基于城市碳氧均衡的绿地生态效应评估机制研究——以株洲市为例-杨帆.pdf
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1、生态经济第32卷第10期(2016年10月) Ecological Economy,V0132,No10(October 2016)基于城市碳氧均衡的绿地生态效应评估机制研究 以株洲市为例杨帆1,2,刘海龙2,尹芳1,陶蕴哲(1中南大学建筑艺术学院,湖南长沙410000;2清华大学建筑学院,北京100084)摘要:城镇化过程中城市交通、建筑、生活、产业发展产生的排碳耗氧与自然汇碳释氧严重失衡:而城市绿地建设是构建城市生态必不可少的环节,其发挥的主要作用是固碳释氧;对于城市承载碳氧失衡效应所需的绿地面积大小和城市绿地系统的生态的综合评价,现业内缺乏科学的量化指标体系及评估机制研究。文章将株洲市作
2、为研究目标,这是由于株洲市具有综合配套改革试验区的地位及相关条件,研究使用数据解译、实地调查评估、数学建模预测等方法获取和处理株洲市区的现状绿地基础数据,并基于碳氧平衡方法建立绿地生态功能评价体系,得出20102014年株洲市城区汇碳数据及生态绿地缺口数据。研究结果表明株洲市绿地生态功能评价综合指数在2叭3年达到了2类标准,但是仍存在面积、结构和分布上的缺陷。文章根据基于碳氧平衡的城市绿地生态效应评价机制研究提出评价指数及生态绿地建设对策,探索株洲城市绿地碳氧平衡生态发展优化模式。关键词:碳氧平衡;绿地;生态评价机制;株洲中图分类号:TU985 文献标识码:A 文章编号:16714407(20
3、16)1014506Ecological Assessment Mechanism of Green Space Based on Carbon Dioxide and Oxygen Balance:A Case Study in Zhuzhou CityYANG Fanl一,LIU Hailon92,YIN Fan91,TAO Yunzhel(1School ofArchitecture and Art,Central South UniversitY,Changsha Hunan 410000,China;2School ofArchitecture,Tsinghua University
4、,Beijing 100084,China)Abstract:There exists a seriOBS imbalance in the emissions of O,and CO,due to the Urban traffiC,construction,actionsof daily life and industry with that from natural events in the process of urbanizationAs the necessary part of urbanecosystemurban green space system iS benefici
5、al to carbon fixation and oxygen releaseBut there iS a 1ack of researchesfor establishing the quantitative evaluation mechanisms of the area needed to bear the Carbon and oxygen imbalance andecological function of green spaceAs one of the National Synthetically Reform Testing DistrictsZhuzhou City i
6、s chosenfor the research object of this paperWe analyze the data got from Hunan Provincial Statistical Yearbook with the methodsof data interpretationobtain the lack amount of carbon and green space of Zhuzhou from 20 l 0 to 20 1 4 finallyThe researchresults showed that ZhuzhouS ecological function
7、evaluation index of green space has reached class 2 standard in 2013but also the imperfections in sizestructure and distributionThis paper introduced the method of green space constructionbased on the proposed evaluation index,and explored the optimized mode of development of carbon dioxide and oxyg
8、enbalance in urban green space system for ZhuzhouKey words:C02-02 balance;green;ecological evaluation mechanisms;Zhuzhou City现阶段,二氧化碳排放量过多已经成为限制人类可持续发展的重要难题,而其中接近八成的二氧化碳都产生于人类聚居区。2001年,学者Luck在大量研究之后指出,美国排名前20位的城市所排放的二氧化碳数量已经超出全美生态系统能够处理的上限,城市生态系统的研究逐步成为人们研究的重点。2012年我国主要城市的低碳化发展指数进行测度与研究表明:低碳指数最好的城市二
9、氧化碳的排放量也远高于西方标准(最高达5倍之现有城市化进程面临严重的资源与环境约束,随着城镇居民数量的不断上涨,很多大中型城市不得不占用森林绿地等来开发房产,使得城市大多数植被、农田等都受到了严重的破坏,虽然一些城市已经认识到这一问题的严重,并开始种植人工草地来进行弥补,但是都收效甚微。城市绿地是城市生态系统当中人与自然沟通的桥梁,也是生态系统当中其他动物赖以生存的重要区域,它不仅可以改善人类的居住环境,也可以净化城市的空气质量,多)。中国城市的高碳指数发展加大了国际碳减排压力, 对城市生态系统的维护起到了不可估量的作用。本文试基金项目:国家自然科学基金面上项目“基于景观水文理论的我国城市雨洪
10、管理型绿地景观设计方法研究”(51478233)作者简介:杨帆(1982),女,湖南岳阳人,博士,讲师,湖南大学建筑学清华大学风景园林博士后,研究方向为生态经济。145万方数据生态经济第32卷第10期(2016年10N) Ecological Economy,V0132,No1 0(October 20 1 6)图通过对碳氧收支为研究的切入点来对城市生态系统的优化进行研究,并结合社会日常当中主要的二氧化碳排放与氧气消耗等行为,来构建合理的碳氧收支模型,以期改善人们的城市生态环境。1背景分析11我国城市生态环境存在的问题概括来讲,我国城市生态系统当中存在的问题有如下几种:第一,空气污染。我国绝大
11、多数城市的空气当中,二氧化碳、PM:,以及二氧化硫等有害物质的含量都严重超标;第二,水污染。在我国的河流当中几乎有超过13的已受到污染,而湖泊、沿海水域等也都受到了不同程度的污染,这严重损害了城市生态系统;第三,固体废弃物污染。在我国很多城市当中都不同程度的存在垃圾围城现象,越来越多的固体废弃物难以处理:第四,噪声污染。我国很多城市都存在噪声污染,严重干扰了城市居民的生活;第五,生态系统受到破坏。我国绝大多数城市的生态系统都己经受到严重破坏,甚至只要稍微破坏就会造成难以估量的损失。在一项调查当中对我国100个大中城市进行研究,结果显示,只有哈尔滨、衡阳等四个城市生态承载力达标,即低于122这一
12、均值,而剩余的城市均没有达标,而北京、天津等城市的生态承载力指标甚至超过均值20。所以,在我国城市化步伐不断加快、居民需求不断调整、以及工业快速进步的今天,城市生态问题的处理已经成为当务之急,这一方面会影响到城市的可持续发展,另一方面还会对城市经济提升产生影响。国内外目前对评价城市生态环境的研究较多,常用的评价指标体系分别从功能性的、结构性的、量化性等进行评估(表1)。表l国内外各权威机构生态指标体系构建列表编号 指标体系 制定机构1 1999年健康城市指标 t廿界甲年绢织2 2l世纪可持续发展指标 联合国3 全球城市指标 科尔尼公司4 环境与可持续发展指标 世界银行5 欧洲绿色城市指数 经济
13、学人6 亚洲开发银行城市指数 亚洲开发银行7 全国绿化模范城市指标 全国绿化委员会8 可持续城市指标体系 中国科学院9 国家生态园林城市标准 住建部10 宜居城市科学评价标准 住建部1l 国家生态园林城市标准 住建部12 生态县、生态市、生态省建设指标 环境保护部12城市病的起因与影响据有关专家预测,到2025年,中国的总体城市化率很有可能会上升至55。而在城市发展的过程中,资源、环境、以及粮食等问题将会不断出现,这些无一不与城市生态环境的恶化息息相关。国内的相关专家普遍认为,不科学的城市空间规划和土地资源利用造成我国的城市空间结构没有达到最优化程度,这也就直接导致了城市病的产生。究其根本,还
14、是城市资源和环境的承载力没有实现同城市化规模的协同发展(表2)。在今后的20年中,我国的城市化将步入空前的发展时期,城市土地的使用将会更加紧张,由于土地使用而带来的生态系统破坏问题势必会越来越严重。表2城市病症状的呈现对象 城市病症状城市生态恶化,绿化面积少,绿化敏感带及生态修复等问生态题突出环境 大气污染,水源污染,热岛效应极端气候肆虐资源 人地矛盾突出,住房拥挤,资源短缺能源 能源匮乏,能源消耗弹性系数高交通 燹通jlj堵,事故频芨,噪声行粱严重基础设施 防灾体系不健全,城市防涝问题突出,给排水设施落后人口 入口密集呈无序状态,收入两极分化,居民健康水平下降经济 经济粗放型增长,工业污染重
15、,第三产业发展落后,科技对经济的影响力度偏弱城市管理 投入资金不足,管理缺乏整体统筹,治理力度不够技术手段 高科技含量低,三废综合处理率低公共安全 公共安全信心值低,市民安全感缺乏13城市绿地系统与碳氧平衡关系相关统计显示,截至2015年年底我国城镇绿地面积共计1908万公顷,而人均公园面积是126 m2,城市建成区当中绿化率仅仅达到397个百分点,绿地率则只有358个百分点。出现绿地率低这一现象充分说明我国城市生态环境己经出现了严重失衡的局面,有学者指出,城市绿化率只有达到50的时候才能维持城市正常的生态需求。我国城市发展主要承受着来自环境和经济以及社会这三个方面的压力,必须需要通过转型的手
16、段来解决这一问题。在城市生态格局当中,必须预留足够的生态绿地来确保城市正常的生态需求,并确保人类释放的二氧化碳等气体得到及时吸收。城市绿地可以说是城市区域内难得的“氧源”以及自然“碳汇”基地,它的作用是不可替代的,因为它不仅仅能够固碳释氧和降低城市热岛效应,还可以很好地降低建筑能耗并引导绿色交通。并且不同的绿地结构会产生不同程度的生态效益。14国内外研究与可行性分析就目前的文献来看,国内外学者已经针对碳氧平衡做出了多项研究,概括来讲,这些研究可以分为两类:一类是碳循环方面的研究;一类是碳足迹方面的研究,其中前者主要研究的是区域绿地破坏情况,如Pacala就对全美生态系统对二氧化碳的处理能力进行
17、计算。后者的研究重点则主要集中于城市生态系统,如Hughes就对城镇居民二氧化碳的排放情况进行估计。在以人类为核心的城市生态当中,碳氧收支开始和正常的生态系统之间出现较大偏差,现阶段学者们在碳氧收支、碳氧平衡等方面的研究很少,而今后的几十年正是我国城镇化步伐空前发展的时期,所以对碳氧平衡、碳氧收支等方卖弄的研究显示非常有必要,146万方数据生态经济第32卷第lO期(2016年10月) Ecological Economy,V0132,No1 0(October 20 1 6)这是确保我国城镇化步伐稳定发展的重要理论支撑。国内外近年来对绿地的生态性评价主要从城市化与碳排放、绿地生产力和生态固碳减
18、排释氧效应、城市绿地斑块的破碎化格局评价分析、源汇理论的城市热岛遥感分析、碳排放强度影响因素及减排对策等方面进行研究,并且已经取得了丰硕的成果。城市绿地生态效益评价研究,包括与之相关的城市绿地系统规划编制问题越来越成为现今专家们热议的重点内容。将碳氧收支计算方法运用为评估城市绿地建设量的重要手段。在实际计算的时候,将难以替换、难以交易,以及稀缺性等因素作为调节测算的重要指标,然后在操作层对绿地生态的实际需求情况进行估算与量化。并将其方法应用于本文案例株洲城市绿地建设。除此以外,从国内外城市绿地效益的研究结果可以得知,如果绿化覆盖率小于4060,那么绿地的形状大小和内部结构以及相应的空间分布方面
19、就更加重要。因此可在碳氧平衡模型的基础上采用绿地生态效益评价模式,从集约生态绿地建设、绿地功能完善等角度对城市绿地调控机制进行分析研究。2研究方法21技术支持本文重点研究城市绿地的生态固碳释氧与碳排放的平衡关系,简化碳排放、碳汇的计算工作,构建碳氧平衡模型,为城市绿地规划提供了具体的实践方案,通过对绿地系统进行优化配置,进一步的扩大城市绿地面积,最终形成人们喜爱的生态城市。22技术路线221城市生态系统碳氧平衡计算研究方法框架如图1所示。在实际计算的时候第一步要确定的是生态用地量,即从宏观上确定实际生态用地,计算中要先确定现阶段实际用地量,然后结合碳氧平衡理论展开计算。图1研究方法框架在释碳耗
20、氧方面,人类所产生的主要耗氧行为有:化石原料焚烧、土地过度开发、制造水泥、人类呼吸等,其对应的释碳量Dc和耗氧量DD指标按照如下公式计算:Dc=Cc+CM+Cp;Do=0c+Op (1)在固碳释氧方面,绿地生态系统不仅可以消耗二氧化碳,还可以为人类提供更多的氧气,结合生物量法可以对这一过程当中的固碳量&和释氧量品按照如下公式计算:Sc=口A,bi;So=pZAi岛 (2)i=1 f-l式中,f是土地类型;A。表示第i种土地类型面积;b;表示的是i中存在的生物物种个数;吐表示的是生物的固碳能力(系数);口表示的是每一单位生物的释氧能力(系数)。随后,需要对区域生态当中的实际释碳耗氧与固碳释氧的差
21、别进行确定,然后计算出区域实际需要的生态用地皿的最小值口】,具体计算方式是:EL。=(OcS。)(口6);EL0=(DoS。)(彪) (3)以上公式所求最大值即为可支持城市碳氧平衡效应的城市生态绿地基本参照指标值,即max(EL。,ELo)。在人类社会活动会产生燃料的燃烧过程中,其排放的二氧化碳最后基本上为覆盖的大气、生态系统等吸收,所以可以将上述公式进行改进:ELc=(2Dc3一Sc)(a 6j);ELo=(2Dc3一So)(包) (4)222城市绿地碳氧平衡计算(1)碳释放量和耗氧量估算。前文已经提到,生态系统的固碳释氧情况能够使用生物量方式进行计算。固碳的计算方式是绿地生物量与对应的含碳
22、量相乘;释氧的计算方式是CO:+H20=CH:0+0:具体计算过程不再赘述。碳释放量的计算公式如下:燃煤的碳释放量(ta)=耗煤量0982073257燃油的碳释放量(ta)=耗煤量0982073 2570813燃气的碳释放量(ta)=耗煤量0982073 2570561 (5)公式(5)中,0982、073 257、0813、0561四个指标分别指代:氧化系数、生物碳含量、石油与煤的二氧化碳释放比、天然气与煤的二氧化碳释放比。人口呼吸的碳释量(ta)=人口总数(人)X0079(ta)其中,0079表示每人每年呼吸所释放的碳。土壤呼吸的碳释放量fta)=每种植被的面积相应植被的土壤平均呼吸速率
23、(6)其中,森林的土壤平均呼吸率为647 t(hm 2a);疏林和灌木林是567 t(hm 2a);耕地是544 t(hm 2a)。城市耗氧计算公式如下p】:燃煤的耗氧量(ta)=耗煤量(ta)321208燃油的耗氧量(ta)=耗油量(ta)247147万方数据生态经济第32卷第10期(2016年lO月) Ecological Economy,V0132,No10(October 2016)人口呼吸的耗氧量(ta)=耗气量(ta)16044土壤呼吸的耗氧量(ta)=土壤呼吸的碳释放量(ta)2667生物化学耗氧量(“a)=人口总数(人)0004365天人口总数00146 (7)随着时代的发展,
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