竹類植物夏季微氣候特征及其對(duì)人體舒適度的影響

吳仁武

晏 海

舒 也

史 琰

包志毅*

隨著城市化的快速推進(jìn)，由于城市熱量平衡改變而造成的城市熱島效應(yīng)成為城市氣候最為顯著的問題，一直備受人們的關(guān)注[1-3]。已有研究表明，植物群落能夠有效地減緩城市熱島效應(yīng)，植物可以通過冠層遮陰和蒸散作用降低周圍環(huán)境的空氣溫度和相對(duì)濕度，從而有效改善城市環(huán)境[4-6]。不同植物種類、綠地類型的降溫作用存在明顯差異，同時(shí)研究表明植物群落冠層結(jié)構(gòu)特征是引起這種差異的主要影響因子。然而，以往關(guān)于城市綠地植物或群落結(jié)構(gòu)微氣候效應(yīng)研究中，主要集中于非竹類植物，對(duì)竹類植物的微氣候效應(yīng)以及這種效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究則較少。

本試驗(yàn)以中國華東地區(qū)11種觀賞性強(qiáng)的竹類植物為例，觀測(cè)不同竹類植物微氣候(空氣溫度、相對(duì)濕度和光照強(qiáng)度)的日動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)測(cè)量竹類植物的葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度和天空可視因子。本研究的目標(biāo)是：1)分析竹類植物微氣候日動(dòng)態(tài)變化特征及降溫增濕效應(yīng)；2)采用不舒適指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同竹類植物熱舒適度情況；3)分析不同竹類植物降溫增濕作用與葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度、天空可視因子的相關(guān)性，找出不同竹類植物微氣候及熱舒適度水平差異的原因。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省杭州市臨安區(qū)(29°56′～30°23′N， 118°51′～119°52′E)位于浙江省西北部，地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)南緣，具有夏季濕熱、冬季干冷的氣候特征。本研究選取杭州竹文化園為試驗(yàn)樣地(圖1)，其總面積約70hm2，主要種植和引種禾本科竹亞科植物，竹類植物有20屬120種(含品種)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地與竹類植物選擇

為了排除其他環(huán)境因素的干擾，樣地群落全部選擇在相互臨近的同一區(qū)域內(nèi)，竹類植物群落均為單一竹種，同時(shí)為了避免周圍群落對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，所選群落面積均大于900m2，且群落各邊緣的距離均大于15m，距水面的距離大于30m，且道路的距離大于15m。為了使研究結(jié)果能對(duì)風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考，因而選擇的竹類植物均為華東最為常見的種類，且竹齡相近。通過實(shí)地調(diào)查，本研究的竹類植物種名和群落特征見表1。

1.2.2 測(cè)定時(shí)間、內(nèi)容及方法

試驗(yàn)選擇在晴朗、無風(fēng)(風(fēng)速≤2m/s)的天氣測(cè)定。測(cè)定時(shí)間為2017年7月21—27日連續(xù)7d，每天8：00—18：00，每2h記錄1次。

圖1 研究區(qū)域及樣地分布

在每個(gè)群落中心以及距離中心5m的東、南、西、北4個(gè)方向上分別設(shè)置測(cè)定點(diǎn)，在距離地面1.5m處用溫濕度記錄儀(Tes1365)測(cè)定竹林內(nèi)的空氣溫度和相對(duì)濕度，用照度計(jì)(Tes1332A)測(cè)定群落內(nèi)的光照強(qiáng)度。

植物群落的冠層特征采用葉面積指數(shù)、天空可視因子和冠層蓋度等3個(gè)指標(biāo)來定量描述。3個(gè)指標(biāo)用植物冠層分析系統(tǒng)(HemiView 2.1 SR5)測(cè)定。同時(shí)將各測(cè)定點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)加以算術(shù)平均，得到該群落的空氣溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、葉面積指數(shù)、天空可視因子和冠層蓋度。同時(shí)，在無遮陰的草坪設(shè)置對(duì)照點(diǎn)(CK)，采用同樣的儀器和方法同步測(cè)定空氣溫度、相對(duì)濕度和光照強(qiáng)度。

1.2.3 人體熱舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)

關(guān)于人體熱舒適度的計(jì)算，本研究選擇由Thom[7]提出的不舒適指數(shù)(Discomfort Index，DI)，計(jì)算公式為：DI=T-0.55(1-0.01RH)(T-14.5)，式中DI表示為不舒適指數(shù)，T表示為空氣溫度(℃)，RH為空氣相對(duì)濕度(%)。其等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：A：DI＜21，舒適程度為“沒有人感到不舒適”；B：21.0＜DI＜23.9，舒適程度為“小部分人(小于50%)感到不舒適”；C：24.0＜DI＜26.9，舒適程度為：“大部分人(大于50%)感到不舒適”；D：27.0＜DI＜28.9，舒適程度為“絕大部分人感到不舒適”；E：29.0＜DI＜31.9，舒適程度為“幾乎所有人都感到不舒適”；F：DI＞32，舒適程度為“有中暑危險(xiǎn)”[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同竹類植物群落微氣候定量分析

2.1.1 空氣溫度

圖2呈現(xiàn)了不同竹類植物的溫度日變化特征。11種試驗(yàn)竹種及對(duì)照點(diǎn)的空氣溫度均隨時(shí)間呈先上升后下降的單峰形變化，在14：00左右達(dá)到全天的最高溫度。與對(duì)照組相比，喬木狀竹類植物都有明顯的降溫效應(yīng)，地被竹(闊葉箬竹、菲白竹)降溫效果不明顯。

表1 竹類植物結(jié)構(gòu)特征

不同竹類植物及對(duì)照點(diǎn)日平均單因素方差分析的結(jié)果(表2)顯示，竹類植物與對(duì)照點(diǎn)的日平均溫度存在極顯著差異(Duncan多重比較，P＜0.01)，即說明竹類植物對(duì)林下環(huán)境具有明顯的降溫功能。與對(duì)照點(diǎn)相比，喬木狀竹類植物的日均降溫強(qiáng)度為1.5～2.6℃，平均值為2.0℃，降溫率達(dá)4.0%～6.8%，平均值為5.3%；而闊葉箬竹和菲白竹則無明顯降溫作用，兩者降溫強(qiáng)度均為0.3℃，降溫強(qiáng)度均為0.8%。在不同竹類植物群落之間，闊葉箬竹和菲白竹與其他9種植物群落達(dá)到了極顯著水平，金鑲玉竹、紫竹與滿山爆竹、茶竿竹也達(dá)到了極顯著水平。

2.1.2 相對(duì)濕度

從圖3可以看出，不同植物群落及對(duì)照點(diǎn)的空氣相對(duì)濕度的日間動(dòng)態(tài)均呈近“U”形變化，8：00時(shí)相對(duì)濕度最高，日出后溫度上升導(dǎo)致大氣相對(duì)濕度迅速下降，14：00—16：00相對(duì)濕度降至最低，隨后空氣相對(duì)濕度有逐漸上升，但速度較為緩慢，與對(duì)照組相比，喬木狀竹類植物都有明顯的增濕效應(yīng)，地被竹增濕效果不明顯。

不同竹類植物群落及對(duì)照點(diǎn)平均相對(duì)濕度單因素方差分析的結(jié)果(表2)顯示，群落與對(duì)照點(diǎn)的日平均相對(duì)濕度存在極顯著差異(Duncan多重比較，P＜0.01)，即說明竹類植物對(duì)林下具有明顯的增濕功能。與對(duì)照點(diǎn)相比，喬木狀竹類植物日均增濕強(qiáng)度為3.0%～7.9%，平均值為5.1%，增濕率達(dá)6.0%～15.5%，平均值為10.0%；而闊葉箬竹和菲白竹則增濕作用相對(duì)較弱，增濕強(qiáng)度均為0.6%，增濕率分別為1.3%、1.1%。在不同竹類植物之間，茶竿竹和滿山爆竹與其他9種竹類植物達(dá)到了極顯著水平，橄欖竹、斑竹與雷竹、金鑲玉竹、紫竹、四季竹達(dá)到了極顯著水平。

2.1.3 光照強(qiáng)度

從圖4可以看出，不同竹類植物群落即對(duì)照點(diǎn)的光照強(qiáng)度日動(dòng)態(tài)基本呈單峰分布，日間光照強(qiáng)度的峰值一般出現(xiàn)在12：00左右，12：00—14：00竹林群落內(nèi)與對(duì)照點(diǎn)光照強(qiáng)度差值達(dá)到最大。圖6中也可以看出喬木狀竹類植物具有極好的遮陰效果。

圖2 不同竹類植物與對(duì)照組空氣溫度日變化特征

圖3 不同竹類植物與對(duì)照組相對(duì)濕度日變化特征

圖4 不同竹類植物與對(duì)照組光照強(qiáng)度日變化特征

表2 不同竹類植物群落空氣溫度、相對(duì)濕度和光照強(qiáng)度比較

不同竹類植物群落及對(duì)照點(diǎn)光照強(qiáng)度單因素方差分析的結(jié)果(表2)顯示，群落與對(duì)照點(diǎn)的日平均相對(duì)濕度存在極顯著差異(Duncan多重比較，P＜0.01)，即說明竹類植物對(duì)林下具有明顯的遮陰功能。與對(duì)照點(diǎn)相比，喬木狀竹類植物的日均遮光強(qiáng)度為53 361～55 805lx，平均值為54 790lx，遮光率達(dá)95.4%～99.9%，平均值為98.0%。

2.2 不同竹類植物群落人體舒適度評(píng)價(jià)

根據(jù)Thom的不舒適指數(shù)公式計(jì)算出不同竹類植物群落及對(duì)照點(diǎn)在不同時(shí)刻的不舒適指數(shù)(表3)。在炎熱的夏季，不舒適指數(shù)越高，人體感覺越不舒適。由表4可以看出，對(duì)照點(diǎn)在8：00—18：00，只有茶竿竹和滿山爆竹在8：00指數(shù)低于29.0，其他時(shí)刻所有植物的不舒適指數(shù)均高于29.0，即這個(gè)范圍內(nèi)在這種環(huán)境中幾乎所有的人都感到不舒適。相比于對(duì)照點(diǎn)，喬木狀竹類植物群落都能降低一定的不舒適指數(shù)，降低不舒適指數(shù)率為2.1%～3.5%，平均值為2.9%，降低不舒適指數(shù)率排序?yàn)椋豪字瘢静韪椭瘢鹃蠙熘瘢舅募局瘢緷M山爆竹＞金鑲玉竹＞斑竹＞毛竹＞紫竹。這種調(diào)節(jié)效果能在一定程度上有效緩解極端高溫導(dǎo)致的熱不舒適性。而相比于對(duì)照點(diǎn)，闊葉箬竹和菲白竹降低不舒適指數(shù)則不明顯。

不同植物群落及對(duì)照點(diǎn)日平均不舒適指數(shù)單因素方差分析的結(jié)果顯示，竹類植物群落與對(duì)照點(diǎn)的日平均不舒適指數(shù)差異極顯著(Duncan多重比較，P＜0.01)，即說明竹類植物具有明顯的降低不舒適指數(shù)功能。同時(shí)，不同樹種降低不舒適指數(shù)率的差異也達(dá)到了極顯著性水平，雷竹與紫竹、斑竹、毛竹、闊葉箬竹和菲白竹的差異性顯著，橄欖竹、茶竿竹與紫竹、闊葉箬竹、菲白竹的差異性顯著。

2.3 不同竹類植物群落微氣候與群落冠層結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性分析

由表4可以看出，群落內(nèi)的空氣溫度與群落的葉面積指數(shù)(r=-0.837，P＜0.001)、冠層蓋度(r=-0.359，P=0.040)都達(dá)到了極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與天空可視因子(r=0.914，P＜0.001)達(dá)到了極顯著正相關(guān)。這說明竹類植物的冠層結(jié)構(gòu)特征對(duì)其降溫效應(yīng)起到重要的影響，即竹類植物的葉面積指數(shù)越大、冠層覆蓋度越高、天空可視因子越小，則竹林內(nèi)的空氣溫度就越低。這是由于植物的葉面積指數(shù)越大、冠層覆蓋度越高，植物樹冠能夠通過遮光作用攔截和吸收的太陽輻射就越多，使得竹林群落內(nèi)地表接收到的輻射就越弱，因此地面的增溫強(qiáng)度就越少，群落內(nèi)的空氣溫度就越低。

相對(duì)濕度與光照強(qiáng)度(r=-0.751，P＜0.001)和天空可視因子(r=-0.796，P＜0.001)表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與葉面積指數(shù)(r=0.920，P＜0.001)和冠層蓋度(r=0.529，P＜0.001)表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)關(guān)系。這說明竹類植物的葉面積指數(shù)越大、冠層蓋度越高、天空可視因子越小，則竹林內(nèi)的相對(duì)濕度就越高。這是由于竹類植物葉面積指數(shù)越大，地表單位面積內(nèi)的葉片數(shù)量就越多且葉片表面積越大，因此植物蒸騰作用產(chǎn)生的水汽就越多，并且冠層蓋度越高的植物群落，其林內(nèi)的郁閉度就越大，因此水汽就更不易消散，群落內(nèi)的相對(duì)濕度就越高。

竹類植物群落的光照強(qiáng)度與群落冠層特征具有極顯著的相關(guān)性，與葉面積指數(shù)(r= -0.669，P＜0.001)和冠層蓋度(r=-0.025，P＜0.001)分別表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系，與天空可視因子表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)(r=0.942，P＜0.001)。這說明竹類植物的葉面積指數(shù)和蓋度越大，對(duì)太陽輻射的吸收和反射作用越強(qiáng)，群落內(nèi)的光照強(qiáng)度也就越小。植物的葉片可以吸收和反射太陽輻射，而植物的這種反射和吸收作用主要與植物冠層的枝葉特征以及植物冠層的蓋度和密度相關(guān)。

在微氣候因子中，不舒適指數(shù)與空氣溫度呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)(r=0.924，P＜0.001)，與相對(duì)濕度(r=-0.596，P＜0.001)呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)，與光照強(qiáng)度具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.821，P＜0.001)。DI是由空氣溫度和相對(duì)濕度共同構(gòu)成的用來描述人體舒適度的綜合影響指標(biāo)，因而與溫度和濕度具有極明顯的相關(guān)性。光照強(qiáng)度通過影響空氣溫度和相對(duì)濕度，從而間接影響DI的大小。在群落冠層結(jié)構(gòu)特征中，DI與葉面積指數(shù)(r=-0.626，P＜0.001)呈現(xiàn)極顯著關(guān)系，和冠層蓋度(r=-0.178，P=0.321)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與天空可視因子(r=0.833，P＜0.001)表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)。相比于對(duì)群落微氣候的影響，群落冠層結(jié)構(gòu)特征對(duì)DI的影響更為明顯。闊葉箬竹和菲白竹冠層蓋度雖然較高，但是不舒適指數(shù)并不明顯，所以顯示出不舒適指數(shù)僅僅是與冠層蓋度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 竹類植物群落降溫增濕效應(yīng)強(qiáng)度

植物群落具有明顯的降溫增濕效應(yīng)，這個(gè)研究結(jié)果被不同研究者在不同地區(qū)廣泛證實(shí)[9-11]。本試驗(yàn)中，筆者通過對(duì)11種竹類植物微氣候因子測(cè)定發(fā)現(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是午后還是早、晚，竹類植物群落與對(duì)照組相比，其空氣溫度低、相對(duì)濕度高，即表明竹類植物群落具有明顯的降溫增濕效應(yīng)，但不同時(shí)刻竹類植物群落的降溫增濕強(qiáng)度存在差異。在夏季，一天之中，竹類植物群落的空氣溫度和相對(duì)濕度在午后14：00左右達(dá)到最值。與對(duì)照組相比，喬木狀竹類植物日平均降溫范圍在1.5～2.6℃， 地被竹日平均降溫范圍為0.3℃，相應(yīng)的，喬木狀竹類植物日平均增濕范圍為3.0%～7.9%，地被竹日平均增濕強(qiáng)度為0.6%。由此發(fā)現(xiàn)，喬木狀的群落降溫增濕效果好，而地被竹降溫效果不佳。這可能與植被的葉面積指數(shù)和天空可視因子有關(guān)。和本研究近似，Yan H[12]以油松、刺槐等8種植物群落為研究對(duì)象，日均降溫強(qiáng)度為1.6～2.5℃，增濕強(qiáng)度為2.9%～5.2%，與對(duì)照點(diǎn)相比，植物群落都能降低一定的不舒適指數(shù)，降低不舒適指數(shù)率為2.5%～4.3%；Qin Z[13]的研究發(fā)現(xiàn)，在白天毛白楊夏季降低溫度1.0～5.0℃，增加相對(duì)濕度4%～15%，欒樹夏季降低溫度0.43～7.53℃，增加相對(duì)濕度1.0%～22%。

3.2 竹類植物群落微氣候效應(yīng)與冠層結(jié)構(gòu)的關(guān)系

3.2.1 降溫增濕

研究發(fā)現(xiàn)，竹類植物群落的冠層特征對(duì)群落的降溫效應(yīng)具有重要的影響，即群落冠層的葉面積指數(shù)越大、冠層蓋度越高、天空可視因子越小，則群落內(nèi)的空氣溫度就越低。而喬木狀竹類植物具有明顯的降溫增濕作用，秦耀民在西安對(duì)植物群落實(shí)測(cè)時(shí)也得到相似的結(jié)果，這是由于植物群落通過冠層結(jié)構(gòu)能夠吸收、反射和遮擋太陽輻射，并借助自身的光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使達(dá)到地面及樹冠下面的太陽輻射顯著減少，從而能夠調(diào)節(jié)林下溫度，微氣候環(huán)境溫度和濕度的差異與喬木的蓋度密切相關(guān)，喬木狀蓋度越大，則微氣候環(huán)境降溫增濕作用就越明顯[14-15]。Peters E B[16]等研究不同植被類型對(duì)城市微氣候格局的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)，地表空氣溫度的大小主要由葉面積指數(shù)和植被蓋度決定，高葉面積指數(shù)樣點(diǎn)的空氣溫度比低葉面積指數(shù)樣點(diǎn)的溫度低6℃。

表3 不同竹類植物群落在不同時(shí)刻的不舒適指數(shù)

表4 微氣候因子與竹類植物結(jié)構(gòu)特征間的相關(guān)性

3.2.2 不舒適指數(shù)

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不舒適指數(shù)與空氣溫度和相對(duì)濕度具有極顯著關(guān)系，這說明不舒適指數(shù)由竹類植物群落的空氣溫度和相對(duì)濕度共同影響。同時(shí)，冠層蓋度與空氣溫度、相對(duì)濕度具有極顯著關(guān)系，因此群落冠層結(jié)構(gòu)特征對(duì)DI的影響非常明顯。在澳大利亞墨爾本，Coutts A M等[17]的研究也發(fā)現(xiàn)，行道樹通過有效地降低溫度從而改善熱舒適度，空氣溫度與熱舒適度表現(xiàn)為極顯著相關(guān)關(guān)系，同時(shí)他也發(fā)現(xiàn)，通過有效改善植物的蒸散作用，從而降低空氣溫度，進(jìn)而改善熱舒適度[18]。不舒適指數(shù)是環(huán)境空氣溫度和相對(duì)濕度等微氣候因子共同的特征，群落冠層結(jié)構(gòu)通過對(duì)群落不同微氣候因子的綜合調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)環(huán)境舒適度水平的調(diào)節(jié)作用[19]。

4 結(jié)論

夏季，竹類植物群落與對(duì)照點(diǎn)相比，日平均空氣溫度、相對(duì)濕度計(jì)光照強(qiáng)度之間的差異均達(dá)到了顯著差異。竹類植物群落與對(duì)照點(diǎn)日平均不舒適指數(shù)差異極顯著，喬木狀竹類植物相比于對(duì)照點(diǎn)，竹類植物都能降低一定的不舒適指數(shù)，不同的竹類植物降低不舒適指數(shù)率的差異達(dá)到了顯著性水平，即說明不同樹種對(duì)熱舒適度具有不同的調(diào)節(jié)效果。通過對(duì)微氣候因子、不舒適指數(shù)及群落冠層特征的相關(guān)性分析，結(jié)果表明它們之間存在顯著的相關(guān)性。

竹類植物能有效地改善微氣候效益，也具有宗教觀念、理想人格和精神追求等中華文化特質(zhì)[20]，是一類獨(dú)特的園林植物。不同冠層結(jié)構(gòu)的竹類植物也有不同強(qiáng)度的微氣候效益，在植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中，宜根據(jù)場(chǎng)地條件和營造需求有機(jī)地選擇竹類植物。如在竹主題迷宮中，則宜選擇茶竿竹、滿山爆竹等，這類竹葉面積指數(shù)和冠層蓋度高，比其他竹類植物能較好地降溫增濕，同時(shí)其隔離性也相較于其他竹類植物強(qiáng)；在康復(fù)主題花園中，則宜選擇雷竹、橄欖竹等，其在夏季相對(duì)于其他竹種能較好地降低不舒適度，且其高度適中，在小尺度中不覺壓抑；在竹林主題中，宜選擇毛竹等，其溫濕度日變幅相對(duì)較高，與外界環(huán)境交流強(qiáng)，同時(shí)其高度和枝下高相對(duì)其他竹高，在林下更有空曠之感。

本文重點(diǎn)探討了竹類植物的夏季微氣候特征及其冠層結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，同時(shí)分析微氣候因子與不舒適指數(shù)的關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，可以基于竹類植物的微氣候效益，對(duì)植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中竹類植物的選擇提供科學(xué)依據(jù)，確保城市綠地有序發(fā)展。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝碩士生王巧良、楊詩敏和張晨瑋對(duì)數(shù)據(jù)收集提供的幫助。