城市植被具有重要的生态服务功能(Niemelä et al.，2010; Szulczewska et al.，2014)，包括固碳、调节小气候、涵养水源、保护生物多样性、增强社会凝聚力、缓解居民生活压力、降低长期非偶然死亡率等(Coley et al.，1997; Fuller et al.，2009; Villeneuve et al.，2012)。现在世界上已有超过一半的人口居住在城市或城镇中(Grimm et al.，2008)，这个比例预计在2050年之前将达到70%。随着城市化率的持续升高以及建成区面积快速扩张，城市植被与碳循环等生态学热点问题的关系也更加密切(Ramalho et al.，2012; Jim，2013)。

在全球碳循环研究中，陆地生态系统(尤其是城市区域下垫面)的复杂性以及人类活动的强烈干扰，显著增加了碳循环的不确定性(Svirejeva-Hopkins et al.，2004; Piao et al.，2009; Seto et al.，2012)。城市植被是城市生态系统碳循环中的一个重要贮存库(Churkina et al.，2010; Pickett et al.，2011; Hutaa et al.，2011)。本文综述城市植被碳固存的研究进展，探讨该领域亟待解决的问题，分析未来研究的重点。期望有助于促进对城市植物生态功能的理解并提高对城市植被的管理水平，为城市林业碳汇研究提供参考。

基于Web of Science核心合集数据库，以“carbon”与 “urban forest”、“urban tree”、 “urban vegetation”、 “grass”、 “greenspace”、 “garden”以及 “street tree”等为关键词组合制定检索式，时间跨度为1980—2015年，检索出文献143篇(截止2015年12月22日)。

采用文献索引分析软件HistCite对上述文献进行分析发现该领域研究始于20世纪90年代初期，2009年后研究活跃度增加(图 1)。随着国际社会和科研领域的普遍重视，可预见该领域将有更多研究成果。相关发表文献来自29个国家和地区，其中数量最多的是美国(70篇)，中国位列第二(25篇)，加拿大位列第三(15篇)。有217家科研机构参与该领域研究，发表研究成果数量排前三的机构为美国林务局(US Forest Service，16篇)、美国佛罗里达大学(University of Florida，14篇)和中国科学院(Chinese Academy of Sciences，12篇)。由此可以看出，城市植被碳固存研究区域集中在少数国家和地区，未来需要更广泛的研究，以促进在全球范围内对城市植被碳固存的认知。论文发表作者共有483人，其中成果突出的作者有Escobedo(11篇)、Nowak(9篇)和Gaston(7篇)，他们为该领域的研究做出了积极贡献。研究成果在80个刊物上发表，排在前三的期刊为Landscape and Urban Planning、Urban Forestry & Urban Greening以及Environmental Pollution， 发表数量分别为15，13和8篇，在一定程度上反映了该研究方向主要受城市规划、城市林业与环境领域的重视。

图 1 图 1 以“carbon”与 “urban forest”、“urban tree”、 “urban vegetation”、 “grass”、 “greenspace”、 “garden”和“street tree”等关键词为组合检索的研究论文数量动态(数据来源Web of science) Fig.1 Dynamics of the number of research articles published in journals with the keywords of “carbon”，“urban forest”，“urban tree”，“urban vegetation”，“grass”，“greenspace”，“garden”，and “street tree” etc.(based on data of the Web of Science)

根据LCS(local citation score，本地引用次数)前30的文献研究互引情况分析不同时期最具影响力研究：最早的为1993年发表的城市树木减少大气碳的研究(Nowak，1993)，最有影响力的研究为美国城市树木碳固存研究，该论文的研究方法以及数据为相关研究提供了重要的参考，该论文GCS(globe citation score，总引用次数)为280次，其中LCS为46次(Nowak et al.，2002)。近期关于城市森林生物量、废弃生物量产量与碳储存变化关系的研究较具影响力(Timilsina et al.，2014)。从被引用最多的几篇文献来看，研究热点为城市植被碳固存能力的地域性评估(Nowak et al.，2002; Jo et al.，1995; Davies et al.，2011)以及城市植被减少二氧化碳排放的研究(Nowak，1993; Jo，2000)。

中国的城市植被碳固存研究与国外基本同期。最早的研究是管东生等(1998) 对广州市城市植被碳固存的调查研究。以“碳”和“城市森林”、“城市树木”、“草坪”、“绿地”、“园林”以及“行道树”等关键词组合制定检索策略在CNKI数据库进行主题检索，1980—2015年间共有67篇相关文献，发表数量稳步增加。其中发表该方向文献较多的期刊为中国城市林业、生态学报及生态学杂志；发表相关论文较多的研究机构为北京林业大学、南京林业大学及中南林业科技大学；主要基金项目支持为国家自然科学基金。国内相关研究热点集中在城市植被碳固存地域性评估(管东生等，1998；彭立华等，2007；温家石等，2010)。

地面调查法和遥感估算法是研究城市植被碳固存的主要方法。城市植被碳固存的地面调查法延续了野外森林生态调查的方法体系。该方法通过设立典型样地来调查，尽管该方法需要消耗大量人力物力，但依然是目前该研究方向最常采用的基本方法(Jo，2002; Hutaa et al.，2011; Nowak et al.，2013; Timilsina et al.，2014)。该方法基于收获法构建估测模型来计算碳储存，即收获少部分植物，建立生物量与该植物生长特征参数的回归方程，然后通过方程对其余样方样本进行预测。目前，地面调查法存在的主要问题是城市树木的异速生长回归方程研究十分缺乏。关于野外树木异速生长回归方程已有大量研究，然而城市与野外树木生长上的差异，导致野外树木的异速生长方程并不适合城市树木(温家石等，2010)。此外，基于美国地区地面调查数据开发的计算模型CTCC(the center for urban forest research tree carbon calculator)以及UFORE(urban forest effects model)有待补充多地区数据和进一步优化(Russo et al.，2014)。

利用遥感影像是评估城市植被碳固存的另一主要方法(Imhoff et al.，2000; Kanniah et al.，2014; Pasher et al.，2014; Godwin et al.，2015)。该方法通过结合地面植被生长调查，开展植被的时间序列和空间分布分析，研究生态系统碳固存的状况及其动态，侧重土地利用变化引起的区域碳循环的变化，在空间化研究方面具有显著优势(Raciti et al.，2014)。如对英国莱斯特市、德国莱比锡市以及美国波士顿市的城市植被碳储存的图形化研究，促进了对城市植被碳储存空间格局的认知(Davies et al.，2011; Strohbach et al.，2012; Raciti et al.，2014)。目前，遥感估算法存在的主要问题是城市建成区植被遥感影像的空间分辨率不足(Pasher et al.，2014)，导致估测结果的不确定性较大(周坚华等，2010)。即使可以获得高精度的遥感影像，如通过整合LiDAR(light detection and ranging，即光探测与测量)以及航拍图片提高精度但所花费成本相当高(Godwin et al.，2015)。

城市植被可以直接或间接地减少大气中的碳含量。直接方式为植被生长的碳固存，间接方式为城市植被抵消或者替代化石燃料的使用。

城市植被直接碳固存能力的研究开始于20世纪90年代初期(Nowak，1993)。主要集中在地域性评估(Nowak et al.，2013)。目前，开展城市植被直接碳固存能力评估的国家有中国、韩国、美国、英国、德国以及意大利等(史琰，2013; Jo，2000; Nowak et al.，2013; Davies et al.，2011; Strohbach et al.，2012; Russo et al.，2014) 等。其中Nowak研究组对美国城市植被碳固存的系列研究最具代表性(Nowak et al.，2002; 2013) 。1993年，该研究组根据奥克兰市树木生长等相关数据，对全美城市树木的碳储存进行了估算(Nowak，1993)。此后在前期研究方法和数据积累的基础上，获取美国10个城市的植被覆盖数据(生物量、生长率、死亡率、枯落物比例等)，进一步完善了全美城市植被固碳能力的估算(Nowak et al.，2013)。

目前，中国已进行城市植被碳固存调查和评估的城市有广州、杭州、台州、哈尔滨、沈阳、西安和唐山等(管东生等，1998；吴泽民等，2002；谢军飞等，2007；彭立华等，2007；邹涛等，2009；应天玉等，2009；温家石等，2010；Liu et al.，2012)。基于地面调查方法对分布在中国各主要气候区的43个城市建成区植被的碳固存研究结果表明，各城市建成区植被碳密度为4.95~46.30 tC·hm^-2，平均值为(18.19±9.23) tC·hm^-2；净初级生产力为0.21～4.30 tC·hm^-2a^-1，平均值为(2.13±0.91) tC·hm^-2a^-1(史琰，2013)。与国外研究相比，我国城市植被平均净初级生产力位于韩国3个城市净初级生产力1.6～3.9 tC·hm^-2a^-1的范围内(Jo，2001)，低于美国城市植被的净初级生产力(2.77±0.45) tC·hm^-2 a^-1(Nowak et al.，2013)。

城市植被间接的碳固存途径主要包括减少建筑能耗、降低城市热岛效应、引导绿色交通等(赵彩君等，2010)。城市植被间接产生的减排作用很可能比自身的碳汇作用还要大，1株乔木每年节约能耗带来的碳减排是其本身碳吸收的1～3倍(Akbari，2002)。建筑物周边的植被可以有效降低建筑物的能耗，研究预测美国洛杉矶百万棵树木可减少耗能，并实现减排103 618 t CO₂(McPherson et al.，2015)。根据城市建筑室内外的温差比较研究证实，利用树木的遮荫可构成一个优秀的建筑被动冷却系统来节约能源(Loughner et al.，2012)。独栋建筑在树木遮荫下每月可节约218美元的能源成本(Balogun et al.，2014)。城市植被通过蒸腾作用和遮荫可以降低地面和空气温度形成冷岛，可以减少与城市热岛相关的碳排放。北京城市植被减少热岛效应的降温作用相当于每年减少电厂能源排放 24.3万 t CO₂(Zhang et al.，2014)。机动车是温室气体最大的来源，通过绿色廊道引导非机动车出行可有效减少交通碳排放(赵彩君等，2010)。

城市植被通过上述间接方式为减少城市碳排放做出贡献。在美国亚热带城市迈阿密与盖恩斯维尔开展的研究表明，城市植被对抵消城市碳排放起到了一定程度的作用(Escobedo et al.，2010)。韩国城市植被能够抵消城市区域CO₂释放的0.5%～2.2%(Jo et al.，2000)。杭州城市植被可以抵消城市工业能源使用碳排放的18.6%(Zhao et al.，2010)。对中国35个城市的研究表明，城市植被平均能够抵消城市碳排放的0.3%，范围从呼和浩特市的0.01%到海口的22.5%不等(Chen，2015)。

植物生长是影响城市植被碳固存的主要因素。研究表明，木本植物的碳储量会在树木成熟前随树龄升高而增加，而其固碳速率在幼年时较高，之后随树龄升高而逐渐降低(Nowak et al.，2002; Lawrencea et al.，2012)；植物的死亡将导致碳释放。植物的寿命长短也对城市植被碳固存具有影响，因为，乔木寿命长，其固碳期就相对较长；灌木生长虽然速度快，但碳固定的周期相对较短；草坪虽然固碳效率高、速度快，但在很短时间内又会由于修剪或更替将碳释放(Townsend-Small et al.，2010；包志毅等，2011)。

此外，城市的复杂环境导致出现了2个相反作用来影响植物生长，进而影响城市植被碳固存能力。一方面，城市环境中光照增加、热岛效应、大气氮沉降、CO₂施肥效应等因素促进了植物生长；而另一方面，城市中内涝、空气污染、土壤重金属、盐含量高及土壤通透性差等因素又抑制了植物生长(Gregg et al.，2003；温家石等，2010)。这2个相反的驱动力使得城市植被碳固存能力存在不确定性。

不同的土地利用类型以及其变化也会对植被碳固存产生影响。对杭州常见乔木香樟(Cinnamomum camphora)和二球悬铃木(Platanus acerifolia)的研究表明，香樟的生长速率受城市土地利用类型影响极小，较能适应城市内环境，而悬铃木受土地利用类型影响较大(嵇浩翔等，2011)。城市化带来土地利用类型的转变，进而导致植被碳储存能力的变化(Zhang et al.，2012)。城市扩张将降低区域植被的碳储存，如有关研究表明，城市中心、郊区、野外植被碳储存占区域植被碳储存的比例分别为5%，23%和72%(Ren et al.，2011)。城市化对区域植被碳固存的影响也存在气候区的差异。在湿润地区，城市化可能会减少区域的生产力，对美国东南部区、我国江阴市、深圳市碳吸收变化的遥感影像分析均发现，城市化带来区域生产力下降(Milesi et al.，2003; Xu et al.，2007; Yu et al.，2009)。但在干旱地区，城市化却会提高区域的生产力(Imhoff et al.，2000)。

城市植被的功能实现会部分取决于人类的设计，设计影响城市植被碳固存的要素包括物种选择、植物规格、种植密度、种植区域、覆盖面积、群落结构和设计形式等(Nowak et al.，2002; 包志毅等，2011; Vaughn et al.，2014)。乔木比灌木和草本具有更高的碳储量。台州市建成区植被碳储量研究表明，乔木碳储量约为草坪和灌木植被总碳储量的2倍(温家石等，2010)。寿命长、生长速度中等且成熟时体量大的乔木具有更高的碳固存效应(Nowak et al.，2002)。结合人口密度、空气污染和植被覆盖等因素，增加城市植被可显著减少纽约市的碳排放(Morani et al.，2011)。根据季节和纬度等特征，设计树木与建筑物的距离与方位、树木的大小及种植的种类，可有效降低建筑物能耗(Hwang et al.，2015)。虽然通过设计可以提高城市植被碳固存能力，但是城市植被还需具有多样化的功能，因而进行低碳设计需进行科学严谨的权衡(Pincetl et al.，2013)。

城市植被养护管理措施主要包括灌溉、施肥、防治病虫害、修剪及废弃物处理等，这些措施都会对城市植被固碳能力产生影响。灌溉、施肥、防治病虫害等会改善生物环境和减轻对植物的胁迫，从而促进植物生长(Niinemets et al.，2007; 温家石等，2010)，进而增加城市植被的碳固存(Kaye et al.，2005)。已有研究表明，城市草坪的生产力，即单位面积碳积累量，是当地草地或农田的2倍甚至更多(Golubiewski，2006)。

修剪与城市植被碳固存之间的关系比较复杂。修剪会造成植被生物量减少(Sajdak et al.，2014)，但合理修剪又能促进植物生长。对台州市的研究表明，老枝残叶修剪的比例越高，对乔木生物量年增长的负面影响越小(温家石等，2010)。此外，养护管理中化石燃料的使用，降低了城市植被的净碳汇能力(Nowak et al.，2002)。在城市植被养护管理中，碳释放的主要来源是草坪维护(Jo et al.，1995)，草坪的高固碳率被修剪草坪时使用化石燃料所释放的CO₂所抵消(Townsend et al.，2010; Michael et al.，2012)。

城市植被废弃物(包括修剪物、凋落物以及死亡的植株等)的处置方式也影响其碳固存能力。城市植被废弃物被收集后运到垃圾场填埋，其中约40%左右的碳会被长期固存，而自然生态系统中植被废弃物中的碳一般会在3年甚至更短时间中基本被释放。因此，城市中的凋落物和修剪物比自然生态系统中的凋落物对碳汇的贡献更大(温家石等，2010)。城市林木废弃物可以作为木制品的原料，成为长期有效的碳储存库(MacFarlane，2009)。此外，城市植被废弃物可以用作发电和供热的生物质燃料，从而减少石化燃料的消耗，降低废弃物的处置成本，缓和对野外森林的压力(Shi et al.，2013a)。对城市植被废弃物生产生物能源潜力的研究，为抵消养护管理带来的碳排放提供了可能性(Shi et al.，2013b)。

开展城市植被碳固存的研究，有助于准确评估城市生态系统的碳循环和碳影响，为城市林业低碳建设提供理论支持，有助于提高对城市植被的科学管理水平。目前人们对城市植被碳固存的认识远远落后于天然植被。另外，与天然植被相比，城市植被受到更为强烈的人为活动影响，这也决定了其研究的复杂性。今后城市植被碳固存的研究应在以下几方面进一步加强：

1) 发展更有效的研究手段和估算方法。已有的数据因为调查和计算方法的差异难以进行整合利用，成为该研究方向进一步深入的瓶颈。制定标准统一的方法，才能避免人力物力的极大浪费，并增加研究工作的可比性。

2) 伴随着城市幼龄植被的成熟，这些植被将成为城市中一个不容忽视的碳汇。未来可考虑将当前森林清查的规程引入城市植被调查，加强对城市植被碳库的长期动态监测。

3) 系统研究城市植被对区域碳固存的贡献，揭示城市植被在各种气候下的碳固存潜力，及其与时空尺度、城市化程度及土地利用方式等因素的联系。

4) 进一步研究城市植被废弃物生产生物能源替代化石燃料减排的可行性和潜力，为提升城市植被生态功能，丰富城市减排的研究理论提供参考。

5) 生命周期评估法考虑了苗木生产、运输、种植、养护，直至死亡的全过程，为城市植被碳固存研究提供了新的研究思路和视角(Smetana et al.，2014)。未来可通过建立详细和完整的城市植被碳吸存生命周期数据库，来探究不同的设计和养护管理方式对城市植被碳固存的影响。研究和解决这一问题将提升人类对调控生态系统影响的认知，为营造可持续发展的低碳城市植物景观提供理论支持。