基于熱舒適的濕熱地區露營地樹木種植配置模式*

駱心儀 趙 陽 郭曈燁 鐘梓渝

廣州大學建筑與城市規劃學院 廣州 510000

露營為城市居民提供與大自然進行交流和互動的平臺，促進人與人之間的交往，有利于人們的身心健康。研究表明，熱舒適水平影響城市開放空間的使用[1]?？諝鉁囟?、濕度、熱輻射、風速等小氣候參數影響人體與周圍環境的熱傳遞[2]，露營地的熱環境在很大程度上決定使用者的舒適度。然而，當前大多數露營地的樹木種植及布局隨意，缺少對熱環境方面的考量。濕熱地區夏季炎熱漫長，在高溫天氣下，露營地無法滿足人們的熱舒適需求，從而在一定程度上限制人們露營。因此，改善露營地室外熱環境對人們開展戶外露營活動尤為重要。

大量研究從多方面提出改善室外熱環境的策略。其中，種植樹木是有效的手段，樹木不僅能阻擋一定的太陽輻射，為行人提供遮蔭空間，其蒸散作用還能有效降低空氣溫度和增加濕度[3-4]。Kántor等[5]通過對比樹木遮蔭區與無遮蔭區發現，樹下空間的生理等效溫度 (Physiologically Equivalent Temperature，PET)降低了9.3℃，樹木通過吸收和反射太陽輻射降低平均輻射溫度，從而降低PET。Morakinyo等[6]指出樹木的物理特性，如樹冠寬度、葉面積指數(Leaf Area Index，LAI)、樹高等，是影響樹木調節微氣候和改善室外熱舒適的關鍵因素，其中LAI和樹冠寬度的影響最為明顯。此外，樹木種植布局的不同也會對微氣候產生不同的影響[7]。例如，Zhao等[8]研究發現樹木群植和線性種植的布局方式對微氣候的調節效果比孤植的更明顯。因此，選擇合適的樹種和組織良好的種植布局可以更有效地改善露營地的室外熱舒適。

綜上所述，本研究以濕熱地區夏季城市自然露營地為對象，探討10種樹木對露營地5種布局空間的室外熱環境影響，旨在找出顯著改善濕熱地區露營地熱環境的樹種及種植模式。

1 研究區概況

廣州(22°26′—23°56′N，112°57′—114°3′E)是中國南部亞熱帶濕熱地區的一個典型城市，年平均氣溫和濕度分別為22℃和77%[9]，其日平均溫度在7月和8月最高(27.6～33.3℃)。風向隨季節變化，夏季受亞熱帶高壓和南海低壓的影響盛行東南風[10]。本研究選取廣州市番禺區大學城的一處自然露營地作為研究對象，場地內樹木種類及種植方式多樣，具有豐富的植物空間類型，具有較高的對比研究價值。

2 研究方法

2.1 微氣候實測

為了評估露營地的熱環境并驗證仿真模型的準確性，在2022年9月4日9∶00—18∶00進行微氣候實測，測量所選日期晴朗無云?；诼稜I地人群的活動行為及樹木種植模式的不同，分別選出開敞無遮蔭(測點1)、樹木包圍無遮蔭(測點2)、孤植遮蔭(測點3)、群植半遮蔭(測點4)、群植全遮蔭(測點5)共5個測點。所有儀器使用前均經過校準(表1)，每個測點設置的高度離地面1.5 m。

表1 測量儀器及其參數

圖1 研究區域平面圖及測點布置

2.2 ENVI-met樹木模型搭建

取10種濕熱地區露營地常見的樹木，并在ENVI-met仿真軟件的Albero模塊中構建樹木模型。構建樹木模型需要樹高、冠幅、枝下高、葉面積密度(Leaf Area Density，LAD)、葉片反射率、根幅、根深、根系形狀和根面積密度共9種參數。由于樹木的根系形態對模擬效果影響不顯著[11]，因此根系形態在建模中均采用軟件的默認值，其余樹木物理參數均為實測值。其中，樹高、冠幅及枝下高采用測距儀測量；葉片反射率使用分光光度計(Lambda 950-紫外-可見-近紅外，美國)測量；LAI采用植物冠層圖像分析儀(TOP-1300，中國)測量；樹冠各層LAD采用Lalic等[12]提出的經驗算法計算。具體樹木的屬性和物理參數如表2所示，樹木模型如圖2所示。LAD計算公式如下:

表2 樹木屬性和物理參數

圖2 ENVI-met樹木模型

式(1)中:h為樹高(m)；Z為冠層高度(m)；Zm為LAD最大值時對應的高度。

2.3 模型精度評價

雖然應用ENVI-met模型模擬中小尺度的城市熱環境的準確性已得到驗證，但由于地域及氣候環境、場地元素、試驗對象等因素的不同，模擬結果的準確性可能會受到影響[7，11]。因此，本研究采用決定系數(R2)、均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)和平均絕對誤差(Mean Absolute Error，MAE)作為ENVI-met模擬精度校驗指標[13]。計算公式如下:

式(2)、式(3)中:m為模擬值；x為實測值；n為實測次數。

2.4 熱舒適性評價指標

PET為在某一室外環境中，當人體處于熱平衡時，其體表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，是現今在各種不同氣候下較為常用的評價指標之一[14]。PET在不同氣候區具有不同的評價范圍，本研究使用廣州的PET評估范圍[15](圖3)。

圖3 廣州的PET評估范圍

2.5 試驗設計

本研究不改變現狀區域的樹木種植模式，將研究區域內的全部樹木分別統一換成所選的10種樹木類型，分別為高山榕(Fa)、紅花羊蹄甲(Bb)、蒲桃(Sj)、非洲楝(Ks)、大花紫薇(Ls)、黃葛樹(Fv)、秋楓(Bj)、人面子(Dd)、鳳凰木(Dr)、小葉榕(Fc)共10種場景，分別討論不同樹種對開敞無遮蔭(A1)、樹木包圍無遮蔭(A2)、孤植遮蔭(B1)、群植半遮蔭(B2)、群植全遮蔭(B3)這5種空間微氣候參數和PET的影響。此外，本研究以無植被的場景為對照組(Cg)，并取各監測點人行高度1.5 m處微氣候參數及PET的平均值與Cg進行比較分析。

3 結果與分析

3.1 模型精度

由圖4可知:各測點空氣溫度和相對濕度R2分別介于0.79～0.99、0.72～0.82；RMSE分別介于0.36～0.85℃、2.67%～3.68%；MAE分別介于0.31～0.74℃、2.24%～3.11%。結果說明誤差均在允許范圍內，所建立的ENVI-met模型是可靠的，可用于本次研究。

圖4 研究區域各測點空氣溫度(a～e)、相對濕度(f～j)實測值與模擬值的線性擬合

3.2 不同樹種對不同空間空氣溫度的影響

由圖5可知:不同樹種對A1空間空氣溫度影響不大；在A2，不同樹種可以降低空氣溫度0.45～0.81℃，降溫梯度為Fa＞Bb＞Fc＞Fv＞Dr＞Dd＞Bj＞Ls＞Sj＞Ks；在B1可降低0.15～0.43℃的空氣溫度，降溫梯度為Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Bj＞Dd＞Sj＞Ls＞Dr＞Ks；在B2可降低0.60～1.02℃空氣溫度，降溫梯度為Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Dr＞Sj＞Ls＞Ks；在B3可降低空氣溫度0.60～0.91℃，降溫梯度為Bb＞Fa＞Fv＞Dr＞Fc＞Dd＞Bj＞Sj＞Ks＞Ls。

圖5 不同樹種對不同空間空氣溫度的影響

3.3 不同樹種對不同空間平均輻射溫度的影響

由圖6可知:各樹種對A1的平均輻射溫度影響不明顯；在A2，Fa與Fc相比于其他樹種，降低平均輻射溫度的效果更明顯，平均可降低8.92℃和8.0℃，而其余樹種最多僅能降低平均輻射溫度1.09～3.40℃；在B1，不同樹種可降低平均輻射溫度6.84～13.85℃，梯度為Ls＞Bb＞Fc＞Fa＞Dd＞Fv＞Sj＞Bj＞Ks＞Dr；在B2，不同樹種可降低平均輻射溫度8.47～14.26℃，梯度為Ls＞Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ks；對于B3，不同樹種可降低平均輻射溫度9.46～13.67℃，梯度為Ls＞Bb＞Fa＞Fv＞Fc＞Dd＞Dr＞Sj＞Bj＞Ks。

圖6 不同樹種對不同空間平均輻射溫度的影響

3.4 不同樹種對不同空間相對濕度的影響

由圖7可知:不同樹種對A1和B1空間的相對濕度影響不大，平均相對濕度增加0.59%～1.99%；對其余3個空間的相對濕度影響明顯，其中在A2，與Cg相比，不同樹種可增加相對濕度1.99%～3.73%，遞增梯度為Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ls＞Ks；在B2，不同樹種可增加相對濕度2.16%～4.12%，遞增梯度為Bb＞Fa＞Fv＞Fc＞Dd＞Bj＞Sj＞Ls＞Dr＞Ks；在B3，不同樹種可增加相對濕度2.19%～3.72%，遞增梯度為Bb＞Fv＞Fc＞Dd＞Ls＞Fa＞Sj＞Bj＞Dr＞Ks。

圖7 不同樹種對不同空間相對濕度的影響

3.5 不同樹種對不同空間風速的影響

由圖8可知，5種空間內的風速均出現不同程度的降低，但總體的幅度并不大。在A1，不同樹種降低風速的能力無明顯差異；在A2中，不同樹種平均風速為0.57～0.76 m·s-1，其中Fc風速最低；對于B1、B2和B3這3個空間，不同樹種的平均風速分別為0.59～0.8、0.40～0.77和0.37～0.80 m·s-1，其中，Ls風速最低，Dr對風速幾乎沒有影響。

圖8 不同樹種對不同空間風速的影響

3.6 不同樹種對不同空間熱舒適度的影響及其相關性分析

由圖9可知:不同樹種的差異對A1的PET影響不大；Fa與Fc能較好地改善A2的熱環境，平均可降低PET 4.76℃和4.01℃，但其余樹種對改善此空間熱舒適度的效果不明顯，僅能降低PET 0.45～2.06℃；在B1，不同樹種可降低PET 3.88～6.35℃，降低梯度為Ls＞Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ks；在B2，不同樹種可降低PET 4.50～6.82℃，降低梯度為Bb＞Ls＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Dr＞Bj＞Sj＞Ks；對于B3，不同樹種可降低PET 5.27～6.94℃，降低梯度為Bb＞Ls＞Fa＞Fv＞Fc＞Dr＞Dd＞Ks＞Bj＞Sj。通過比較，5種不同空間熱舒適梯度為B3＞B2＞B1＞A2＞A1。

圖9 不同樹種對不同空間熱舒適度的影響

10種樹種與PET的相關性分析如表3所示:與Cg相比，各樹種都能極顯著(P＜0.01)降低PET值，樹種之間降低PET的平均差異為3.03～4.83℃；對于其余樹種，Ks與Fa對PET的影響差異達到極顯著(P＜0.01)水平，Ks、Sj與Bb、Fc差異達到顯著水平(P＜0.05)；Fa與Sj、Bj差異達到顯著水平(P＜0.05)；其余樹種之間對PET的影響無顯著差異。

表3 不同樹種與熱舒適度的相關性分析

5種樹木的不同布局空間與PET的相關性分析如表4所示:A1、A2與B1、B2、B3對PET的影響均有極顯著(P＜0.01)差異；A1與A2、B1與B2、B3之間對PET的影響無顯著差異。

4 討論

與對照組相比，種植樹木對A1類空間的熱環境影響不大，這是因為樹木對熱舒適的影響主要由遮蔭效果所決定[16]，而該類空間的遮蔭情況沒有被改變。這一結果與Lin等[17]的研究一致。

對于A2，與對照組相比，高樹干，大冠幅的樹種(Fa)能較明顯地降低空氣溫度(0.81℃)、平均輻射溫度(8.92℃)、PET(4.76℃)和增加濕度(3.21%)，相比其他樹種更明顯地改善該類空間的熱舒適，這是因為A2類空間的測試點四周被樹木環繞，但頂部無枝葉遮擋，樹木產生的陰影隨太陽活動而變化[18]，而高樹干且大冠幅的樹木能在上午和下午為該類空間提供相對較好的熱舒適效應。

對于B1、B2、B3這3類空間，不同樹種所帶來微氣候的影響不同?？傮w來說，高LAI、大冠幅的樹種(Fa、Bb、Fc)改善這3類空間熱舒適度的效果更明顯[19]。雖然種植樹木能降低溫度，但在密林環境下(B3)，不同樹種的影響差異不顯著[20]，這是因為在密林環境中，樹冠之間會重疊，LAI的影響微乎其微。Tamaskani等[21]通過比較正午時的相同覆蓋率但LAI不同的兩個場景，發現對應的溫差小于0.5℃。因此，在密林中即使是低LAI，小冠幅的樹種也同樣具有較好的改善熱舒適度的效果。

樹木對微氣候有較好的調節作用，能明顯降低樹木冠層下的平均輻射溫度。這一現象與Feng等[22]和譚興等[23]的研究結果相似，因為樹木通過蒸騰作用和冠層遮蔭能夠有效地阻擋并削弱部分太陽輻射進入樹下空間，進而較大程度地降低平均輻射溫度。

樹木對露營地的相對濕度有明顯的影響。模擬結果表明種植樹木可明顯增加露營地的相對濕度，且高LAI、大冠幅的樹種(Fa、Bb、Fc)起到了更好的增濕效果。而Guo等[24]發現種植較少的樹木無法影響濕熱地區的城市室外小尺度活動空間的相對濕度，與其相比，本研究區域樹木覆蓋率大，且下墊面為草地，較多的樹木和草地的結合增加了總蒸騰量，使相對濕度明顯增加。

對于A2、B2和B3這3個空間，樹木對其附近的氣流產生了阻擋，風速明顯降低，其中，較高LAI、較低枝下高、較小冠幅的樹木(Ls)對風的阻擋作用更明顯。這是因為呈柱狀的樹冠垂直面積較大，與風的有效接觸面積擴大；高LAI樹木的葉面積密度大，葉間孔隙小[16]，對風的阻擋作用更明顯[25]。因此在露營地的樹木種植設計時，有必要在樹木的遮陽效應和通風效應之間找到平衡。

在5種種植布局中，B1、B2、B3比A1、A2空間表現出較強的微氣候調節能力，其中B3對熱環境的改善效果最明顯，在同一場景，B3與對照組相比可降低空氣溫度(0.91℃)，平均輻射溫度(12.58℃)，PET(6.94℃)。對于B1、B2和B3而言，群植的樹木比孤植的樹木更能降低氣溫，這是因為群植中連續的樹冠增加了持續的遮蔭面積，對太陽輻射的遮擋更明顯，因此冷卻和增濕效果也有所增加[8，26]。這與Abreu-Harbich等[27]的研究結果一致，即與對照組相比，在夏季孤植樹下的氣溫可降低0～2.8℃，而群植樹下的氣溫可降低0.3～15.7℃。

綜上，本研究僅探究濕熱地區露營地常見的10種樹木對5種不同種植布局空間熱環境的影響。事實上，人們在露營空間的活動方式較多，未來還可以探究不同樹種的種植搭配對露營地的影響，以及在控制樹木種類的前提下探究樹木的數量及種植布局對熱環境的影響。

5 結論與建議

5.1 結論

5種不同種植布局空間的熱舒適度梯度為群植全遮蔭(B3)＞群植半遮蔭(B2)＞孤植遮蔭(B1)＞樹木包圍無遮蔭(A2)＞開敞無遮蔭(A1)。高LAI且大冠幅的樹木能更好地改善孤植遮蔭、群植半遮蔭和群植全遮蔭空間的熱舒適。在群植全遮蔭空間中，不同樹種對其熱舒適度的影響無明顯差異。對于樹木包圍無遮蔭空間，高樹干且大冠幅的樹木可在上午和下午提供短暫的遮蔭環境，可相對地提高舒適度。

5.2 建議

對于開敞無遮蔭空間，由于其熱舒適性差，在露營地中應相對集中不宜分散，以便提供與露營相關的活動場地，如放風箏等。對于提供舒適空間有限的孤植遮蔭這類空間也不宜過多布置。在群植半遮蔭空間，應種植高LAI、大冠幅的樹木。在群植全遮蔭空間，由于此類空間枝葉交叉，可提供充足的遮蔭環境，因此可考慮種植稍低LAI但較高枝下高、具備花香或特定形態的樹木，以利于露營地通風并營造豐富的景觀。在樹木包圍無遮蔭這類較私密的特定需求空間，應充分考慮樹木遮陽的動態定位，選擇種植高樹干且大冠幅、較高枝下高的樹木。