基于i-Tree Eco模型的城市綠地生態(tài)功能與價(jià)值評(píng)估
——以常州市民廣場(chǎng)為例

施煒婷，王燕，陳聃，徐奕，王新軍

(1.常州工學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇常州213022； 2.常州市園林綠化管理局，江蘇常州213002)

0 引言

城市綠地具有生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其中生態(tài)效益尤為重要[1]。自20世紀(jì)90年代以來，城市綠地生態(tài)功能的計(jì)量研究就成為生態(tài)學(xué)、林學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究熱點(diǎn)[2]。城市綠地的生態(tài)效益主要體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的良性循環(huán)上，包括凈化空氣、調(diào)節(jié)小環(huán)境氣候、減緩城市熱島效應(yīng)、固碳、釋氧、涵養(yǎng)水源、降低噪音等方面[3]。盡管城市綠地具有重要的生態(tài)功能，但是在城市區(qū)域發(fā)展和空間規(guī)劃中往往被忽視[4]，這一問題的原因在于城市綠地在社會(huì)領(lǐng)域中產(chǎn)生的是間接的生態(tài)價(jià)值[5]。由于規(guī)劃者難以從經(jīng)濟(jì)角度闡述其價(jià)值，使城市綠地發(fā)展受到影響[6]。只有城市森林的生態(tài)效益和居住環(huán)境得到定量化的評(píng)價(jià)，城市林業(yè)資源浪費(fèi)、管理不到位等問題才能夠得到解決[7]。

由于綠地生態(tài)功能的復(fù)雜性和抽象性，目前針對(duì)城市綠地生態(tài)功能的量化評(píng)價(jià)方法較為多樣。城市綠地生態(tài)功能評(píng)價(jià)應(yīng)用最廣泛的是Nowak等在20世紀(jì)90年代末創(chuàng)建的城市綠地影響模型(urban forest effects， UFORE)。美國林務(wù)局于2006年發(fā)布的一款免費(fèi)且易用的i-Tree模型，可量化評(píng)價(jià)城市綠地的結(jié)構(gòu)、效益和潛在威脅[8]，可用于研究個(gè)體樹木以及街道、城市甚至整個(gè)國家的森林狀況。i-Tree模型由起初的城市綠地影響模型和街道樹木資源分析(STRATUM)模塊經(jīng)過細(xì)化改良發(fā)展到主要包含i-Tree Eco、i-Tree Street、i-Tree Species、i-Tree Storm、i-Tree Vue(Beta)和i-Tree Hydro的6大模塊，其中i-Tree Eco模塊能夠?qū)^大范圍研究區(qū)的城市綠地進(jìn)行生態(tài)功能與價(jià)值的評(píng)估。

國內(nèi)對(duì)于城市綠地生態(tài)功能價(jià)值評(píng)估采用影子工程法、碳稅法、生產(chǎn)成本法、恢復(fù)費(fèi)用法和效益替代法，將綠地生態(tài)功能各評(píng)估指標(biāo)貨幣化，得到其生態(tài)功能價(jià)值。評(píng)估過程所涉及的生產(chǎn)建設(shè)成本、費(fèi)用主要數(shù)據(jù)采用2008 年國家林業(yè)局頒布的《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(LY/T 1721—2008)推薦使用價(jià)格[9]。雖然國內(nèi)針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但是由于生態(tài)系統(tǒng)效能和服務(wù)隨時(shí)間和空間變化，以及人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值認(rèn)知具有多重性，缺乏統(tǒng)一完善的評(píng)估方法、評(píng)價(jià)理論、指標(biāo)體系，使評(píng)價(jià)得出的結(jié)論存在較大的差異，可比性較差[10]。

由于中國沒有i-Tree Eco模型的觀測(cè)點(diǎn)，國內(nèi)各個(gè)城市中影響植物生態(tài)功能的氣候條件、大氣污染數(shù)據(jù)都需要與國外的城市比對(duì)后再開展評(píng)估。本文的目的是使用i-Tree Eco模型對(duì)我國城市綠地生態(tài)功能與價(jià)值評(píng)估開展實(shí)證研究，針對(duì)i-Tree Eco使用的氣候背景、評(píng)估過程與方法進(jìn)行深入研究，以常州市民廣場(chǎng)為研究對(duì)象，評(píng)估其生態(tài)功能與價(jià)值。

1 基于i-Tree Eco模型的城市綠地生態(tài)功能與價(jià)值評(píng)估方法

1.1 i-Tree Eco模型計(jì)算城市綠地效益的原理

1.1.1 城市綠地吸收CO2的效益計(jì)算

樹木通過自身光合作用將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放O2，這一生理過程可以減少大氣中CO2的含量，有效地減緩溫室效應(yīng)，在一定程度上起到平衡空氣中O2和CO2的作用。對(duì)于依靠燃燒化石燃料發(fā)電的城市來說，城市綠地的節(jié)能作用也間接地減少了CO2的排放量。i-Tree Eco模型對(duì)城市綠地年固碳效益的計(jì)算基礎(chǔ)是樹木生長模型，并與樹的徑級(jí)分布、樹冠覆蓋度、樹的健康狀況具有一定的關(guān)系。林地中樹木平均胸徑生長率估計(jì)為0.38 cm/a[11]；公園類結(jié)構(gòu)(例如公園、墓地、高爾夫球場(chǎng)等)的樹木平均胸徑生長率為0.61 cm/a。i-Tree Eco根據(jù)樹木屬性自動(dòng)分析城市樹木吸收和間接減排CO2的效率，計(jì)算出各樹木每年減少的CO2排放量，按照碳排放稅征收標(biāo)準(zhǔn)，用替代法計(jì)算城市綠地碳吸收方面的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1.2 城市綠地改善空氣質(zhì)量效益的計(jì)算

城市綠地能減少大氣污染物，改善空氣質(zhì)量，對(duì)凈化城市空氣起到重要作用。樹木每年能夠吸收和過濾大量的NO2、SO2、O3、VOC、PM2.5，為城市居民提供清新的空氣。樹木凈化效率主要取決于樹木葉片對(duì)污染物去除的速率F(單位為g·m-2·s-1)，它由空氣中各種污染物的沉降速度Vd(單位為m·s-1)和污染物在空氣中的濃度C(單位為g·m-3)決定，計(jì)算公式[12]為

F=VdC

(1)

i-Tree Eco模型對(duì)改善空氣質(zhì)量效益的計(jì)算是通過分析樹木去除大氣中污染物的效率，估算出樹木每年去除的各種污染物總量，然后依據(jù)政府機(jī)構(gòu)用于凈化空氣，消除大氣中各污染物所需投入的資金，依照替代法進(jìn)行計(jì)算，得出城市綠地在改善空氣質(zhì)量方面所產(chǎn)生的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。

1.1.3 城市綠地截留雨水效益的計(jì)算

城市管理部門每年都要投入大量資金用于保護(hù)公共設(shè)施免遭暴雨的破壞以及防止水土流失。研究表明,植物尤其是樹木在減少暴雨破壞和保持水土方面具有十分重要的作用。i-Tree Eco 模型對(duì)截留雨水效益的計(jì)算是依據(jù)研究地的氣候、降水量、土壤類型、立地條件、樹種及樹木生長狀況等因素，估算出年暴雨截留總量，再根據(jù)政府機(jī)構(gòu)平均每年用于保護(hù)公共設(shè)施免遭暴雨的破壞以及防止水土流失所投入資金，估算出減緩單位體積的暴雨徑流量所節(jié)約的管理資金，進(jìn)而得出城市綠地在截留雨水方面所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。年暴雨截留總量用Davis值(RD)估算，公式[12]為

RD=AEisP

(2)

式中：A為研究區(qū)總面積(total land area)；Eis為總有效防滲表面率(total effective impervious surface，單位為%)；P為年平均降水量(average annual precipitation)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

使用隨機(jī)樣點(diǎn)調(diào)查法采集研究區(qū)域的數(shù)據(jù)。首先通過i-Tree Eco模型自帶的隨機(jī)樣點(diǎn)生成器，在Google Maps中生成用經(jīng)緯度坐標(biāo)表示的樣點(diǎn)中心，通過手機(jī)定位的App與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查樣點(diǎn)匹配。然后確定樣點(diǎn)大小，每個(gè)樣點(diǎn)按照400 m2大小建立調(diào)查范圍(半徑約為11.3 m的圓)，調(diào)查樣點(diǎn)內(nèi)的喬木、灌木和地面覆蓋。喬木調(diào)查內(nèi)容包括樹種、胸徑、樹高、東西冠幅、南北冠幅、冠基高度、樹冠長度、健康狀況、冠缺率、立地條件。灌木調(diào)查內(nèi)容包括灌木種類、灌木高度和灌木種植面積。地面覆蓋包括水體、道路或鋪廣場(chǎng)的占比狀況。將每個(gè)樣點(diǎn)的調(diào)查數(shù)據(jù)填入i-Tree Eco模型的標(biāo)準(zhǔn)樣點(diǎn)調(diào)查表，通過該模型計(jì)算出調(diào)查區(qū)域的生態(tài)功能及其價(jià)值。

1.3 氣候區(qū)選擇與確定

i-Tree Eco模型是依據(jù)樹木生長模型、地區(qū)氣候和所在城市的資源價(jià)格等進(jìn)行評(píng)估的。該模型將美國劃分為 16個(gè)氣候區(qū)，每個(gè)氣候區(qū)的植物數(shù)據(jù)庫各有不同。目前該模型沒有針對(duì)中國的氣候區(qū)，也沒有針對(duì)中國的植物數(shù)據(jù)庫。然而可以將研究區(qū)域的平均氣溫、平均降水量等與美國的氣候區(qū)進(jìn)行對(duì)比，選擇氣候條件最為接近的美國氣候區(qū)作為氣候背景開展評(píng)估。對(duì)于數(shù)據(jù)庫中沒有的樹種，需要查閱資料確定樹木的屬性，尋找相似的樹種進(jìn)行替代[12]。

2 常州市民廣場(chǎng)的生態(tài)功能與價(jià)值評(píng)估

常州位于東經(jīng)119.95°、北緯31.78°，地處北亞熱帶，季風(fēng)影響顯著，屬濕潤季風(fēng)氣候。四季分明，年均氣溫為15.8 ℃,年平均降水量為1 091.6 mm。光照充足，年平均日照時(shí)間為1 940.2 h[13]。美國的亞特蘭大(Atlanta)位于西經(jīng)84.388°、北緯33.749°，屬亞熱帶濕潤氣候，四季分明，夏季悶熱，冬季溫和。年均溫度為15.8℃，年平均降水量為1 275 mm，年平均日照時(shí)間為2 821 h[14]。常州與亞特蘭大均在北緯31°～34°附近，且年均氣溫、年均降水量相近，可以將亞特蘭大選作常州氣象背景城市進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 市民廣場(chǎng)綠地?cái)?shù)據(jù)采集

調(diào)查時(shí)間為2017年9月25日。使用i-Tree Eco模型自帶的隨機(jī)樣點(diǎn)生成器，在Google Maps中產(chǎn)生市民廣場(chǎng)的24個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)。調(diào)查樣點(diǎn)的數(shù)量與調(diào)查結(jié)果的精度密切相關(guān)，樣點(diǎn)數(shù)量越多調(diào)查精度越高[15]，但是樣點(diǎn)數(shù)量的確定也要根據(jù)調(diào)查面積、調(diào)查樣點(diǎn)地面覆蓋情況而定。對(duì)于i-Tree Eco模型的400 m2的標(biāo)準(zhǔn)樣點(diǎn)，2個(gè)人1 d能夠完成4～5個(gè)樣點(diǎn)的調(diào)查，因此樣點(diǎn)的選擇還要考慮時(shí)間、成本與精度的平衡。調(diào)查樣點(diǎn)的分布會(huì)生成用經(jīng)緯度指示的坐標(biāo)位置，通過手機(jī)定位App匹配市民廣場(chǎng)上相應(yīng)的調(diào)查樣點(diǎn)(見圖1)。采集各個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，整理后錄入i-Tree Eco模型。數(shù)據(jù)通過校檢后，上傳至美國林務(wù)局?jǐn)?shù)據(jù)處理中心進(jìn)行計(jì)算，等待1～2 d即可下載計(jì)算結(jié)果，生成分析報(bào)告。

2.2 市民廣場(chǎng)綠地結(jié)構(gòu)及生態(tài)功能評(píng)估

常州市民廣場(chǎng)面積約為17.2 ha，根據(jù)調(diào)查樣點(diǎn)估算，市民廣場(chǎng)共有樹木2 371棵，綠化覆蓋率46.9%。調(diào)查樣點(diǎn)的植物(見表1)中優(yōu)勢(shì)樹種是桂花、日本晚櫻、香樟，優(yōu)勢(shì)樹種占植物總量的66.7%。胸徑主要分布在7.6～76.2 cm區(qū)間內(nèi)，其中胸徑為22.9～30.5 cm的樹木占總數(shù)的38%，胸徑大于30 cm的大樹占總量的20%。

城市的生態(tài)效益很大一部分取決于綠化覆蓋率和葉面積，覆蓋率越高，葉面積越大則可以獲得的生態(tài)效益越多。市民廣場(chǎng)樹木葉面積可達(dá)15.3 ha，葉面積最大的樹種是香樟，其次是桂花，具體見表1。

2.3 凈化空氣

城區(qū)的空氣質(zhì)量已成為人們普遍關(guān)心的問題，空氣質(zhì)量下降會(huì)損害人們的健康，破壞公共設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)，降低能見度[16]。城市公共綠地能夠降低城市溫度、直接減少空氣污染物、減少建筑的能量消耗，從而間接減少污染物的排放，提升城市的空氣質(zhì)量?？諝鈨艋δ艿墓浪闶腔跇拥?cái)?shù)據(jù)和近期污染數(shù)據(jù)以及天氣數(shù)據(jù)計(jì)算得出的，見表2。

表1 市民廣場(chǎng)主要喬木及其葉面積構(gòu)成表 %

注：重要值為數(shù)量占比與葉面積占比之和。

表2 市民廣場(chǎng)空氣凈化功能與價(jià)值

注：污染物凈化價(jià)值由i-Tree Eco評(píng)估，并按匯率1美元=6.9元進(jìn)行計(jì)算。

2.4 固碳量

氣候變化是全球面對(duì)的問題，城市綠地能夠?qū)⒋髿庵械奶?二氧化碳)固定到植物組織中，減少大氣中的二氧化碳含量，降低溫室效應(yīng)，進(jìn)而減緩氣候變化。植物所能固定的碳量多少是由城市綠地中植物的數(shù)量及其健康狀況決定的。市民廣場(chǎng)每年固碳量約為15.54 t，i-Tree Eco評(píng)估價(jià)值約為1.532萬元。市民廣場(chǎng)中的樹木總碳存儲(chǔ)量約386.6 t，i-Tree Eco評(píng)估價(jià)值約為38.157萬元，在采樣的樹種中，桂花固碳量最大，達(dá)到總固碳量的32.7%。

2.5 生成氧氣

綠地的年凈氧氣產(chǎn)生量與綠地的生物量、固碳量正相關(guān)。市民廣場(chǎng)的綠地每年產(chǎn)生氧氣約為29.30 t，根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(LY/T1721—2008)推薦使用價(jià)格1 000元/t進(jìn)行評(píng)估，其每年釋氧價(jià)值約為2.930萬元。市民廣場(chǎng)綠地生成氧氣的功能與價(jià)值見表3。

表3 市民廣場(chǎng)綠地生成氧氣的功能與價(jià)值

2.6 減少地表徑流

降雨過程中，一部分雨水被喬木和灌木阻攔，另外一部分滲入地下，還有一部分形成地表徑流[8]。城市中大量的不透水地面增加了地表徑流量。城市綠地能夠減少地表徑流量，一方面莖葉能夠阻攔降水，另一方面植物的根系既能提升降水的滲透性，又有保水的功能。經(jīng)i-Tree Eco評(píng)估，市民廣場(chǎng)的綠地每年減少地表徑流量約為3 775 m3，價(jià)值為6.148萬元。

3 結(jié)語

常州市民廣場(chǎng)總面積約為17.2 ha，喬木覆蓋率46.9%，共有樹木約2 371棵，其中優(yōu)勢(shì)樹種是桂花(占比35.7%)、日本晚櫻(占比15.5%)、香樟(占比15.5%)，優(yōu)勢(shì)樹種占植物總量的66.7%。葉面積約為15.3 ha，胸徑主要分布于7.6～76.2 cm區(qū)間內(nèi)，其中胸徑為22.9～30.5 cm的樹木占總數(shù)的38%，胸徑大于30 cm的大樹占總量的20%，總碳存儲(chǔ)量達(dá)到386.6 t 。市民廣場(chǎng)內(nèi)綠地的生態(tài)功能為每年凈化空氣1 443.97 kg，固碳量15.54 t，生產(chǎn)氧氣29.30 t，減少地表徑流3 775 m3。生態(tài)功能價(jià)值為每年凈化空氣價(jià)值1.519萬元，固碳價(jià)值1.532萬元，生產(chǎn)氧氣價(jià)值2.930萬元，減少地表徑流價(jià)值6.148萬元，合計(jì)12.129萬元。自2006年市民廣場(chǎng)建設(shè)以來，僅提供的上述4項(xiàng)生態(tài)功能已有133.419萬元。

根據(jù)由i-Tree Eco模型得出的常州市民廣場(chǎng)生態(tài)功能價(jià)值評(píng)估數(shù)據(jù)，對(duì)城市綠地的管理和優(yōu)化提出以下建議。

1)由于植物的覆蓋率和葉面積是城市綠地發(fā)揮生態(tài)功能的重要因素，城市綠地需要盡可能提高喬木的種植密度，并選擇樹形高大、樹冠飽滿的樹種來提高城市綠地的生態(tài)功能。

2)喬、灌、草相結(jié)合的多層次種植方式能夠使城市綠地群落獲得較大的葉面積，城市管理者和園林設(shè)計(jì)師在城市綠地管理和設(shè)計(jì)中需要廣泛應(yīng)用這一種植方式，充分利用有限的空間，實(shí)現(xiàn)最佳的生態(tài)功能。

3)為了使城市綠地發(fā)揮最佳的生態(tài)功能，還需要做好城市綠地的養(yǎng)護(hù)管理與病蟲害防治，讓其保持最佳的健康狀況。生病或長勢(shì)不佳的城市綠地植物不僅無法達(dá)到正常的生態(tài)功能，而且會(huì)影響城市的生態(tài)環(huán)境，因此對(duì)于已經(jīng)生病、長勢(shì)較弱的喬木需要及時(shí)替換。