北京市植物群落的植被覆蓋率對綠地溫度的影響

李世隆，馮 麗，曹 碩，賈博文，王秋月，馬曉燕*

(1.北京農學院園林學院，北京102206；2.城鄉生態環境北京實驗室，北京100083)

在高速城市化影響下，熱島效應對城市生態環境產生極大影響，破壞居住環境、降低城市生活質量。目前，眾多學者對熱島效應進行研究，發現下墊面因素對熱島效應的影響不容忽視，其中綠地是緩解城市熱島效應，降低區域溫度的重要因素之一。

為了分析綠地及相關因素對周邊環境溫度的調節作用，研究者從綠地面積、種類、形狀等不同因素出發，探索綠地與溫度之間的定性和定量關系。李延明等[1]研究發現，植被覆蓋率與冷島強度呈正相關關系，植被覆蓋率大于30%時，綠地對熱島有明顯的削弱作用，超過50%時，得到明顯緩解。何介南等[2]研究發現，喬木對城市冷島效應的影響最顯著，其次是喬灌木，最后是草地。還有研究發現，公園冷島效應主要與水體面積和綠地面積(即植被覆蓋率)的比例有關[3]。

北京市作為中國的首都，特大城市之一，其城市擴張速度以及城市公園建設均有典型性。隨著北京市熱島強度不斷增強，其綠地的熱島效應研究成為熱點。

本研究選取元大都遺址公園和奧林匹克森林公園作為研究對象，對其綠地中的不同植物群落進行統計分析，定量其內部植被覆蓋率對溫度的影響程度，探討公園內部植被覆蓋率對溫度的影響，為綠地植物群落的規劃設計提供新的思路和參考意見。

1 研究區概況

元大都遺址公園和奧林匹克森林公園位于北京市，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，降水適中，四季分明，無霜期較長，年平均氣溫8～12 ℃。冬季寒冷干燥，時有風沙；夏季潮濕多雨。大數據顯示，在20世紀70年代，北京夏季(6—8月)平均氣溫為23 ℃，20世紀80年代達到24.1 ℃，2011年至2019年更是高達25.5 ℃，夏季主城區內熱島效應非常明顯。在植物配置上，元大都遺址公園和奧林匹克森林公園的樹種皆以北方鄉土樹種為主，群落豐富，種類繁多，落葉喬木主要有刺槐、國槐、毛白楊、銀杏、柳樹等北京長勢較好的本土樹種，常綠喬木以雪松、油松、圓柏、側柏為主，灌木種類多種多樣，能夠形成豐富的植物群落[4]。這為研究不同植物群落對溫度的影響提供良好的研究場地。

2 研究內容與方法

2.1 研究樣地的選取

為排除外界因素對公園溫度的影響，對同一公園里選取不同類型植物群落的綠地進行研究，并且樣地在選取時與外部環境及內部水面保持一定的距離。

根據綠地面積和植物分布的特點，選取面積適當、樹種適度，能反應主要綠地類型特點的樣地進行研究。根據實際情況，盡可能選取不同植物群落的綠地，并保證各樣地面積相似(約400 m2)，范圍為382～425 m2。其中選取元大都遺址公園19塊，奧林匹克森林公園19塊。對樣地內各類喬木、灌木進行調查，記錄樣地內喬灌木的株數，間距等內容，以便日后核算各樣地植被覆蓋率，并進行比較分析。

2.2 地表溫度反演

由于夏季植被的冷島效應最為明顯，同時為了獲取較多的樣地內部溫度，選取地理空間數據云平臺Landsat 8 OLI_TIRS衛星數字產品(拍攝于2019年8月17日，云量小于1%，影響較小。條帶號123，行編號32)作為基礎數據，對同一時間下的溫度進行反演。通過ENVI 5.3及ArcGIS 10.4軟件處理影像數據，基于大氣校正法，其基本原理為：首先估計大氣對地表熱輻射的影響，然后把這部分大氣影響從衛星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強度，再把這一熱輻射強度轉化為相應的地表溫度[5]。

對元大都遺址公園和奧林匹克森林公園分別進行地表溫度反演，結合樣地的選擇，將內部溫度導出。

2.3 樣地的分類與選取

元大都遺址公園和奧林匹克森林公園是兩處植物群落豐富，種類繁多的公園。在植物配置上，元大都遺址公園和奧林匹克森林公園按照植物群落的不同，可分為喬灌草型、喬草型、喬木型、灌草型4種類型[6](圖1)。

喬灌草型綠地是一種常見的城市休閑綠地，綠地由上層喬木和下層灌木及地被層的植物組合而成，具有多層結構和高密度的根系分布，群落結構復雜。

喬草型綠地由上層、下層組成，上層為喬木，下層多為一年生、多年生的草本植物和蕨類植物。

喬木型綠地由喬木和裸露土地構成。

灌草型綠地是由灌叢及高度不超過100 cm的低矮灌木和地被層的植物組合而成。

通過實地調研并結合Arcgis軟件，對研究樣地進行選取，并運用ENVI軟件對地表溫度進行反演處理，得到樣地的內部溫度和植被覆蓋率，進而從定量的角度分析植被覆蓋率對溫度的影響。

2.4 不同植物群落植被覆蓋率與溫度

在實地調查的基礎上，按喬灌草型、喬草型、灌草型、喬木型4種植物群落對樣地進行分類，研究溫度對不同植物群落植被覆蓋率的影響。為方便觀察植被覆蓋率的變化，將樣地調查結果通過后期繪制，做成植物平面示意圖，按植被覆蓋率由低到高進行排列，以便更直觀顯示植被覆蓋率和溫度的關系(圖2和圖3)。同時根據溫度反演得到其內部對應的溫度，并將植被覆蓋率作為X軸，溫度作為Y軸，繪制散點圖并描繪趨勢線。

2.5 植被覆蓋率計算

植被覆蓋率是林木樹冠的垂直投影面積與研究區面積的比例。

計算公式：C=Si/S(Si：某一樹種覆蓋面積，S：樣地面積)[7]。

3 結果與分析

3.1 喬灌草型植被覆蓋率與溫度的關系

元大都遺址公園，植被覆蓋率40%～45%時隨植被覆蓋率上升，溫度變化明顯，每增加1%，溫度下降約0.04 ℃；植被覆蓋率45%～50%時每增加1%，溫度下降約0.024 ℃；植被覆蓋率50%～55%時溫度變化不大，每增加1%，溫度下降約0.008 ℃；從整體來看，當植被覆蓋率大于53%之后，溫度趨于穩定，溫度變化穩定在一定區間(圖4)。

奧林匹克森林公園，植被覆蓋率50%～55%時，每增加1%，溫度下降約0.313 ℃；植被覆蓋率55%～60%時，每增加1%，溫度下降約0.2 ℃。植被覆蓋率高于56%以后，溫度趨于穩定，溫度變化穩定在一定區間(圖5)。

喬灌草型植被覆蓋率對溫度影響的范圍為53%～56%之間。

3.2 喬草型植被覆蓋率與溫度的關系

元大都遺址公園，植被覆蓋率40%～45%時，隨植被覆蓋率上升溫度變化明顯，每增加1%，溫度下降約0.1061 ℃；植被覆蓋率45%～50%時每增加1%，溫度下降約0.07 ℃；植被覆蓋率50%～55%時溫度變化不大，每增加1%，溫度下降約0.04 ℃；植被覆蓋率55%～60%時，每增加1%，溫度下降約0.01 ℃。從整體來看，當植被覆蓋率大于55%后，溫度趨于穩定，溫度變化穩定在一定區間(圖6)。

奧林匹克森林公園，植被覆蓋率45%～50%時，每增加1%溫度下降約0.33 ℃；植被覆蓋率50%～55%時，每增加1%，溫度下降約0.17 ℃；植被覆蓋率55%～60%時，每增加1%，溫度下降約0.01 ℃。覆蓋率高于56%以后，溫度趨于穩定，溫度變化穩定在一定區間(圖7)。

結合元大都遺址公園和奧林匹克森林公園植被覆蓋率來看，喬草型植被覆蓋率對溫度影響的范圍為54%～56%。

3.3 喬木型植被覆蓋率與溫度的關系

元大都遺址公園，植被覆蓋率40%～45%時，隨植被覆蓋率上升溫度變化明顯，每增加1%，溫度下降約0.08 ℃；植被覆蓋率45%～50%時，每增加1%溫度下降約0.04 ℃；植被覆蓋率50%～55%時，每增加1%溫度下降約0.001 ℃。植被覆蓋率高于51%以后，溫度趨于穩定，溫度變化穩定在一定區間(圖8)。

奧林匹克森林公園，植被覆蓋率40%～45%時，每增加1%溫度下降約0.07 ℃；植被覆蓋率45%～50%時，每增加1%溫度下降約0.05 ℃；植被覆蓋率50%～55%時，每增加1%溫度下降約0.035 ℃；植被覆蓋率55%～60%時，每增加1%溫度下降約0.019 ℃。植被覆蓋率高于55%后，溫度趨于穩定，溫度變化穩定在一定區間(圖9)。

結合元大都遺址公園和奧林匹克森林公園植被覆蓋率來看，喬木型植被覆蓋率對溫度影響的范圍為51%～55%。

3.4 灌草型植被覆蓋率與溫度的關系

元大都遺址公園中，植被覆蓋率10%～20%，隨植被覆蓋率上升溫度變化明顯，溫度下降約0.386 ℃；植被覆蓋率20%～30%，溫度下降約0.304 ℃；植被覆蓋率30%～40%，溫度下降約0.222 ℃；植被覆蓋率40%～50%，溫度下降約0.14 ℃；整體來看，植被覆蓋率高于50%后，溫度趨于穩定，溫度變化穩定在一定區間(圖10)。

奧林匹克森林公園，植被覆蓋率50%～52%，每增加1%溫度下降約0.04℃；植被覆蓋率52%～54%，每增加1%溫度下降約0.026 ℃；植被覆蓋率54%～56%，每增加1%溫度下降約0.01 ℃。植被覆蓋率高于54%以后，溫度趨于穩定，溫度變化穩定在一定區間(圖11)。

結合元大都遺址公園和奧林匹克森林公園植被覆蓋率，灌草型植被覆蓋率對溫度影響的范圍為50%～54%。

綜合來看，不同植物群落植被覆蓋率與溫度均表現出較強的負相關性，不同的植物群落受植被覆蓋率的影響也不同，存在一定差異，植被覆蓋率對溫度影響的閾值為50%～55%。從不同群落來看，喬灌草型、喬草型和喬木型對溫度影響的閾值較穩定，好于灌草型。

3.5 植被覆蓋率與溫度的關系

將元大都遺址公園和奧林匹克森林公園內樣地的植被覆蓋率為X軸，溫度為Y軸，分別形成散點圖，并描繪回歸曲線(圖12，13)。

元大都遺址公園與奧林匹克森林公園植被覆蓋率與溫度的關系均可用對數函數表示，R2分別為0.4928和0.3428，具有可靠性。說明植被覆蓋率與內部溫度存在較強負相關性，隨植被覆蓋率的增加，溫度整體呈逐漸降低的趨勢[8]。溫度并不是一直降低，植被覆蓋率達到50%～55%，兩個公園的溫度不是隨植被覆蓋率的增加而降低，而是在一定區間內浮動。

4 結 論

通過對北京市元大都遺址公園和奧林匹克森林公園地表溫度的反演，得到同一時間綠地的溫度情況，定量分析溫度與不同植物群落植被覆蓋率之間的關系。對綠地整體而言，綠地內部溫度與植物群落植被覆蓋率存在明顯的負相關性，植被覆蓋率達到50%～55%便不會對溫度產生影響，溫度不是隨植被覆蓋率的增加而降低，而是在一定區間浮動。另外，不同植物群落植被覆蓋率對溫度的影響存在差異，4種植物群落中，喬灌草型對溫度的影響最大，降溫效果最為明顯。在植被覆蓋率近似的情況下溫度從低到高依次為喬灌草型、喬草型、喬木型、灌草型。

不同植物群落，植被覆蓋率對溫度影響的范圍也不同，喬灌草型達到53%～56%后，溫度變化不明顯；喬草型達到54%～56%后，溫度變化趨于穩定；喬木型達到51%～55%后，溫度變化不明顯；灌草型達到50%～54%后，溫度變化趨于穩定。要進一步確定植被覆蓋率對溫度的影響范圍，還需選取更多的樣地進行研究。

通過控制變量法對同一公園內部不同植物群落植被覆蓋率進行分析，排除外界因素對內部溫度的影響，發現將植被覆蓋率控制在50%～55%內時，既能達到良好的降溫效果和景觀效果，同時具有良好的生態效益。另外，該結論符合《北京森林城市發展規劃》中提到的城區綠化覆蓋率要達到49%以上的標準[9]。除此之外，綠地的密度、間距等因素可能會對內部溫度存在一定的影響。