0 引言
在全球气候变化和城市化快速推进的背景下,城市生态系统的稳定性与低碳转型路径备受学界关注
[1]。城市园林绿地作为城市生态系统的重要组成部分,不仅可通过植被光合作用固定CO
2并形成生物量积累,还在热环境调节、水文过程调控与生境供给等方面发挥关键作用,从而影响城市生态系统服务的综合效能
[2-3]。因此,面向“双碳”目标与城市高质量发展需求,开展城市公园绿地固碳效益及其空间差异的定量评估,既是生态系统服务核算的重要内容,也是城市绿地精细化管理与优化配置的科学基础。
目前,生态系统固碳效益评估在森林、湿地等自然生态系统中已形成相对成熟的核算框架与方法体系。董卉卉等
[4]对信阳市森林公园生态系统固碳释氧效益的评估表明,其年固碳量与生态价值显著;张陆平等
[5]基于CITYgreen城市生态系统分析软件(CITYgreen urban ecosystem analysis software,CITYgreen)模型对苏州市森林生态效益开展定量评价,为区域尺度碳储量及经济价值核算提供了参考。相较于森林等自然生态系统,城市园林绿地具有更强的人为营造与管护干预特征,其群落结构往往更为异质,空间破碎化与立体分层明显,导致固碳能力与生态效益呈现更强的空间差异与不确定性。由此,直接套用自然生态系统中相对稳定的计算模式往往难以充分解释城市情境下的差异来源,亟需在城市公园等典型场景中进一步校验与细化。
围绕城市绿地的固碳问题,已有研究从城市树木碳储量与固定量测算
[6]、城市森林固碳能力及群落结构影响机制分析
[7]、不同群落类型与层次的碳密度差异比较
[8]、遥感与模型耦合的时空变化识别
[9]以及不同城市植被类型固碳释氧效应对比
[10]等方面展开,为城市尺度碳汇评估提供重要基础。现有研究路径主要包括区域/城市尺度上基于遥感与过程模型的评估,以及群落/样地尺度上基于样方调查的核算。前者强调从植被覆盖、气象要素与景观格局解释固碳能力的时空差异,并发现斑块面积更大、连通性更好且形状更简单的公园绿地往往具有更高固碳能力
[9];后者侧重揭示郁闭度、密度、层次结构和大径级乔木比例等结构特征对碳密度与固碳率的影响
[7-8]。尽管遥感模型适用于宏观格局识别,但在乔木-灌木-草本多层混交的城市公园情境下仍难以有效区分小径级乔木、下木层与冠层遮蔽下草本植被,亦难以直接获取物种组成与生物量等关键参数,从而限制核算精度与结构解释能力;相比之下,样地调查更有助于识别分层贡献、优势种与关键结构因子,为精细化经营提供更直接依据。与此同时,在区域研究上国内相关成果多集中于中部平原与东南地区,而西南山地城市受复杂地形与微气候梯度影响,公园绿地植被组成与空间格局差异显著,微观尺度实测数据与分层固碳评估仍相对缺乏。以重庆主城区为例,其受亚热带湿润气候与复杂山地地形共同作用形成显著分异的山地城市生态格局,但针对重庆城区园林绿地的实地植物生长数据仍不足,尤其是公园内部微观尺度群落结构的精细化调查相对欠缺,限制了对固碳效益形成机制与管理措施成效的深入认知。
鉴于此,本研究以重庆市鸿恩寺城市公园为研究对象,通过样地尺度的群落调查获取公园绿地植物群落基础数据,结合相对生物量方程与碳转换系数,定量估算乔木层、灌木层与草本层的生物量、固碳量及固碳效益,并分析不同样地间的空间差异特征。研究旨在阐明公园植被各层次对固碳效益的相对贡献及其结构主导性,揭示样地尺度固碳效益的空间异质性及其可能的结构驱动因素,为提升重庆市绿地生态服务价值提供科学依据,并为公园绿地碳汇功能与生物多样性保护的协同增效提供理论支撑。
1 研究区域与方法
1.1 研究区域概况
鸿恩寺公园(106°50′~106°51′E,29°56′~29°57′N)位于重庆市主城区,地处嘉陵江北岸的江北区,属典型城市山地公园。公园南北长1.61 km,东西长1.72 km,总规划面积73.33 hm
2。本研究根据鸿恩寺公园规模,以植被人工设计营造区域、群落实际生长情况及道路与水系界线等为参考边界,划分为6个植物样本区域,编号依次从S1、S1、…、S6。研究区域概况见
图1。
1.2 研究方法
为提升本研究生物量与固碳量估算的准确性和可比性,采用了基于样地实测的相对生物量方程及政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change,IPCC)发布的《2006年IPCC国家温室气体清单指南2019年修订版》推荐的生物量-碳转换系数
[11],见
表1。该方法在城市绿地和森林植被碳汇研究中具有成熟的应用基础,能够充分利用实测胸径、树高和物种组成等结构性数据,较为准确地反映不同植被类群的生长特征与固碳差异。本研究基于2024年4月采用样方法(6个样本区域内各设置10个20 m×20 m的样方)现场调研统计到的S1—S6样地不同树种的株数、平均高度、平均基径(或胸径)。公园植被固碳效益核算依据重庆市2024年第一季度林业碳汇交易均价40元/t(碳汇量331万t,交易金额1.34亿元)进行计算
[12]。见
公式(1)。
式中:CS为固碳量,kg;W为生物量,kg;CF为固碳系数。
2 结果与分析
2.1 乔木层固碳效益
2.1.1 生物量分析
图2为鸿恩寺公园乔木各树种在S1—S6样地的生物量。由
图2可知,乔木生物量的空间分布差异性受树种多样性、个体生长性状、数量及群落结构配置等多重因子影响。其中S4样地的楠木以胸径(38 cm)与高度(18 m)生长优势及数量优势产生生物量最多,为1.85×10
5 kg;S6样地的樟科乔木数量及尺寸均较小,产生生物量最少,仅为23.91 kg;银杏和其余硬阔叶乔木在各样地的分布较为均匀,樟科乔木和栾树在各样地的分布差异较大。
从各树种生物量来看,生物量最大的是其余硬阔叶乔木,为4.56×105 kg,由于硬阔叶乔木包含的树种类和数量最多,且在6块样地中均广泛分布。银杏和楠木分别以2.45×105、2.36×105 kg位居其后,其中银杏数量相对较多,产生生物量较高;而楠木虽仅有125株,但因其树高(8~18 m)和胸径(14.33~38 cm)均较大,形成个体优势推动种群整体生物量积累。生物量最少的是其余软阔叶乔木和栾树,分别为5.37×104、1.91×104 kg,软阔叶乔木包含的树种数量较多,但均为小径级物种,单株生物量较低;而栾树数量最少,产生生物量也最低。
从各样地生物量来看,生物量最大的是S5、S4样地,分别为2.37×105、2.32×105 kg,其中S5样地单位面积生物量为7.07 kg/m2,为全样地最高,区域分布较多的银杏和桂花大型乔木,单株生物量较高;而S4样地的楠木凭借生长优势成为碳汇核心物种,提升样地群落生物量。其次是S1、S6和S3样地,分别为2.21×105、2.01×105、1.96×105 kg。生物量最少的是S2样地,为1.34×105 kg,区域单位面积生物量为0.99 kg/m2,S2样地内樟科株数达103株,但平均胸径仅18.79 cm,且区域内分布的小径级物种占比高,拉低了整体生物量水平。
2.1.2 固碳效益分析
图3为鸿恩寺公园乔木各树种在S1—S6样地的固碳效益。从各树种固碳效益来看,每年固碳效益由高到低分布为其他硬阔叶(8 282.47元)、银杏(4 736.71元)、楠木(4 544.54元)、樟科(2 060.93元)、木兰科(2 038.25元)、其他软阔叶(1 035.99元)、栾树(375.83元),主要由于个体生长优势及数量等因素影响其生物量变化。
由
表2可知,S4、S5样地的固碳效益最大,分别为4 451、4 381元,占总固碳效益的19.29%、18.98%。S1、S3和S6样地的固碳效益居中,分别为4 184、3 789、3 740元,分别占总固碳效益的18.13%、16.42%、16.21%。S2样地的固碳效益最小,为2 530元。单位面积和单株固碳效益最高的均是S5样地,表明该样地内存在一些生长旺盛、树龄较大且固碳效率较高的乔木个体。S1样地固碳效益较高,但受区域面积大小的影响,单位面积固碳效益最低,调查结果显示该区域基本生长的都是固碳效益较低的软阔叶乔木。S2样地内植被数量较多,但种间密度与种间竞争影响使其单株固碳效益最低,仅为4.06元/株。
2.2 灌木层固碳效益
2.2.1 生物量分析
图4为鸿恩寺公园灌木各树种在S1—S6样地的生物量。由
图4可知,灌木生物量的空间分布差异性主要受树种种类和数量的影响。S6样地拥有南天竹17 127株,产生生物量最多,为8 313 kg;S1样地的海桐产生生物量最少,仅为5 kg。S1、S2、S6各树种分布较为均匀,S3样地各树种分布差异最大。
从各树种生物量总量来看,生物量最大的是南天竹,为1.47×10
4 kg,这是由于南天竹的数量最多,为30 240株。金叶女贞、桂花、红叶石楠分别以1.31×10
4、1.27×10
4、1.23×10
4 kg位居其后,其中红叶石楠的数量远超金叶女贞和桂花,但其产生的生物量却较低,表明金叶女贞和桂花的单株生物量较高。红花檵木(6 908 kg)、杜鹃(3 867 kg)、木槿(3 645 kg)、蜡梅(2 688 kg)、黄天竹(2 185 kg)、洒金珊瑚(2 032 kg)和鹅掌柴(2 023 kg)产生的生物量居中。生物量较少的是叶子花、贴梗海棠、八角金盘、月季花、迎春花、山茶、海桐和油茶,其树种数量较少。灌木单株生物量大小见
图5,能够反映植物种群间的空间优势和竞争能力差异,最终表现为碳储存能力与固碳效益。如蜡梅数量仅为金边黄杨的1/15、鹅掌柴的1/36,但其产生的生物量是金边黄杨的2.8倍、鹅掌柴的1.3倍。
从各样地生物总量来看,S6样地分布有单株生物量较高的蜡梅、洒金珊瑚等,同时拥有数量较多单株生物量居中的桂花、红叶石楠和南天竹,因此S6样地生物量最大,为2.14×104 kg。其次是S2、S1、S5和S4样地,分别为1.98×104、1.65×104、9 751、8 821 kg。生物量最少的是S3样地,仅为2 701 kg,这是由于该区域分布有数量较多且单株生物量较低的黄天竹和杜鹃等小径级植物。
2.2.2 固碳效益分析
图6为鸿恩寺公园灌木层各树种在S1—S6样地的固碳效益。由
图6可知,从各树种固碳效益来看,每年固碳效益排名前十的是南天竹(626元)、金叶女贞(263元)、桂花(254元)、红叶石楠(245元)、红花檵木(138元)、杜鹃(77元)、木槿(73元)、蜡梅(54元)、黄天竹(44元)、洒金珊瑚(41元),主要受其单株生物量和数量等因素影响。
由
表3可知,从各样地固碳效益来看,S6样地固碳效益最大,为760元,占总固碳效益的39.75%,调查结果显示该区域有机质含量较高、土壤呈微酸性紫色土,更适宜植被生长。S2、S1、S5和S4样地固碳效益居中,分别为397、330、195、176元,分别占总固碳效益的20.74%、17.25%、10.20%、9.23%。S3样地固碳效益最小,仅54元。
单位面积固碳效益最高的是S5样地,表明该样地生态系统的碳汇功能较强。S1样地与S2样地固碳效益相差不大,但受区域面积大小的影响,S2样地单位面积固碳效益是S1样地的2倍。S3样地内植被数量最少,但由于其固碳效益最低使得其单株固碳效益也最低。
2.3 草本层固碳效益
长江中下游同类气候区自然生长的草本植物生物量约为300~800 g/m
2(干质量),本研究中鸿恩寺公园属人工管理绿地,草本层多为麦冬、鸢尾等观赏草种,生物量相对较低为100~300 g/m
2[13],而草本植物的固碳量通常为其生物量的50%
[14]。本研究取200 g/m
2作为草本植物生物量、取50%作为其固碳系数进行计算,见
表4。
由
表4可知,草本植物所占面积最大的是S3样地,其草本植物生物量为5 433.00 kg,固碳效益为108.66元。其次是S6样地,生物量5 315.10 kg,固碳效益为106.30元。最小的是S2样地,生物量2 850.40 kg,固碳效益仅为57.01元。
2.4 综合固碳效益分析
本研究统计对象涵盖乔木、灌木、草本3种植被类型,共54个物种,其中乔木30种、灌木20种、草本4种,见
表5。其中乔木以绝对优势主导生态系统固碳能力,其生物量(1 220 705.95 kg)、固碳量(576 867.74 kg)及固碳效益(23 074.71元)分别占总量的92.14%、90.52%和90.52%。从生态机制上看,一方面,乔木层具备显著的冠层结构优势,叶面积指数和光能截获能力远高于灌木和草本层,使其在鸿恩寺公园的多坡位和山地型微气候下保持高光合效率,从而在单位时间内积累更多生物量和碳储量;另一方面,乔木根系深入至地下1 m,可在坡度较大、土层厚度不均的山地环境中更稳定地获取水分与养分,增强其在干旱、暴雨等极端气候条件下的生存与生长能力,有利于长期碳积累。根据相关研究结果
[14],鸿恩寺公园以25°~45°的山地坡地为主,坡度、植被覆盖度及土壤有机质是影响林分生长的核心生态因子。本研究乔木层碳储占比高(92.14%)与这一生态适宜性格局高度吻合,山地微地形差异促进了大冠幅、高郁闭度乔木的分布,紫色土与较高有机质含量进一步增强了乔木的长期生长优势。因此,乔木个体性状、生存条件与微地形的协同作用共同构成了乔木层主导固碳功能的关键机制。
灌木则呈中间态,生物量(78 950.43 kg)、固碳量(47 788.66 kg)及固碳效益(1 911.55元)分别占总量的5.96%、7.50%和7.50%。尽管草本生物量仅占1.90%,但其固碳效率(50.0%)接近乔木(47.3%),表现出良好的单位面积潜力,可能与短生命周期、高周转率相关。草本植物可通过快速覆盖地表抑制土壤呼吸,间接提升碳储存率。鸿恩寺公园草本固碳效益占比1.98%(504元)揭示其低成本固碳潜力,尤其在边际土地修复中可发挥协同效益。
研究发现,不同植被层在生态系统功能中表现出明确的分工协同特征。乔木层通过长期碳固定与生物量积累实现生态系统的“骨架支撑”;灌木层具有较强的更新能力与结构冗余性,是群落多样性与生态稳定性的核心中层;草本层虽碳储贡献有限,但具有良好的快速响应性和地表调控功能。
为揭示鸿恩寺公园内部整体固碳功能的空间差异,本研究在乔木层、灌木层和草本层分别核算固碳量与固碳效益的基础上,进一步对样地尺度进行综合汇总,见
表6。由
表6可知,S1—S6综合固碳效益存在明显差异,其中S4与S5处于高值水平(分别为4 704.51元与4 662.13元),S2最低(2 984.01元),表明公园内部碳汇功能具有显著空间异质性。综合固碳量的变化趋势与固碳效益基本一致,高值样地(S4和S5)的综合固碳量均超过S6(115 143.55 kg),而S2为74 587.20 kg。从群落结构来看,各样地固碳效益均以乔木层贡献为主导,决定了综合效益的基本格局;但灌木层在部分样地表现出明显的边际贡献与补偿作用,例如,S6灌木固碳效益达760元,为各样地最高,使其在乔木效益并非最高的情况下仍保持较高的综合效益水平。草本层固碳效益整体贡献较小,但在草本覆盖较高的样地可提供稳定增量。上述结果表明,样地尺度综合固碳效益差异主要由乔木层结构与生长量主导,同时受灌木层配置与草本覆盖的协同影响,探明了提升公园绿地碳汇功能应以乔木层结构优化为主轴,并兼顾灌草层的功能补偿与稳定性调节。
图7为不同样地各层次植被固碳量与固碳效益的贡献结构。
综合分析表明,鸿恩寺公园当前年均固碳效益达25 491元,具备良好的固碳功能与提升潜力。但也发现乔木层存在更新断层、小径级个体比例偏低和固碳增长潜力受限等问题;草本层物种结构单一、固碳功能尚未有效挖掘。因此,后续可在乔木层加强更新类群补植,在草本层引入多样性草种与功能型物种,以提升整个群落的碳汇效率与生态稳定性,在“双碳”背景下实现生态服务价值的多元化拓展。
为消除不同地区碳价差异带来的影响,本研究以单位面积年固碳量与国内城市公园进行比较,见
表7。鸿恩寺公园的固碳水平(8.69 t/hm
2)高于北京、杭州、蚌埠及信阳等城市公园的已报道值(约1.68~4.52 t/hm
2)。这一差异主要源于重庆湿润亚热带气候与山地微地形带来的较长生长季与结构多样性优势,同时乔木层大径级个体占比高,使单位面积碳密度明显提升;相比之下,北方季风区及部分平原城市公园因生长条件、群落结构或树龄组成较为单一,其单位面积固碳量相对较低。总体而言,鸿恩寺公园单位面积固碳能力显著高于北方公园,也优于多数同纬度平原城市公园。
2.5 补植幼龄段乔木优化情景模拟
情景设定与计算思路参考Guan等
[17]基于森林碳汇模型(forest carbon sequestration,FCS)和Logistic生长方程在重庆尺度开展多情景碳汇潜力模拟的方法,即以现状碳储量为基线,通过改变“植被结构与生长参数”来推演碳汇随时间的增量,分析固碳效益的提升效果。银杏单株生物量计算采用的相对生物量方程(
表1),单株固碳量计算采用
式(1)。结合重庆地区常见园林树种的生长调查资料,并参考已有城市森林生物量研究结果,假定补植幼龄段乔木胸径初始值为5 cm,相对生物量方程估算得到单株初始生物量约为10.45 kg,初始固碳量约为5.05 kg。
参考同一气候条件下常见园林乔木10 a内胸径与生物量的增长水平,假定10 a后幼龄乔木胸径可增至20 cm,其生物量增至235.90 kg,对应单株在10 a内的固碳量约为113.94 kg,则固碳量增量为108.89 kg。若在S2样地补植10株幼龄乔木,则10 a内额外固碳增量为1.09 t,参照重庆市2024年第一季度林业碳汇交易均价40元/t,则对应碳汇经济效益增量为43.6元,占S2样地现有乔木固碳效益的1.70%,而现有S2样地的中长龄段(11株平均胸径约35.03 cm)银杏的固碳效益约为176.73元,表明通过适量补植幼龄段乔木有望提升样地中长期固碳水平。上述结果表明,城市公园碳汇提升应优先围绕乔木层结构与更新连续性开展精细化经营(如补植更新等),并结合灌木、草层配置实现协同增益,但具体提升幅度仍受区域条件、群落现状与管护措施约束,有待长期监测与情景验证进一步量化。
3 结论
本研究基于重庆市鸿恩寺城市公园现场调研资料,分析了不同样地乔木层、灌木层和草本层各树种的生物量、固碳效益。得出如下结论。
1)公园乔木层为主要碳汇功能承担者,生物量为1.22×106 kg,固碳量为5.77×105 kg,年固碳效益为2.31×104元,分别占总量的92.14%、90.52%、90.52%。灌木层次之,分别占5.96%、7.50%、7.50%;草本层生物量仅1.90%,但单位面积固碳效率高。
2)植被碳汇空间异质性明显,S5与S4样地生物量与固碳效益最高。乔木层碳汇受树高、胸径等生长性状影响显著,灌木层受种群数量与单株体量共同驱动,草本层固碳效益与覆盖面积密切相关。S5样地单位面积固碳效益最高,S2样地效益最低。
3)乔木层增加幼龄优势物种补植,灌木层控制过度密植,草本层引入多样化本土草种,增强物种多样性与固碳功能,实现多层次、可持续绿地生态管理。鸿恩寺公园当前年均固碳效益达25 491元,通过科学配置植物群落与增强生态功能响应,可在保持景观美感的基础上进一步释放碳汇潜力。
本研究构建的碳汇参数体系可支撑公园绿地纳入城市碳资产登记;不同群落碳汇差异为“城市绿地增汇工程”提供依据;单位面积碳储数据可作为碳汇因子库基础,支持城市公园碳信用项目开发。
本研究中的样地布设已尽可能覆盖鸿恩寺公园的主要地形单元,能够较为完整地反映山地城市公园的基础空间异质性。由于公园地形复杂,现有样地尚未覆盖坡脚、坡腰和坡顶等全部微地形单元;调查时间处于生长季初期,未能体现季节性动态。后续研究将结合分层抽样与多季节监测,以增强空间与时间尺度的完整性。此外,在未来植物群落优化与增汇管理实践中,还需面对幼龄乔木在极端气候条件下降低成活率、多样化草本的维护成本增加以及灌木密度调控难度较大等潜在挑战。为此,后续研究可通过固定样地的长期动态监测、开展幼龄乔木密度梯度与草本功能群等多情景试验,以及采用无人机机载激光雷达(unmanned aerial vehicle-light detection and ranging,UAV-LiDAR)等遥感与地面监测相结合的技术体系,逐步建立兼具时间连续性与空间精细度的城市山地公园碳汇长期评估框架。
重庆市城市管理局基金项目(城管科字[2023]第34号)