城市绿地碳汇核算方法及其研究进展

朱 凯 ，张倩倩,武鹏飞，冯 蕾

(北京建筑技术发展有限责任公司，北京 100093)

城市绿地碳汇核算方法及其研究进展

朱 凯 ，张倩倩,武鹏飞，冯 蕾

(北京建筑技术发展有限责任公司，北京 100093)

本文对目前国内外主要森林碳汇测算方法进行阐述与总结，并指出比较适合城市绿地碳汇核算的方法，同时对城市绿地碳汇核算的发展趋势进行了展望，并阐述了碳汇核算系统开发的意义，以促使碳汇成为一项城市绿地评价指标。

城市绿地;碳汇;绿植;碳汇核算系统

引言

由于化石燃料的大量开采利用以及土地利用变化，造成大量温室气体的排放[1]，对气候环境造成了巨大的威胁，气温上升、冰川融化、极端天气频发等，引起了很多国家和地区对低碳发展重视[2～3]。当前城市集中了全球50%以上的人口，消耗了约75%的能源，80%的温室气体排放来自于城市[4〗。很多城市都制定了自己的低碳发展指标体系，以此来限制工业、建筑、交通等领域的碳排放，但是这就不同程度地限制了城市的发展，并造成部分碳泄露，导致其他地区碳排放剧增[5〗。因此，低碳城市规划建设不能仅仅依靠减少碳源，更应重视增加城市绿地的碳汇。

城市绿地碳汇就是零散分布的城市绿色植物通过光合作用将空气中的CO2固定在植物体内或者土壤中，是城市最主要的碳汇。在CDM机制下，城市绿地的碳汇功能也日益凸现[6]。目前对碳汇的研究主要集中在大区域的森林、草地、湿地等方面，对城市绿地的碳汇能力研究相对较少，且研究方法不一，如陈志新等指出植物的碳汇主要与植物的叶面积和光合速率有关，并推导拟合出了银杏、毛白杨等植物的叶面积回归方程[7]。袁赟则研究了辽宁省朝阳市常见树种的生态效益，并拟合了四种常见园林树木的叶面积回归方程[8]，王迪生基于生物量法，通过抽样调查推算出北京市绿地的碳汇量[9]，林宪德等指出城市绿地碳汇能力与其种植类型和绿地面积有关，并估测出了台湾地区不同种植类型绿地40年的碳汇系数[10]，Strohbach MW等使用碳足迹的方法，对德国莱比锡新建绿地的碳汇能力进行了统计分析[11]。周坚华等利用卫星航片，并借助计算机模拟获得了上海市总三维绿量[12〗。

这些研究大部分是针对某一地区或者某几种植物进行的。我国约有80%的城市建成区绿化覆盖率在20%～50%之间[13]，这些绿地在为居民提供休闲娱乐、美化观赏等服务的同时，固定了大量的CO2，但是对这些绿地的碳汇能力的核算却很难进行[14]。在城市规划中，人们也只是概念性的认识到绿色植物能够固碳释氧，至于不同的绿植规划方案其碳汇能力却很难评估，更不能由此来指导规划。美国林业署开发的City-green软件，能够对不同类型的绿地进行碳汇能力计算，在美国等西方国家应用较多，近年来在我国也有很多学者开始使用City-green对绿地生态效益进行评价，如刘常富等[15]基于City-green模型对沈阳城市森林固碳效益进行了评估，张磊等[16]结合Gis技术和City-green对安徽农大校园内的绿地碳汇价值和其他生态价值进行了估算。但是City-green中的很多参数并不适合我国，且在碳汇评估方面存在较大的误差。

目前对城市绿地的碳汇核算方法研究较少，但是研究森林、草地和湿地碳汇量的方法却有很多，这些方法通过调整后，也可以应用于城市绿地碳汇量的统计。

1 国内外碳汇核算主要方法

目前研究森林碳储量的方法主要有生物量法、蓄积量法、涡度相关法和遥感-模型模拟法以及河湖湿地碳汇计算法等[17～18]，通过对林地基准年和目标年碳储量的核算，便可得到一定时期内的碳汇量。

其中生物量法主要基于植物的生物量的变化来间接的测算出固碳量[19]，是目前计算森林碳储量最常用的方法，具有直接、明确、技术简单的特点。生物量调查采用常规测树法如平均木法、随机抽样法、径阶选择法、材积转换法、维量分析法等分别测算森林系统中各组分的生物量，具体测定按地上部分、枯落物和根系分别采用不同的方法[20]。基于以上的基础研究，发展出了常用的方法即生物量清单法和生物量回归模型法[21～22]，这两种方法是目前IPCC公认的森林碳汇核算方法。方精云等[23]就是应用生物量法推算出中国森林植被碳库，并利用土壤有机质含量，估算土壤碳库。刘贤安等[24]使用生物量法研究了柳杉人工林的碳储量，得出了不同林分密度下的柳杉林碳储量及其年均生长率。

蓄积量法是以林木蓄积量统计数据为基础的碳估算方法[25]。首先对森林主要树种抽样调查，计算出主要树种的平均容重，然后再根据蓄积量得出生物量、固碳量。是生物量法的延续，技术直接明了，操作简捷，周志勇等[26]运用蓄积量法对百花山自然保护区森林群落的碳储量进行了核算，分别计算出了针叶林、次生阔叶林的碳储量。但是只考虑了主要林木的蓄积量，没有考虑灌木、草本植物的生物量以及其他的因素，实际应用中误差较大。

涡度相关法[27]利用微气象学原理，通过对森林上方某一个参考高度CO2浓度以及风速风向进行监测，从而得出该生态系统固定或者放出CO2的量。涡度相关法是目前测定地-气交换最好的方法之一，能够直接长期对森林生态系统进行CO2通量测定，同时有能够为其他模型的建立和校准提供基础数据。孙春健等[28]应用2009-2010年间东莞市植物园内的涡度相关法CO2通量定位观测资料，分析了净生态系统交换量的年度变化及与气象要素的关系，从而间接得出城市绿地的固碳能力。魏远等[29]利用涡度相关法对湖南岳阳地区杨树人工林杨树CO2通量季节变化进行研究，得出了该地区2006年全年生态系统净碳交换值为-579 g·m-2。该方法需要借助精密的仪器，且对仪器的使用规范以及操作者的素质要求较高。

遥感-模型模拟法[30]主要是通过遥感技术和信息系统来获取植被生长状态参数，再结合地面调查分析，来获取森林生物量的方法。该方法的优点是可通过遥感技术获取大范围植被生长动态，如叶面积指数、生物量等。不足之处是遥感的二维图像不能准确分析出三维空间数据，对小尺度范围的林木碳汇量的测量误差较大。

2 适于城市绿地碳汇核算方法

研究城市绿地的碳汇量难度较大，主要是缺少植物生长方面的调查数据，很多城市园林植物普查周期长，比如北京市五年普查一次，且并未统计表征植物大小的指标，如树龄、胸径、树高、冠幅等，只有主要种植类型、主要树种面积、个体棵数等。因此开展城市绿地碳汇的核算，就要结合绿化普查数据，采取合理的核算方法，弥补欠缺。目前国内外实践认为，可用于城市绿地碳汇核算的方法主要有以下几种。

2.1 生物量扩展因子法

该方法是根据统计样地内的树木的胸径和树高，利用一元或者二元立木材积公式得到单木材积，然后通过树干木材密度，生物量扩展因子、含碳量和林木株数来计算地上生物量碳储量[31]，再通过根茎比计算地下生物量碳储量。其计算公式如下：

Cs=(44/12)V×N×WD×BEF ×(1+R) ×CF

式中：P为固定的CO2的质量,V为单株材积(m3/株),N为株数(株),WD为树种的木材密度(干重，t·m-3),BEF为树种的树干生物量转换到地上生物量的生物量扩展因子(无单位),CF为树种的平均含碳率,R为树种的生物量根茎比(即地下生物量与地上生物量之比，无单位),44/12为CO2与C的分子量比。

该种方法关键是需要推导或者借鉴已测得的一元、二元立木材积方程，在选择BEF、CF和R等参数时，首先考虑来自当地的参数。其次考虑最新的国家水平的参考值。因城市绿地中的树木大部分归为散生木，其树冠通常比森林中的林木较大，因而具有较高的BEF值，统一设定为森林中林木BEF值的1.3倍[32]。该种方法核算的是项目地总固碳量，如若获得某一年固碳量，则至少需要最近三次林地资源清查资料。由于城市绿地很少考虑采伐消耗，对精度要求不高的项目，可结合本省活立木年均蓄积量生长率，直接计算出当年的碳汇量[33]。

2.2 生物量异速生长方程法

该种方法主要借助生物量异速生长方程，通过统计主要树种的胸径和树高，来核算林木碳汇量[34〗，是一种误差较小的计算方法，但是目前对生物量异速生长方程的研究主要集中在大面积种植的天然林木，通过收获法获得树木总生物量，并实测相应的变量，推导拟合出生物量异速生长方程。至于城市绿化常用的绿植研究的较少，然而在缺少具体数据的情况下，这些方程也可以使用。

在选择生物量异速生长方程时，应尽可能选择来自项目所在地区或与项目所在地区自然条件类似的其它地区的方程，也可采用来自IPCC的参考方程。如果对碳汇核算结果精度要求不太高，可根据全国正式发表的树木异速生长方程，结合IPCC公布的树木平均碳含量和根茎比参考值，推导出新的生物量——碳汇量模型。该种方法主要可用于估算城市绿地中树木的生物量。目前有许多树种都己建立了异速生长方程，可根据项目地的自身情况，进行验证取舍。

2.3 种植类型——面积法

台湾学者林宪德在其编著的《绿建筑解说评估手册》中指出城镇绿化中常见的7种种植类型，并估算出各种植类型单位面积40年的固碳量(如表1)[35]。在规划基础上，确定不同种植类型Pi所对应的面积Ai或面积比例，再根据表1中的数据，便可计算各个绿地地块40年的CO2固定量，并加权得规划范围内总的绿植固碳量。该种方法适合于已知种植类型及其对应种植面积的绿化区，是一种较为粗略的计算方法。其计算公式为：

式中：Ai为不同绿化类型种植面积(m2),Pi为绿化种植方式,Cpi为Pi绿化种植方式40年总固碳量(kg/m2),Cs为规划范围绿植40年总固碳量(kg或T)。

该方法中所用的参数是来自台湾地区的观测研究，并不适合我国所有地区。在种植类型一致的情况下，不同地区绿地的碳汇主要与当地作物生长期有关，可根据温度带，将我国主要地区进行分区，分别测量各区不同种植类型的碳汇速率。也可以将各温度带的作物生长期与台湾所处的亚热生长期的比值作为修正因子，即寒温带为0.3，中温带为0.6，暖温带为0.7，亚热带为1，热带为1.2，青藏高原气候区为0.4。该种方法误差相对比较大，但是在缺少种植信息的情况下，该方法能够普遍适合于我国大部分城市。

表1 不同种植方式Pi单位面积40年CO2的固定量

2.4 叶面积——光合速率法

该方法考虑到了城市绿地结构复杂，单纯的用绿地面积乘以相应的参数，误差较大，采取了分树种逐株测算的方式。不同的植物其碳汇能力主要与单位叶面积的光合速率以及总叶面积有关，因此，基于叶面积-光合速率的绿地碳汇计算公式为：

其中： Cs 碳汇量以CO2计算,Si为植物的叶面积,Pi为第i种植物的单位叶面积净固碳速率,t 为光合时间。

植物的叶面积计算可以采用叶面积回归曲线方程法[36]，但是不同植物叶面积回归曲线采用的参数不同，常用的参数有胸径、树高、冠高、冠幅等。也可以采用叶面积指数(LAI)与树冠投影面积的乘积做近似估测。单位叶面积光合速率可以直接测量，也可以参考相关研究文献。光合时间主要与当地的气候环境有关，可以根据当地气象部门观测结果，也可以根据当地所处温度带植物的生长期进行推算。至于单位叶面积的光合速率则主要是参考国内外学者的研究报道。部分科属的植物，其光合特性具有一定的相似性，研究较少的植物，可借用同科属其他植物的碳汇核算公式。

2.5 湿地面积——碳汇速率法

湿地生态系统由于其自身的结构组分特征，是地球表层系统中的重要碳汇，对于吸收大气中的温室气体，减缓全球气候变暖有重要作用[37～38]。湿地碳汇计算公式为：

Cs为湿地一年的固定的CO2的量,Si为湿地面积，单位是平方米(m2),Pi为单位面积湿地碳汇速率(g·m-2·a-1),k为C与CO2的转换因子(44/12)。

段晓男等通过查阅文献和实地调研收集近百年尺度上湖泊和沼泽湿地的沉积资料，根据其沉积速率和沉积物中的含量，计算出我国各地区湿地单位面积的固碳速率(段晓男等，2008)，见表2。

表2 我国湖泊湿地固碳速率

3 城市绿地碳汇研究面临的挑战

3.1 碳汇核算方法不统一

城市绿地是一个复杂的系统，在核算绿地碳汇量的时候，应结合各地区绿地信息的类型，并根据各种方法的优缺点，合理选择应用。林木、竹林以及大型灌木应优先选择生物量扩展因子法和生物量异速生长方程法，这两种方法所需的数据相对全面，且误差较小[39～40]；公园小区优先选择叶面积-光合速率法，该方法能够显现出绿地碳汇能力的动态变化，若缺少绿植信息统计，可采用种植类型-面积法做近似估计；大面积的湖泊湿地，可根据所处区域，采用湿地面积-碳汇速率法做近似核算。因采用不同的方法，结果差异很大，不能形成统一的规范[41]，还需要相关部门制定统一的碳汇核算标准，并在此基础上规定统一的城市绿地信息统计类别。

3.2 碳汇核算误差大

城市绿地的碳汇能力处于不断变化的过程中，树木的生长、种植、移除、修剪等都会使其碳汇能力发生很大变化[42]，不同的植物种类、不同年龄阶段的叶片其单位叶面积光合速率差异很大[43]，同种植物在不同地区，其生长状况受当地的气候环境影响很大[44]，如干旱可以影响光合作用而直接影响城市绿地的碳汇能力[45～46]，且植物的生长受诸如环境污染、建筑物遮挡、种植密度等人为因素的影响很大。此外湿地的碳汇功能主要与水分、植物类型、土壤以及微生物等因数影响有关[47]。这些因素都会造成绿地碳汇能力发生很大的变化，因此上述五种方法都不同程度的存在误差。如何克服以上因素造成的误差，还需要测量更多的基础数据，建立更加精准的模型。

3.3 城市绿地地下生物量研究不充分

林业方面对地下生物量的核算大多采用根茎比做近似估算，对于同种植被，其根茎比还与气温、土壤湿度和降水量有关，其中水分因子的影响最大[48]，对于不同林龄的林地，中龄林和近成熟林的地下碳分配显著高于幼龄林和成熟林, 而老龄林的则最低[49]。城市绿地地下生物量受人为因素影响最大，地下管网、硬质地面、建筑遮挡等都会影响绿植的根茎比，目前国内外对此研究较少，一般采用林业方面给出的根茎比参考值。此外对土壤碳储量的研究相对较少，尤其是城市土壤碳储量的变化[50]，还有待深入研究。

3.4 我国城市绿地统计信息不规范

目前我国城市绿地统计信息不规范，不全面。2008年宜兴市对其森林资源做了一项调查报告，统计了各乡镇乔木林、竹林、灌木林以及四旁树等方面的详细信息[51]，上海市统计年鉴里主要统计了公共绿地，专用绿地、苗圃绿地、新辟绿地的面积以及行道树棵树、新植树棵树[52]，其他大部分城市仅仅统计了城市绿地面积、建成区绿地覆盖率以及人均绿地面积，仅有这些信息，很难准确计算城市绿地的碳汇量。因此，现阶段我国很多城市还需建立自己的植物数据库。

4 研究展望与应用趋势

城市绿地作为生态系统的重要组成部分，在维护碳氧平衡、调节温湿、净化空气、涵养水源以及保护生物多样性等方面发挥着重要的生态功能[53]。目前我国大部分城市对绿地进行评价时，使用的都是二维面积作为评价标准，比如绿地率、人均绿地面积、绿化覆盖率等[54]。这些二维绿化指标可以在宏观上反映一个城市或地区绿地的基本状况及水平，在指导城市绿地规划、衡量城市绿化基本状况与发展等方面发挥了巨大的作用。但在城市绿地研究中，特别是对城市绿地生态功能和环境效益进行研究与评价时，仅仅使用二维绿化指标很难反映城市绿地不同植物种类、不同绿化结构的功能水平[55]，城市绿地碳汇能力的引入，不仅能够直接反映绿地的碳汇功能，还能间接的指示绿地的三维绿量以及在释氧、增湿、降温等方面的功能。

美国林业署开发的City-green软件，能够对不同类型的绿地碳汇进行碳汇能力计算，在美国等西方国家应用较多，但是其中的很多参数并不适合我国，且在碳汇评估方面存在较大的误差。因此，有必要基于我国城市绿地碳汇的研究，开发一套绿植碳汇核算与模拟预测系统，使该系统能够根据项目尺度的大小以及绿地信息数据的不同，选择相应的碳汇核算方法，并能够从碳汇层面对不同规划方案进行评价。该系统要面向客户，具有统计、查询、显示、更新数据等操作功能，并且能够对绿植碳汇能力进行经常性、准确地修改和更新。此外将不同时期的数据进行比较，反映城市绿地碳汇量的动态变化，从而有望打破现有城市绿化中存在的粗放式绿化管理现象，对城市绿地规划起到很好的指导作用。

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Progression in the Methods of Accounting Carbon Sequestration of Urban Green Space

ZHU Kai, ZHANG Qian-qian, WU Peng-fei, FENG Lei

(BeijingBuildingTechnologyDevelopmentCO.,LTD.,Beijing100093 )

Domestic and abroad methods in accounting carbon sinks of urban green space were summarized and preferred method was proposed.At same time, the progression in the research on accounting carbon sink sequestration of urban green space was discussed.The significance of accounting carbon sequestration was elaborated too.

Urban green space; carbon sequestration; accounting system of carbon sink

2015-02-08 基金项目：国家科技支撑计划课题(2012BAH24B03) ；住房和城乡建设部2012年科学技术项目(2012-R1-8)；北京建工集团科技计划项目。

朱凯(1987-)，男，河南省开封市人，研究方向为园林树木碳汇。

TV984

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1001-2117(2015)04-0034-06