竹類植物夏季微氣候特征及其對人體舒適度的影響

吳仁武

晏 海

舒 也

史 琰

包志毅*

隨著城市化的快速推進，由于城市熱量平衡改變而造成的城市熱島效應成為城市氣候最為顯著的問題，一直備受人們的關注[1-3]。已有研究表明，植物群落能夠有效地減緩城市熱島效應，植物可以通過冠層遮陰和蒸散作用降低周圍環境的空氣溫度和相對濕度，從而有效改善城市環境[4-6]。不同植物種類、綠地類型的降溫作用存在明顯差異，同時研究表明植物群落冠層結構特征是引起這種差異的主要影響因子。然而，以往關于城市綠地植物或群落結構微氣候效應研究中，主要集中于非竹類植物，對竹類植物的微氣候效應以及這種效應的驅動機制研究則較少。

本試驗以中國華東地區11種觀賞性強的竹類植物為例，觀測不同竹類植物微氣候(空氣溫度、相對濕度和光照強度)的日動態變化，同時測量竹類植物的葉面積指數、冠層覆蓋度和天空可視因子。本研究的目標是：1)分析竹類植物微氣候日動態變化特征及降溫增濕效應；2)采用不舒適指數為評價指標，評價不同竹類植物熱舒適度情況；3)分析不同竹類植物降溫增濕作用與葉面積指數、冠層覆蓋度、天空可視因子的相關性，找出不同竹類植物微氣候及熱舒適度水平差異的原因。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

浙江省杭州市臨安區(29°56′～30°23′N， 118°51′～119°52′E)位于浙江省西北部，地處中亞熱帶季風氣候區南緣，具有夏季濕熱、冬季干冷的氣候特征。本研究選取杭州竹文化園為試驗樣地(圖1)，其總面積約70hm2，主要種植和引種禾本科竹亞科植物，竹類植物有20屬120種(含品種)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地與竹類植物選擇

為了排除其他環境因素的干擾，樣地群落全部選擇在相互臨近的同一區域內，竹類植物群落均為單一竹種，同時為了避免周圍群落對測量結果的干擾，所選群落面積均大于900m2，且群落各邊緣的距離均大于15m，距水面的距離大于30m，且道路的距離大于15m。為了使研究結果能對風景園林規劃設計提供相應的參考，因而選擇的竹類植物均為華東最為常見的種類，且竹齡相近。通過實地調查，本研究的竹類植物種名和群落特征見表1。

1.2.2 測定時間、內容及方法

試驗選擇在晴朗、無風(風速≤2m/s)的天氣測定。測定時間為2017年7月21—27日連續7d，每天8：00—18：00，每2h記錄1次。

圖1 研究區域及樣地分布

在每個群落中心以及距離中心5m的東、南、西、北4個方向上分別設置測定點，在距離地面1.5m處用溫濕度記錄儀(Tes1365)測定竹林內的空氣溫度和相對濕度，用照度計(Tes1332A)測定群落內的光照強度。

植物群落的冠層特征采用葉面積指數、天空可視因子和冠層蓋度等3個指標來定量描述。3個指標用植物冠層分析系統(HemiView 2.1 SR5)測定。同時將各測定點所測數據加以算術平均，得到該群落的空氣溫度、相對濕度、光照強度、葉面積指數、天空可視因子和冠層蓋度。同時，在無遮陰的草坪設置對照點(CK)，采用同樣的儀器和方法同步測定空氣溫度、相對濕度和光照強度。

1.2.3 人體熱舒適度評價指標

關于人體熱舒適度的計算，本研究選擇由Thom[7]提出的不舒適指數(Discomfort Index，DI)，計算公式為：DI=T-0.55(1-0.01RH)(T-14.5)，式中DI表示為不舒適指數，T表示為空氣溫度(℃)，RH為空氣相對濕度(%)。其等級評價標準如下：A：DI＜21，舒適程度為“沒有人感到不舒適”；B：21.0＜DI＜23.9，舒適程度為“小部分人(小于50%)感到不舒適”；C：24.0＜DI＜26.9，舒適程度為：“大部分人(大于50%)感到不舒適”；D：27.0＜DI＜28.9，舒適程度為“絕大部分人感到不舒適”；E：29.0＜DI＜31.9，舒適程度為“幾乎所有人都感到不舒適”；F：DI＞32，舒適程度為“有中暑危險”[8]。

2 結果與分析

2.1 不同竹類植物群落微氣候定量分析

2.1.1 空氣溫度

圖2呈現了不同竹類植物的溫度日變化特征。11種試驗竹種及對照點的空氣溫度均隨時間呈先上升后下降的單峰形變化，在14：00左右達到全天的最高溫度。與對照組相比，喬木狀竹類植物都有明顯的降溫效應，地被竹(闊葉箬竹、菲白竹)降溫效果不明顯。

表1 竹類植物結構特征

不同竹類植物及對照點日平均單因素方差分析的結果(表2)顯示，竹類植物與對照點的日平均溫度存在極顯著差異(Duncan多重比較，P＜0.01)，即說明竹類植物對林下環境具有明顯的降溫功能。與對照點相比，喬木狀竹類植物的日均降溫強度為1.5～2.6℃，平均值為2.0℃，降溫率達4.0%～6.8%，平均值為5.3%；而闊葉箬竹和菲白竹則無明顯降溫作用，兩者降溫強度均為0.3℃，降溫強度均為0.8%。在不同竹類植物群落之間，闊葉箬竹和菲白竹與其他9種植物群落達到了極顯著水平，金鑲玉竹、紫竹與滿山爆竹、茶竿竹也達到了極顯著水平。

2.1.2 相對濕度

從圖3可以看出，不同植物群落及對照點的空氣相對濕度的日間動態均呈近“U”形變化，8：00時相對濕度最高，日出后溫度上升導致大氣相對濕度迅速下降，14：00—16：00相對濕度降至最低，隨后空氣相對濕度有逐漸上升，但速度較為緩慢，與對照組相比，喬木狀竹類植物都有明顯的增濕效應，地被竹增濕效果不明顯。

不同竹類植物群落及對照點平均相對濕度單因素方差分析的結果(表2)顯示，群落與對照點的日平均相對濕度存在極顯著差異(Duncan多重比較，P＜0.01)，即說明竹類植物對林下具有明顯的增濕功能。與對照點相比，喬木狀竹類植物日均增濕強度為3.0%～7.9%，平均值為5.1%，增濕率達6.0%～15.5%，平均值為10.0%；而闊葉箬竹和菲白竹則增濕作用相對較弱，增濕強度均為0.6%，增濕率分別為1.3%、1.1%。在不同竹類植物之間，茶竿竹和滿山爆竹與其他9種竹類植物達到了極顯著水平，橄欖竹、斑竹與雷竹、金鑲玉竹、紫竹、四季竹達到了極顯著水平。

2.1.3 光照強度

從圖4可以看出，不同竹類植物群落即對照點的光照強度日動態基本呈單峰分布，日間光照強度的峰值一般出現在12：00左右，12：00—14：00竹林群落內與對照點光照強度差值達到最大。圖6中也可以看出喬木狀竹類植物具有極好的遮陰效果。

圖2 不同竹類植物與對照組空氣溫度日變化特征

圖3 不同竹類植物與對照組相對濕度日變化特征

圖4 不同竹類植物與對照組光照強度日變化特征

表2 不同竹類植物群落空氣溫度、相對濕度和光照強度比較

不同竹類植物群落及對照點光照強度單因素方差分析的結果(表2)顯示，群落與對照點的日平均相對濕度存在極顯著差異(Duncan多重比較，P＜0.01)，即說明竹類植物對林下具有明顯的遮陰功能。與對照點相比，喬木狀竹類植物的日均遮光強度為53 361～55 805lx，平均值為54 790lx，遮光率達95.4%～99.9%，平均值為98.0%。

2.2 不同竹類植物群落人體舒適度評價

根據Thom的不舒適指數公式計算出不同竹類植物群落及對照點在不同時刻的不舒適指數(表3)。在炎熱的夏季，不舒適指數越高，人體感覺越不舒適。由表4可以看出，對照點在8：00—18：00，只有茶竿竹和滿山爆竹在8：00指數低于29.0，其他時刻所有植物的不舒適指數均高于29.0，即這個范圍內在這種環境中幾乎所有的人都感到不舒適。相比于對照點，喬木狀竹類植物群落都能降低一定的不舒適指數，降低不舒適指數率為2.1%～3.5%，平均值為2.9%，降低不舒適指數率排序為：雷竹＞茶竿竹＞橄欖竹＞四季竹＞滿山爆竹＞金鑲玉竹＞斑竹＞毛竹＞紫竹。這種調節效果能在一定程度上有效緩解極端高溫導致的熱不舒適性。而相比于對照點，闊葉箬竹和菲白竹降低不舒適指數則不明顯。

不同植物群落及對照點日平均不舒適指數單因素方差分析的結果顯示，竹類植物群落與對照點的日平均不舒適指數差異極顯著(Duncan多重比較，P＜0.01)，即說明竹類植物具有明顯的降低不舒適指數功能。同時，不同樹種降低不舒適指數率的差異也達到了極顯著性水平，雷竹與紫竹、斑竹、毛竹、闊葉箬竹和菲白竹的差異性顯著，橄欖竹、茶竿竹與紫竹、闊葉箬竹、菲白竹的差異性顯著。

2.3 不同竹類植物群落微氣候與群落冠層結構特征的相關性分析

由表4可以看出，群落內的空氣溫度與群落的葉面積指數(r=-0.837，P＜0.001)、冠層蓋度(r=-0.359，P=0.040)都達到了極顯著負相關關系，與天空可視因子(r=0.914，P＜0.001)達到了極顯著正相關。這說明竹類植物的冠層結構特征對其降溫效應起到重要的影響，即竹類植物的葉面積指數越大、冠層覆蓋度越高、天空可視因子越小，則竹林內的空氣溫度就越低。這是由于植物的葉面積指數越大、冠層覆蓋度越高，植物樹冠能夠通過遮光作用攔截和吸收的太陽輻射就越多，使得竹林群落內地表接收到的輻射就越弱，因此地面的增溫強度就越少，群落內的空氣溫度就越低。

相對濕度與光照強度(r=-0.751，P＜0.001)和天空可視因子(r=-0.796，P＜0.001)表現為極顯著的負相關關系，與葉面積指數(r=0.920，P＜0.001)和冠層蓋度(r=0.529，P＜0.001)表現為極顯著的正相關關系。這說明竹類植物的葉面積指數越大、冠層蓋度越高、天空可視因子越小，則竹林內的相對濕度就越高。這是由于竹類植物葉面積指數越大，地表單位面積內的葉片數量就越多且葉片表面積越大，因此植物蒸騰作用產生的水汽就越多，并且冠層蓋度越高的植物群落，其林內的郁閉度就越大，因此水汽就更不易消散，群落內的相對濕度就越高。

竹類植物群落的光照強度與群落冠層特征具有極顯著的相關性，與葉面積指數(r= -0.669，P＜0.001)和冠層蓋度(r=-0.025，P＜0.001)分別表現為極顯著的負相關和負相關關系，與天空可視因子表現為極顯著的正相關(r=0.942，P＜0.001)。這說明竹類植物的葉面積指數和蓋度越大，對太陽輻射的吸收和反射作用越強，群落內的光照強度也就越小。植物的葉片可以吸收和反射太陽輻射，而植物的這種反射和吸收作用主要與植物冠層的枝葉特征以及植物冠層的蓋度和密度相關。

在微氣候因子中，不舒適指數與空氣溫度呈現極顯著的正相關(r=0.924，P＜0.001)，與相對濕度(r=-0.596，P＜0.001)呈現極顯著的負相關，與光照強度具有極顯著正相關關系(r=0.821，P＜0.001)。DI是由空氣溫度和相對濕度共同構成的用來描述人體舒適度的綜合影響指標，因而與溫度和濕度具有極明顯的相關性。光照強度通過影響空氣溫度和相對濕度，從而間接影響DI的大小。在群落冠層結構特征中，DI與葉面積指數(r=-0.626，P＜0.001)呈現極顯著關系，和冠層蓋度(r=-0.178，P=0.321)呈現負相關關系，與天空可視因子(r=0.833，P＜0.001)表現為極顯著的正相關。相比于對群落微氣候的影響，群落冠層結構特征對DI的影響更為明顯。闊葉箬竹和菲白竹冠層蓋度雖然較高，但是不舒適指數并不明顯，所以顯示出不舒適指數僅僅是與冠層蓋度具有負相關關系。

3 討論

3.1 竹類植物群落降溫增濕效應強度

植物群落具有明顯的降溫增濕效應，這個研究結果被不同研究者在不同地區廣泛證實[9-11]。本試驗中，筆者通過對11種竹類植物微氣候因子測定發現，結果發現無論是午后還是早、晚，竹類植物群落與對照組相比，其空氣溫度低、相對濕度高，即表明竹類植物群落具有明顯的降溫增濕效應，但不同時刻竹類植物群落的降溫增濕強度存在差異。在夏季，一天之中，竹類植物群落的空氣溫度和相對濕度在午后14：00左右達到最值。與對照組相比，喬木狀竹類植物日平均降溫范圍在1.5～2.6℃， 地被竹日平均降溫范圍為0.3℃，相應的，喬木狀竹類植物日平均增濕范圍為3.0%～7.9%，地被竹日平均增濕強度為0.6%。由此發現，喬木狀的群落降溫增濕效果好，而地被竹降溫效果不佳。這可能與植被的葉面積指數和天空可視因子有關。和本研究近似，Yan H[12]以油松、刺槐等8種植物群落為研究對象，日均降溫強度為1.6～2.5℃，增濕強度為2.9%～5.2%，與對照點相比，植物群落都能降低一定的不舒適指數，降低不舒適指數率為2.5%～4.3%；Qin Z[13]的研究發現，在白天毛白楊夏季降低溫度1.0～5.0℃，增加相對濕度4%～15%，欒樹夏季降低溫度0.43～7.53℃，增加相對濕度1.0%～22%。

3.2 竹類植物群落微氣候效應與冠層結構的關系

3.2.1 降溫增濕

研究發現，竹類植物群落的冠層特征對群落的降溫效應具有重要的影響，即群落冠層的葉面積指數越大、冠層蓋度越高、天空可視因子越小，則群落內的空氣溫度就越低。而喬木狀竹類植物具有明顯的降溫增濕作用，秦耀民在西安對植物群落實測時也得到相似的結果，這是由于植物群落通過冠層結構能夠吸收、反射和遮擋太陽輻射，并借助自身的光合作用將太陽能轉化為化學能，使達到地面及樹冠下面的太陽輻射顯著減少，從而能夠調節林下溫度，微氣候環境溫度和濕度的差異與喬木的蓋度密切相關，喬木狀蓋度越大，則微氣候環境降溫增濕作用就越明顯[14-15]。Peters E B[16]等研究不同植被類型對城市微氣候格局的影響時也發現，地表空氣溫度的大小主要由葉面積指數和植被蓋度決定，高葉面積指數樣點的空氣溫度比低葉面積指數樣點的溫度低6℃。

表3 不同竹類植物群落在不同時刻的不舒適指數

表4 微氣候因子與竹類植物結構特征間的相關性

3.2.2 不舒適指數

本試驗發現，不舒適指數與空氣溫度和相對濕度具有極顯著關系，這說明不舒適指數由竹類植物群落的空氣溫度和相對濕度共同影響。同時，冠層蓋度與空氣溫度、相對濕度具有極顯著關系，因此群落冠層結構特征對DI的影響非常明顯。在澳大利亞墨爾本，Coutts A M等[17]的研究也發現，行道樹通過有效地降低溫度從而改善熱舒適度，空氣溫度與熱舒適度表現為極顯著相關關系，同時他也發現，通過有效改善植物的蒸散作用，從而降低空氣溫度，進而改善熱舒適度[18]。不舒適指數是環境空氣溫度和相對濕度等微氣候因子共同的特征，群落冠層結構通過對群落不同微氣候因子的綜合調節，從而達到對環境舒適度水平的調節作用[19]。

4 結論

夏季，竹類植物群落與對照點相比，日平均空氣溫度、相對濕度計光照強度之間的差異均達到了顯著差異。竹類植物群落與對照點日平均不舒適指數差異極顯著，喬木狀竹類植物相比于對照點，竹類植物都能降低一定的不舒適指數，不同的竹類植物降低不舒適指數率的差異達到了顯著性水平，即說明不同樹種對熱舒適度具有不同的調節效果。通過對微氣候因子、不舒適指數及群落冠層特征的相關性分析，結果表明它們之間存在顯著的相關性。

竹類植物能有效地改善微氣候效益，也具有宗教觀念、理想人格和精神追求等中華文化特質[20]，是一類獨特的園林植物。不同冠層結構的竹類植物也有不同強度的微氣候效益，在植物景觀規劃設計中，宜根據場地條件和營造需求有機地選擇竹類植物。如在竹主題迷宮中，則宜選擇茶竿竹、滿山爆竹等，這類竹葉面積指數和冠層蓋度高，比其他竹類植物能較好地降溫增濕，同時其隔離性也相較于其他竹類植物強；在康復主題花園中，則宜選擇雷竹、橄欖竹等，其在夏季相對于其他竹種能較好地降低不舒適度，且其高度適中，在小尺度中不覺壓抑；在竹林主題中，宜選擇毛竹等，其溫濕度日變幅相對較高，與外界環境交流強，同時其高度和枝下高相對其他竹高，在林下更有空曠之感。

本文重點探討了竹類植物的夏季微氣候特征及其冠層結構的相關性，同時分析微氣候因子與不舒適指數的關系。以此為基礎，可以基于竹類植物的微氣候效益，對植物景觀規劃設計中竹類植物的選擇提供科學依據，確保城市綠地有序發展。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝碩士生王巧良、楊詩敏和張晨瑋對數據收集提供的幫助。