與林內小氣候舒適度相關的城市森林冠層結構指數選擇*

劉海軒 吳 鞠 許麗娟 徐程揚

(北京林業大學林學院 北京 100083)

隨著城市化進程加速及氣候變化影響加劇，城市熱島效應成為十幾年來全球的研究熱點。改變城市形態(Wangetal.,2016)或城市土地利用結構(Connorsetal.,2013)、優化城市森林空間格局(賈寶全等，2016)、提高居住區樹冠覆蓋度(高美蓉等,2014)、改善樹木空間配置(Wuetal.,2017)、優選適宜樹種(Rahmanetal.,2015;Linetal.,2017)等，成為探索解決熱島效應問題的重要途徑。針對緩解地面熱效應和提高人體舒適度要求，如何科學構建城市森林已成為城市森林建設中亟待解決的問題。選擇適宜的城市森林結構指標、理清城市森林結構與人體舒適度關系，是科學構建城市森林的重要基礎(Taleghanietal.,2014；Qinetal.,2014)。

城市熱島效應的研究尺度集中在城市(Estoqueetal.,2017)和城市內典型地段，其中后者以類型間比較為主(Klemmetal.,2015;Rahmanetal.,2015)，但很少建立典型地段城市森林結構與降溫強度或人體舒適度間的關系(苑征，2011；潘劍彬等，2015；劉海軒等，2015；齊石茗月，2016)。有限的研究表明，城市森林舒適度與林分結構顯著相關(苑征，2011；Rahmanetal.,2015)。在結構相似的城市森林中，郁閉度和葉面積指數(潘劍彬等，2015；劉海軒等，2015；齊石茗月，2016)、林分規模(劉海軒等，2015)等結構參數可解釋溫度變化的60%以上，但對舒適度變化的解釋程度一般為20%～30%(齊石茗月，2016)。

由于城市生態系統中綠色基礎設置和灰色基礎設置通常是混雜的，城市森林結構本身變化也非常大。復雜結構林分中人體舒適度是否由多種結構因素共同影響？哪些結構指標是影響林內舒適度的主導因素？仍是待解決的問題。鑒于此，本研究選取6個一維度城市森林冠層結構指標，構建8個多維度冠層結構指數，分別與舒適度建立關系，選擇與舒適度緊密相關的城市森林冠層結構指數，以期為進一步優化城市森林結構、改善城市森林熱環境提供參考。

1 研究區概況

北京市(115.7°—117.4°E,39.4°—41.6°N)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，年均降水量571.9 mm左右，但季節分配不均，主要集中在6—8月。全年平均太陽輻射量112～136 Kcal·cm-2。年均氣溫12.3 ℃，7月最熱，平均氣溫26.2 ℃。

在北京市區內選取8個城市公園和城市森林公園為研究區域，包括朝陽公園、海淀公園、奧體公園、龍潭公園、樹村公園、元大都遺址公園、八家郊野公園和奧林匹克森林公園，研究區域內的林分為喬草結構，多為闊葉混交林，偶有針闊混交林，土壤類型為黃棕壤。受人為清掃影響，林下鮮有枯枝落葉。主要樹種有旱柳(Salixmatsudana)、國槐(Sophorajaponica)、毛白楊(Populustomentosa)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、白蠟(Fraxinusbungeana)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、銀杏(Ginkgobiloba)、臭椿(Ailanthusaltissima)、圓柏(Sabinachinensis)、側柏(Platycladusorientalis)和白皮松(Pinusbungeana)等。

2 研究方法

2.1 樣地布設

在研究區域內選取喬木為主并能為游人提供游憩空間的典型林分，以游客開展休憩、娛樂等活動的適宜面積為參考(苑征，2011；劉海軒等，2015)，布設20 m×20 m的樣地，于每塊樣地外20 m范圍內無其他林分干擾的空地處設置對照點(賈寶全等，2016)，用于觀測林外照度、林外溫濕度、林外風速等。試驗共設置1 444塊樣地，基本涵蓋研究區域內主要林分類型。按胸徑大小范圍劃分，樣地數量和群落基本結構如表1。

2.2 冠層結構指標選擇及數據獲取

參考前人研究結果(賈寶全等，2012;Abreu-harbichetal.,2015;劉海軒等，2015;齊石茗月,2016)，本研究選取葉面積指數(LAI)、平均葉傾角(MTA)、冠層厚度(CTH)、枝下高(UBH)、冠高比(RCT)和冠層通透度(PC)6個冠層結構指標。其中，LAI和MTA采用LAI-2200型冠層分析儀(Li-cor,USA)直接測定，分別表征單位面積上覆蓋的葉片總面積和葉片與水平面的平均夾角；冠層厚度指林木樹高與枝下高差值的均值，表征葉片在垂直空間中的分布狀況；枝下高指林分平均活枝下高，表征冠下空間大小；冠高比為冠層厚度與平均樹高的比值，表征冠層和林下空間的協調程度；冠層通透度為林內平均照度和林外照度的比值，表征冠層透光度。

于2013—2016年的7—8月典型晴天(表2)，調查樣地林分基本結構，并監測林內外氣象因子和光照強度。其中林分基本結構包括樹高、胸徑、冠幅、第一活枝下高、葉面積指數和平均葉傾角等。采用kestrel4000(Kestrel,USA，溫度精度±1.0 ℃，濕度精度±3%，風速精度±3%)記錄林內外空氣溫、濕度和風速，并采用照度計(HT-8318)測定林內外照度(其中測得照度的樣地共558塊)。

表1 基于胸徑大小范圍統計的樣地基本情況Tab.1 Basic information of the sample plots based on the range of DBH

表2 試驗期間天氣狀況①Tab.2 Weather conditions during experimental period

①數據來自天氣后報http://www.tianqihoubao.com.Source of the data is http://www.tianqihoubao.com.

2.3 舒適度指標計算

選取舒適度指標(黃良美等，2008)反映城市森林林內外舒適狀態，計算公式為：

S=0.6×(|T-24|)+0.07×(|Hr-70|)+

0.5×(|v-2|)。

式中：S為綜合舒適度指標，S值越小舒適度越高；T為平均氣溫(℃)；Hr為空氣相對濕度(%)；v為平均風速(m·s-1)。

以Sd表示舒適度相對變化，表達如下：

Sd=(S1-S2)/S2。

式中：S1為林內舒適度；S2為林外舒適度。

2.4 多維度樹冠結構指數構建

氣溫、空氣相對濕度以及風速適中的環境舒適度較高(黃良美等，2008)，而具有濃密樹冠、較高樹冠覆蓋度、良好通風狀況結構的森林會有較高舒適度(劉海軒等，2015)。因此，采用與林內舒適度相關性較高的葉面積指數、平均葉傾角、冠層厚度、枝下高和冠高比這5個一維度結構指標(表3)，分別從冠層結構對熱擴散和林內舒適度影響的角度，構建多維度冠層結構指數：較大的冠層厚度和葉面積指數使林分具有更強蒸騰能力，可帶走大量潛熱，較低的平均葉傾角一方面可阻隔垂直向下的熱輻射，一方面增大了葉片受光面積，增加冠層蒸騰效率，因此從垂直方向上以最大限度增加潛熱的角度構建潛熱擴散結構指數(structure index for latent heat diffuse,SIL)、以增加潛熱降低顯熱的角度構建熱垂直擴散結構指數(structure index for heat vertically diffuse,SIV)；冠下空間大的林分有利于氣體的水平交換，樹高一定，冠高比越大的林分冠下空間越小，阻礙氣流交換，因此從水平方向上影響熱量交換的角度構建熱水平擴散結構指數(structure index for heat horizontally diffuse,SIH)；綜合5項指標對熱量的影響，構建綜合熱擴散結構指數(comprehensive structure index for heat diffuse,CSI)。各指數計算公式如下：

SIV=MTA/(CTH×LAI)；

SIH=UBH/RCT；

SIL=LAI×CTH；

CSI=(MTA×UBH)/(CTH×RCT×LAI)。

SIV越小，林分阻隔顯熱、增加潛熱的能力越高；SIH越小，林分阻隔水平熱氣流的能力越強；SIL越大，林分蒸騰帶走潛熱的能力越強；CSI越小，林分阻隔顯熱、增加潛熱以及通風的能力越強。

選取與舒適度相對變化相關性較高的葉面積指數、冠高比和冠層通透度這3個一維度結構指標(表3)，從冠層結構對林內外熱交換和對舒適度相對變化的影響角度，構建多維度冠層結構指數。對同樣高度的林分來說，高葉面積指數阻礙林冠上下間的氣流交換；冠高比越大，意味著冠層越厚，而樹高較小的樹木枝下高越低，這將在一定程度上阻礙氣流在水平方向的流動(劉海軒等，2015)。因此從林冠層對氣流交換的影響角度構建垂直冠層指數(vertical canopy index，VCI)。通透度較低，意味著林隙少且冠層均勻，葉面積指數大，說明樹冠濃密，阻隔垂直向下的熱輻射，因此以垂直方向上冠層對熱交換的影響角度構建樹冠均勻指數(canopy uniformity index，CU)。冠高比大，一定程度上阻隔了水平方向上林外熱氣流的流入，而較低的通透度可以從垂直方向上減少顯熱，因此從冠層對顯熱的阻礙作用角度構建樹冠垂直均勻指數(canopy vertical evenness index，CVE)。綜合考慮3項指標對熱量的影響構建冠層綜合指數(comprehensive canopy index，CC)。計算公式如下：

VCI=1/(LAI×RCT)；

CU=PC/LAI；

CVE=PC/RCT；

CC=PC/(LAI×RCT)。

VCI越小，冠層對熱氣流交換的阻礙能力越強；CU越小，冠層在垂直方向上阻隔熱輻射的能力越強；CVE越小，冠層降低林內顯熱的作用越強；CC越小，林分冠層阻隔熱輻射，減少熱對流的能力越強。

2.5 數據處理

受林內舒適度和舒適度相對變化取值范圍限制，根據實際觀測結果，對林內舒適度和舒適度相對變化值相同的樣地進行分組平均處理，最終對101組林內舒適度數據和82組舒適度相對變化數據進行分析。使用spss18.0軟件進行相關分析、線性回歸分析，使用Origin8.0軟件繪圖。

3 結果分析

3.1 一維度樹冠結構指標與舒適度的關系

除冠層通透度與林內舒適度不顯著相關外，其他5個樹冠結構指標均與林內舒適度顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(表3)。葉面積指數、平均葉傾角、冠層厚度、平均枝下高和冠高比與林內舒適度的擬合優度整體較低，說明一維結構指標對林內舒適度的解釋度普遍較弱，僅變化在0～30.5%(無顯著相關關系的結構指標對舒適度的解釋力視為0)。

表3 一維度樹冠結構指標與舒適度指標的關系①Tab.3 Relationship between one dimension indicators of canopy structure and comfort index

①LAI:葉面積指數Leaf area index;MTA:平均葉角Mean tilt angle of leaf;CTH:冠層厚度Canopy thickness;UBH:枝下高Under branch height;RCT:冠高比Ratio of canopy thickness to tree height;PC:冠層通透度Permeability of canopy.

葉面積指數、冠高比和冠層通透度與舒適度相對變化極顯著(P<0.01)相關，其他指標與舒適度相對變化無顯著相關關系(表3)。只有冠層通透度和舒適度相對變化的擬合優度較高(R2=0.535)。6個一維結構指標對舒適度相對變化的解釋能力均較弱，變化在0～53.5%(無顯著相關關系的結構指標對舒適度相對變化的解釋力視為0)。

3.2 多維度樹冠結構指數與舒適度的關系

在多維度冠層結構指數中，除潛熱擴散結構指數外，其他3個結構指數均與林內舒適度極顯著(P<0.01)正相關(表4)。相較一維度結構指標，多維度指數與林內舒適度的相關關系有所提升。潛熱擴散結構指數、熱垂直擴散結構指數、熱水平擴散結構指數和綜合熱擴散結構指數等多維度指數對林內舒適度的解釋力變化在0～37.5%(無顯著相關關系的結構指數對舒適度的解釋力視為0)。熱水平擴散結構指數對林內舒適度的解釋力比枝下高提高了22.95%，說明多維度指數提高了對林內舒適度的解釋力。

表4 多維度樹冠結構指數與舒適度指標間的關系①Tab.4 Relationship between multidimensional indices of canopy structure and comfort index

①SIV：熱垂直擴散結果指數Structure index for heat vertically diffuse;SIH:熱水平擴散結構指數Structure index for heat horizontally diffuse;SIL：潛熱擴散結構指標Structure index for latent heat diffuse;CSI：綜合熱擴散結構指數Comprehensive structure index for heat diffuse;VCI:垂直冠層指數Vertical canopy index;CU:樹冠均勻指數Canopy uniformity index;CVE:樹冠垂直均勻指數Canopy vertical evenness index;CC:冠層綜合指數Comprehensive canopy index.

多維度冠層結構指數與舒適度相對變化均極顯著(P<0.01)正相關(表4)，明顯高于一維度結構指標的相關性。4個多維度冠層結構指數對舒適度相對變化的解釋力為30.9%～55.1%。對舒適度相對變化解釋程度最高的指數為樹冠垂直均勻指數(R2=0.572)，相較冠層通透度提高了6.9%。

3.3 多維度樹冠結構指數對舒適度的協同影響

在熱垂直擴散結構指數不變時，林內舒適度隨熱水平擴散結構指數升高而升高；在熱水平擴散結構指數不變時，林內舒適度隨熱垂直擴散結構指數升高而升高(圖1)。70%的樣點分布在誤差限(1倍標準差，下同)以內，2個指數的協同作用對林內舒適度的解釋程度為43.5%，高于單一結構指標和單一結構指數的解釋力。

在垂直冠層指數不變時，舒適度相對變化隨樹冠均勻指數升高而升高；在樹冠均勻指數不變時，舒適度相對變化隨垂直冠層指數升高而升高(圖2)。垂直冠層指數和樹冠均勻指數對舒適度相對變化的解釋程度為57.3%，相較單一結構指數無明顯提升。

圖1 舒適度隨SIV和SIH的變化趨勢Fig.1 Changes of S with SIV and SIH(S=4.78×lg (SIV+1)+26.21×lg (SIH+1)-14.71 ;R2=0.435**)

圖2 舒適度相對變化隨VCI和CU的變化趨勢Fig.2 Changes of Sd with VCI and CU(Sd=0.877×lg (VCI+1)+0.338×lg (CU+1)-0.668 ;R2=0.573**)

圖3 舒適度相對變化隨VCI和CVE的變化趨勢Fig.3 Changes of Sd with VCI and CVE(Sd=1.037×lg (VCI+1)+0.372×lg (CVE+1)-0.896;R2=0.639**)

舒適度相對變化隨樹冠垂直均勻指數和垂直冠層指數升高而升高(圖3)，63.2%的樣點分布在誤差限以內。樹冠垂直均勻指數和垂直冠層指數對舒適度相對變化的解釋程度為63.9%，高于單個結構指標的解釋力。相比樹冠垂直均勻指數，2個指數的協同作用對舒適度相對變化的解釋力提升了11.7%。

4 討論

4.1 一維度冠層結構指標合理性

在一維度結構指標中，對林內舒適度的解釋程度最高的是枝下高。較小的冠下空間一方面有利于增加冠層生態場對林下空間的影響(藺銀頂等，2006)，另一方面增大了林分阻隔林外熱氣流的能力。因此，較低的冠下空間有利于增加舒適度。

在一維度結構指標中，對舒適度相對變化解釋力最強的是冠層通透度。較低的通透度有利于阻隔垂直方向上的熱輻射，導致林內外溫度差異(王昭燕，2008；康滿春，2016)，進而引起林內外舒適差異。

葉面積指數與林內舒適度和舒適度相對變化顯著相關，但對舒適度的解釋力較低。葉面積指數較高的林分有較強蒸騰能力，帶走大量潛熱的同時也會大幅增加林內濕度(Qinetal.,2014)，而在高溫高濕天氣下的較高濕度不利于林內舒適，因此葉面積指數對林內舒適度的代表性較差。

總體來看，單一冠層結構指標無法很好地解釋林下熱舒適。

4.2 多維度冠層結構指數合理性

森林主要通過蒸散帶走潛熱或遮蔭降低顯熱產生降溫效應(Gkatsoploulos,2017)。目前植被蒸散研究主要集中在農田和山區森林，而鮮有城市森林蒸散研究(趙慧穎等,2017;張雪松等，2017)。根據彭曼公式，影響蒸散的因素主要有氣候因素、植被指數、地理位置和冠層結構等。那么據此推測城市森林冠層結構對能量流動的影響，郁閉度高并枝繁葉茂的樹冠可增大林分的遮蔭性和蒸騰能力，既可以阻隔太陽輻射又可以帶走大量潛熱。本研究從能量平衡角度構建了多維度冠層結構指數，并分析表明多維冠層結構指數對舒適度具有較高代表性。在多維度冠層結構指數中，熱水平擴散結構指數對林內舒適度的解釋力最大。因為熱水平擴散結構指數降低，可阻隔林外熱氣流，同時利于狹管風形成(楊德江等，2008；辛渝等，2015)，使林下保持較低溫度，利于提高林下舒適度。樹冠垂直均勻指數對舒適度相對變化解釋程度最高，這是因為較低的樹冠垂直均勻指數可在垂直和水平方向上最大限度地降低林分和環境間的熱交換，利于維持林下舒適氣候。

熱垂直擴散結構指數和熱水平擴散結構指數是根據林下舒適狀態構建的多維度冠層結構指數；垂直冠層指數和樹冠垂直均勻指數是根據結構對舒適度的作用強度構建的多維度冠層結構指數。這些多維度指數對林內舒適度和舒適度相對變化影響的普遍適用性，有待進一步研究。

多維度結構指數對舒適度指標的解釋程度高于單一結構指標和結構指數，說明林分對舒適度的影響是多個指數共同作用的結果。此外，本研究構建的多維度指數對舒適度的解釋力最高達到63.9%，說明仍有36.1%的舒適度變化是由其他因子引起的。盡管不同結構城市森林可對氣候舒適度產生顯著影響，但影響氣候舒適度的原因多樣，如水面及其大小(彭保發等，2013)、不透水地面大小及其面積比例(Connorsetal.,2013)、城市建筑容積率(應天玉等，2010)、建筑表面材料對陽光的反射能力(姚玉龍等，2013)等。作為綠色基礎設施，城市森林與建筑等灰色基礎設施通常是融為一體的。本研究在各樣點調查冠層結構時，盡量避開周邊灰色基礎設施，但仍難以排除其影響，因此，欲通過城市森林結構準確預測林內舒適度，需將周邊灰色基礎設施考慮在內。如何構建包含灰色基礎設施在內的城市森林生態系統結構指數，以及這類指數是否能更準確地預測林內舒適度，還有待進一步研究。

4.3 舒適度指數選擇

目前評價人體舒適度應用最廣的是舒適指數或不適指數(齊石茗月，2016)，主要適用于無遮擋的戶外環境，而本研究在北京城市森林中開展，因此選用在南寧市試驗得出的群落舒適指數(黃良美等，2008)作為評價城市森林舒適度的指標。群落舒適度評價法是根據人在森林群落中對氣象環境的真實感受擬合成溫度、濕度、風速與舒適度的關系式，再根據關系式計算群落舒適等級，據此評判森林群落內的舒適程度，評判結果主要受群落結構影響，而主要氣象因子(溫度、濕度、風速)已考慮在關系式中，所以評判結果受南北方氣象條件差異的影響較小。

5 結論

1) 與林內舒適度相關性較高的一維度結構指標為葉面積指數、平均葉傾角、冠層厚度、枝下高和冠高比；與舒適度相對變化顯著相關的一維度結構指標為葉面積指數、冠高比和冠層通透度。

2) 與林內舒適度相關性較高的多維度結構指數為熱垂直擴散結構指數、熱水平擴散結構指數和綜合熱擴散結構指數；與舒適度相對變化顯著相關的多維度結構指數有垂直冠層指數、樹冠均勻指數、樹冠垂直均勻指數和冠層綜合指數。

3) 多維度冠層結構指數對舒適度的解釋力高于一維度冠層結構指標，在本研究范圍內，使用多維度指數代表舒適度比一維度指標更合理，多維度冠層結構指數的應用將為優化城市森林結構提供參考。