双碳目标导向下的绿色生态空间碳汇能力优化设计*

王晶懋 高 洁 孙 婷 韩 都 王一凡

1 西安建筑科技大学建筑学院 西安 710055

2 西安建筑科技大学交叉创新研究院 西安 710055

近年来，城市化进程不断加速，全球气温持续上升，多个国家和地区就如何应对全球气候变化问题承诺降低温度、减少碳排放，尽早实现碳中和[1]。但由于城市化进程对生态系统服务功能产生重要影响并对气候变化产生反馈作用，城市建成环境中不均匀的下垫面及人类活动排放的废气和热量，明显改变了城市环境的气流走势与温湿度条件，造成城市热岛效应，降低了人居环境的舒适度[2]；而城市绿色空间作为城市生态系统中的重要组成部分，是城市生物多样性保护的核心载体[3]，能够有效调节温湿效应，改善局部小气候状况，也是塑造文化、连接自然、促进公众认知和自然教育的重要途径[4]。目前以西安为代表的大部分西北城市绿色空间在发挥生态价值的同时，也会因绿地的管理维护而耗费大量的资源并产生温室气体，而现有研究中通过改善场地生境状况，结合微地形改变场地水热条件，以形成环境空间的异质性组合，塑造植物的适宜生境条件，能有效促进节能减排[5-6]。因此探索双碳目标下城市绿色空间碳汇能力的优化设计以应对气候变化中提高韧性与减排增汇具有重要意义。

植物和土壤是城市绿色空间的核心要素，也是发挥生态价值和碳汇功能的主要载体。植物对城市碳氧平衡和空气质量的改善具有积极影响，合理的植物群落结构、绿量比例，即更接近于自然的植物群落组构模式，有利于营造稳定、适宜的小气候环境[7-8]。通过选择植物品种、改善植物群落配置模式、优化绿地空间结构、建设低维护绿地等低碳设计策略，可有效促进植物碳汇并缓解热岛效应[9-10]。土壤是绿地系统中另一个巨大的碳库，其碳储量几乎是植物和大气之和的2倍[11]。土壤碳汇受气候、植被类型、土壤类型、微生物生理生化过程等多种因素影响[12-13]。土壤碳汇对清除大气CO2、提供生态系统服务、减缓气候变化具有重要意义[14]，据估算，保护和重建土壤有机碳可以每年增加55亿t CO2当量，约占全球自然气候解决方案总潜力的25%[15]。因此，提出碳汇能力优化设计策略和应用模式，以提升植物、土壤的固碳能力，是当下城市绿色空间碳汇提质增效、改善小气候的关键途径。

本文以西安地区白马河公园、西安建筑科技大学南门花园及沣西绿廊等典型绿地为研究对象，依托现有生境实验基地建植实验性的植物群落，筛选适宜不同土壤介质类型的植物种类，探索城市绿地不同类型生物滞留设施与植物景观营造之间的关系，提出西北地区海绵城市建设中适宜性植物景观营造的技术与方法，以期为合理布局城市低碳绿色空间提供实际参考。。

1 研究区域概况

西安市位于渭河流域中部关中盆地，属于温带半湿润型大陆性季风气候。1978—2019年，西安城市绿地面积增加了32 289 hm2，创造了巨大的生态价值。本文以西安作为研究区域，选取不同类型城市绿地探索城市绿色空间碳汇能力优化设计方法。其中西安建筑科技大学南门花园、图书馆前绿地及南苑居住区等作为生境营造的实验基地，已开展一系列科学研究；沣西绿廊、新河公园等实践项目基地，具有重要的生态研究价值；而白马河公园则同时具备实践项目应用价值与科学研究价值，其位于沣西新城北部，东临城市主干道白马河路，南临城市主干道统一路，北侧及西侧为居住区和商住用地，属于沣西新城北片区唯一的公园绿地，占地面积为34 266 m2，是沣西新城海绵建设的重点项目。

2 研究方法

研究立足于西安地区的土壤生境条件，为保证样方的相对全面，选择南门花园、图书馆前绿地、新河公园、沣西绿廊和白马河公园5种不同性质绿地空间，运用环刀在待测样点处采集表层(0～30 cm)体积约100 cm3的土样，装入塑封袋密封并标记，共采集12份不同土壤类型的实验样本，运用干烧法测定土壤有机碳含量(表1)。此外，选取白马河公园、西安建筑科技大学南门花园及南苑居住区等典型绿地进行西安地区常见植物个体及群落固碳效益的测定与计算，植物群落样方为20 m×20 m，运用i-Tree软件计算乔木固碳效益，采用同化量法计算灌木和地被植物的固碳效益[16]。在此基础上，重点以白马河公园作为实验性研究验证的主要对象，提出植物群落模式及平面布局优化策略等。

表1 土壤样本有机碳含量

3 结果与分析

3.1 土壤碳汇能力量化及优化

3.1.1 不同场地中土壤固碳量化

由表1可知:南门花园中层钢板花池、沣西绿廊客土、南门花园下层钢板花池和新河公园原土的有机碳含量较高，白马河公园的原土、新河公园的客土、白马河公园的1号生境岛和南门花园上层钢板花池的有机碳含量较低；有比较明显规律性差异的是南门花园的钢板花池，其最上层土壤有机碳含量是三者中最低的，而中层则最高；经改良过的土壤有机碳含量更高。

3.1.2 土壤碳汇能力优化

为提高土壤碳汇能力，需要增加土壤有机碳含量以修复和改善土壤质量。而土壤有机碳含量是一定时间内碳输入和碳损失之间的差值[17]，因此从“增加有机物输入”和“保持土壤有机碳稳定性”两方面着手，具体通过堆肥增加土壤腐殖质，施用生物炭以增加有机碳含量，种植草本植物增加根际碳输入，并且在保证土壤结构稳定的前提下种植深根系植物，便于在深层土壤中封存有机碳。

考虑优化成本和土壤现状，对于植物群落较为丰富的乔木林下区域土壤裸露和板结问题进行多年生草本植物的补种；在单一草本区、生境岛、生态树池和旱溪出水口等以地被植物为主和压实程度较大的区域，针对土壤板结、裸露、污染、植物长势差等问题，除了进行植物补种外，还增加生物炭或绿肥的输入。

3.2 植物碳汇能力量化测定

有效增加高固碳植物种类和数量，对于提高绿地碳汇能力具有显著影响。对西安不同绿地中常用园林植物碳汇能力进行测定，总结出32种园林植物适宜低碳园林建设(表2)。

表2 西安32种常见乔灌草植物固碳名录

Pearson相关性分析(表3)显示:平均高度与植物群落固碳量呈弱正相关(R2＝0.684，P＜0.05)；平均冠幅与植物群落固碳量无相关性；叶面积指数与植物群落固碳量呈显著性正相关(R2＝0.855，P＜0.01)，说明植物叶面积指数越大、参与光合作用的叶片越多，植物进行光合作用的能力就越强，其碳汇效益和生态价值也越高。单株植物的固碳量与植物群落固碳量存在弱相关性(R2＝0.591，P＜0.05)，说明植物群落的碳汇量会受到单株植物固碳量的影响。因此，为提高绿地的碳汇能力，可以选择固碳量较高的植物，并增加其数量。

表3 绿地植物群落固碳效益与群落特征因子相关分析

4 白马河公园碳汇功能分区及布局优化策略

4.1 碳汇功能优化设计流程

在城市绿地碳汇研究中，除了对各要素固碳能力进行优化提升之外，还应从增汇减排的角度提出设计策略。首先，分析设计要素与碳源碳汇的关联性，明确碳汇量化内容，提出碳汇优化目标。其次，依照公园绿地汇水分区的划分与各区植物特点，进行固碳与汇水功能的耦合分析，确定碳汇单元划分标准与具体范围，并从固碳和碳减排两个角度进行低碳技术的选择和应用。最后，结合具体计算指标阐明计算思路，构建碳汇计算方法(图1)。

图1 白马河公园碳汇功能优化设计流程

4.2 碳汇单元划分及布局模式

4.2.1 碳汇单元划分

以固碳和减排两个角度作为切入点，以植物和地形为变量，共划分4种不同类型的碳汇单元，即高固碳强减排单元、高固碳弱减排单元、低固碳强减排单元、低固碳弱减排单元(图2)，其面积之比为1∶5∶3∶4，具有高固碳优势的单元与强减排优势单元面积之比为6∶5(表4)。

图2 碳汇单元划分

表4 碳汇单元分类

4.2.2 不同碳汇单元布局模式提取

碳汇单元不同，其主导目标也不同。通过对4种类型的碳汇单元特点进行总结，提取4种布局模式，明确碳汇优势与劣势，并提出具体的改进建议，为类似低碳海绵型公园的优化提供数据支持(图3)。

图3 4种碳汇单元布局模式

高固碳强减排单元是公园的植被缓冲带，坡度较缓，植被群落固碳能力较强。以疏林灌丛草地为主，平均郁闭度和复层群落占比适中，高固碳树种占比为56%，且植物多样性较高，平均每1 000 m2有6种植物(表5)。

表5 高固碳强减排单元布局内容

高固碳弱减排单元是公园的密植林带区域，植物群落固碳能力强。复层群落占比75%，郁闭度在50%～65%，密林:疏林:草地＝10∶3∶1。随地形变化、视线要求种植不同种类植物，物种较丰富，植物种类平均为9种/1 000 m2，高固碳树种占比70%以上(表6)。

低固碳强减排单元处于公园雨水链开头和末端，分别引导雨水径流的汇集渗透和滞蓄利用。相较于其他单元，该单元拥有更多的LID设施，单元植被配置受限导致整体植物固碳能力低。汇集渗透单元由于绿地破碎且占比较小，而针叶植物占比较大，植物整体固碳能力较低，因而提升方法为种植平均胸径大、自身固碳能力强的落叶阔叶乔木。滞蓄利用单元以草本地被植物为主，应选用高固碳、适旱耐涝的草本地被植物，同时注意景观效果(表7)。

低固碳弱减排单元位于公园外围及部分植被缓冲带区域，包含广场及其相邻的林地，起到雨水汇集入渗、转输净化的作用。该单元草地面积占比较大；高固碳树种运用较少，低于50%；植被种类较少，约为5种/1 000 m2(表8)。

表8 低固碳弱减排单元布局内容

整体而言，在发挥海绵功能的公园绿地中，以植物固碳为主导的单元和雨水消纳功能主导的单元面积几乎相当，但同时满足两种情况的单元占比却极少(＜10%)，说明在这类公园中难以同时满足高固碳量和强减排功能。因此，在最初进行功能选择及绿地空间布局时，可进行碳汇单元划分，根据不同单元功能目标进行具体设计，以缓解“植物种植”与“径流削减”两者之间的矛盾。

4.3 植物群落优化设计模式

4.3.1 广场区域群落优化模式

广场区域绿地面积占比最小，植被层次单一，多为乔木或乔-草型结构，固碳总量较小。广场区域作为公园门户空间，需要满足基本使用需求和良好的景观效果，植物固碳类型为景观型。在丰富植被层次和景观季相变化的同时，应尽可能选择适应性较好的乡土树种，并且可适当增加高固碳树种(图4、表9)。

图4 广场区域群落优化模式示意

表9 广场区域群落优化模式

4.3.2 外围密植林带区域群落优化模式

外围密植林带区域植被层次最丰富，林下硬质场地少，游览人群少，是碳汇功能发挥的核心区域，植物固碳类型为固碳型。该区域存在植物长势较差、林下土壤裸露等问题，在优化过程中应尽可能选用高固碳植物，增加灌木和地被种类，提高植物群落丰富度(图5、表10)。

图5 外围密植林带区域群落优化模式示意

表10 外围密植林带区域群落优化模式

4.3.3 植被缓冲带区域群落优化模式

植被缓冲带位于中央生物滞留设施与外围环路之间，具有较大的碳汇潜力及一定的景观观赏价值，植物固碳类型为景观＋固碳型，应选用形态优美且具有较高固碳能力的植物。该区域具有减缓地表径流流速及去除部分污染物的作用，因此还需考虑植物的抗污染性，并通过种植灌丛、地被植物减缓径流对土壤的冲刷。优化后的植物群落模式的固碳量和整体生态效益都明显提升(图6、表11)。

图6 植被缓冲带区域群落优化模式示意

表11 植被缓冲带区域群落优化模式

4.3.4 生物滞留池区域群落优化模式

生物滞留池位于公园中央生态绿地，以雨水径流的储存调蓄功能为主。该区域植物层次不丰富，主要为单一地被植物且旱溪内多被杂草占据，景观效果及碳汇能力不佳。但由于生物滞留池具有重要的海绵调蓄功能，且该区域是公园视线焦点，因此植物配置既需要满足海绵要求，又应该注重视觉效果。综上，该区域植物配置在考虑地被植物固碳能力基础上，更应侧重选取景观效果佳的植物进行搭配(图7)。

图7 生物滞留池区域群落优化模式示意

5 结语

面对复杂的城市生态建设问题，基于城市规划建设单元的空间结构和城市生态系统多层级尺度特点，合理布局城市低碳绿色空间，探索低碳绿地提质增效优化设计方法与技术途径，并结合实践项目进行绿地碳汇提质增效的优化研究和应用，是双碳目标导向下研究的重点。而城市绿地中植物和土壤碳汇能力的提升，则是改善城市小气候，促进城市生态系统碳循环的基础路径。因此，基于近自然理念的解决途径，采用适宜的植物群落结构和土壤覆盖方式，以尽可能减少管理维护产生的碳排放并提升城市绿色空间的碳汇能力，同时构建适宜性植物群落数据库，可以为提升绿地碳汇实践提供科学依据。此外，结合白马河公园实践项目，考虑景观全生命周期，从增汇和减排角度进行碳汇单元划分和布局模式提取，针对具体要素的固碳能力优化，提出具有普适性的设计模式和方法路径，为后续低碳规划设计提供实际参考。