Forest carbon storage function value at Hangzhou Huagangguanyu Park

杭州市地处中北亚热带过渡区，属亚热带季风气候，四季分明，温和湿润，光照充足，雨水充沛。截至2016年，杭州市城市化率已经达76.2%。杭州市生态环境优越，全市森林覆盖率超过65%，建成区绿化覆盖率约40%。作为全国首批低碳城市试点之一，杭州早在2008年便出台了《杭州市建设低碳城市工作方案》^[9]。

花港观鱼公园为西湖十景之一，位于杭州西湖西南角，总面积约32.8 hm²，是西湖南片的中心景区。园内港汊纵横，花木繁茂，将中国传统园林造景艺术与西方造园手法巧妙结合，是中国园林规划设计和建设的优秀典范^[10]。

参照i-Tree Eco V 6.0用户手册，采用每木调查法对花港观鱼公园内的植物现状进行系统调查。根据研究所需数据，调查主要包括植物种类、植物数量、树木胸径、树高、东西冠幅、南北冠幅、枝下高、冠高、健康状况、冠缺率、树木生长类型、所测乔木距建筑物的距离等内容。

研究通过将前期调查数据经过整理后输入Excel表格，而后导入至Access数据库中，经过格式化处理后保存为mdb格式文件，最后导入i-Tree V 6.0中。根据杭州市实际情况定义效益成本参数，并依据就近原则选定位于30.22°N，120.43°E的气象数据定义气象参数。在将树种信息导入i-Tree时，需要根据Eco模块树种目录“Specied List”进行匹配。i-Tree Eco计算分析森林固碳效益是利用异速生长方程测量各株树木的生物量。如果一个树种没有与之对应的异速生长方程，则可采用同一个属的生长方程预测结果的平均值。如果没有同一个属的生长方程，则可采用所有阔叶树种或者针叶树种生长方程的平均值。Eco的树种数据库主要是基于美国16个参考城市(代表美国的16个气候分区)的树种信息建立，若花港观鱼公园的树种在Eco的树种数据库中没有相对应的树种，则需要查阅该缺失树种的属性值，匹配属性相近的同属或同叶型树种数据进去。最后，将所有数据发送至美国林务局处理中心，经过分析处理后，又将分析报告发还至本地客户端。分析报告中的固碳结果最终是以调查树木的年固碳量与总碳储量的形式展现。

i-Tree对城市森林年固碳效益的计算基础是树木生长模型，它根据树木的属性自动分析城市树木吸收二氧化碳和间接减排的效率，并依此计算出各树木每年的固碳量。根据碳排放税征收标准，对城市森林碳吸收能力做具体的经济价值估量^[7]。因此，最终固碳效益的结果与城市森林的树种组成、群落结构、径级分布、树冠覆盖度、树的健康状况等都有一定的关系。

通过调查花港观鱼公园5 726株树木分析得出，花港观鱼公园内共有119种树种，分属43科79属。其中木犀科Oleaceae，蔷薇科Rosaceae，山茶科Theaceae，槭树科Aceraceae和木兰科Magnoliaceae所占比例较大，占所调查树木总数的53.68%。公园优势种为桂花Osmanthus fragrans，山茶Camellia japonica，鸡爪槭Acer palmatum，水杉Metasequoia glyptostroboides和广玉兰Magnolia grandiflora，共计2 386株，占总数的41.70%。主要树种数量及比例如表 1所示。由表 1得出：花港观鱼公园现有的植物群落总体表现为常绿和落叶相均衡的林相。由调查可知：公园内常绿树和落叶树所占比例相近，常绿树共计2 987株，占总数的52.17%，落叶树总计2 739株，占总数的47.83%。而公园内阔叶树与针叶树比例则相差较大，阔叶树共计4 967株，占总数的86.74%；针叶树共计759株，仅为总数的13.26%，两者相差近7.00倍。花港观鱼公园内植物群落结构稳定，不同层次植物数量保持和谐的关系。

为了便于统计，i-Tree将树木的胸径等级划分为包括＜7.60，7.60~＜15.20，15.20~＜30.50，30.50~＜45.70，45.70~＜61.00，61.00~＜76.20，76.20~＜91.40，91.40~＜106.70，≥106.70 cm等9个等级。数据显示，花港观鱼公园内树木的胸径在7.60~＜15.20 cm最多。作为优势树种的桂花、山茶、鸡爪槭胸径都以＜15.20 cm为主，分别占其总数的67.30%，99.00%和89.60%，这既符合它们本身的生长规律，同时说明公园方面也在不断对这些树种进行更新补充。而整个园区胸径在＞91.40 cm区间的树木约为14株，其中樟树和枫杨各占了5株，公园最大的树为1株胸径110.10 cm的樟树，所以樟树、枫杨等树种构成了园区的骨干树种。这些树都是公园50多年历史的见证，应该大力保护。树木胸径分布如图 1所示。

Figure 1.  DBH distribution of trees at Hangzhou Huagangguanyu Park

本研究采用物种丰富度指数Margalef(d)和度量群落优势度的Simpson指数(D)作为花港观鱼公园物种多样性的测量指标^[11]。①物种丰富度指数d_ma=(S-1)/lnN。其中：S表示物种数，N表示个体总数。Margalef指数反映花港观鱼公园的物种丰富度。通过对数据的分析整理，得出本次调查的花港观鱼公园物种整体丰富度指数为13.64。对公园内85个不同群落类型的样地分别测算其物种丰富度可以发现，混合型植物群落物种相对单一型植物群落更为丰富，其中常绿落叶阔叶混交型群落的丰富度指数最高，达1.75。各群落类型物种丰富度指数从高到低排序为1.75(常绿落叶阔叶混交型)＞1.58(针阔混交型)＞1.33(竹阔混交型)＞0.89(常绿阔叶型)＞0.56(落叶阔叶型)＞0.25(针叶型)。②物种多样性指数$ D = 1 - \sum\limits_{i = 1}^N {P_i^2} $。其中：D为Simpson指数，P_i=N_i/N，N_i为第i个物种在群落中出现的个体数目，N为群落中所有个体的总数目。Simpson指数D越小，表示优势度物种越小，也就是丰富度越高。根据数据分析，得出花港观鱼公园的整体Simpson指数为0.95。对公园内85个不同群落类型的样地分别进行测算，物种多样性指数从高到底排序为0.73(常绿落叶阔叶混交型)＞0.72(针阔混交型)＞0.53(常绿阔叶型)＞0.40(竹阔混交型)＞0.36(落叶阔叶型)＞0.30(针叶型)。

树木通过光合作用将二氧化碳和水转化有机物并释放氧气，这一生理过程是植物固碳释氧的基本原理，然而城市森林通过吸收二氧化碳直接固碳的量不到城市碳排放量的1%^[7]。树木自身的呼吸作用以及枯枝落叶的腐败过程都是碳排放的过程^[12]。i-Tree Eco正是基于树木的生长模型，计算树木吸收大气中的二氧化碳和改变建筑物中的能源使用而间接减排的碳量，实现对城市森林固碳效益的评估^[13]。计算树木在碳吸收方面的经济价值时采用瑞典碳税率固碳价格，即二氧化碳为1.20元·kg^-1[14]。

城市森林通过直接吸收以及间接减排来减少大气中的碳含量，这个数值会随着树木的大小和健康而变化，一般来说每年固碳量都会增加。运用i-Tree模型对花港观鱼公园5 726株树木2016年固碳效益进行评估，得出公园年固碳量约54.95 t·a^-1，效益约6.59万元·a^-1；全园单株树木年固碳量平均约9.60 kg·株^-1·a^-1，效益约11.52元·株^-1·a^-1。以单株树木进行比较，悬铃木Platanus acerifolia的年固碳量最高，单株年固碳量达46.47 kg·株^-1·a^-1，平均固碳效益约55.61元·株^-1·a^-1。公园年固碳量前10位的树种还包括枫杨Pterocarya stenoptera，麻栎Quercus acutissima，连香树Cercidiphyllum japonicum，樟树，薄壳山核桃Carya illinoensis，槲树Quercus dentata，合欢Albizia julibrissin，白栎Quercus fabri，构树Broussonetia papyrifera。这10种树木单株年加权平均固碳量达35.09 kg·株^-1·a^-1。通过与其他树种比较可以发现，这些树以大树居多。由调查数据计算得到，全园树木平均胸径约20.52 cm，这10种树木的平均胸径则达47.50 cm，固碳效益最高的悬铃木单株树平均胸径更是达到了最高的62.93 cm。基于此，根据花港观鱼公园树木实际情况，定义胸径≥30.00 cm的树木为大树。经调查统计符合要求的大树占全园树木的24.54%，约1 405株。2016年公园大树的固碳量约32.15 t·a^-1，占全园年固碳量的58.51%，单株年固碳量达22.89 kg·株^-1·a^-1，是全园树木平均数据的2.38倍。由此可见，大树的固碳能力较其他树木强。公园树木年固碳量前10位的树种如图 2所示。为了减少胸径个体差异对固碳结果的影响，根据上文所划分的胸径等级，将全园树木分为9组，分组筛选出年固碳量≥全园树木平均值(9.60 kg·株^-1·a^-1)且各组排名前10位的树种。不同胸径组树木年固碳量前10位的树种如表 2所示。将表 2中出现的树种名的频率进行统计，得到出现频率最高的8个树种依次为樟树、枫杨、广玉兰、垂柳、薄壳山核桃、白栎、麻栎、无患子，因此，可以认为这8种树种的年固碳能力较强。年固碳效益最低的树种为蒲葵Livistona chinensis和棕榈Trachycarpus fortunei，这2种植物的单株树年固碳量平均仅为0.75 kg·株^-1·a^-1，效益约0.90元·株^-1·a^-1。这主要是由于棕榈科Palmae植物生长速率相对较慢，生理代谢速度也相应较慢，因此，公园内配置棕榈科植物时，尤其在杭州地区，需要考虑此因素。

Figure 2.  Top 10 trees of annual gross carbon sequestration at Hangzhou Huagangguanyu Park

随着树木的生长，越来越多的碳被储存在树体中，但不同的树木所能储存的最大碳量是有差异的。i-Tree模型通过文献数据以及生物量计算方程计算树木地上和地下部分的生物量，以此分析树木的碳储量。NOWAK^[15]曾发现，城市开放栽植的树木所固定的碳量往往比森林衍生生物量方程所预测的要少。为了减小误差，模型将生物量计算方程的计算结果乘以相对误差比0.8进行调整。而碳储量则是通过计算得到的生物量乘以转化系数0.5得到。通过模型分析，花港观鱼公园内5 726株树木的碳储量约为806.90 t，效益约968.28万元，全园单株树木平均碳储量约140.92 kg·株^-1，效益约169.10元·株^-1。以单株树木进行比较，悬铃木的平均碳储量最高，达1 400.59 kg·株^-1，效益约1 680.71元·株^-1。公园单株平均碳储量较高的树还包括枫杨，连香树，樟树，麻栎，合欢，薄壳山核桃，泡桐Paulownia fortunei，香椿，白栎。与年固碳量类似的是，大树的碳储量仍然较高，这主要由于大树体积大，生物量含量高，树体内储存的碳量也相应较高。因此，公园在日常管理中，要格外注意大树的科学养护。花港观鱼公园平均碳储量最高的10种树如图 3所示。

Figure 3.  Top 10 tree species of carbon storage at Huagangguanyu Park

i-Tree Eco V 6.0提供了该模型对部分北美城市森林固碳量进行评估的数据。不同地区固碳量比较如图 4所示。由图 4可知：这些地区的城市森林树木年固碳量为4.44 kg·株^-1·a^-1，最高的波士顿为8.03 kg·株^-1·a^-1，花港观鱼公园为9.60 kg·株^-1·a^-1，水平最高；12个北美城市的树木单株加权平均碳储量为128.93 kg·株^-1，最高的波士顿为244.29 kg·株^-1，花港观鱼公园为140.92 kg·株^-1，处于中等偏上水平。由此可见，花港观鱼公园树木的固碳量较高。

Figure 4.  Comparison of trees' carbon content in different regions

采用每木调查法对杭州花港观鱼公园内的所有乔木以及符合测量条件的灌木进行相关数据的调查研究，总计调查园内树木5 726株，隶属于43科79属119种，植物群落总体表现为常绿和落叶相均衡的林相。公园内大部分树木的胸径集中在7.60~＜15.20 cm，胸径分布总体呈现“中间多，两边少”的趋势。公园的Margalef指数为13.64，Simpson指数为0.95，表明杭州花港观鱼公园树种丰富度水平较好，树种多样性水平较优异。对不同群落类型样地的多样性进行分析，则发现混合型植物群落物种相对单一型植物群落更为丰富。

应用i-Tree模型对杭州花港观鱼公园固碳效益进行评估可知：杭州花港观鱼公园2016年固碳量约54.95 t·a^-1，生态效益约6.59万元·a^-1；总碳储量约806.90 t，生态效益约968.28万元。其中悬铃木的固碳量最大，年固碳量达46.47 kg·株^-1·a^-1，效益约55.61元·株^-1·a^-1；平均碳储量达1 400.59 kg·株^-1·a^-1，效益约1 680.71元·株^-1·a^-1。大树(本研究定义胸径≥30.00 cm的树木)的固碳能力要强于其他树木，数量占全园树木24.54%的大树年固碳量约占全园总量的58.51%，年固碳量达22.89 kg·株^-1·a^-1，是全园树木平均数据的2.38倍。除去胸径大小对固碳量的影响，发现固碳能力较强的树种为樟树、枫杨、广玉兰、垂柳、薄壳山核桃、白栎、麻栎和无患子。

杭州花港观鱼公园植物个体的固碳能力较强，这与公园树木整体分布均匀，群落结构稳定，管理养护科学，各层次植物保持和谐发展密不可分，如此才能收获长期的固碳效益和景观效益。在建设固碳高效的城市森林时，应考虑选择固碳能力较强的树木作为骨干树种，例如樟树、枫杨、广玉兰等，再结合植物配置要求，配置大树以及其他层次植物，形成固碳效益与景观效益俱佳的城市森林。

本研究通过运用目前在生态效益评估领域国际领先的i-Tree软件，针对花港观鱼公园的生态环境和固碳价值做了一次有益的探索与尝试。然而由于模型内的部分参数是基于美国本土的生态环境及价值取向而确定的，因此会对研究结果的准确性产生一定的影响。这体现在树种匹配上，当公园内的树种在Eco的树种数据库中没有对应树种时，通过缺失树种的属性匹配相类似的树种是存在一定误差的。再者，本研究只对公园内的大型乔木或者小乔木进行了相关数据的调查与研究，没有对公园内的灌木以及草本等植物进行数据调查与统计，这对公园固碳效益的评估会有一定的影响；除去植物群落结构以外，杭州花港观鱼公园内存在着一定量的草地以及水体，这些公园内的基本元素构成对于固碳效益应有其相应的价值体现。城市森林的许多属性与特征都会直接影响其结构和功能，本研究考虑其结果由同一软件评估得出，即采用相同的基础数据类型以及算法，故而将杭州花港观鱼公园的固碳量同北美部分地区进行了简单的横向数据比较，旨在提供一定参考，并不能完全反映地区之间城市森林固碳能力差异。总的来说，本研究对杭州花港观鱼公园固碳效益评估的研究还有很多需要改进的地方。希望以此为起点，为今后城市森林固碳效益研究提供一定的参考，更好地服务中国的固碳效益评估研究。