植被空间类型对城市绿地碳中和绩效的影响

收稿日期Received：2022-06-20""" 修回日期Accepted：2022-12-10

基金项目：国家自然科学基金项目（32171859，31300590）;江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）。

第一作者：杨云峰（yangyf@njfu.edu.cn），副教授。

*通信作者：

引文格式：

杨云峰，余春华. 植被空间类型对城市绿地碳中和绩效的影响. 南京林业大学学报（自然科学版），2024，48（2）：209-218.

YANG Y F，YU C H. Effects of vegetation distribution on the carbon neutrality performance of urban green spaces. Journal of Nanjing Forestry University （Natural Sciences Edition），2024，48（2）：209-218.

DOI：10.12302/j.issn.1000-2006.202206031.

摘要：【目的】通过构建城市绿地植被碳中和绩效评估体系，分析植被空间类型对绿地碳中和绩效的影响，为“双碳”目标下的城市绿地建设提供理论参考。【方法】基于生命周期评估视角，以安徽省青阳县三角洲公园为例，将绿地营建分为材料生产与运输、场地施工与种植、绿地运营与维护3个阶段，并结合开敞型、半开敞型、覆盖型和遮蔽型4种植被空间类型，进行碳排放与碳汇的模拟计算，进而分析碳中和绩效。【结果】植被空间由开敞转向遮蔽时，总碳排放量快速增长且趋势加快，3个阶段碳排放量占比依次表现为下降、持平和上升；总碳汇量及净碳中和量表现为趋势放缓的逐步增长，而碳中和所需年限对应表现为趋势放缓的逐步减少，由开敞型的43.9 a减少到遮蔽型的24.6 a，两者放缓的趋势都意味着植被空间的遮蔽程度对于碳中和绩效的提高是有限度的。【结论】城市绿地植被空间类型对碳中和绩效存在影响，针对其“开敞—遮蔽”特征总结了碳排放与碳汇两方面对策：碳排放方面，提倡减少机械使用、选择环保材料、控制施工破坏及提高能源利用效率等策略；碳汇方面，提倡选取当地碳汇优势树种、调节植被群落结构和结合生命周期进行绿地调控管理等策略，以因地制宜地改善绿地碳中和绩效。

关键词：城市绿地；碳中和绩效；碳排放；碳汇；生命周期评估；植被空间类型

中图分类号：S731；TU985.14""" 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1000-2006（2024）02-0209-10

Effects of vegetation distribution on the carbon neutrality performance of urban green spaces

YANG Yunfeng，YU Chunhua

（College of Landscape Architecture，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037， China）

Abstract： 【Objective】To provide a theoretical reference for urban green space construction under the “Dual Carbon” goal， we established a carbon neutrality performance evaluation system and analyzed the impacts of vegetation distribution on the carbon neutrality performance of green spaces. 【Method】 Based on life cycle assessments， green space construction was divided into three stages： material production and transportation， site construction and planting， and green space operation and maintenance， which were combined with open， semi-open， covered and closed vegetation types. Carbon emissions and sink simulations were performed to analyze the carbon neutrality performance.【Result】When the vegetation type changed from openness to closedness， the total carbon emissions increased rapidly and the trend accelerated. The proportions of carbon sources in the three stages decreased， leveled out and increased， respectively. The total carbon sink and net carbon neutrality both increased gradually. The number of years of carbon neutrality decreased gradually， from 43.9 years for open vegetation to 24.6 years for closed vegetation. These trends implied that there was a limit to the degree of vegetation shading for improving the carbon neutrality performance.【Conclusion】Vegetation type clearly has an impact on the carbon neutrality performance. In terms of carbon sources， strategies such as reducing machinery use， selecting environmentally friendly materials， controlling construction damage， and improving energy utilization efficiency are suggested. For carbon sinks， strategies such as selecting tree species that have dominant local carbon sinks， adjusting the structures of vegetation communities， and regulating and managing green spaces along with life cycles are suggested. Ultimately， we postulate that green space carbon neutrality performance can be achieved by adapting to local conditions.

Keywords：green space; carbon neutrality" performance; carbon emission; carbon sink; life cycle assessment; spatial type of vegetation

人为活动导致的温室气体排放是20世纪中叶以来全球变暖的主要原因。城市区域是化石能源利用与温室气体排放的集中地，减少城市边界内的CO2排放和增强碳汇，被认为是应对气候变化和减轻其对城市地区后续影响的两个关键对策。城市绿地是城市范围内直接增汇、间接减排的主要要素，其作为抵消CO2排放的有效策略，近年来，在大小两个尺度上得到了充分研究。宏观尺度下，2002年Nowak等建立了美国城市树木数据库来估计生物碳储量；2010年张颖等通过收集多年林木数据，建立了森林碳汇核算模型；2016年王敏等以空间、人口及绿地特征构建了城市绿色碳汇评价体系。微观尺度下，2005年韩焕金提出了常见树种固碳释氧量的计算方法； 2013年董延梅等以实测数据，对杭州园林树种固碳释氧的效益进行了比较；2020年林玮等测定了树种植物器官的含碳量，并构建出优良碳汇树种的评价体系。然而，目前的植物碳汇研究大多聚焦于区域生态系统或植物个体层面，中观尺度的城市斑块绿地及其植被群落的研究尚显缺乏。城市斑块绿地主要依靠植物的光合作用对CO2进行吸收固定。但由于绿地营建、设施更新、管理养护及植被自身有机碳的消耗，其产生的CO2会间接抵消植物等要素产生的碳汇，因而城市绿地在一定时间跨度上进行的是碳排放与碳汇相互抵消并最终形成长期碳汇的动态变化过程，该过程可以用CO2当量来表示和量化。

生命周期评估（LCA）是一种标准化方法，能够调查和评估某产品、生产过程或城市系统对环境的影响，其评估内容包括原料制造、运输、场地使用与维护等过程。已有多项研究使用LCA来评估城市中不同类型的绿地。如Strohbach等将碳足迹的方法应用到绿地设计和管理中，量化了绿地生命周期中碳排放与碳汇的变化； Kong等发现高强度的草坪管理会使绿地的碳汇效益逐步向碳排放转变；2020年冀媛媛等以居住区绿地的生命周期为例，研究了碳排放和碳汇的平衡过程。综合已有研究，不同学者虽然都应用了LCA来评估城市绿地的碳绩效，但对LCA本身的使用边界及指标内容尚未达成共识，存在计算指标遗漏、计算结果难以相互比较等问题。基于此，本研究针对城市绿地建设过程，构建和完善碳中和绩效量化评估体系，分析植被空间类型对碳中和绩效的影响，并提出相关策略，以期对“双碳”目标下的城市绿地建设提供理论参考。

1" 材料与方法

1.1" 研究区概况

安徽省青阳县（117°41′～118°05′E，30°19′～30°51′N）位于皖南北部，长江中下游南岸，是皖南国际文化旅游示范区的重要核心。三角洲公园位于青阳县中部，其北侧为商业用地，南侧为居住用地，西侧毗邻河道，设计面积约3.27 hm2。场地内现存部分待拆建筑，地形整体平坦，植被稀少。

1.2" 植被空间类型

诺曼·K.布思将园林植物空间类型分为开敞空间、半开敞空间、垂直空间、覆盖空间和完全封闭空间。本研究结合视线通透性、水平郁闭度和种植密度3项因子，将绿地植被空间类型划分为开敞型、半开敞型、覆盖型和遮蔽型4类（表1）。为保证公园的游憩功能，控制公园设计形式和硬质区域一致，进行4类植被空间类型的设计（图1）。

1.3" 绿地营建生命周期碳中和绩效评估方法

结合绿地营建活动过程中的工程和生态属性，将绿地营建活动划分为材料生产与运输、场地施工与种植、绿地运营与维护3个阶段。参考相关学者的研究，将生命周期的时长界定为50 a，在此时间跨度内预估绿地的碳中和进程。碳中和是指在规定时期内，人为排放的温室气体总量与通过植树造林、碳捕捉与封存等吸收总量相互抵消，达到平衡的过程。通过构建多层次碳中和评估体系（表2），细化LCA中不同碳排放与碳汇指标的计算方法，并使其量化结果均为CO2数值。

为衡量绿地建设效能，以半开敞型植被空间进行示例计算。选取各阶段碳排放量、总碳排放量、总碳汇量、净碳中和量及碳中和所需年限等指标，比较不同植被空间类型的碳中和绩效差异。

部分指标计算表达式为：总碳排放量CCO2= CP+ CC+ CO；总碳汇量CS，CO2= CS1+ CS2+ CS3；净碳中和量CCN=CS，CO2-CCO2；根据各阶段测算数据计算各阶段碳源量与碳中和所需年限N。

为便于估算，采用生物量扩展因子法计算乔木的碳汇量，并将其生长过程视作不受严重干扰的自然状态，扩展因子采用联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）清单指南中的相应数据。另外，考虑城市绿地的日常养护，灌木及草坪需经年修剪，因而本研究将灌木长势视作恒定状态，基于其基径，利用李晓娜等总结的生物量异速生长方程进行碳汇估算（表3），并忽略草坪。

2" 结果与分析

2.1" 碳排放计算结果

1）材料生产与运输阶段。

计算硬质材料生产、运输及植物材料运输产生的碳排放。硬质材料主要为铺装用料，参照《建筑碳排放计算标准》中的碳排系数（指每单位材料的CO2当量排放量，使用该材料的常用计量单位），计算得出硬质材料生产碳排放约为1 653.65 t（表4）。

其中，硬质材料来自合肥建材中心（距场地约200 km）和青阳县本地（距场地约40 km），运送卡车的油耗碳排系数参照重卡油耗分类数据，结合往返运输距离，硬质材料运输阶段碳排放约为185.87 t（表4）。植物材料均就近从池州市苗圃（距场地约85 km）运输，参照苗木表和运输距离，植物材料运输碳源约为23.59 t（表5）。因而，材料生产与运输阶段的CP为3部分碳排放之和，约为1 863.11 t。

2）场地施工与种植阶段。

计算建筑清理、平整场地、建筑垃圾外运、土方运入、地形塑造、植物栽植等营建活动碳排放，根据现场实际工程量进行专家预估，碳排放约为129.22 t（表6）。另外，施工人员通勤以2个月计，油耗约115 L，则碳排放0.25 t。因而，场地施工与种植阶段的CC合计约为129.47 t。

3）绿地运营与维护阶段。

计算植物修剪、取水灌溉、肥料养护、灯具能耗、小型建筑能耗、旅游与绿化垃圾处理、铺装更新和绿篱乔木补植等碳排放。其中，5项运营维护碳排放每年度约6.58 t（表7），50 a合计328.79 t；灯具及小型建筑能耗，参照2019年中国区域电网基准线 进行计算，每1个年度约为16.76 t（表8），50 a合计838 t；铺装与植物更新碳排放每5个年度约149.52 t，50 a合计约1 495.21 t（表9）。因而，绿地运营与维护阶段的CO约为1 824.83 t。

最终，在生命周期评估（LCA）视角下，半开敞型植被空间类型的三角洲公园，50 a总碳排放量（CCO2）为3 817.41 t。使用相同的评估体系，分别对其他3类植被空间进行碳排放量化，得到开敞型CCO2为3 632.64 t，覆盖型CCO2为4 169.15 t，遮蔽型CCO2为4 519.66 t。

2.2" 碳汇计算结果

1）植被碳汇。

植被碳汇是绿地碳汇的主要来源，植被的细分类型及其叶面积、生长模式和生物量密度都会对碳汇效益产生影响。

LCA视角下乔木碳汇量将受乔木生长变化的影响，因而需总结乔木生长规格随树龄变化的趋势，借鉴张杰伟与王曦对安徽省7种常见园林树种生长模型研究中的多年胸径及株高数据，利用SPSS 26.0进行方程曲线回归比较（表10），得出关于常绿、落叶树种胸径及株高的年龄函数（表3）。

经计算，在LCA视角下，绿地乔木和灌木50 a碳汇CS1为7 979.62 t（表11）。

2）水域和土壤碳汇。

水域碳汇以水面吸收为主时，计算公式：CS2=Cwater×Awater。其中：CS2为水域碳汇总量；Cwater为河湖碳汇速率，取0.567 t/（hm2·a）；Awater为水域面积，三角洲公园取0.313 hm2。故每年水域碳汇量为0.177 t，50 a合计CS2约为8.87 t。

土壤碳汇以表层土壤吸收为主时，计算公式：CS3=Csoil×Asoil。其中：CS3为土壤碳汇总量；Csoil为造林后土壤碳汇速率，取0.579 t/（hm2·a）；Asoil为绿化土壤面积，三角洲公园取1.891 hm2，故每年土壤碳汇量为1.095 t，50 a合计CS3约为54.74 t。

最终，将植物碳汇、水域碳汇及土壤碳汇求和，则50 a合计碳汇量（CS，CO2）约为8 043.23 t。使用相同的评估体系，分别对其他3类植被空间进行碳汇量化，可得开敞型CS，CO2约为4 600.57 t，覆盖型CS，CO2约为11 256.65 t，遮蔽型CS，CO2约为14 439.93 t。

2.3" 不同植被类型碳中和绩效分析

对3个阶段碳排放量CP、CC、CO、总碳排放量（CCO2）、总碳汇量（CS，CO2）、净碳中和量（CCN）及碳中和所需年限（N）等碳中和绩效指标进行不同植被群落空间类型的比较，结果见表12。

2.3.1" 碳排放分析

从总碳排放量来看，植被空间由开敞转向遮蔽时，CCO2呈正向增长，由3 632.64 t增加到4 519.66 t（表12），且增长趋势逐渐加快。

从材料生产与运输、场地施工与种植和绿地运营与维护3个阶段来看，植被空间由开敞转向遮蔽时，CP、CC及CO三者碳排放量都呈正向增长，但其碳排放占比和增长幅度各有特点。3个阶段的碳排放量占比依次表现为下降、持平和上升，且前两个阶段碳排放增速缓慢，后一个阶段碳排放增速较快。

材料生产与运输碳排放CP由1 853.38 t增长到1 883.61 t，CCO2占比较高，维持在42%～51%（图2a），碳排放量增速缓慢，占比下降；场地施工与种植碳排放CC由126.51 t增长到141.32 t，CCO2占比较低，维持在3%，碳排放量增速缓慢，占比持平；绿地运营与维护碳排放CO由1 652.76 t增长到2 494.73 t，CCO2占比较高，维持在46%～55%，且碳排放量增速较快，占比上升。

碳排放占比方面，植被空间趋向遮蔽时，植物材料数量上升，3个阶段中对应植被运输、种植及维护的碳排放量相应提升，但CP、CC中涉及植被的计算指标较少，碳排放量提升较不明显，而CO中涉及植被管理维护的碳排放指标较多，碳排放量提升显著；碳排放增速方面，3个阶段在周期跨度上并不一致，CP、CC的计算以施工结束为终点，碳排放量有限，增速缓慢，而CO的计算以50 a的生命周期进行累计，并将在该时间跨度外继续上升，因而增速较快（图2b）。

2.3.2" 碳汇分析

植被空间类型由开敞转向遮蔽时，总碳汇量CS，CO2、净碳中和量CCN都呈正向增长。CS，CO2由4 600.57 t增长到14 439.93 t；CCN由967.93 t增长到9 920.27 t（表12），相应地，碳中和所需年限N表现为逐渐减少，由开敞型43.9 a减少到遮蔽型24.6 a。植被材料数量的迅速上升，能够带动CS，CO2和CCN的快速增长，但其增长规模却逐步放缓，不同植被空间类型间的碳汇差值正在缩小；而碳中和年限N的减少趋势也显著缩短（图3）。两者趋势放缓都意味着植被空间的遮蔽程度对于碳中和绩效的提高是有限度的，在现实的设计营建中，应结合实际情况和建设成本综合考虑，不可一味追求高碳汇绩效。这与Wang等指出的密植不是高碳汇效率的必要条件，部分开敞式绿地也具有较高的碳吸收效率的结论有相同点。

CS，CO2和CCN的增长、年限N的减少都得益于植物数量、层次和群落结构的显著提升，植被整体碳汇能力得到加强，碳汇总量得以上升。而CS，CO2和CCN增长趋势放缓、年限N减少趋势放缓，一方面是由于植物材料增加，相应车辆运输、机械栽植、修剪灌溉、施肥养护等碳排放成本在生命周期中累计提高；另一方面，遮蔽度的上升对植物的生长空间和光照限制的影响将逐步放大，从而对植被碳汇量的累计产生负面影响。

3" 讨" 论

针对绿地碳中和绩效结果，对绩效提升进行碳排放和碳汇两个方面的策略探讨，以期绿地能更高效地满足建设需求。

3.1" 碳排放降低对策

1）材料生产与运输。CP的总碳排放量占比较高，增速缓慢。一方面，可通过缩短运输距离和减少各类机械使用等方式，降低柴油等化石燃料的消耗；另一方面，提倡在设计阶段了解相关材料的碳排放系数，选择碳排较低的新型环保材料替代传统材料，以降低碳排放。

2）场地施工与种植。CC的总碳排放量占比较低，增速缓慢。在绿地建设时，应尽量挖填方相互转换，减少外部土方运入；同时，在进行挖掘、移动、夯实、改变面层等人为活动后，对原有场地土壤基质土壤碳汇循环将产生负面影响，因而应控制建设强度和降低施工对场地基质的破坏，以降低碳排放。

3）绿地运营与维护。CO的总碳源量占比较高，增速较快。在绿地的日常维护管理中，应减少化肥使用，将落叶等生物废弃物回收处理，转化为绿化有机肥就地处理；同时，提高能源利用效率，改变传统照明模式，采用新型多级街道调光模式，对比传统照明可节省60%的电能。

3.2" 碳汇增加对策

1）选取碳汇优势树种。绿地植被碳汇量与植物个体的种类、胸径、冠幅、叶面积等指标相关。木本植物由于较长的生长周期，且较低的维护水平，对比草本植物能更有效地提升绿地碳汇。本研究的植被碳汇计算将乔木划分为常绿和落叶两类，根据安徽省多种常用乔木的实地数据进行拟合，两者碳汇曲线也呈现出一定特点，其碳汇能力随种植时间增加的提升幅度存在差异，可针对性地应用于城市中不同的绿地场景。

园林绿地建设中应用的乔木胸径大多在8 cm以上，以该胸径作为两类乔木碳汇对比的起始数值。以本研究数据为例，在LCA视角下，在前25 a的生长期内，常绿与落叶乔木的碳汇量十分接近，落叶树种略高于常绿树种；当生长时间超过25 a，常绿树种的碳汇量将显著超越落叶树种，因而若追求绿地的长期碳汇能力，可结合景观效果和使用需求，在种植设计中多使用常绿树种。

具体乔木方面，董延梅测算了杭州57种园林树木固碳效益，乔小菊研究了南京常见乔灌木树种的光合特性，姚侠妹等评估了安徽沿淮地区树种的固碳效益，借此可以统计出长三角地区的碳汇优势树种为广玉兰、垂柳、香樟及悬铃木等，相应地区可据此选择树种种植。

2）调节植被群落结构。植被群落的垂直结构、郁闭度、种植密度和树种组成等特征通过影响群落内植物的生长速率、微环境、凋落物等因素影响绿地碳汇。Escobedo等认为在植物群落垂直结构中增加灌木和低矮小乔木有助于增强碳汇效应，即多层次的垂直结构有助于碳汇提升。此外，合适的栽植密度也有助于养分的利用和凋落物的分解，从而改善碳汇。通过不断调整种植密度和郁闭度，在4类植被空间的基础上，选取“开敞—遮蔽”过程中更多的区间值进行模拟计算，以总结群落特点与碳汇趋势的关系。

植被空间从开敞趋向遮蔽时，CS，CO2和CCN的增长规模逐步放缓，年限N的减少趋势也相应放缓，这意味着植被群落空间结构的调整对于碳中和绩效的提高是有限度的，因而调整过程不能一味追求复杂和密植，其优化模式和适用场景可结合城市绿地分类具体考虑。如开敞型植被空间适合城市广场、各类附属绿地和部分社区公园；半开敞型和覆盖型植被空间则整体上更适合综合公园和各类专类公园；封闭型植被空间则更适合以生态价值优先的风景游憩绿地和生态保育绿地。

3）生命周期下的绿地调控管理。在现实场景中，公园的功能定位作为首要因素控制着植被空间类型的选择。各类强调游憩交往等社会需求的城市绿地，对空间开敞程度有较高要求，应满足首要需求后，再兼顾碳中和生态绩效；而城市边缘地区以自然环境和生态效益优先的郊野公园、森林公园及风景游憩绿地，在建设时宜考虑营造趋向遮蔽的植被空间，从而获得较好的碳中和绩效，使其完成自身碳中和后，尽早地为城市中其他土木工程提供碳汇服务。另外，绿地的植被空间状态并非静态不变，考虑到大背景下城市的演替和更新，绿地的植被空间类型在生命周期内可根据特定场景和实际需求进行相互转化。一方面，当原有绿地植被现状较差或中小型绿地成为城市生态触媒点进行提升更新时，可通过补植、抚育和营林等手段，将植被空间由开敞型向遮蔽转型；另一方面，原城郊以生态效益为主的部分绿地空间，随着城市化推进，逐步被纳入城市内部，为适应社会游憩需求，可通过移栽间伐等手段，将植被空间由遮蔽型向开敞过渡，以促进空间转变。

城市绿地在生命周期评估（LCA）视角下，受碳排放与碳汇两方面影响，最终迈向碳中和。本研究以青阳县三角洲公园为例，初步构建了城市绿地碳中和绩效评估体系，并通过相关指标的多次量化计算，明确了植被空间类型对碳中和绩效的影响。其中，植被空间由开敞转向遮蔽时，总碳排放量及3个阶段的碳排放量都呈现增加趋势，但其增加规模和速率各有其自身特点；碳汇方面，总碳汇量和净碳中和量都表现为持续增长但增长趋势逐步放缓的情况，而碳中和所需年限也呈现出与之相应的态势。最后，本研究针对绿地植被空间的“开敞—遮蔽”特征，总结了碳源与碳汇两个方面的相关对策，以期因地制宜地改善绿地碳中和绩效，从风景园林学的视角助力“双碳”目标的实现。

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（责任编辑" 郑琰燚）