王晶懋 齐佳乐 韩都 罗宜帆

1.1 城市小尺度绿地碳平衡的重要性

城市作为各种能源消耗的载体，近年来出现了许多城市气候问题，如热岛效应。如何缓解城市气候变化，实现“碳中和”目标，促进建设低碳城市是当今风景园林界需要着眼的研究方向[1]。城市绿地是利用植物、水体等构建的城市自然景观，是重要的自然碳汇载体。在进行景观设计时应考虑不同植物的固碳能力，可以通过植物配置与绿化空间设计优化来提升绿色植物的碳汇能力[2-5]。

在降低城市碳排放的需求与城市居民对于绿地空间的需求的双重因素下，小尺度绿地体现出重要的价值。小尺度绿地的面积不能过大，本研究将小尺度绿地定义为面积在10 000 m2以内的绿地[6]。小尺度绿地在城市绿色空间中分布广、类型丰富，在过去10年间，全球28个特大城市绿地覆盖率总体增长4.11%，所增绿量多由中小尺度绿地贡献[7]。从区域尺度绿地空间的评估成果来看，小尺度绿地更能体现城市绿地空间的生态性与低碳效益，改善小气候的潜力和社会价值较高[8]，并且在尺度、功能方面具有多样性，在规划设计实践中可以灵活应用[9]。国内外现有研究大多关注小尺度绿地的生态效益，对其设计、施工、管理不同阶段的碳排放和碳汇的研究较少[10]。因此，开展城市小尺度绿地碳平衡研究，对于城市绿色空间规划与设计具有重要的指导意义。

1.2 景观全生命周期中碳排放和碳汇的转换过程

“双碳”目标下的城市绿地低碳单元设计需遵循生态学规律，通过规划设计、建设实施、管理运营3个层面构建地被植物群落模式。在景观全生命周期的范畴内，碳排放主要源于景观材料生产、景观建造、景观日常使用、景观维护管理等阶段。本研究侧重于绿地碳汇单元，通过场地评估、植物选种、种植设计、施工建造、维护管理等，建立基于监测与评价体系的全生命周期流程及量化计算方法，提出景观营建中要侧重高固碳植物配置模式的选择和低碳材料的运用，以期对低碳绿地设计具有指导意义。

近年来中国西北半干湿地区快速的城镇化进程正在不断压缩、切割城市内部生态空间，使城市内部生境质量下降，极大降低了城市内部的生物多样性，城市内部成为城市生物多样性保护与提升的薄弱之处。长期以来，人们一直将乔木作为碳汇主体而忽略了灌木和地被植物群落的碳汇效应，尤其是在西北半干湿地区，灌木、地被的固碳总量远高于长势稀疏的乔木[11]。地被植物群落具有稳定提高城市生物多样性和生态系统服务功能的潜力，因此，本研究以西北半干湿地区的乡土地被植物群落为研究对象，在场地设计时，根据场地光照、水分、土壤等主导生境因子进行科学合理的生境分区，为场地筛选适宜的植物群落，从一定程度上减少碳排放。本研究将景观全生命周期划分为景观材料生产、景观建造、景观日常使用和景观维护管理4个阶段，计算各阶段的碳排放并构建景观植物碳汇模型，对碳排放与碳汇的转换过程进行分析，进而提出减少碳排放和增加碳汇的策略以达到小尺度绿地碳平衡（图1）。

1 景观全生命周期过程Landscape life cycle process

2.1 样地的选取

本研究以西北半干湿地区的小尺度城市绿地为研究对象，聚焦乡土地被植物群落，选取西安建筑科技大学雁塔校区南门花园与图书馆绿地作为样地（图2、3），进行景观全生命周期量化研究。南门花园位于西安建筑科技大学南门东侧，总面积855.34 m2，其中铺装面积168.43 m2，绿地面积686.91 m2。

2 西安建筑科技大学雁塔校区样地选点Sample sites selection for Yanta Campus of Xi’an University of Architecture and Technology

3 南门花园（3-1）与图书馆绿地（3-2）现状
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，应满足城市典型附属绿地生境条件多样性和典型性的需求，基于生态学生态因子理论对其进行生境类型分区，并配置适宜于阳生区、建筑阴生区、建筑西照半阳生区的植物群落[12]。南门花园经生境营造后，形成以乡土植物为主的低维护绿地，分为季节主题层、结构层、地被层3个层次。其中，季节主题层植物主要包括橙花糙苏（Phlomis fruticosa）、绵毛水苏（Stachys byzantina）、云南蓍（Achillea wilsoniana）、野菊（Chrysanthemum indicum）、八宝（Hylotelephium erythrostictum）、细叶针茅（Stipa lessingiana）、小兔子狼尾草（Pennisetum alopecuroides）、桔梗（Platycodon grandiflorus）、匍枝毛茛（Ranunculus repens）、地榆（Sanguisorba officinalis）、鸢尾（Iris tectorum）、葱莲（Zephyranthes candida）、过路黄（Lysimachia christinae）、羽瓣石竹（Dianthus plumarius）、涝峪薹草（Carex giraldiana）和麦冬（Ophiopogon japonicus）；
结构层包括美国薄荷（Monarda didyma）、假龙头花（Physostegia virginiana）、迷迭香（Rosmarinus officinalis）、细叶芒（Miscanthus sinensis）、聚合草（Symphytum officinale）以及毛地黄钓钟柳（Penstemon digitalis）；
地被层包括蒲公英（Taraxacum mongolicum）、垂盆草（Sedum sarmentosum）、佛 甲 草（Sedum lineare）、灯 芯 草（Juncus effusus）等。

图书馆绿地位于图书馆西侧，面积800 m2，其中铺装面积116 m2，绿地面积684 m2，基地内植物采用单一草坪草种植，人工种植并定期维护管理。为对比低维护绿地的低碳效能，将图书馆绿地作为对照组进行观察。

2.2 景观全生命周期碳排放量化计算

景观全生命周期清单分析是对景观营建的各个阶段的碳排放和碳汇因素进行汇总，内容包括材料的种类及数量、运输方式、能源消耗、运营维护及植物碳汇等数据清单，将观测数据与相对应的碳排放因子（碳排放系数）相乘，得到每一个阶段的碳排放和碳汇量，进而得出景观全生命周期总的碳排放和碳汇量。在景观全生命周期中，每个阶段都有相应的材料使用和能源消耗清单，分别计算每阶段的碳排放和碳汇量然后再汇总，得到景观全生命周期的碳排放和碳汇总量，分别如式（1、2）所示[13]：

式中：C为景观全生命周期碳排放总量；
C1为景观材料生产阶段碳排放总量；
C2为景观建造阶段碳排放总量；
C3为景观日常使用阶段碳排放总量；
C4为景观维护管理阶段碳排放总量；
S为景观全生命周期碳汇总量；
S1为景观植物碳汇总量；
单位为kg。

2.2.1 景观材料生产阶段碳排放总量

根据以往研究，景观全生命周期中景观材料生产阶段的碳排放量占比最多，原材料获取以及材料加工过程中往往伴随着化石能源的大量消耗。南门花园在景观设计的初始阶段就减少了高消耗材料的运用，使用的建造材料有6种，主要用于铺装、花池，根据GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》[14]以及相关研究[15]，得出南门花园在景观材料生产阶段产生的碳排放总量为19 115.69 kg（表1）。

表1 景观材料生产阶段产生的碳排放量Tab. 1 Carbon emissions from the production of landscape materials

图书馆绿地内的铺装材料为混凝土砖，在材料生产中产生的碳排放较多，共为15 120.00 kg。根据比较得知，南门花园与图书馆绿地在材料生产过程中碳排放量差距不大。2块样地都是以游览观赏为主的场所，需要硬质铺装满足活动功能。根据材料的碳排放对比得知，在材料生产过程中，天然材料（如大理石、花岗岩等）的碳排放因子较低，其中花岗岩生产过程中的碳排放量是同等体积压模混凝土的1/3。

2.2.2 景观建造阶段碳排放总量

景观建造阶段产生的碳排放来源于材料运输和建造施工两方面。南门花园与图书馆绿地都为1 000 m2以内的附属绿地，工程量较小且不需要大型机械，建造施工均为人力，故建造施工产生的碳排放暂且忽略不计，这里只讨论景观材料运输产生的碳排放，包括景观建材运输和景观植物运输两类。

1）景观建材运输产生的碳排放。南门花园内的景观建材均选自西安市周边，运输车辆选用4.2 m长、载重10 t的货车，其碳排放因子来自中国碳排放数据库，每千米耗柴油0.2 L[16]，计算得出南门花园在景观建材运输过程中的碳排放量为82.47 kg。图书馆绿地的景观建材也是就近运输，产生的碳排放量为23.56 kg（表2）。

表2 景观建材运输过程产生的碳排放量Tab. 2 Carbon emissions from the transportation of landscape materials

2）景观植物运输产生的碳排放。花园内的景观植物采用西北地区本土植物，均由市内苗圃提供，运输车辆为中小型面包车，每千米消耗汽油0.12 L[16]，计算得出南门花园在植物运输过程中产生的碳排放量为72.13 kg。图书馆绿地的植物景观是单一品种的草坪草，运输过程中的碳排放量为92.41 kg（表3）。

表3 景观植物运输产生的碳排放量Tab. 3 Carbon emissions from the transportation of landscape plants

南门花园与图书馆绿地的碳排放量在建造阶段相差不大，由此可见，材料运输的碳排放量取决于能源的消耗，而运输距离与车辆型号决定汽油或柴油的消耗量，因此缩短运输距离和就地取材是减少碳排放的有效方法。

2.2.3 景观日常使用阶段碳排放总量

2块样地在使用过程中的碳排放主要源自照明设备，包括路灯和草坪灯。采用中国区域电网西北地区的碳排放因子[17]来测算照明设备的碳排放。南门花园内的照明设施使用时间冬天为18：00—23：00，夏季为19：00—24：00，按照每天5 h计算。南门花园在日常使用过程中产生的年碳排放量总计197.58 kg，图书馆绿地为408.19 kg（表4）。由于南门花园距校园主路较远，对于照明的需求并不多；
而图书馆绿地临近校园主路，对照明的需求较多，产生的碳排放相对南门花园较多。

表4 景观日常使用阶段产生的碳排放量Tab. 4 Carbon emissions from the daily use of landscape

表6 图书馆绿地景观维护管理阶段产生的碳排放量Tab. 6 Carbon emissions from the maintenance and management of landscape in the green space outside the library

2.2.4 景观维护管理阶段碳排放总量

景观维护管理过程中产生的碳排放主要来自材料的更新、植物的养护及补种。由于南门花园遵循低维护设计原则，园内植物对灌溉和肥料的需求较少，主要碳排放来源于植物的补种运输，每年景观维护管理产生的碳排放量为14.42 kg。图书馆绿地为草坪，需要定期维护，包括修剪、灌溉和使用杀虫剂等，每年景观维护管理所产生的碳排放量为216.48 kg（表5、6）。南门花园的低维护景观设计保证了其不必像图书馆绿地那样进行烦琐的后期维护，仅需在绿地植物不足时进行补充，减少了人力物力的消耗，也减少了碳排放。

表5 南门花园景观维护管理阶段产生的碳排放量Tab. 5 Carbon emissions from the maintenance and management of landscape in the South Gate Garden

3.1 碳汇计算模型与方法

本研究中植物碳汇的测算办法：采用Li-6400便携式光合测定仪对植物进行一年四季的观测；
在晴天时对所选植物的光合速率进行测定，8：00—18：00每2 h测定1次，选择同种的生长良好的3株为待测植物，每株植物选择多个叶片进行观测，每个叶片取3～6个瞬时光合速率值作为重复。假定光合有效辐射每天按10 h计算[19-21]，则植物同化量为：

通过测定，将日同化总量换算为日单位叶面积固碳量，

式中：P为植物的日同化总量，单位为mmol/（m2·d）；
Pi为初测点i的瞬时光合作用速率，单位为μmol/（m2·s）；
Pi+l为i+1测点的瞬时光合作用速率，单位为μmol/（m2·s）；
ti为初测点i的测量时间；
ti+1为i+1测点的测量时间；
CS1为植物单位叶面积固碳量，单位为g/（m2·d）。

3.2 不同植物配置的碳汇量化比较研究

上述2块样地景观全生命周期的碳汇多数由绿地中地被植物的光合作用强度决定，经测算，南门花园植物群落的第一年碳汇总量为15 975.49 kg，图书馆绿地植物第一年碳汇总量为882.97 kg（表7）。南门花园多年生地被植物构建的植物群落，形成了具有稳定结构的高固碳模式，固碳效益较高；
而图书馆绿地植物品种单一，固碳效益较差。对南门花园内的植物进行1年的观测，以光照条件为变量探讨不同光照条件对植物固碳能力的影响。针对不同的光照条件（如阳生区、建筑阴生区、建筑西照半阳生区）对植物群落进行观测，可得出南门花园植物固碳数据。对南门花园样方内的植物群落进行持续观测，通过存活率、生长势等对植物群落进行筛选，得到21个植物群落模式，经测算对比，毛地黄钓钟柳+绵毛水苏组合的固碳能力大于绵毛水苏+八宝组合，灯芯草+涝峪薹草组合大于灯芯草+橙花糙苏组合，由此可看出植物群落搭配对植物固碳能力具有影响。

表7 研究样地的景观全生命周期不同阶段第一年的碳排放和碳汇Tab. 7 Carbon emissions and carbons sinks at different stages within landscape life cycle of the sample plots in the first yeat 单位：kg

绿地面积相同的条件下，南门花园年固碳量远高于图书馆绿地，其原因是南门花园的植物多为乡土植物，对环境适应良好且生长旺盛。相反，图书馆绿地的草坪草在秋冬季节可能会长势不良，植物的碳汇量降低。

4.1 全生命周期碳平衡量化比较

经比较可知，南门花园的景观全生命周期第一年的年碳排放量为19 482.29 kg，景观全生命周期年固碳量为15 975.49 kg，大约到植物群落稳定后两年达到碳平衡；
而图书馆绿地的景观全生命周期的第一年的年碳排放量总计为15 860.64 kg，景观全生命周期年固碳量为882.97 kg，达到碳平衡需要17.9年。

从景观全生命周期的各个阶段来看，在材料生产阶段，上述2块小尺度绿地的年碳排放量相差不多，这是由于目前对材料的生产与使用还没有一个明确的低碳策略，国内对于材料生产方面减少碳排放的研究较少；
在景观建造阶段，碳排放大多来自运输能耗，2块绿地都采用市内运输，所以运输方面的碳排放没有较大差异；
在景观日常使用阶段，照明设施的使用情况对碳排放有很大影响，图书馆绿地对于照明需求较高，所以产生的碳排放更多。经对比得知，南门花园高固碳植物群落第一年的碳汇量为15 975.49 kg，图书馆绿地为882.97 kg，南门花园的碳汇量约是图书馆绿地的18倍（表7）。

4.2 低碳排：景观全生命周期设计方法

景观设计过程虽然不产生碳排放和碳汇，但低碳设计原则可以指导整个设计过程，对景观全生命周期的碳排放与固碳过程起决定性作用。在设计中以低碳低维护为核心策略，选择低碳耐用材料，减少不必要的硬质面积，平衡游憩与碳汇减排功能，并且应就近选择建造材料[22]，减少景观施工阶段碳排放；
在植物配置方面应优先乡土植物，以减少景观维护管理阶段的修剪和灌溉等维护措施及能源消耗（图4）。

4 小尺度绿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：景观植物设计阶段碳汇优化策略

植物的选择关系到城市绿地建成后其碳汇量的大小，因此应以关中地区高固碳植物名录及乡土植物名录为依据，结合植物群落设计理论和生态学竞争-胁迫耐受-传播定植（competitor-stress tolerator-ruderal, CSR）策略等相关理论，开展西北半干湿地区高固碳植物群落模式设计。

植物固碳是景观全生命周期碳汇的主要途径，本研究2块样地所选取的植物类型皆为地被，但南门花园植物群落约是图书馆绿地年固碳量的18倍。经综合分析得出以下结论：1）在植物选择方面，应增加乡土植物的应用，形成相对稳定的植物群落，使固碳效益最大化；
2）在植物配置方面，景观植物种群组合形成的植物群落的固碳效益高于单一植物种植，所以适宜的植物配置模式对于增加植物碳汇很重要。

植物群落的固碳能力取决于植物群落生态稳定性，本研究参照西北地区稳定性高的原生地被植物群落的结构，对样地进行植物配置。按照低维护、多样性、生态性、美观性的原则构建植物群落，将具有不同固碳能力的植物进行搭配，以达到更高的固碳效益，同时，低维护的设计又能减少后期养护产生的碳排放[23-24]。通过样地实验，最后形成了6种西北地区高固碳植物群落配置模式（表8、图5）。其垂直结构一般为2～3层，物种数为3～6种，并使群落形成互利共生的稳定种间关系[25-27]。

表8 基于光照条件的不同生境类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

在“双碳”目标驱动下，如何遵循绿色低碳理念，在城市有限的绿地空间条件下实现“碳中和”目标，提升城市绿地植物固碳效益，成为新时代景观营造必须思考和解决的科学问题。考量景观全生命周期中碳排放和碳汇的平衡状况，是低碳景观营造的重要检验标准。这为城市小尺度绿地低碳设计以及低碳草本植物群落配置提供了科学依据。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1～2由姚盈羽绘制；
图3由齐佳乐拍摄；
图4、表1～8由齐佳乐绘制；
图5由高洁绘制。

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