城市綠道植物群落結構對微氣候的影響研究

李大鵬，李子龍，陳燕

1.中南林業科技大學風景園林學院，湖南 長沙 410004；2.湖南科技大學建筑與藝術設計學院，湖南 湘潭 411201

綠道是重要的綠色基礎設施，在當前快速城市化背景下具有生態、社會和文化價值［1］。綠道如果有足夠的面積，就能通過綠色植物的遮陰及蒸發散熱幫助消除城市過多的熱量，冷卻空氣，降低城市的熱島效應［2］。城市綠道植物群落生態功能與效益的發揮取決于合理的植物群落結構，這些都受到植物群落水平分布和垂直分布等諸多因素的影響。因此，探究城市綠道植物群落結構與微氣候效應的關系十分重要。

近年來，ENVI-met 軟件在研究城市街區環境微氣候效應、城市居住區綠地、城市公園綠地、城市植物群落等方面得到了廣泛應用，其模擬結果的科學性不斷得到驗證。文章通過借助ENVI-met 軟件模擬，嘗試探究城市綠道植物群落結構對微氣候的影響，以期為城市綠道建設提供基于微氣候環境改善的方法，以此豐富城市綠道與微氣候的相關研究。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

長沙位于湖南東部偏北，東經111°53′—114°15′，北緯27°51′—28°41′，為亞熱帶季風氣候內陸城市，夏季有高溫、潮濕的氣候特點，通常7 月最熱，平均氣溫29 ℃。長沙人口密度高，截至2021 年底，長沙城鎮化率達到83.16%，城市熱島效應顯著，需要改善微氣候以提升城市人居環境舒適度。因此，本研究選取具有長沙典型氣候特征的夏季7 月為研究時間，研究中建模背景氣象參數設置依據模擬時間內長沙市氣象局公布數據。

1.2 模型建立及驗證

1.2.1 樣地選擇及模型初始設置

本文主要選取長沙綠道規劃網絡“市域—城市—社區”三級綠道網絡系統中的城市級綠道為研究對象，在研究中主要分析綠道植物群落結構對微氣候的影響，綠道周邊其他環境因子的干擾在本研究中暫不涉及。因此根據城市綠道植物群落結構的完整度、綠道的寬度以及綠道在區域發揮的生態作用等因素，在實地調研基礎上，選取長沙靳江河城市綠道局部地段作為研究樣地，樣地尺寸為100 m×60 m。研究區域綠化覆蓋率較高，植物類型多樣，綠化區域連通性高，本身受除植物群落以外周邊其他因子干擾較小。根據實際情況設置模型的地理位置和網格大小等基本參數，模型設置為長100 m、寬60 m 的矩形區域，網格為（50×30×40）個，網格單元尺寸dx=2 m，dy=2 m，dz=3 m，各植物群落結構影響因子的后續模擬均在該標準模型的基礎上進行模擬參數設置。ENVI-met 模型初始條件設置見表1。

表1 ENVI-met 模型初始條件設置

1.2.2 指標因子確定

1.2.2.1 植物模型參數指標

ENVI-met 軟件植物模型需要設置植物的高度、冠幅、冠下高、冠形、葉面積密度、植物根深、反射率、吸收率、蒸騰作用等相關參數指標，文章結合樣地植物群落調查結果，取其平均值，實驗模型中喬木高度統一設置為7 m，冠幅統一設置為7 m，冠下高統一設置為2 m，冠形設置為圓球形，其余參數基于系統默認參數設置。

1.2.2.2 植被結構指標

植物群落結構的分布特征主要包括水平分布和垂直分布兩種結構類型。植物群落的水平分布是指群落個體的水平布局形式或配置狀況，植物群落水平分布格局的形式主要有以下幾種：隨機分布、均勻分布、集聚分布、嵌式分布［3］。城市中的植物群落多為人工植物群落，植物種植設計的差異導致了城市植物群落在水平分布上的異質性。植物群落垂直分布主要體現在群落內部的層級分化，是不同高度的植物或者不同類型的植物在豎向垂直空間上排列的結果。一般植物群落結構從上至下主要分為喬木層、灌木層、草本層和地被層，不同的層級組合影響著植物群落的微氣候效應。因此文章主要研究植物群落水平分布和垂直分布對微氣候的影響效應。

水平分布：對同一高度、冠幅、冠形等的喬木進行水平分布研究，在對相關文獻進行總結的基礎上，選取垂直風向列植、平行風向列植、均勻點植和自然群植四種類型展開研究。

垂直分布：在總結植物群落垂直分布特征的基礎上，根據不同等級的植物群落層次豐富度，依次對草本、灌草、喬草、喬灌草四種垂直分布結構展開研究。選取高度、冠幅、冠形一致喬木模型；灌木高度設置為1 m，各層葉面積密度設置為2.5，葉面反射率設置為0.2；草本高度設置為0.25 m，各層葉面積密度設置為0.3，葉面反射率設置為0.2。

1.2.2.3 物理環境指標

地表溫度用攝氏度（℃）表示。地面吸收太陽輻射導致地面溫度上升，采用地面測量的溫度來表示地表的溫度。對太陽輻射，地面會有效地吸收一部分，不同的地表材料對太陽輻射的反射率不同。

1.2.2.4 氣候因子指標

溫度、濕度、風速等氣候因子是目前常用的室外微氣候評價指標。根據評價標準以及既有研究方法，我們采用14 時、1.5 m 高度處各類微氣候指標因子數據進行對比分析。

1.2.3 模型驗證

文章通過模型模擬數據與實測氣象數據進行比較分析，以驗證ENVI-met 軟件模擬的有效性。2022 年7 月1 日對研究區域進行實測驗證，依次布置5 個監測點。監測點1 為草坪區域，監測點2 為灌木區域，監測點3 為鋪裝區域，監測點4 為喬木林冠下區域，監測點5 為植物群落內部區域。利用手持式氣象儀實測地面1.5 m 高度處的空氣溫度和相對濕度。測量時間段是8:00 —18:00，對每個監測點溫濕度每10 min 記錄一次，每小時為一組，最終計算每組數據平均值，以此來作為該小時的溫濕度數據。同時利用ENVI-met 對該區域進行數值模擬，輸出監測點模擬溫濕度數據。采用趨勢分析法對實測數據與ENVI-met 模擬數據進行驗證，對5 個監測點分別進行逐時氣溫、相對濕度對比分析。結果表明，實測值較于模擬值，變化趨勢基本保持一致，符合實際情況。結果表明用ENVI-met 軟件進行該研究具有一定的科學性和實際價值。

2 結果與分析

2.1 城市綠道植物群落水平分布對微氣候影響分析

2.1.1 模型設置

植物的水平分布是植物群落結構平面上最明顯的分布特征，武雅芝建立均勻點植、隨機點植、平行風向列植、垂直風向列植以及集中群植五種水平布局方式以比較植物群落不同水平分布形式對于微氣候影響的差異［4］。王麗雯在對北京奧林匹克森林公園北園植物群落實地調研的基礎上，將植物群落水平分布分為行列式、隨機散點式和自然集群式三類并建立對應ENVI-met 模型進行微氣候模擬對比研究［5］。在實地調研長沙城市綠道植物群落結構基礎上，結合相關文獻設置垂直風向列植、平行風向列植、均勻點植、自然群植四種水平分布形式模型，研究城市綠道植物群落水平分布對于綠道微氣候的影響。

2.1.2 空氣溫度

分析不同水平分布模型14 時、1.5 m 高度處空氣溫度變化，4 種模型模擬區域平均溫度大小依次為自然群植>平行風向列植>均勻點植>垂直風向列植，自然群植模型平均溫度最高，為31.17 ℃，垂直風向列植模型平均溫度最低，為31.06 ℃，最高平均溫度與最低平均溫度差值為0.11 ℃。自然群植模型中喬木分布較為聚集，喬木無法覆蓋周邊區域，導致場地整體平均溫度最高。均勻點植模型中同樣有部分無植被覆蓋區，使場地整體溫度較高。平行風向列植模型的溫度高于垂直風向列植模型的溫度，這是由于垂直風向列植布局的喬木對風的阻滯作用大，有效地降低了正午熱空氣的流動，形成局部低溫區。分析四種模型Y=30 m、Z=1.5 m 處剖線上溫度變化，場地溫度自東南向西北逐漸降低，各模型的溫度差異不大，平行風向列植模型相較于其他3 種水平布局形式溫度稍高。分析4 種模型在不同高度點的溫度走勢，在Z<10 m 范圍內，各水平分布形式對場地垂直向溫度變化略有影響，隨著垂直向高度增加，綠道植物群落水平分布形式對溫度的影響減弱。

2.1.3 相對濕度

分析不同水平分布模型14 時、1.5 m 高度處相對濕度變化，4 種模型模擬區域平均相對濕度大小依次為垂直風向列植>均勻點植>平行風向列植>自然群植，垂直風向列植模型平均相對濕度最高，為31.27%，自然群植模型平均相對濕度最低，為30.94%，最高平均相對濕度與最低平均相對濕度差值為0.33%。垂直風向列植模型阻礙了正午植物群落外熱空氣的進入，有利于提高場地整體的平均相對濕度。自然群植模型由于喬木無法覆蓋所有區域，導致場地整體平均相對濕度較低。分析4 種模型Y=30 m、Z=1.5 m 處剖線上相對濕度變化，各模型的相對濕度相差不明顯，平行風向列植模型相較于其他三種水平分布模型相對濕度稍低，均勻點植模型增濕效應明顯，這是由于均勻點植的喬木聚集，形成濕度較高的區域。分析4 種模型不同高度點的相對濕度走勢，在Z<10 m 范圍內，近地面相對濕度差異不明顯，綠道植物群落水平分布形式對于垂直向相對濕度影響較小。

2.1.4 風速

分析不同水平分布模型14 時、1.5 m 高度處風速變化，4 種模型模擬區域平均風速差異明顯，模擬區域平均風速大小依次為自然群植>平行風向列植>垂直風向列植>均勻點植，自然群植模型平均風速最高，為1.25 m/s，均勻點植模型平均風速最低，為1.16 m/s，最高平均風速與最低平均風速差值為0.09 m/s。自然群植模型由于喬木聚集，周邊區域開闊，風的流動阻礙較小。平行風向列植模型有利于風的流動，平均風速較大。均勻點植模型由于喬木布置集中，形成中心阻風區，故該模型風速最低，后期如調整種植密度可以明顯改善該模型風速。垂直風向列植模型對風的阻滯效果不如均勻點植效果明顯，因此風速略高。分析4 種模型Y=30 m、Z=1.5 m 處剖線上風速變化，場地風速自東南向西北降低，平行風向列植模型在水平向的風速變化量最小，為0.81 m/s，均勻點植模型風速變化量最大，為1.31 m/s。自然群植模型和均勻點植模型風速在水平向上呈波浪狀，這是由于喬木密集區風速降低，喬木稀疏區風速升高。分析4 種模型不同高度點的風速變化，在Z<10 m 范圍內，除垂直風向列植模型風速較低外，其余水平分布模型風速走勢基本一致，在Z=5 m 時，由于喬木冠層的阻風作用，4 種模型風速最低，在Z>10 m 范圍內，各模型風速差異較小。

2.2 城市綠道植物群落垂直分布對微氣候影響分析

2.2.1 模型設置

馬軍山通過對天然植被的考察，將植物群落地面以上部分分為喬木層、灌木層、草本層以及由苔蘚、地衣等構成的地被層四個基本層次［6］。張風等以人體舒適度為出發點，研究北京奧林匹克森林公園喬草層、草本層、灌草層、喬灌層以及喬灌草層5 種垂直群落空間［7］。在實地調研長沙城區綠道植物群落結構基礎上，結合相關文獻設置草本、灌草、喬草、喬灌草四種垂直分布形式模型，研究城市綠道植物群落垂直分布對微氣候的影響。

2.2.2 空氣溫度

分析不同垂直分布模型14 時、1.5 m 高度處空氣溫度變化，四種模型模擬區域平均溫度大小依次為草本>灌草>喬灌草>喬草，草本模型平均溫度最高，為31.6℃，喬草模型平均溫度最低，為30.75℃，最高平均溫度與最低平均溫度差值為0.85℃。草本模型無喬木覆蓋，地表接受較多太陽輻射，導致場地整體溫度最高。灌草模型中灌木吸收一部分太陽輻射，模型區域平均溫度僅次于草本模型。喬草模型和喬灌草模型平均溫度差距不大，表明喬木的降溫效果明顯優于灌草和草本。分析4 種模型Y=30 m、Z=1.5 m 處剖線上溫度變化，場地溫度自東南向西北逐漸降低，各模型降溫效果差異明顯，其中喬草模型降溫效果略優于喬灌草模型，兩模型明顯優于灌草模型和草本模型。分析4 種模型不同高度點的溫度走勢，整體降溫效果為喬草>喬灌草>灌草>草本，表明喬草植物群落降溫效應明顯，4 種模型在Z>20 m 范圍內，溫度均隨高度增加逐漸降低。

2.2.3 相對濕度

分析不同垂直分布模型14 時、1.5 m 高度處相對濕度變化，4 種模型模擬區域平均相對濕度大小依次為喬灌草>喬草>灌草>草本，喬灌草模型平均相對濕度最高，為32.51%，草本模型平均相對濕度最低，為29.75%，最高平均相對濕度與最低平均相對濕度差值為2.76%。由于喬灌草模型的層次豐富度高于其他模型，故該模型增濕效應最強，喬草模型和喬灌草模型增濕效應差距不大，表明喬木層的增濕作用明顯強于灌草層和草本層。分析4 種模型Y=30 m、Z=1.5 m 處剖線上相對濕度變化，場地相對濕度自東南向西北逐漸升高，草本模型增濕效果明顯低于灌草模型、喬草模型以及喬灌草模型，喬草模型和喬灌草模型增濕效果差距不大。分析四種模型不同高度點的相對濕度走勢，在Z<10 m 范圍內，Z=1.5 m 處，4 種模型的相對濕度處于最高水平；隨著垂直向高度增加，草本模型相對濕度逐漸增加，灌草模型相對濕度先降低后升高，喬草和喬灌草模型在Z=10 m 處相對濕度達到最低值，在Z>10 m 范圍內，隨著垂直向高度增加，4 種模型的相對濕度逐漸上升。

2.2.4 風速

分析不同垂直分布模型14 時、1.5 m 高度處風速變化，4 種模型模擬區域平均風速差異明顯，依次為草本>喬草>灌草>喬灌草，草本模型平均風速最高，為1.39 m/s，喬灌草模型平均風速最低，為0.8 m/s，最高平均風速與最低平均風速差值為0.59 m/s。喬灌草模型由于垂直向層次豐富度明顯高于其他垂直分布模型，灌木層、喬木層對風的流通有較強的阻滯作用，導致其風速最低。分析4 種模型Y=30 m、Z=1.5 m 處剖線上風速變化，場地風速自東南向西北先升高后降低，其中喬灌草模型風速變化最為明顯，草本模型風速變化最小。分析4種模型不同高度點的風速變化，其中喬灌草模型和喬草模型對風速的影響趨于一致，草本模型和灌草模型對風速的影響趨于一致，喬灌草模型和喬草模型在Z=5 m 處達到風速最低值，后隨高度增加逐漸升高，草本模型和灌草模型在垂直方向上風速始終保持上升，并逐漸與喬草、喬灌草模型風速趨于一致。

2.3 城市綠道植物群落結構對微氣候影響分析

通過對城市綠道植物群落水平分布4 種模型一天中14 時的空氣溫度、相對濕度、風速的分析，可以發現，在降溫方面，垂直風向列植模型降溫效果最好，其次是均勻點植模型、平行風向列植模型和自然群植模型，各水平分布模型在垂直方向上降溫效果差異不明顯；在相對濕度方面，垂直風向列植模型增濕效果最明顯，自然群植模型增濕效果最差，各水平分布模型在垂直方向上增濕效果差異不大；在風速方面，自然群植模型平均風速最大，其次是平行風向列植模型，在植物群落內部風速比較中，平行風向列植模型平均風速最大，通風效果最好。綜合比較，城市綠道植物群落水平分布中平行風向列植和均勻點植布局較優，有利于綠道微氣候的優化。

對垂直分布4 種模型一天中14 時的空氣溫度、相對濕度、風速進行分析，發現在降溫方面，喬草模型和喬灌草模型降溫效果明顯優于草本模型和灌草模型，喬草模型和喬灌草模型降溫差異不大，草本模型降溫效果最差；在相對濕度方面，喬灌草模型增濕效果最好，其次分別為喬草模型、灌草模型和草本模型；在風速方面，草本模型的平均風速最高，喬草模型次之，喬灌草模型平均風速最低。綜合比較，綠道植物群落垂直分布中喬草結構較優，有利于綠道微氣候的優化。

3 城市綠道植物群落結構優化策略

3.1 研究樣地植物群落結構優化設計

研究樣地整體植物群落結構搭配不合理，不利于場地整體微氣候環境改善，北部以草坪和灌木組團為主，植物群落小氣候效應較弱，南部隨機種植高度為3~9 m 的喬木，植被覆蓋不均勻，群落下層灌木較高，群落內植物密度大，對風的流通有較強的阻礙效果，不利于該區域整體通風和降溫增濕。

結合樣地現狀，進行以下優化：樣地北部增加喬木數量，發揮植物群落降溫增濕作用，在植物選擇方面，以風速阻礙效果較小的高度較高的圓球形喬木為主，在水平分布上采取平行風向列植和均勻點植兩種方式，在垂直分布上以喬草結構為主，綜合考慮研究區域植物群落疏密分布。樣地南部調整植物群落內植物密度，減少低矮喬木和灌木數量，優化原有的喬灌草垂直結構，提高區域風速，在水平分布上以平行風向列植為主，結合均勻點植和自然群植的種植方式，避免單一種植方式導致植物群落結構單一、景觀性缺失。具體結構優化模型設置見表2。

表2 研究樣地植物群落結構優化模型設置

3.2 優化結果分析

3.2.1 空氣溫度

分析模型14 時、1.5 m 高度處空氣溫度變化，優化前模型平均溫度為31.13℃，優化后模型平均溫度為30.75℃，優化后模型平均溫度降低0.38℃，優化后模型區域空氣溫度水平分布均有不同程度的下降，自東南向西北降溫效果逐漸增強，降溫效果最強處降溫幅度超過0.6℃。

3.2.2 相對濕度

分析模型14 時、1.5 m 高度處相對濕度變化，優化前模型平均相對濕度為31.10%，優化后模型平均相對濕度為32.28%，優化后模型平均相對濕度增加1.18%，優化后模型區域相對濕度水平分布均有不同程度的升高，自東南向西北增濕效果逐漸增強，最大增濕幅度超過2.0%。

3.2.3 風速

分析模型14 時、1.5 m 高度處風速變化，優化前模型平均風速為1.19 m/s，優化后模型平均風速為1.50 m/s，優化后模型平均風速升高0.31 m/s，優化后模型區域風速水平分布增幅明顯，自東南向西北風速先升高后降低，隨后再次升高，就水平向總體而言，優化后風速提升效果顯著。

3.3 優化策略

對比分析樣地綠道植物群落結構優化前后對微氣候環境的影響可以發現，城市綠道植物群落結構對微氣候有著顯著的影響。因此，需要對城市綠道植物群落結構進行合理配置和優化，這樣才能達到改善微氣候的效果。

（1）提升城市綠道整體三維綠量和植被覆蓋率，提升城市綠道植物群落的連通性。沿城市綠道走向營造通風廊道，盡量采取平行風向列植的植物種植方式，提升綠道整體風速，綜合協調植物群落對溫濕度及風速的影響效應，最大程度發揮植物群落的微氣候調節作用。

（2）合理調節城市綠道植物群落水平分布格局，應根據綠道固有的線性屬性進行植物種植，植物種植方式應多采用平行風向列植和均勻點植的方式，在保證一定郁閉度的同時要合理控制植物的密度，綜合考慮綠道空間的生態性、景觀性。

（3）群落垂直配置應以喬草結構為主，減少喬灌草結構面積，喬草結構一方面可以保證較高的植被覆蓋率，同時疏朗的林下空間有利于風的流通，大面積的喬灌草結構對風的阻滯作用強，不利于城區綠道風的流通。為了兼顧景觀性可以合理配置一定灌木，提高園林植物多樣性，但配置灌木應適當降低灌木高度并對灌木密度進行合理控制，減少灌木對風的阻滯作用。

4 結語

城市綠道是城市中重要的綠色空間，其對于城市微氣候環境的改善具有重要作用。目前關于城市中森林、濕地、公園等場地微氣候的研究文獻較多，但關于城市綠道微氣候的研究還較少，文章以城市綠道植物群落為研究對象，探究了城市綠道植物群落結構對微氣候的影響，以期為城市綠道的建設提供一定參考。我國國土遼闊，綠道建設勢必要應對各種迥異的自然和人文環境［8］，同時植物群落結構復雜多樣，微氣候環境變化受多種因素影響，今后還需考慮城市氣象環境、周邊建筑、構筑物對綠道微氣候的影響，以及不同種類的植物對綠道微氣候的影響，使研究更加完善。