基于面積系數法的鄉村景觀碳模型建構及測度研究
——以直山村為例

李 哲 袁福甜 王立亞 周 正

1 背景

“雙碳”戰略及其實施已經成為鄉村振興導向下鄉村景觀環境高質量發展的重要工作內容之一。助力鄉村綠色低碳發展，提升鄉村景觀資源固碳增效水平，持續鞏固和增強景觀環境碳中和效能成為當前鄉村景觀提質增效研究及其實踐應用的重點[1]。景觀是由相互作用的景觀元素及生態系統以一定規律組成的、具有高度空間異質性的區域[2]。與之對應，鄉村景觀是在鄉村地理范圍內，由不同土地單元組成的，且相互聯系、協調統一的復合鑲嵌體，兼具生態、生產和生活多重功能[3]，在直接增匯、間接減排方面發揮著重要作用，是人居環境碳中和的重要載體。近年來，鄉村基礎設施建設、產業結構升級、居民生活方式轉變等高能耗行為加大了對鄉村景觀碳匯資源的利用強度。在相關專業碳測度技術急速拓展的同時，亟須發展符合風景園林專業特征的精細化、定量化分析方法與技術，助力鄉村景觀碳源、碳匯精準識別、關聯分析與量化管控，從減排、增匯兩方面協同發力，提升鄉村景觀碳中和研究方法與分析能力。

針對當前鄉村景觀碳效能研究中普遍存在的客觀要素系統性分析不足、定量標準針對性不強、技術手段有待優化、低碳運維策略粗放等現實問題，面向鄉村景觀規劃設計與精細化管控的客觀需求，聚焦鄉村景觀要素及其地理信息，從科學剖析與合理應用角度聚焦景觀要素碳排行為與碳匯作用，利用面積系數法原理與相關算法協同構建鄉村景觀碳模型，通過碳量測度實現鄉村景觀碳源、碳匯的共時性分析與數字化制圖，凝練形成匯集鄉村生產、生活與生態空間的關聯分析方法，研發碳源、碳匯同平臺解析技術，有助于深化鄉村“雙碳”研究，為鄉村景觀更新規劃與提質增效提供數字模型與技術途徑。

2 鄉村景觀碳源碳匯研究概述

2.1 鄉村景觀低碳研究進展

“低碳”包含著低碳排和高碳匯的雙重意義。低碳鄉村研究始于低碳農業、低碳經濟等專業領域，研究理論以生態文明與可持續發展理論為指引，集合新陳代謝、碳循環、碳足跡等相關低碳理論日益發展[4]。相關研究從能源效率和能源結構視角鍥入鄉村碳排放現實問題的同時，圍繞鄉村空間布局與發展規劃，以及鄉村環境中建設活動、交通運輸、能源供給等領域的碳排放機制及其影響效果[5]、低碳情景模擬推演[6-7]、低碳控制單元營建體系[8]，乃至景觀規劃設計[9]等議題開展探索?，F有成果以鄉村減碳為價值導向，通過控制空間形態、減少能源消耗等方法促進鄉村碳匯效能提升，總結歸納鄉村人居環境營建的優化方法。同時，鄉村景觀增匯研究相繼從生態系統服務功能[10]、綠色基礎設施[11]、碳匯績效評價[12]、碳匯植物配置[13]等多方面開展，通過分析鄉村碳循環與生態系統的相互作用，逐步凝練低碳規劃設計策略、鄉村景觀低碳價值多源評價方法等，為鄉村景觀環境保護、固碳效能提升提供客觀依據。

鄉村景觀低碳研究逐步從宏觀、具象走向系統、抽象，從關注鄉村產業空間、經濟生產推演至景觀資源與類型要素，催生了鄉村景觀碳效能與生產、生活、生態空間的協同研判，相關研究為鄉村景觀碳模型研究機制及其算法集成提供了立論基礎與技術積淀。與此同時，現今低碳目標下鄉村景觀規劃設計重點集中于宏觀分析、結構調整與總結歸納層面，針對鄉村景觀實際建設中可觀測、可度量景觀要素的碳源碳匯解析機制仍需完善，相關數據分析運用的基礎模型及相應技術仍待發展。

2.2 碳量測度及其制圖研究進展

碳量測度包括多種碳源與碳匯的量化方法。其中，碳源量化方法多見于大尺度區域等宏觀建成環境碳排放研究中，既有研究通過建立研究區域碳排放清單，將建筑、交通和產業作為主要碳源分析要素，采用能源活動數據進行碳排放統計[14-15]；也有學者運用新陳代謝理論，對包括人口在內的建筑、交通、植被等要素疊加開展城市碳循環模型研究[16]。碳匯量化方法則日趨多樣，以滿足城鄉環境、自然環境框架內多尺度、多環境約束條件的碳匯計量需求。如以遙感影像為基礎，結合平均生物量法、激光雷達數據進行碳量測度[17-19]；采用i-tree或NTBC模型測算法[20-21]、同化量法[22]等方法對樣地碳匯量進行數據采集與分析評估等。相關研究多側重于目標要素碳量數據的統計分析，技術約束性較強，為景觀要素碳匯聯立奠定分析基礎。

在碳量測度基礎上，形成系統的景觀要素制圖表達模式是風景園林碳空間特征描述，以及低碳規劃設計與管控的專業特色與現實需求。相關碳量制圖多見于城市綠地研究領域，依托遙感影像數據進行測度與數據可視化轉化[23-24]；碳源制圖多以土地利用為制圖基礎，延伸發展形成空間分配法、方格網法、空間圖譜等多種圖示解析方法，對城區尺度[25-26]、鄉村尺度[27]下碳排放時空特征進行制圖表達。相關研究將數字化制圖技術與碳源碳匯量化研究有效結合，為基于面積系數法的鄉村景觀碳模型研究指明方向。立足現有研究基礎，系統集成鄉村景觀要素，實現碳量測度及其數字生形，量化剖析鄉村景觀碳空間具有研究的必要性；針對鄉村景觀要素的碳圖譜制圖與碳源、碳匯量的同平臺、可視化轉化響應了當前實踐的需求導向。

3 基于面積系數法的鄉村景觀碳模型建構

3.1 鄉村景觀碳模型建構基礎

誠然，鄉村景觀是典型的“三生空間”景觀表征模式，是以農業發展為基礎的、具有空間異質特征的結構性、功能性景觀環境[28]。就當代鄉村而言，國土空間利用是決定景觀空間結構特征、制約景觀功能差異及其動態演進的核心因素。在此基礎上形成的鄉村生產空間則演進至涉及農業和其他基礎產業(如工礦)的功能性空間；生活空間是提供鄉村生活居住、休閑游憩等需求的人性化空間；生態空間則是具有生態服務、生態功能的自然化空間。鄉村碳循環過程受“三生空間”協同演化的影響[29]，其中生產、生活空間既是能源消耗、產生二氧化碳的主要載體，同時農業生產與自然生態系統吸收二氧化碳并將其儲存轉化為有機物，“三生”空間共同參與碳循環過程，成為鄉村碳中和的直接途徑。因此，作為具有“三生”空間特征的鄉村景觀可以抽象分解、還原為一系列異質同構的“碳源-碳匯”地理單元加以剖析?；凇叭毕到y的景觀要素劃分能夠有效形成鄉村景觀碳效能的地物對應，對于風景園林視角下鄉村“兩碳”問題研究具有明顯的針對性與操作性。

土地面積是景觀功能物質量和價值量評估的重要基數，面積系數法是基于鄉村碳循環過程，通過算法集成景觀要素碳排與碳匯效能，同時將景觀要素轉化為具有雙碳屬性的土地面積，繼而進行碳量空間測量與分析調控的研究方法。建立相應的碳模型、依托GIS平臺進行數據空間定位與圖學轉化，是實現碳量測度向風景園林專業應用轉化的關鍵環節。相關研究如基于土地斑塊點線面(P-L-A)分類分配方法進行的碳排放矢量地圖研究[25]；基于土地屬性建立的碳源參數化評估模型[7]；基于鄉村產住元胞進行碳圖譜構建等[30]。既有研究表明，基于土地面積進行碳量定位測度具有良好的實操性，面積系數法能夠將碳效能解析由土地利用類型推進到景觀要素地理單元層面，將碳量測度落實到風景園林領域可觀、可控范圍，有助于形成適合風景園林研究的數字化碳模型及測度機制(圖1)。

圖1 基于面積系數法的鄉村景觀碳模型研究技術框架

1)鄉村景觀要素識別與分類。以鄉村地理邊界為研究范圍，利用高分辨率航空影像與實測數據進行景觀要素識別與定位；依托ArcGIS平臺將識別結果轉化為矢量數據，建立景觀要素SHP圖形數據庫；基于空間屬性研判將鄉村景觀要素進行系統分類，為后續研究提供碳源碳匯分析體系與基礎數據。

2)碳源碳匯因子確定。研究確定鄉村景觀要素的碳源歸屬與碳匯范圍，確定碳源碳匯因子。根據我國鄉村建設現狀，以特色代表性、要素關聯性、可操作性、便于聚類量化的原則建立鄉村景觀碳源碳匯清單。

3)鄉村景觀碳模型建構。集成景觀要素碳源碳匯因子指標及其算法，建立碳源碳匯因子數據庫，以面積系數法進行景觀要素碳量聯立計算；分級調控景觀樣本土地面積與碳源碳匯系數，對分類碳量進行空間定位，實現碳模型設計定型。

4)碳模型制圖與碳量測度。結合景觀要素SHP圖形數據，建立碳量數據庫，依托ArcGIS符號化規則實現碳量矢量制圖與可視化表達。研究確立制圖邏輯，進行碳量制圖、特征分析及碳中和能力研判，形成鄉村景觀碳中和評價與優化提升建議。

3.2 鄉村景觀要素識別與分類

基于鄉村地理空間特征，關注景觀的屬性與類型，對鄉村生產、生活、生態空間范圍內的景觀要素進行識別與分類。采用景觀功能形態主導的分類方法，以土地利用與地物覆被為參照因子細分鄉村景觀要素類型；識別邊界以影像數據與實測數據共同界定。其中，生產性景觀包括耕地、園地、農業設施和工業設施等，生活性景觀包括建筑、庭院、公共綠地、道路和市政設施等，生態性景觀包括林地、草地和水域等。在此基礎上以景觀要素的主導功能與屬性差異為依據進行二級類型劃分，如種植不同作物的耕地、不同屬性的建筑、不同植被類型的林草地等。以此細化人為活動影響下的景觀功能和形態位置，為GIS錄入、SHP數據轉化提供碳模型二維矢量數據。

3.3 鄉村景觀要素的碳源碳匯因子確定

相關研究表明[31]，鄉村景觀碳源歸屬主要依據研究范圍內的碳源對象確定，即源頭與活動都在地理邊界內的碳排放行為與源頭在邊界外而活動在邊界內的碳排放行為，主要涵蓋農工業生產、能源消耗、建筑、交通、廢棄物處理5個方面。鄉村碳匯則主要指綠地碳匯[23]，包括鄉村農作物與綠地植物所固定、積累的凈碳量；鄉村綠地范圍內的土壤以有機和無機形式儲存碳而形成的土壤碳庫；鄉村水域(包括水庫、坑塘、沼澤、濕地等)通過水生動植物、溶解過程等形成的碳庫。

結合我國鄉村建設現狀，對照IPCC排放源清單[32]，針對“三生空間”框架下鄉村景觀不同類型要素，對照遴選并研究確定景觀要素碳源碳匯因子，核定其活動水平指標，匯總形成鄉村景觀碳源碳匯清單(表1)。

表1 鄉村景觀碳源碳匯清單與計算公式

3.4 基于面積系數法的碳模型建構

景觀要素的分類碳量計算是基于土地面積進行空間分配的前提與基礎。經相關算法比較分析[21，24，33-35]，鄉村景觀碳源計算采用“能源消費式”的IPCC排放因子法；碳匯計算則需根據不同景觀要素，采用適配的計算方法并進行數據標準化處理。例如，建筑碳匯采用基于建筑容量的碳匯計算方法；農作物碳匯采用農作物全生育期指標統計計算；綠地碳匯采用基于NTBC(National Tree Benefit Calculator)模型的樣地清查法進行聚類統計；土壤碳匯主要根據植被覆蓋區域的土壤固碳速率來計算土壤年固碳量。

此外，考慮到鄉村地形起伏，在計算景觀要素用地面積，尤其是生產、生態景觀所占面積時必須結合地形因素，研究采用三維空間法進行景觀土地面積計算(公式1)。經基礎碳量計算后，以景觀要素土地面積獲取碳源碳匯系數。其中，碳源系數、碳匯系數與每個景觀要素單元面積的乘積即為此景觀要素單元的碳源量與碳匯量(公式2)。集成上述流程并封裝算法，加載至ArcGIS平臺SHP圖形文件，建立鄉村景觀碳模型。

式中，S'為景觀要素三維表面積；S為景觀要素的二維面積；θ為地形坡度值；E為景觀要素單元碳量；λ為碳系數；C為景觀要素基礎碳量；i為碳源類型；j為碳匯類型。

3.5 碳模型制圖與碳量測度

將鄉村景觀碳源碳匯量化分析結果進行數字化地圖表達，能夠直觀展現碳源碳匯的分布特征及其耦合情況，為鄉村景觀“兩碳”剖析，及至規劃設計、建設管控、數字運維提供可視化分析載體與操作平臺。依托ArcGIS平臺對鄉村景觀碳模型進行制圖，根據鄉村景觀要素識別結果在Arcmap中繪制矢量地圖，進行數字化分層；在此基礎上，采用幾何邏輯運算建立碳量數據庫，圖層屬性表包括坡度、面積、碳源與碳匯系數、碳源與碳匯量等屬性；以CAD高程DEM數據繪制坡度圖，采用字段表達式錄入對應土地面積數據；將碳模型運算得出的碳源碳匯系數導入數據庫，獲得各景觀要素土地單元的碳源量、碳匯量及碳中和量。將碳數據庫加載至Arcscene，建立符號化規則，逐步實現二維平面數據到三維立體數據的量化關聯與數字生形。

對鄉村景觀碳排放、碳吸收量與兩者差值進行測度評估(以年為單位)。通過比較不同景觀要素矢量地圖中的平面面積、高度與體積數據，可進一步分析鄉村景觀碳源、碳匯的空間特征，并對各景觀要素的碳源強度、碳匯能力及整體景觀空間碳中和能力進行分析研判。

4 鄉村景觀碳模型測度研究——以直山村為例

4.1 研究對象與數據獲取

直山村位于南京市江寧區朱門社區，村域面積46hm2。該村作為江南丘陵山水田園鄉村典型樣本，茶山、竹林環繞，農田、水塘密布，風景優美，景觀資源豐富。

研究基礎數據包括影像數據、CAD圖紙數據及實地勘查數據。影像數據包括遙感影像與航拍影像數據，航拍影像為無人機掃描村落平面并通過Pix4Dmapper合成高分辨率的平面影像數據；CAD圖紙數據是具有高程、坡度等信息的平面數據，2種數據相互補充，共同作為鄉村景觀要素識別與分類的基礎數據。實地勘探數據則包含村委會行政數據與農戶調查數據，以及農業景觀類型、品種，植被覆蓋與綠地分布等相關數據。

4.2 研究過程

對直山村范圍內景觀要素進行識別與分類?；谟跋衽cCAD數據，增補實測調研信息，采用影像分類結合目視解譯的方法進行景觀要素識別，并實地勘察校對，確保識別精度。景觀要素經識別后，按鄉村景觀碳源、碳匯清單進行歸納，共計識別出水稻田、麥田等7種生產景觀類型，居住建筑、庭院等8種生活景觀類型，毛竹林、針闊混交林等5種生態景觀類型，在ArcGIS平臺上聚類建立景觀要素SHP圖形數據庫(圖2)。

圖2 直山村景觀要素圖

對照現場探勘結果與試驗提取數據，對各景觀要素碳源碳匯因子指標進行樣地調研與實測修正。依據面積系數法集成相關算法，結合行政統計、實地訪談獲取的活動水平指標，對識別出的20種景觀要素進行分類碳量計算與面積統計，基于地理分布將碳量數據進行空間定位，對各景觀要素土地單元的碳源量與碳匯量進行空間關聯，將其碳數據庫一并導入Arcscene，并以自然斷點法將碳量數據分為低、中、高三級，生成直山村景觀碳源圖(圖3)、碳匯圖(圖4)和碳中和圖(圖5)。

圖3 直山村景觀碳源圖

圖4 直山村景觀碳匯圖

圖5 直山村景觀碳中和圖

4.3 直山村景觀碳量測度結果分析

制圖表明，各景觀單元碳量呈現三維柱狀毗鄰分布，其柱體高度反映碳源碳匯系數，體積則能反映碳源碳匯數量，直觀呈現了景觀要素碳源碳匯的強度差異與空間分布，有助于從空間分布角度分析各類景觀要素的占地面積、碳系數與實際碳量。實際應用中，可將規劃建設對應空間調整錄入碳模型進行輸出，其圖紙比較可為鄉村景觀規劃設計與精細管控提供分析載體。

1)從碳源角度看(圖6)，直山村景觀要素碳源總量為171 945kg，各要素碳源量呈現從中間向四周遞減的趨勢。高碳源量的景觀要素依次為居住建筑、菜地、茶園，碳源影響度分別為34.0%、26.9%、14.6%。從碳源強度看，碳源系數值在0.01～8.60kg/m2，強度呈現聚集性特征，高強度碳源集中于生活空間及周邊的生產空間中，依次為經營性建筑、生活建筑與菜地?？梢?，建筑、菜地、茶園具有較大的減排潛力。因此，在鄉村景觀減排路徑上需重點關注減排潛力突出的景觀要素。

圖6 直山村景觀要素碳源量分析

2)從碳匯角度看(圖7)，碳匯總量為315 415kg，各要素碳匯量呈現中間低、四周高的空間特征。面積占比大的幾種要素碳匯貢獻率較大，其中針闊混交林最大為24.2%，茶園為17.8%。從碳匯強度看，碳匯系數值在0～2.53kg/m2，強度呈現中間高、四周分布均的特征。碳匯強度較高的景觀要素依次為菜地、針闊混交林，荒草地碳匯強度最低。碳匯貢獻率與碳匯強度均較低的為建筑、荒草地，碳匯能力具備較大提升空間。因此，在鄉村景觀增匯工作中需著重關注具備碳匯提升潛能的景觀要素，同時可充分發揮碳匯貢獻率大的景觀要素碳匯能力。

圖7 直山村景觀要素碳匯量分析

3)從碳中和角度看，直山村景觀碳匯量是碳源量的1.8倍，村莊整體環境碳中和具有正向效應。除麥田、菜地、建筑與休閑廣場外的景觀要素凈碳匯強度均為正值，屬于碳匯要素。綜合來看，生活景觀中綠地凈碳匯強度高，而面積較小，凈碳匯量處于中等；生產景觀中除茶園外，其他要素凈碳匯量均較低甚至為負，其碳中和能力有待開發；生態景觀要素中面積較大的竹林、針闊混交林、水域的凈碳匯量高，碳中和能力最強。因此，需對具備且有待開發碳中和能力的要素進行增匯調控。

4.4 直山村碳中和水平提升建議

以景觀要素的碳量測度結果為依據，從減排、增匯兩方面對直山村景觀碳中和水平進行循證優化，促進正向效應增效。

1)生產空間中，重點提升茶園、菜地的碳中和水平。充分發揮茶園的碳匯能力，可采取合理密植、立體栽培等方式提升群落層次性和種植密度；菜地、茶園的生產環節應加強綠色防控手段以減少碳排放；同時可對麥田生產加強增施有機肥、免耕、減耕等低碳生產措施以提升碳匯貢獻率。

2)生活空間中，重點提升建筑、綠地的碳中和水平。通過建筑外墻保溫隔熱處理、鄉土材料和被動式通風、節能技術使用等手段降低建筑能耗；增加庭院綠地面積，對宅間空地、宅基地置換地進行復綠；同時加強宅間、游憩綠地高固碳鄉土樹種的栽植，豐富喬灌草搭配；在強化綠地碳匯效益的同時，增強其對于建筑降溫減排的貢獻度，從而降低建筑碳源影響。

3)生態空間中，重點提升荒草地的碳中和水平，合理提升毛竹林、針闊混交林等林地固碳能力。增加碳匯面積，修復由于開墾、建設等行為形成的荒草地，連接破碎生態林地斑塊，恢復高碳匯生長環境；在林中碳匯能力“低谷”地區補種成片植被，提高植被郁閉度。通過優化景觀空間與景觀要素之間的耦合關系，加強碳匯要素在空間上的生態組合與功能上的高效利用，提升整體碳匯效能。

5 分析與討論

面向鄉村雙碳行動與高質量發展需求，基于面積系數法構建鄉村景觀碳模型，提供鄉村低碳景觀的縱深研究和精細化管控方法與技術，為提升鄉村碳中和潛能提供研究基礎。

1)分析驗證了以面積系數法為基礎的鄉村景觀碳量測度與解析的技術途徑。以鄉村景觀要素為研究對象，形成以景觀要素分類與碳源碳匯因子識別為基礎、面積系數為核心、碳模型建構為載體、碳量測度為目標的鄉村景觀碳源碳匯同平臺、數字化分析途徑。同時，以景觀單元面積進行碳量定位與分級調控，能夠有效對應鄉村景觀實際碳源行為與碳匯功能，面積系數法定量描述鄉村景觀碳強度與碳中和水平。

2)從碳量測度角度初步揭示了樣地景觀的碳源碳匯空間分布、景觀要素對碳中和的影響程度。通過對鄉村景觀進行碳模型建構與制圖分析，形成具有風景園林專業特征，滿足專業研究與實踐需求的景觀要素碳量測度方法，為數理邏輯下的鄉村景觀碳效能研究“所指”提供了可供分析、歸納、溯源的圖示語言“能指”?，F階段鄉村景觀碳源、碳匯清單能夠基本涵括我國鄉村景觀的類內共性；結合各要素的分布情況與數量統計，能夠從鄉村整體角度揭示景觀碳源、碳匯的空間分布。

3)基于面積系數法開展鄉村景觀碳模型研發，并碳量測度分析具有縱深發展與橫向拓展的潛力。相關研究可以從景觀格局、空間形態、時空模擬等視角擴展關聯面積系數的碳源碳匯分析維度。例如，可針對不同鄉村類型充實、完善景觀要素分類體系；進一步擴大樣本量，持續提升景觀要素分析的廣度，發展更全面、系統的鄉村景觀碳系統科學認知譜系；結合多源數據融合的信息化監測等手段提高現有建成環境的景觀碳效能數字模型分析精度與效率等。

6 結語與展望

全面推進鄉村振興，既要塑形，也要鑄魂。隨著新型城鎮化建設持續開展，“雙碳”發展加速推進，聚焦鄉村景觀切實開展碳機制、碳效能、碳技術等領域的數字化研究，迅速成為當代風景園林助力鄉村景觀環境可持續、高質量發展的重要課題。加速建立風景園林專業“雙碳”研究機制，科學研判鄉村景觀環境碳源碳匯分析途徑，研發適用于鄉村“三生空間”的碳模型及其成套技術，成為當前研究的關鍵問題。

在此背景下，初步搭建了鄉村景觀碳排碳匯聯立研究框架，確立了面向景觀要素清單的碳源碳匯集成算法，建立了基于面積系數法的鄉村景觀碳模型。相關研究仍需持續完善，例如在鄉村景觀識別與分類上，現有研究受限于人機交互識別、受制于現場驗證能力，在大尺度環境應用中具有局限性。未來發展應充分結合高精度多源數據、深度學習模型等方法，對不同尺度下景觀要素進行高精度聚類識別與數據采集，創建具有本土性、代表性的樣本數據庫。又如在碳源碳匯清單建構上，因中國地大物博，不同地域鄉村的現實條件各不相同，其具體指標的差異性仍需透析。再如景觀要素計算因子確定上，碳源、碳匯因子受當地鄉村產業發展、能源結構、植物生長狀況等因素影響，適地因子數據庫仍待充實，進而持續提高分析的針對性。未來研究可結合樣方碳測量試驗等方式同步進行，并依托足量樣本數據以提高統計分析的完整性與準確性。

三生融合、生生不息，我國不同地域、自然條件、生產和農耕模式、生活方式孕育了豐富的鄉村景觀，隨之形成不同的碳源、碳匯特征。以量化圖示語言開展碳量測度與碳中和研判，既拓展了鄉村景觀“雙碳”研究的深度與廣度，同時為鄉村綠色低碳發展、景觀更新與提質增效提供了專業技術途徑。

注：文中圖片均由袁福甜繪制。