夏季不同冠層結構綠帶對城市街道降溫增濕效應研究

鄧永成，李 娜，梁玉婷

(武漢市園林科學研究院，湖北 武漢 430081)

1 引言

近年來，隨著人們對生態環境重視度的日益提高，生態宜居城市的理念也越來越受到人們的青睞，創建生態園林城市成為了許多大中型城市的發展目標。熱島強度是衡量城市生態環境重要指標之一，夏季高溫給市民們日常生活和出行帶來了許多困擾，如何有效緩解這一問題值得探索研究。行道樹作為道路綠化的主要組成部分，對改善道路熱環境質量、抵御太陽輻射、降低大氣溫度、創造宜人空間環境、提高行人舒適度有重要的作用。研究發現植被覆蓋面積大并有高大喬木的街道比無植被覆蓋街道溫度明顯降低，道路綠化具有明顯的降溫增濕功能，建筑地面則增溫效果明顯[1～4]。

在綠地對大氣溫濕度的調節功能相關研究中，起初大多數集中在不同種類植物所對應的地表或大氣溫度和相對濕度的對比觀測研究上，或者不同形狀大小、不同綠地利用類型、不同樹種降溫效果的比較。后來研究發現，樹木的降溫增濕作用與其蒸騰作用強弱和樹體吸收和反射太陽光輻射強弱有關[5，6]。樹體在蒸騰釋水時吸收大量熱能，向大氣釋放大量水蒸汽，從而降低大氣溫度，增加空氣濕度；同時由于樹冠的遮蔭、枝葉對光輻射的吸收與反射等，使樹木具有降低光照強度，緩和溫度變化的共性。由于單位時間內不同冠層結構的綠地庇蔭效果不同，抵御太陽光輻射的強度存在差異，且不同植物組合蒸騰釋水量和蒸騰吸熱量不同，因此不同冠層結構綠地群落的降溫增濕效應也有很大差異。紀鵬等在對北京清河沿岸不同垂直結構綠帶四季溫濕效應的研究中發現春夏秋三季河岸兩側不同結構綠帶都具有一定的保溫保濕效果，但其降溫增濕效果存在一定的差異[7]。為研究武漢地區常見植物組合綠帶的降溫增濕效應，筆者于2020年夏季在武漢城區主干道內，以道路路面作為對照，通過連續定點觀測，對喬灌草、喬草、灌草三種冠層結構組合綠地的降溫增濕效應進行了分析，為武漢城區街道綠化合理規劃設計提供理論性指導。

2 研究地區概況

武漢市(29°58′～31°22′N，113°41′～115°05′E)位于湖北省東部、長江與漢水交匯處，屬北亞熱帶季風性(濕潤)氣候，具有常年雨量豐沛、熱量充足、雨熱同季、光熱同季、冬冷夏熱、四季分明等特點。年平均氣溫15.8～17.5 ℃，1月平均氣溫最低，7、8月平均氣溫最高，年降水量1150～1450 mm。本試驗選擇了漢陽區江城大道綠化隔離帶中長勢良好的3片不同冠層結構的植物群落作為觀測區域，包括喬灌草、喬草、和灌草3個類型(表1)。主要植物包括：香樟(Cinnamomumcamphora)、廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)、銀杏(Ginkgobiloba)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、紅繼木(Loropetalumchinense)、海桐(Pittosporumtobira)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)、蔥蘭(Zephyranthescandida)。

表1 3種冠層結構綠地植物配置

3 研究方法

3.1 主要儀器

溫度與濕度采用TH22R-EX溫濕度計，風速采用PH-Ⅱ-C手持氣象站，其他采用常規測量工具。

3.2 研究方法

試驗選擇在2020 年夏季晴朗無風的天氣(7月9日、7月23日、8月3日、8月7日、8月17日)進行。觀測點設置在所選綠帶(20 m×5 m)中心離地1.5 m的高度處，為了安全起見，對照點設置在非機動車道路面離地1.5 m的高度處(圖1)，各小組于觀測日8:00～20:00同時開始觀測，每隔2 h記錄一次讀數，重復3次，取平均值。

圖1 試驗點分布

觀測儀器提前5 min開機預熱，穩定后開始讀取試驗點和對照點的大氣溫度和大氣相對濕度。為了更加清晰的研究3種不同植物配置綠地的降溫效果，現引入了平均降溫率的概念，其公式為：

(1)

式(1)中，Ti為路面對照點每隔2 h整點氣溫讀數，Ti2為行道樹樹蔭中心每隔2 h整點氣溫讀數。

為了研究不同冠層結構綠地的增濕效果，我們引入了平均增濕率的概念，其公式為：

(2)

式(2)中，Ri為路面對照點每隔2 h整點相對濕度讀數，Ri2為行道樹樹蔭中心每隔2 h整點相對濕度讀數。

3.3 數據分析

實驗數據采用SPSS23.0軟件進行分析處理，采用Microsoft Excel 2010軟件進行制表繪圖。

4 結果與分析

4.1 不同冠層結構綠帶的降溫效果

從觀測結果(表2和圖2)可以看出，各個時段在3種不同類型綠地內測定的平均氣溫均低于道路對照點的平均氣溫，從而說明3種園林綠地均具有降低氣溫效應。通過Duncan檢驗法進行多重比較，都沒有出現顯著性差異(P>0.05)，說明長勢相同的3種類型綠地的降溫效果接近且穩定。其中喬灌草和喬草結構綠地的平均降溫率分別達到了5.40%和5.01%，略好于灌草結構綠地4.26%的降溫效果，所以降溫效應大小依次為喬灌草>喬草>灌草。從各時段的降溫效果來看，10:00～12:00的降溫效應最大，3種綠地的平均降溫率分別達到了8.5%、7.1%和6.3%。

表2 3種冠層結構綠地平均降溫率

圖2 3種類型綠地平均降溫率

在分析3種類型綠地降溫效應日變化規律時，選擇了8月7日(平均降溫效應最大)的觀測結果(表3)來進行研究。從圖3可以看出3個試驗點及道路對照點4條氣溫日變化呈“單峰型”趨勢，先升高后降低的趨勢，從8:00開始氣溫持續上升，10:00～12:00期間各觀測點降溫率達到最大，分別達到了10.1%、8.9%和6.6%。但氣溫仍在繼續上升，14:00到達峰值，相對于對照點溫度分別降低了2.8 ℃、2.5 ℃、1.9 ℃。14：00過后開始各觀測點溫度均開始下降，且相對于道路對照點溫差也開始降低，到20:00時，3種類型綠地內觀測點氣溫趨近相等，但相對于對照點仍有1.6 ℃、0.7 ℃、0.5 ℃的溫差。各觀測點在8:00～20:00間與對照點平均溫差為2.4 ℃、1.9 ℃、1.6 ℃，說明3種類型綠地具有明顯降溫能力。

圖3 3種綠地下氣溫日變化

表3 8月7日3種綠化樹種各時段氣溫

4.2 不同結構綠地的增濕效果

從觀測結果(表4和圖4)可以看出，各個時段在3種不同綠地內測定的平均相對濕度均高于道路對照點的平均相對濕度，從而說明園林綠地都具有一定的增濕效應。通過Duncan檢驗法進行多重比較，發現3種綠地沒有顯著性差異(P>0.05)，說明三種結構綠地增濕效果相近。其中喬灌草和喬草結構綠地的平均增濕率分別達到了5.41%和4.89%，高于灌草2.98%的增濕效果，所以增濕效應大小依次為喬灌草>喬草>灌草。

圖4 3種綠地平均增濕率

表4 3種綠地平均增濕率

從各時段的增濕效果來看，12:00～14:00的增濕效應最大，3種綠地平均增濕率分別達到了8.7%、7.4%和5.8%。

同樣在分析3種結構綠地日增濕效應變化規律時選擇了平均增濕效應最大7月23日的觀測結果(表5)來進行分析。從圖5可以看出，4條相對濕度變化均呈先降低后升高，與氣溫日變化曲線趨勢剛好相反，呈倒“V”字型，且在14:00時降低到最小值，喬灌草、喬草、灌草的相對濕度分別為55.1%、53.3%和51.7%，相對于道路路面分別增加了9.1%、5.5%、2.4%，由此可見，3種綠地均具有一定的增濕效果，且喬灌草和喬草結構的綠地增濕效果明顯強于灌草。

表5 7月23日3種綠地各時段大氣相對濕度

圖5 3種綠地下相對濕度日變化

5 結論與討論

城市道路綠化帶通常具有較好的遮陰效果，園林植物通過對太陽輻射的反射和吸收降低周圍空氣變化速率，同時通過蒸騰作用達到增加周圍空氣濕度、降低空氣溫度的效果[8]。通過上述試驗測定結果不難看出，3種植物配置的綠地都具有一定的降溫增濕效果，平均降溫率達到了4.3%～5.4%，平均增濕率為2.9%～5.4%。在炎熱的夏季，城市道路綠化對改善道路熱環境質量、創造宜人空間環境、提高行人舒適度有重要的作用。

根據觀測結果，面積相同的3種不同冠層結構綠地的降溫效果和增濕效果均為喬灌草>喬草>灌草，這可能與綠地郁閉度、葉片大小密度以及葉表面粗糙程度有關。通過對比發現：郁閉度高、冠層結構豐富的喬灌草結構型綠地，在降溫效果和濕度調節作用方面明顯優于其他兩種類型綠地。這與馮義龍等關于重慶市區綠地植物群落的降溫增濕效應研究結果一致[9]。

在分析3種類型綠地降溫效應日變化規律時，可以發現10:00～12:00的降溫率最大，并不是氣溫最高的14:00。這可能與綠化植被降溫效果有一定的閥值范圍有關[10]。馬雪瑩等在對綠化植被對夏季高溫調節功能的研究中發現當環境溫度達到30.5～33.5 ℃ 時，綠化植被的降溫效果最為顯著。在觀測日的測定結果中可以看出，10:00～12:00各觀測點的氣溫已經接近和超過30.5 ℃,降溫效應達到最大。隨著環境溫度的進一步升高，行道樹降溫效應遞減。

筆者認為城市綠化設計在保證良好的觀賞效果同時，應優化植物群落設計，盡量使用高低搭配的植物配置模式，豐富綠化空間的立體降溫增濕效果。另外應優先選擇郁閉度高，遮陰效果好的行道樹，以改善道路熱環境質量，降低城市熱島效應，為行人提供舒適的出行環境。本試驗中的3種冠層結構的植物配置模式在華中地區道路綠化中具有一定的代表性，筆者認為加入生長周期短，枝葉茂密的法桐、楸樹等落葉喬木，以及北美楓香、紅葉李等彩色樹種既能增加氣候立體調控功能，又能作為觀賞樹種在夏秋兩季給市民帶來視覺景觀體驗。