張桂蓮 邢璐琪 張 浪 仲啟鋮 易 揚

ZHANG Guilian* XING Luqi ZHANG Lang* ZHONG Qicheng YI Yang

（上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，城市困難立地生態(tài)園林國家林業(yè)和草原局重點實驗室，國家林業(yè)和草原局城市困難立地綠化造林國家創(chuàng)新聯(lián)盟，上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232）

( Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning, Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Ecological Landscaping of Challenging Urban Sites, National Innovation Alliance of National Forestry and Grassland Administration on Aんorestation and Landscaping of Challenging Urban Sites, Shanghai Engineering Research Center of Landscaping on Challenging Urban Sites, Shanghai, China, 200232 )

城市化區(qū)域是CO2等溫室氣體的主要排放來源。城市綠地作為城市范圍內(nèi)唯一直接增匯、間接減排要素，精準監(jiān)測其碳匯能力、分析其影響因素，能直觀反映城市綠地的碳中和作用，這對增強城市綠地碳匯功能，促進城市低碳發(fā)展具有重要意義。研究梳理了多種城市綠地碳匯計量監(jiān)測方法，主要有樣地清查法、同化量法、微氣象法、遙感估測法等，分析前人運用上述方法對不同尺度、類型城市綠地進行碳匯計量的研究成果，總結(jié)各方法的適用范圍與尺度、優(yōu)勢與不足。在此基礎(chǔ)上，針對城市綠地特征提出了不同尺度、不同方法相結(jié)合的城市綠地碳匯計量監(jiān)測思路與框架，以期推進城市綠地碳匯的精確評估，為城市精細化管理、碳中和目標的實現(xiàn)提供理論和技術(shù)支撐。

城市綠地；碳儲量；碳匯；樣地清查；遙感監(jiān)測；城市綠地碳匯計量監(jiān)測框架

城市化區(qū)域人口高度密集，化石能源利用強度高，土地利用變化劇烈，是CO2等溫室氣體的主要排放來源[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國城市碳排放量占全國總量的90%[2]。城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。作為城市范圍內(nèi)唯一直接增匯、間接減排要素[3]，城市綠地不僅能夠通過植物群落進行自然固碳，還可以通過調(diào)節(jié)小氣候、涵養(yǎng)水源、吸收污染物等生態(tài)效益的發(fā)揮減少城市的總體能耗，間接降低城市碳排放[4]。城市綠地的自然固碳，即城市綠地碳匯，是指城市綠地中的綠色植物通過光合作用吸收大氣中的CO2并固定在植被與土壤中，從而減少大氣中CO2濃度的過程[5]。準確監(jiān)測城市綠地碳匯的時空分布，分析其影響因素，對于增強城市綠地碳匯功能，促進城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，直觀反映城市綠地應(yīng)對氣候變化價值具有重要的指導(dǎo)作用。

隨著城市化進程的深入，城市土地利用規(guī)劃趨于飽和，城市綠地存在擴張困難、生態(tài)空間匱乏的問題；同時，城市區(qū)域高度異質(zhì)性，城市綠地空間分布格局相對復(fù)雜，綠地物種豐富度高、群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間分布破碎，相較于一般森林，城市綠地時空分布的精準獲取、狀態(tài)變化的可視化感知存在一定難度；另外，城市綠地人為擾動程度高，城市環(huán)境建設(shè)及人居要求對其生態(tài)服務(wù)功能的需求更高更全面，而城市森林碳匯功能評估方法眾多，標準不統(tǒng)一，評估對象多有不同，尺度參差不齊，城市綠地碳匯功能的科學(xué)評價、對比分析方面存在諸多技術(shù)難題。

近年來，相關(guān)學(xué)者對城市綠地碳匯的計量監(jiān)測已開展了許多研究，但總體上仍主要參照森林碳匯的計量監(jiān)測方法，缺乏專門針對城市綠地的技術(shù)標準。文章梳理和比較了城市綠地碳匯的計量監(jiān)測方法（表1），分析了前人對城市綠地監(jiān)測的研究成果，構(gòu)建了不同尺度及方法相結(jié)合的針對城市綠地的碳匯計量監(jiān)測框架，以期推進城市綠地碳匯監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及標準指南的制定，為規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)面向碳中和的城市綠地提供理論和技術(shù)參考。

1 城市綠地碳匯計量監(jiān)測方法

1.1 樣地清查法

樣地清查法是通過建立典型樣地對植被及土壤碳儲量進行實測，并結(jié)合連續(xù)觀測來獲取一定時期內(nèi)碳儲量的變化情況[5]。該方法通常在推算出生物量后乘以含碳系數(shù)來求得碳儲量，主要包括平均生物量法、生物量轉(zhuǎn)換因子法和模型測算法。

平均生物量法是基于實測樣地的平均生物量與該類型綠地面積來求取綠地生物量的方法。其中，采用標準木解析法直接測量生物量準確度高，如王迪生[6]采用平均標準木法測算出北京城區(qū)園林綠地總碳儲量為371.16萬 t，城區(qū)年碳匯量約為4.5萬 t；林雯等[7]結(jié)合樣方調(diào)查和解析木測定方法，得出廣州市城市森林不同林分單位面積碳儲量大小依次為馬占相思（283.95 t）、黧蒴（262.99 t）、木荷（244.92 t）、馬尾松（224.09 t）、桉樹（166.28 t）、杉木（157.66 t）。標準木解析法對于物種豐富度極高的城市綠地而言，工作量及人力物力消耗較大，在城市區(qū)域尺度中應(yīng)用較困難，在實際應(yīng)用中，通?；跇藴誓窘馕龇ǖ玫降母呔葘崪y數(shù)據(jù)，構(gòu)建胸徑（樹高）—生物量回歸方程（如異速生長方程）進行樹木生物量的估測[8-9]。

生物量轉(zhuǎn)換因子法是根據(jù)蓄積量與生物量的比值關(guān)系，基于資源清查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)中林分的總蓄積量得到生物量，被廣泛用于區(qū)域乃至國家尺度上植被生物量、碳儲量及其動態(tài)變化的評估[10]。賴廣梅等[11]采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法對東莞市大嶺山城市森林公園的植物碳匯能力進行了分析，研究表明森林公園年碳匯量為7.34 t/hm2；仲啟鋮等[12]采用轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估算上海全市喬木林生物量為4.828×106t；Ren等[13]基于森林資源清查數(shù)據(jù)和生物量轉(zhuǎn)換因子法，對廈門城市森林1972 — 2006年間的碳儲量變化進行了估算。采用生物量轉(zhuǎn)換因子法進行城市綠地碳儲量、碳源/匯的動態(tài)監(jiān)測，需考慮不同地區(qū)、不同物種之間轉(zhuǎn)換因子等參數(shù)的差異，參數(shù)的“適地適樹”是提升生物量轉(zhuǎn)換因子法估測精度的關(guān)鍵。

模型測算法是基于樣地實測的樹木信息，模擬樹木生長或直接建立樹木模型，通過輸入植被信息或通過遙感影像識別植被，從而對碳匯量進行估算[14]，常用的模型包括CITYgreen、i-Tree、The Pathfinder、NTBC、InVEST等。對單株植物來說，The Pathfinder和NTBC可進行年碳匯量估算[14]；i-Tree模型適用于街頭綠地、行道樹等斑塊尺度綠地碳匯量估算[15]；針對城市森林、城市公園等區(qū)域尺度綠地的碳匯估算，多采用CITYgreen模型[16]；在城市區(qū)域尺度，InVEST模型考慮土地利用/覆被與碳儲量的關(guān)系[17]。模型測算法相比傳統(tǒng)估算方法，可極大節(jié)約人力物力，使運算更加快速高效；同時，模型根據(jù)植被自身屬性模擬樹木生長狀態(tài)，碳儲量、碳源/匯估算精準度較高，在城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價應(yīng)用廣泛。

1.2 同化量法

同化量法即通過測定植物葉片光合生理指標，如凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度等，計算植被凈同化總量、凈固碳量，結(jié)合葉面積、綠量等結(jié)構(gòu)參數(shù)得到植物固碳量，常用于在小尺度上評價不同植物固碳能力強弱、篩選高碳匯物種、分析植物光合作用影響因子等。

相關(guān)學(xué)者基于同化量法就城市綠地物種碳匯能力開展了許多研究，為不同地區(qū)高碳匯樹種選擇提供了參考[18-19]。利用同化量法測定不同尺度，如葉片、植物單株、單位面積的固碳能力，結(jié)合植被生理參數(shù)（葉面積、綠量、冠層結(jié)構(gòu)等）、綠地面積等數(shù)據(jù)實現(xiàn)綠地尺度固碳量的測算，如王忠君等[20]測定了福州植物園28種主要植物的葉面積指數(shù)和光合指標，結(jié)合林業(yè)二類清查數(shù)據(jù)測算植物園各類植被的綠量值、固碳量，對植物園植被的固碳釋氧效應(yīng)進行了量化研究；吳婕等[21]通過深圳特區(qū)城市植被優(yōu)勢植物光合作用參數(shù)測定，結(jié)合大范圍樣方調(diào)查和遙感觀測，推算出深圳城市不同綠地類型的固碳釋氧效應(yīng)及其時空特征。

雖然利用同化量法實現(xiàn)城市綠地碳匯監(jiān)測的研究已經(jīng)開展了許多，但該方法存在一定的不確定性，如溫度、降水等環(huán)境因子對光合速率的影響，相同樹種不同生長階段的光合速率差異，葉片尺度的固碳量推算到整株甚至綠地尺度等都會引起不確定性，從而影響碳匯監(jiān)測結(jié)果[22]。

1.3 微氣象法

微氣象法通過測量近地層湍流狀況和被測氣體的濃度，從而獲得該氣體的通量值[23]。該方法以小氣候特征監(jiān)測為基礎(chǔ)，可直接對綠地與大氣之間的CO2通量進行連續(xù)、動態(tài)的觀測，廣泛應(yīng)用于碳通量變化及其環(huán)境響應(yīng)機理的研究[24]。代表性方法是渦度協(xié)方差法，如陳文婧等[25]于2011 — 2012年對北京奧林匹克森林公園進行碳通量觀測，發(fā)現(xiàn)該公園綠地全年凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力為164 g·C/m2；李霞等[26]對北京海淀公園的CO2通量觀測數(shù)據(jù)分析表明，海淀公園綠地年凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力為8.7554 t·C/hm2；孫春健等[27]分析2009、2010年東莞市植物園內(nèi)的CO2通量定位觀測數(shù)據(jù)，表明年平均凈生態(tài)系統(tǒng)交換量總量為104.2 g·C/m2。

盡管渦度協(xié)方差法可以直接、連續(xù)、準確地觀測綠地的碳匯能力，但該方法對下墊面的要求很高[28]。有研究表明，在復(fù)雜地形和大氣不穩(wěn)定地點測定的生態(tài)系統(tǒng)碳吸收與其他方法的結(jié)果差別高達80%～100%[29]；同時，渦度協(xié)方差法是點尺度觀測方法，在某個站點得到的結(jié)果難以外推至其他站點[30]。對于空間異質(zhì)性較高的城市區(qū)域及城市綠地而言，須考慮城市綠地下墊面是否均勻，觀測輻射范圍、通量塔或移動通量站布設(shè)等問題，從而進一步開展基于渦度相關(guān)城市綠地碳源/匯動態(tài)監(jiān)測。

1.4 遙感估算法

遙感技術(shù)具有快速、實時、大范圍獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，應(yīng)用分析遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，或以遙感影像為數(shù)據(jù)源結(jié)合實地調(diào)查數(shù)據(jù)、驅(qū)動模型是實現(xiàn)碳儲量、碳循環(huán)、碳源/匯監(jiān)測的有效方法。目前，碳匯動態(tài)監(jiān)測相關(guān)遙感衛(wèi)星及數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過長足發(fā)展，已具有良好的應(yīng)用潛力[31]?；谶b感技術(shù)開展碳匯估算，主要有兩種方法：反演估算、模型模擬。

通過遙感反演方法開展碳匯估算是對遙感影像數(shù)據(jù)和實測碳儲量數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，建立兩者的擬合方程，進而獲取城市綠地碳儲量的時空分布及動態(tài)[32]。城市綠地的空間分布格局及其功能需求相對復(fù)雜，決定其生物量的環(huán)境因子和生物因子多種多樣，在這種情況下，單一遙感信息很難準確反映生物量的變化[33]。許多學(xué)者基于多源遙感信息，如不同影像的波段灰度值、植被指數(shù)、紋理信息等進行變量篩選與擬合，實現(xiàn)了城市綠地碳儲量、碳動態(tài)的估算，如湯煜等[34]基于遙感植被覆蓋度數(shù)據(jù)建立了沈陽城市綠地地上碳儲量（aboveground carbon，AGC）估算模型，結(jié)果表明沈陽城市綠地AGC總量為1.437 Tg；Yao等[35]采用多種遙感植被指數(shù)建立城市綠地AGC的回歸方程，發(fā)現(xiàn)2004年到2010年西安市環(huán)城公路內(nèi)城市綠地AGC年均增長8 796 t；徐麗華等[36]對50個遙感因子進行篩選，建立義烏市不同城市森林類型的遙感碳儲量估算模型，研究表明公園森林、防護森林、單位附屬森林和其他森林的碳儲量分別為3 623.80 t 、5 245.78 t、5 284.84 t、5 343.65 t。

城市綠地空間異質(zhì)性高、物種豐富度高，對城市綠地碳儲量的估算往往會涉及物種尺度甚至單株尺度。然而，基于遙感技術(shù)的城市綠地物種識別存在模型限制問題，如線性回歸模型普遍存在預(yù)估精度不高、模型泛化能力差、估算結(jié)果殘差線性相關(guān)等問題[37]；其次，生物量、碳儲量的估算存在飽和現(xiàn)象[32]，往往會造成生物量估測的低值高估與高值低估問題，影響遙感估算精度。對于以上問題，一些學(xué)者利用機器學(xué)習(xí)模型等提高了線性多變量模型的預(yù)估精度，如譚一凡等[38]采用KNN方法對深圳市森林碳分布進行模擬，得到碳估測最大值為309 Mg/hm2；陸超等[39]利用隨機森林算法建立溫州市主城區(qū)綠地生物量估算模型，發(fā)現(xiàn)城市綠地總生物量從2005年的223 783.80 t增加至2015年的405 191.09 t；邱布布等[40]利用逐步回歸和隨機森林算法建立杭州市綠地地上生物量估算模型，結(jié)果表明，城市綠地生物量隨機森林模型R2（0.643）較逐步回歸模型（0.514）有所提高。同時，還有學(xué)者將混合效應(yīng)模型應(yīng)用于生物量、碳儲量的模擬，緩解了飽和后估值抬高的影響，提高了模擬精度[41]。

城市綠地提取及分類是進行碳儲量、碳匯量估算的前提。城市區(qū)域高度異質(zhì)性，綠地破碎程度高，植被類型多樣性高，人為擾動程度高，因而相較于天然森林，利用遙感技術(shù)進行城市綠地精準提取、碳儲量精確估算有更多的難點，如城市綠地的提取與碳儲量估算需要更高空間分辨率以解決中低分辨率混合像元問題[42]，同時考慮到椒鹽噪聲問題，需對空間分辨率尺度進行研究[43]；需要更高的光譜分辨率以應(yīng)對物種多樣性及光譜相似性問題[44]；需采用激光雷達等新型遙感技術(shù)開展樹種識別、三維建模等研究[45]。上述難點部分已開展了一定研究并取得相應(yīng)成果，Sun等[46]采用SPOT6高分辨率影像，估算北京市城市綠地碳儲量總量為956.3 Gg；Chen等[47]利用Google Earth高分辨率影像更精確地匹配了青島市城陽街道綠地樣地，提高了估算精度，得出了不同綠地類型的碳密度空間分布；申鑫等[48]利用機載LiCHy傳感器獲取高光譜和高空間分辨率數(shù)據(jù)，融合高光譜數(shù)據(jù)光譜特征變量和高空間分辨率數(shù)據(jù)單木冠幅統(tǒng)計變量，構(gòu)建多元回歸模型估算生物量，結(jié)果表明通過集成高光譜和高空間分辨率數(shù)據(jù)的生物量反演效果有所提升。

通過模型模擬開展城市綠地碳匯監(jiān)測，主要有參數(shù)模型和過程模型。參數(shù)模型也稱為半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，即在收集到各類相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)驗公式來求解碳通量大小，如常用的光能利用模型CASA。許多學(xué)者已經(jīng)基于CASA模型和遙感影像數(shù)據(jù)對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)NPP、固碳量等進行了估算[49]。過程模型是以森林生態(tài)系統(tǒng)生理生態(tài)過程為基礎(chǔ)，從機理上模擬植被光合作用、蒸騰作用和呼吸作用，以及它們與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換過程，從而實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及其對氣候環(huán)境變化和對人為干擾響應(yīng)過程的模擬，主要有TEM模型、CENTURY模型、BIOME-BGC模型、BEPS模型等。過程模型基于生理生態(tài)機理建模，在碳循環(huán)等模擬中具有明顯優(yōu)勢，在森林碳循環(huán)、碳源/匯動態(tài)的研究中已被廣泛采用[50-52]。然而，由于模型本身的復(fù)雜性和不確定性、驅(qū)動數(shù)據(jù)的多樣性、遙感數(shù)據(jù)的標準化以及適用于大尺度模擬的局限性，基于過程模型的城市綠地碳源/匯研究較少。

2 城市綠地碳匯計量監(jiān)測思路與框架

目前，盡管有許多方法被用于監(jiān)測或估算城市綠地碳匯能力，但多數(shù)仍參照森林碳匯的計量監(jiān)測方法，缺乏專門針對城市綠地碳匯的監(jiān)測技術(shù)或標準。而城市綠地相關(guān)的標準多集中于綠地分類、植物配置、養(yǎng)護管理及設(shè)計規(guī)范等方面，如《城市綠地設(shè)計規(guī)范》（GB50420-2007）、《城市綠地分類標準》（CJJ/T85-2017）、《城市綠地植物配置技術(shù)規(guī)范》（DB13/T2574-2017）、《城市綠地養(yǎng)護管理質(zhì)量標準》（DB3301/T0286-2019）等。與碳匯相關(guān)性較強的技術(shù)標準多集中在林業(yè)領(lǐng)域，國際上主要有IPCC編制的《關(guān)于土地利用、土地利用變化和林業(yè)方面的優(yōu)良做法指南》，國內(nèi)主要有國家林業(yè)和草原局、自然資源部的行業(yè)標準及上海、北京、黑龍江、山東、廣東、廣西的地方標準，如《林業(yè)碳匯計量監(jiān)測術(shù)語》（LY/T3253-2021）、《造林項目碳匯計量監(jiān)測指南》（LY/T2253-2014）、《林業(yè)碳匯計量監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（DB11/T953-2013）、《城市森林碳匯調(diào)查及數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范》（DB31/T1232-2020）等。對于如何準確、定量估算城市綠地碳匯的總量、組分和分布，尚沒有制定統(tǒng)一有效的計量技術(shù)標準體系和實施范式。

在分析前人采用樣地清查法、同化量法、微氣象法和遙感估測法對城市綠地碳匯進行分析研究的基礎(chǔ)上，本文提出了專門針對城市尺度的綠地碳匯計量監(jiān)測思路和框架（圖1）。首先，根據(jù)中國城市綠地的內(nèi)涵、類型和結(jié)構(gòu)功能特征，結(jié)合城市綠地分類，進行網(wǎng)格化布點，確定基于公園綠地、防護綠地、廣場用地、附屬綠地和區(qū)域綠地5大類型的抽樣面積及監(jiān)測樣地；其次，對樣地組成進行分類解譯與實地調(diào)查，主要分為喬木層、灌木層、地被層、土壤和水體5類，開展不同分層的碳庫調(diào)查與參數(shù)測定，構(gòu)建生物量關(guān)系模型；最后，根據(jù)尺度轉(zhuǎn)換技術(shù)，獲得不同樣地、不同綠地類型的單位面積碳儲量，實現(xiàn)城市綠地碳儲量和碳匯量的估算。

圖1 城市綠地碳匯計量監(jiān)測框架Fig. 1 The framework for measuring and monitoring urban green space carbon sinks

3 結(jié)語

準確計量及評估城市綠地碳匯能力，對推進城市“碳達峰、碳中和”工作，建設(shè)綠色、低碳的可持續(xù)發(fā)展城市具有重要意義。基于城市綠地增匯減排的現(xiàn)實需求，未來對綠地碳匯計量技術(shù)的研究和運用，可從精準計量、技術(shù)體系和標準建設(shè)、智能化管理技術(shù)研建等方面開展，明確不同尺度城市綠地的碳庫、碳匯參數(shù)調(diào)查監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集方法，完善不同碳庫碳儲量和碳匯量計量體系；結(jié)合樣地測定與遙感估測、大數(shù)據(jù)等手段，開發(fā)相應(yīng)的模型或算法，以估算城市綠地的碳匯能力。另外，借鑒國內(nèi)外相關(guān)碳匯績效監(jiān)測和評估信息系統(tǒng)，研發(fā)用于全流程監(jiān)測和管理的城市綠地碳匯效益信息系統(tǒng)，實現(xiàn)城市綠地碳匯現(xiàn)狀評估、情景分析和模擬預(yù)測，支撐城市綠地規(guī)劃、建設(shè)和管理全過程，為2060碳中和目標的實現(xiàn)提供科學(xué)指導(dǎo)。