从建设到运营阶段的城市公园净碳平衡分析：以郑州为例的多源数据研究

《Ecological Genetics and Genomics》：Net carbon balance analysis of urban parks from construction to operation: a multi-source data study in Zhengzhou

城市公园在碳中和中的作用及全生命周期碳平衡研究基于郑州8个代表性公园，整合多源遥感数据与LiDAR技术，量化了植被碳汇与建设、运营阶段碳排放的时空差异，发现建设阶段碳排放占比高达74%，平均需9-11年实现净碳平衡，绿化覆盖率与建筑用地比例是关键影响因素。

　　在全球气候变化和碳中和目标日益受到关注的背景下，城市公园作为城市生态系统的重要组成部分，其在碳排放控制和微气候调节方面发挥着不可替代的作用。研究者们发现，尽管城市公园在碳汇功能方面具有显著潜力，但大多数现有研究主要关注其碳吸收能力，而对碳排放的关注相对不足。这导致对城市公园全生命周期内的净碳平衡研究仍显不足。因此，本文通过整合多源数据、主动激光雷达（LiDAR）和实地调查数据，对城市公园的碳吸收与碳排放的时空模式进行量化分析，并模拟其达到净碳平衡的过程。

研究结果表明，城市公园的碳吸收密度呈现出持续上升的趋势，尤其是在后期阶段增长更为显著。大多数公园的碳吸收密度已达到5.61至7.24千克·二氧化碳当量·平方米·年，这显示出城市公园在碳汇方面的强大潜力。然而，在建设阶段，碳排放主要来源于建筑材料的生产和运输，平均达到31.71千克·二氧化碳当量·平方米。其中，74%的碳排放与建筑材料的生产相关。在运营阶段，电力相关的碳排放为2.02千克·二氧化碳当量·平方米·年，而植被维护的碳排放则根据管理强度的变化在0.77至1.04千克·二氧化碳当量·平方米·年之间波动。总体来看，城市公园平均需要9至11年才能实现碳中和，这一过程受到多种因素的影响。

此外，本文还通过Shapley Additive exPlanations（SHAP）分析法评估了不同变量对净碳平衡系数（NCBC）的贡献程度。结果显示，建筑容积率对净碳平衡的影响最为显著，其负向作用意味着较高的建筑密度会降低城市公园的碳中和能力。这些发现不仅为城市公园的低碳设计和管理提供了方法论支持，也揭示了城市绿地在实现碳中和目标中的关键角色。

在方法上，本研究结合了多源遥感数据和LiDAR点云数据，以提高碳吸收估算的精度。LiDAR技术能够穿透密集的植被层，提供高精度的三维植被数据，从而有效减少传统光学指数如NDVI在碳吸收估算中的饱和效应。通过对植被结构和面积的综合分析，研究者能够更准确地评估城市公园的碳吸收能力。同时，本研究还引入了实地调查数据，以补充和验证模型估算结果，确保数据的可靠性。

在碳排放估算方面，本研究采用了生命周期评估（LCA）方法，将碳排放分为建设阶段和运营阶段。建设阶段的碳排放主要来自于建筑材料的生产、运输以及施工机械的使用。其中，建筑材料的生产占据了建设阶段碳排放的主导地位，占总排放量的74%。而运营阶段的碳排放则主要来源于电力使用，包括照明、供暖等设施的能耗，以及植被维护过程中涉及的灌溉、施肥、喷洒农药等操作。研究表明，灌溉在植被维护中的碳排放占比最大，特别是在高强度维护条件下，其排放强度远高于其他维护活动。

本研究还分析了不同维护强度对城市公园碳排放的影响。结果显示，维护强度越高，碳排放也相应增加。例如，在Level 1（高强度）维护条件下，Lvbo Park的碳排放量达到24,769.53吨·二氧化碳当量，而在Level 3（低强度）维护条件下，该公园的碳排放量仅为843.32吨·二氧化碳当量。这表明，合理的维护策略对于降低碳排放具有重要意义。此外，通过SHAP分析，研究者发现，建筑容积率和绿化覆盖率是影响净碳平衡的两个关键变量，它们的负向作用表明，降低建筑密度、增加绿化面积有助于提升城市公园的碳中和能力。

研究还探讨了城市公园在实现碳中和过程中的经济价值。根据不同的碳定价情景，城市公园的碳价值估算为227万美元至1567万美元不等。这不仅反映了城市公园在碳中和方面的生态贡献，也展示了其在城市可持续发展中的经济潜力。此外，城市公园的碳中和能力还受到区域气候条件、植被类型和管理策略的影响。例如，高降雨量、长生长季节和强太阳辐射的地区通常具有更高的碳吸收能力，而高纬度、寒冷干燥的地区则相对较低。因此，城市规划者应结合本地环境条件和管理需求，制定符合实际的低碳维护策略，以提升城市公园的碳中和能力。

研究的局限性在于，目前中国的城市绿地仍处于快速扩展阶段，大多数公园尚未完成其全生命周期，这使得对碳吸收和碳排放的全过程研究受到一定限制。此外，由于缺乏区域性的碳排放因子数据，部分估算结果可能受到区域差异的影响。未来的研究可以进一步扩展样本数量，纳入更多城市和公园类型，以验证和优化当前的研究结论。同时，随着技术的进步，如空中LiDAR、合成孔径雷达（SAR）等大范围感知技术的引入，将有助于提高碳吸收和碳排放研究的精度和覆盖范围。

综上所述，城市公园在碳中和目标的实现中扮演着重要角色。通过合理的规划、建设和维护，城市公园不仅能够有效吸收碳排放，还能通过降低周边建筑的能耗，间接减少城市整体的碳排放。因此，未来的研究应更加注重城市公园全生命周期的碳平衡评估，并结合本地条件，制定科学的低碳策略，以推动城市可持续发展。