區(qū)城市碳匯總量為430.93×104t，城市綠地植被、表層土壤(0～20cm)、水系、建筑混凝土及建筑水泥砂漿的碳匯貢獻率分別為33.35%、14.94%、1.48%、39.49%和10.74%。各碳匯類型占地面積城市綠地植被最大，表層土與城市建筑次之，城市水系最小。在平均碳密度上，建筑混凝土平均碳密度最高，為119.5t·hm-2，是其余各類碳匯平均碳密度的3倍左右。在城市環(huán)境中，自然碳匯受城市擾動影響，碳密度要小于野外環(huán)境，碳儲量的大小主要由占地面積決定。而建筑雖然占地面積相對較小，但其在城市中具有較高的垂直空間優(yōu)勢，其碳匯量主要取決于建筑容量的大小。

表2 城市各類型碳匯碳儲量與碳密度

2.2 碳匯空間分布特征

城市綠地植被地上碳儲量(AGC)在區(qū)域整體呈現(xiàn)東高西低的趨勢，在城市公園綠地、渾河兩岸綠地與東部生態(tài)用地的AGC普遍偏高。受城市中的人為干擾和環(huán)境影響，城市表層土壤(0～20cm)儲量(SOC)在空間上具有“城市土壤鑲嵌”[12]的特點，即同一土壤類型的SOC儲量變化很大。建筑固碳量(BCS)整體分布較為平均。固碳量高值分布具有一定聚集性。對比城市建設(shè)用地類型可以發(fā)現(xiàn)，高固碳區(qū)與城市商業(yè)區(qū)及工業(yè)區(qū)的空間位置吻合，也就是說在城市商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)更容易形成建筑高固碳區(qū)域。此外，在研究區(qū)范圍內(nèi)仍有零星點狀區(qū)域建筑固碳量較高，以公共建筑為主，但都沒有形成片區(qū)形態(tài)。從研究范圍內(nèi)的3個分區(qū)來看，由于區(qū)域整體面積的增加，各碳匯類型碳匯量在空間分布上均呈現(xiàn)由城市中心向城市外圍逐漸遞增的趨勢(表3)。區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ的AGC儲量占比分別為2.51%、9.56%和87.93%；土壤SOC儲量分別為14.29%、25.55%和60.17%；建筑固碳量分別為22.78%、33.93%和43.29%。

表3 城市各類型碳匯的碳儲量與碳密度

與碳儲量相比，碳密度在三區(qū)內(nèi)的變化差異較大。受城市化程度影響，區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ綠地面積較小，AGC較低，AGC密度分別為10.9和18.8t·hm-2，區(qū)域Ⅲ內(nèi)有較多農(nóng)林用地和未破壞的原始綠地，AGC密度為46.5t·hm-2，處于較高水平(圖3a)。土壤SOC密度與碳儲量變化相反，呈現(xiàn)中心逐級向外遞減趨勢(圖3b)。城市水系碳密度以渾河中段為最高，城市支流的碳密度較小(圖3c)。建筑碳密度的變化與土壤類似，也呈現(xiàn)區(qū)域Ⅰ＞區(qū)域Ⅱ＞區(qū)域Ⅲ的特點(圖3d)。一方面是受時間影響，越靠近區(qū)域Ⅰ，建筑的建成時間越長，碳密度越高；另一方面代表了城市化水平從高到低的變化，區(qū)域Ⅰ為城市中心區(qū)，城市化程度較高，區(qū)域Ⅲ相對處于城市邊緣地區(qū)，低層建筑較多，碳密度相對較低。

圖3 沈陽城市生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布(a.AGC密度，b.SOC密度，c.城市水系碳密度，d.建筑碳密度)

2.3 碳匯固碳潛力

在明晰城市各類型碳匯固碳現(xiàn)狀總量及空間分布的基礎(chǔ)上，利用公式(1)可以計算出研究區(qū)內(nèi)各類型碳匯的固碳潛力。由于固碳量參考值(CSr)難以直接獲得，因此本文中自然碳匯固碳量參考值(CSr)參照生態(tài)系統(tǒng)植被碳密度的參考值一般獲取方法[20]，選取現(xiàn)狀計算結(jié)果中碳密度最大的3～5個樣地碳密度平均值作為該類型碳匯的碳密度參考值。由自然碳匯估算結(jié)果可知，綠地植被碳密度參考值為191.51t·hm-2，土壤碳密度參考值為105.91t·hm-2。經(jīng)計算，研究區(qū)范圍內(nèi)城市綠地植被固碳潛力為29.33t·hm-2，總固碳潛力為114.22×104t；土壤固碳潛力約為13.26t·hm-2，土壤固碳潛力總量為37.02×104t。從空間分布情況上看，具有較高固碳潛力的綠地植被區(qū)域的綠地屬性以附屬綠地為主，公園與沿河綠帶雖然固碳量高，但固碳潛力相對較低(圖4a)；土壤固碳潛力較高的區(qū)域集中在渾河南岸及研究范圍北部，其原因主要受城市建設(shè)時序影響，地塊土壤擾動后的固碳量降低，潛力增高(圖4b)。由于城市水系固碳量較低，具有的固碳潛力十分有限，在計算自然碳匯固碳潛力時，并不包含水系固碳潛力。通過對綠地植被與土壤固碳潛力的疊加，可以得到自然碳匯平均固碳潛力為13.99t·hm-2，總固碳潛力為151.24×104t，其分布特征呈現(xiàn)固碳潛力高值區(qū)受土壤固碳潛力分布影響，低值區(qū)受植被固碳潛力分布影響的特征(圖4c)。

圖4 沈陽城市生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力空間分布(a.綠地植被，b.城市表層土，c.自然碳匯，d.建筑碳匯)

分析表1中建筑碳匯固碳量計算方法可以發(fā)現(xiàn)，碳化深度隨時間累積不斷加深，建筑固碳潛力主要受使用壽命的影響。以使用壽命為50年計算研究區(qū)范圍內(nèi)建筑混凝土的固碳潛力，得到的結(jié)果為196.58×104t。建筑水泥砂漿在建成3～8年內(nèi)完全碳化[21]，計算固碳量時已按照完全碳化進行計算，固碳潛力忽略不計，因此城市人工碳匯固碳潛力僅為建筑混凝土的固碳潛力。在空間分布特征上，建筑碳匯固碳潛力高值區(qū)集中在渾河兩岸及主要商業(yè)街區(qū)，其原因在于這部分地塊具有較高的建筑密度與容積率。在整體上，受建設(shè)時序影響，建筑固碳潛力呈現(xiàn)由中心到城市邊緣逐漸遞增的趨勢(圖4d)。

2.4 碳匯功能提升對策

由2.2～2.3的分析可知，城市碳匯功能提升策略可以從兩方面出發(fā)。一方面是以增加碳匯總面積為目的的提升策略。對比自然碳匯碳儲量與固碳潛力可以發(fā)現(xiàn)，城市公園綠地雖然固碳潛力相對較低，但其碳儲量仍十分可觀，合理增加城市公園綠地可以有效提升城市碳匯功能。城市內(nèi)部用地緊張，大面積增加塊狀綠地的可能性不大。植物的光合作用伴隨著CO2濃度升高而增強[22]，新增綠地應(yīng)結(jié)合植物光合作用的特點，在CO2濃度高的用地周邊，適當(dāng)增加帶狀、分散式綠地，建立網(wǎng)絡(luò)化的綠地骨架，形成綠地碳匯的網(wǎng)絡(luò)體系，能夠有效提升城市碳匯總量。根據(jù)現(xiàn)有綠地分布情況與固碳潛力分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提出調(diào)整用地空間結(jié)構(gòu)，優(yōu)化綠地格局，建立城市自然碳匯網(wǎng)絡(luò)的提升策略：1)研究區(qū)內(nèi)區(qū)域Ⅰ與區(qū)域Ⅱ處于中心地帶，可增加的綠地十分有限，新增綠地以連接城市塊狀綠地的綠帶為主；2)區(qū)域Ⅲ作為未來發(fā)展重點區(qū)域，在東北以原有林地為起點，向外延伸，與棋盤山相銜接，建立固碳網(wǎng)絡(luò)，西部與南部城區(qū)對原有綠地進行整合，建立固碳節(jié)點；3)在三環(huán)道路周圍，適當(dāng)加寬防護綠地寬度，形成外圍固碳屏障。在人工碳匯方面，伴隨城市發(fā)展不會斷涌現(xiàn)新的城市建筑，針對這部分首先要減少其在生產(chǎn)建設(shè)過程中的碳排放，同時通過采用新技術(shù)手段增加建筑的固碳量。例如采用CO2代替水固化制成混凝土預(yù)制件；或通過注入工業(yè)廢氣，使混凝土拌合物與其中的CO2持續(xù)發(fā)生碳化反應(yīng)，既滿足構(gòu)建強度又增加建筑的固碳量。城市建筑采用具有CO2吸收能力的材料與構(gòu)件，在空間上形成“負碳性”建筑界面，將大幅提升城市整體碳匯，有效降低城市碳排放，為城市應(yīng)對氣候變化提供一種新的空間技術(shù)策略。

另一方面是以提高地塊碳密度為目的的提升策略。在不改變用地性質(zhì)的情況下，自然碳匯中以居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地等為主的附屬綠地固碳潛力較高。這類地塊受建筑布局、道路廣場及觀賞因素等影響，植被種植密度較低且碳密度遠低于天然林[23]，通過優(yōu)化植被群落結(jié)構(gòu)，混合不同樹齡，營造喬木、灌木和草坪相結(jié)合的多層復(fù)式綠地，能夠大幅提高城市綠地的固碳能力。以本案中居住用地為例，若將居住用地內(nèi)的植被覆蓋面積由20%提升至40%，研究區(qū)綠地植被碳匯量將提高34.61%[13]，提升效果顯著。與自然碳匯相比，建筑碳匯占地面積較小且固碳量與固碳潛力均處于較高水平，是城市中不可缺少的垂直碳匯空間。同一棟建筑，在假定的20、40、60、80和100年的使用時期的固碳量發(fā)現(xiàn)，100年使用壽命吸收的CO2是20年的2.2倍[24]，但隨著時間的增加，建筑維護將額外產(chǎn)生碳排放。分析研究區(qū)內(nèi)，以50年使用壽命估算出的建筑固碳潛力空間分布可以發(fā)現(xiàn)，商業(yè)核心區(qū)與高密度居住區(qū)具有較高的固碳潛力，在保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)延長這部分建筑的使用壽命可以有效提升建筑的固碳量。我國建筑的平均使用壽命只有30年左右，遠低于歐美國家的65～70年[25-27]，我國城市建筑整體的固碳潛力仍有很大的提升空間。此外，在建筑拆除后，廢棄的建筑材料仍具有碳匯能力。與其他國家相比，混凝土在我國建筑材料中使用量大，但回收率僅為2.31%[28]，提升混凝土的循環(huán)利用一方面可以降低成本，另一方面在回收再利用的過程中，混凝土還能夠固定更多的CO2，降低對環(huán)境的不利影響。

3 討論與結(jié)論

本研究以沈陽中心城區(qū)的城市碳匯為研究對象，分別對沈陽市三環(huán)內(nèi)各區(qū)域各類型碳匯量進行調(diào)查研究，探討了沈陽中心城區(qū)碳匯總量特征與空間分布特點，估算了城市碳匯的減碳貢獻率。研究表明，沈陽中心城區(qū)城市碳匯總量為430.93×104t(其中自然碳匯214.51×104t，人工碳匯216.42×104t)，相當(dāng)于沈陽市年能源消耗產(chǎn)生CO2的7.34%；城市碳匯碳密度隨著與城市中心距離增加而呈現(xiàn)不同變化特點，其中城市綠地植被呈現(xiàn)遞增趨勢，城市土壤與建筑呈現(xiàn)遞減趨勢。以碳中和為目標(biāo)，量化城市碳匯固碳功能，從提升城市整體碳匯能力的視角，挖掘更多的增匯手段，對實現(xiàn)城市碳中和具有理論支撐作用和積極的指導(dǎo)意義。

注：文中圖片均由作者繪制。