基于i-Tree模型的城市绿道生态服务效益研究

周贝宁， 芦建国， 花壮壮

(南京林业大学 风景园林学院，江苏 南京 210037)

我国城镇化进程的加快使城市成为人类与大自然矛盾冲突的集中地。基于景观生态学理念，利用绿道网络修补割裂的城市绿色空间逐渐成为一种趋势。城市绿道从最初着重体现景观和审美价值，到如今其生态效益研究日益成为重点，同时也成为绿道提供社会、经济和文化价值的基础[1-2]。浙江省作为全国第二个编制省级绿道规划的省份，自2012年开始规划省级绿道网布局，至今已实现市、县绿道网络全覆盖[3]，建成5 800 km高标准绿道。如何在增加绿道里程的同时，构筑生态服务效益突出的城市绿道是迫切需要解决的问题。

我国对绿道生态服务效益的相关研究处于初步探索阶段，研究方法基于层次分析法和问卷调查法[4-8]，缺少从定性描述到定量评价的演变。目前已有CITYgreen模型、i-Tree模型[9-14]、UFORE模型等生态效益评价模型应用于城市绿地空间，其中基于“3S”技术(遥感技术、地理信息系统和全球定位系统的统称)的CITYgreen模型通过构建整个研究区的森林格局，较适用于大面积城市森林生态服务价值的评估；而i-Tree模型基于Streets、Eco、Vue等8个模块，各模块分别适用于不同规模和类型的城市绿地，针对节能减排、雨水径流、改善空气质量等不同生态效益进行量化评估[15]。2009年，陶晓等[16]率先将i-Tree模型引入国内，迄今已成功应用于多个城市森林和公园绿地的生态效益研究，但仍未有采用i-Tree模型量化绿道生态效益的研究。本研究以浙江省宁波市“三江六岸核心区”绿道为研究对象，运用i-Tree模型对绿道树木结构，以及节能效益、固碳效益、改善空气质量效益、截留雨水效益和美学价值进行量化评估分析，以期为长江三角洲地区绿道中树种筛选提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浙江省宁波市(120°55′～122°16′E，28°51′～30°33′N)地处长江三角洲南翼，属亚热带季风气候，四季分明，年平均气温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月台风季；植被资源丰富且南北差异不大，地带性植被为典型常绿阔叶林。作为国家园林城市，宁波市建成区绿化覆盖率达45%。

宁波市以水为脉，拥江而兴，发源于上虞区梁湖的余姚江、奉化区溪口镇斑竹村的奉化江在市区“三江口”汇成甬江，三江汇流经镇海招宝山入东海，由此而形成的“三江六岸核心区”是宁波城市生态的核心空间、城市发展的战略平台和自然风貌的历史变迁。以《浙江省省级绿道网布局规划》为引领，2014年宁波市规划局发布《宁波市城市绿道网专项规划》旨在形成“三纵、三江、两环”的市域主线绿道结构，发挥宁波三江汇聚、一城居中的特色，打造甬江、姚江和奉化江沿岸“三江六岸核心区”绿道。

1.2 研究方法

1.2.1 实地调查

于2019年12月至2020年5月对宁波市“三江六岸核心区”绿道树种进行调研。绿道调研长度共计14.2 km，占地面积65 hm2，采集的数据包括绿道树木种类、树木胸径(diameter at breast height，DBH)、树高、树木冠幅、主干和枝叶生长状况、维护建议和优先工作、土地类型、立地条件(人行道损坏和电线冲突)、道路长度和宽度、人行道长度和宽度等情况，建立完整普查数据库并按照i-Tree模型样本表格进行格式化处理。

1.2.2 建立i-Tree模型

i-Tree模型(表1)由美国林务局开发并用于城市林业分析与效益评估服务。本研究使用i-Tree V5.1.7模型的Streets板块，使用完整的普查数据定量评估绿道的年生态服务效益，揭示植物个体与群落发挥生态服务效益间的关系。宁波市地处东南沿海，属亚热带季风气候，故本研究选取模型中与研究区气候最为相似的Coastal Plain亚热带气候区作为绿道树木生长的气候条件。基于宁波市绿地树木养护费标准，录入城市信息，定义成本界面，包括年度种植成本、修剪成本、病虫害防治成本、灌溉成本等养护成本；基于《中华人民共和国环境保护税法》中大气污染当量值[二氧化硫0.95 kg；氮氧化物0.95 kg；挥发性有机物(VOCs)0.95 kg；PM104 kg]，以及《浙江省人民代表大会常务委员会关于大气污染物和水污染物适用税额的决定》中浙江省大气污染物(1.2元·污染当量-1)和VOCs(3.6元·污染当量-1)[17]适用税额的确定，计算大气污染物治理费为每污染当量的污染税额，从而对经济参数进行修正，其中包括电费(0.538元·kWh-1)、天然气价(3.50元·m-3)、固碳经济价值(1.04元·kg-1，采用瑞典碳税率固碳价格)、NO2治理费(1.26元·kg-1)；SO2治理费(1.26元·kg-1)、PM10治理费(0.30元·kg-1)、VOCs治理费(3.79元·kg-1)；核对行道树标准树种代码信息，对数据库内缺失的树种应用“Define Species”选择同属或生长类型相似树种进行匹配。

表1 i-Tree模型生态效益评估原理

2 结果与分析

2.1 绿道树种结构

宁波“三江六岸核心区”绿道树种资源共71种，分属37科54属，总计6 799株；其中，樟树(Cinnamomumcamphora)、大叶早樱(Prunussubhirtella)、鸡爪槭(Acerpalmatum)、桂花(Osmanthusfragrans)、银杏(Ginkgobiloba)、柳树(Salixbabylonica)为绿道中的优势树种，占总量的55.9%。“三江六岸核心区”绿道群落的Simpson多样性指数为0.94，Shannon-Wiener多样性指数为3.24，Pielou物种均匀度0.76，表明物种相对较为丰富，植物群落结构复杂且稳定性较强。

绿道树种胸径分布分为7个胸径区组，大多数树木的胸径(52.98%)介于15.2≤～30.5 cm，说明绿道树木处于稳定生长阶段；19.84%和18.59%的树木胸径分别介于7.6≤～15.2 cm和30.5≤～45.7 cm，11.85%的树木胸径介于45.7≤～61.0 cm，其余树木胸径占8.59%。樟树、大叶早樱、桂花、银杏等优势树种的径阶分布见图1，鸡爪槭的胸径主要集中在7.6≤～15.2 cm，大叶早樱、桂花、银杏、无患子和杜英胸径集中在15.2≤～30.5 cm；≥45.7 cm胸径的树种主要集中于绿道骨干树种樟树和柳树，这些树木大多是绿道内历经沧桑且具有重要历史见证意义的古树。

图1 绿道优势树种的胸径阶分布Fig.1 Diameter distribution of dominant tree species in greenway

绿道树种高度分为5个区组，绿道优势树种的树高分布较为集中(图2)。高度5≤～10 m的树木比例最高(46.89%)，2≤～5 m和10≤～20 m的树木分别占整体的29.50%和21.50%，树高≥20 m的仅32棵水杉。总体而言，绿道树高结构分布较为合理，符合城市树木的自然生长分布规律；大叶早樱、鸡爪槭、桂花等优势树种在10 m以下占比较大，是构成下层群落的重要组成部分；水杉、樟树、栾树、银杏等10 m以上的大型乔木是构成植物中上层群落和绿道林缘线的主要树种。

图2 绿道树木树高结构分布情况Fig.2 Distribution of tree height in the greenway

绿道现有的树木总体表现为落叶树种占较大比例(59.40%)，绿道季相变化较丰富。其中，小型落叶阔叶树种(broadleaf deciduous small)所占比例最大，占总数的33.43%，大型常绿阔叶树种(broadleaf evergreen large)占总数的14.85%，中型落叶阔叶树种(broadleaf deciduous medium)占总数的13.61%，说明绿道树木整体分布相对均匀，树种复层数量分布合理，植物群落结构相对稳定。绿道内阔叶树种与针叶树种比例相差较大，针叶树种仅占2.14%，棕榈类树种(palm evergreen)所占比例最小(0.49%)。

BDL，落叶阔叶型大乔木；BDS，落叶阔叶型小乔木；BES，常绿阔叶型小乔木；CEM，常绿针叶型中乔木；PEM，常绿棕榈型中乔木。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.图3 绿道树木生长类型分布情况Fig.3 Distribution of tree growth types in the greenway

2.2 绿道树种各项生态效益

2.2.1 节约能源效益

树木通过蒸腾作用缓解城市热岛效益，增加空气湿度，降低城市温度[18]。研究表明，在夏季，1 hm2的绿地每天能够吸收81.8 MJ的热量[19]。在建筑物的东西侧分别种植1～2株树木，每年可节省约1 035 kWh的电量[20]。“三江六岸核心区”绿道节约能源价值由节约电量和天然气构成，树木种类、冠幅和栽植年限等因素决定单株节能效益的不同。研究区行道树年提供的节约能源总效益为356 631.75元，其中节电量为487.9 MWh，节电效益为262 508.62元，节约天然气量为26 814.53 m3，节约天然气效益为94 123.13元，单株平均效益为52.43元。单株效益最高的为泡桐(257.66元·株-1)，最低的为木槿(5.17元·株-1)。在绿道内对节能效益发挥重要作用的树种是骨干树种樟树、银杏和柳树，分别占总效益的29.2%、10.2%和9.4%。

2.2.2 固碳效益

树木被广泛认为是天然的碳汇体，i-Tree模型中的固碳生态效益主要由树木净吸收二氧化碳量所产生的经济价值决定。树木主要通过光合作用，直接吸收和存储二氧化碳从而减少大气中的二氧化碳含量，少量间接通过树冠对太阳光的反射、遮挡作用进而减少排放量，缓解城市热岛效应[21]。“三江六岸核心区”绿道年净固碳总量714 876 kg，折合人民币为739 312.25元，单株树木固碳平均效益为108.72元。泡桐、樟树、三角槭等32个树种的单株固碳效益高于平均值(表2)，其中泡桐的单株效益值最高，达371.48元·株-1，樟树的单株平均效益(259.04元·株-1)略低于泡桐，但由于数量远远大于泡桐，所以对绿道发挥年度固碳效益贡献最高(35.25%)。此外，绿道优势树种银杏(9.13%)、柳树(9.11%)和鸡爪槭(6.09%)的总年度固碳效益贡献率较高。

2.2.3 截留雨水效益

树木的截留雨水效益对于减少城市暴雨径流量、减轻径流污染起积极作用，树木的冠幅大小和高低，以及叶片、枝干的疏密程度均会影响其截留雨水径流的效益价值。“三江六岸核心区”绿道年截留雨水量共38 377.25 m3，折合人民币419 628.86元，平均单株截留雨水效益为61.74元·株-1，其中二球悬铃木、泡桐、枫杨、喜树、构树、加拿利海枣的平均单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，达到442.61元·株-1；单株效益较低的是巨紫荆，仅6.14元·株-1。对绿道发挥截留雨水效能贡献最高的树种有樟树(27.7%)、银杏(11.4%)、柳树(10.0%)和榉树(4.5%)。

2.2.4 改善空气质量效益

“三江六岸核心区”绿道树木通过树木枝干拦截和叶片吸附沉积空气污染物年均量为O3798.8 kg、NO2114.6 kg、PM10329.3 kg和SO271.3 kg，产生经济价值为717.44元·a-1。所有树种均具吸附O3的能力，且吸附沉积O3的能力最强，占总吸附量的60.79%。其中，樟树对4种污染物沉积和吸附的量最大，达到每年500.8 kg，占绿道空气污染物总沉积量的38.11%，产生价值为510.49元·a-1；对改善空气质量贡献较高的树种还有柳树、银杏、大叶早樱和桂花；有63个树种对4种污染物均具沉积吸附能力，绿道综合吸附空气污染物能力较强。树木除了通过吸附作用降低空气中污染物浓度，还可间接降低风速和温度，促进空气颗粒物沉降和减少空气颗粒物污染[22]。“三江六岸核心区”绿道可间接减少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的减排量最为显著，对减少排放量贡献最大的树种为樟树(965.79元·a-1)，其次为银杏(310.43元·a-1)、柳树(289.74元·a-1)。

表2 单株年度固碳效益前10位树种的生态效益

针对我国环境污染日益严重的情况，生态环境部针对生成臭氧的重要前驱体污染物——VOCs，明确提出了相关污染治理重点和目标[23]。有研究表明，植物挥发性有机物(BVOC)占到了全球VOCs排放总量的70%以上[24]；而在许多植物改善空气效益的研究中却忽略了植物挥发性有机物对环境空气的负面影响：因此，i-Tree模型将BVOC指数纳入综合评估改善空气质量价值中，计算植物自身产生的污染量。“三江六岸核心区”绿道每年共计释放植物挥发性有机物(BVOC)1 070 kg，其中樟树释放的BVOC量最多，为877.6 kg，释放较多的树种还有广玉兰和杜英，绿道中的71个树种中有45个树种的BVOC释放量为0，以中小型乔木和灌木为主。

综合植物直接和间接吸附减排空气中污染物的生态价值和释放植物挥发性有机物的污染价值，“三江六岸核心区”绿道年度改善空气总价值为827.82元，单株植物年平均价值为0.14元，改善空气质量综合能力最强的树种是柳树，产生年生态价值427.71元。综合改善空气质量生态效益值相对较低，经过分析归因于浙江省大气其他污染物和VOCs的税额相差近2倍，即BVOC在很大程度上抵消了其沉积吸附效益。

2.2.5 美学与其他价值效益

由于西方国家对美学价值效益十分重视，故美学价值效益与其他生态效益相比，数值占比较大。“三江六岸核心区”绿道美学和其他价值效益年价值量为2 770 623.86元，每株植物的平均年价值为407.49元。从单株树种所发挥的美学与其他价值来看，悬铃木的年价值最高，达到1 500.49元·株-1，其次为泡桐(1 419.78元·株-1)，枫杨(1 166.33元·株-1)、喜树(1 063.82元·株-1)、枫香(1 035.46元·株-1)、榉树(994.83元·株-1)的美学价值也相对较高，而垂丝海棠(54.29元·株-1)、木芙蓉(54.98元·株-1)、巨紫荆(56.08元·株-1)等灌木或小乔木的年价值较低。通过i-Tree模型的数据分析得出，由于大型落叶乔木的季相变化具较高的美学价值且更易营造植物整体景观，所以其美学价值较小乔木、灌木高出许多，植物景观的审美属性、文化意蕴，以及季相变化会对人的美学感受产生深远影响。

2.3 绿道树种生态效益综合分析

根据i-Tree模型对绿道各项生态效益的统计分析，“三江六岸核心区”绿道年生态效益为4 287 024.54元，单株树种平均年生态效益为630.52元。樟树对绿道年生态效益贡献最高，约占总体年平均效益的33.3%。从各项生态效益来看，美学与其他价值效益量最大(64.62%)，其次是固碳效益(17.25%)、截留雨水效益(9.79%)、节能效益(8.32%)和改善空气质量效益(0.02%)。绿道树种单株生态效益价值的大小与树种数量不呈现正相关趋势，而与树种自身的胸径、冠幅等生长特性相关，大型乔木的单株生态效益价值显著高于小乔木或灌木。泡桐、二球悬铃木、枫杨、喜树的单株年生态效益较高(表3)，苏铁(67.61元·株-1)、木槿(71.68元·株-1)、巨紫荆(80.51元·株-1)、紫薇(88.99元·株-1)的单株年生态效益较低。

表3 单株年平均效益前10位树种的各生态效益

3 结论与讨论

本文以宁波市“三江六岸核心区”绿道为研究区域，分析绿道树木群落结构，并运用i-Tree模型进行生态效益评估，将节能效益、固碳效益、改善空气质量效益、截留雨水效益和美学效益量化为经济价值，清晰揭示了植物个体与城市绿道生态服务效益之间的关系。分析结果表明：宁波市“三江六岸核心区”绿道树种较为丰富，胸径分布显示其总体处于稳定生长阶段，生长类型多为阔叶落叶型乔木，季相变化较为丰富；i-Tree模型运行结果显示，绿道年生态效益经济值为4 287 024.54元，其中美学效益>固碳效益>截留雨水效益>节约能源效益>改善空气质量效益，树种优势度与绿道总生态效益贡献率相关性较强，但与单株年生态效益之间没有较强相关性。本文所选取的研究区属于典型的亚热带季风气候区，研究结果可为长江三角洲类似地区的绿道树种生态效益研究提供参考。

近几年，利用i-Tree模型量化分析城市森林生态效益的研究越来越多[9-14]。例如环西湖行道树年生态效益价值398.53万元[11]，南京林业大学行道树年生态效益价值102.31万元[12]等。基于i-Tree模型分析“三江六岸核心区”绿道的生态效益结果表明，尽管樟树、银杏、柳树等优势树种的分布量最多且对绿道的年生态效益贡献最大，但树种数量与单株年生态效益没有较强相关性：泡桐、二球悬铃木在节约能源、固碳、截留雨水、改善空气质量效益方面平均价值均较高，这与杨清[25]测定泡桐、悬铃木单位叶面积固碳释氧量和单位叶面积蒸腾速率均显示出较高数值的研究结果相一致。枫杨、构树具较强的截留雨水效益和改善空气质量效益，与江胜利[26]、解莹然[27]通过滞尘量测定和超声波提取发现枫杨、构树等植物滞尘量较大且叶片富集多环芳烃能力较强的结果相同。喜树显示出较强的改善空气质量效益，与李一川等[28]通过人工模拟熏气测定喜树对SO2具较高净化率和耐受性结果一致。在绿道发挥节约能源、固碳、改善空气质量、滞留雨水和美学的经济效益中，美学效益所占比例最大(64.62%)，其次为固碳效益、截留雨水效益、节约能源效益、改善空气质量效益，这个结果与魏云龙[9]、刘朋朋等[11]、王颖等[14]研究结果一致，可见由于发达国家尤为注重景观美学，对于美学价值量的评估结果受软件参数的影响较大；而改善空气质量效益所占比例最小，这是由于i-Tree模型将BVOC纳入综合评估改善空气质量价值中，计算植物自身产生的污染量，而这一指数正是经常被国内相关研究所忽略的。

从研究方法上看，国内的生态效益评估多针对城市森林等大尺度区域，而对于城市公园、居住区等中小尺度的公共绿地研究较少，缺乏植物个体与绿地发挥生态效益价值间的关系研究。本文采用美国林务局开发的i-Tree模型首次对绿道树种结构和生态效益价值进行量化分析，是对于i-Tree模型应用于国内绿道生态效益价值评估研究方向的一次尝试。i-Tree模型具有以下优势：第一，i-Tree模型的计算结果精确度高于CITYgreen[29-30]，可以根据不同树种设定具体参数且适用范围更广，无论是大片森林、整个城市、社区还是随机样地，均可以基于植被、经济、气象数据精确评估树木个体的生态服务价值并做出更有效的决策；第二，i-Tree 模型作为将城市绿地生态服务效益以货币形式呈现的评价模型，可对建成后的景观项目进行量化评估，即对景观绩效量化有着积极的推动作用，使风景园林规划设计更加“科学、客观、可量度、可循证”[31]；第三，除了传统美学价值的考量外，通过i-Tree模型的模拟数据，提供各树种在不同生长周期内的生态效益量化数据，有助于科学选择树种。

但要说明的是，由于i-Tree模型中的基础参数主要基于国外当地的生态环境和原有树种数据库，在树种匹配上存在一定局限性，本次研究调查树种匹配率为78.87%，对于研究区生态服务效益值会产生一定影响。今后的研究应针对中国不同气候区下树种生长模型进行研究，也要更新模型基础数据库以便更好地适用于本土树种，同时应形成中国统一的污染物适用税额和截留雨水等生态相关参数，从而建立适合中国生态环境下的效益评估模型。在条件允许的情况下，应结合实验测定收集绿道树木的降温增湿、吸收二氧化碳等数据，建立不同树种的生态模型，进行模型结果与实验数据的对比验证，使结果更具科学性的同时增加实际应用中的可行性，为我国绿道树种的筛选和绿道生态效益的评价研究提供新依据和新方法。