2024年10月30日，中国城市规划学会流域空间规划分会第十二期月度交流会成功举办。本次流域月度交流会由武汉大学城市设计学院罗巧灵教授以“城市绿地碳储量的测度方法、空间特征与驱动因素”为题进行分享。学术交流会主持人为南京工业大学陈轶教授，北京大学汪芳教授担任会议的组织召集人。题目：城市绿地碳储量的测度方法、空间特征与驱动因素
在当前全球气候变化的挑战下，城市作为中国实现碳达峰与碳中和目标的主战场，正扮演着至关重要的角色。而城市生态系统，作为城市范围内唯一能够直接增汇和间接减排的空间，其重要性日益凸显。城市绿地中的绿色植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳并固定在植被和土壤中，从而减少大气中二氧化碳浓度，实现了城市绿地的碳汇功能。罗巧灵教授首先分析了研究背景并辨析了相关研究概念。碳储量，是指在某个时间节点内碳库中碳元素储备的量，是碳库多年累积的结果。碳库，即碳的储存库。生态系统碳库一般包括地上的植被、地下的植被根系、植被在生长过程当中枯落物和枯死木排出的二氧化碳与土壤的有机质。在研究过程中，重点考虑的是植被的枝干叶以及地下的根系所储存的炭库。基于研究背景，提出了以下研究问题：首先，城市绿地的碳储量测度与森林的碳储量测度在方法上有何区别，如何精准地测度城市绿地的碳储量？其次，城市化过程中，城市绿地的碳储量与城市化强度之间的相互关系如何？城市化对城市绿地碳储量是否存在积极的间接影响？最后，影响城市绿地碳储存的驱动因素是什么，在不同的城市化强度下，影响城市绿地碳储量的驱动因素之间是否存在差异？基于研究问题，以武汉市建成区及其9KM缓冲区作为研究范围。
目前，国内外对森林碳汇的测度技术方法已相对成熟，包括样地清查法、模型模拟法、遥感估算、微气象以及系数法等多种方法。这些方法为测度其他类型的碳库提供了有益的借鉴。然而，与森林、湿地等自然生态系统相比，城市绿地系统高度破碎，且受到人类活动的显著干扰，这使得城市绿地碳储存评估存在较大的不确定性。此外，现有的碳储存研究大多针对森林或单一植被类型，利用单一的遥感参数或简单的线性模型进行测度，难以获取城市绿地碳储量的精准空间细节。学界在碳储量研究上已取得显著成果，利用遥感、野外观测和专项调查数据，确立了各类土地碳储量的计算方法，如耕地依据作物经济系数和平均含水率计算碳吸收，林地通过不同树种生长方程和生物量确定含碳系数。这些研究为植被碳储量的计算提供了基础，但城市绿地碳储量评估仍存在以下问题：传统城市绿地碳储量评估多依赖实地抽样调查，耗费大量人力、物力，且难以应用于大规模、长时序尺度；与森林、湿地等自然生态系统相比，城市绿地系统高度破碎且受到人类活动的显著干扰，导致城市绿地碳储存评估存在较大不确定性；现有碳储存研究多针对森林或单一植被类型，且通常利用单一遥感参数或简单线性模型对碳储存测度，难以获取城市绿地碳储量精准的空间细节。针对现状存在的问题，项目团队借助实地调研和遥感参数的提取，辅助机器学习方法，创新性地提出了一套较为精准的城市绿地碳储量测度方法。具体而言，研究步骤主要包括绿地识别、布设样方、实地调查、样方解译、提取遥感参数、借助随机森林的方法构建城市绿地碳储量测度模型六个步骤。首先，基于高分辨率的Sentinel-2影像和随机森林分类模型，实现对城市绿地空间的精准识别，为后续分析奠定坚实的基础。其次，通过随机抽样的方式,基于武汉市建成区城市绿地展开网格化布点，初步形成城市绿地植被样方。第三，通过实地调查，精准测度植被样方中的每木信息，包括括乔木层、灌木层。第四，基于实地调查获取的数据，结合生物量模型和含碳系数，逐个获取植被样方的碳储量。第五，基于Sentinel-2影像，计算12种光谱信息和8种植被指数，分别提取植被样方遥感参数。最后，基于随机森林回归模型,拟合植被样方碳储量与遥感参数之间的非线性关系并进行参数优选，构建区域城市绿地碳储量评估模型。研究结果得出，2022年武汉市建成区城市绿地共储存10906 Gg碳（1Gg=109g），绿地碳密度位于0至383Mg C/hm2,平均碳密度23.92Mg C/hm2。城市绿地碳储量具有显著的空间异质性，呈现出由城市核心区向郊区放射式增加的趋势。随着交通环线从一环向环外蔓延，城市绿地碳密度也逐渐增加。![]()
图1 城市绿地碳密度空间分布及其沿环线分析
问题二：城市化强度与城市绿地碳储量的相互关系
在分析完绿地碳储量的测度过程与结果之后，罗巧灵教授从城市扩张的视角探讨了城市化强度与城市绿地碳储量的相互关系。
首先，采用了城市不透水面定义城市化强度。由于我国城市街道路网之间的距离普遍位于500m至700m之间，因此基于Sentinel-2获取的不透水面，获取了落在600mx600m像元内不透水面的面积比以衡量城市化强度。
武汉市建成区内城市化强度呈现出中心高、周边弱的空间格局，城市化强度总体上随着交通环线及对外交通轴线的蔓延而减弱。
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图2 城市化强度空间格局在对城市化强度量化的基础上，罗巧灵教授分析了分离城市化对植被生长的直接和间接影响。城市化对城市植被的碳储存在多重影响。直接影响是城市扩张导致自然表面转化为不透水表面，造成绿地碳损失。间接影响包括城市化带来的气候变化和人类活动变化，可能产生城市热岛效应等现象，进一步影响植被生长，造成城市植被碳储存的变化。罗巧灵教授通过城市化对植被生长的直接影响和间接影响的分离框架，衡量了城市化对植被生长的间接影响。研究发现，随着城市化强度的增加，城市绿地的碳储量呈现持续下降趋势。剥离城市化对城市绿地碳储量的直接消极影响后，发现随着城市化强度的增加，城市化对城市绿地碳储量的间接影响呈现出“V”型的变化趋势，即先减少再增加。城市化不仅对城市绿地碳储存产生直接负面影响，还存在一定的积极间接影响，且普遍存在于0.9以上的城市化强度区间内。原因有以下三点：第一，高强度城市化区域通常意味着更多的建成区和更少的绿色空间，导致植被光合作用过程所需的可用光线变少。为了减少光照限制，植被可能会增加对芽叶的相对生物量分配，从而促进城市绿地碳储量积累。第二，相比于农村区域,城市化引起的局部城市热岛效应也可能会延长城市植被的生长季，从而储存更多的碳。第三，地方政府往往更关注高度发达的城市核心区和建成区的城市植被管理，对生态治理投入更多的资源，从而促进城市绿地碳储存。![]()
图3 城市化强度与绿地碳储量间接影响空间关系分析
在揭示了城市化与城市绿地碳储存的空间相互关系以后，罗巧灵教授进一步分析了城市绿地碳储量的驱动因素与空间差异。基于前人的研究基础，研究从景观和植被的内部因素和外部因素两个方面去选取指标。内部因素包括5种景观指数。基于景观指数的属性和含义，分别从面积、分散性、多样性、形状复杂性和聚合性5个方面表征城市绿地系统内部性状。外部因素包括2种气候变化（气温和降水）和5种人类活动（城市热岛、人口发展、空气污染、经济发展和交通发展）。基于指标体系，研究借助了随机森林回归模型来探讨不同城市化强度下城市绿地碳储量的关键驱动因素的差异和潜在的原因。其中，将城市化的这个强度按1%为界来进行间隔的统计，在此基础之上，将城市化强度分成低城市化、中低、中高和高城市化四个梯度进行探讨。研究结果得出，在整体上，除聚集指数外，城市绿地碳储量与其他11个驱动因素均显著相关(P<0.05)。平均形状指数、景观分离度和香农多样性、气温、降水和距道路距离与城市绿地碳储量正相关，斑块面积百分比、地表温度、人口密度、PM2.5和夜间灯光与城市绿地碳储量负相关，地表温度是最重要的驱动因素，其次是夜间灯光。在不同的城市化强度区间内，12种驱动因素与城市绿地碳储量的相关程度和方向也有所不同。在低(0<β≤0.25)、中低(0.25<β≤0.5)和中高城市化强度(0.5<β≤0.75)内，城市绿地系统内部性状是影响城市绿地碳储量城乡差异的关键驱动因素。在高城市化强度(0.75<β≤1)区间内，人口密度是最重要的驱动因素。![]()
图4 整体梯度上城市绿地碳储量与驱动因素的相关性和特征重要性
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图5 不同城市化强度上城市绿地碳储量与驱动因素的相关性和特征重要性
城市绿地碳储存受到城市绿地系统内部性状（景观结构）和外部环境（气候变化和人类活动）的共同驱动，且具有显著的城乡差异。尽管城市化长期以来都被视为生态退化的主导因素，但高度城市化地区可以且必须被转化为未来城市可持续发展的机遇。通过科学调控影响城市绿地碳储量城乡差异的驱动因素，为提高城市绿地碳储量从而促进城市可持续发展提供了巨大的机会。未来，通过合理调控城市绿地系统内部性状和外部环境多种要素提升城市绿地碳储量、促进城市可持续发展应该引起高度重视，例如提高绿地比例、减少城市绿地破碎化、城少城市化绿地程度、控制经济发展、调控城市人口等策略。
最后，罗巧灵教授以研究的结论与局限作为报告收尾。
罗教授团队对城市绿地碳储量的研究主要有三个方面的贡献。第一，基于高分辨率影像，结合实地调查、遥感技术和机器学习构建城市绿地碳储量测度模型，调查了城市绿地碳储量的空间分布；第二，分离城市化对城市绿地碳储量的直接影响和间接影响，研究城市化强度与城市绿地碳储量的空间关系，揭示了城市化对城市绿地碳储量产生积极间接影响的阈值；第三，量化了城市绿地内部性状和外部环境与城市绿地碳储量之间的相关性和特征重要性，揭示了驱动城市绿地碳储量变化的关键因素及空间差异。
城市绿地的碳储存测度本身是一个复杂的问题，因其涵盖的多样因素及城市绿地本身的复杂性，导致研究过程中面临实验与数据等方面的局限性。未来需要进一步加强数据收集与整合，探索更深入的模型和实验方法，为城市绿地碳汇提升提供更全面的支撑。
武汉大学城市设计学院城乡规划系副主任、教授、博士生导师，美国北卡罗来纳大学教堂山分校博士后，国家注册规划师。兼任中国城市规划学会流域空间规划分会委员、中国系统工程学会生态环境系统工程专业委员会（分会）常务委员。主要研究方向为国土空间生态保护规划与治理、气候适应性规划。主持国家自然科学基金项目5项（面上3项、青年1项、国际合作1项），湖北省社科基金2项，重大生产实践项目30余项，获得湖北省社会科学优秀成果奖二等奖1项，获得省部级以上规划设计、咨询奖励11项。在Cities、RCR、《城市规划》、《城市规划学刊》、《中国园林》等行业权威期刊表论文40余篇。出版学术专著4部。南京工业大学建筑学院教授，区域与总体规划教研室主任。主要研究方向为城市脆弱性与韧性、村镇转型发展与规划、国土空间开发与生态环境治理。主持国家自然科学基金、教育部人文社科、住房与城乡建设部项目等7项国家级、省部级项目。江苏省一流本科课程负责人，南京工业大学教师教学创新大赛特等奖获得者。在《Sustainable Cities and Society》、《Habitat International》、《城市发展研究》等期刊上发表论文50余篇。出版专著1部，参编1部。
本次“流域”月度交流会由中国城市规划学会流域空间规划分会、北京大学建筑与景观设计学院 / 流域人居系统研究中心、流域地方性建成环境山西省重点实验室共同举办，并得到国家自然科学基金重点项目“宜居城乡地方性景观生态规划理论及方法”(编号52130804)的支持。
