植被覆蓋度對居民區溫度影響的分析

易嘉慧,段小苗,韓泰玉,周安琪,楊 文

(湖南師范大學 資源與環境科學學院,湖南 長沙410081)

在高速城市化影響下,“熱島效應”給城市生態環境帶來極大影響,破壞人們的居住環境,大大降低了城市生活質量[1,2]。目前,眾多學者對“熱島效應”進行了研究,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[3-5]。綠地植物通過物理遮蔽作用攔截太陽輻射、蒸騰作用和光合作用吸收地表輻射,從而達到降低周邊溫度的目的[6,7]。為了分析綠地及相關因素對周邊環境溫度的調節作用,研究者們從綠地面積、種類、形狀等不同因素出發,探索了綠地與溫度之間的定性和定量關系[8-11]。Decelet-Barreto等利用遙感技術估測植被周圍溫度比其他地方的溫度低0.8—8.4℃[12];Hardin等發現葉面積指數每增加1個單位,溫度會降低1.2℃左右[13];日本Mikami等對森林面積進行了研究,發現森林植被覆蓋度的降溫效應存在閾值,只要超過20hm2,降溫效率將不會繼續增強[14]。相關研究表明,植被覆蓋度與區域溫度間存在著顯著負相關關系[7,15]。部分研究結果表明,公園冷島效應主要與水體面積和綠地面積(即植被覆蓋度)的比例有關。當城市公園的喬木覆蓋率40%—60%、集中型水體比例15%、鋪裝比例20%時,降溫效果達到最佳[16]。國內多數研究是基于遙感影像數據探索大尺度植被覆蓋度與溫度的關系,且植被覆蓋度的閾值范圍成為研究的熱點[2，3,15,17]，而從較小尺度出發,實地監測與分析區域內植被覆蓋情況與溫度的關系研究較少。本文將從居民區的尺度出發,定量分析居民區內植被覆蓋度對溫度的影響程度。

1 數據獲取與處理

1.1 研究區概況與監測點布設

長沙介于111°53′—114°15′E、27°51′—28°41′N,是長江中游地區重要的中心城市。當前,長沙城區“熱島效應”顯著,夏季平均溫度為35℃左右,最高達40℃。隨著城鎮化發展,城市居住人口增多,對居住環境的綠化建設重視度逐步得到提升,成為城市居住小區建設規劃的重點之一。

本研究選取長沙市岳麓區植被覆蓋度存在明顯差異的3個小區(麓山名園小區、陽光100小區、陽明山莊小區)、空地和岳麓山作為研究對象,具體位置見圖1。其中,3個居民區建筑高度基本一致,均為7—8層房屋,建筑密度相近,小區四周兩面為交通路段,另外兩面為其他建筑地物,各小區內選取樹冠遮蔽處、陽光直射處、構筑物陰影處進行布點,布點高度為1m左右。空地和岳麓山則分別布設一個測點作為對照監測點。其中,空地選擇較大范圍內無植被覆蓋的區域中心,岳麓山則選擇植被茂密幾乎無透光處,共計11個監測點。

圖1 研究區概況

1.2 數據采集與處理

植被覆蓋度采集與分析:本文使用WhoseGIS軟件在Google earth上截取麓山名園、陽光100和陽明山莊3個小區影像，截取時間分別為2018年6月17日、4月7日、6月17日,像元大小為1m×1m,所有影像數據均采用WGS84橢球基準面,精校正到UTM投影坐標系(N49帶)。利用ArcGIS軟件對影像進行目視解譯,結合實地驗證獲取了3個小區的植被覆蓋度。其中，麓山名園的植被覆蓋度為20.27%，陽光100的植被覆蓋度為26.31%，陽明山莊的植被覆蓋度為40.22%,空地和岳麓山的植被覆蓋度則分別近似于0和100%。

溫濕度采集與分析:在9—11月選取天氣狀況穩定的連續時間,用GM1365溫濕度儀測定測點溫度和濕度,時間間隔為1min,共得到50，400組數據。不同測量點的某一時間溫濕度值為3個連續測量日同一時間點的溫濕度算術平均值。11個監測點根據不同植被覆蓋度分成5組,其中岳麓山上樹冠遮蔽處和空地上陽光直射處為兩個對照組。用Excel 2016、Origin9.0對11個監測點數據進行初步整理與繪圖,然后根據不同植被覆蓋度采用SPSS22.0軟件對溫度數據進行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(TUKEY HSD),利用F分布進行統計檢驗,并對植被覆蓋度與溫度進行關聯分析。

2 結果及分析

2.1 植被覆蓋度與升溫過程的影響分析

升溫過程的描述性統計分析:對5個研究地升溫時段(6:00—9:00)的溫度情況進行描述性統計分析(表1)。結果表明，空地陽光直射處9—11月均溫分別為26.96℃、17.73℃與12.50℃,陽光100陽光直射處9月與10月均溫分別為27.41℃和17.64℃,這兩處溫度最高且顯著高于同時段其他區域。其次,陽光100構筑物陰影處溫度也明顯高于其他區域,而陽明山莊樹冠遮蔽處與岳麓山樹冠遮蔽處無顯著性差異且低于其他區域,其中陽明山莊樹冠遮蔽處9—11月均溫分別為24.61℃、16.26℃與11.47℃,岳麓山樹冠遮蔽處分別為24.68℃、16.41℃與11.21℃。陽光100的陽光直射處與樹冠遮蔽處均溫溫差達1.64℃,而在同一時段均溫最低處陽明山莊樹冠遮蔽處與均溫最高處陽光100陽光直射處差值高達2.80℃。綜上所述,植被覆蓋度對居住區氣溫具有明顯的調節作用。每一個監測點最高溫與最低溫的溫度差值分析表明,岳麓山變溫幅度均為最小,平均為6.2℃,麓山名園直射處和陽光100直射處變溫幅度最大,高達岳麓山的2倍。結合陳輝等[18]的研究,陽光100居住區的溫度變幅大于麓山名園的原因可能與陽光100植被斑塊與其他兩地有顯著不同有關。隨著月份的推移,日均溫度不斷降低,不同地點同一時間、同一地點不同時間之間的溫度變幅都呈現出減小的趨勢。

植被覆蓋度與升溫過程溫度的關聯分析:分別將各個監測點9月、10月份升溫時段數據繪制植被—溫度散點圖,并進行線性定量分析(圖2a、圖2b)。結果表明，植被覆蓋度與周邊溫度之間存在著明顯的負相關關系,樹冠遮蔽處、陽光直射處、構筑物陰影處也存在著類似的關系特征。其中,9月份陽光直射處、樹冠遮蔽處與構筑物陰影處線性擬合曲線斜率則為-0.0190、-0.0233與-0.0228,相關系數分別為0.27、0.37與0.35(圖2a)。線性分析結果表明,植被覆蓋度每減少10%,炎熱升溫時周邊環境將相對增加約0.2℃,兩者之間存在著明顯的負相關關系。

表1 監測點9—11月升溫時段溫度描述性統計

注:同一列數據標有不同字母的表示其統計差異達到顯著水平(p<0．05);—表示因儀器丟失導致的數據缺失,表2同。

圖2 監測點植被—溫度關聯分析

2.2 植被覆蓋度與降溫過程的影響分析

降溫過程的描述性統計分析:對5個地點降溫時段(17:00—20:00)的溫度進行描述性統計分析見表2。從表2可見，空地陽光直射處9—11月均溫分別為30.87℃、21.98℃與16.94℃,陽光100構筑物陰影處9、10月均溫分別為31.30℃和22.02℃,這兩處溫度最高且顯著高于同時段其他區域,而陽明山莊構筑物陰影處與麓山名園陽光直射處則低于其他區域。其中陽明山莊構筑物陰影處9—11月均溫分別為29.15℃、19.88℃與13.99℃,麓山名園陽光直射處為28.88℃、19.02℃與12.26℃。麓山名園陽光直射處與樹冠遮蔽處均溫溫差達2.82℃,而在同一時段研究區域均溫最低處與均溫最高處差值高達3.13℃,可見植被覆蓋度對調節小區氣溫具有明顯作用。對同一地點的最高溫與最低溫的溫度差值分析可見,岳麓山變溫幅度均為最小,平均為2.03℃,麓山名園構筑物陰影處和陽光100直射處變溫幅度最大,高達岳麓山的3倍。同時,岳麓山和陽明山莊樹冠遮蔽處在降溫時段兩組數據雖然具有顯著差異,但是溫度差的絕對值較小。

植被覆蓋度與降溫過程的關聯分析:分別將各個監測點9月、10月份降溫時段數據繪制植被—溫度散點圖,并進行線性定量分析(圖2c、圖2d、圖2e)。結果表明，植被覆蓋度與周邊溫度之間存在明顯的負相關關系,樹冠遮蔽處、陽光直射處、構筑物陰影處等均存在類似的關系特征。其中,9月份陽光直射處、樹冠遮蔽處與構筑物陰影處線性擬合曲線斜率則為-0.0221、-0.0234與-0.0306,相關系數分別為0.34、0.31與0.43(圖2c)。線性關系結果表明,在植被覆蓋度每增加10%,降溫時周邊環境將相對減少約0.2—0.3℃。在降溫時段,居民區內的陽光直射處、構筑物陰影處與樹冠遮蔽處3組數據整體溫度規律呈現為:T陽光直射處

表2 監測點9—11月降溫時段溫度描述性統計

3 結論

本文從居民區的尺度出發,定量分析了居民區內植被覆蓋度對溫度的影響程度,結合植被覆蓋度對升溫過程和降溫過程的分析結果，得出以下主要結論:①居民區內溫度隨植被覆蓋度的升高而降低。3個研究區溫度與植被覆蓋度的變化規律為:T陽光100(26.31%)>T麓山名園(20.27%)>T陽明山莊(40.22%);陽光100植被覆蓋度高于麓山名園,但平均溫度卻高于麓山名園,這可能與陽光100處植被斑塊與其他兩地不同有關。②升溫時段麓山名園和陽明山莊樹冠遮蔽處組間無顯著性差異,而降溫時段的組間溫度差值偏小,居民區植被覆蓋度對溫度的調節存在閾值。當居民區植被覆蓋度超過40.22%(陽明山莊植被覆蓋度)時,居民區內植被覆蓋度與溫度變化之間可能不存在顯著關系。③秋季長沙市居民區內植被覆蓋度每增加10%,溫度降低0.2℃左右。從植被—溫度散點圖分析得到,溫度隨植被覆蓋度的變化存在較穩定的規律,9—11月平均溫度隨植被覆蓋度的變化值存在微小差異,總體表現為植被每增加10%,溫度降低0.2℃左右。④植被對溫度的調節能力不僅表現為對高溫的調控作用,同時也對低溫有控制作用。居民區內樹冠遮蔽處升溫段平均溫度低于構筑物陰影處和陽光直射處,而降溫段則反之,樹冠遮蔽處平均溫度最高。