植物群落特征對(duì)夏季公園林蔭空間微氣候的影響研究

黃鈺麟

傅偉聰

陳晶茹

董建文

王敏華*

城市公園對(duì)緩解熱島效應(yīng)有顯著作用[1]，增加植被覆蓋度被認(rèn)為是降低空氣和輻射溫度、改善熱舒適性的有效途徑[2]，因此林蔭空間成為濕熱地區(qū)常見(jiàn)的綠地空間類型，但其微氣候調(diào)節(jié)能力會(huì)因植物群落特征如：?jiǎn)棠救~面積指數(shù)[3]、樹冠空間結(jié)構(gòu)[4]、群落結(jié)構(gòu)[5]、種植間距[6]的不同而有所差別。林蔭空間作為濕熱地區(qū)城市公園的重要構(gòu)成單元，其微氣候環(huán)境質(zhì)量直接影響著公園綠地的微氣候調(diào)節(jié)潛力及都市民眾對(duì)綠地資源的使用率，因此厘清植物群落特征對(duì)林蔭空間微氣候效應(yīng)的影響機(jī)制至關(guān)重要。

目前相關(guān)研究多通過(guò)控制單一變量的方式[7-8]來(lái)探究植物群落特征與微氣候效應(yīng)的影響關(guān)系，而在實(shí)際場(chǎng)景中，綠地空間微氣候環(huán)境往往受到多種植物群落特征的共同作用，但目前相關(guān)研究鮮少。為進(jìn)一步了解植物群落特征對(duì)林蔭空間微氣候效應(yīng)的影響機(jī)制，借助ENVI-met軟件，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，以改善夏季城市公園林蔭空間的微氣候環(huán)境為目標(biāo)，分析樹木葉面積指數(shù)(LAI)、喬灌草比例、種植密度對(duì)林蔭空間微氣候表征因子的主次作用、影響趨勢(shì)及最優(yōu)組合，提出基于氣候適應(yīng)性視角下構(gòu)建濕熱地區(qū)公園林蔭空間的優(yōu)化策略，以期為城市公園空間營(yíng)建提供理論參考與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福州市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均濕度74%，夏季最高氣溫可達(dá)39.4℃，有“火爐城市”之稱。通過(guò)實(shí)地調(diào)研及文獻(xiàn)梳理[9]發(fā)現(xiàn)，為抵御夏季的高溫?zé)崂耍Ｖ莩鞘泄珗@綠地多為林蔭空間，常用綠化喬木的LAI值在1.49～6.85之間，灌木LAI值在1.81～6.02之間[10]。研究區(qū)域位于福州市建園時(shí)間最長(zhǎng)的西湖公園，以游人訪問(wèn)度較高的林蔭空間作為樣地，面積為35m×30m。樣地西北側(cè)1.9km處為福州市烏山氣象站，可為ENVI-met模擬參數(shù)設(shè)定提供初始?xì)庀髷?shù)據(jù)。

1.2 ENVI-met模型驗(yàn)證

實(shí)測(cè)采用手持氣象儀(kestrel 4500)監(jiān)測(cè)距地面1.4m處的溫度、濕度與風(fēng)速，觀測(cè)時(shí)間為8：00—18：00，以1h為單位獲取數(shù)據(jù)，觀測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。模擬時(shí)間為6：00—19：00，研究選取8：00—18：00的數(shù)據(jù)。為保證模擬與實(shí)測(cè)環(huán)境條件一致，模擬保留樣地周圍的水體、構(gòu)筑物、下墊層等，模擬校驗(yàn)區(qū)域面積為80m×76m，相關(guān)參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1(下文為控制變量，僅提取植物要素構(gòu)建模型，研究范圍如圖1所示，面積為35m×30m)。將實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析(圖2～4)，結(jié)果表明二者呈線性相關(guān)，產(chǎn)生的誤差均在可接受的范圍內(nèi)。說(shuō)明ENVI-met模型能較為準(zhǔn)確地反映實(shí)地場(chǎng)景的微氣候變化規(guī)律，適用于本次研究。

圖1 測(cè)點(diǎn)平面分布(作者根據(jù)西湖公園管理中心提供地圖繪制)

圖2 溫度實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果相關(guān)性比較

圖3 濕度實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果相關(guān)性比較

圖4 風(fēng)速實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果相關(guān)性比較

1.3 模擬方案設(shè)計(jì)

1.3.1 設(shè)計(jì)因素及水平

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)及前人研究[11-12]發(fā)現(xiàn)，樹木LAI、喬灌草比例、種植密度是影響林蔭空間微氣候效應(yīng)的重要特征，因此選為本文的試驗(yàn)因素，第4個(gè)因素為“空白”列，以降低前3個(gè)因素間存在的隨機(jī)錯(cuò)誤和相互作用。福州市公園常用喬木的LAI值在1.06～6.85之間[10]，本研究在此區(qū)間設(shè)3個(gè)水平；喬灌草比例根據(jù)林蔭空間常見(jiàn)植物群落類型設(shè)置水平；種植密度依據(jù)喬木樹冠相交、相切、相離的間距關(guān)系設(shè)置水平(表2)。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2 方案設(shè)計(jì)

本文采用L9(34)正交表，共9組方案(表3)。

表3 模擬研究方案

1.4 模型模擬

1.4.1 模擬參數(shù)設(shè)置

模型構(gòu)建過(guò)程輸入的參數(shù)除網(wǎng)格尺寸/數(shù)量更改為2m×2m×2m/20×20×30外(研究面積為35m×30m)，其余設(shè)置如表1所示。

表1 ENVI-met模擬校驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

1.4.2 植物模型選擇

為排除其他因素干擾，喬木樹高、冠幅、枝下高等參數(shù)值不設(shè)對(duì)比項(xiàng)，僅調(diào)整LAI值，選用ENVI-met植物庫(kù)中形態(tài)、大小與福州常用喬木相似的3D模型。灌木與地被選用系統(tǒng)模型(表4)。

表4 植物模型相關(guān)屬性

1.4.3 場(chǎng)景模型構(gòu)建

對(duì)9組方案進(jìn)行建模，平面圖如圖5所示。其他場(chǎng)景要素如下墊層、空間布局一致，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，圖中紅色標(biāo)記為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖5 方案模型平面圖

2 結(jié)果與分析

選取游人訪問(wèn)頻率較高的3個(gè)時(shí)段：早上(8：00—10：00)、中午(12：00—14：00)、傍晚(16：00—18：00)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，得到各因素對(duì)微氣候表征因子產(chǎn)生作用的主次關(guān)系、顯著性、影響趨勢(shì)及最優(yōu)組合方案。

2.1 不同植物群落特征對(duì)溫度的影響

2.1.1 不同植物群落特征對(duì)溫度的主次影響

對(duì)不同試驗(yàn)方案空間內(nèi)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1.4m高處的溫度值進(jìn)行極差與方差分析，如表5所示，因素A、B、C的極差(R)由大至小依次為A＞C＞B，即對(duì)空間溫度的影響排序?yàn)闃淠綥AI＞種植密度＞喬灌草比例。方差分析結(jié)果表明(表6)，樹木LAI值(A)在各時(shí)段對(duì)空間溫度變化的影響均極為顯著(Sig.＜0.01)；喬灌草比例(B)在各時(shí)段對(duì)溫度變化均無(wú)顯著影響(Sig.＞0.05)，這與張明娟等[12]的結(jié)論一致；種植密度(C)僅在中午時(shí)段對(duì)溫度變化具有顯著影響(Sig.＜0.05)，可能的原因是午間太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大，由于種植密度不同造成削弱太陽(yáng)輻射能力的差異對(duì)空間溫度影響顯著，其他時(shí)段引起的溫度差異較小。

2.1.2 不同植物群落特征對(duì)溫度的影響趨勢(shì)

如表5所示，樹木LAI各水平對(duì)應(yīng)的溫度均值在所有時(shí)段的排序均為k1＜k2＜k3，說(shuō)明樹木LAI對(duì)溫度變化具有負(fù)影響。喬灌草比例各水平的溫度均值在各時(shí)段的大小均依次為k1＞k3＞k2，說(shuō)明在喬木層比例不變的情況下，灌木層占比越高，空間溫度越低。種植密度各水平的溫度均值在所有時(shí)段的排序均為k1＞k3＞k2，即種植間距為10m時(shí)空間內(nèi)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度值最低，原因是栽植喬木樹冠間無(wú)重疊，且樹蔭連接度較高，對(duì)空間溫度的調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，即喬木種植間距(10m)與冠幅(9m)比值略大于1:1為宜。此發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步細(xì)化了章莉等提出的理論[13]。

2.1.3 不同試驗(yàn)方案對(duì)比及優(yōu)選方案

以福州市烏山氣象站數(shù)據(jù)為參照，對(duì)比各試驗(yàn)方案的降溫效應(yīng)，如圖6所示，方案2的降溫能力最強(qiáng)，其次為方案3。進(jìn)一步對(duì)各試驗(yàn)方案14：00時(shí)段1.4m高度的溫度平面分布做分析(圖7)，方案3的低溫(38.69～39.07℃)區(qū)域分布最廣，其次為方案2；從最低溫區(qū)(＜38.69℃)面積大小來(lái)看，方案2的面積最大；從溫度場(chǎng)的平面分布情況來(lái)看，方案2的溫度分布最為均勻。綜合來(lái)看，方案2為最優(yōu)選，即當(dāng)選擇LAI高(6.6)的樹木、喬灌草比例為3:2:0、種植密度為10m時(shí)，能達(dá)到最佳的降溫效果。

圖6 各試驗(yàn)方案的降溫效應(yīng)對(duì)比

圖7 各方案溫度平面分布

2.2 不同植物群落特征對(duì)濕度的影響

2.2.1 不同植物群落特征對(duì)濕度的主次影響

對(duì)不同試驗(yàn)方案空間內(nèi)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1.4m高處的濕度值進(jìn)行極差與方差分析，如表5所示，早上時(shí)段影響空間濕度的試驗(yàn)因素排序?yàn)閱坦嗖荼壤緲淠綥AI＞種植密度(RB＞RA＞RC)。中午和傍晚時(shí)段樹木LAI成為影響濕度的主要因素，原因是此時(shí)段太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，植被通過(guò)樹冠層削弱太陽(yáng)輻射，而樹冠的密實(shí)度與樹木的LAI有關(guān)。方差結(jié)果(表6)表明，中午時(shí)段樹木LAI值(A)的高低對(duì)空間濕度影響顯著(Sig.＜0.05)；早上和傍晚時(shí)段喬灌草的比例(B)對(duì)林蔭空間的濕度變化影響顯著(Sig.=0.05)；種植密度(C)在所有時(shí)段對(duì)濕度變化均無(wú)顯著影響(Sig.＞0.05)。

2.2.2 不同植物群落特征對(duì)濕度的影響趨勢(shì)

如表5所示，樹木LAI各水平對(duì)應(yīng)的濕度平均值在早上時(shí)段的排序?yàn)閗1＜k2＜k3，說(shuō)明樹木LAI與濕度值呈負(fù)相關(guān)；中午和傍晚時(shí)段k值的排序?yàn)閗1＞k2＞k3，說(shuō)明LAI值越大，空間濕度越高。原因是LAI值越高的樹木對(duì)太陽(yáng)輻射削弱的能力越強(qiáng)，空間內(nèi)的蒸發(fā)作用越弱，加之樹木蒸騰作用強(qiáng)，因此濕度高。喬灌草比例各水平的濕度平均值在各時(shí)段的大小均依次為k2＞k3＞k1，說(shuō)明降低灌木層植物的比例，可提高空間的降濕能力。種植密度在不同時(shí)段與空間濕度的影響關(guān)系存在差異，這可能與太陽(yáng)高度角的變化有關(guān)。

2.2.3 不同試驗(yàn)方案對(duì)比及優(yōu)選方案

以福州市烏山氣象站數(shù)據(jù)為參照，對(duì)比各試驗(yàn)方案的降濕效應(yīng)，如圖8所示降濕能力最強(qiáng)的為方案7，其次為方案8。進(jìn)一步對(duì)各試驗(yàn)方案14：00時(shí)段1.4m高度的濕度平面分布做分析，如圖9所示，方案7空間內(nèi)濕度值普遍較低，為最優(yōu)選，即選擇LAI值低(2.2)的樹木，喬灌草比例為3:0:2，種植密度為12m的組合方案降濕效應(yīng)最佳。

圖8 各試驗(yàn)方案的降濕效應(yīng)對(duì)比

圖9 各方案濕度平面分布

2.3 不同植物群落特征對(duì)風(fēng)速的影響

2.3.1 不同植物群落特征對(duì)風(fēng)速的主次影響

對(duì)不同試驗(yàn)方案空間內(nèi)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1.4m高處的風(fēng)速值進(jìn)行極差與方差分析，如表5所示，影響風(fēng)速大小的試驗(yàn)因素排序?yàn)闃淠綥AI＞喬灌草比例＞種植密度(RA＞RB＞RC)。方差分析(表6)結(jié)果表明，樹木LAI(A)的高低與喬灌草比例(B)在所有時(shí)段均對(duì)風(fēng)速影響顯著(Sig.＜0.05)；種植密度(C)僅在早上和中午時(shí)段對(duì)風(fēng)速影響顯著(Sig.＜0.05)。

表6 各因素影響微氣候表征因子的方差分析

2.3.2 不同植物群落特征對(duì)風(fēng)速的影響趨勢(shì)

如表5所示，樹木LAI值與風(fēng)速呈正相關(guān)(k1＞k2＞k3)，這與過(guò)去學(xué)者提出樹木的LAI值與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)的研究結(jié)論不同[6]。樹木的風(fēng)效應(yīng)通過(guò)兩方面產(chǎn)生：1)樹木依托枝葉的阻礙或疏導(dǎo)對(duì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生通風(fēng)或防風(fēng)效應(yīng)；2)樹木通過(guò)局部降溫，使得種植區(qū)域的溫度低于周圍溫度，形成溫度差，從而引起空氣的局部環(huán)流[14]。由此初步推論造成研究差異的原因?yàn)椋罕疚倪x用的樹木模型分枝點(diǎn)較高(4m)，樹冠在1.4m高處對(duì)風(fēng)場(chǎng)無(wú)調(diào)節(jié)作用，主要通過(guò)局部降溫形成的空間溫度差產(chǎn)生風(fēng)效應(yīng)。進(jìn)一步對(duì)各方案14：00時(shí)段立面空間風(fēng)速的分布情況做分析，如圖10所示，各空間內(nèi)樹冠高度(4～15m)處，風(fēng)速大小與樹木LAI值呈負(fù)相關(guān)，這正符合以往的研究；人行高度(1.4m)處的風(fēng)速與樹木LAI值呈正相關(guān)，這與馬夢(mèng)瑤的研究結(jié)論相契合[15]。

圖10 各方案風(fēng)速垂直分布

喬灌草比例各水平的風(fēng)速均值在所有時(shí)段的排序均為k1＞k3＞k2(表5)，說(shuō)明在喬木層占比不變的情況下，降低植物群落結(jié)構(gòu)中灌木的數(shù)量可有效增加空間的通風(fēng)潛力，這與相關(guān)學(xué)者提出灌木對(duì)近地面高度風(fēng)場(chǎng)的調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的觀點(diǎn)相似[16]。種植密度各水平的風(fēng)速均值在所有時(shí)段的排序均為k3＞k2＞k1，即種植密度與風(fēng)速呈負(fù)相 關(guān)。

表5 各因素影響微氣候表征因子的極差分析

2.3.3 不同試驗(yàn)方案對(duì)比及優(yōu)選方案

以福州市烏山氣象站數(shù)據(jù)為參照，對(duì)比各試驗(yàn)方案的風(fēng)速調(diào)節(jié)能力。以增強(qiáng)通風(fēng)效應(yīng)為優(yōu)選目標(biāo)，即優(yōu)先選擇降風(fēng)值小的方案，如圖11所示，各方案的通風(fēng)效果均不佳，呈現(xiàn)防風(fēng)效果。降風(fēng)效應(yīng)由高到低依次為：方案8＞方案9＞方案6＞方案7＞方案5＞方案2＞方案4＞方案1＞方案3。進(jìn)一步對(duì)各方案14：00時(shí)段1.4m高度的風(fēng)速平面分布做分析(圖12)，從高風(fēng)速(1.45～1.60m/s)區(qū)域面積來(lái)看，方案3的面積最大，且低中風(fēng)速(1.15～1.45m/s)區(qū)域范圍小，為最優(yōu)選，即選擇樹木LAI值高(6.6)，喬灌草比例為3:1:1，種植間距為12m的組合方案通風(fēng)效果最佳。

圖11 各試驗(yàn)方案的通風(fēng)效應(yīng)對(duì)比

圖12 各方案風(fēng)速平面分布

3 基于植物群落特征對(duì)夏季林蔭空間微氣候影響的設(shè)計(jì)策略

3.1 注重遮陰樹種選擇，發(fā)揮組合效應(yīng)

構(gòu)建降溫調(diào)濕通風(fēng)能力較佳的林蔭空間，應(yīng)注重遮陰樹種的選擇，宜采用分枝點(diǎn)高于3m、葉面積指數(shù)高、冠幅廣展的高大喬木，如香樟、杧果(Mangifera indica)、杜英(Elaeocarpus decipiens)，此類樹種植物冠層密實(shí)，可有效阻擋、反射太陽(yáng)輻射，減少林下地表對(duì)輻射熱量的吸收[13]，同時(shí)林下空間寬敞，有利于降濕通風(fēng)，在夜晚能促進(jìn)地表快速散熱[17]。樹木LAI的大小對(duì)提升空間的微氣候調(diào)節(jié)能力具有正向的主導(dǎo)影響，同時(shí)應(yīng)綜合考慮樹木的冠幅、樹高、樹形，如小喬木桂花(Osmanthus fragrans)為高葉面積指數(shù)喬木，但其冠幅小，形成的遮陰面積有限，對(duì)太陽(yáng)輻射的阻擋不足，不宜作為主要遮陰喬木。在微氣候條件較差的區(qū)域，可組合栽植高、中葉面積指數(shù)型樹種，如小葉榕(Ficus concinna)、黃葛樹(F.virensvar.sublanceolata)、龍眼(Dimocarpus longan)等，能快速提升該區(qū)域的微氣候調(diào)節(jié)能力。

3.2 控制林下植被綠量，種植疏密得宜

增加植物群落垂直結(jié)構(gòu)中灌木的占比可提升林蔭空間的降溫能力，但由于灌木層對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)起主要阻礙作用，會(huì)減弱空間的通風(fēng)潛力與降濕效果，因此應(yīng)控制灌木層的占比，宜選擇葉面積指數(shù)中等且景觀效果較好品種，如南天竹(Nandina domestica)、紅葉石楠(Photinia×fraseri)、紅花檵木(Loropetalum chinensevar.rubrum)。也可采用高LAI灌木品種與低LAI灌木品種[10]組合種植的方式。

定期觀測(cè)植被的生長(zhǎng)情況，合理控制種植密度。喬木栽植間距過(guò)大會(huì)削弱植被頂界面覆蓋層對(duì)太陽(yáng)輻射的阻擋能力，從而影響空間的微氣候環(huán)境；栽植間距過(guò)小會(huì)造成空間溫濕度、風(fēng)場(chǎng)速度分布不均。喬木種植間距與冠幅比值略大于1:1較為合適。

3.3 基于環(huán)境改善需求，合理配置方案

基于實(shí)地氣候條件，有針對(duì)性地依照微氣候環(huán)境改善需求，選擇適宜的種植搭配方案。以降溫為調(diào)節(jié)目標(biāo)的區(qū)域，方案2為最佳組合，可供參考的配置方案為：1)刺桐(Erythrina variegata)+垂柳(Salix babylonica)+花葉艷山姜(Alpinia zerumbet‘Variegata’)+紅葉石楠+云南黃素馨(Jasminum mesnyi)；2)香樟+白玉蘭(Michelia alba)+垂葉榕(Ficus benjamina)+女貞(Ligustrum lucidum)+紅花檵木+黃金榕球(Ficus microcarpa‘Golden Leaves’)。以降濕為改善目標(biāo)的區(qū)域，方案7為最佳組合，但此方案的溫度調(diào)節(jié)能力不佳。以通風(fēng)為提升目標(biāo)的區(qū)域，應(yīng)控制近地面灌木層植被的數(shù)量，宜采用喬-草栽植形式。

綜合來(lái)看，福州地區(qū)降溫降濕通風(fēng)效果最佳的組合為方案3：選擇葉面積指數(shù)高(6.6)的樹木，喬灌草比例為3:1:1，種植間距為12m(喬木植距:冠幅=4:3)。在實(shí)際方案設(shè)計(jì)中，除微氣候調(diào)節(jié)能力外，樹種優(yōu)勢(shì)度、景觀效果也是重要的考慮因素，根據(jù)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出以下植物配置方案供參考：1)香樟+紅花檵木球+毛杜鵑(Rhododendron championae)+圓蓋陰石蕨(Humata tyermanii)+槲蕨(Drynaria fortune)+沿階草(Ophiopogon bodinieri)；2)杧果+桉樹(Eucalyptus robusta)+亮葉朱蕉(Cordyline fruticosa‘Aichiaka’)+棕竹(Rhapis excelsa)+黃金榕+馬尼拉(Zoysia matrella)；3)杜英+亮葉朱蕉+銀葉金合歡(Acacia podalyriifolia)+麥冬(Ophiopogon japonicus)。

4 結(jié)語(yǔ)

林蔭空間是濕熱地區(qū)城市公園的重要構(gòu)成單位，也是與民眾關(guān)系密切的戶外游憩場(chǎng)所，改善林蔭空間的微氣候環(huán)境質(zhì)量，能提升其對(duì)民眾的吸引力。本文以福州市為例，探究植物群落特征對(duì)林蔭空間溫濕度與風(fēng)速的主次作用、影響趨勢(shì)及最優(yōu)組合方案，并基于研究結(jié)果提出了優(yōu)化策略，為小尺度綠地微氣候研究提供了新的視角。今后還需將城市公園空間中的水體、構(gòu)筑物、下墊層等景觀要素納入研究體系，為城市公園景觀空間的構(gòu)建提供更為完備的理論參考與數(shù)據(jù)支持。注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。