城市游憩空間不同下墊面對紫外線輻射的影響?

劉東蘭 戴忠煒

1 福建農業職業技術學院園藝園林學院 福州 350005

2 福建農林大學 福州 350002

城市游憩空間是承載居民親近自然傾向和游憩需求的重要載體, 其功能水平成為影響人居環境發展的核心要素之一[1-2]。 人體舒適度是城市游憩空間美好程度的重要考量指標之一, 而紫外線過度照射會對人體裸露皮膚、 眼睛、 頭發等造成傷害進而影響人體舒適度[3], 因此紫外線屏蔽成為良好游憩環境塑造中不可或缺的環節, 遮蔭喬木、 草地、 綠地、 水體和建筑物等下墊面建設是人為調節城市游憩空間紫外線強度的重要手段。 現有文獻已量化評估遮蔭喬木或綠化植物對紫外線輻射的屏蔽效應,如ágnes Takács 等[4]、 Ruzana Sanusi等[5]分別測度了匈牙利塞格德、 澳大利亞墨爾本街道的遮蔭植被對紫外線輻射的屏蔽效果： 李海濤等[6]對北京市6種具有代表性的園林綠化樹種、 楊瑩等[7]對呼和浩特市5 種常見園林綠化樹種、 鄭思俊等[8]對上海不同類型人工綠地、 曹冰冰等[9]對北京市道路23 種綠化樹種, 以及陳明明等[10]對北京市停車場常用11 種喬木樹種的研究結果均表明, 遮蔭喬木或綠化植物具有良好的紫外線屏蔽效果。 然而, 目前為止, 仍難覓文獻研究同一游憩空間范圍內不同下墊面對紫外線輻射的屏蔽效果差異, 也就難以為單一城市游憩空間的紫外線屏蔽措施設計提供多元的決策依據。 此外, 以往文獻僅測量來自天空的紫外線輻射強度, 未考慮地表的反射效應, 容易出現測量誤差的風險。

基于以上現實背景和理論背景, 本文以福州市烏龍江畔的沙灘公園為研究地域, 對天空直接輻射和地表反射輻射的紫外線進行實地測量, 分別測量遮蔭喬木、 灌木叢、 草地、 沙地、 水體、 建筑、 硬質路面等不同下墊面類型的紫外線輻射強度, 并比較不同下墊面類型對紫外線輻射的屏蔽效果差異,提出多元化的紫外線輻射的屏蔽與弱化措施, 對優化城市游憩空間的下墊面設計具有重要的參考價值, 以滿足人民日益增長的美好游憩空間需要。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

福州沙灘公園位于福州市倉山區, 公園面積為106 040 m2, 長度為933 m, 寬度為30～200 m,西鄰烏龍江, 東有妙峰山。 公園南北區域的現狀條件不同, 設計風格也不一樣, 北區域空間狹長,是植被豐富的生態區： 南區域較為空曠, 由沙灘區、 戲水區、 休憩區組成, 突顯熱帶海灘特色[11]。 公園內景觀多樣, 具有豐富的下墊面類型, 成為聯系烏龍江畔各分散地塊的活力紐帶。

1.2 觀測點選擇

福州沙灘公園的下墊面類型較為豐富, 包括遮蔭喬木、 灌木叢、 草地、 沙地、 水體、 建筑、硬質路面7 種類型。 本文在不同下墊面選取人為干擾較少的9 個觀測點進行紫外線輻射強度測量,保證周圍5 m 范圍內沒有建筑物等人工設施的遮擋。 鑒于遮蔭喬木林下有不同的地面覆蓋, 該類型下墊面選擇3 個典型的不同觀測點, 具體為“遮蔭喬木+硬質路面” “遮蔭喬木+草地” “遮蔭喬木+灌木叢”, 其余6 種下墊面各選擇1 個監測點[12]。 9 個觀測點的概況詳見表1。

表1 福州沙灘公園9 個觀測點概況

1.3 觀測方法

中國氣象數據網歷史數據顯示, 福州市4—9月為全年紫外線照射最強的季節, 一天中10 ∶00—14 ∶00 為紫外線照射最強的時段[13]。8 月正是炎熱的高溫季節, 來自太陽光的紫外線輻射極強, 尤其晴天紫外線強度最強[14], 因此選擇8 月的晴天進行數據采集、 分析, 對研究福州紫外線輻射強度極具代表性。

本文選擇2018 年8 月21—23 日分別對9 個觀測點的下墊面類型的紫外輻射進行實地測量,該樣本期間均為晴天。 每天測量3 個觀測點, 對每個觀測點在1 天內同時完成測量。 在晴天(天空云蓋度＜10%)、 白天平均氣溫大于30 ℃時進行微氣候觀測, 利用泰瑪斯TM-213 紫外線測光儀(感應器波長290 nm ～390 nm, 精確度為±3%/每年), 在1.5 m 的高度記錄每個觀測點的來自天空正上方的紫外輻射值, 同時測量來自地面反射的正下方的紫外輻射值。 每日觀測時間為9 ∶00—18 ∶00, 數據每隔10 min 自動記錄并存儲在數據記錄器中, 取平均值作為每個觀測點的小時平均紫外輻射強度值, 用SPSS18.0 軟件對不同觀測點的紫外輻射值進行單因素方差分析, 以確定不同下墊面類型的紫外輻射強度是否存在顯著差異。

2 結果分析

2.1 不同下墊面戶外紫外線輻射強度日進程

2.1.1 天空輻射強度日進程

戶外紫外線, 英文Ultraviolet Radiation B, 簡稱UVB。 由圖1 可知, 福州沙灘公園不同下墊面類型的UVB 天空輻射日進程差異較大。 遮蔭喬木、 沙地、 水體和建筑的夏季UVB 呈波動形日進程, 峰值出現在11 ∶00： 草地、 硬質路面和灌木叢3 個下墊面類型的UVB 輻射呈倒U 形日進程,峰值同樣出現在約11 ∶00。 “遮蔭喬木+硬質路面” “遮蔭喬木+草地” 和“遮蔭喬木+灌木叢”的UVB 天空輻射日總量分別為312 μW/cm2、707 μW/cm2、 609 μW/cm2： 草地、 灌木叢、 硬質路面、 沙地、 水體的UVB 天空輻射日總量分別為34 147 μW/cm2、 33 319 μW/cm2、 30 470 μW/cm2、28 730 W/cm2、 28 209 μW/cm2： 建筑的UVB 天空輻射日總量為438 μW/cm2。

2.1.2 地表輻射強度日進程

UVB 地表輻射是由于來自天空的太陽光在地面反射造成的。 由圖1 可知, 福州沙灘公園不同下墊面類型觀測點夏季UVB 地表輻射呈波動性日進程, 峰值均出現在11 ∶00。 “遮蔭喬木+硬質路面” “遮蔭喬木+草地” 和“遮蔭喬木+灌木叢”的UVB 地表輻射日總量分別為185 μW/cm2、114 μW/cm2、 98 μW/cm2： 草地、 灌木叢、 硬質路面、 沙地、 水體的UVB 天空輻射日總量分別為539 μW/cm2、 404 μW/cm2、 2 579 μW/cm2、2 110 W/cm2、 1 980 μW/cm2： 建筑的UVB 天空輻射日總量為512 μW/cm2。

圖1 不同下墊面類型UVB 輻射強度日進程圖

2.2 不同下墊面UVB 輻射強度差異分析

2.2.1 不同下墊面UVB 天空輻射平均強度差異

福州沙灘公園不同下墊面類型的UVB 天空輻射強度見表2。 對9 個下墊面類型的UVB 天空輻射強度進行方差分析, 以判斷9 個下墊面類型之間的UVB 地面輻射強度是否存在顯著差異。 在試驗次數相同的情況下, 根據公式分別計算出組內、組間自由度, 離差平方和, 均方, 在顯著水平為0.05 條件下判斷各水平是否具有顯著性差異, 結果表明, 9 個下墊面類型的UVB 天空輻射存在顯著差異。 通過進一步的檢驗得出同類子集, 計算結果見表3。

由表3 可知, “遮蔭喬木+硬質路面” “建筑”“遮蔭喬木+灌木叢” 和“遮蔭喬木+草地” 的UVB 輻射強度差異不大, 屬于同一個子集： UVB天空輻射全天每時均強度分別為31.2 μW/cm2、43.8 μW/cm2、 60.9 μW/cm2、 70.7 μW/cm2。以上4 個下墊面的UVB 天空輻射強度與水體、 沙地、 硬質路面、 灌木叢、 草地存在顯著差異,后5個下墊面類型屬于同一子集, UVB 天空輻射全天均強度分別為2 820.9 μW/cm2、2 870 μW/cm2、3 047 μW/cm2、3 331.9 μW/cm2、3 414.7 μW/cm2,顯著高于遮蔭喬木和建筑等下墊面的輻射強度。遮蔭喬木和建筑有遮蔭面, 來自天空的紫外線由于無法全部照射到地表, 可大大屏蔽紫外線的照射： 同樣觀測點1、 觀測點2 和觀測點3 所選取的遮蔭喬木雖然樹高和冠幅大致接近, 但是不同遮蔭喬木的葉面積指數不同, 導致對紫外線的屏蔽能力有差別, 葉面積指數越大, 樹葉之間相互遮擋的程度越密集, 進而加強了對紫外線的屏蔽能力。 水體、 沙地和硬質路面等下墊面類型直接暴露于太陽光下, 紫外線輻射可直接到達下墊面,致使輻射強度比遮蔭喬木和建筑等下墊面類型大。

表2 不同下墊面類型的UVB 天空輻射強度 μW/cm2

表3 UVB 天空輻射強度的同類子集檢驗

2.2.2 不同下墊面UVB 地表輻射平均強度差異

福州沙灘公園不同下墊面類型的UVB 地表輻射強度見表4。 對9 個下墊面類型的UVB 地表輻射強度進行方差分析, 以判斷9 個下墊面類型之間的UVB 地表輻射強度是否存在顯著的差異。 采用同樣的檢驗方法進行分析, 結果發現9個下墊面類型的UVB 地表輻射存在著顯著的差異。 通過進一步的檢驗得出同類子集, 計算結果見表5。

表4 不同下墊面類型的UVB 地表輻射強度 μW/cm2

由表5 可知, “遮蔭喬木+灌木叢” “遮蔭喬木+草地” “遮蔭喬木+硬質路面” 灌木叢、 建筑和草地的UVB 地表輻射強度差異不大, 屬于同一個子集： UVB 地表輻射全天每時均強度分別為9.8 μW/cm2、 11.4 μW/cm2、 18.5 μW/cm2、40.4 μW/cm2、 51.2 μW/cm2、 53.9 μW/cm2。 水體、 沙地、 硬質路面屬于同一個子集, UVB 地表輻射全天每時均強度分別為198 μW/cm2、211 μW/cm2、 257.9 μW/cm2, 顯著高于遮蔭喬木、 灌木叢、 草地等下墊面的紫外線輻射強度。遮蔭喬木和建筑由于有遮蔭面, 天空直射的紫外線輻射強度較低, 地表反射的紫外輻射也自然較小。 “遮蔭喬木+灌木叢” “遮蔭喬木+草地” “遮蔭喬木+硬質路面” 的地表反射紫外線輻射強度依次升高, 可見植被吸收紫外線的能力最強, 這與植物葉傾角、 生理生化特性等因素對UVB 輻射的吸收有關。 沙地、 硬質路面和水體吸收紫外輻射能力相對較弱, 并會形成反射效應, 導致其UVB 地表反射強度較高。

表5 UVB 地表輻射強度的同類子集檢驗

3 結論與建議

本文以福州沙灘公園為研究對象, 分別測量遮蔭喬木、 灌木叢、 草地等不同下墊面類型的紫外線輻射強度, 并比較不同下墊面類型對紫外線輻射的屏蔽效果差異。 結果表明, 遮蔭植被對UVB 天空輻射的屏蔽效果明顯, 屏蔽率高達90%以上, 而水體、 沙地、 硬質路面、 灌木叢、 草地等觀測點由于正上方沒有遮擋物, 導致UVB 天空輻射強度很高。 研究數據顯示, “遮蔭喬木+灌木叢” “遮蔭喬木+草地” “遮蔭喬木+硬質路面”的UVB 地面輻射最小, 灌木叢、 建筑和草地次之, 水體、 沙地、 硬質路面的UVB 地面輻射強度最大。 由于植物葉傾角、 生理生化特性等因素會加強UVB 輻射的吸收, 而沙地、 硬質路面和水體本身吸收UVB 輻射效果相對較弱, 并會形成反射效應, 導致其UVB 地表反射強度較高。

基于以上研究結論, 提出3 點建議。 1) 喬灌木合理搭配以弱化紫外線輻射[15]。 在人群活動較為密集的區域多植遮蔭喬木, 緩解UVB 天空輻射：在植被覆蓋較少且UVB 地面反射較為強烈的硬質鋪裝等區域, 適當增加灌木叢和草地等下墊面, 弱化紫外輻射的地面反射效應。 2) 利用建筑小品遮擋, 減少紫外線輻射。 可在部分園路上方建花架、廊道, 并配以花卉或瓜果類攀援植物, 不僅美觀、增加游園樂趣, 還可減少天空直射的紫外線。 在小朋友的游樂場所, 應在等待區建設足夠的長型廊架, 里面設置休息長凳。 3) 豐富下墊面植物群落,減少紫外線地面反射。 應合理配置植物物種, 豐富下墊面植物群落的同時增加季相變化, 多使用鄉土樹種, 提高植物群落的生態穩定, 這樣不僅增添公園美觀性、 體現群落藝術性, 還可豐富園區景觀、減少地面的紫外線反射。