城市公園植物群落小氣候效應及人體熱舒適度
——以哈爾濱三座公園為例

胡海輝，劉 帥，張思琪

(東北農業大學園藝園林學院，哈爾濱 150030)

隨著城市化進程的不斷加快，打造適宜人居生活的城市顯得尤為重要[1]。城市公園是城市生態環境可持續發展的基本條件，能夠減緩城市熱島問題、調節小氣候效應、恢復生態活躍性等[2]。近年來氣候問題的日益嚴重，園林植物的滯塵、降溫、增濕等生態功能也成了研究熱點。

目前，雷昀[3]在不同的季節通過對不同類型綠地的氣象因子的觀測，比較得出各種人工植物群落對環境的保護效果；吳菲等[4]則探究了不同面積綠地之間增濕降溫的關系；馬椿棟[5]比較分析了主觀熱感受、熱舒適客觀評價指標和小氣候物理要素數據；李凌舒[6]則確定了植被覆蓋度與道路夏季熱舒適之間的綜合關系；梅欹等[7]對上海市住區進行了小氣候舒適度分析，結果顯示熱因子是影響上海市冬季人體舒適度的關鍵因子；劉亞敏等[8]運用軟件模擬的方式與實際測量進行對比，得出樹高對于小氣候的影響優于樹寬；王愛霞等[9]研究半干旱區城市廣場中的植物群落形態對微氣候的影響，得出廣場中的植物群落數量屬性與微氣候變量之間的聯系，并且確定了關鍵微氣候變量在各植物群落中的變化規律；劉濱誼等[10]使用3種指標評估了上海某廣場熱舒適度。縱觀以往研究發現，中國開展風景園林小氣候研究主要針對江南一帶夏季高溫地區，而針對北方公園綠地植物群落小氣候素的研究較少。

因此，以哈爾濱公園綠地植物群落為研究對象，在定性研究的基礎上定量研究不同植物群落在小氣候方面的調節作用，以期能夠為人居戶外活動提供更舒適的園林小氣候環境。

1 材料與方法

1.1 研究材料

1.1.1 區域概況

哈爾濱坐落于中國東北部、黑龍江省南部地區。夏季氣候炎熱、潮濕、多雨，冬季氣候寒冷、干燥、多雪，屬于中溫帶大陸性季風氣候。全年中7月份最熱，最高溫度為39 ℃。本實驗選取哈爾濱古梨園、尚志公園、兆麟公園作為實驗場地(圖1)，調查后選取各公園內植物群落進行局地小氣候因子實測。

圖1 城市公園綠地植物群落

1.1.2 樣地選擇

通過實地調研對植物群落進行行為注記式調研，篩選公園中游人使用頻率較高的植物群落。根據植物群落的垂直結構層次進行劃分，選取長勢良好的典型植物群落(plant community)16個(P1～P16)，樣方C(control point)大小按照生態學最小面積樣方法，使用儀器分別在春、夏、秋3個季節對公園內的植物群落進行小氣候因子測量。各群落具體情況如表1所示。

表1 植物群落組成、結構情況

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標選取

選取指標為生理等效溫度(physiological equivalent temperature，PET)，指在某一個室內或戶外環境中，人體皮膚溫度和體內溫度達到與典型室內環境同等的熱狀態所對應的氣溫[11-13]。此評價指標將多種影響因子作為核心，從多個層面分析了相關要素。通過大量驗證，其可以對某個環境的舒適性進行準確的評價[14]。綜上所述，將PET作為核心的評價指標，其評價標準(表2)，對應9種人體熱感覺評價。

表2 PET評價標準分數

1.2.2 人體熱舒適度計算

采用PET指標對植物群落內人體熱舒適程度進行評價分析，利用RayMan1.2模擬軟件進行計算，輸入實驗日期、地理數值、植物群落內小氣候因子具體數值。計算時要設定相應的身高、體重、年齡等進行輸入，具體如表3所示。

表3 Rayman1.2模型數據錄入

2 結果與分析

2.1 植物群落熱舒適度評價

2.1.1 春季植物群落熱舒適度

古梨園內群落春季日平均PET均低于18～23 ℃(圖2)，人體感受為“微涼”，對照點C1為27.4 ℃，人體感受為“微暖”。說明此公園內春季植物群落下的熱舒適度感受沒有對照點舒適，原因可能是哈爾濱春季氣溫較低、早晚溫差較大，有植物覆蓋的空間導致太陽輻射的程度較差，由此帶來舒適度“微涼”的感受。尚志公園內植物群落春季日平均PET均低于18～23 ℃的范圍區間(圖2)，人體感受為“微涼”，此時對照點C2的PET=30.8 ℃，人體感受為“溫暖”。兆麟公園內植物群落春季日平均PET均低于18～23 ℃(圖2)，人體感受為“微涼”，相反，對照點C3的PET為26.1 ℃，人體感受為“微暖”。兆麟公園內的情況與古梨園和尚志基本相似，春季植物群落內的PET較低，人體感受為“微涼”。

圖2 春季植物群落與對照點日均PET

春季16個植物群落各時間點熱舒適度情況(表4)，植物群落內處于“舒適”范圍的僅占10.23%，處于“微涼”的占73.86%，感受為“涼爽”的占15.91%，說明春季公園植物群落下的舒適度較差，處于“微涼”的狀態較多。相反，春季各公園內無植物覆蓋的對照點處于“舒適”范圍的占21.21%，處于“微暖”的占18.19%，“溫暖”的占24.24%，熱舒適度較好；比較之下沒有“微涼”“涼爽”的測點。結果表明，春季植物群落內的人體舒適度并沒有對照點的好，改善效果較差。

表4 城市公園春季熱感覺總體情況

2.1.2 夏季植物群落熱舒適度

夏季古梨園各植物群落的日均PET均低于對照點C1(圖3)，人體感受為“舒適”和“微暖”，對照點C1的人體舒適度感受為“熱”，群落與對照點PET的最大差值為16.7 ℃，說明群落在夏季能夠較好地改善局地小氣候的舒適性。夏季尚志公園內植物群落日均熱舒適度PET(圖3)顯示此公園內植物群落在夏季改善局地小氣候上有著明顯的效果，且PET的差值達到17.1 ℃。夏季兆麟公園植物群落日均人體熱舒適度PET(圖3)，植物群落的日均PET均小于對照點，且植物群落日均值均處于“舒適”的范圍內，雖群落P13的PET略高于23 ℃，但其遠小于對照點，證明夏季兆麟公園內植物群落也具有良好的小氣候改善能力。

圖3 夏季公園植物群落與對照點日均PET

夏季各公園內植物群落各時間點人體熱舒適度總體情況(表5)，夏季主要在“舒適”和“微暖”兩個感受，熱感覺為“舒適”的占48.86%，證明各公園內的植物群落在夏季能夠有效改善人體舒適度。與春季相比，雖然夏季無人體感受為“涼爽”的感受，但感受為“微暖”的比例上升。夏季公園內16個植物群落各時間點人體熱舒適度優于春季。由夏季各公園內對照點人體熱感覺情況(表5)可知夏季對照點熱感覺為“炎熱”占33.33%，比例最高，其次熱感覺為“熱”占30.3%。研究表明雖實驗地選取為哈爾濱市公園，但無植物覆蓋的對照組的人體舒適度不佳，反證植物群落具有局地小氣候調節作用。

表5 城市公園夏季熱感覺總體情況

2.1.3 秋季植物群落熱舒適度

秋季古梨園內植物群落PET日均值為6～8 ℃，熱感受為“冷”(圖4)，說明此季節該公園內對照點的舒適度優于各植物群落。秋季尚志公園內植物群落的PET日均值在6～8.8 ℃，熱感受為“冷”和“涼爽”，此時對照點C2的熱舒適度PET為19.1 ℃，剛好處于“舒適”(圖4)，說明秋季尚志公園內對照點的舒適度優于各植物群落。秋季兆麟公園內植物群落的PET日均值在6～8.2 ℃，秋季古梨園內植物群落的人體感受為“冷”和“涼爽”，說明秋季尚志公園內植物群落下的小氣候也不適合戶外活動，此時該公園內對照點C2的熱舒適度PET17.3，處于“微涼”感受(圖4)，說明秋季兆麟公園內對照點的舒適度優于各植物群落，但體感也為“微涼”不舒適。

圖4 秋季公園植物群落與對照點日均PET

秋季三座公園內植物群落各時間點人體熱舒適度總體情況如表6所示，秋季公園內植物群落舒適度的范圍在“寒冷”“冷”“涼爽”“微涼”4種人體熱感受，人體感受為“冷”的占比高達50.57%，其次是占總體36.93%人體感受為“涼爽”的狀態，證明在秋季植物群落內的小氣候舒適度體感不佳，植物群落在秋季調節小氣候的效果上沒有起到積極的作用。相比之下，秋季公園內對照點熱感受為“舒適”的占比高達33.33%，熱舒適度優于植物群落。

表6 秋季城市公園熱感覺總體情況

2.2 植物群落PET與小氣候因子相關性

2.2.1 春季PET與小氣候因子相關性

從表7可知，春季植物群落熱舒適度PET與此季節溫度呈正相關，與太陽輻射也呈正相關，與瞬時風速沒有相關性，而與相對濕度呈負相關。比較相關系數可知，春季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度呈極強相關，與相對濕度強相關，與太陽輻射呈中度相關，其相關性排序:空氣溫度>相對濕度>太陽輻射>風速。春季16個植物群落PET與小氣候因子之間的相關性強弱與顯著性存在差異。

表7 春季各植物群落PET和小氣候因子相關性

2.2.2 夏季PET與小氣候因子相關性

從表8可知，夏季植物群落PET與溫度呈正相關，與太陽輻射呈正相關，與瞬時風速沒有相關性，與濕度呈負相關。比較三者相關系數可知，夏季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度呈極強相關，與相對濕度呈中度相關，與太陽輻射呈弱相關，相關性排序:空氣溫度>相對濕度>太陽輻射>風速。夏季16個植物群落PET值與小氣候因子之間的相關性強弱與顯著性存在差異

表8 夏季各植物群落PET和小氣候因子相關性

2.2.3 秋季PET與小氣候因子相關性

根據表9所示，秋季植物群落PET與溫度正相關，與太陽輻射呈正相關，與瞬時風速沒有相關性，與濕度呈負相關。比較相關系數可知，秋季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度和太陽輻射呈極強相關，與相對濕度呈中等強度相關，相關性排序為:空氣溫度>太陽輻射>相對濕度>風速。秋季16個植物群落PET與該季節小氣候因子之間的相關性強弱與顯著性存在差異。

表9 秋季各植物群落 PET 和小氣候因子相關性

2.2.4 植物群落舒適度與其他因素相關性

對所選取的植物群落進行了其植物種類、密度、郁閉度與舒適度的相關性研究分析。由于春、夏、秋3個季節中，植物群落對舒適度的調節作用在夏季最為明顯，所以以夏季為例，試分析植物群落自身特征與小氣候舒適度的相互關系(表10)。

表10 夏季植物群落內種類、密度、郁閉度情況

根據計算的夏季植物群落的舒適度PET日均值，分別與植物群落內種類、密度、郁閉度因素進行相關分析(表11)。植物群落的夏季舒適度PET與種類數、密度、郁閉度均具有相關關系，其中與群落內的種類數呈負相關，與密度和郁閉度呈正相關。根據相關性系數可知，舒適度PET值與種類數、密度、郁閉度的相關性排序為種類數>密度>郁閉度；其中與種類數呈極顯著相關(P<0.01)，與密度、郁閉度均呈顯著相關(P<0.05)。

表11 植物群落夏季舒適度與種類、密度、郁閉度的相關性

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 群落降溫增濕季節變化

對春、夏、秋三季植物群落的研究中發現，隨著季節的變化，植物群落的自身結構發生了改變，葉片的凋落使其郁閉度降低，導致空間內太陽輻射進入，致使植物群落的降溫增濕作用產生差異。植物的生理機能由于生長期和物候期的不同而發生季節性變化，導致在環境舒適度的調節作用不同。研究的植物群落大部分為落葉喬木，隨著季節的變化產生葉片掉落、郁閉度降低等情況，導致秋季植物群落的小氣候舒適度調節作用較差。因此城市公園植物群落配置時，要把樹種物候期作為參考依據，選擇在不同季節對于人體舒適度調節效果差異不大的樹種，保證植物群落內環境相對穩定。

3.1.2 群落熱舒適度變化

城市公園植物群落的種植開始趨向于開放式、可進入式，人的可進入致使植物群落內的小氣候環境熱舒適程度是否舒適成為研究的重要課題之一。因此在綠地群落構建中，不僅要考慮景觀效果，更要考慮小氣候調節效應，并綜合現有植物群落下人體舒適度的評價結果，選擇可以提供較好舒適度的種植結構與搭配，同時也要結合數據考慮群落在一天中的小氣候變化狀況進行合理的種植。由于條件限制，所選取的植物群落有限，僅是哈爾濱公園中的小部分樣例，還有更多的群落需要進一步的實測并加以評價。

3.1.3 群落舒適度與小氣候因子相關性

戶外空間的熱舒適度受諸多因素影響，植物群落是城市公園綠地系統中重要組成部分。本文通過對植物群落人體舒適度與小氣候因子之間的相關性分析可知，春、夏、秋三季的小氣候因子與人體舒適度的密切程度不同。由于植物群落本身具有相對復雜的屬性，其本身受植物種類、豐富度、種植密度等因素影響，并沒有過多的分析植物群落自身因素如群落中植物株距、株高、冠幅等與人體舒適度之間的關系，而是將選取的植物群落自身視為一個整體進行分析，日后需進一步研究探討其更多的自身因素與熱舒適度的關系。

3.2 結論

以哈爾濱三座公園為研究對象，結合軟件RayMan 1.2計算并評價了公園不同植物群落在春、夏、秋3個季的人體舒適感受，分析了小氣候因子與人體舒適度PET的相關性，結果如下。

(1)春季公園植物群落下的舒適度較差，大部分時間處于“微涼”感受；相反，各公園內對照點人體舒適度較好。夏季公園內植物群落舒適度的范圍主要在“舒適”和“微暖”兩個感受程度上，對照點的人體舒適度感受主要為“炎熱”和“熱”，夏季植物群落具有積極有效的局地小氣候調節作用。秋季公園內植物群落舒適度感受為“寒冷”“冷”“涼爽”“微涼”4種人體熱感受，植物群落在秋季調節小氣候效果上沒有起到積極的作用，而是帶來了相反的改善結果。

(2)通過對春、夏、秋三季PET與小氣候因子相關性分析，春、夏兩季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度和太陽輻射均呈顯著正相關，與瞬時風速沒有顯著相關性，而與相對濕度呈顯著性負相關。其相關性大小排序為:空氣溫度>相對濕度>太陽輻射>風速。秋季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度和太陽輻射呈極強相關，與相對濕度呈中等強度相關，其相關性大小排序為:空氣溫度>太陽輻射>相對濕度>風速。

(3)植物群落舒適度PET與種類數、密度、郁閉度的相關性排序為種類數>密度>郁閉度；其中與密度、郁閉度均呈顯著相關(P<0.05)，與種類數呈極顯著相關(P<0.01)。

研究在一定程度上拓展了室外熱環境評價的范圍，在實踐上填補了關于哈爾濱城市公園植物群落熱舒適評價的缺失。但研究指標選取只能算作是一次試探性研究。由于不同地區植物群落主導因素存在差異，在以后的調查研究中，應根據具體當地的特征，合理的建立指標體系對其進行評價，為城市公園的建設及改造提供參考。