城市街区单元绿地空间格局与植物群落碳汇效益优化研究

 

摘要：【目的】目前城市绿地已经进入存量发展阶段，如何在城市有限绿地空间条件下实现“碳中和”目标，合理布局低碳绿地空间格局，科学配置植物群落以增加生物多样性，成为目前城市绿地碳汇效益研究的重点和难点。

 

【方法】以西安市碑林区和沣西新城的城市绿地空间格局为研究对象，对研究区域内街区单元的绿地空间格局进行分析并分类，探索街区单元绿地空间格局与碳汇量化关系，并从平面布局和垂直结构两方面提出城市街区单元绿地碳汇效益的优化方法，并选取碳储量最低的单核心辐射型街区单元的 3 个绿地样方进行碳汇效益优化设计。

 

【结果】总结出 4 种西安市典型城市街区单元绿地空间格局模式，明晰了碳储量分布特征以及绿地空间格局对碳储量的影响机制，提出了城市街区单元绿地空间格局碳汇效益优化方法，发现碳储量与斑块类型面积（CA）、景观形状指数（LSI）呈极显著正相关关系，与聚集度（AI）呈极显著负相关关系。各类绿地空间格局碳储量大小为多核心辐射型>散点分布型或廊道穿越型>单核心辐射型，建议在单核心辐射型街区单元优化中增加植物群落层次结构，并增加高固碳植物种类及数量，提升样方内年固碳量。

 

【结论】从中观尺度讨论街区单元绿地空间格局与植物群落碳汇效益之间的关系，使城市中小尺度绿地发挥应有的生态系统服务功能，探索街区单元绿地空间格局的构成要素与设计方法，为低碳绿地设计提供参考，提升城市街区单元内社区生活圈的人居环境质量。

 

目前，以 CO2 为首的温室气体排放加剧了城市热岛效应，已成为当今全球面临的重大问题，中国城市碳排放量占全国总量的90%[1]。当前中国经济社会发展步入新常态，城镇化正处于快速发展向高质量发展的转型期[2]，《2022 年新型城镇化和城乡融合发展重点任务》提出城市公共空间的存量规划和可持续发展成为重中之重。绿地被认为是实现城市“碳中和”和“碳达峰”战略目标的重要载体[3]。已有研究证明多中心空间形态下的城市发展对改善城市热状况的效益大于单一中心格局下的城市蔓延[4]。

 

本研究以西安城市绿地空间格局为研究对象，对街区单元的绿地空间格局和碳储量分布特征进行量化研究，将绿地空间格局对碳汇影响的认知从区域尺度聚焦到街区尺度，有助于科学指导低碳绿地规划布局和设计。

 

 1  城市绿地空间格局碳汇现状 

 

 1.1  城市绿地存在碳汇潜力

 

 城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分，是固碳释氧的关键区域[5]，其 CO2 吸收作用对人居生活环境的改善具有重要意义[6]。国外 Nowak 等[7]最早将美国城市绿地碳储量进行量化研究，并且提出城市绿地在吸收和储存 CO2 中的作用；国内最早在 20 年前开始对城市园林植物的生态效益进行研究，在对绿地各个功能进行价值量化的基础上，对植物碳汇效益进行测算[8]。相关研究表明：2010 年罗马的 4 个公园绿地固碳量相当于当年罗马温室气体总排放量的 3.6%[9]；杭州市森林碳汇每年可抵消工业排放 18.57% 的碳[10]。因此，如何在西安市有限的绿地面积条件下，提升绿地质量并赋予其更高生态效益与更多使用功能，是实现“双碳”目标必须思考和解决的问题。

 

  1.2  西安市绿地空间格局的碳汇研究现状

  

  在城市建成环境中，绿地通过植物和土壤直接获得碳汇，经过合理布局的城市绿地，能从源头吸收附近街区建筑或交通产生的碳排[11]。已有学者研究发现：绿地空间格局中的植物叶面积指数、绿地连续性和绿量等因素是影响城市绿地碳汇的主要因素[12]；西安城市绿地的碳汇效益主要受绿地聚集度、破碎度、均匀度等方面影响[13]；西安浐灞生态区城市绿地斑块的周长在很大程度上影响绿地碳密度[14]，从而影响植被碳储量。因此城市绿地空间格局能够影响城市碳储量，可以通过景观格局指数对绿地空间格局的碳汇影响机制进行评估。本研究通过对研究尺度的考量以及城市绿地空间格局的特征分析等，结合绿地碳汇模拟和优化设计方法为低碳绿地设计提供参考。

  

   2  城市街区绿地碳汇单元尺度及构成

   

    2.1  研究样方尺度目前关于城市绿地

    

    目前关于城市绿地碳汇的研究主要集中于植物碳汇，但是对绿地系统的碳汇研究并未形成统一体系，且各研究之间使用指标不一，导致了从宏观与微观角度看待城市碳汇效益的矛盾性。如何连接宏观与微观视角的城市绿地碳汇效益的研究，探索不同角度的城市绿地碳汇量化模拟方法和途径是亟待探索的科学问题，因此本研究聚焦于中观的街区单元尺度，探讨绿地空间格局与植物群落碳汇效益之间的关系。

    

    城市街区单元通常是指由城市级道路围合城市建设用地而形成的独立单元。已有研究表明西安新旧城区绿色空间的空间格局，要素和街区单元样方形态的耦合关系，并基于“15 分钟社区生活圈”的概念，以 1 km 为半径所形成的外切正方形作为城市街区单元，即 2 km×2 km 的样方单元[15-16]（图 1）。

 

2.2  碳汇单元尺度

 

由于在既有研究中难以直接证明城市绿地面积对碳汇的影响范围，故笔者通过研究城市绿地降温范围，进一步推导出冷岛效应的范围，作为碳汇斑块面积的设计依据。根据城市绿地规划、景观图论和中心地理论等相关原理，选取正六边形作为生态斑块基础，以 0.5 km 为内核半径，以 1 km 为外核半径的绿地核心斑块构建城市绿地空间碳汇单元。

 

 3  西安城市街区单元绿地空间格局与碳储量分布特征

 

 3.1  绿地碳汇效益评估方法

 

 分别选取西安市碑林区和沣西新城作为研究区域，对其绿地空间格局进行划分并分析街区尺度绿地空间格局与碳储量之间的关系。选取 GF-2 号遥感影像数据（分辨率：亚米级，成像时间：2022 年 7 月 31 日），利用ENVI 5.3 和 Arc GIS 10.8 软件进行单元网格分割，共形成 60 个街区单元，去除>50% 的耕地、村落、未利用地等无效单元网格，最终得到 19 个有效研究街区单元，并对街区单元内的绿地特征进行目视解译和提取，将相似绿地空间布局的街区单元进行归类，总结出4 种西安市典型城市街区单元绿地空间格局模式，分别为单核心辐射型、多核心辐射型、散点分布型和廊道穿越型（图 2）。

 

 本研究选择遥感估算法，基于归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI） 对 城 市 地 上 碳 储 量 （ above groundcarbon, AGC）进行估算，作为城市绿地碳汇的量化指标。参考已有研究成果[17]，得到NDVI 与城市地上碳储量之间的关系为YAGC式中： 指单位面积地上碳储量，kg·C/pixel；NDVI 为对应遥感波段运算得到的归一化植被指数值。

 

3.2  单元绿地空间格局与碳汇量化关系

 

将筛选出的 19 个有效样地的绿地景观格局指数与 AGC 估算结果代入 SPSS，进行双变量相关性分析（表 1），研究结果如下。1）街区单元 AGC 与 SPLIT 和 AI 呈负相关关系，与 CA、LSI 呈极显著正相关关系，与 AI 呈极显著负相关关系。2）在 19 个单元样本中，CA 和 PLAND 的比例越大，AGC 越大；边缘复杂的斑块数量较多时，“边缘效应”越明显，碳汇效益越高；当城市街区单元内斑块数量较少、面积较大时，AI 越高，以单核心辐射型绿地格局为代表，其中大型绿地虽然生态价值较高，但与同样面积分布的中小型绿地相比，碳汇效益更低。

 

 3.3  单元绿地空间格局碳汇分布特征

 

 绿地面积与城市碳储量直接相关，本研究把城市绿地面积作为定量，将不同类型的绿地空间格局作为自变量，将城市 AGC 作为因变量，探索不同绿地空间景观格局指数与碳储量之间的量化关系，并从 4 种类型的街区单元中分别选出 1 个面积相似的典型样本作为代表（图 3）。

 

 研究结果表明：1）城市碳储量与城市绿地面积正相关，7 号样本的绿地面积和碳储量均为最大值，分别为 143.07 hm2 和 3 808.35 t，19 号样本的绿地面积与碳储量均为最小值，分别为 118.88 hm2 和 1 203.78 t；2）在 4 种类型的绿地空间格局中，碳储量排序为多核心辐射型>散点分布型或廊道穿越型>单核心辐射型，在城市建设中，绿地不可能无限扩展，大型绿地虽然生态价值较高，但与同样面积分布的中小型绿地相比，碳汇效益更低；3）基于景观格局指数分析 4 种绿地空间格局类型碳储量大小的原因，主要在于多核心辐射型绿地的 PLAND 最大，大型斑块较多且边缘复杂，单元内斑块 TE、ED 和 LSI 最大，且核心斑块 SPLIT 最低，因此 7 号样本的 AGC 最高；4）19 号样本的 AI 最大，但该样本位于主城区内，绿地面积较小且 NP 较少，PLAND最小，斑块 TE、ED 和 LSI 均为最小，因此AGC 较小（表 2）。

 

4  城市街区单元绿地空间格局构成要素及设计方法

 

4.1  绿地空间格局构成要素

 

将城市街区单元中的绿地空间格局视为一个或多个完整的景观单元。从景观格局指数角度分析，增加整个景观格局的连通性，既能增加斑块面积，又能减少斑块分离度指数，缓解城市中的生境破碎化现象，提升城市生态系统整体碳储蓄能力。按照不同面积及尺度对斑块和廊道进行研究，将城市街区绿地空间格局构成要素主要分为大型-核心保护型生态斑块、中型-自然半自然型生态斑块、小型-踏脚石生态斑块和生态廊道（图 4）。

 

 

 4.2  低碳型生态斑块的设计模式

 

 在城市街区单元的生态斑块的设计中，应基于场地本身生境条件进行设计。根据国内外实际城市绿地的冷岛范围及强度研究，对于大型-核心保护型生态斑块（综合/社区公园、城市林地），斑块边界越复杂，碳汇功能越好，内部最好设置水体和地形；对于中型-自然半自然型生态斑块（社区公园、游园），多边形边界更利于增加碳汇；对于中型-自然半自然型生态斑块（附属绿地），可设计稀疏的乔木层搭配灌木和地被；对于小型-踏脚石生态斑块（屋顶花园和生物滞留设施），可构建“结构层—地被层—季节主题层”多层次植物结构（图 5）。

 

  4.3  低碳型生态廊道的设计模式

  

  生态廊道的连接程度在很大程度上决定了生境网络的连通性和连接度。结合前文景观格局指数的分析，生境网络连接度越高，对应的 AI 越低，碳汇效益也会增大。结合国内案例外关于生态廊道内部结构与碳汇冷岛效应关系的研究，笔者提出 7 种城市街区单元生态廊道设计方法（图 6、7）。

 

休闲绿道型-街区单元一级廊道适用于街区单元内的河流廊道或带状绿地，宽度为30~60 m，廊道内部植物郁闭度最好>60%；休闲绿道型-街区单元二级廊道适用于街区内带 状 游 园 或 较 宽 的 道 路 隔 离 带， 宽 度 为12~60 m，廊道内部植物郁闭度为 40%~60%，植物结构宜为乔-灌-草多层次种植；休闲绿道型-街区单元三级廊道适用于建筑背面、街区道路旁的带状绿地，廊道宽度最小为 3 m，内部植物结构可采用乔-高草-草或灌-草型；跳板连通型-街区单元四级廊道在结构上并不是一条连续的廊道，而是以相邻的许多点状或带状的建筑屋顶绿化构成，绿色屋顶可以减少 50% 的夏季制冷成本和 25% 的冬季供暖成本[18]。

 

林荫道路型-道路中央绿带廊道宽度为3~30 m，内部植物结构宜为灌-草；林荫道路型-道路机非隔离带廊道宽度为 3 m，种植结构为乔-草，道路型廊道宜选取固碳释氧、吸尘降噪能力强的草本植物；物种迁徙型-城市级廊道的宽度需根据斑块内部物种种类和特征决定。

 

 5  城市街区单元绿地空间格局碳汇效益优化策略

 

  5.1  碳汇提升优化设计流程

  

  根据城市街区单元绿地空间格局分类以及绿地碳汇效益提升设计，本研究提出街区单元绿地空间格局碳汇提升优化设计的技术路线（图 8）。首先，在 4 种绿地空间类型中分别选取 1 个样方作为代表，对绿地空间格局现状进行分析，找到目前街区内潜在的生态斑块和生态廊道；其次，通过对绿地空间格局和碳储量的关系研究，对影响碳储量的景观格局指数进行分析，利用相应的低碳设计模式对街区单元绿地空间格局进行优化设计；最后，对碳储量最小的单核心辐射型绿地进行优化设计。

  

   5.2  平面布局碳汇效益优化方法

   

   在典型单核心辐射型街区单元的空间格局优化过程中，在大型-核心保护型碳汇斑块周围增加少量小型-踏脚石斑块，以增加面积较大的单核心斑块与周围环境的接触面；对较为聚集的斑块采取增加连接度的措施，对分布较为孤立的斑块采取在其周围增加踏脚石斑块的措施；先对破碎的廊道进行连接，再在关键斑块之间增加对应等级的廊道。

 

在典型多核心辐射型街区单元的空间格局优化过程中，增加部分中型-自然半自然型斑块，和周围斑块聚集后形成大型-核心保护型斑块，使多个核心斑块对整个街区单元的碳汇影响范围扩大；针对较为聚集的破碎斑块，可扩大面积和提升生境质量以提升碳汇效益。

 

在典型散点分布型街区单元绿地的空间格局优化过程中，主要采取将散点分布的破碎斑块“缝合”的方法。保护原有大型-核心保护型斑块，串联部分破碎的小型-踏脚石斑块，形成中型-自然半自然型斑块，增加不同等级斑块之间的连通性，从而提升整体碳汇效益和生境质量。

 

在典型廊道穿越型街区单元的空间格局优化过程中，以一级廊道优化为重点，提升关键斑块和破碎斑块的生境质量和连接度，提升廊道的完整性和生境质量；在重要斑块之间增加二级廊道和踏脚石，在增加物种沟通的同时提升绿地碳汇效益（图 9）。

 

 5.3  垂直结构碳汇效益优化方法

 

 城市绿地空间格局的划分是从二维平面指导低碳空间建设，但绿地植被的三维绿量、层次结构和配置模式以及植物本身的固碳能力也是影响碳汇效益的重要因素。单核心辐射型街区单元绿地斑块总面积较小且斑块较少，碳储量最低，因此优先对该单元进行碳汇效益提升设计。研究样地兴庆公园 （19 号样本）是街区单元内的大型-核心保护型生态斑块，由于斑块形状较为规则，且内部植物丰度和覆盖度不高，因此对斑块内部的植物群落进行垂直结构碳汇效益提升优化设计。依据绿地功能类型在兴庆公园中选取公园入口休闲绿地、公园游憩观赏绿地、公园道路绿地 3 个绿地样方进行碳汇优化设计。

 

 植物固碳量的计算方法是将净光合作用的瞬时值乘以冠层叶面积指数和光合作用时间。植物的日净同化量计算式为式中：P 为单位面积日净同化量，mmol/m2；Pi 为初始测量点的瞬时光合速率，Pi+1 为下一测点的瞬时光合速率，μmol/（m2·s）；ti 为初始测量点的时间，ti+1 是下一个测量点的时间，h。

 

  5.3.1  公园入口休闲绿地

  

  兴庆公园入口休闲绿地是人们经常使用的绿地之一，绿地坡度较大，植物覆盖度和群落郁闭度较高，为兴庆公园西侧入口的主要休闲空间，发挥着观赏、游憩等重要功能。笔者将现状样方中的低固碳植物替换为高固碳植物，增加植物群落层次结构，由原来的乔-灌结构优化为乔-灌-草结构，提升单位土地面积植物群落的固碳量（图 10，表 3）。

  

   5.3.2  公园游憩观赏绿地

   

   绿地设置约 3 m 高度的绿坡作为障景，主要承载着休闲观赏的功能。东侧经常更换时令草花，作为植物小景。由于邻近公园主干道，是游人自东门向园内游览的必要途径，因此绿地种植层次较为多样和美观。将现状样方中的低固碳植物替换为同科属固碳量较高的植物，增加植物群落层次结构，新增了2 棵冠幅开展的落叶大乔木苦楝，种植于原有常绿灌木之间，提升了单位面积固碳量（图 11，表 4）。

   

    5.3.3  公园道路绿地

    

    公园道路绿地较窄，宽度约 2 m，绿地中的植物层次结构与其他样方相比较为简单，植物种类较少。绿地主要承担着吸尘降噪、固碳释氧和道路美化的功能。增加固碳量较高的植物面积，如底层采用修建整齐的大叶黄杨，在灌木中间种植较高大的红叶石楠，增加整体层次的同时提升样方的固碳量（图 12，表 5）。

    

    6  结论

    

    本研究从中观尺度讨论街区单元绿地空间格局与碳储量之间的关系，建立了从宏观到微观绿地碳汇理论研究和实践的桥梁，使城市中小尺度绿地发挥应有的生态系统服务功能；提出了“城市街区单元绿地空间格局与城市碳储量量化分析—关键斑块廊道的碳汇效益优化—街区单元样方植物群落碳汇效益优化—高固碳植物群落”设计流程。

    

    通过景观生态学相关理论研究，探讨了不同类型街区单元绿地空间格局对城市碳储量的影响机制，探索了街区单元绿地空间格局的构成要素与设计方法，为街区单元绿地建设提供参考，从而提升城市街区单元内社区生活圈的人居环境质量。