王晶懋 齊佳樂 韓都 羅宜帆

1 基于生境營造的小尺度綠地全生命周期碳排放和碳匯過程

1.1 城市小尺度綠地碳平衡的重要性

城市作為各種能源消耗的載體，近年來出現(xiàn)了許多城市氣候問題，如熱島效應(yīng)。如何緩解城市氣候變化，實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，促進(jìn)建設(shè)低碳城市是當(dāng)今風(fēng)景園林界需要著眼的研究方向[1]。城市綠地是利用植物、水體等構(gòu)建的城市自然景觀，是重要的自然碳匯載體。在進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不同植物的固碳能力，可以通過植物配置與綠化空間設(shè)計(jì)優(yōu)化來提升綠色植物的碳匯能力[2-5]。

在降低城市碳排放的需求與城市居民對(duì)于綠地空間的需求的雙重因素下，小尺度綠地體現(xiàn)出重要的價(jià)值。小尺度綠地的面積不能過大，本研究將小尺度綠地定義為面積在10 000 m2以內(nèi)的綠地[6]。小尺度綠地在城市綠色空間中分布廣、類型豐富，在過去10年間，全球28個(gè)特大城市綠地覆蓋率總體增長4.11%，所增綠量多由中小尺度綠地貢獻(xiàn)[7]。從區(qū)域尺度綠地空間的評(píng)估成果來看，小尺度綠地更能體現(xiàn)城市綠地空間的生態(tài)性與低碳效益，改善小氣候的潛力和社會(huì)價(jià)值較高[8]，并且在尺度、功能方面具有多樣性，在規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐中可以靈活應(yīng)用[9]。國內(nèi)外現(xiàn)有研究大多關(guān)注小尺度綠地的生態(tài)效益，對(duì)其設(shè)計(jì)、施工、管理不同階段的碳排放和碳匯的研究較少[10]。因此，開展城市小尺度綠地碳平衡研究，對(duì)于城市綠色空間規(guī)劃與設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1.2 景觀全生命周期中碳排放和碳匯的轉(zhuǎn)換過程

“雙碳”目標(biāo)下的城市綠地低碳單元設(shè)計(jì)需遵循生態(tài)學(xué)規(guī)律，通過規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)實(shí)施、管理運(yùn)營3個(gè)層面構(gòu)建地被植物群落模式。在景觀全生命周期的范疇內(nèi)，碳排放主要源于景觀材料生產(chǎn)、景觀建造、景觀日常使用、景觀維護(hù)管理等階段。本研究側(cè)重于綠地碳匯單元，通過場地評(píng)估、植物選種、種植設(shè)計(jì)、施工建造、維護(hù)管理等，建立基于監(jiān)測與評(píng)價(jià)體系的全生命周期流程及量化計(jì)算方法，提出景觀營建中要側(cè)重高固碳植物配置模式的選擇和低碳材料的運(yùn)用，以期對(duì)低碳綠地設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

近年來中國西北半干濕地區(qū)快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程正在不斷壓縮、切割城市內(nèi)部生態(tài)空間，使城市內(nèi)部生境質(zhì)量下降，極大降低了城市內(nèi)部的生物多樣性，城市內(nèi)部成為城市生物多樣性保護(hù)與提升的薄弱之處。長期以來，人們一直將喬木作為碳匯主體而忽略了灌木和地被植物群落的碳匯效應(yīng)，尤其是在西北半干濕地區(qū)，灌木、地被的固碳總量遠(yuǎn)高于長勢稀疏的喬木[11]。地被植物群落具有穩(wěn)定提高城市生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的潛力，因此，本研究以西北半干濕地區(qū)的鄉(xiāng)土地被植物群落為研究對(duì)象，在場地設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)場地光照、水分、土壤等主導(dǎo)生境因子進(jìn)行科學(xué)合理的生境分區(qū)，為場地篩選適宜的植物群落，從一定程度上減少碳排放。本研究將景觀全生命周期劃分為景觀材料生產(chǎn)、景觀建造、景觀日常使用和景觀維護(hù)管理4個(gè)階段，計(jì)算各階段的碳排放并構(gòu)建景觀植物碳匯模型，對(duì)碳排放與碳匯的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行分析，進(jìn)而提出減少碳排放和增加碳匯的策略以達(dá)到小尺度綠地碳平衡（圖1）。

1 景觀全生命周期過程Landscape life cycle process

2 小尺度綠地景觀全生命周期碳排放量化研究

2.1 樣地的選取

本研究以西北半干濕地區(qū)的小尺度城市綠地為研究對(duì)象，聚焦鄉(xiāng)土地被植物群落，選取西安建筑科技大學(xué)雁塔校區(qū)南門花園與圖書館綠地作為樣地（圖2、3），進(jìn)行景觀全生命周期量化研究。南門花園位于西安建筑科技大學(xué)南門東側(cè)，總面積855.34 m2，其中鋪裝面積168.43 m2，綠地面積686.91 m2。

2 西安建筑科技大學(xué)雁塔校區(qū)樣地選點(diǎn)Sample sites selection for Yanta Campus of Xi’an University of Architecture and Technology

3 南門花園（3-1）與圖書館綠地（3-2）現(xiàn)狀
Current status of the South Gate Garden (3-1) and the green space outside the library (3-2)

在植物配置方面，應(yīng)滿足城市典型附屬綠地生境條件多樣性和典型性的需求，基于生態(tài)學(xué)生態(tài)因子理論對(duì)其進(jìn)行生境類型分區(qū)，并配置適宜于陽生區(qū)、建筑陰生區(qū)、建筑西照半陽生區(qū)的植物群落[12]。南門花園經(jīng)生境營造后，形成以鄉(xiāng)土植物為主的低維護(hù)綠地，分為季節(jié)主題層、結(jié)構(gòu)層、地被層3個(gè)層次。其中，季節(jié)主題層植物主要包括橙花糙蘇（Phlomis fruticosa）、綿毛水蘇（Stachys byzantina）、云南蓍（Achillea wilsoniana）、野菊（Chrysanthemum indicum）、八寶（Hylotelephium erythrostictum）、細(xì)葉針茅（Stipa lessingiana）、小兔子狼尾草（Pennisetum alopecuroides）、桔梗（Platycodon grandiflorus）、匍枝毛茛（Ranunculus repens）、地榆（Sanguisorba officinalis）、鳶尾（Iris tectorum）、蔥蓮（Zephyranthes candida）、過路黃（Lysimachia christinae）、羽瓣石竹（Dianthus plumarius）、澇峪薹草（Carex giraldiana）和麥冬（Ophiopogon japonicus）；結(jié)構(gòu)層包括美國薄荷（Monarda didyma）、假龍頭花（Physostegia virginiana）、迷迭香（Rosmarinus officinalis）、細(xì)葉芒（Miscanthus sinensis）、聚合草（Symphytum officinale）以及毛地黃釣鐘柳（Penstemon digitalis）；地被層包括蒲公英（Taraxacum mongolicum）、垂盆草（Sedum sarmentosum）、佛 甲 草（Sedum lineare）、燈 芯 草（Juncus effusus）等。

圖書館綠地位于圖書館西側(cè)，面積800 m2，其中鋪裝面積116 m2，綠地面積684 m2，基地內(nèi)植物采用單一草坪草種植，人工種植并定期維護(hù)管理。為對(duì)比低維護(hù)綠地的低碳效能，將圖書館綠地作為對(duì)照組進(jìn)行觀察。

2.2 景觀全生命周期碳排放量化計(jì)算

景觀全生命周期清單分析是對(duì)景觀營建的各個(gè)階段的碳排放和碳匯因素進(jìn)行匯總，內(nèi)容包括材料的種類及數(shù)量、運(yùn)輸方式、能源消耗、運(yùn)營維護(hù)及植物碳匯等數(shù)據(jù)清單，將觀測數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的碳排放因子（碳排放系數(shù)）相乘，得到每一個(gè)階段的碳排放和碳匯量，進(jìn)而得出景觀全生命周期總的碳排放和碳匯量。在景觀全生命周期中，每個(gè)階段都有相應(yīng)的材料使用和能源消耗清單，分別計(jì)算每階段的碳排放和碳匯量然后再匯總，得到景觀全生命周期的碳排放和碳匯總量，分別如式（1、2）所示[13]：

式中：C為景觀全生命周期碳排放總量；C1為景觀材料生產(chǎn)階段碳排放總量；C2為景觀建造階段碳排放總量；C3為景觀日常使用階段碳排放總量；C4為景觀維護(hù)管理階段碳排放總量；S為景觀全生命周期碳匯總量；S1為景觀植物碳匯總量；單位為kg。

2.2.1 景觀材料生產(chǎn)階段碳排放總量

根據(jù)以往研究，景觀全生命周期中景觀材料生產(chǎn)階段的碳排放量占比最多，原材料獲取以及材料加工過程中往往伴隨著化石能源的大量消耗。南門花園在景觀設(shè)計(jì)的初始階段就減少了高消耗材料的運(yùn)用，使用的建造材料有6種，主要用于鋪裝、花池，根據(jù)GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[14]以及相關(guān)研究[15]，得出南門花園在景觀材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放總量為19 115.69 kg（表1）。

表1 景觀材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放量Tab. 1 Carbon emissions from the production of landscape materials

圖書館綠地內(nèi)的鋪裝材料為混凝土磚，在材料生產(chǎn)中產(chǎn)生的碳排放較多，共為15 120.00 kg。根據(jù)比較得知，南門花園與圖書館綠地在材料生產(chǎn)過程中碳排放量差距不大。2塊樣地都是以游覽觀賞為主的場所，需要硬質(zhì)鋪裝滿足活動(dòng)功能。根據(jù)材料的碳排放對(duì)比得知，在材料生產(chǎn)過程中，天然材料（如大理石、花崗巖等）的碳排放因子較低，其中花崗巖生產(chǎn)過程中的碳排放量是同等體積壓?；炷恋?/3。

2.2.2 景觀建造階段碳排放總量

景觀建造階段產(chǎn)生的碳排放來源于材料運(yùn)輸和建造施工兩方面。南門花園與圖書館綠地都為1 000 m2以內(nèi)的附屬綠地，工程量較小且不需要大型機(jī)械，建造施工均為人力，故建造施工產(chǎn)生的碳排放暫且忽略不計(jì)，這里只討論景觀材料運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放，包括景觀建材運(yùn)輸和景觀植物運(yùn)輸兩類。

1）景觀建材運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放。南門花園內(nèi)的景觀建材均選自西安市周邊，運(yùn)輸車輛選用4.2 m長、載重10 t的貨車，其碳排放因子來自中國碳排放數(shù)據(jù)庫，每千米耗柴油0.2 L[16]，計(jì)算得出南門花園在景觀建材運(yùn)輸過程中的碳排放量為82.47 kg。圖書館綠地的景觀建材也是就近運(yùn)輸，產(chǎn)生的碳排放量為23.56 kg（表2）。

表2 景觀建材運(yùn)輸過程產(chǎn)生的碳排放量Tab. 2 Carbon emissions from the transportation of landscape materials

2）景觀植物運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放?；▓@內(nèi)的景觀植物采用西北地區(qū)本土植物，均由市內(nèi)苗圃提供，運(yùn)輸車輛為中小型面包車，每千米消耗汽油0.12 L[16]，計(jì)算得出南門花園在植物運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排放量為72.13 kg。圖書館綠地的植物景觀是單一品種的草坪草，運(yùn)輸過程中的碳排放量為92.41 kg（表3）。

表3 景觀植物運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量Tab. 3 Carbon emissions from the transportation of landscape plants

南門花園與圖書館綠地的碳排放量在建造階段相差不大，由此可見，材料運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕咳Q于能源的消耗，而運(yùn)輸距離與車輛型號(hào)決定汽油或柴油的消耗量，因此縮短運(yùn)輸距離和就地取材是減少碳排放的有效方法。

2.2.3 景觀日常使用階段碳排放總量

2塊樣地在使用過程中的碳排放主要源自照明設(shè)備，包括路燈和草坪燈。采用中國區(qū)域電網(wǎng)西北地區(qū)的碳排放因子[17]來測算照明設(shè)備的碳排放。南門花園內(nèi)的照明設(shè)施使用時(shí)間冬天為18：00—23：00，夏季為19：00—24：00，按照每天5 h計(jì)算。南門花園在日常使用過程中產(chǎn)生的年碳排放量總計(jì)197.58 kg，圖書館綠地為408.19 kg（表4）。由于南門花園距校園主路較遠(yuǎn)，對(duì)于照明的需求并不多；而圖書館綠地臨近校園主路，對(duì)照明的需求較多，產(chǎn)生的碳排放相對(duì)南門花園較多。

表4 景觀日常使用階段產(chǎn)生的碳排放量Tab. 4 Carbon emissions from the daily use of landscape

表6 圖書館綠地景觀維護(hù)管理階段產(chǎn)生的碳排放量Tab. 6 Carbon emissions from the maintenance and management of landscape in the green space outside the library

2.2.4 景觀維護(hù)管理階段碳排放總量

景觀維護(hù)管理過程中產(chǎn)生的碳排放主要來自材料的更新、植物的養(yǎng)護(hù)及補(bǔ)種。由于南門花園遵循低維護(hù)設(shè)計(jì)原則，園內(nèi)植物對(duì)灌溉和肥料的需求較少，主要碳排放來源于植物的補(bǔ)種運(yùn)輸，每年景觀維護(hù)管理產(chǎn)生的碳排放量為14.42 kg。圖書館綠地為草坪，需要定期維護(hù)，包括修剪、灌溉和使用殺蟲劑等，每年景觀維護(hù)管理所產(chǎn)生的碳排放量為216.48 kg（表5、6）。南門花園的低維護(hù)景觀設(shè)計(jì)保證了其不必像圖書館綠地那樣進(jìn)行煩瑣的后期維護(hù)，僅需在綠地植物不足時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充，減少了人力物力的消耗，也減少了碳排放。

表5 南門花園景觀維護(hù)管理階段產(chǎn)生的碳排放量Tab. 5 Carbon emissions from the maintenance and management of landscape in the South Gate Garden

3 小尺度綠地景觀全生命周期碳匯量化研究

3.1 碳匯計(jì)算模型與方法

本研究中植物碳匯的測算辦法：采用Li-6400便攜式光合測定儀對(duì)植物進(jìn)行一年四季的觀測；在晴天時(shí)對(duì)所選植物的光合速率進(jìn)行測定，8：00—18：00每2 h測定1次，選擇同種的生長良好的3株為待測植物，每株植物選擇多個(gè)葉片進(jìn)行觀測，每個(gè)葉片取3～6個(gè)瞬時(shí)光合速率值作為重復(fù)。假定光合有效輻射每天按10 h計(jì)算[19-21]，則植物同化量為：

通過測定，將日同化總量換算為日單位葉面積固碳量，

式中：P為植物的日同化總量，單位為mmol/（m2·d）；Pi為初測點(diǎn)i的瞬時(shí)光合作用速率，單位為μmol/（m2·s）；Pi+l為i+1測點(diǎn)的瞬時(shí)光合作用速率，單位為μmol/（m2·s）；ti為初測點(diǎn)i的測量時(shí)間；ti+1為i+1測點(diǎn)的測量時(shí)間；CS1為植物單位葉面積固碳量，單位為g/（m2·d）。

3.2 不同植物配置的碳匯量化比較研究

上述2塊樣地景觀全生命周期的碳匯多數(shù)由綠地中地被植物的光合作用強(qiáng)度決定，經(jīng)測算，南門花園植物群落的第一年碳匯總量為15 975.49 kg，圖書館綠地植物第一年碳匯總量為882.97 kg（表7）。南門花園多年生地被植物構(gòu)建的植物群落，形成了具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的高固碳模式，固碳效益較高；而圖書館綠地植物品種單一，固碳效益較差。對(duì)南門花園內(nèi)的植物進(jìn)行1年的觀測，以光照條件為變量探討不同光照條件對(duì)植物固碳能力的影響。針對(duì)不同的光照條件（如陽生區(qū)、建筑陰生區(qū)、建筑西照半陽生區(qū)）對(duì)植物群落進(jìn)行觀測，可得出南門花園植物固碳數(shù)據(jù)。對(duì)南門花園樣方內(nèi)的植物群落進(jìn)行持續(xù)觀測，通過存活率、生長勢等對(duì)植物群落進(jìn)行篩選，得到21個(gè)植物群落模式，經(jīng)測算對(duì)比，毛地黃釣鐘柳+綿毛水蘇組合的固碳能力大于綿毛水蘇+八寶組合，燈芯草+澇峪薹草組合大于燈芯草+橙花糙蘇組合，由此可看出植物群落搭配對(duì)植物固碳能力具有影響。

表7 研究樣地的景觀全生命周期不同階段第一年的碳排放和碳匯Tab. 7 Carbon emissions and carbons sinks at different stages within landscape life cycle of the sample plots in the first yeat 單位：kg

綠地面積相同的條件下，南門花園年固碳量遠(yuǎn)高于圖書館綠地，其原因是南門花園的植物多為鄉(xiāng)土植物，對(duì)環(huán)境適應(yīng)良好且生長旺盛。相反，圖書館綠地的草坪草在秋冬季節(jié)可能會(huì)長勢不良，植物的碳匯量降低。

4 小尺度綠地碳排放和碳匯比較與優(yōu)化策略

4.1 全生命周期碳平衡量化比較

經(jīng)比較可知，南門花園的景觀全生命周期第一年的年碳排放量為19 482.29 kg，景觀全生命周期年固碳量為15 975.49 kg，大約到植物群落穩(wěn)定后兩年達(dá)到碳平衡；而圖書館綠地的景觀全生命周期的第一年的年碳排放量總計(jì)為15 860.64 kg，景觀全生命周期年固碳量為882.97 kg，達(dá)到碳平衡需要17.9年。

從景觀全生命周期的各個(gè)階段來看，在材料生產(chǎn)階段，上述2塊小尺度綠地的年碳排放量相差不多，這是由于目前對(duì)材料的生產(chǎn)與使用還沒有一個(gè)明確的低碳策略，國內(nèi)對(duì)于材料生產(chǎn)方面減少碳排放的研究較少；在景觀建造階段，碳排放大多來自運(yùn)輸能耗，2塊綠地都采用市內(nèi)運(yùn)輸，所以運(yùn)輸方面的碳排放沒有較大差異；在景觀日常使用階段，照明設(shè)施的使用情況對(duì)碳排放有很大影響，圖書館綠地對(duì)于照明需求較高，所以產(chǎn)生的碳排放更多。經(jīng)對(duì)比得知，南門花園高固碳植物群落第一年的碳匯量為15 975.49 kg，圖書館綠地為882.97 kg，南門花園的碳匯量約是圖書館綠地的18倍（表7）。

4.2 低碳排：景觀全生命周期設(shè)計(jì)方法

景觀設(shè)計(jì)過程雖然不產(chǎn)生碳排放和碳匯，但低碳設(shè)計(jì)原則可以指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)過程，對(duì)景觀全生命周期的碳排放與固碳過程起決定性作用。在設(shè)計(jì)中以低碳低維護(hù)為核心策略，選擇低碳耐用材料，減少不必要的硬質(zhì)面積，平衡游憩與碳匯減排功能，并且應(yīng)就近選擇建造材料[22]，減少景觀施工階段碳排放；在植物配置方面應(yīng)優(yōu)先鄉(xiāng)土植物，以減少景觀維護(hù)管理階段的修剪和灌溉等維護(hù)措施及能源消耗（圖4）。

4 小尺度綠地低碳排高固碳的措施Measures for low carbon emission and high carbon sequestration of small-scale green space

4.3 高固碳：景觀植物設(shè)計(jì)階段碳匯優(yōu)化策略

植物的選擇關(guān)系到城市綠地建成后其碳匯量的大小，因此應(yīng)以關(guān)中地區(qū)高固碳植物名錄及鄉(xiāng)土植物名錄為依據(jù)，結(jié)合植物群落設(shè)計(jì)理論和生態(tài)學(xué)競爭-脅迫耐受-傳播定植（competitor-stress tolerator-ruderal, CSR）策略等相關(guān)理論，開展西北半干濕地區(qū)高固碳植物群落模式設(shè)計(jì)。

植物固碳是景觀全生命周期碳匯的主要途徑，本研究2塊樣地所選取的植物類型皆為地被，但南門花園植物群落約是圖書館綠地年固碳量的18倍。經(jīng)綜合分析得出以下結(jié)論：1）在植物選擇方面，應(yīng)增加鄉(xiāng)土植物的應(yīng)用，形成相對(duì)穩(wěn)定的植物群落，使固碳效益最大化；2）在植物配置方面，景觀植物種群組合形成的植物群落的固碳效益高于單一植物種植，所以適宜的植物配置模式對(duì)于增加植物碳匯很重要。

植物群落的固碳能力取決于植物群落生態(tài)穩(wěn)定性，本研究參照西北地區(qū)穩(wěn)定性高的原生地被植物群落的結(jié)構(gòu)，對(duì)樣地進(jìn)行植物配置。按照低維護(hù)、多樣性、生態(tài)性、美觀性的原則構(gòu)建植物群落，將具有不同固碳能力的植物進(jìn)行搭配，以達(dá)到更高的固碳效益，同時(shí)，低維護(hù)的設(shè)計(jì)又能減少后期養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的碳排放[23-24]。通過樣地實(shí)驗(yàn)，最后形成了6種西北地區(qū)高固碳植物群落配置模式（表8、圖5）。其垂直結(jié)構(gòu)一般為2～3層，物種數(shù)為3～6種，并使群落形成互利共生的穩(wěn)定種間關(guān)系[25-27]。

表8 基于光照條件的不同生境類型高固碳地被植物群落配置模式Tab. 8 Configuration modes for ground-cover plant community with high carbon sink capacity in a variety of habitats based on light conditions

5 高固碳地被植物群落配置模式Configuration modes for high carbon sink ground-cover plant communities

5 結(jié)語

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，如何遵循綠色低碳理念，在城市有限的綠地空間條件下實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，提升城市綠地植物固碳效益，成為新時(shí)代景觀營造必須思考和解決的科學(xué)問題。考量景觀全生命周期中碳排放和碳匯的平衡狀況，是低碳景觀營造的重要檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。這為城市小尺度綠地低碳設(shè)計(jì)以及低碳草本植物群落配置提供了科學(xué)依據(jù)。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～2由姚盈羽繪制；圖3由齊佳樂拍攝；圖4、表1～8由齊佳樂繪制；圖5由高潔繪制。