影响碳中和的城市绿地空间特征与精细化管控实施框架

王敏 宋昊洋

在快速城镇化进程中，经济社会高速发展、硬质地表面积的扩张和人口高度集聚，促使以二氧化碳为主的温室气体大量排放，引发一系列重大环境和社会问题。实现碳中和已成为全球应对气候变化的共识[1-2]。2020年9月，中国正式宣布二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和的目标[3]。作为一场广泛且深刻的系统性变革，碳中和目标的实现需要从节能减排、固碳增汇2个方面发力，在减少能源消耗、降低碳排放的同时，提升生态系统碳汇效能，推动社会发展全面向低碳转型[4-6]。

城市是人类活动的主要空间载体，是高耗能和高碳排放的集中地[7]。城市绿地作为城市中的唯一近自然生态空间，对于维持碳平衡、提升生态系统服务等方面具有重要作用[8]。因此，虽然城市绿地在建造施工和管理养护过程中存在一定的碳排放[9]，但仍被认为是城市增碳汇、减碳排的重要自然途径[10]。一方面，其直接效益为固碳释氧。联合国环境规划署（United Nations Environment Programme, UNEP）和世界自然保护联盟（International Union for Conservation of Nature,IUCN）指出，基于自然的解决方案（Naturebased Solution, NbS）通过提升生态系统的碳汇能力，在2030年前可实现每年二氧化碳减排量和清除量共50亿t，保守估计到2050年可实现100亿t[11]。另一方面，绿地通过缓解城市热岛效应降低建筑能耗间接降低碳排放[12]，并通过对居民出行方式的积极影响降低城市交通能耗，一定程度上降低碳排放[13]。此外，绿地的自然教育功能可帮助居民在休闲游憩的同时了解到更多实现低碳的方式，对实现碳中和同样具有促进作用[8]。梳理已有研究，除绿地的自然教育功能较少从空间特征角度进行研究外，其余路径均与绿地的规模、布局、类别等密切相关，是研究的重点。但是当前研究多基于定性分析视角，缺乏在多路径体系下对城市绿地影响碳中和的定量认知和系统整合，无法揭示绿地空间特征及其碳中和作用机制之间的复杂交互关系。

当前中国经济社会发展步入新常态，城镇化正处于快速发展向高质量发展的历史转型时期。在绿色低碳和用地集约的规划发展思路下，以“盘活存量、做优增量”为导向的城市绿地空间新一轮更新发展，逐渐转向精细化规划管理调控和高效生态空间营造。这促使城市绿地建设思路由重“量”不重“质”的粗放型建构转向增“量”提“质”并重的精明型优化[14]，不再只关注单一的规模指标，而是更多强调绿地空间精准落位，资源精准增效，并在宏、中、微多个层级共同引导不同类型绿地空间的布局调整和功能完善[15]。与发展日益成熟的城市建设空间发展管控技术相比，中国城市绿地空间的规划和管理指标控制在精细化、多元化、体系化方面远远滞后于当前绿地空间高效发展的需求。因此，有必要探讨绿地空间特征对碳中和效能的多影响路径和多维表征，构建“双碳”目标导向下城市绿地精细化管控框架。

基于此，笔者构建了城市绿地空间特征对于碳中和的影响路径研究框架（图1）。首先基于中国知网和Web of Science（WoS）2个主要的中外文献数据库，以“城市绿地”“碳中和”“碳汇”“碳排”“热岛效应”“绿色出行”“urban green space”“carbon neutrality”“carbon sink”“carbon emission”“heat island”“walkability”作为主要关键词进行文献搜索和筛选。经进一步文献梳理，研究归纳总结了固碳增汇、降温减排、绿色慢行三大影响路径，从研究方法、尺度范畴、指标选取方面梳理辨析了绿地空间在总体规模、分布格局、几何形态、植物配置、场地使用5个方面的特征及其对碳中和效益的影响机制。随后，基于空间规划体系，提出可后续深入拓展优化的城市绿地精细化管控框架，以期为碳中和目标下高效绿地空间营造提供深化研究思路，为城市绿地精细化规划管控提供参考建议，在自然维度下拓展城市碳中和的实践路径。

图1 城市绿地空间特征对于碳中和的影响路径Paths for spatial characteristics of urban green space affecting carbon neutrality

1 城市绿地对碳中和的影响路径研究

基于相关文献梳理，研究总结出目前城市绿地对于城市碳中和的积极影响主要体现在3个方面，即通过植物光合作用直接提高绿色碳汇，通过改善城市微气候间接降低建筑碳排放，以及通过影响人群出行模式间接降低交通碳排放[16]，可归纳为固碳增汇、降温减排和绿色慢行3个影响路径。

1.1 固碳增汇

《联合国气候变化框架公约》将碳汇（carbon sink）定义为“从大气中去除二氧化碳的过程、活动或机制”[17]。其中，绿色碳汇是通过植物光合作用释放氧气，吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被和土壤中，从而减少大气中二氧化碳浓度的过程、活动或机制[18-19]。绿地是城市生态系统的重要载体，生物群落在不同时间尺度下大量吸收二氧化碳并储存转化为有机物，成为绿地影响碳中和的最直接途径[20-21]，主要包括2种方式[22]：1）植物通过叶片的光合作用固定二氧化碳、积累净碳量；2）城市绿地范围内的土壤，依托植物光合作用、分解作用等，以有机物和无机物的形式储存碳，形成土壤碳库。对于城市绿地碳汇的研究，多以碳储量、碳密度等表征绿色碳汇能力，其中碳密度是指经过植物、土壤和大气中连续的碳交换后，植物叶片、木质部分和土壤养分单位面积上的碳存储量，反映了绿地空间的林分质量与植被、土壤的生物学特性相关，并受人为活动干扰程度和绿地维护管理水平影响[23]。相关研究表明，受气孔导度、叶面温度、胞间二氧化碳浓度等生物学特征的影响，在不同生命周期阶段中，不同类型的植物的单位叶面积光合量呈现一定差异[24-25]。在人为活动的干扰下，土壤层次结构、温度、湿度等也会显著影响微生物分解枯枝落叶的活性[26-27]。而碳储量则是指植物和土壤的碳储存总量，与地下生物量、地上生物量、枯落物和土壤有机质碳库等密切相关[28]，反映了绿地碳库的大小。

1.2 降温减排

城市绿地能够有效缓解城市热岛、降低城市能耗，从而实现间接减排。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）的研究报告显示，能源消耗是城市主要的碳排放领域，而热岛效应是影响能耗的重要因素[29]。尤其在夏季，气温升高会导致城市耗电量大幅提升，促使温室气体排放增加，加剧热岛效应和能源消耗[30]。因此，减缓热岛效应是实现城市碳中和的重要途径。梁益同等[31]的研究表明，绿地能降低一定范围内的环境气温，有效缓解城市热岛效应，植被覆盖率每提高10%，热岛强度约下降1.1 ℃。在微观尺度下，绿地植被一方面可通过树冠遮挡阳光减少地面吸收的热量，另一方面通过蒸腾作用，水经过叶片的气孔和角质层以气态形式散发到空气中，吸收周围环境中的热量进而降低温度、增加湿度，提高城市环境舒适度[32-35]。受物种生态学特征的影响，不同植物的单位叶面积日蒸腾量存在差异，对周围的降温增湿作用强度也不同[25]。在宏观尺度下，可通过构建通风廊道，优化城市风环境，促进城市绿地格局优化，进而缓解城市热岛效应[36]。对于绿地降温减排效能的量化评估，有研究已借助定量计算证实了城市微气候能显著减少建筑能耗[37]。基于此，王敏等[12]结合城市绿地降温幅度与居民用电量估算，在街区尺度量化并测算出2015年上海市黄浦区城市绿地的减排效能在0~55.12 t/hm2；张彪等[38]计算出2017年上海城市绿地可节约夏季空调能耗的经济价值为14.57亿元。

1.3 绿色慢行

交通碳排放约占全球碳排放25%，促进交通减排是高密度城市碳减排的重点领域，可从降低交通运输需求、优化交通运输方式、提升交通运输技术和管理水平等方面实现[16]。借助绿地系统形成完善的慢行网络，可有效促进居民绿色慢行，提升城市低碳交通方式比重[39]，降低交通碳排放总量，实现绿地间接减少碳排放。一方面，有研究聚焦于增强城市林荫街道的可步行性[40-43]，强调绿地空间对于人步行出行的引导能力，其核心包含了出发地和目的地之间的空间临近性，及其两点之间步行的便捷舒适性[44-45]。即引导居民绿色慢行不仅要在宏观层面提升城市绿地网络连通性，提升步行网络便捷性，还要在微观层面优化步行空间的绿化界面，舒缓居民身心压力，提升他们的步行游憩感受[13,46-48]。另一方面，绿地作为重要的休闲游憩场所，其景观品质和服务设施的提升有利于引导居民积极开展体力活动，培养绿色生活方式[49]。尤其是在大力推行社区生活圈建设、促进社会服务公平的背景下，在居民慢行可达的范围内进行城市公园绿地和其他小微绿地的合理布置以及品质优化[50]，也是促进“双碳”目标实现的重要举措，有利于引导居民提升步行频次，扩大居民步行可达范围，降低居民对高碳排出行的需求。

2 不同路径下影响碳中和的城市绿地空间特征

基于上述研究可知，城市绿地空间特征与城市碳中和存在紧密联系[51]。其中，固碳增汇为实现减少碳排放的最直接作用途径，而降温减排、绿色慢行则要借助改善热岛效应、提升城市低碳交通方式比重实现减碳排，是2个间接作用途径。关于后2种影响路径，现有研究较少以绿地为研究主体，运用定量方法探讨空间特征对碳排放的影响，而更多聚焦于建成环境[52]，可借鉴意义不大。因此，在梳理影响碳中和的城市绿地空间特征时，笔者选择从直接影响绿地增汇效能、降温效能和可步行性的视角切入，并从总体规模、分布格局、几何形态、植物配置、场地使用5个方面归纳城市绿地空间特征。其中，总体规模特征是绿地的量级指征，主要指的是一定区域内城市绿地覆盖面积的大小，是绿色生物量的基本指征；分布格局特征是指在宏观层面，不同类型绿地在城市空间中的整体结构特征和与城市建设用地的空间关系，影响了绿地的连通性、可达性和空间公平性；几何形态特征则主要基于景观格局指数对绿地空间的几何形态进行表征；植物配置特征主要包括绿地内部植物的种类、年龄、规格、群落特征等，多是从微观视角对绿地植物类型和群落结构进行三维表征；场地使用特征则是从使用者的感知体验出发，对绿地空间的设施品质、景观风貌等进行评价，以表征绿地空间对于居民身心健康的积极效应。总体来说，不同的绿地空间特征对于城市碳中和的影响机制在研究对象、尺度范畴、指标选取等方面存在一定差异，并通过一种或多种的影响路径发挥绿地的碳中和效益（表1，图2）。

表1 影响碳中和的绿地空间特征Tab. 1 Spatial characteristics of green space affecting carbon neutrality

图2 不同影响路径下的绿地空间特征及其研究方法Spatial characteristics of green space under different influence paths and research methods thereof

2.1 促进固碳增汇的绿地空间特征

已有研究聚焦于绿地类型、植物群落、植物个体等不同层面上，明确指出城市绿地的总体规模特征和植物配置特征对其固碳增汇能力具有显著影响[53]。

在总体规模特征方面，绿量对于植物生态调节功能具有重要作用，绿地面积和绿化覆盖率的增加可以有效增加城市碳汇总量[54]；城市绿地在固碳时，受人为活动干扰产生一定的碳排放，固碳效应小于天然林地[55]。Ren等[56]基于样地实地测定，进行绿地参数和碳储量的回归分析，结合遥感数据获得区域内绿地系统碳汇量，指明了绿地碳储量和绿地面积、绿化覆盖率的正相关关系。已有研究进一步明确了在总体绿量的影响下不同绿地类型固碳能力的差异性，以休闲文体为主导功能的公园绿地碳汇能力要高于防护绿地和附属绿地[57]。因此，越来越多的研究综合考虑叶密度指数和绿化三维体积，引入三维绿量、NDVI等作为表征绿地碳汇能力的重要指标。

在植物配置特征方面，研究多在中、微观尺度下，借助样地实测法、生物量法、微气象学法、碳汇量估算系统等方法，表明了植物的类型、年龄、规格、群落结构等对其固碳能力有一定影响。一般来说，不同类型的植物碳汇能力差异较大[58]，乔木远高于灌木、草本和藤本植物[59-60]，阔叶林高于针叶林[6,61-62]，落叶树高于常绿树[63]，部分乡土植物高于外来植物[55]，幼龄、中龄的植物高于成熟期的植物[53]。在碳密度的影响下，植物群落的树种搭配、层次结构、群落密度等特征因子也会使城市绿地的碳汇功能有所区别[64]。张倩倩[65]在北京市对乔-灌-草、灌-草和草坪3种居住区绿地类型进行调查研究，比较结果表明乔-灌-草复合类型的居住区绿地对空气中的二氧化碳的调节能力明显高于另外2种居住区绿地类型。于超群等[66]对济南市城区典型绿地碳储量的研究进行分析，发现植物群落层次越复杂，固碳效果越好，植物群落密度越高，碳汇功能越强。广州典型绿地的样方评估证实在合理设计种植密度的前提下，乔木种植密度越大，绿地固碳效率也会越大[55]。基于上述研究可知，除绿量以外，个体生态学功能对于植物生态调节功能也起到重要作用。增加总体绿量和配置固碳效益强的植物群落，能显著提升城市绿地碳汇能力[25,67]。

值得一提的是，在对绿地建造施工和管理养护过程中，因涉及燃油利用和材料使用等，存在一定的碳排放，对城市环境造成负面影响。因此，为进一步全面分析绿地的净固碳能力，已有研究从全生命周期视角切入，对不同类型绿地的碳足迹进行实证分析[55]，指明除人为建设管理方式外，对植物类型、植被配置、立地条件等空间特征的精细管控也有助于降低绿地的碳排放量，由此提升绿地整体的增汇效能。

2.2 促进降温减排的绿地空间特征

基于在宏、微观层面的数据实测和模拟论证，相关研究证实了城市绿地总体规模特征、分布格局特征、几何形态特征和植物配置特征都会显著影响其对于周边环境的降温减排效果。

在宏观层面上，绝大部分研究采用模型模拟、遥感反演等手段，从绿地的总体规模特征、分布格局特征、几何形态特征等方面衡量绿地的降温减排效应[68]。在规模特征方面，基于绿地类型的实地观测数据表明，公园绿地的平均降温幅度最大[69]。周雯等[70]指出景观组分对降温强度的影响高于景观构型，每增加10%的乔木林地面积，可以降低区域温度1.03℃。绿地规模面积越大，绿地温度越低[71-72]，但发挥显著降温效果的绿地面积阈值存在差异[73-74]。在分布格局特征方面，研究证实，在绿地覆盖面积低于40%时，绿地格局对降温、增湿等生态环境效应起主要作用[75-76]。绿地的聚集度越低、破碎度越高，越不利于绿地降温[71,77]。基于形态学空间格局分析法，已有研究提出提升绿地核心斑块集中性与连通度、优化斑块边界、减少破碎化小斑块数量等措施能有效改善热环境[78]。同时，研究发现公园绿地的降温作用与周边用地结构具有较明显的对应关系[79]，其降温幅度与绿地和建设用地的面积比值之间存在明显的正相关关系，与建设用地的容积率之间存在负相关关系[80]。在形态特征方面，基于对绿地的面积、周长面积比、形状指数等指标的研究，发现绿地的面积和形状对绿地温度的影响具有不确定性[81-83]，在较大尺度下，绿地面积越大、形状越规则，其降温效应越好[82-83]；在较小尺度下，分散型绿地降温效应则优于集中式大型绿地，形状复杂的绿地降温效应更好[83]。

在微观层面上，研究借助样地实测、模型模拟等手段，证实了城市植物配置特征，包括植物种类和群落特征等会影响绿地的降温效应[25]。薛海丽等[62]提出灌木植物和阔叶乔木的叶片降温增湿能力最强，针叶乔木较弱，草本最弱。另有研究证实绿地内的植物群落结构对其降温功能有显著影响[84]，不同城市绿地植物群落结构降温增湿效益呈现为乔-灌-草＞灌-草＞草地。高吉喜等[32]指出郁闭度和绿量对绿地降温增湿功能均有明显影响，但郁闭度影响更大，冠层郁闭度处于0.60~0.85、三维绿量密度≥5 m3/m2的乔-灌-草或乔-草型绿地具有最大降温增湿功能。

2.3 促进绿色慢行的绿地空间特征

对于城市绿地空间特征促进居民步行活动、降低交通碳排的相关研究，主要聚焦于城市绿地的分布格局特征和场地使用特征。

在分布格局特征方面，依托于城市绿道系统，较高的空间可达性和景观连通性[85-87]能有效促进居民的步行活动，提升居民步行活动品质。相关研究多采用GIS平台，借助遥感影像数据，引入可达面积比、可达人口比、整体连通性指数、可能连通性指数等指标，对研究区中绿地进行评价。面向线状绿道网络，有研究基于对步行时间、步行距离和可步行指数等指标分析和评价绿道的可步行性，发现较高的路网密度、较多的连通节点能够促进居民绿色慢行[88]。

在场地使用特征方面，相关研究数据表明，较高的植被覆盖率和绿视率、丰富的植物搭配、必要的服务设施布局能促进居民的步行行为，从而推动城市交通结构的低碳调整[88-89]。有研究表明，街道乔木覆盖率达到40%、绿视率达到20%时，可显著舒缓精神压力[90]。乔-灌-草复合搭配的绿地能有效缓解步行者心理压力[91]。徐磊青等[88]结合客观测量与问卷调查指出，良好绿化景观和丰富的服务设施都对步行活动品质的提高具有非常重要的价值。

3 面向碳中和的城市绿地精细化管控实施框架

综上，绿地空间特征从多个尺度通过对绿地的城绿关系、功能规模、生态效能、服务落位等规划管控内容的介入，实现了在一种或多种影响路径下的绿地碳中和增效。当前城市碳中和绩效讨论多围绕低碳发展的重点领域、经济发展指标、二氧化碳排放量等构建综合评价体系，逐渐强调与社会、经济、环境的协同[92]。因此，加强对于城市绿色碳汇效益和间接减碳排效益的总体评估与协同量化研究，对于指导绿地空间调整、高效发挥其多重生态效应具有重要意义。既有研究显示，固碳释氧过程是绿地最直接有效的碳中和机制[53]，在有限的城镇空间中，如何高效提升绿地碳汇总量和碳汇效率，是面向碳中和绿地建设的首要目标。同时，绿地作为城市冷岛和重要的游憩空间，在直接改善人居环境微气候、提升居民生活品质的同时，起到了间接促进降低能耗、减少碳排的生态效益。相较于固碳增汇，绿地空间特征的优化目标则需兼顾多重目标的协同性，与城市资源禀赋和发展需求紧密结合。

总体来看，针对绿地增汇、减排效益的已有研究更多关注微观尺度的植物单体生态效益量化和宏观尺度的绿地系统功能评价，空间分析视角过于局限[93]。在城市绿地存量更新背景下，对于绿地碳中和增效的平面化研究结果与实际分类分层级的绿地规划体系和管理机制尚不能很好地结合，提出的空间管控策略实践性不强。因此，在有限的城市空间环境和绿地规模条件下，面向绿地碳中和效能优化诉求，对接城市多级治理单元，本研究按照“系统化分级统筹、差异化分区定标、多维度精准增效”的思路提出高效配置绿地空间资源的精细化管控框架。该框架中，在“市域—城区—街区—地块”四级管控层级下，绿地规划建设要基于生态本底和发展需求制定“双碳”目标，明确主要的增汇减排实践途径，并结合多维度空间管控指标，实现绿地碳中和效能的精准优化，激发城市低碳转型的内生动力（图3）。城市绿地作为多尺度嵌套、多效能耦合的系统，其管控指标与碳中和增效路径并非一一对应的关系，而是在不同尺度、不同目标下重复出现、交叉影响。一方面，绿地的多尺度属性要求后续研究与实践应将对空间尺度的考量纳入对绿地指标体系的进一步分析、解读与制定过程中。例如，在市域层面以构建整体系统为要，重点关注绿地的总体规模特征、分布格局特征和植物配置特征；在城区—街区层面还需增加对于绿地几何形态特征的重视，进一步明确功能规模、引导空间落位；在地块层面则要细化多元管控，注重上级规划意图的有效传导，探讨管控指标在不同发展情景下的差异化。另一方面，在碳中和目标下，同一城市绿地空间特征指标往往同时影响增汇和减排效能，不同影响路径之间存在着协同或权衡的多重可能，其复杂的交互机制亟待研究，在指标筛选和权重分配过程中要结合碳中和效益的整体评估和多路径耦合进行深入讨论，优化决策。

图3 影响碳中和的城市绿地精细化管控指标和实施框架Indicators and implementation framework for fine control of urban green space affecting carbon neutrality

4 结语

城市绿地空间不仅只是客观存在的物质环境，也是多方利益相关者各种绿地价值诉求的外在表达。空间资源紧约束条件下，城市绿地如何在国家“双碳”战略中扮演好重要角色，势必需要从固碳增汇、节能减排2个方面发力，探讨多路径优化碳中和效应的绿地空间管控技术集成创新。本研究从固碳增汇、降温减排、绿色慢行3个方面梳理和总结了城市绿地空间特征与城市碳中和的相关性，在文献爬梳的基础上总结不同影响路径下的重要空间特征和主要指标表征，厘清了城市绿地对碳中和的关联影响机制。在此基础上衔接城市绿地规划管控的实践需求，对接多级治理单元，初步构建城市绿地“系统化分级统筹、差异化分区定标、多维度精准增效”的精细化管控框架，为绿地碳中和效能提升的后续深化研究和建设管理实践提供借鉴和建议。

在城市绿地对碳中和的影响研究中，本研究聚焦于空间特征，故并未对其自然教育功能、建设管理方式等对绿地碳中和效能的影响展开详细讨论。受地域特征和城市管理政策的影响，相关城市绿地对碳中和的影响研究尚需结合更为翔实的、体现地方性的定量研究和实证结论，如当前城市绿地影响城市建筑能耗和交通碳排的系统研究较少，多是基于建成环境视角或停留在定性讨论，亟待后续深入探索。此外，绿地管控实施框架还有待在多尺度、多维度下进一步细化管控指标，明确不同指标阈值和权重。由于城市绿地的多尺度嵌套、多效能耦合特征，许多特征指标同时影响固碳和减排效能，亟待后续对不同类型生态系统服务之间的耦合协同机制进行进一步研究，构建以城市绿地空间为本位的有科学基础、可操作的碳中和效能优化方法，探索绿地系统低碳规划工具，探讨将城市绿地双碳规划理念与方法更好地融入国土空间规划诸专项，以应对全球气候变化的挑战。