華東熱濕地區四種植物群落類型對降溫效應的影響研究

肖湘東 陳國鳳 董麗 燕海南

隨著城市經濟的高速發展，城市熱島效應越來越凸顯，以往研究表明植物對城市熱島的降溫效應影響明顯。已有研究表明，就植物群落結構類型而言，在所有植物中，針葉林、針闊混交林和竹林的降溫效應最強，日均降溫＞2.3℃，日均增濕效應＞12.4%[1]。結構復雜、郁閉度高、葉面積指數（Leaf Area Index，簡稱LAI）大、植株高的群落比結構簡單、郁閉度低、LAI小、植株矮的群落降溫作用明顯[2]。植物的熱效應還受到氣象因素、綠地特征和植物類型等因素的綜合影響。城市綠地熱效應與其植物構成有直接關系，通常熱效應強度喬木>灌木>草坪，對于復層結構的綠地斑塊，有喬木覆蓋的植物群落,因其遮陰效應降溫效果較為明顯[3]。林永善等采用遙感與GIS相結合的方法研究了蘇州市城市熱島效應的時空變化特征，結果表明，不同的下墊面類型對城市熱島效應的影響有明顯差異，其中人工建筑和裸地的地表溫度最高，林地和農田次之，而水體的溫度最低[4]。Hardin等基于遙感數據反演得到地表溫度，并用簡單線性回歸量化分析夏季LAI和地表溫度變化，結果顯示LAI增加到1.0，地表溫度減少1.3℃[5]。

以往研究多是定性地對喬木、灌木、草坪3種不同的植物群落類型進行研究，很少從定量、植物因子和喬木—灌木—草坪、喬木—硬質鋪裝、喬木—草坪、群喬等4種植物群落類型和無植物全硬質鋪裝類型出發來分析植物群落對降溫效應的影響，因此分析難以準確。為了定量研究植物因子和環境因子的關系，以及空間范圍尺度對這種關系的影響，筆者從植物群落類型出發，研究LAI、三維綠量等植物因子和降溫效應之間的關系，采取多元統計分析、擬合函數研究方法，Rayman1.2、SPASS22.0等軟件進行研究。

1 研究區概況

蘇州市位于中國江蘇省東南部，氣候屬亞熱帶季風性濕潤氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷且濕度較大。蘇州近年來通過引進外資經濟發展很快，同時帶來了城市人口更加集聚，城市化進程加快，造成了城市局部熱環境的變化。

2 研究方法

2.1 測試內容、時間及方法

本研究選擇了26個實驗地，按照5種下墊面類型在每個實驗地設置了5個實驗點（圖1）。在每個實驗點的群落類型中心及其周圍四個方向距地面1.5m處的位置放置測量點，使用TES-1365溫濕度自動記錄儀，將其溫度傳感器置于防輻射罩內，測定群落下的空氣溫度和相對濕度；用數字植物冠層圖像分析儀（美國，CI-110）測定植物的LAI、葉傾角和郁閉度。

本研究采用定點法于夏季對研究區域內各植物群落類型下或局部空氣相關環境因子進行測量。每個測量日選擇午后（13：00—14：00）進行測量，并選擇在微風或靜風（風速≤2m/s）的晴朗天氣。筆者選擇的實驗點遠離水體，因此排除了水體對實驗點降溫效應的影響。

2.2 數據處理與分析

1）LAI（葉面積指數，葉面積/m2）計算。

對主要喬木樹種做4個方位頂角的測量，然后將這4個方位頂角的LAI相加并取其平均值以使數據更準確客觀[5-6,11-12]。運用植物冠層分析儀的配套分析軟件對采集的數據進行分析，用Excel、SPASS22.0、Rayman1.2等軟件進行數據分析處理，剔除偶然因素引起的誤差數據，剩下的數據取平均值計算出LAI。

采用下列公式計算植物群落類型中單株樹木的LAI：

葉面積指數（LAI）=葉片總面積/土地面積

本研究將同種植物群落的LAI和降溫強度進行擬合分析，形成植物群落LAI對降溫效應影響的分析結果。

2）三維綠量計算。

本研究對三維綠量的計算，其中對于不同的樹種， 根據所測樹種的冠徑與冠高數據，代入體積公式算出三維綠量；對于多層結構綠地，通過回歸分析建立相關方程，由該方程求取冠高數據，綜合冠徑和冠高數據代入體積公式求得三維綠量，本研究按照以下公式計算三維綠量值（3D Green Quantity）[7]。

本研究還提取不同實驗點的同種喬木的LAI，將不同實驗點同種植物群落的三維綠量和降溫強度進行擬合分析，形成植物群落三維綠量對降溫效應影響的分析結果。

3）降溫強度。

本研究對不同植物群落在不同日期和不同時刻的微氣候參數進行分析，對空氣溫度等數據進行了以下標準化處理。

降溫強度/℃=Tn-T

式中，Tn為對照點的空氣溫度；T為植物群落下的空氣溫度。

將對照點的空氣溫度減去植物群落下的空氣溫度可得到溫度差（即降溫強度），以此表征植物群落的降溫效應。通過SPSS22.0統計軟件擬合各植物群落的三維綠量與溫度差的數學方程模型，研究植物群落植物因子與降溫效應的關系。

4）生理等效溫度。

本研究采用生理等效溫度（Physiological Equivalent Temperature，簡稱PET）作為人體熱舒適度的分析依據，以往研究主要是基于MEMI模型提出的人體熱舒適度指標（Human Thermal Comfort Index）[8]。基于Rayman1.2軟件，通過溫度、濕度和實驗點魚眼相片等參數計算出26個實驗地的PET值，這是一個反映空氣環境的綜合指標。

3 結果與分析

本研究選擇喬木—灌木—草坪、喬木—草坪、喬木—硬質鋪裝、群喬4種不同的植物群落類型和全硬質鋪裝類型，主要是因為以上5種類型可以基本反映城市綠地下墊面組成情況。筆者分析4種植物群落類型植物因子對降溫效應的影響，而植物因子主要選擇LAI和三維綠量等數據，LAI主要反映植物郁閉度，而三維綠量是植物冠高、冠徑的樹冠立體體積，這2個因子基本能反映植物群落類型的自身特征，PET體現了人體能量平衡和室外空間長波輻射通量的相互關系，是戶外人體熱舒適度的理想評價指標。

3.1 LAI對降溫效應的影響

3.1.1 4種植物群落類型LAI對降溫效應影響

對于喬木—灌木—草坪植物群落而言，擬合數學方程模型為：

y=-0.1029x3+1.3431x2-5.5197x+7.7231（決定系數R2=0.220 2）

研究結果表明，當LAI＜3時，隨著LAI的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應的影響隨之減弱。而當LAI＞3時，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響與LAI呈現正相關關系，其降溫效應隨著LAI的增大而小幅度增強（圖2-1）。

對于群植小喬木植物群落而言，擬合數學方程模型為：

y=0.0461x3-0.8175x2+3.9075x-3.0607（決定系數R2=0.115 7）

研究結果表明，當LAI＜3時，隨著LAI的增大，群植小喬木群落對降溫效應影響隨之增強。而當LAI＞3時，群植小喬木群落對降溫效應的影響與LAI呈現負相關關系，其降溫效應隨著LAI的增大而減弱（圖2-2）。

對于喬木—草坪植物群落，擬合數學方程模型為：

y=0.0395x3-0.3663x2+1.1122x+0.5157（決定系數R2=0.023 1）

研究結果表明，喬木—草坪植物群落類型對降溫效應影響相對平緩，其降溫強度（降溫幅度）達2℃左右。隨著該群落類型的LAI升高，其降溫強度（降溫幅度）小幅度增大（圖2-3）。

對于喬木—硬質鋪裝的植物群落而言，擬合數學方程模型為：

y=0.0065x3-0.1295x2+0.7385x+0.3325（決定系數R2=0.007 4）

研究結果表明，喬木—硬質鋪裝植物群落類型對降溫效應影響整體較為平緩。當LAI＜3時，隨著LAI增大，喬木—硬質鋪裝植物群落類型對降溫效應影響隨之增強。而當LAI＞3時，該群落類型對降溫效應影響基本保持恒定，降溫強度（降溫幅度）維持在2℃左右（圖 2-4）。

3.1.2 LAI顯著性差異分析

圖3顯示了群喬群落類型（LAI3）和喬木—硬質鋪裝群落類型（LAI4）的LAI處于較高水平，這表明植物群落結構層次的豐富度對LAI有一定影響。從實驗地的分布來看，東環路、觀前街和蘇州公園等實驗地的LAI整體處于較低水平，而藝圃、留園、中塘公園和凱賓斯基大酒店等實驗地的LAI整體處于較高水平。4種植物群落類型LAI對降溫效應影響的趨勢排序為：喬木—灌木—草坪群落（LAI1）>群植小喬木群落（LAI3）>喬木—草坪群落（LAI2）>喬木—硬質鋪裝群落（LAI4）。在4種植物群落類型中，擬合曲線基本都是三次函數曲線，這表明植物群落類型LAI和降溫強度并不是完全呈現線性正相關關系，每種植物群落都在幾個臨界值出現，隨著LAI增大，降溫強度差距越大；或者是隨著LAI減小降溫強度越小的現象。根據樣本數據可得，LAI對降溫效應影響的臨界值一般為3，其中群植小喬木群落、 喬木—草坪群落和喬木—硬質鋪裝群落在LAI＜3時，LAI與降溫效應呈正相關關系，LAI＞3時呈負相關關系。而對于喬木—灌木—草坪群落而言的變化趨勢正相反。

1 實驗點平面位置分布圖Plane position distribution map of experimental spots

3.2 三維綠量對降溫效應的影響

將對降溫效應作用較強的植物群落類型和其樹種的樣本信息如樹高、冠幅、基徑、胸徑等數據分類編制成樣本數據文件。依據各個實驗點對降溫效應作用較強的植物群落類型和其樹形，采用相應的三維綠量方程和計算出的三維綠量值，將以上4種植物群落類型的三維綠量值和降溫強度之間分別建立擬合方程模型（表1），形成4種植物群落類型擬合方程及相關性研究，其中一元三次方程中R2值最大為0.282，說明在擬合方程中三維綠量值和降溫強度約有28.2%的數據效果較好。

通過Excel和SPSS22.0統計分析軟件建立各類型樹木群落的三維綠量與降溫強度的擬合數學方程模型，形成結果如下。

3.2.1 4種植物群落類型三維綠量對降溫效應影響

對于喬木—灌木—草坪植物群落而言，擬合數學方程模型為：

y=0.0065x3-0.1295x2+0.7385x+0.3325（決定系數R2=0.007 4）

研究結果表明，當三維綠量<200m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響逐漸增強。當三維綠量>200m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響逐漸減弱。當三維綠量>800m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響逐漸增強（圖4-1）。

對于群植小喬木植物群落而言，擬合數學方程模型為：

2-1 喬—灌—草群落葉面積指數對降溫效應影響擬合分析Fitting graphs for arbor-shrub-lawn community in LAI

2-2 群喬群落葉面積指數對降溫效應影響擬合分析Fitting graphs for group planting with short tree community in LAI

2-3 喬—草群落葉面積指數對降溫效應影響擬合分析Fitting graphs for arbor-lawn community in LAI

2-4 喬—硬群落葉面積指數對降溫效應影響擬合分析Fitting graphs for arbor-hardpavement community in LAI

y=7E-11x3-1E-06x2+0.0027x+1.1053（決定系數R2=0.053 6）

研究結果表明，當三維綠量<1 000m3時，隨著三維綠量的增大，群植小喬木植物群落的降溫效應有所增強；當三維綠量>1 000m3時，隨著三維綠量的增大，群植小喬木植物群落的降溫效應隨之減弱（圖4-2）。

對于喬木—草坪的植物群落而言，擬合數學方程模型為：

y=-6E-08x3+2E-05x2+0.0021x+1.0882（決定系數R2=0.045 2）

研究結果表明，喬木—草坪群落的降溫效應相對平緩，降溫強度在2℃左右。隨著三維綠量升高，喬木—草坪群落的降溫效應小幅度增大（圖4-3）。

對于喬木—硬質鋪裝的植物群落而言，擬合數學方程模型為：

y=1E-07x3-9E-05x2+0.0212x+0.1808（決定系數R2=0.037 6）

研究結果表明，當三維綠量<200m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—硬質鋪裝植物群落的降溫效應隨之增強；而當三維綠量>200m3時，喬木—硬質鋪裝植物群落的三維綠量和其降溫效應呈現線性負相關關系，即該群落降溫效應隨其三維綠量的增大而減小（圖4-4）。

依據之前各群落類型的三維綠量和擬合方程，對4種植物群落類型建立散點圖和擬合曲線圖，該圖顯示三維綠量和降溫強度之間線性相關性較弱，4種植物群落類型的三維綠量影響降溫效應強弱趨勢排序為：群植小喬木群落>喬木—灌木—草坪群落>喬木—草坪群落>喬木—硬質鋪裝群落。在4種植物群落類型中，擬合曲線基本都是三次函數曲線，這表明三維綠量和降溫強度之間并不是呈現線性正相關關系，每種植物群落都在幾個臨界值出現隨著三維綠量的增大，其降溫強度也增大；或者是隨著三維綠量減小，其降溫強度也減小的現象，具體的原因較復雜，應該和環境因子、植物因子等相關，還需要在今后的研究中進一步深入。

3.2.2 三維綠量顯著性差異分析

圖5顯示了喬木—灌木—草坪植物群落（LAI1）和群植小喬木植物群落（LAI3）的三維綠量較大，同時這些植物群落的空氣溫度都處于較低水平，這表明三維綠量與降溫效應之間存在一定的線性正相關關系。而從實驗點分布來看，大部分實驗點的三維綠量近似相等，其中鳳凰街、蘇州大學北校區和蘇州體育中心實驗點的三維綠量偏大，然而這些實驗點的降溫效應并不突出，表明僅從三維綠量并不能判斷該群落的熱環境效應如何。進一步研究表明，三維綠量最高但不一定植物群落的空氣溫度最低，多是三維綠量不是最高值反而植物群落的空氣溫度最低，研究分析了26個實驗地的三維綠量與空氣溫度的關系，三維綠量最低且植物群落空氣溫度最低的實驗點有2個，因此三維綠量最高不一定植物群落空氣溫度最低，雖然三維綠量不是降低溫度的主要因素，但是高綠量對溫度的降低仍具有顯著作用，群喬植物類型三維綠量和空氣溫度之間的關系呈現線性正相關關系，相關性系數為0.63（P<0.01），因此從三維綠量和空氣溫度的關系分析，群喬植物類型仍然是降溫效應較好的植物群落，其次是喬木—草坪和喬木—灌木—草坪植物群落，而喬木—硬質鋪裝群落類型降溫效應較差。研究結果表明，三維綠量最高空氣溫度不一定最低，但是高綠量對溫度的降低是有顯著作用的。

3.3 不同植物群落類型微氣候定量分析

3.3.1 溫度因子顯著性差異分析

圖6顯示在大部分實驗點中，喬木—灌木—草坪群落類型和群植喬木群落類型的空氣溫度處于較低的水平，而無植物全硬質鋪裝類型的空氣溫度處于較低的水平，這說明植物群落類型影響空氣溫度較為顯著，而植物群落中的喬木在降溫方面效果顯著，降溫強度可達到2℃左右。從實驗地分布來看，圓融時代廣場、桐涇公園等實驗地空氣溫度處于較高水平，這些實驗地的共同特性是植物覆蓋度較低，周邊建筑密集，而和風雅致小區、留園、藝圃和網師園等實驗地的空氣溫度整體處于較低水平，這些實驗地的植物覆蓋率較高，且植物群落配置豐富，從而營造出較為舒適的室外熱環境[11,10-13]。

3.3.2 PET顯著性差異分析

圖7顯示所有實驗點的PET數值分布在35～55之間，整體高于空氣溫度值，這說明人體實際感受到的溫度要比空氣溫度更高，尤其是在夏季高溫高濕的狀態下。相對而言，在群喬植物群落類型中，PET數值（PET3）維持了較低的水平，這說明相對于溫濕度、三維綠量等評價指標，在PET這一綜合評價指標方面，群喬植物群落類型表現出較好的生態效益，更可以營造出較為怡人舒適的戶外熱環境。從實驗地分布來看，和風雅致小區、藝圃和留園等實驗地的PET指標整體偏低，這些實驗地植物群落較為豐富，表明植物群落空間結構的完整度與豐富性對小氣候具有一定的良性影響。

3 各實驗地葉面積指數顯著性差異對比分析Comparison and analysis of differences in leaf area index between sample plots

4-1 喬—灌—草群落三維綠量對降溫效應影響擬合分析Fitting graphs of 3D green quantity of arbor-shrub-lawn community on cooling effect

4-2 群喬群落三維綠量對降溫效應影響擬合分析Fitting graphs of 3D green quantity of group planting with short tree community on cooling effect

4-3 喬—草群落三維綠量對降溫效應影響擬合分析Fitting graphs of 3D green quantity of arbor-lawn community on cooling effect

4-4 喬—硬質鋪裝群落三維綠量對降溫效應影響擬合分析Fitting graphs of 3D green quantity of arborhardpavement community on cooling effect

5 各實驗地三維綠量顯著性差異對比分析Comparison and analysis of significant differences in 3D green quantity between sample plots

6 各實驗地空氣溫度顯著性差異對比分析Comparison and analysis of significant differences in air temperature between sample plots

7 各實驗地生理等效溫度顯著性差異對比分析Comparison and analysis of significant differences in physiological equivalent temperature between sample plots

4 結論與討論

植物群落類型對降溫效應影響趨勢分布排序為群喬>喬木—草坪>喬木—硬質鋪裝>喬木—灌木—草坪>全硬質鋪裝；空間類型對降溫效應影響趨勢分布排序為：低密度空間>高密度空間>中密度空間。植物的空間分布對于空氣溫度具有很大的影響。通過擬合各類型植物群落的三維綠量與溫度差而建立的數學方程模型,可以形成如下結論：1）喬木—灌木—草坪群落類型：當三維綠量<200m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響逐漸增強。當三維綠量>200m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響逐漸減弱。當三維綠量>800m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響逐漸增強。2）群喬植物群落類型：當三維綠量<1 000m3時，隨著三維綠量的增大，群植小喬木植物群落的降溫效應有所增強；當三維綠量>1 000m3時，隨著三維綠量的增大，群植小喬木植物群落的降溫效應隨之減弱。3）喬木—草坪群落類型：喬木—草坪群落的降溫效應相對平緩，降溫強度在2℃左右。隨著三維綠量升高，喬木—草坪群落的降溫效應小幅度增大。4）喬木—硬質鋪裝群落類型：當三維綠量<200m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—硬質鋪裝植物群落的降溫效應隨之增強；而當三維綠量>200m3時，喬木—硬質鋪裝植物群落的三維綠量和其降溫效應呈現線性負相關關系，即該群落降溫效應隨其三維綠量的增大而減小。

在4種植物群落類型中，三維綠量和溫度差并不是呈現線性正相關關系，每種植物群落都在幾個臨界值出現，隨著三維綠量增大，溫度差越大；或者是隨著三維綠量越小溫度差越小的現象。喬木—灌木—草坪群落和群植小喬木群落的三維綠量較大，同時其群落空氣溫度整體處于較低水平，表明三維綠量與降溫效應之間存在一定的正相關關系。

所有實驗點的PET數值分布在35～55之間，整體高于空氣溫度值，這說明人體實際感受到的溫度要比空氣溫度更高，尤其是在夏季高溫高濕的狀態下相對而言，在群喬植物群落類型中，PET數值（PET3）維持了較低的水平，這說明相對于溫濕度、三維綠量等評價指標，在生理等效溫度（PET）這一綜合評價指標方面，群喬植物群落類型表現出較好的生態效益，更可以營造出較為怡人舒適的戶外熱環境。

LAI對降溫效應影響的臨界值一般為3，其中群植小喬木群落、 喬木—草坪群落和喬木—硬質鋪裝群落在LAI＜3時，LAI與降溫效應呈正相關關系，LAI>3時呈負相關關系。而對于喬木—灌木—草坪群落而言的變化趨勢正相反。

LAI對降溫效應影響的臨界值一般為3，其中群植小喬木群落、 喬木—草坪群落和喬木—硬質鋪裝群落在LAI<3時，LAI與降溫效應呈正相關關系，LAI>3時呈負相關關系。而對于喬木—灌木—草坪群落而言的變化趨勢正相反。三維綠量對降溫效應影響的臨界值一般為200 m3和1 000m3，三維綠量<200m3或三維綠量>800m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響逐漸增強，隨著三維綠量的增大，喬木—硬質鋪裝植物群落的降溫效應隨之增強。當200m3<三維綠量<800m3時，隨著三維綠量的增大，喬木—灌木—草坪植物群落對降溫效應影響逐漸減弱，喬木—硬質鋪裝植物群落的三維綠量和其降溫效應呈現線性負相關關系，即該群落降溫效應隨其三維綠量的增大而減小。當800m3<三維綠量<1 000m3時，隨著三維綠量的增大，群植小喬木植物群落的降溫效應有所增強；當三維綠量>1 000m3時，隨著三維綠量的增大，群植小喬木植物群落的降溫效應隨之減弱。綜合以上植物群落主要植物因子和生理等效溫度值（PET）揭示了影響降溫效應的內在機制，在喬木—灌木—草坪群落中，LAI>3和三維綠量<200m3或三維綠量>800 m3是影響降溫效應較佳數值范圍，LAI和三維綠量越大，降溫效應越強；在群植小喬木群落中，LAI<3和800m3<三維綠量<1000m3是影響降溫效應較佳數值范圍，LAI和三維綠量越大，降溫效應越強。

通過將4種植物群落類型和無植物全硬質鋪裝類型做對比分析，研究4種植物群落類型的降溫效應，定量地解決了植物群落類型影響降溫效應趨勢分布排序問題和它們影響的內在機制，并解決了樹木冠層結構如何影響戶外熱環境的問題；通過分析植物群落類型影響降溫效應的內在機制，其建立的擬合函數模型為今后合理選擇植物群落類型提供了更多思路。筆者創新點是首次從喬木—灌木—草坪、喬木—硬質鋪裝、喬木—草坪、群喬等4種植物群落類型和全硬質鋪裝類型進行對比分析。筆者可進一步從植物群落類型的植物蒸騰蒸散作用、植物群落冠層溫度等幾個方面綜合研究其對降溫效應的影響。

注釋：

圖1 以蘇州電子地圖（百度地圖）為底圖進行自繪；圖2～7均為作者自繪。