建立城市绿地植物固碳量计算系统对于营造低碳景观的意义

冀媛媛 罗杰威 王婷   2016-11-24 22:17:47

冀媛媛 / JI Yuan-yuan (意)

罗杰威 / (Italy) Paolo Vincenzo Genovese

王婷 / WANG Ting

摘 要:随着大气中CO2浓度的不断增加,植物的固碳效应得到越来越多的关注,植物固碳量的量化研究,开始由传统的实地测量方法向基于大数据库研究基础上研发而成的植物固碳定量计算系统转变。对现阶段比较有代表性的地面植物和屋顶绿化植物的固碳系统分别进行了介绍,探讨了植物固碳及生态效益相关计算系统对于营造低碳景观的重要意义。

关 键 词:风景园林;植物;CO2固碳量;计算系统;低碳景观

文章编号:1000-6664(2016)08-0031-05

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2015-10-04;

修回日期:2016-06-27

基金项目:天津市艺术科学规划项目(编号D14012)资助

Abstract: With the increase of CO2emission in the atmosphere, carbon sequestration of green plants got more and more attention. The quantification method of carbon sequestration of green plants changed from the traditional on-site measurement method to the calculation system on the basis of a large database research. Based on the analysis of Chinese traditional method of green plants' carbon sequestration system, the paper introduced representative calculation system of green plants' carbon sequestration in the United States and discussed the significance of establishing carbon sequestration calculation system to the development of low carbon landscape in China.

Key words: landscape architecture; green plants; CO2 sequestration; calculation system; low carbon landscape

1 城市绿地植物的固碳

现阶段,随着大气中CO2浓度的不断增加,全球气候的加速变化,景观绿地建设的环境改善功能被给予更多厚望,如何营造对环境负荷小的低碳景观成为关注的重点。低碳景观,在不同学者对其的定义中,最根本的特征都是以降低CO2的排放量增加CO2的固碳量作为景观营造的关键指标[1-3]。因此,在低碳景观中,作为天然碳汇体的绿地植物的固碳效应得到越来越多的关注。在绿地中,植物白天在阳光的照射下,叶片中的叶绿素吸收大气中的CO2和土壤中的水分,合成碳水化合物,同时释放出O2,夜晚植物的呼吸作用则与光合作用相反,植物吸收O 2,释放出CO2。一般情况下,植物的光合作用的固碳量大于呼吸消耗的碳量,植物整体表现为固定CO 2,释放出O 2,因此植被体被称作天然的碳汇体,是城市生态系统重要的生产者,发挥着无可替代的生态作用。所以,植物固碳量的量化研究,成为很多学者主要关注点,关于植物固碳的研究,开始由传统的实地测量方法向基于大数据库研究基础上研发而成的植物固碳定量计算系统转变。

2 城市绿地植物固碳量传统测量方法2.1 生物量法

生物量法主要应用于宏观尺度的植物固碳量研究,通过大规模的实地调查,取得实测数据,通过测试现存有机体的干重(植物体所固定的有机体的重量)来计算植物固碳量。生物量法,简单来说,就是利用测算植物不同时间点的生物量来衡量植物的光合作用强度[4]。随着地理信息系统(GIS)、遥感(RS)等现代技术的发展,我国国内研究学者从2000年以后也开始使用遥感手段、地理信息系统等结合地面实测的相关结果来估测大尺度的绿地生物量[5]。

2.2 同化量法

同化量法测量植物固碳量主要应用于微观尺度的植物研究,它是通过测定瞬时进出植物叶片的C O 2浓度和水分,得到植物单位叶面积的瞬时光合速率和呼吸速率,再将植物叶面积乘以植物单位时间净光合量(光合累积量减去呼吸累积量)得到植物固碳量的方法[4]。同化量法涉及植物光合速率、呼吸速率以及植物叶面积3个参数,这3个参数决定了植物的固碳释氧能力[6]。

植物固碳量的测量方法,无论是生物量法,还是同化量法,我国很多学者都已做过大量的研究。应用生物量法方面,例如陈遐林运用生物量法对华北各主要森林类型生态系统总碳贮量进行了计算[7];黄兴召利用生物量模型对落叶松人工林的生物量和碳储存进行研究[8];王迪生应用生物量法对北京园林绿地的净碳储量进行了相关研究等[9]。应用同化量法方面,陈自新等1998年采用光合作用测量系统测量了北京常见园林植物春、夏、秋3季以及全年固碳释氧的环境效益,并根据植物单位面积年固碳释氧量进行了分类[10]。董延梅以杭州花港观鱼公园内的57种常用园林树木为研究对象,利用光合仪测定57种植物的3个月的净光合速率日变化,在此基础上计算出57种植物的固碳释氧能力等[11]。

3 美国基于数据库基础上植物固碳量计算系统及对我国的启示

上述内容中,无论是生物量法还是利用光合测定仪的同化量法,都是城市景观植物固碳量研究的重要方法。但是由于这些方法在使用中的测量过程烦琐,耗时长,因此,植物固碳量的研究开始由传统的实地测量方法向基于大数据库研究基础上研发而成的能够快速便捷计算植物固碳量的定量系统转变。关于植物固碳量的计算系统,很多国家和地区在此方面都已开展了相关研究,其中以美国相关组织对植物固碳计算系统的研发最具代表性,其研发的植物固碳量计算系统可以根据植物种植的不同位置,分为地面种植的植物固碳量和屋顶植物绿化固碳量计算系统。

3.1 数据库基础上美国植物固碳量相关计算系统

3.1.1 地面植物固碳量计算系统

美国林业局在其多年植物数据统计调研的基础上,经过大数据的统计分析,研发了植物固碳的相关计算系统,由于其利用简便,开始得到广泛的应用。目前接受认可度比较高的为Citygreen(绿色城市)计算系统和Tree Benefit Calulator(树木价值)计算系统,Citygreen是基于地理信息系统和遥感技术的基础上,以植物整体的覆盖率和碳吸收因子为计算方式,Tree Benefit Calulator以单株植物的数据为计算单元。

1)Citygreen计算系统。Citygreen是由美国林业局在1996年研发出的可以定量分析和评价生态绿地对城市生态影响和环境效益的设计工具,其能够定量计算出树木的各项指标,对城市保持水土、净化空气、固碳释氧、降低能耗等方面有着重要意义[12]。在Citygreen中,树木的固碳量是其主要计算指标,系统量化研究区域中所有树木每年的碳存储和吸收,根据树木的不同年龄等级相对应的碳存储因子和吸收因子(表1)来计算,量化指标的计算公式如下:

碳存储量(t)=碳存储因子×植被覆盖率×研究区域面积(英亩)

每年碳吸收量(t/年)=碳吸收因子×植被覆盖率×研究区域面积(英亩)

Citygreen计算系统除了可以计算树木本身的固碳效益外,还可以计算植物夏天时减少的空调电力的消耗,以及冬季产生的间接固碳效益。因为生长在建筑物旁的植物,在夏季时能够通过对房屋遮阴减少空调电力的消耗,冬季通过对房屋遮挡寒风而减少加热用途的天然气或电力的消耗,从而达到节约电能的目的,这些节约的电能也可以转化为相应的固碳数值[13]。Citygreen模型分配给每一棵树一个节能率,共5级,每级对应不同的年节约电能度数,评价研究区内树荫给居民带来的直接效益,计算出每家节省的电量和费用[14]。

利用Citygreen对植物的固碳量进行计算时,不仅仅关注植物直接的固碳效益,还关注了植物间接的固碳效应。所以,Citygreen是一个在植物固碳量计算中比较全面的软件,由于其在计算中涉及植物的碳储存因子和植被覆盖率等因素,在使用中比较适合应用于较大尺度的固碳分析。

2)Tree Benefit Calculator计算系统。

Tree Benefit Calculator计算系统是在美国林业局推行的i-Tree软件的基础上研发而成的,研究人员对位于美国16个不同气候带的树木进行了现场测量,并在每个气候带选取一个城市作为研究对象。在每一个被选中的城市,研究人员针对22类主要树种,每种分别选择30~60棵树,对每棵树进行测量。获得测量数据后,使用线性回归来拟合预测模型,对于每棵树,树的胸高直径(dbh)被拟合为树木年龄的函数。而通过最佳拟合模型,树叶叶面表面积、树冠直径和树木高度等参数则被建模为胸高直径函数的函数[15]。通过这种大数据下所建立的树木计算模型,可以让任何非专业人士都能够直接使用此系统,通过在软件中输入树木的位置、树种和树木胸径的大小,使用者能够获得树木每年的环境价值和生态价值[16]。在Tree Benefit Calculator的使用中,首先在页面中输入地区编号,或者直接在地图上选择要计算的树木所在的区域。在选择区域后,在这个页面的下拉菜单中分别选择树种和树种的胸径大小,同时确定出树木种植的位置,通过这些信息的录入,能够计算树木的各方面的生态效益。

图2中,以一株胸径为20英寸(50.8cm)的苹果树为例,计算其一年减少的CO2排放量。20英寸的苹果树一年减少的大气中的CO2量为389磅(176.4kg),减少的CO2来自两部分,一部分为树木根系、叶子和树干中所固定的CO2量,一部分为树木比较靠近建筑时通过对建筑在夏季遮阳、冬季保温的作用而降低的能源消耗,从而减少的CO2量。CO2的计算只是Tree Benefit Calculator计算的一部分,同时这个软件还可以计算树木对于空气的净化、截留雨水、能源的节约等各个方面的数值。

利用Tree Benefit Calculator对植物的固碳量进行计算,是以植物的胸径和树种为主要的计算因素,这个计算系统的运算依据是建立在大量植物数据调研的统计资料基础上的,适用于单一植物或者小尺度的绿地计算,使用方法简单,同时,这个软件不仅仅关注植物的固碳效应,而且也关注植物的截留雨水、空气净化等方面的内容。

3.1.2 屋顶植物固碳量计算系统

关于绿地植物的固碳,除种植在地面的植物外,如果建筑或者构筑物上建有屋顶绿化,那么屋顶绿化的固碳量也是植物总体固碳量计算的重要组成部分。因为城市的地面空间面积有限,屋顶绿化是一种特殊的绿化方式,是绿化形式由地面向立体空间扩展的一种主要形式,按照北京市颁布的《屋顶绿化规范》,其对屋顶绿化的定义为:在高出地面以上,周边不与自然土层相连接的各类建筑物、构筑物等的顶部以及天台、露台上的绿化[17]。屋顶绿化之所以在近些年得到了快速的发展,除了其可以改善城市景观面貌等社会效益外,更重要的是其巨大的固碳、节能降耗、改善城市热岛效应的生态效益。其中,屋顶绿化的固碳是生态效益中最主要的一方面,与地面植物的固碳效益相同,屋顶绿化的固碳也分为2个部分,一部分为直接固碳,即屋顶植物吸收的CO2量,还有一部分为屋顶上的植物,通过夏天隔热、冬天保温的作用降低了建筑内部的能源消耗,从而减少了生产电能所产生的CO2量。根据芝加哥环境部门(Chicago Department of Environment)的测算,如果室外温度为37℃,而一个沥青表面的黑色屋顶温度将达到76℃,而屋顶绿化的温度只有29℃,因此,具有屋顶绿化的设计将减少夏天空调花费的一半,减少冬天室内加热费用的25%[18]。基于上述原因,屋顶植物固碳量也成了在城市环境建设中的关注点。目前研发的关于屋顶绿化的固碳计算系统中,以Green Roof Energy Calculator(绿色屋顶能量计算系统)最具有代表性。这个计算系统是由波特兰大学、多伦多大学和“健康城市的绿色屋顶”的学者和工作人员共同研发而成的。在2007年4月,这个软件成为美国能源部门EnergyPlus计算模型的一部分。在这个模型中,分为建筑信息和绿色屋顶信息,建筑的相关信息包含建筑位于的区域和城市、屋顶的面积及建筑的类型(新旧办公、新旧住宅);绿色屋顶的信息包含种植土的深度、叶面积指数,是否需要灌溉、屋顶的绿化面积和屋顶覆盖物的类型(图2)。通过这个计算系统,使用者可以对同一座建筑的屋顶在绿化条件下和白色屋面或者黑色屋面条件下的能源消耗进行比较,结果一目了然[19]。

3.2 美国植物固碳量计算系统的研发对我国的启示

上述介绍的关于地面植物和屋顶植物绿化的固碳量计算系统,都是美国目前较全面、认可度较高的计算系统,但是这几种软件是在美国相关的自然气候条件、土壤条件测定的基础上研发而成的。通过对于各种植物大数据的调查研究,提出的相关的计算公式,通过软件计算,可以让使用者便捷地得到最后的结果。

这些软件虽然不能直接在我国使用,但其为我们提供了一个很好的发展方向。植物的生态效应越来越受到重视,很多时候需要一种相对更简洁的方法来了解其生态效益的概值,供不同专业人士一目了然。我国目前的植物固碳研究已经作了大量的数据调研与分析,但是这些工作主要由各个专家学者独立完成,相关数据统计没有进行整合。根据统计资料,在CNKI(中国知网)中以“植物碳含量”和“植物固碳”为关键词进行搜索,发现相关的研究文献分别达到483 451和19 630篇,而这些还不包含没有收录的文献和关于植物其他方面的生态效益的文章。所以,我国关于植物研究的数据资料已经有了比较坚实的基础,如何提高其使用率,对各个区域的植物数据资料进行整合,美国林业局研发的这些计算系统为我们提供了一个很好的建设思路,而且建立相关的植物固碳量计算系统,对于我们营造低碳景观,也提供了坚实的基础。

4 植物固碳量计算系统对于低碳景观营造的意义

在景观营造过程中,包含碳源和碳汇2个方面的内容。景观在建造、维护及更新和拆除阶段,会产生碳源,景观中的绿地植物通过光合作用固碳,又会产生碳汇。在我们的传统的认知下,景观中的碳汇一定多于景观在营造和维护阶段的碳源,但是,在现阶段的一些研究中,我们可以看到景观营造中所产生的碳源和绿地植物所产生的碳汇存在不平衡,相关研究如表1所示。

通过表2,可以看到,如果要营造真正的碳汇大于碳源的低碳景观,一方面需要降低景观营造过程中的碳源,另一方面需要增加景观中植物的碳汇,而增加景观植物中的碳汇的基础,就是对植物的固碳效应有所了解。植物的碳汇的多少与植物自身的种类和生长指标有密切关系,即使是同种规格的标准树,在其相关生长指标一致的情况下,树种不同,其固碳量也不同。因此如能借鉴相关的植物固碳计算系统,了解最基本的植物固碳的相关因素,对于在低碳景观中的植物选择将具有重要意义。

在景观绿地设计中可能会遇到在区域中以槐树还是悬铃木为基调树种的问题,如果以低碳景观为出发点,考虑到这2种树的固碳量,可能就比较容易作出选择。王迪生通过生物量法对北京常见园林树木的标准树的生物量进行测量的数据显示,槐树的生物量远远大于悬铃木[9];陈自新将园林中常用的植物单位面积年吸收CO2的量进行分类,将槐树分在单位叶面积年吸收CO2的量高于2 000g的第一类中,而将悬铃木分在单位叶面积年吸收CO2在1 000g以下的第三类中[10]。而笔者利用前文中Tree Benefit Calculator计算系统,对2种树的固碳量进行测算,在树木的种植区域和树木胸径完全相同的情况下,槐树的年固碳量几乎是悬铃木的年固碳量的2~3倍,这个分析计算结果与我国学者所给出的结论相一致,但是Tree Benefit Calculator计算系统,用一种更直观的方式将结果表达出来(图3)。因此,在低碳景观营造过程中,如果能够借助于相关植物固碳及生态效益的计算系统,通过这些计算系统直接了解植物在固碳及生态方面的效益,那么设计师在方案选择中就会比较容易作出选择。

而且,在景观建造过程中,由于景观与建筑具有相似性,景观营建中的碳排放的相关数据库和计算系统都已有据可查,所以可以借鉴清华大学的BELES、浙江大学的建材能耗及碳排放清单数据库、四川大学的EBALANCE数据库对景观营造过程中的碳排放进行计算,得出景观营造过程中主要的碳排放值。但是,在景观中绿色植物的碳汇量却没有相关认可的计算系统,所以,在低碳景观的营造层面,也需要建立相关的植物固碳量计算系统,从而在进行景观中碳源和碳汇的概算时,能够让景观行业的相关从业人员对景观的碳源量和碳汇量进行比较,对方案等进行调整。

因此,在低碳景观的营造中,无论是在植物的选择层面还是在低碳景观中关于碳源和碳汇量进行量化比较方面,植物固碳量的计算系统都对景观营造具有重要意义,是实现低碳景观建设的关键。

参考文献:

[1] 王贞,万敏.低碳风景园林营造的功能特点及要则探讨[J].中国园林,2010(6):35-38.

[2] 周德.试论低碳景观量化评价指标体系的建立[J].科技资讯,2010(26):141.

[3] 滕明君,周志翔,岳辉,等.低碳园林的生态学途径[J].中国园林,2012,28(4):40-43.

[4] 何华.华南居住区绿地碳汇作用研究及其在全生命周期碳收支评价中的应用[D].重庆:重庆大学,2010.

[5] 王光华.北京森林植被固碳能力研究[D].北京:北京林业大学,2012.

[6] 鲁敏,秦碧莲,牛朝阳,等.城市植物与绿地固碳释氧能力研究进展[J].山东建筑大学学报,2015(4):363-369.

[7] 陈遐林.华北主要森林类型的碳汇功能研究[D].北京:北京林业大学,2003.

[8] 黄兴召.落叶松人工林生物量和碳储量研究[D].北京:中国林业科学研究院,2014.

[9] 王迪生.基于生物量计测的北京城区园林绿地净碳储量研究[D].北京:北京林业大学,2010.

[10] 陈自新,苏雪痕,刘少宗,等.北京城市园林绿化生态效益的研究(2)[J].中国园林,1998(2): 49-52.

[11] 董延梅.杭州花港观鱼公园57种园林树木固碳效益测算及应用研究[D].杭州:浙江农林大学,2013.

[12] Amercian Forests. CITYgreen 5.0 User Manual[S]. 2002.

[13] 张陆平.基于CITYgreen模型的上海市城区绿地生态效益研究[D].南京:南京林业大学,2011.

[14] Department of Energy, Energy Information A d m i n i s t r a t i o n . E l e c t r i c i t y a t a G l a n c e : S t a t e Profiles[EB/OL]. http://www.eia.doe.gov/cneaf/ electricity/st_profiles/toc.html.

[ 1 5 ] M c P h e r s o n E G . A r b o r i c u l t u r e & U r b a n Forestry[J]. Selecting Reference Cities for iTree Streets, 2010, 36(5): 230-240.

[16]Casey Trees and Davey Tree Expert Co. National Tree Benefit Calculator[EB/OL]. http://www.eia.doe. gov/cneaf/electricity/st_profiles/toc.html.

[17] 北京市园林科学研究所.屋顶绿化规范[S].2005.

[ 1 8 ] T h e o d o r e E i s e n m a n . R a i s i n g t h e B a r o n Greenfroof Design[J]. LAM, 2006.

[19] Green Building Research Laboratory. Green Roof Energy Calculator[EB/OL]. http://greenbuilding.pdx. edu/GR_CALC_v2/grcalc_v2.php#retain.  [20] Hyun-kil, Jo.Impacts of urban greenspace on offsetting carbon emissions for middle Korea[J]. Journal of Environmental Management, 2002, 64(2): 115-126.

[21] 殷利华,姚忠勇,万敏.园林绿化工程施工阶段碳足迹研究:以武汉光谷大道隙地绿化工程为例[J].中国园林,2012,28(4):66-70.

[22] 张颖.广州典型城市绿地碳足迹核算和评估研究[D].武汉:华中农业大学,2013. (编辑/李旻)

作者简介:

冀媛媛/1983年生/女/博士/天津农学院实验师/研究方向为可持续景观的发展及传统乡土聚落景观(天津 300072)

(意)罗杰威(Paolo Vincenzo Genovese)/1968年生/男/天津大学建筑学院教授,博士生导师/研究方向为可持续建筑,生态村(天津 300072)

王 婷/1983年生/女/天津大学建筑设计及理论方向在读博士研究生/内蒙古工业大学建筑学院讲师/研究方向为建筑及景观技术策略(呼和浩特 010051)

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