城市綠地影響碳中和的途徑與空間特征
——以上海市黃浦區(qū)為例

王 敏* 朱 雯

“雙碳”目標(biāo)下，綠地作為城市區(qū)域內(nèi)最主要的近自然生態(tài)空間，同時(shí)具有綠色自然碳匯及降低碳排放的作用，在實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程中扮演重要角色。研究梳理城市綠地影響碳中和的途徑和評(píng)估方法，構(gòu)建結(jié)合城市綠地增匯和減排效能的綜合評(píng)估框架，以上海市黃浦區(qū)為例全面評(píng)價(jià)城市綠地空間影響碳中和的直接和間接成效，深入分析兩種影響途徑的空間分布特征。研究發(fā)現(xiàn)，綠地率、類型、植被配植對(duì)綠地增匯效能影響較大，綠地率、附屬綠地占比、綠網(wǎng)建設(shè)、綠地分布均衡性及濱水綠地建設(shè)對(duì)綠地減排效能影響較大。研究進(jìn)一步提出綠地碳中和綜合效能提升策略及方法，旨在以多維度、系統(tǒng)化的視角衡量城市綠地空間在促進(jìn)碳中和方面的價(jià)值，為城市綠地發(fā)展及優(yōu)化提供參考。

城市綠地；碳中和；綠色碳匯；碳排放；空間特征；優(yōu)化策略

快速城市化進(jìn)程中，城市空間密度、人口密度和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度急劇上升，土地利用和覆被發(fā)生巨大變化，能源的超常消耗導(dǎo)致以二氧化碳為主的人為排放溫室氣體增加，加劇了局地、區(qū)域乃至全球氣候變暖，威脅到生態(tài)環(huán)境、國(guó)家能源安全、糧食安全、生物多樣性、人類生存及城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面[1]。為了減緩氣候變化，將高于工業(yè)化前水平的升溫控制在1.5℃之內(nèi)，2020年9月習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出，中國(guó)力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到碳排放峰值，到2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”[2]。

城市綠地是城市區(qū)域內(nèi)重要的近自然生態(tài)空間，能夠固碳釋氧，并有效緩解熱島效應(yīng)，減少城市整體耗能，在實(shí)現(xiàn)碳中和總體目標(biāo)中扮演重要角色[3]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市綠地碳中和的研究多集中于碳匯績(jī)效測(cè)算[4]與碳匯評(píng)價(jià)體系建立[5]等方面，有關(guān)綠地對(duì)城市減排的作用聚焦于理論探索與小尺度研究，缺乏中尺度和大尺度的實(shí)證研究。為了全面了解城市綠地的“碳中和”效能，整體認(rèn)知綠地直接增匯、間接減排的功能與價(jià)值，研究基于“雙影響途徑”嘗試構(gòu)建城市綠地空間對(duì)碳中和影響的綜合評(píng)估框架，并選取上海市黃浦區(qū)為實(shí)證研究對(duì)象，量化分析城市綠地增匯和減排的效能及其空間分布特征，提出綠地碳中和綜合效能提升策略及方法，為城市綠地發(fā)展優(yōu)化提供參考。

1 綠地影響碳中和的途徑與評(píng)估方法

一方面，城市綠地植物通過(guò)光合作用有效吸收、轉(zhuǎn)化大氣中的二氧化碳并將其固定在植被和土壤中，從而減少二氧化碳的濃度，這是構(gòu)成負(fù)排放技術(shù)的重要部分，是城市綠地影響碳中和的最直接途徑[6]。城市綠色碳匯的影響因素有植物類型、年齡、規(guī)格和群落結(jié)構(gòu)、大氣溫度與相對(duì)濕度，及人為干擾等多方面[7]。

目前綠地直接提高碳匯效能的定量評(píng)估以實(shí)物量核算和價(jià)值量核算為主，實(shí)物量核算能反映綠地的直接碳匯貢獻(xiàn)價(jià)值，而價(jià)值量核算能更好評(píng)估碳匯對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)[8]。實(shí)物量核算方法中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法依靠冠層分析儀和紅外線分析儀，較為精確但耗時(shí)耗力，外界干擾大且時(shí)間同步性受限[9]；樣地清查法以生物量法和蓄積量法為主，但在時(shí)空變化分析上較為局限，且容易受到主觀因素干擾，誤差較大[10]；遙感估算法較客觀，數(shù)據(jù)容易獲取，但存在精度有限、小尺度核算誤差較大的劣勢(shì)[11]；模型模擬法考慮到植被種類、規(guī)格、地理氣候環(huán)境等多方面影響因素，能夠準(zhǔn)確專業(yè)評(píng)估各種尺度的綠地生態(tài)效益[12]。

另一方面，綠地能夠通過(guò)影響城市熱環(huán)境，減少城市總體能耗，間接達(dá)到減排效果。場(chǎng)地尺度下，城市綠地中的喬木可以遮陽(yáng)、防風(fēng)，改善建筑周圍的微氣候環(huán)境條件；城區(qū)尺度下，城市綠地的規(guī)模和分布特征能夠改變城市熱平衡，降低城市熱島強(qiáng)度[13-14]。熱島效應(yīng)是城市空間形態(tài)層面影響全社會(huì)能源使用的重要中介要素，降低熱島效應(yīng)能夠有效減少城市能耗[15-16]。

目前城市綠地間接減少碳排放的評(píng)估聚焦于小尺度實(shí)證及模擬研究。佛羅里達(dá)州對(duì)一座臨時(shí)建筑的研究表明，建筑周邊的綠地最多可減少其50%的日常生活用電[17]。洛杉磯的一項(xiàng)模擬研究估計(jì)一棵喬木一年可節(jié)約18 kg的碳排，但其每年吸收的碳僅有4.5～11 kg，對(duì)建筑能耗的影響顯著[13]。鹽湖城的研究發(fā)現(xiàn)，如果每戶都種植4棵喬木，地方電廠每年可減少9 000 t的碳排放[18]。

2 綜合研究框架與測(cè)算方法

2.1 綜合研究框架

“碳中和”（Carbon Neutrality）是應(yīng)對(duì)全球溫室效應(yīng)問(wèn)題重要且全面的環(huán)境管理工具[19]，概念源于20世紀(jì)的西方，是指實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放，即人為溫室氣體排放總量必須通過(guò)植樹(shù)造林、節(jié)能減排等措施抵消[20]。為全面分析城市綠地對(duì)于碳中和的影響作用，研究選取綠色碳匯密度作為碳匯強(qiáng)度的表征指標(biāo)，將熱島強(qiáng)度通過(guò)全社會(huì)用電量變化轉(zhuǎn)換為減排強(qiáng)度的表征指標(biāo)，二者比對(duì)構(gòu)建城市綠地影響碳中和的綜合評(píng)估框架（圖1）；具體選取上海市黃浦區(qū)為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析城市綠地增匯和減排效能的空間分布特征，對(duì)其綜合影響特征進(jìn)行分類及歸納，提出優(yōu)化城市綠地碳中和效能的策略與方法。

1. 城市綠地空間影響碳中和的綜合研究框架

2.2 基于NTBC模型算法的碳匯效能估算

研究利用美國(guó)樹(shù)木效益網(wǎng)絡(luò)計(jì)算器（National Tree Benefit Calculator，NTBC）進(jìn)行喬木年碳匯量計(jì)算，灌木碳匯量依據(jù)一年生枝生物量與生物量-碳儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換因子的乘積計(jì)算[21]，地被草本和藤本植物依據(jù)文獻(xiàn)獲得年固碳量平均值進(jìn)行計(jì)算[22]。城市綠地年綠色碳匯總量（Cs）的計(jì)算方法為公式（1）。

其中，Ctr是第i種喬木單棵植物的年碳匯量，Ni是第i種喬木數(shù)量，Csh是第m種灌木單位面積年碳匯量，Sm為第m種灌木面積，Ccv是第p種地被草本或藤本植物單位面積年碳匯量，Sp為第p種地被草本或藤本植物面積，j為喬木種類數(shù)，n為灌木種類數(shù)，q為地被草本或藤本植物種類數(shù)。

研究選取城市綠地綠色碳匯密度作為綠色碳匯強(qiáng)度（CSI）的表征指標(biāo)，計(jì)算方法為公式（2）。

其中S為樣本用地總面積。

2.3 基于地表溫度反演的綠地減排效能評(píng)估

綠地通過(guò)降低城市地表溫度實(shí)現(xiàn)間接減排。目前城市熱環(huán)境研究方法主要有傳統(tǒng)地面氣象觀測(cè)技術(shù)、熱紅外遙感技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)。其中，地面觀測(cè)技術(shù)中氣象站監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量有限、車載氣象觀測(cè)儀器不具有時(shí)間同步性，因此其應(yīng)用逐漸減少[23]；數(shù)值模擬技術(shù)包含城市邊界層數(shù)值模式、城市冠層模式和基于流體動(dòng)力學(xué)的模型，能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的情景模擬，但其所需的基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)較多，邊界條件設(shè)置復(fù)雜[24]；熱紅外遙感技術(shù)包含衛(wèi)星熱紅外遙感、高分辨率航空熱紅外遙感和地面熱紅外成像技術(shù)，獲取數(shù)據(jù)具有連續(xù)性、完整性和實(shí)時(shí)性，因此得到廣泛運(yùn)用[25]。常用的地表溫度反演方法有單窗算法、單通道算法、劈窗算法、輻射傳輸方程法等[26]。

研究選取衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用輻射傳輸方程法反演城市地表溫度。借助ENVI5.3軟件完成熱紅外和多光譜的輻射定標(biāo)、Flaash大氣校正，并計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI），然后采用混合像元分解法①研究具體采用混合像元二分模型，利用NDVI值估算植被覆蓋度。其計(jì)算公式為：Fv = (NDVI－NDVIS )／(NDVIv－NDVIS)，其中Fv 為植被覆蓋度，NDVIv代表完全被植被覆蓋的像元的NDVI值，NDVIS代表裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值。在本研究中，NDVIv選取研究范圍內(nèi)NDVI最大值0.7，NDVIS 取0。計(jì)算植被覆蓋度，分別計(jì)算水系、城鎮(zhèn)和自然表面的地表比輻射率。根據(jù)電磁波的輻射傳輸理論，衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值由黑體輻射亮度、大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度三部分組成，其計(jì)算方法[27]為公式（3）。

其中，ε為地表比輻射率，TS為地表真實(shí)溫度，B（TS）為普朗克定律推導(dǎo)的黑體在TS的輻射亮度值，τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率。

由黑體輻射亮度可進(jìn)一步計(jì)算地表溫度[27]，見(jiàn)公式（4）。

其中K1和K2是針對(duì)不同衛(wèi)星遙感類型的常數(shù)值。

城市熱島強(qiáng)度（Urban Heat Island Intensity，UHII）是指同時(shí)間城市中心區(qū)氣溫與周圍郊區(qū)平均溫度的差值，將其作為城市生態(tài)指標(biāo)之一有助于客觀反映城市生態(tài)現(xiàn)狀[28]，計(jì)算方法為公式（5）。

其中Ti是指城市中心區(qū)第i個(gè)樣本的平均氣溫，Tsu指同一時(shí)間城市郊區(qū)的平均溫度。

研究將熱島強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為全社會(huì)用電量變化[17-18]，以定量衡量城市綠地的減排強(qiáng)度（CEI），計(jì)算方法為公式（6）。

其中Ka為溫度與用電量的轉(zhuǎn)換因子，即夏季氣溫升高1℃，年人均電力消費(fèi)增加量，相關(guān)研究表明當(dāng)上海平均氣溫在20℃以上時(shí)，此系數(shù)為220 kWh/（℃ · y）[29]；Kb指單位發(fā)電量的二氧化碳排放量，通常取值為0.997 kg/kWh；α是二氧化碳排放量轉(zhuǎn)換為碳排放量的系數(shù)，一般取值3/11[30]；Ni為第i個(gè)樣本空間范圍內(nèi)的人口數(shù)量；Tmax為樣本區(qū)域平均溫度的最大值；S為樣本用地總面積。

3 上海市黃浦區(qū)實(shí)證研究

3.1 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)來(lái)源

選取上海市黃浦區(qū)為研究對(duì)象，全區(qū)陸域面積18.71 km2，內(nèi)部無(wú)大型集中水面。2015年區(qū)域內(nèi)共有城市公園13個(gè)，總面積約68.83 hm2，游園面積約88.25 hm2，道路附屬綠地面積約3.39 hm2，其他附屬綠地面積約165.68 hm2，合計(jì)綠地面積有326.15 hm2。

黃浦區(qū)有10個(gè)街道共192個(gè)居委會(huì)，為便于數(shù)據(jù)采集和考察綠地空間特征，研究依據(jù)街道邊界，參考居委會(huì)劃分、城市主要道路和河流，將10個(gè)街道進(jìn)一步劃為43個(gè)樣本區(qū)域。每個(gè)樣本區(qū)域的規(guī)?？刂圃?0～50 hm2，且均分布有公園綠地（圖2）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，綠地率較高的樣本集中在西北與西南片區(qū)（圖3），而人口數(shù)量較高的區(qū)域集中在中部及偏南區(qū)域（圖4）。

2. 綠地分布與樣本劃分

3. 綠地率分布圖

4. 人口數(shù)量分布圖

研究涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及獲取途徑包括：（1）2015年8月2日的Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，源自地理空間數(shù)據(jù)云，采集時(shí)云量為0.33%；（2）研究區(qū)域內(nèi)不同類型城市綠地分布及植被特征，通過(guò)2015年8月至2015年10月的實(shí)地調(diào)研獲得，主要包括用地面積、喬木種類、喬木數(shù)量、喬木胸徑、灌木種類、灌木面積、地被草本及藤本植物面積；（3）人口數(shù)量，采用第6次全國(guó)人口普查的常住人口數(shù)據(jù)。

3.2 綠地減排效能估算結(jié)果與空間特征分析

地表溫度反演結(jié)果顯示，2015年8月2日上海市郊區(qū)同一時(shí)間的平均地表溫度為30.95℃，上海市主城區(qū)平均地表溫度為32.63℃，熱島強(qiáng)度為1.68℃；研究范圍內(nèi)平均地表溫度為33.03℃，熱島強(qiáng)度為2.08℃（圖5）。根據(jù)熱島強(qiáng)度計(jì)算綠地的減排強(qiáng)度，結(jié)果表明綠地減排效能高的樣本連續(xù)集中分布在西南片區(qū)，總體呈現(xiàn)南部較高、向北遞減的趨勢(shì)（圖6）。其中，減排強(qiáng)度大的樣本為34、35、39和40號(hào)，其減排強(qiáng)度分別為46.9 t/hm2、47.61 t/hm2、52.9 t/hm2、55.12 t/hm2，在綠地空間布局上呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）樣本內(nèi)綠地面積較大，空間整體綠地率高，如35、40號(hào)樣本（；2）附屬綠地在綠地總量中所占比例較高，如34、39號(hào)樣本；（3）充分發(fā)揮道路附屬綠地作用，構(gòu)成高密度綠網(wǎng)，如34、39、40號(hào)樣本；（4）樣本中心有較大面積的集中綠地，如34、35、40號(hào)樣本；（5）綠地分布在人口密度較高區(qū)域，如35、40號(hào)樣本。

5. 地表溫度分布圖

6. 綠地減排強(qiáng)度分級(jí)圖

綠地減排強(qiáng)度較強(qiáng)的有14個(gè)樣本，主要分布在中部及南部片區(qū)。分析其綠地空間特征：（1）內(nèi)部大型綠地較少，但帶狀游園與道路附屬綠地共同構(gòu)成綠網(wǎng)，且附屬綠地分布均衡，如22、25、26、33、36號(hào)樣本，其減排強(qiáng)度分別為32.98 t/hm2、22.57 t/hm2、24.99 t/hm2、24.99 t/hm2和35.53 t/hm2；（2）利用濱江優(yōu)勢(shì)布局較大面積的沿江綠地，充分發(fā)揮水體的降溫輻射效應(yīng)，如12、26、37號(hào)樣本，其減排強(qiáng)度分別為19.26 t/hm2、24.99 t/hm2和26.42 t/hm2。

綠地減排強(qiáng)度弱的有7個(gè)樣本，其減排強(qiáng)度在0～5 t/hm2，主要分布在南北兩端。分析其綠地空間特征：（1）綠地率低，且內(nèi)部缺乏大型綠地，如3、7、27號(hào)樣本；（2）綠地分布不均衡，樣本內(nèi)較大范圍內(nèi)幾乎無(wú)綠地分布，造成局部過(guò)熱現(xiàn)象，如3、7、27、38號(hào)樣本。

3.3 綠色碳匯效能估算結(jié)果與空間特征分析

綠色碳匯強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示，強(qiáng)度高的樣本集中分布在黃浦區(qū)西部，北部、東部及南部片區(qū)，均存在大量連續(xù)分布的低碳匯效能樣本（圖7）。整體上看，綠地率與綠色碳匯強(qiáng)度總體呈正相關(guān)。進(jìn)一步分析綠地率低而碳匯強(qiáng)度高的樣本，發(fā)現(xiàn)在綠地布局上呈現(xiàn)以下特征：（1）開(kāi)發(fā)地塊中布局較大面積附屬綠地，如15號(hào)樣本，其碳匯強(qiáng)度為11.87 t/hm2；（2）道路附屬綠地分布均衡，相連構(gòu)成高密度綠網(wǎng)，如19號(hào)樣本，其碳匯強(qiáng)度為11.32 t/hm2。比較分析綠地率高而碳匯強(qiáng)度低的樣本，主要分布在東部沿江區(qū)域，其空間特征為：（1）公園綠地以游園為主且分散布局，如26、28、30、41號(hào)樣本，其碳匯強(qiáng)度分別為3.01 t/hm2、1.56 t/hm2、2.22 t/hm2和3.62 t/hm2；（2）道路附屬綠地較少，多為單側(cè)分布，沒(méi)有形成綠色網(wǎng)絡(luò)，如28、30號(hào)樣本；（3）綠地整體分布不均衡，較大范圍內(nèi)幾乎無(wú)綠地分布，如26、28、30號(hào)樣本。

7. 綠色碳匯強(qiáng)度分級(jí)圖

3.4 綠地影響碳中和的分類與空間特征

以43個(gè)樣本平均減排強(qiáng)度和平均增匯強(qiáng)度的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)劃分4個(gè)象限，運(yùn)用散點(diǎn)圖對(duì)比分析研究樣本的綠地碳匯強(qiáng)度和減排強(qiáng)度（圖8），繪制碳中和效能空間分布圖（圖9），進(jìn)一步分析總結(jié)影響綠地碳中和綜合效能的綠地布局空間特征（表1）。

8. 綠地增匯和減排效能特征分類

9. 綠地碳中和效能類型空間分布

表1 綠地碳中和效能類型及空間特征

4 綠地碳中和增效策略與方法

4.1 擴(kuò)大綠地面積，重視附屬綠地建設(shè)和植被配植

（1）一定的綠量是實(shí)現(xiàn)碳中和綜合效能提升的基本保障，對(duì)于綠地率低的地區(qū)，規(guī)劃應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大綠地面積，可能情況下建議優(yōu)先在中心區(qū)域布局較大面積的公園綠地。（2）重視高效能小微型綠地和附屬綠地的建設(shè)，形成整體相對(duì)緊湊、內(nèi)部疏密有致的空間形態(tài)。（3）優(yōu)化綠地植被配植、建設(shè)和管理，豐富植物種類和層次，形成種類多樣、高效多能的植被群落[31]，提升綠地增匯減排能力。

4.2 人口密度較高的地方優(yōu)先布局綠地

在人口密度較高的區(qū)域優(yōu)先布局綠地，能夠獲得較高的減排效益，有利于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。規(guī)劃應(yīng)在人口密集區(qū)域“見(jiàn)縫插針”布局綠地。在增量布局比較困難的高密度城區(qū)，鼓勵(lì)推行立體綠化，增加綠強(qiáng)度，如屋頂綠化、墻體垂直綠化、棚架綠化、檐口綠化等。

4.3 依托道路附屬綠地和濱水空間構(gòu)建綠網(wǎng)

高密度綠網(wǎng)的建設(shè)能夠同時(shí)促進(jìn)綠地增匯與減排效能。綠地建設(shè)應(yīng)注重道路附屬綠地的連通和均衡分布，并通過(guò)濱水綠地建設(shè)、河網(wǎng)森林保護(hù)與修復(fù)、垂直河岸的綠道建設(shè)等方式擴(kuò)大水體降溫輻射效能，形成較整體的綠地減排增匯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮有限綠地的碳中和綜合效能。

5 結(jié)論與展望

城市綠地的合理布局和建設(shè)管理與我國(guó)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)緊密相關(guān)。研究梳理城市綠地間接減少碳排放和直接增加碳匯兩種途徑，嘗試構(gòu)建城市綠地空間影響碳中和的綜合評(píng)估框架，分類型分析其空間特征，進(jìn)而提出綠地碳中和綜合效能提升策略及方法，旨在以多維度、系統(tǒng)化的視角衡量城市綠地在影響碳中和方面的價(jià)值。上海黃浦區(qū)的實(shí)證研究表明，顯著影響綠地直接增匯效能的主要有綠地率、綠地類型和植被配植；顯著影響綠地間接減排效能的主要有綠地率、附屬綠地占比、綠網(wǎng)建設(shè)、綠地分布均衡性和濱水綠地建設(shè)。綜合考慮綠地布局對(duì)于碳中和的“雙影響途徑”，研究嘗試提出多方面的增效策略及方法，包括擴(kuò)大綠地規(guī)模、優(yōu)化綠地類型、重視植被配植、合理布局綠地、構(gòu)建道路及濱水綠網(wǎng)等。

研究從街區(qū)尺度切入展開(kāi)評(píng)價(jià)分析，明晰城市綠地影響碳中和的途徑和空間特征，未來(lái)還應(yīng)在更小的街坊尺度以及更大的區(qū)域尺度、國(guó)家尺度等展開(kāi)研究，構(gòu)建城市綠地對(duì)碳中和影響的多尺度綜合認(rèn)知，為城市綠地發(fā)展及優(yōu)化提供參考。此外，碳中和的實(shí)現(xiàn)除了提升城市綠地自身效能之外，仍需與能源、工業(yè)、交通、建筑和農(nóng)業(yè)等多種城市功能協(xié)調(diào)，未來(lái)還應(yīng)與碳捕捉、利用和封存等多種技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，不斷提升綠地在增匯減排方面的價(jià)值。