城市園林綠地溫濕效應(yīng)的形成原因及研究展望

秦 仲 李湛東

1中國林學(xué)會秘書處 北京100091；2北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京100083

1 引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市中建筑、廣場、道路等硬質(zhì)下墊面大量增加，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)愈發(fā)明顯。尤其在炎熱的夏季，熱島效應(yīng)給人們生活帶來了諸多影響，如引發(fā)人口傷亡[1-2]、增加能源消耗和污染物排放[3]、大量已排放污染物滯留[4]，等等。眾所周知，城市園林綠地作為城市用地類型中的綠色下墊面，可以通過綠地中植物群落對太陽輻射的遮擋、植物自身的生理活動(dòng)等方式，發(fā)揮降溫增濕作用，有效緩解城市熱島效應(yīng)[5]。因此，剖析城市園林綠地溫濕效應(yīng)的形成原因，探索城市園林綠地溫濕效應(yīng)的研究方向和研究策略，對于改善城市小氣候，進(jìn)一步優(yōu)化園林綠化生態(tài)功能的評價(jià)與調(diào)控技術(shù)，具有重要的生態(tài)戰(zhàn)略意義。

2 城市園林綠地溫濕效應(yīng)的形成原因

關(guān)于城市園林綠地溫濕效應(yīng)的形成機(jī)制，眾多學(xué)者從生物學(xué)、氣象學(xué)和地理學(xué)等方面進(jìn)行了深入研究，主要概括為3個(gè)方面[6-9]：（1）對太陽輻射的遮擋作用；（2）植物的蒸騰作用和下墊面的蒸發(fā)作用；（3）調(diào)節(jié)環(huán)境中的碳氧平衡。

2.1 植物群落對太陽輻射的遮擋作用

由于城市園林綠地中植物群落冠層對太陽輻射的遮擋作用，使得綠地內(nèi)的光照狀況一般可分為3部分：一部分被群落冠層吸收；一部分被群落冠層反射；還有一部分透過冠層進(jìn)入綠地內(nèi)部。但是，由于植物群落冠層結(jié)構(gòu)的不同和環(huán)境中天氣狀況的改變，這3部分光照所占比重也發(fā)生相應(yīng)變化[10]。針對單層的植物葉片，已有研究發(fā)現(xiàn)其可以對太陽直接輻射和散射輻射進(jìn)行有效阻擋，進(jìn)而吸收80%、反射10%而僅透射10%的可見光[11-12]。然而植物群落的冠層通常是由多層的植物葉片構(gòu)成，因此可以更為有效地遮擋太陽輻射，減少透射到群落內(nèi)部的輻射數(shù)量。在炎熱的夏季，正常生長的植物群落冠層可以遮擋80%～90%左右的太陽輻射，從而使內(nèi)部環(huán)境溫度降低，濕度增加[13]。根據(jù)霍曉娜[10]的研究，在夏季20種北京常用植物群落對可見光的遮擋率為75%～96%，而對紫外線的遮擋率可達(dá)68%～99%。

此外，植物群落可以遮擋建筑物和其他構(gòu)筑物的反射光，因而可以對建筑內(nèi)部環(huán)境起到遮蔭作用，使得建筑內(nèi)部空間的熱環(huán)境有效改善，最終減少因空調(diào)使用而排放的溫室氣體，間接對環(huán)境中的溫濕效應(yīng)起到調(diào)節(jié)作用。據(jù)研究，1株正常生長的成年樹每天可以傳遞9.6E+05KJ（230000 kcal）的能量，幾乎等同于5臺空調(diào)每天工作19h[14]。所以，在中午時(shí)段，種植在建筑周圍的植物群落可以降低室內(nèi)溫度約0.47℃，以此節(jié)約空調(diào)能耗25%～80%[15]。

綜上所述，植物群落的遮陰作用有效減少了進(jìn)入群落內(nèi)部的太陽輻射以及來自其他物體表面的散射輻射，對城市園林綠地內(nèi)部空間和周圍環(huán)境的熱交換起到重要的調(diào)節(jié)作用，有利于改善城市環(huán)境中的人體舒適度，是綠地發(fā)揮溫濕效應(yīng)的主要原因。

2.2 植物的蒸騰作用和下墊面的蒸發(fā)作用

植物葉片的蒸騰作用和下墊面的蒸發(fā)作用是城市園林綠地發(fā)揮溫濕效應(yīng)的另一個(gè)原因。蒸騰作用是指水分從活的植物體表面（主要是葉子）以水蒸汽狀態(tài)散失到大氣中的過程。植物群落冠層可以將吸收的太陽輻射用于蒸騰作用、光合作用等自身生理活動(dòng)，進(jìn)而將熱能轉(zhuǎn)化為潛熱，同時(shí)，根系從土壤中獲得的水分大多通過蒸騰作用散發(fā)出來，進(jìn)而增加環(huán)境濕度，降低空氣溫度[16-17]。而蒸發(fā)作用是指通過太陽的熱力使地表的水分源源不斷地進(jìn)入空氣中的過程。城市環(huán)境中不同的下墊面，特別是草地和水面，可將水分從土壤或水體散失到大氣中，使得近地面的空氣溫度明顯低于以不透水表面為主的硬質(zhì)鋪裝區(qū)域。李永杰[18]通過對北京常見綠化樹種蒸騰吸熱量的測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碧桃（Prunus persica）的日蒸騰吸熱量最高，達(dá)3816.08kj/m2，最低的是白玉蘭（Magnolia denudata），僅1473.56kj/m2。這說明園林植物群落通過蒸騰作用消耗熱量的同時(shí)，散發(fā)出大量水分，從而降低空氣溫度，增加相對濕度。但是，不同園林植物的蒸騰吸熱存在較大差異，導(dǎo)致它們對溫濕度的調(diào)節(jié)作用也相應(yīng)不同。

2.3 調(diào)節(jié)環(huán)境中的碳氧平衡

18世紀(jì)60年代，工業(yè)革命的興起導(dǎo)致環(huán)境中二氧化碳等溫室氣體大量排放，溫室效應(yīng)愈發(fā)顯現(xiàn)，因此全球氣候呈明顯的變暖趨勢。城市園林綠地中的植物可以通過光合作用吸收環(huán)境中的二氧化碳釋放出氧氣，調(diào)節(jié)大氣中的碳氧平衡，進(jìn)而緩解溫室效應(yīng)，起到降溫增濕作用，尤其是多層結(jié)構(gòu)的高大喬木效果最好[19-20]。據(jù)估算，綠量為136～385.9m2的7種落葉喬木每天吸收二氧化碳約1759～4819g，而低矮灌木和草坪由于綠量顯著小于高大的落葉喬木，所以每天吸收二氧化碳的量約為3.9～250g[7]。其他相關(guān)研究在不同地區(qū)以不同園林植物為研究對象，對其固碳釋氧能力與降溫增濕作用的關(guān)系進(jìn)行了量化研究，研究結(jié)論均表明，植物可以通過對二氧化碳的消耗作用，緩解溫室效應(yīng)，對抑制全球溫度升高有積極作用[8，21]。

3 城市園林綠地溫濕效應(yīng)的研究展望

近年來，在探明城市園林綠地溫濕效應(yīng)形成原因的基礎(chǔ)上，關(guān)于綠地溫濕效應(yīng)的研究也日益增多，主要集中在植物樹種[23-24]、綠地結(jié)構(gòu)類型[25-26]、綠地面積[27-28]、植物群落冠層結(jié)構(gòu)[29-30]、周圍下墊面組成[31-32]等因素對溫濕效應(yīng)的影響。上述研究結(jié)論為城市園林綠地溫濕效應(yīng)的進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)，對于城市園林綠地的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。然而現(xiàn)有研究也存在定量分析深度不夠，統(tǒng)計(jì)的影響因子不全面，研究方法單一，尺度效應(yīng)結(jié)論不明確等問題，尚無法準(zhǔn)確評價(jià)城市園林綠地的溫濕效應(yīng)，難以為城市園林綠地的建設(shè)提供直接指導(dǎo)。因此，在今后的研究中，還需在以下方面進(jìn)一步探索，以期繼續(xù)豐富和拓展城市公園綠地的溫濕效應(yīng)研究，為園林綠化生態(tài)功能評價(jià)與調(diào)控技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)。

3.1 探究城市園林綠地溫濕效應(yīng)與其影響因素之間的數(shù)量關(guān)系

在城市園林綠地中，植物樹種、綠地結(jié)構(gòu)類型、綠地面積、群落冠層結(jié)構(gòu)等均可影響溫濕效應(yīng)。但是，綠地內(nèi)不同樹種群落的溫濕效應(yīng)存在怎樣的差異，喬、灌、草的組成比例如何影響溫濕效應(yīng)，不同綠地面積與溫濕效應(yīng)是否存在一定數(shù)量關(guān)系，以及群落冠層結(jié)構(gòu)與溫濕效應(yīng)存在怎樣的數(shù)量關(guān)系，等等，對于這些問題尚缺乏深入的量化研究。同時(shí)，對于影響溫濕度的相關(guān)因素的統(tǒng)計(jì)不能局限于某一個(gè)或部分指標(biāo)，應(yīng)擴(kuò)展到自身影響因素、周邊用地類型以及局地氣候特征等因素，進(jìn)而針對不同類型的城市園林綠地選取更具代表性、精度更高的研究變量，并建立這些變量與溫濕效應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，對于量化評價(jià)城市綠地的溫濕效應(yīng)具有直接作用，是城市園林綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)。

3.2 揭示城市園林綠地發(fā)揮溫濕效應(yīng)的尺度效應(yīng)

城市園林綠地在夏季可以發(fā)揮溫濕效應(yīng)，但對于溫濕效應(yīng)的尺度效應(yīng)目前尚缺乏一致結(jié)論。比如，當(dāng)綠地面積逐漸增大時(shí)，其溫濕效應(yīng)也相應(yīng)增強(qiáng)，但是是否存在一個(gè)或多個(gè)拐點(diǎn)尚不清楚。城市園林綠地可以影響其周圍環(huán)境的溫濕度，但是在綠地周圍，隨著距綠地邊緣越遠(yuǎn)，綠地周圍溫濕效應(yīng)減弱的時(shí)空變化規(guī)律尚不明確。與之類似，在綠地內(nèi)部，溫濕效應(yīng)具有怎樣的分布格局，與距綠地邊緣的距離存在怎樣的數(shù)量關(guān)系？對于這些問題不同學(xué)者得出不同結(jié)論。城市園林綠地的種植設(shè)計(jì)不同于單純的造林建設(shè)，其用地規(guī)模非常有限，因此，揭示城市園林綠地溫濕效應(yīng)的尺度效應(yīng)，可以使有限的城市園林綠地充分發(fā)揮溫濕效應(yīng)。

3.3 利用多種研究方法剖析城市園林綠地的溫濕效應(yīng)

現(xiàn)有研究主要采用實(shí)地觀測探究城市園林綠地的溫濕效應(yīng)，在中小尺度綠地上可以獲取更為直接、準(zhǔn)確的測定數(shù)據(jù)，但難以同時(shí)獲得大范圍的數(shù)據(jù)，限制了研究尺度的擴(kuò)展；采用數(shù)學(xué)模型模擬可以靈活地模擬大多數(shù)尺度下的場景，觀察在擬定條件下不同因子對城市園林綠地溫濕效應(yīng)的影響，該方法為今后溫濕效應(yīng)的深入量化研究提供了方向，但是其模擬的結(jié)果也需要實(shí)地觀測的數(shù)據(jù)加以校正和驗(yàn)證，以提升數(shù)值模型模擬的可信度；采用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以在較大尺度上同時(shí)獲取多個(gè)樣本的地表溫度和綠地空間分布情況等數(shù)據(jù)且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，但是衛(wèi)星遙感法也存在耗資大、衛(wèi)星過境周期較長、易受大氣等外界因素影響等問題。因此，根據(jù)不同的研究目的和對象，充分結(jié)合實(shí)地觀測、衛(wèi)星遙感技術(shù)及數(shù)值模型模擬等研究手段，將在城市園林綠地溫濕效應(yīng)研究中發(fā)揮重要作用。

3.4 緩解熱島效應(yīng)、改善人居環(huán)境已成為城市園林綠地建設(shè)的重要意義

隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們對戶外環(huán)境中人體舒適度提出了越來越來高的要求。現(xiàn)有研究已經(jīng)表明，城市園林綠地可以發(fā)揮遮蔭、降溫、增濕、隔噪等作用，對人體舒適度的影響最大。但目前在城市園林綠地建設(shè)過程中，對人體舒適度的關(guān)注卻很少。因此，今后研究可以在探明城市園林綠地溫濕效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過溫度、相對濕度等數(shù)據(jù)推導(dǎo)人體舒適度，且針對多個(gè)樣本進(jìn)行連續(xù)觀測，以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步修訂和完善現(xiàn)有的人體舒適度預(yù)測模型，增加其預(yù)測的可靠度和適用性，最終使之成為評價(jià)城市園林綠地人體舒適度的有效途徑，這對指導(dǎo)人們在城市園林綠地中游憩和城市公園的經(jīng)營管理具有實(shí)際的參考價(jià)值。

綜上所述，園林生態(tài)的研究成果最終將服務(wù)于城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理。本文通過分析城市園林綠地溫濕效應(yīng)的形成原因，在總結(jié)目前研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了未來城市園林綠地溫濕效應(yīng)的研究方向和研究策略，旨在使得城市園林綠地溫濕效應(yīng)的研究結(jié)論可以指導(dǎo)城市園林綠地建設(shè)和評價(jià)園林綠化的生態(tài)功能。