3種典型道路景觀林對諸城市夏季小氣候條件的影響

李坤 ，李傳榮 ，許景偉，郭慧玲，陳玉，韓濱，趙玉堯，張彩虹 ?

城市森林是指城市地域內(nèi)的各種樹木及其相關(guān)植被（彭鎮(zhèn)華，2003），道路林是城市森林的重要組成部分。隨著城市化的發(fā)展，城市道路不斷加長拓寬，道路兩旁的道路林面積也隨之不斷增加。與自然植被群落結(jié)構(gòu)相比，城市道路林結(jié)構(gòu)簡單，物種單一，面積較小，植物配置較規(guī)整，是主要的城市生態(tài)廊道之一，具有阻隔和分散城市熱島效應(yīng)的作用（朱春陽等，2011）。

小氣候是指在相同的大氣候和局地氣候范圍內(nèi)，由于地形、土壤和植被等下墊面構(gòu)造和特性的差異，引起水熱收支不同，從而形成的近地層特殊氣候（沈運(yùn)擴(kuò)等，2014）。不同的植被群落通過屏障、輻射、蒸騰等作用，影響其周圍近地面小氣候，從而調(diào)節(jié)整個群落內(nèi)水分、熱量分配，進(jìn)而形成當(dāng)?shù)靥厥庑夂?。相反，小氣候特征又制約植物器官的生長發(fā)育、光合生理、植物蒸騰等生命活動（司建華等，2005）。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對森林、草地、農(nóng)田、濕地、湖泊、城市等不同生態(tài)系統(tǒng)的小氣候進(jìn)行了大量研究（武小鋼等，2008；王霞等，2017；張遠(yuǎn)彬等，2006；王霞等，2017），但是對城市森林小氣候的研究較少，且起步較晚（徐文鐸等，2005）。由于城市環(huán)境日益惡化，霧霾天氣不斷加重，人們對城市森林生態(tài)效益的關(guān)注越來越多，城市森林小氣候研究已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注（武小鋼等，2008；Greene et al.，2017）。前人對城市森林的研究主要涉及省會大城市森林降溫增濕效應(yīng)（李英漢等，2011；張波等，2017），城市下墊面綠化分量與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系（朱春陽等，2011），城市溫濕度變化與植被覆蓋之間的關(guān)系（朱春陽等，2011；Greene et al.，2017）等，研究對象主要集中在森林公園。但是在城市中道路林所占的比重較高，其發(fā)揮的生態(tài)功能越來越顯著，具有明顯的微氣候調(diào)節(jié)功能（張波等，2017），在水平和垂直方向上其降溫增濕效果顯著（郭偉等，2008）。目前針對城市道路林內(nèi)小氣候的研究主要集中在林帶寬度對小氣候的影響（盧薪升等，2016；陳佳瀛，2005），林帶結(jié)構(gòu)與溫濕效應(yīng)的關(guān)系（朱春陽等，2011）等方面。研究表明，樹種和群落類型之間的差異對小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)顯著（Bowler et al.，2010），總體上表明“喬-灌-草”型降溫增濕效果顯著。但是不同類型的“喬-灌-草”所表現(xiàn)出的差異仍值得關(guān)注。在實際應(yīng)用中，由于受道路本身的寬度制約，林帶寬度受到嚴(yán)格的限制，根據(jù)前人的研究結(jié)果，本研究探討不同“喬-灌-草”型道路林對小氣候的改善效應(yīng)，及其在白天的動態(tài)變化。

山東省諸城市的市域林木覆蓋率達(dá)到39.1%，城區(qū)綠化覆蓋率達(dá)到 44%，水岸林木綠化率達(dá)到90%以上。其中道路景觀林在上述覆蓋率中占據(jù)較大的比例。因此，本文選取諸城市典型道路林作為研究對象，旨在闡明道路林對空氣溫濕度和負(fù)氧離子濃度的影響及空間變化趨勢，為該地區(qū)道路林的建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省諸城市位于山東半島東南部，泰沂山脈與 膠 濰 平 原 交 界 處 ， 地 理 范 圍 為 35°42′23″～36°21′05″N，119°0′19″～119°43′56″E。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)區(qū)半濕潤氣候，四季分明，冬冷夏熱，光照充足。夏季降水較多，占全年降水量的 60%以上。其自然植被以雜草為主，其次為落葉灌木。木本植物主要有楊（Populus）、槐（Sophora japonica）、桐（Vernicia fordii）、柳（Salix babylonica）、榆（Ulmus pumila）、松（Pinus）、楸（Catalpa bungei）、椿（Ailanthus altissima）、蘋果（Malus pumila）、桃（Amygdalus persica）、梨（Pyrus）、棗（Ziziphus jujuba）、杏（Armeniaca vulgaris）、板栗（Castanea mollissima）、山楂（Crataegus pinnatifida）等。行道樹植被以喬木和灌木樹種為主，包括側(cè)柏（Platycladus orientalis）、龍柏（Sabina chinensis cv.Kaizuca）、紫荊（Cercis chinensis）、紫葉李（Prunus cerasifera）、雪松（Cedrus deodara）、楊樹等。

1.2 試驗材料與試驗設(shè)計

在諸城市選取3類樹種搭配不同的道路景觀林——龍柏道路景觀林（SCRF）、側(cè)柏道路景觀林（PORF）和楊樹道路景觀林（PLRF）作為研究對象。根據(jù)道路景觀林長勢、密度、郁閉度和道路林寬度的不同，每一種類型在同一條主干路上設(shè)置3種配置結(jié)構(gòu)的樣地，每個樣地 3個重復(fù)。樣地的具體情況見表1。于2014年7月24—30日選取天氣狀況一致的3天進(jìn)行連續(xù)觀測（25號、28號和30號，天氣晴朗），每天分別于07:30、09:30、11:30、13:30、15:30、17:30 等 6個時間段測定環(huán)境因子（空氣溫濕度、土壤溫濕度、負(fù)氧離子、土壤緊實度和太陽輻射）的變化。每次測定時，均在林內(nèi)、林中和林外3個不同的位置各測定1次。其中，不同道路景觀林測定距離地面1.5 m處的負(fù)氧離子含量，同步測定空氣溫濕度、負(fù)氧離子含量和太陽輻射，以及土壤溫濕度等指標(biāo)。由于林外是柏油路，未同步測定土壤指標(biāo)。

1.3 測定項目

土壤溫度、濕度和土壤緊實度使用土壤緊實度測量儀（TJSD-750-Ⅱ，中國）進(jìn)行測定，空氣溫度和濕度使用手持氣象站（NK4000，美國）進(jìn)行測定，太陽輻射強(qiáng)度使用總輻射表（TBQ-2，中國）進(jìn)行測定，空氣負(fù)氧離子濃度使用負(fù)離子儀（ITC-201A，日本）進(jìn)行測定。同時調(diào)查不同道路景觀林的群落結(jié)構(gòu)，主要包括胸徑、株高、地徑、冠幅、郁閉度。

表1 樣地基本情況描述Table 1 The general situation of the sample

1.4 統(tǒng)計分析

運(yùn)用SPSS 17.0對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析法比較道路景觀林之間空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、土壤緊實度、太陽輻射強(qiáng)度、空氣負(fù)氧離子含量的顯著性水平。運(yùn)用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 不同道路景觀林對太陽輻射強(qiáng)度的影響

3種道路景觀林均顯著降低了太陽輻射強(qiáng)度（F=23.124，P=0.000），側(cè)柏道路景觀林下降幅度最大。側(cè)柏道路景觀林的太陽輻射強(qiáng)度顯著低于其他兩種景觀林，而龍柏道路景觀林和楊樹道路景觀林的太陽輻射強(qiáng)度之間沒有顯著差異（圖1A）。這是因為側(cè)柏道路景觀林的郁閉度較大。

圖1 不同道路景觀林內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度變化Fig. 1 Daily course of solar radiation under different road landscape forest不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著（P＜0.05）；**，P＜0.01；*，P＜0.05Different letters are significantly different (P＜0.05), **, P＜0.01,n=216

從圖1B可知，白天各時間段（除17:30外），3種道路景觀林及空地之間的太陽輻射強(qiáng)度差異極顯著（F=4.518，P=0.010；F=14.623，P=0.000；F=13.898，P=0.000；F=7.740，P=0.001；F=8.677，P=0.000；F=3.072，P=0.042）?？盏?、龍柏道路景觀林和側(cè)柏道路景觀林內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度在中午前后達(dá)到最大值，而楊樹道路景觀林內(nèi)太陽輻射最大值則出現(xiàn)在上午9:30（圖1B）。

2.2 不同道路景觀林對空氣溫、濕度的影響

從日變化來看，3種道路景觀林的空氣溫、濕度在白天中的差異較大（圖2）。白天中，3種景觀林的空氣溫度均呈現(xiàn)出先增加后降低的單峰變化，并且7:30、11:30及13:30 3種道路景觀林空氣溫度之間差異不顯著（F=0.725，P=0.545；F=1.395，P=0.261；F=0.596，P=0.622），而在 9:30、15:30和 17:30三者空氣溫度差異顯著（F=4.319，P=0.011；F=16.990，P=0.000；F=7.452，P=0.001）。上午，龍柏道路景觀林的空氣溫度均高于其他兩種景觀林，增長較快，隨后在下午急速下降且一直處于較低水平。楊樹道路景觀林的空氣溫度增長速度較慢，在15:30才達(dá)到最大值，且午后一直處于較高狀態(tài)（圖2A）。側(cè)柏和龍柏道路景觀林空氣溫度峰值出現(xiàn)在 11:30，與太陽輻射一致，空地峰值比太陽輻射推遲 2 h，楊樹道路景觀林峰值比空地延遲2 h。

圖2 不同道路景觀林空氣溫、濕度日變化Fig. 2 Daily course of air and soil temperature under different road landscape forests**, P＜0.01; *, P＜0.05. n=216

相反，白天中，3種景觀林的空氣濕度呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，呈近“U”型曲線，且3種景觀林空氣濕度的變化與空氣溫度的變化相反（圖2B）。上午，龍柏道路景觀林的空氣濕度均低于其他兩種景觀林，降低速度較快，隨后在下午急速上升且一直處于較高狀態(tài)。楊樹道路景觀林的空氣濕度降低速度較慢，15:30才達(dá)到最小值，且午后一直處于較低狀態(tài)。此外，除上午7:30和11:30外，多數(shù)時刻3種道路景觀林的空氣濕度之間差異顯著（F=3.932，P=0.016；F=3.696，P=0.021；F=2.915，P=0.048；F=13.155，P=0.000）（圖 2B）。

與空地相比，側(cè)柏道路景觀林降低了空氣溫度，提高了空氣濕度。楊樹道路景觀林在上午具有降低空氣溫度、提高空氣濕度的作用。龍柏道路林在下午具有降低空氣溫度、提高空氣濕度的作用（圖2）。

2.3 不同道路景觀林對空氣負(fù)氧離子含量的影響

圖3 不同道路景觀林內(nèi)負(fù)氧離子含量變化Fig. 3 Comparison of negative oxygen ion of the different road landscape forest不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著（P＜0.05）；**，P＜0.01；*，P＜0.05。n=216Different letters are significantly different (P＜0.05). **, P＜0.01; *,P＜0.05

從圖3A可知，3種道路景觀林對空氣負(fù)氧離子濃度的影響不同。以空地作為對照，龍柏道路景觀林能顯著提高空氣負(fù)氧離子濃度，而側(cè)柏道路景觀林和楊樹道路景觀林則顯著降低了空氣負(fù)氧離子濃度（F=32.536，P=0.000）。側(cè)柏道路景觀林和楊樹道路景觀林之間空氣負(fù)氧離子濃度差異不顯著。

從空氣負(fù)氧離子濃度的日變化來看，龍柏道路景觀林和空地中空氣負(fù)氧離子濃度變化較大，側(cè)柏道路景觀林和楊樹道路林內(nèi)空氣負(fù)氧離子濃度變化較小。白天中，中午左右的空氣負(fù)氧離子濃度較低，早晚濃度較高，特別是龍柏道路景觀林表現(xiàn)得尤其突出（圖 3B）。3種道路景觀林內(nèi)空氣負(fù)氧離子濃度在白天中均表現(xiàn)出了顯著差異（F=10.633，P=0.000；F=11.720，P=0.000；F=3.986，P=0.018；F=18.403，P=0.000；F=3.158，P=0.040；F=8.676，P=0.000）。

2.4 不同道路景觀林對小氣候的影響

從表2可知，不同的道路景觀林對城市小氣候的影響不同。3種道路景觀林對空氣溫度和空氣濕度并未產(chǎn)生顯著的影響，對土壤溫濕度影響顯著。龍柏道路景觀林和楊樹道路景觀林具有較高的土壤溫度和較低的土壤濕度。側(cè)柏道路景觀林能顯著降低土壤溫度，顯著提高土壤濕度，降低土壤緊實度，對城市道路土壤有一定的改良作用。

2.5 植被特征與林內(nèi)小氣候的相關(guān)關(guān)系

從表3可知，道路景觀林內(nèi)空氣溫度與郁閉度、空氣濕度呈負(fù)相關(guān)（r=-0.511，r=-0.583），與太陽輻射強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)（r=0.680，P=0.044）；景觀林內(nèi)空氣濕度與負(fù)氧離子濃度呈正相關(guān)（r=0.578，P=0.051）；太陽輻射強(qiáng)度與郁閉度呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.900，P=0.000），與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（r=-0.931，P=0.000），與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.685，P=0.021）；土壤溫度與郁閉度、土壤濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.822，P=0.003；r=-0.798，P=0.005）。

表2 3種典型道路景觀林對城市小氣候的影響Table 2 Effect of three road landscape forests on Microclimate

表3 植被狀況與小氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系Table 3 Relationship between the microclimate and plant

3 討論和結(jié)論

3.1 討論

城市道路景觀林的構(gòu)建改變了地面的輻射狀況及近地面大氣的分布狀況，改變了道路附近大氣的熱力學(xué)特性，形成局地小氣候，引起道路景觀林周圍空氣溫濕度的變化（徐文鐸等，2005；郝興宇等，2007）。本研究結(jié)果顯示，太陽輻射強(qiáng)度日變化呈現(xiàn)倒“U”型曲線，峰值出現(xiàn)在 12:00左右，且3種道路景觀林均顯著降低了太陽輻射強(qiáng)度，特別是側(cè)柏道路景觀林的降低幅度最大（圖1），與沈運(yùn)擴(kuò)等（2014）的結(jié)果一致。夏季，太陽輻射強(qiáng)度日變化受到下墊面植被冠層、葉面積和葉特性等因素的影響，特別是植被葉面積（沈運(yùn)擴(kuò)等，2014）。同時，本研究結(jié)果顯示，城市道路林內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度與林內(nèi)郁閉度呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.900，表3），植被上層對太陽輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，使林內(nèi)的太陽輻射總量減少。太陽輻射的熱量通過地上植被到達(dá)土壤表面，不同植被類型引起土壤溫度的不同變化，土壤溫度與郁閉度呈顯著負(fù)相關(guān)、與太陽輻射強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)（表3）。此外，植被有助于減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)作用，加之植被蒸騰，有利于提高土壤保水能力，從而提高土壤濕度（司建華等，2005）。土壤溫濕度的變化將影響土壤微生物的活動、群落結(jié)構(gòu)，影響分解過程，進(jìn)而影響整個生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程（Purahong et al.，2016）。本研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)柏道路景觀林土壤緊實度顯著小于其他兩種道路景觀林，從而導(dǎo)致其土壤濕度顯著高于其他兩種道路景觀林，因此側(cè)柏道路林生長狀況良好，降低了局地的太陽輻射強(qiáng)度和土壤溫度（表2）。而楊樹道路林主要由喬木組成，下層無灌木和草本，人為干擾較強(qiáng)烈，故其土壤緊實度最大。緊實的干旱土壤通常具有較高的機(jī)械阻力（Young et al.，1997），導(dǎo)致土壤孔隙度變小、土壤氧含量降低，以及根系呼吸受抑制（尚慶文等，2008），從而減緩根系生長速度，最終影響植物對水分和養(yǎng)分的吸收以及植物葉、根等的生長發(fā)育狀況（劉晚茍等，2001；張國紅等，2006）。

側(cè)柏道路景觀林降低了空氣溫度，提高了空氣濕度。楊樹道路景觀林在上午具有降低空氣溫度、提高空氣濕度的作用。龍柏道路景觀林在下午具有降低空氣溫度、提高空氣濕度的作用（圖2）。前人的結(jié)果顯示，城市森林具有明顯的降溫增濕效應(yīng)（武小鋼等，2008；Armson et al.，2012；張波等，2017），特別在夏季這種效應(yīng)更大（Hamada et al.，2013；Wang et al.，2015；張波等，2017），且受到土地覆蓋類型和植被不同配置模式的影響（朱春陽等，2011；李英漢等，2011；Hamada et al.，2013；Greene et al.，2017）。周立晨等（2005）對上海園林綠地植被結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)喬木的郁閉度與空氣溫度的下降幅度呈顯著正相關(guān)，與空氣相對濕度的上升幅度呈顯著正相關(guān)。本研究亦得出類似的結(jié)論，空氣溫度與道路林郁閉度呈負(fù)相關(guān)（r=-0.511，表 3）空氣溫度最高值出現(xiàn)時間一般遲于太陽輻射最高值，這也與徐文鐸等（2005）研究結(jié)果一致。城市道路林均有降溫增濕的效應(yīng)，主要是植被作用的結(jié)果，一方面植被通過蒸騰作用吸收大量熱量，降低空氣溫度（席永波，2007）；另一方面植被通過吸收、反射、遮蔭等對太陽輻射進(jìn)行再分配，使到達(dá)地面的太陽輻射量降低，進(jìn)而降低空氣溫度（沈運(yùn)擴(kuò)等，2014）。由于道路林的擋風(fēng)作用使林內(nèi)風(fēng)速減弱，加上空氣溫度較低，使植被蒸騰和土壤蒸發(fā)的水分能長時間停留在近地面空氣中，從而提高林內(nèi)的空氣濕度（陳宏志等，2007；沈運(yùn)擴(kuò)等，2014）。然而，本研究并沒有得出與其一致的結(jié)論，可能的原因是空氣溫濕度除了受植物的影響外，還受到其他氣象因素的影響（沈運(yùn)擴(kuò)等，2014）或道路車流量的影響（郭偉等，2008；王業(yè)寧等，2017；張波等，2017）。

空氣負(fù)氧離子是空氣中的氧分子結(jié)合了自由電子而形成的（曾曙才等，2007），具有良好的生態(tài)和保健效益，同時也作為評價生態(tài)環(huán)境清潔程度的重要指標(biāo)（熊麗君等，2013）。空氣負(fù)離子具有較強(qiáng)的時空異質(zhì)性，與所處的群落類型和群落小氣候關(guān)系密切（劉新等，2011），主要包括空氣溫濕度、太陽輻射強(qiáng)度、林分類型和郁閉度等（韋朝領(lǐng)等，2006；朱春陽等，2012；鄧成等，2015）。城市道路林的建設(shè)可以增加周邊環(huán)境中的負(fù)氧離子濃度（吳仁燁等，2011)。本研究表明，龍柏道路景觀林負(fù)氧離子濃度顯著高于空地和其他道路林，主要是因為針葉林中負(fù)氧離子含量高于闊葉林（王順利等，2010），且龍柏道路景觀林的群落結(jié)構(gòu)更復(fù)雜（鄧成等，2015；劉宇等，2015）。此外，本研究結(jié)果顯示側(cè)柏和楊樹道路景觀林空氣負(fù)氧離子濃度低于空地，可能是由于這兩個林型處于交通主干道，車輛較多，其尾氣排放降低了空氣負(fù)氧離子濃度（馮鵬飛等，2015；陳雷等，2015）。本研究表明，負(fù)氧離子濃度與郁閉度呈正相關(guān)，其中龍柏道路景觀林郁閉度為0.56，側(cè)柏道路景觀林為0.80，楊樹道路景觀林為0.51，而當(dāng)林分郁閉度為0.5時，其凈化空氣能力最強(qiáng)（朱春陽等，2012；鄧成等，2015），但是本研究中楊樹道林中的負(fù)氧離子反而較低，主要和側(cè)柏道路景觀林的群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較低相關(guān)（劉宇等，2015）。本研究表明，空氣的負(fù)離子濃度與濕度呈顯著正相關(guān)，與空氣溫度呈正相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平，與太陽輻射強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，這在很多研究中已得到證實（張建國等，2016；袁相洋等，2014；王非等，2016）。這主要是因為相對濕度增加，吸附了大氣中的離子，形成凝結(jié)核，增加了大氣中大離子的濃度，從而增加了大氣負(fù)氧離子濃度（錢昊鐘等，2014）。太陽輻射強(qiáng)度的增加使得空氣中的污染物在強(qiáng)烈紫外線的照射下發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，從而加劇污染，污染物在擴(kuò)散的過程中又吸附了大量的空氣負(fù)離子，故空氣負(fù)離子濃度顯著降低（袁相洋等，2014）?？諝庳?fù)氧離子濃度在白天中具有一定的波動，最低值一般出現(xiàn)在中午（圖3），這與其他研究結(jié)果一致（曹建新等，2017；陳雷等，2015），這主要是中午植物光合作用較弱、道路車流量較大共同作用的結(jié)果。

3.2 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，道路景觀林能夠顯著改善局地小氣候，但其對不同小氣候因子的影響存在差異。龍柏道路景觀林、側(cè)柏道路景觀林和楊樹道路景觀林均能降低了太陽輻射強(qiáng)度，側(cè)柏林降低效果最大，降低了85.56%；道路林在不同時段均有降溫增濕的作用，側(cè)柏林效果顯著；龍柏道路林能顯著提高空氣負(fù)氧離子濃度，而側(cè)柏道路林和楊樹道路林則顯著降低了空氣負(fù)氧離子濃度。相關(guān)性分析表明，太陽輻射強(qiáng)度、空氣溫度、土壤溫度與道路景觀林郁閉度存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

本研究表明，側(cè)柏林對小氣候具有良好的改善作用，因此在諸城市的道路林建設(shè)中可以適當(dāng)提高其比例；就負(fù)氧離子濃度而言，龍柏林增加效果顯著，且龍柏?fù)]發(fā)物對人類有良好的保健作用（Li et al.，2014；Li et al.，2016），因此可在靠近行人道或者森林公園處種植；楊樹道路林對小氣候的改善效果不顯著，可盡量減少楊樹道路林的建設(shè)或者考慮增加其林下植被的數(shù)量（如龍柏）。綜上，在城市道路林建設(shè)過程中應(yīng)充分考慮其小氣候效應(yīng)和保健功能，增加多功能林型和復(fù)式結(jié)構(gòu)的建設(shè)。

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