低碳视角下西北地区城市绿地的适水种植设计途径*

许博文 刘 晖 曹 朔

西安建筑科技大学建筑学院 西安 710055

近年来，国家提出的碳达峰、碳中和战略对城市绿地提出了新标准、新要求。在全球气候变化的趋势下，绿化建设成为一种流行的减缓气候变化的自然解决方案，并得到多个国家的重视，例如澳大利亚墨尔本和英国伦敦提出了“都市森林战略”和“全球最绿色城市”。但是，作为城市中的耗水大户，城市绿地的维护管理也是景观全生命周期的主要碳排放来源之一，且以灌溉导致的碳排量最高[1-2]。

在水资源稀缺的中国西北地区，城市绿化耗水导致的水资源与能源双重消耗及其带来的碳排问题更加不容忽视。一方面，根据国家统计局数据，近5年西北地区城镇化率从54.76%上升到61.58%，西北六省区62个地级及以上城市建成区绿地面积增长了约397.18 km2，约1/3城市的绿地面积增幅超过25%这一全国平均水平[3-4]；加之城市建设用地紧张，为了满足城市绿地率标准，在城市外围规划建设了大量采用常规园林绿化种植的“生态型”绿地，大大超过了水资源的承载能力。另一方面，西北地区水资源量仅占全国的5.7%，单位绿地面积的灌溉养护耗水却是水量丰沛地区的3～4倍[5]，且长期大量使用自来水浇灌绿地，而自来水的产生要经过一系列取水、给水、用水、排水及污水处理等各种供、排水设施，需要大量的能源投入与消耗[6]。

当前关于“双碳”目标下的城市绿地规划设计研究可以归纳为“增汇”和“减源”两方面。从“增汇”角度而言，相关研究指出提升城市绿化种植结构丰富度可以增加绿量进而提高碳汇能力[7-9]；从“减源” 角度而言，相关研究指出了景观维护阶段灌溉产生的碳排放问题，并从节水灌溉、智慧园林养护角度提出相应的设计策略[10-11]。然而，在城市中扩大绿化种植及其绿量意味着更多的灌溉养护投入，且仅从绿化种植后期开展节水灌溉也难以从根本上改善和满足气候变化背景下日益增长的用水需求。因此，为满足当前应对气候变化的绿化种植需求，本文分析西北地区城市绿地用水现状及其碳排放问题，将绿化种植设计及其耗水耗能相关联，并基于城市场地空间特征影响下的水分条件与不同植物需水的关系，探索缓解绿化种植耗水及其碳排放问题的可持续设计途径。

1 节水减碳目标导向下的城市绿地适水种植设计

1.1 城市绿地适水种植的节水减碳原理

在自然环境中，植被分布与水文条件高度耦合并达到自平衡状态，植被依靠自然降水即可成活，亦不会产生碳排放问题。在城市环境中，由于植物生长立地条件的改变和人为需求的干预，自然状态下植被与水之间的平衡关系被打破，形成了城市中人为干预下新的平衡关系，而维持这种平衡关系所依赖大量的人为做功是造成能源消耗及碳排放问题的重要原因，具体表现在城市绿化用水水源和用水模式2个方面。首先，用水水源“高质低用”，使用自来水浇灌绿地需要消耗大量的能源导致碳排放增加；其次，因在种植设计阶段忽略了有限水资源与植物需水之间的匹配关系，从而导致绿化后期养护按需供水的被动用水模式，过度的用水消耗造成水资源与能源的双重浪费，并加剧碳排放。

从植物生长的客观规律来看，一方面，城市园林植物对于用水水质要求并不高，不仅不需要纯净的自来水，反而需要适度的“营养”；另一方面，在西北干旱地区，由于微小的水分条件改善即可对植物生长产生重要影响，在城市环境的局部生境中，地表汇水低洼、背风、背光坡向等空间特征形成的不同水分立地条件即可造就多样化的植物景观[12]。因此，遵循水与植物这一对生态因子耦合的内在机制，充分利用城市空间特征影响下的不同水源类型及其水分条件与不同植物需水的关系，可以在最大化节约水资源的基础上形成良好的绿地植物景观，从而达到节水减碳的双重效益。

基于此，本文以低影响手段提高城市绿地植物与水因子的适配性为出发点，提出城市绿地“适水种植”设计途径。“适水”(Water adaptation)的概念源于“适应”(Adaptation)，城市绿地“适水种植”设计本质在于减少人为做功，最大程度还原自然状态下水与植物的适应关系。

1.2 城市绿地适水种植的内涵

城市绿地适水种植的核心思想在于对绿地用水水源和用水模式2个层面的优化，以提高用水效率和用水效益，实现节水节能的双重目标(图1)。

图1 城市绿地适水种植的用水特点

首先，在用水水源上，不同于常规绿化用水以自来水为主的用水特点，适水种植设计中应丰富水源类型，注重对非传统水源的利用，同时优先选用低碳排放的水源，少用或不用高碳排水源。其次，在用水模式上，改变常规绿化按需供水的被动用水模式，通过生境集水和适水种植，采用以供定需的用水模式，强调对植物种植设计的需水管理，以最大限度保证城市绿地种植与场地水分条件的匹配关系，避免无节制使用水资源而造成水资源和能源的浪费。

1.3 低碳排放的城市绿地用水水源选择

在适水种植设计模式中对低碳排放用水水源的选择是关键。城市中可供绿化应用的水源主要有传统水源(自来水、地表水)和非传统水源(降雨及其径流、中水、空调冷凝水)2大类，由于不同用水水源的利用方式及供水设备不同，其单位用水碳排放和间接碳减排放量也有所不同，参考各类用水水源的电耗研究成果[13-16]，结合中国西北区域电网平均排放系数0.667 1 kg CO2/kwh，估算出各用水水源的单位用水碳排放量(表1)。

表1 不同城市绿地用水水资源类型特点及其碳排放量 kg/m3

由表1可知:首先，由于供水设备流程的复杂程度，自来水是碳排放最高的水源，同时中水虽为非传统水源，一定程度能起到节水作用，但因需要深度处理加工后使用，碳排放也较高。其次，地表水(江河水、湖泊水、灌溉渠)用于绿化灌溉只需就近采用泵站取水即可，虽为传统水源，但使用的碳排放也较低。最后，降雨及其径流、空调冷凝水2类水源的碳排放相对较低，其中，对于雨水资源的利用，在近年来的低影响开发设计实践中已得到广泛重视，雨水资源既可直接入渗绿地作为用水水源补充，同时城市环境中约2/3不透水下垫面的降雨产汇流也具有可观的水量；而空调冷凝水虽品质高、生成点分散且量小，但总量大、应用成本低[17-18]。

综上，在城市绿地适水种植设计实践中，各类绿地均应充分利用降雨及其径流，在建筑集中的场地则应注重对空调冷凝水的利用，对于此2类水源应优先就地最大化利用的同时辅以收集回用；中水和地表水可作为重要的补充水源，并应根据当地水务部门分配给园林绿地的用水量来取水；自来水则应少用或不用。

1.4 “生境集水+适水种植”的低影响设计模式

区别于常规绿化种植多注重后期维护的节水特点，适水种植设计的另一关键内容为“生境集水＋适水种植”的低影响设计模式，其本质是采用低影响的设计手法对常规设计流程进行优化，以此达到在规划设计阶段就充分考虑场地水分条件与植物需水的匹配性。将植物用水前置考虑，进行适水优化设计，变被动用水为主动调水，减少后期维护用水压力，实现节水减碳的双重目标(图2)。

图2 城市绿地适水种植的设计流程

生境集水就是通过场地生境优化设计，汇集增加场地植物可利用水分，减少土壤水分的无效蒸发，最大化让自然做功，将可利用水源尽量多地留在土壤中为植物所用，同时为不同的植物景观营造创造多样化的水分生境条件。适水种植就是在生境优化集水的基础上，对场地土壤水分分布进行充分评估，并协同其他景观设计要素布局进行适水性种植设计，从而最大化实现植被耗水需求与土壤水分供给之间的高匹配度，减少供需失衡导致的低效用水。此外，在土壤水分补给与植被耗水需求匹配程度最优的种植设计基础上，通过节水灌溉措施精准补给绿化所需水量，即可实现人为做功的最小化，以此达到用水的低投入和低维护，最大限度地减少用水及其碳排放。

2 城市绿地适水种植设计途径

2.1 场地生境优化集水

土壤水是植物生长的直接水源，任何不同形式的水均需转化为土壤水才能为植物所利用，因此进行场地生境优化集水就是利用生境因子将各类水资源转化为土壤水。现实中影响土壤水分收支的因素是多方面的，针对中国西北地区年降水量和日最大降水量相对较小、蒸发量大且地带性土壤多具有较强渗透性的特点，综合分析各生态因子对土壤水分的影响，以及场地设计可人工干预的生态因子，确定小气候条件(日照、风环境、热环境)、地形及竖向条件、土壤物理性质3类生境优化“集水”影响因子。本文通过总结3类生境因子作用于土壤水分的空间变量，提出相应的设计变量及场地设计影响方式(表2、图3)，根据场地条件可选用一种或多种生境优化集水策略用以丰富场地水分条件。

表2 生境集水影响因子及其设计影响方式

图3 生境优化集水设计模式

2.2 适水性种植设计

适水性种植设计的核心在于依据水分条件及其分布来匹配相适应的种植类型，简而言之，就是在水分条件好的场地布置更高的绿量，水分条件较差的地方布置较少的绿量。然而由于在城市绿地种植设计实践中，绿化种植需同时满足人群的基本景观和功能需求，因此，适水性种植设计应协同种植设计的基本景观和功能需求，以生境优化集水为基础，根据生境优化后的场地水分生境特征开展具有不同需水量特点的种植设计。

不同需水量的植物种植可通过改变植物配置方式、种植类型和种植密度3个层面进行设计优化。首先，生态化的植物群落构建模式可以改变绿化种植对水分的需求，例如，相比于常规绿化植物配置方式，自生植物群落改良和近自然植物群落种植的配置方式具有较低的灌溉养护需求[19]，因此大面积的城市生态绿地可参考项目所在地的区域地带性植被类型，构建以节水型、低维护型的近自然植被景观为主。其次，耐旱低需水量的植物景观营造对于西北地区尤为关键，由乡土物种构成的林地、灌丛和草地等单层植被结构类型，以及灌草丛、疏林草地等双层植被结构类型(草本层以禾本科自生植物为主)往往具有较低的水分需求。最后，通过降低种植密度，同时采用枯枝落叶等有机覆盖物覆盖裸露地表，进而减少蒸发的同时降低种植的耗水需求。

在生境优化集水和适水性种植设计的基础上，对土壤水分供给与植被耗水需求的供需平衡关系进行量化评估，若土壤水分供给与植被耗水需求的匹配程度未达到最优，则可优先通过上文生境优化集水措施及其组合对场地水分条件进行优化调配或改变种植设计的需水特点，再以节水型精准灌溉措施为补充，最终输出综合匹配程度最优的适水种植设计方案(图4)。其中，土壤水分供给可通过水量平衡法计算，主要由有效降水、生境优化集水额外补充的入渗量和减少的蒸发量构成，植被耗水需求可通过景观系数法进行计算[20]。

图4 城市绿地适水种植设计模式的技术途径

2.3 节水型精准灌溉

作为城市绿地种植适水优化设计的重要补充，节水型精准灌溉设计的关键在于针对不同植物配置方式、种植类型进行针对性的节水灌溉方式，从而实现人为做功的最小化。节水型精准灌溉设计可以从是否需要设置节水灌溉装置和设置何种节水灌溉装置2个层面开展。首先，大面积城市生态绿地的生态保育、修复区往往不宜设置固定的灌溉装置，其大部分种植区域绿化种植应以自生植物群落改良、近自然群落种植的配置方式为主，采用短期养护灌溉方式(只需在移栽到植物成活期的一段时间内进行灌溉、成活后一般不需要灌溉)即可。其次，对于需要进行长期养护灌溉的绿地，应设置节水灌溉装置，且根据不同的种植类型的选择不同的节水灌溉装置；在灌溉时间上，可在春季返青和秋季封冻时进行关键阶段充分灌溉，其他阶段可采取非充分灌溉。

3 城市绿地适水种植设计实践案例

南门花园位于西安建筑科技大学校园南大门入口的东侧，属于附属绿地，用地狭长，总面积约855 m2，其中铺装面积168 m2，绿地面积687 m2。南门花园绿地种植包括钢板花池种植区、雨水花园种植区、自生群落改良区、乡土植物种植区、园艺植物种植区5个种植分区，各种植区的适水种植设计策略(图5)及其土壤水分与植被耗水的供需平衡关系估算如下(表3):

表3 南门花园各种植分区的水分供给与需求量化情况

图5 西安建筑科技大学南门花园适水种植设计实践

1)生境优化集水。首先，通过对南门花园场地用水水源条件的分析，确定了建筑屋面雨水、地表径流、空调冷凝水等可用水源，其中，650 m2的建筑屋顶雨水和2台空调外机的空调冷凝水分别经过4处雨水落水管和2处排水管汇集至钢板花池种植区；地表径流通过地形竖向及雨水组织汇集至雨水花园种植区。其次，通过对场地小气候条件的分析，确定了以日照为主导的阳生区、建筑西照半阳生区、建筑阴生区3种生境类型[23]，这3种生境类型代表了不同的蒸散发特点。最后，根据种植需求对部分种植区的土壤添加砾石、松鳞等覆盖物，减少了土壤水分蒸发。

2)适水性种植设计。钢板花池种植区中，在建筑阴生区承接屋面径流的雨水种植池营造喜阴喜湿的蕨类群落，此处生长了数十种蕨类植物；在建筑半阳生区域种植以糙苏 (Phlomis umbrosa)、八宝景天(Sedum spectabile)、蓍草(Achillea millefolium)等耐旱的乡土植物为主。在雨水花园种植区营造了适旱耐积水的乡土地被植物群落，种植了以涝峪薹草(Carex giraldiana)、千屈菜 (Lythrumsalicaria)、黄菖蒲 (Iris pseudacorus)和马蔺(Iris lactea)为主的乡土地被植物。在自生群落改良区，通过对场地中一块区域的自生植物保留并进行改良设计，营造了兼具景观效果且不需人工养护灌溉的群落配置模式。乡土植物种植区和园艺植物区则分别种植了以乡土耐旱植物为主和以常规园艺植物为主的不同植物种类。

3)节水型精准灌溉。南门花园通过场地生境优化集水和适水性种植设计显著减少了浇水量:自生群落改良区和钢板花池的蕨类种植区仅在建植初期进行了灌溉养护，此后全年无需灌溉，除蕨类种植区以外的钢板花池种植区、雨水花园种植区和乡土植物种植区全年只需在春夏季的关键时段补充灌溉(一年按8次计算)，园艺种植区则按照常规绿地养护灌溉。需要说明的是，虽然部分种植区的年有效降雨量就已超过或基本满足植物的年需水量，但是由于降雨与植物需水的时间分布特征不同，在春旱及夏季的持续干旱时期仍需对植物进行灌溉补给。

综上，西安建筑科技大学其他校园绿地灌溉养护主要采用城市自来水，基于欧玉民等[5]的研究，每天每平方米绿地的灌溉需水量按2 L进行计算，除去无需灌溉的降雨天气和冬季时间(由近3年西安的降雨数据可知该城市年均降雨天数为61天，冬季时间按3个月，90天计算)，每平方米绿地全年灌溉需水量约为428 L。综合加权计算分析南门花园每平方米绿地全年灌溉水量约120 L，相比于其他校园绿地，每年每平米可节约自来水308 L，间接碳减排放约0.21 kg，南门花园共计687 m2绿地的每年间接减碳量为144.3 kg。

4 结语

通过扩大城市绿化种植的方式应对气候变化的做法已在世界范围得到广泛认可，其所带来的水资源消耗、能源消耗及其碳排矛盾可通过城市绿地种植的适水优化进行协调。城市绿地适水种植设计的关键在于充分利用城市空间特征影响下的水分条件与不同植物需水的关系，遵循水与植物这一对生态因子耦合的内在机制，以低影响手段提高城市绿地植物与水因子的适配性，核心设计策略包括3个方面。首先，以非传统水源、低碳排放水源为适水优化设计的用水基础；其次，通过场地设计充分结合利用小气候、地形竖向、土壤条件3类生境因子，将可利用水源尽量多地就地留在土壤中为植物所用；最后，通过适水性种植设计最大化实现植被耗水需求与土壤水分供给之间的高匹配度，减少供需失衡导致的低效用水，并辅以节水灌溉措施精准补给绿化所需水量，最终达到用水的低投入和低维护，最大限度地减少用水及其碳排放。本文提出的城市绿地适水种植设计途径旨在为开展科学化的西北地区城市绿地种植设计提供技术支持，对城市绿地低碳可持续设计具有实践指导意义。