羅志傳，單金福

(云南省安寧市人民政府 溫泉街道辦事處城市管理綜合服務(wù)中心，云南 安寧 650000)

1 引言

城市是現(xiàn)階段碳排放來源的重點(diǎn)地區(qū)，雖然城市占地面積不足全球陸地面積的4%，但是產(chǎn)生了超過70%的碳排放量。從城市園林綠化角度來看，城市園林植被是吸收城市碳排放的重要功能區(qū)，在整個(gè)碳匯市場(chǎng)中所占地位較低，且發(fā)揮的碳匯效果較小，但是對(duì)于城市園林景觀綠化建設(shè)較為豐富的城市而言，園林綠化仍是不可忽視的固碳功能點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)已有類似對(duì)城市綠地固碳能力的研究，文獻(xiàn)[1]中提出一種轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)城市綠地植物固碳的計(jì)算系統(tǒng)，并選擇地面植物與屋頂植物進(jìn)行研究，可對(duì)城市綠地低碳造景提供參考幫助。文獻(xiàn)[2]中對(duì)7中城市園林設(shè)計(jì)常用植物的碳匯能力進(jìn)行研究，為城市園林規(guī)劃提供強(qiáng)碳匯能力的植物選擇。文獻(xiàn)[3]立足于城市綠地面積增加角度，對(duì)環(huán)境控制因子與城市綠地碳交換的關(guān)系進(jìn)行分析，并利用渦度技術(shù)對(duì)福建省綠地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所得結(jié)論可為其它城市綠地建設(shè)提供幫助。

上述研究未對(duì)城市綠地帶來的碳匯經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。對(duì)此，為進(jìn)一步挖掘城市園林綠化所帶來的碳匯效益，將以我國(guó)云南昆明市園林綠化為例進(jìn)行研究，以期構(gòu)建適合城市園林的碳匯系統(tǒng)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

案例地區(qū)為云南昆明市域，2020年該市域面積約為21012.53 km2，綠地面積達(dá)到22905.28 hm2。昆明市區(qū)面積約為2749.77km2，昆明市區(qū)綠地面積17914..40 hm2、新增城市綠地1559.15 hm2，其中園林、濕地公園以及自然景觀景區(qū)的植被占地面積約占全市的49.26%，其中林木的覆蓋率約為34.76%。該市處于亞熱帶高原季風(fēng)氣候的影響范圍，2010～2020年均降水量約為661.45 mm，近5年年均氣溫約為21.27 ℃。同時(shí)，該市2020年完成營(yíng)造林3.96萬hm2，全市森林覆蓋率達(dá)到52.62%。上述數(shù)據(jù)皆來自該市園林局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，下文主要研究數(shù)據(jù)主要參考《中國(guó)森林資源清查》和《昆明統(tǒng)計(jì)年鑒2021》等資料，參考方向包括該市園林綠化面積、林木蓄積量、植被覆蓋面積、生長(zhǎng)量和蓄積量等[4,5]。結(jié)合該市近幾年園林綠化的未來發(fā)展規(guī)劃設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)1978～2020年的園林綠化數(shù)據(jù)，考慮到城市園林綠化碳匯系統(tǒng)的構(gòu)建數(shù)據(jù)采集便捷性，將各類樹木和各年齡段的樹木皆歸類于園林林木當(dāng)中，由于園林下花草產(chǎn)生碳匯量占比全市園林綠化碳匯量比重較小，因此不對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，而將其作為消除計(jì)算誤差的影響因子。

結(jié)合該市近幾年的碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)，對(duì)該市未來幾年的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷是否可以在2030年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的目標(biāo)。因GM(1,1)模型適合進(jìn)行中短期的演變預(yù)測(cè)，因此為縮小對(duì)該市園林綠化碳匯量的預(yù)測(cè)誤差，提高對(duì)已有園林綠化的碳匯預(yù)測(cè)精度，本次研究將利用該市1978～2020年數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)[6]。

3 城市園林綠化碳匯量的估算方法與研究現(xiàn)狀

3.1 城市園林綠化的碳匯計(jì)算方法

城市進(jìn)行園林綠化碳匯量的估算活動(dòng)是獲取城市綠地產(chǎn)生碳匯效益的重要途徑，現(xiàn)階段常用的估算方法包括以下幾種：第一，樣地勘測(cè)法。該方法需要借助大規(guī)模樣地勘測(cè)活動(dòng)采集數(shù)據(jù)，然后借助測(cè)試與計(jì)算的方式將采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最后利用公式推算出探測(cè)地區(qū)的碳匯量；第二，同化量法。該方法需要使用專業(yè)設(shè)備測(cè)定出瞬時(shí)進(jìn)出植物葉片中的CO2濃度與水分，然后利用葉面積與植物單位時(shí)間凈光合速率的乘積獲得植物的固碳量；第三，微氣象學(xué)法。該方法主要對(duì)CO2通量的動(dòng)態(tài)進(jìn)行測(cè)定，然后將測(cè)定參數(shù)代入計(jì)算公式，由此獲得植被的碳匯量；第四，遙感估算法。該方法可融合遙感影像與數(shù)學(xué)模型，并構(gòu)建基于植物固碳量和環(huán)境因素的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍城市綠化的碳匯量進(jìn)行估算的目的；第五，碳匯量估算系統(tǒng)法[7，8]。該方法同樣需要借助樣地勘測(cè)采集數(shù)據(jù)信息，然后將采集信息上傳至模擬軟件中，構(gòu)建樹木的生長(zhǎng)情況模型，然后借助遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域下的植被進(jìn)行識(shí)別，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域綠化指標(biāo)碳匯量的估算。

3.2 CITY green模型法

CITY green模型是指基于arcView平臺(tái)且融合GIS與RS技術(shù)的生態(tài)效益評(píng)價(jià)模型，借助該模型可以對(duì)樹木的生長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)還可以針對(duì)植被種類對(duì)其的固碳、蒸騰、減少暴雨徑流以及減少空氣污染物等因素進(jìn)行模擬[9]。CITY green模型法由生態(tài)效益和數(shù)據(jù)庫兩個(gè)模塊組成，通過兩組模塊共同作用可模擬出區(qū)域下植被的生長(zhǎng)過程，同時(shí)因CITY green數(shù)據(jù)庫下記錄近千株常見植物的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在使用之前僅調(diào)整土壤、水分、光照、溫度、風(fēng)量以及營(yíng)養(yǎng)等因素即可實(shí)現(xiàn)模擬修正，通過不斷更新環(huán)境因素的方式可借助該模型對(duì)植被的葉密度、樹高、胸徑、樹冠形狀以及樹葉脫落等因素進(jìn)行模擬與記錄，其產(chǎn)生信息可輔助GM(1,1)模式進(jìn)行城市園林綠化的碳匯計(jì)算，使預(yù)測(cè)模擬能夠更加貼近實(shí)際植被演變情況[10]，模型所提供各植被形態(tài)的碳儲(chǔ)存與碳吸收因子如表1所示。

由該模型實(shí)現(xiàn)的初步估算公式為：

碳存儲(chǔ)量=碳存儲(chǔ)量因子×植被覆蓋率×研究區(qū)域面積

(1)

碳吸收量=碳吸收因子×植被覆蓋率×研究區(qū)域面積

(2)

表1 CITY green數(shù)據(jù)庫參數(shù)數(shù)據(jù)

4 城市園林綠化碳匯系統(tǒng)

4.1 構(gòu)建預(yù)測(cè)模型

因需要對(duì)外界因素對(duì)本次碳匯系統(tǒng)構(gòu)建的不確定性影響，研究將使用GM(1,1)灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行約束，同時(shí)為確保模型結(jié)果能夠更具可靠性和可行性，將以數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖和園林綠化植被生長(zhǎng)過程曲線建立冪函數(shù)模型(y=axb+x)，并基于已有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和對(duì)比分析[11]。結(jié)合GM(1,1)灰色預(yù)測(cè)模型原理建立基于該市園林綠化變量與時(shí)間變量的一階微分方程，即：

(3)

式(1)中：x(0)表示原始數(shù)據(jù)；x(1)表示經(jīng)過一次累加計(jì)算而生成的數(shù)列；t表示時(shí)間變量；α和u皆表示待估參數(shù)，其中α稱為發(fā)展灰數(shù)，u稱為內(nèi)生控制灰數(shù)。

案例地區(qū)園林綠化植被的碳匯預(yù)測(cè)模型構(gòu)建具體步驟如下：

首先，需要對(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：

x(0)=[x(0)(1)，x(0)(2)，x(0)(3)，…，x(0)(n)]

(4)

(5)

式(5)中：z(t)(1)表示均值序列。

(6)

其次，需要回代時(shí)間響應(yīng)函數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行求解。

(7)

最后，需要對(duì)誤差與后驗(yàn)差進(jìn)行檢驗(yàn)。若相對(duì)誤差值較小，即低于20%則表明擬合良好，方差比“C”小于0.35則表示預(yù)測(cè)精度良好，處于0.35～0.65之間則表示為基本合格，若大于或等于0.65則表示不合格。

4.2 園林綠化中森林資源的碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)

使用Excel軟件對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并借助python軟件對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行編程，以期獲得一個(gè)簡(jiǎn)易的自動(dòng)計(jì)算程序[12]。為保障計(jì)算數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與科學(xué)性，需要對(duì)多處計(jì)算得出結(jié)果的極大值和極小值進(jìn)行刪除，以期提高GM(1,1)灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)案例地區(qū)未來幾年園林綠化森林碳儲(chǔ)量變化情況的預(yù)測(cè)精度，提高城市園林綠化下森林資源對(duì)碳達(dá)峰目標(biāo)所做出的貢獻(xiàn)。因我國(guó)碳達(dá)峰實(shí)現(xiàn)目標(biāo)年限為2030年，所以使用GM(1,1)灰色預(yù)測(cè)模型可起到中短期內(nèi)的高精度預(yù)測(cè)。現(xiàn)階段常用的森林碳匯技術(shù)方法為儲(chǔ)蓄量法，其計(jì)算方式為：

C=(V·D·BEF)·(1+R)·CF

(8)

式(8)中：C表示林木單位面積下的碳儲(chǔ)量；V表示材積；D表示林木的基本密度；BEF表示材積生物量的擴(kuò)展系數(shù)；CF表示根莖比；表示干物質(zhì)的碳含量。

同時(shí)，為證明GM(1,1)灰色預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)能力，將對(duì)1978～2020年部分年份的城市園林綠化碳儲(chǔ)量進(jìn)行預(yù)測(cè)對(duì)比，詳細(xì)對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。另外，在對(duì)案例地區(qū)園林綠化進(jìn)行預(yù)測(cè)的過程中，因沒有對(duì)林地增長(zhǎng)空間規(guī)劃因素進(jìn)行考慮，實(shí)際演變情況僅依據(jù)目前該市園林綠化規(guī)劃發(fā)展趨勢(shì)與經(jīng)營(yíng)管理水平而制定[13]，其結(jié)果可作為判斷該市園林綠化碳匯未來發(fā)展的穩(wěn)定值。

表2 案例城市園林綠化的森林碳儲(chǔ)量實(shí)際值與預(yù)測(cè)值

模型平均相對(duì)誤差ε=11.39%<20%，方差比C=0.1995<0.35，證明該模型的擬合程度較好，其得出結(jié)果具有較高可信度，能夠借助該方法對(duì)案例市的園林綠化森林碳儲(chǔ)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，因城市園林綠化森林的碳儲(chǔ)量與林木蓄積量存在直接關(guān)系，并且城市園林綠化森林蓄積量受林木面積影響，所以借助GM(1,1)模型、CITY green模型和冪函數(shù)模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)該市園林綠化面積和碳儲(chǔ)量的對(duì)比分析[14]。為實(shí)現(xiàn)上述目的需構(gòu)建有關(guān)參數(shù)方程如下，其中園林綠化森林面積的灰色GM(1,1)模型的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)為：

(9)

碳儲(chǔ)量GM(1,1)模型的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)為：

(10)

園林林木綠化面積的冪函數(shù)模型參數(shù)方程為：

(11)

園林林木碳儲(chǔ)量的冪函數(shù)模型參數(shù)方程為：

(12)

結(jié)合GM(1,1)灰色預(yù)測(cè)模型的計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行分析，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 案例地區(qū)森林面積及碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)

結(jié)合當(dāng)前案例城市的發(fā)展水平與城市園林綠化經(jīng)營(yíng)管理水平，在不對(duì)森林面積繼續(xù)增長(zhǎng)的空間因素進(jìn)行考慮下，2030年前案例城市園林綠化用森林面積可達(dá)到115.17萬hm2，其城市園林的綠化覆蓋面積將與城市其它功能區(qū)持平，預(yù)計(jì)此時(shí)的城市園林林木碳儲(chǔ)量可達(dá)到2154.68萬t，與2020年相比增加897.94萬t。若結(jié)合冪函數(shù)模型的計(jì)算預(yù)測(cè)值可知，在2030年之前案例地區(qū)的城市園林綠化面積將達(dá)到111.35萬hm2，此時(shí)城市園林林木的覆蓋率可達(dá)53.77%；當(dāng)年城市園林林木碳儲(chǔ)量可達(dá)到2430.81萬t，與2020年相比可提高碳匯1174.07萬t。由冪函數(shù)模型得出數(shù)據(jù)可知，2020～2030年該市園林林木年均碳匯量可達(dá)到117.4萬t/a。上述借助模型得出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)皆為保守的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，因?yàn)橛?jì)算方便并未對(duì)樹齡因素進(jìn)行考慮，所以實(shí)際上該市的園林林木的碳匯變化可能存在一定波動(dòng)，但因該市園林景觀中林木多為幼齡木，融合花草等其它植物產(chǎn)生的碳匯量可認(rèn)為上述預(yù)測(cè)貼合實(shí)際情況[15]。

5 優(yōu)化建議

5.1 推進(jìn)城市有機(jī)更新，實(shí)施城市生態(tài)修復(fù)

針對(duì)“雙碳”背景下城市園林綠化碳匯系統(tǒng)的建設(shè)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合城市的未來發(fā)展與現(xiàn)階段園林綠化發(fā)展情況，充分結(jié)合有關(guān)計(jì)算方法、模型以及評(píng)價(jià)體系，對(duì)城市園林綠化碳匯進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為構(gòu)建城市園林綠化碳匯系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)[16]。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，案例城市應(yīng)當(dāng)針對(duì)城市園林綠化發(fā)展現(xiàn)狀制定未來發(fā)展戰(zhàn)略方案，可圍繞城市的區(qū)域劃分出多層級(jí)、多類型的城鄉(xiāng)園林綠化體系、景觀帶體系和綠道體系，充分利用公共基礎(chǔ)空間加強(qiáng)城市綠化建設(shè)，對(duì)鄰近山區(qū)、水體以及廢棄土地等城市，應(yīng)當(dāng)做好城市復(fù)綠工作，充分發(fā)揮城市園林綠化固碳能力。同時(shí)，為強(qiáng)化城市內(nèi)濕地生態(tài)系統(tǒng)，繼續(xù)做到保護(hù)與修復(fù)的目的，并遏制天然濕地資源在城市發(fā)展中出現(xiàn)的功能退化趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加強(qiáng)開展城市濕地系統(tǒng)的修復(fù)工程，通過此方式提高城市園林綠化的固碳水平[17]。

5.2 提升園林綠化質(zhì)量，增強(qiáng)綠地碳匯能力

為進(jìn)一步加強(qiáng)城市園林綠化的固碳與儲(chǔ)碳能力，提高現(xiàn)有綠化的碳儲(chǔ)量，可參考以下幾點(diǎn)優(yōu)化路徑：第一，在開展新建園林的綠化項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)當(dāng)可以做到嚴(yán)格按照城市地區(qū)自然地理?xiàng)l件設(shè)計(jì)植被，發(fā)揮有限地區(qū)最大碳匯的經(jīng)濟(jì)效益，例如在房前屋后選擇適合的園林綠化樹種，通過科學(xué)種植與栽培技術(shù)控制樹木的生長(zhǎng)，選用長(zhǎng)壽樹種或高效固碳樹種提高綠化固碳能力[18]。第二，對(duì)于已建園林設(shè)施和低固碳效能的園林景觀，應(yīng)當(dāng)采取復(fù)種或重建等措施加強(qiáng)原有綠化的群落結(jié)構(gòu)，以期提升各綠化植被之間的固碳能力，提高城市園林綠化的碳匯水平。第三，針對(duì)地質(zhì)問題影響的城市園林綠化不足的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)從改善城市土地角度出發(fā)，通過增加土地營(yíng)養(yǎng)的方式為后期的園林建設(shè)奠定基礎(chǔ)，從而逐步發(fā)展到以城市園林增加城市碳匯水平的標(biāo)準(zhǔn)[19]。

5.3 完善計(jì)量監(jiān)測(cè)體系，提高科技支撐能力

從“雙碳”視角出發(fā)，城市園林綠化的碳匯系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在保障精準(zhǔn)計(jì)算與預(yù)測(cè)的前提下，積極做到可測(cè)量、可報(bào)告和可核查等原則和要求，充分利用現(xiàn)階段信息技術(shù)的成果，加強(qiáng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的記錄與管理，同時(shí)對(duì)園林種植植被的固碳效果進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，從而掌握城市園林綠化的實(shí)際固碳能力，為進(jìn)一步加強(qiáng)城市園林綠化碳儲(chǔ)量和碳匯計(jì)算奠定基礎(chǔ)。另外，為保障信息技術(shù)的融合不受其它因素影響，其構(gòu)建與布局設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠做到科學(xué)區(qū)分與科學(xué)化布局的標(biāo)準(zhǔn)，在強(qiáng)調(diào)城市園林綠化的基礎(chǔ)作用下，加強(qiáng)園林植被的碳儲(chǔ)能力和碳匯水平[20]。

6 結(jié)論與討論

本文借助灰色GM(1,1)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)案例地區(qū)園林綠化的碳匯計(jì)算，并對(duì)該模型的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算出該市到2030年由林木產(chǎn)生的碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)值。從城市園林綠化碳匯系統(tǒng)角度出發(fā)，所計(jì)算出的碳匯值與預(yù)測(cè)值是構(gòu)建碳匯系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，因此通過本文對(duì)案例地區(qū)的園林碳匯計(jì)算可為碳匯系統(tǒng)建設(shè)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。針對(duì)上述模型驗(yàn)證分析，提出幾點(diǎn)提高城市綠地碳匯能力的檢驗(yàn)，以期為進(jìn)一步增強(qiáng)城市綠地碳匯能力奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，因我國(guó)其他城市的園林綠化建設(shè)大致相同，所以本文分析方法與模型皆可適用于其它城市。