地表覆蓋對局部環境熱效應的貢獻

鄭 燚,李素艷,孫向陽,李嘯沖,周 偉,范志輝,田 琴

(北京林業大學 林學院,北京 100083)

隨著全球氣候變暖和城市化進程的加快，城市中水泥、瀝青等不透水下墊面的增多，土地利用類型的改變，一步步加劇了城市的熱島效應[1-2]。熱島效應是城市化過程帶來的一種生態環境效應，主要表現為城市溫度高于相鄰郊區溫度，它嚴重影響了城市居民的生活環境和質量[3]。一方面，當今城市環境中林地、綠地和水域面積不斷減少，土地利用和覆蓋的改變，加劇了熱島效應[4-5]。另一方面，城市環境中裸露土地面積不斷增多。以北京市為例，2017年冬季五環以內裸土面積高達99.33 km2，裸露現象極為明顯[6]。這些裸露土地由于土壤緊實，缺少養分，不生雜草，更難以形成綠地，這也變相地加劇了熱島效應[7-8]。目前在城市環境中，多采用有機覆蓋物這種生態型的“地膜”對裸露土壤進行覆蓋，美化環境的同時也節約養護成本。雖然不少學者先后研究了常見下墊面(水泥地、草地和裸地等)地表溫度的變化特征及熱效應的貢獻情況[9-10]，但至今還未有關于裸土有機覆蓋后對局部環境熱效應的變化研究。為此，本文將2種染色的有機覆蓋材料鋪設于城市園林中的部分裸露砂壤土，以未鋪設的裸土為對照，通過氣象資料觀測法記錄夏季(6—8月)3種下墊面地表溫度和氣溫的變化，研究它們對局部環境熱效應的貢獻情況。旨為優化城市環境中裸土覆蓋材料，改善下墊面熱屬性以及減緩局部環境熱效應提供一定的參考。

1 研究區概況

試驗區位于北京市海淀區圓明園遺址公園文源閣(地理坐標為40°01′56″N,116°30′42″E)南側的空曠裸露地塊，試驗區土壤物理、化學性質較差，幾乎不生雜草。周邊無高大喬木遮擋，面積約1 600 m2，氣候為溫帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均降水量約為630 mm，主要集中在6—9月，年平均氣溫約為11.6 °C，最熱月7月平均氣溫25.9 ℃。試驗區土壤的質地名稱為砂壤土[11]，各粒級土粒含量為：砂粒(1～0.05 mm)36.67%，粗粉粒(0.05～0.01 mm)39.04%，細黏粒(<0.001 mm)24.29%。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

有機覆蓋物，英文為“mulch”，音譯為“摩奇”，購于北京荔馳有機覆蓋物公司，它以園林綠化產生的剩余有機物為原料，經過粉粹、殺蟲滅菌、拉絲和染色加工后，得到的一種彩色有機覆蓋材料，規格約為5 cm×2 cm×1 cm。鋪設于裸露砂壤土的摩奇覆蓋材料分為紅色和黃色2種，采用美國環保、無毒植物顏料將其染色，是為了美化園林景觀。

2.2 試驗設計

2019年4月，將2種顏色摩奇覆蓋材料，分別鋪設在試驗區的部分裸露砂壤土，鋪設厚度為5 cm，對照為裸露砂壤土。每個區域面積約500 m2且保持相近，最大程度地保證了觀測尺度和氣溫的穩定。摩奇覆蓋材料和覆蓋試驗區如圖1所示。

圖1 摩奇覆蓋材料和覆蓋試驗區

2.3 研究方法

2.3.1 地表氣象資料觀測法 以下墊面的地表溫度來反映對局部熱效應的貢獻程度[12-13]。

2.3.2 觀測方法 氣象觀測時間為2019年6—8月期間的晴朗日子，具體時間為每天09：15—16：45，測量間隔30 min。具體觀測方法為，隨機選擇較平整的下墊面，在離地面1 m高度處使用手持紅外熱像儀(型號HT-02，浙江衢州艾普計量儀器有限公司，測量精度：0.1 ℃)對其垂直拍照，記錄其溫度，重復5次；同時記錄對應時刻的氣溫，氣溫數據由距離試驗覆蓋區約50 m處的實時溫濕度儀獲得，由于距離較近，認定實時溫濕度儀顯示的氣溫與試驗區氣溫相同，即各種因素影響下的混合氣溫。

2.3.3 數據分析處理 采用Excel 2003處理數據并繪制圖表。用SAS 8.0進行單因素方差分析，不同處理間多重比較采用Tukey法，并用字母法進行標記(p<0.01)。用R語言對3種下墊面地表溫度與氣溫變化建立一般線性模型。

3 結果與分析

3.1 夏季(6-8月)3種下墊面地表溫度和氣溫的日均溫度變化情況

由表1可以看出，夏季3種下墊面地表日均溫極顯著地高于日均溫(p<0.01)，對局部環境產生了較強的熱效應。3種下墊面在吸收了等量的太陽輻射后，地表日均溫越高就說明對局部環境熱效應的貢獻越大，其貢獻大小依次為：裸露砂壤土>紅色摩奇覆蓋>黃色摩奇覆蓋。具體來看，6月份3種下墊面地表日均溫分別比日均溫高了15.3，13.2和11.3 ℃，7月份為18.6，17.6和15.8 ℃，8月份為17.1，15.5和13.3 ℃。7月由于氣溫最高，太陽輻射強，導致3種下墊面地表日均溫之間差異并不顯著(p<0.01)；而6和8月期間，裸露砂壤土的地表日均溫雖然極顯著地高于黃色摩奇覆蓋的地表日均溫，但與紅色摩奇覆蓋的地表日均溫之間的差異不顯著(p<0.01)，說明紅色摩奇覆蓋雖然一定程度上減緩了局部環境熱效應，但不顯著(p<0.01)。

表1 試驗區3種下墊面地表溫度和氣溫

3.2 夏季(6-8月)不同時刻3種下墊面地表溫度與氣溫的均值對比

如圖2所示，夏季(6—8月)3種下墊面地表日均溫度隨氣溫升高而升高，在午后時刻達到峰值，之后隨氣溫緩慢降低而降低，趨勢較為同步；3種下墊面地表溫度由高到低分別為：裸露砂壤土>紅色摩奇覆蓋>黃色摩奇覆蓋。摩奇覆蓋作為城市環境中裸露土壤的覆蓋材料，應用后表現為降溫效應，一定程度上減緩了局部環境的熱效應。具體來看，通過3種下墊面6月份的地表日均溫度變化曲線可以看出，最低溫度出現在初始測量時間09：15，隨后與氣溫同步、迅速上升，說明氣溫升高，太陽輻射增強，下墊面吸收太陽輻射也逐漸增溫；14：15時裸露砂壤土地表溫度達到峰值，為53.9 ℃，并保持到14：45；而14：45時，紅色、黃色2種摩奇覆蓋地表溫度才達到各自的峰值，分別為52.9和50.1 ℃，出現了延遲效應；16：45時，3種下墊面的地表日均溫度和氣溫逐漸回落。7月份，由于月平均氣溫這一主導因素的升高，太陽輻射極強，除了3種下墊面地表日均溫度整體較高以外，其變化趨勢與6月份相似；不同的是在14：15時3種下墊面地表日均溫度都達到峰值，由高到低分別為59.6，58.7和56.6 ℃。8月，整體變化趨勢與6和7月大致相似，不同的是直至14：45時3種下墊面地表日均溫度才達到峰值，由高到低分別為55.8，54.5，52.4 ℃。

圖2 夏季不同時刻3種下墊面地表溫度與氣溫的均值變化

3.3 夏季3種下墊面地表溫度與氣溫變化的回歸模型

6，7和8月分別對應的晴朗觀測時間為26，19，22 d。以氣溫為自變量，以下墊面地表溫度為因變量，建立線性回歸模型(見表2)。結果表明，夏季3種下墊面地表日均溫度與氣溫均存在較為顯著的線性函數關系。同時，回歸方程的擬合度R2均大于0.95，擬合程度較高，其中7月份的擬合度R2大于0.99，擬合效果非常好。影響下墊面地表溫度的因子多種多樣，包括自身因素(材料組成、結構等)、氣象因素(氣溫、降水等)以及其它復雜因素。在相同條件下，在已知氣溫數據的情況下，可以通過模型檢驗估算其下墊面的月均地表溫度。

表2 3種下墊面地表溫度與月均溫的線性模型

4 討論與結論

4.1 討 論

城市環境熱效應的產生是多種因素疊加導致，在局部環境條件下，地表覆蓋改善了下墊面的熱力學特征[14]，從而影響下墊面地表與大氣的熱交換作用，達到減緩局部環境熱效應的目的。6月期間摩奇覆蓋地表日均溫度的峰值相比裸露砂壤土出現較晚，是因為裸露砂壤土中砂粒配比較高，使其熱容量減小[15]，傳導率和熱擴散率大[16]，其接受充足太陽輻射后達到儲熱飽和，剩余熱量向周圍及大氣上方擴散，通過熱交換作用加劇了熱效應[17]。相反，摩奇覆蓋材料屬于生物質資源，熱容量相對較大，熱導率小，且鋪設后材料之間未形成十分致密的結構，其內部孔隙反射了部分太陽輻射，導致了吸熱滯后現象。這與歷華[16]利用遙感技術發現裸土指數升高會導致城市熱島效應加劇的研究較一致，即土地利用與覆蓋變化一定程度上會改變城市環境的熱效應。除此之外，還有一種可能性的原因是砂壤土持水能力較差，水分下滲較迅速，當土壤所持水分暴露在太陽輻射下，迅速蒸發，導致地表溫度升高。而有機覆蓋材料類似自然凋落物，具有較強的持水能力，水分持續蒸發時間較長，阻礙了下墊面地表溫度的上升。這與劉寒曉的研究比較相似，即使用透水性鋪裝材料可以讓雨水發揮蒸發吸熱的作用，從而減緩停車場的熱效應[12]。

紅色摩奇覆蓋的降溫效果不如黃色摩奇覆蓋，主要是由于紅色摩奇覆蓋材料對太陽輻射的吸收率大，反射率低[18]，在相同太陽輻射條件下，吸收了更多的熱量。這與王大鵬等[19]的研究相一致，即剛修補過的深黑色瀝青路面其地表溫度要高于使用年限較長的淺黑色瀝青路面，前者產生的熱效應更大。此外，丁金才等[20]研究發現，上海部分地區屋頂和墻面的顏色多為暗黑色，吸收太陽輻射熱量多且不易散發，從而導致局部熱效應的產生。

裸露砂壤土經地表覆蓋后，其下墊面介質發生改變，雖然材料之間具有復雜的空間分散性，但使用手持紅外熱像儀多點多次測定下墊面地表溫度，可以根據紅外熱像照片分析區域內平均溫度，使數據更加準確。摩奇覆蓋材料源于園林自然凋落或人工修剪的剩余物，經粉粹、消毒、拉絲和染色加工后應用到城市環境中，可以起到改良土壤、抑制雜草和揚塵以及美化環境的積極作用。本研究之所以采用供應商提供的染色“摩奇”覆蓋原料，是因為圓明園公園有景觀需求，其生產的原木色原生覆蓋材料屬于淺色材料，在無景觀需求的地方應進行推廣。優化城市環境中鋪裝布局，合理改善下墊面介質結構，對減緩城市熱島以及可持續發展具有重要的現實意義[21-23]。

4.2 結 論

(1) 夏季(6—8月)3種下墊面對局部環境熱效應的貢獻大小依次為：裸露砂壤土>紅色摩奇覆蓋>黃色摩奇覆蓋，其中黃色摩奇覆蓋對減緩局部環境熱效應的效果最顯著。3種下墊面地表溫度與氣溫存在顯著的線性回歸關系，可通過一般線性模型來估算3種下墊面地表溫度。

(2) 將城市園林環境中自然或人工修剪產生的剩余物簡單加工，覆蓋于土質較差且難以形成綠地的裸露砂壤土，起到減緩夏季局部環境熱效應的作用，綜合考慮，黃色等淺色覆蓋材料效果最佳，更能提升人們的舒適感。