城市高密度地区绿色碳汇效能评价指标体系及实证研究——以上海市黄浦区为例

王敏  石乔莎   2016-11-24 22:17:47

王敏 / WANG Min

石乔莎 / SHI Qiao-sha

摘 要:提升城市高密度地区绿色碳汇效能是缓解城市生态环境问题、促进城市可持续发展的有效途径。以反映城市高密度地区空间和人口特征以及绿地发展特征为基础,构建城市高密度地区绿色碳汇效能评价指标体系,并选取上海市黄浦区为研究空间范畴,以城市公共空间的绿地为具体评价对象,进行中微观层面的深化实证研究。最后,通过评价结果的对比分析探讨城市绿色碳汇效能优化设计策略。

关 键 词:风景园林;城市绿地;绿色碳汇;效能;评价指标;城市高密度地区

文章编号:1000-6664(2016)08-0018-07

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2015-06-14;

修回日期:2016-06-01

基金项目:国家科技部“十二五”科技支撑计划“城镇群高密度空间效能优化关键技术研究”(编号2012BAJ15B03)资助

Abstract: Improving green carbon sequestration efficiency is the effective approach in improving the urban eco-environment and promoting the urban sustainable development. Considering the spatial, population and greening development features of urban high density areas, the paper establishes the evaluation index system, and then makes an empirical and further study in urban public spaces of Shanghai Huangpu District from the middle-micro scale. Finally, several efficiency optimization strategies of green carbon sequestration are proposed after contrastive analysis on the evaluation results of case study.

Key words: landscape architecture; urban green space; green carbon sequestration; efficiency; evaluation index; urban high density area

1 研究背景与研究目标

城镇化产生的人口膨胀、资源枯竭、环境恶化等问题,以及城市建设与人口、用地之间的矛盾在城市高密度地区日益突显。能源和碳排放对于发展的影响和约束越来越强,节能减排已成为保障地区可持续发展的关键。城市绿地是城市范围内唯一的直接增汇、间接减排的要素[1],如何利用有限的空间资源更大地发挥绿色碳汇效能,是城市高密度地区绿地生态效能优化技术领域亟待解决的重点和难点。

绿色碳汇是指植物、土壤和水体对大气中CO2的吸收和固定。绿色碳汇效能的研究重在考察单位时间内新增固碳量的效率与能力。城市高密度地区的绿色碳汇是一个复合的系统,主要包括3个部分:1)城市绿地植物所固定、积累的净碳量;2)城市绿地范围内的土壤以有机和无机的形式储存碳而形成的土壤碳库;3)城市绿地中的水体,主要包括沼泽、湿地等,通过污泥、水生动植物和水溶解等形成碳库[2]。首先,在上述3个部分中,植被碳汇是主体,植物种类、年龄、规格等对其年固碳能力起决定性作用[3]。其次,城市高密度地区的绿地类型及其土壤深度、层次、结构等相对稳定,土壤碳储量逐年变化不明显;绿地土壤在灌溉、施肥等管护过程中产生的碳排放,部分甚至全部抵消城市绿地土壤每年新增的固碳效益[4],目前对于城市绿地土壤碳汇能力的研究多集中于碳储量总量的估算,尚未有权威研究测算绿地土壤的每年新增固碳量[5-6]。再次,城市中的大面积水体通常归属非建设性用地,城市高密度地区绿地的水体碳汇往往受到湿地数量、位置、面积大小等的限制,所能够发挥的绿色碳汇效能有限。为此,本研究对于城市高密度地区绿色碳汇效能的评价与优化主要考虑城市绿地中的植被碳汇。

目前国内外关于城市绿色碳汇的研究,主要涉及宏观层面的大尺度(主要集中在城市非建设用地范围)森林、土壤碳储量与动态变化特征,以及细微观层面的个别树种的碳汇能力研究[7-10],量化成果难以直接指导城市绿地生态空间碳汇效能的整体性规划导控、系统化综合提升并进而转化为规划设计优化技术导则。在综合评价方面多以定性为主,定量支撑更多地体现在个别树种的碳储存、固碳效益等单要素专业分析评价方面,缺乏科学的评价指标与系统的评价体系[11-14],在全面衡量和动态反映城市绿色碳汇能力、反映城市高密度地区发展特征、深层次揭示发展规律等方面尚显不足。本研究尝试构建城市绿色碳汇效能评价体系,旨在多维度客观地揭示城市高密度地区绿色碳汇发展特征和效能水平;并选取上海市黄浦区为研究空间范畴,以城市公共空间的绿地为具体评价对象,进行中微观层面的绿色碳汇效能深化实证研究,进一步完善评价过程中关键数据获取和评价指标计算的可操作性和典型性;最后通过评价结果的对比分析,探讨城市绿色碳汇效能优化设计策略,为城市绿地空间发展决策提供综合量化评测支撑。

2 评价方法与体系构建2.1 评价方法确立

目前,绿地生态效益的研究趋势已经从单一的指标法转向以货币、数量模型为代表的多种方法系统分析的研究过程,主要包括基于货币化、基于数量模型和基于景观格局的生态效益评价[15]。本研究基于数量模型构建城市绿色碳汇效能评价体系,通过分析梳理构成要素和影响因子与城市绿色碳汇生态服务水平之间的数量关系,以定量计算的方式得到表征绿色碳汇效能的若干主要评价信息。

2.2 评价指标体系构建

研究过程中,评价指标的选取和确定需要反映城市高密度地区高空间密度、高人口密度和高用地强度的特征,体现城市该类地区的绿地发展状况并考虑与现有的城市绿地评价考核和规划管理相衔接,并且遵循评价指标的整体性、动态性、可操作性、具代表性等四大原则[16]。本研究构建的城市高密度地区绿色碳汇效能评价指标体系如表1所示,主要从4个方面进行衡量:1)针对高空间密度特征,从绿色生态空间高效配置的角度,提出绿色碳汇毛密度;2)针对绿地发展特征,从绿化用地植被优化的角度,提出绿色碳汇净密度;3)针对高人口密度特征,提出人均绿色碳汇指标;4)针对绿地维护特征,面向低碳城市发展、低成本景观营造,提出绿色碳汇经济指标。

2.3 关键变量测算准则

城市绿色碳汇效能评价指标定量计算涉及的变量包括:年绿色碳汇总量、用地总面积、绿化用地总面积、常住人口数量、年绿化养护费用。其中,从中微观层面确定年绿色碳汇总量、年绿化养护费用的合理测算方法,是保障评价指标可操作性和稳定性的关键。

2.3.1 年绿色碳汇总量

通过上文分析可知,城市高密度地区绿色碳汇的年度变化主要体现为植被碳汇,包括乔木碳汇、灌木碳汇、地被草本及藤本植物碳汇。乔木是城市植被碳汇的主体,且不同种类、不同规格间差异较大,因此本研究计算乔木碳汇量将对乔木类型和规格加以区分和梳理。单棵种植的大型灌木与乔木碳汇量计算方法类似。其他成片种植、株高较小的灌木,以及地被草本及藤本植物的碳汇量较少,在计算上不再对种类进行细分。

年绿色碳汇总量计算公式如下:

其中,C S为年绿色碳汇总量,g;C tr为第i种乔木单棵植物的年碳汇量,g/棵;N i为第i种乔木棵数,棵;Csh为第m种灌木单位面积年碳汇量,g/m 2;S m为第m种灌木种植面积,m2;Ccv为第p种地被草本或藤本植物单位 面积年碳汇量,g/m2;Sp为第p种地被草本或藤本植物种植面积,m2;j为乔木种类数;n为灌木种类数;q为地被草本或藤本植物种类数。

2.3.2 年绿化养护费用

根据各地园林绿化管理部门制定的园林绿化养护综合配套定额标准,将城市绿地分为城市公园(含综合公园、社区公园和专类公园)、街道绿地及林带、行道树等类型,并考虑城市高密度地区公园绿地游人密度特征、面积规格和区位条件等,对城市绿地绿化养护费用进行适当细分测算。

3 深化研究与实证应用3.1 实证样本选择

上海市黄浦区地处黄浦江和苏州河合流处的西南端,是上海市中心城区的核心区域,也是上海市的政治、经济、文化中心。黄浦区面积20.52km2,其中陆地面积18.71km2,水域面积1.81km2。2013年末全区户籍人口89.77万人,常住人口69.16万人,人口密度33 803人/km2,是上海16个市辖区之最。在评价体系框架基础上,课题选择上海市黄浦区作为城市高密度地区典型研究样本,对绿色碳汇效能评价整体框架下的评价指标和关键变量进行深化研究和实证运行。研究以城市公共空间的13个城市公园(包括综合公园G11和社区公园G12)、760个街旁绿地(G15,含微型绿地)以及附属于184条城市道路(678条道路分段)的道路绿地(G46)为具体评价对象,通过实证应用检验各项指标的典型性、特征性和灵敏度,进一步增强分析测算方法的适用性,对其他城市区域开展同类研究具有借鉴意义。

3.2 基础数据获取

城市绿色碳汇效能评价涉及的基础数据及其获取途径主要包括:1)评价对象的人口、经济、社会数据,主要源自《全国人口普查报告(2010年)》《2013年上海统计年鉴》《2013年上海市黄浦区国民经济和社会发展统计公报》等官方数据,具有数据权威性、统计口径一致性、动态维护连续性等特点;2)对黄浦区公共空间不同类型城市绿地进行实地调研,包括用地面积、绿化用地面积、乔木种类、乔木数量、乔木胸径、灌木面积、地被草本及藤本植物面积;3)年绿色碳汇总量、年绿化养护费用等其他相关基础数据主要通过相关文献、地方标准的搜集,运用类型研究和对比研究相结合的方法,确定合理的数量关系取值和计算方法。

3.3 关键变量测算

3.3.1 年绿色碳汇总量

1)乔木年碳汇量。研究引入美国树木效益网络计算器(National Tree Benefit Calculator,以下简称NTBC)进行乔木年碳汇量的计算。NTBC通过输入树木种类、胸径、用地类型和地理位置信息,可自动计算出乔木的年固碳量。计算过程中,选择与上海相似纬度和气候环境的里士满(弗吉尼亚州中西部,北纬37°32’)作为类似地理位置;在树种的选择上,选择相同树种、相似树种或者输入其他大小相似的针叶、阔叶树进行替代。虽然NTBC是基于美国基础数据设立的,在计算上海乔木碳汇量时会存在一定误差,但由于数据全面、专业度可信,因此作为参考依然是可行的。研究运用NTBC计算获得各乔木树种年固碳量数值,通过类型、规格的对比归纳,得到上海市绿色碳汇效能整体评价过程中的乔木年碳汇量参考取值(表2)。

2)灌木年碳汇量。

研究表明,城市灌木在剪枝的干扰下,其年净生产力主要用于新生枝叶的构建。因此,灌木的一年生枝生物量可以反映当年内的灌木固碳量[17]。根据方精云等对我国不同地区代表性植物各器官碳含量测定结果,采用0.5作为生物量—碳储量转换因子[18];2012年,任巧测得上海灌木层平均单位面积生物量为3.963kg/m2[19],代入公式中计算得到上海灌木年碳储量约为20tC/hm2。

3)地被草本及藤本植物年碳汇量。

由于草坪在城市绿地系统中发挥的固碳作用相对微弱,加上经常性的修剪,使大部分的碳元素重新释放到大气与土壤中[20],因此草坪不纳入地被草本植物年碳汇量计算体系,其他地被草本及藤本植物年碳汇量计算,基于文献研究取上海常见地被草本、藤本植物的年固碳量平均值得到9.20tC/hm2[21-23]。

4)计算结果。

将上述关键变量参考取值以及实地调研获得的相关基础数据输入公式(1),得到评价对象的年绿色碳汇总量为6 977.65t(表3)。在不同绿地类型绿色碳汇中,道路绿地绿色碳汇量最多,为4 146.00t,其次是城市公园绿色碳汇量,为1 848.42t,街道绿地绿色碳汇量最少,为983.23t(图1)。

3.3.2 年绿化养护费用

根据《上海市园林绿化养护综合配套定额》(2007年),结合评价对象的具体绿地绿化类型,梳理出上海市黄浦区公共空间不同绿地类型的绿化养护费用关键参数取值(表4)。基于城市高密度地区特征,游人量密度取10m2/人以下,将城市公园细分为面积3~6.5hm2、6.5~13hm2、13~33hm2和33hm2以上4类,不同面积的公园养护费用不同;街道绿地细分为一级绿地、二级绿地、三级绿地,不同等级的街道绿地养护费用不同;行道树以百棵为单位得到行道树绿化养护费用。

结合实地调研获取的相关植被基础数据,计算得到上海市黄浦区公共空间绿地的绿化养护费用共计每年1 556.31万元。其中城市公园绿化养护费用674.97万元,街旁绿地绿化养护费用761.96万元,道路绿地(行道树)绿化养护费用119.38万元。

3.4 评价结果分析

评价结果显示,上海市黄浦区公共空间绿地的绿色碳汇毛密度为43.48t/hm2,绿色碳汇净密度为72.30t/hm2,人均绿色碳汇指标为0.010 1t/人,绿色碳汇经济指标为4.48t/万元。其中,绿色碳汇净密度和绿色碳汇经济指标客观反映绿化种植在发挥碳汇作用过程中的土地成本和养护成本,评价结果是进行绿化用地本体年固碳能力横向比较、深度解析和动态监测的重要指征(图2、3)。绿色碳汇毛密度和人均绿色碳汇效能指标侧重于反映所选样本区域整体绿色碳汇能力,前者是对评价区域绿地率和绿化用地本体碳汇效能表征的综合考察,后者是对评价区域绿化用地服务对象高人口密度特征及其本体碳汇效能表征的综合考察,评价结果是对区域绿化整体水平进行考核管理的重要参考和有益补充。需要指出,本次针对上海市黄浦区的实证深化应用,评价对象的选取以及核心数据采集仅针对城市公共空间绿地,相对私人的居住区绿地、单位附属绿地等绿色碳汇情况并未纳入计算,因而导致人均绿色碳汇指标的评价结果较之研究样本区域的整体绿色碳汇效能实际数值偏小,但评价结果对于衡量公共空间绿地的碳汇能力仍具有科学合理性。同时,上海市黄浦区公共空间绿地人均绿色碳汇指标的评价结果也再次验证了城市发展过程中,通过结构调整、产业转型、出行方式优化、城市智慧增长等途径减少人均碳排放量,是实现低碳城区的关键。

3.4.1 城市公园

进一步分析比较上海市黄浦区公共空间各类绿地每年的碳汇贡献,由绿色碳汇净密度和绿色碳汇经济指标可知,道路绿地的绿色碳汇效能最高,其次为城市公园,最后为街旁绿地(表5)。中位数、变化范围和方差的分析显示,城市公园的绿色碳汇效能各项指标评价结果均接近公共空间绿地整体平均值,且不同城市公园评价结果的变化平稳,呈现出较好的整体建设管理水平。空间分布上,绿色碳汇效能最优的公园集中在人民广场地区,绿色碳汇量较高的是延中绿地、人民公园、复兴公园及广场公园,绿色碳汇净密度、绿色碳汇经济指标较高的是延中绿地、淮海公园(图4~6)。

整体来说,上海市黄浦区城市公园植物群落较为丰富,多是以乔-灌-草为主,乔-灌、乔-草、灌-草为辅的复层植物群落,较高的三维绿量是植物碳汇能力的基本保障。但在近年新建的公园中,对于上海本土树种的运用减少,如延中绿地内的本土树种(27种)仅占绿地树种总数的18.5%,这在一定程度上影响了绿色碳汇效能的提升。其次,乔木的配置上,公园内常绿乔木数量大约是落叶乔木的1.6倍,但研究表明,落叶乔木的年碳汇效能往往超过常绿乔木(落叶乔木绿色碳汇量1 002.19t,常绿乔木绿色碳汇量595.20t)。另一方面,城市公园内阔叶树的种植比例远大于针叶树,阔针比超过4.73(阔叶树19 101棵,针叶树4 037棵)。但就年碳汇能力来说,大型针叶树种尤其是落叶针叶树种的碳汇能力,与大型常绿阔叶树种的碳汇能力相似,因此可以考虑适量增加合理规格针叶树种的栽植数量。

3.4.2 街旁绿地

在各类公共空间绿地中,街旁绿地的绿色碳汇效能最低且绿地间的碳汇效能变化幅度很大。由表5可知,街旁绿地的绿色碳汇净密度为18.93t/hm 2,仅为道路绿地的1.55%、城市公园的42.18%;绿色碳汇经济指标1.29t/万元,仅为道路绿地的3.71%、城市公园的47.08%。调查表明,街旁绿地在绿地面积、地理位置、主导功能等方面存在较大差异,再加上植物栽植与绿化养护管理等级等因素,导致各指标评价结果参差不齐且普遍较低。年碳汇能力较强的中树(胸径10~20cm)、大树(胸径20~40cm)的乔木栽植比例在街旁绿地中分别为25.90%、18.06%,而胸径10cm以下的小树则占了53.51%,是目前呈现出绿色碳汇效能欠佳的主要原因,但随着树木的生长,未来街旁绿地的绿色碳汇效能会不断增强。

3.4.3 道路绿地

在各类公共空间绿地中,道路绿地绿色碳汇效能最高,绿色碳汇净密度为1 224.00t/hm2,绿色碳汇经济指标为34.73t/万元。这主要由于道路绿地的乔木种植密度较高,且大多数为碳汇能力强的中树、大树(以形成遮阳效果),且后期养护管理成本较低,因此呈现出更优的绿色碳汇效能整体水平。

在空间分布上,道路绿地绿色碳汇在样本区域西部和东北部基本呈网络状分布,且碳汇效能较高;在东部呈现局部破碎化特征,且碳汇效能较低(图7~9)。这主要因为人民路-中华路包围的原老城厢区域建造时间较早,建筑、人口密度高而绿地结构较为不合理,绿色碳汇网络化程度不高。因此,需要加强绿色碳汇网络的建设,尤其是道路绿地的均衡分布,来连接城市公园和街道绿地,以增强绿色碳汇的连通度。

3.5 效能优化策略

3.5.1 规划导控策略

1)绿色碳汇网络的连通耦合。合理布局黄浦区城市公园与街道绿地形成绿色碳汇斑块的均衡格局,加强单条道路以及道路之间绿地绿色碳汇连通度建设。同时连接黄浦区内、外(与其他区之间)的斑块与廊道,整体形成绿色碳汇网络体系。此外,上海水系发达,河流较多,黄浦区作为整个城市的核心,更要加强黄浦江沿岸、苏州河沿岸的绿道建设,结合蓝道共同服务于整个上海的绿色碳汇网络优化,来整体提升绿地生态效益。

2)绿化生态空间的垂直延展。

黄浦区绿化用地的增长潜力有限,应在垂直维度上扩张绿化生态空间,大力推动屋顶绿化、墙面绿化等立体绿化的发展,提高绿化三维体积。如思南公馆的墙面立体绿化,采用目前最为先进的法国半水耕式种植方法,应多运用与推广于黄浦区立体绿化建设中。其次,还应不断推广更多的如护坡绿化、棚架绿化、阳台绿化、绿篱和栅栏绿化等多样立体绿化形式。此外,需要进一步规范地下空间的开发使用,以及市政管网的科学排布,确保有限的绿化用地具有完整的植被生长地上、地下空间,优化乔木生境。

3)绿地服务功能的精明导控。

绿地服务功能包括休闲游憩、生态保育、视觉形象等,一般而言,生态保育绿地的碳汇效能高于以休闲游憩、视觉形象为主导功能的绿地。黄浦区的现状绿地功能多以休闲游憩为主,缺乏生态保育型绿化空间。建议针对黄浦区现状绿地进行休闲游憩使用状况的调查研究,评价分析游憩行为在绿地空间上的分布规律,通过分区分类分级分时导控现有绿地空间的游憩使用,合理调整空间布局,区分休闲游憩空间和生态保育空间,在满足使用需求的同时提升绿地碳汇效能。

3.5.2 设计优化策略

1)自然群落配置。

植物群落在小尺度上更能体现绿色碳汇效能的强弱。一般而言,复层植物群落碳汇效能高于单层植物群落,尤其是乔灌草群落。因此,在植物群落配置时,应模仿自然植物群落配置,以乔、灌、草复层植物配置模式来丰富植物结构层次,提高群落复杂程度,使各类植物相互依存形成共生的稳定群落,提升整体绿色碳汇效能。对于配置不合理的群落,应进行近自然化的改造。通过筛选优势树种、保护和诱导自然更新苗等方式,诱导人工单一群落逐步向接近自然状态的群落发育,形成多树种、多层次、异龄混交的近自然绿地,为植物的健康生长提供良好环境。

2)种植密度控制。

绿地中存在过度追求植物群落丰富导致的植物过密现象,也存在由于植物长势不良导致的植物过疏现象,这些都不利于植物的生长,也影响了绿地碳汇效能的发挥。一般而言,植物群落的郁闭度应控制在0.5左右,以确保植物的生长空间。对于过密的植物要在充分了解植物生长特性、群落动态密度、立地条件等情况下,按照“灌木避让乔木、速生树避让慢生树、弱树避让壮树”的原则进行抽稀调整;对于过疏的植物要根据现有株数、年龄和生长发育情况,确定合理密度,并以乔、灌、草相结合的方式适当补植适生的灌木和草本,补植后密度宜达到该类群落合理密度的80%左右[24]。

3)高碳汇效能树种选择。

在绿地建设时,应在丰富植物种类的同时,多选择高碳汇效能的树种。第一,在乔、灌、草合理分配的基础上尽可能地多栽植乔木,并且考虑到大树成长缓慢,固碳释氧能力减缓的问题,建议以中树为主要的栽植乔木规格,以便有效增加绿色碳汇量;其次,尽量多地使用碳汇效能好的本土植物,如香樟、枫杨、槐树、臭椿、合欢、水杉、银杏、女贞、海桐等,同时也可因地制宜地引进适宜上海自然地理条件、耐粗放管理的优良植物品种,以丰富植物种类;最后,在注重植物景观和季相变化的同时,适当增加落叶树种、针叶树种的种植比例。

3.5.3 养护管理策略

在绿地后期养护管理阶段,通过合理的养护管理措施,如积极预防病虫害、及时去除杂草、定期对植物进行整形修剪以平衡树势、利用节水型灌溉模式、大力推进有机肥料使用等,来实现低碳管理,综合提升黄浦区绿色碳汇效能,促进城市的可持续发展。

4 结论与展望

本研究以反映城市高密度地区发展特征为基础,从空间效率、人均指标和经济指标等多维度构建城市高密度地区绿色碳汇效能评价指标体系,并以上海市黄浦区为典型案例,以城市公共空间的绿地为具体评价对象,整合大尺度范围绿色碳汇研究与要素个体绿色碳汇研究已取得的相关定量成果,提出绿色碳汇量及相应绿化养护费用等关键变量的测算方案,为中微观尺度下评价区域整体碳汇效能和绿化用地个体碳汇效能提供了一个兼具可行性和合理性的指标体系和实施方案。实例应用和深化分析显示,所提出的评价指标体系具有综合测评和客观排序功能,丰富并拓展了城市绿地生态效益的评价内容;具有动态监测和预警响应功能,为及时反馈和优化当前城市绿地发展策略提供碳汇领域的决策依据;具有多维评价和拓展分析功能,为进一步形成城市绿地绿色碳汇效能优化设计导则提供针对性的技术支持。此外,研究表明,绿色碳汇效能优化,以及低碳城市建设,是一个涉及多行业、多领域高效协作的过程,效能优化除了需要进一步完善城市绿地生态空间的规划设计与发展管理,还需要从源头上进行减排管控,如提高环保意识、改善能源结构、倡导绿色出行等,并强化和完善城市绿地保护、企业碳排放控制管理等相关法制建设,为城市高密度地区绿色碳汇效能的优化提供保障。

注:文中图片均由作者绘制。

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作者简介:

王 敏/1975年生/女/福建福州人/博士/同济大学建筑与城市规划学院景观学系副教授,博士生导师/同济大学高密度人居环境与节能教育部重点实验室/研究方向为城市景观绩效与空间管控(上海 200092)

石乔莎/1990年生/女/浙江东阳人/硕士/绿地集团房地产事业一部技术管理及产品研发部景观主管/研究方向为城市与住区景观规划设计(上海 200063)

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