城市游憩空間不同下墊面對(duì)紫外線輻射的影響?

劉東蘭 戴忠煒

1 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園藝園林學(xué)院 福州 350005

2 福建農(nóng)林大學(xué) 福州 350002

城市游憩空間是承載居民親近自然傾向和游憩需求的重要載體, 其功能水平成為影響人居環(huán)境發(fā)展的核心要素之一[1-2]。 人體舒適度是城市游憩空間美好程度的重要考量指標(biāo)之一, 而紫外線過(guò)度照射會(huì)對(duì)人體裸露皮膚、 眼睛、 頭發(fā)等造成傷害進(jìn)而影響人體舒適度[3], 因此紫外線屏蔽成為良好游憩環(huán)境塑造中不可或缺的環(huán)節(jié), 遮蔭喬木、 草地、 綠地、 水體和建筑物等下墊面建設(shè)是人為調(diào)節(jié)城市游憩空間紫外線強(qiáng)度的重要手段。 現(xiàn)有文獻(xiàn)已量化評(píng)估遮蔭喬木或綠化植物對(duì)紫外線輻射的屏蔽效應(yīng),如ágnes Takács 等[4]、 Ruzana Sanusi等[5]分別測(cè)度了匈牙利塞格德、 澳大利亞墨爾本街道的遮蔭植被對(duì)紫外線輻射的屏蔽效果： 李海濤等[6]對(duì)北京市6種具有代表性的園林綠化樹種、 楊瑩等[7]對(duì)呼和浩特市5 種常見(jiàn)園林綠化樹種、 鄭思俊等[8]對(duì)上海不同類型人工綠地、 曹冰冰等[9]對(duì)北京市道路23 種綠化樹種, 以及陳明明等[10]對(duì)北京市停車場(chǎng)常用11 種喬木樹種的研究結(jié)果均表明, 遮蔭喬木或綠化植物具有良好的紫外線屏蔽效果。 然而, 目前為止, 仍難覓文獻(xiàn)研究同一游憩空間范圍內(nèi)不同下墊面對(duì)紫外線輻射的屏蔽效果差異, 也就難以為單一城市游憩空間的紫外線屏蔽措施設(shè)計(jì)提供多元的決策依據(jù)。 此外, 以往文獻(xiàn)僅測(cè)量來(lái)自天空的紫外線輻射強(qiáng)度, 未考慮地表的反射效應(yīng), 容易出現(xiàn)測(cè)量誤差的風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上現(xiàn)實(shí)背景和理論背景, 本文以福州市烏龍江畔的沙灘公園為研究地域, 對(duì)天空直接輻射和地表反射輻射的紫外線進(jìn)行實(shí)地測(cè)量, 分別測(cè)量遮蔭喬木、 灌木叢、 草地、 沙地、 水體、 建筑、 硬質(zhì)路面等不同下墊面類型的紫外線輻射強(qiáng)度, 并比較不同下墊面類型對(duì)紫外線輻射的屏蔽效果差異,提出多元化的紫外線輻射的屏蔽與弱化措施, 對(duì)優(yōu)化城市游憩空間的下墊面設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值, 以滿足人民日益增長(zhǎng)的美好游憩空間需要。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

福州沙灘公園位于福州市倉(cāng)山區(qū), 公園面積為106 040 m2, 長(zhǎng)度為933 m, 寬度為30～200 m,西鄰烏龍江, 東有妙峰山。 公園南北區(qū)域的現(xiàn)狀條件不同, 設(shè)計(jì)風(fēng)格也不一樣, 北區(qū)域空間狹長(zhǎng),是植被豐富的生態(tài)區(qū)： 南區(qū)域較為空曠, 由沙灘區(qū)、 戲水區(qū)、 休憩區(qū)組成, 突顯熱帶海灘特色[11]。 公園內(nèi)景觀多樣, 具有豐富的下墊面類型, 成為聯(lián)系烏龍江畔各分散地塊的活力紐帶。

1.2 觀測(cè)點(diǎn)選擇

福州沙灘公園的下墊面類型較為豐富, 包括遮蔭喬木、 灌木叢、 草地、 沙地、 水體、 建筑、硬質(zhì)路面7 種類型。 本文在不同下墊面選取人為干擾較少的9 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行紫外線輻射強(qiáng)度測(cè)量,保證周圍5 m 范圍內(nèi)沒(méi)有建筑物等人工設(shè)施的遮擋。 鑒于遮蔭喬木林下有不同的地面覆蓋, 該類型下墊面選擇3 個(gè)典型的不同觀測(cè)點(diǎn), 具體為“遮蔭喬木+硬質(zhì)路面” “遮蔭喬木+草地” “遮蔭喬木+灌木叢”, 其余6 種下墊面各選擇1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[12]。 9 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的概況詳見(jiàn)表1。

表1 福州沙灘公園9 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)概況

1.3 觀測(cè)方法

中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)顯示, 福州市4—9月為全年紫外線照射最強(qiáng)的季節(jié), 一天中10 ∶00—14 ∶00 為紫外線照射最強(qiáng)的時(shí)段[13]。8 月正是炎熱的高溫季節(jié), 來(lái)自太陽(yáng)光的紫外線輻射極強(qiáng), 尤其晴天紫外線強(qiáng)度最強(qiáng)[14], 因此選擇8 月的晴天進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、 分析, 對(duì)研究福州紫外線輻射強(qiáng)度極具代表性。

本文選擇2018 年8 月21—23 日分別對(duì)9 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的下墊面類型的紫外輻射進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,該樣本期間均為晴天。 每天測(cè)量3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn), 對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在1 天內(nèi)同時(shí)完成測(cè)量。 在晴天(天空云蓋度＜10%)、 白天平均氣溫大于30 ℃時(shí)進(jìn)行微氣候觀測(cè), 利用泰瑪斯TM-213 紫外線測(cè)光儀(感應(yīng)器波長(zhǎng)290 nm ～390 nm, 精確度為±3%/每年), 在1.5 m 的高度記錄每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的來(lái)自天空正上方的紫外輻射值, 同時(shí)測(cè)量來(lái)自地面反射的正下方的紫外輻射值。 每日觀測(cè)時(shí)間為9 ∶00—18 ∶00, 數(shù)據(jù)每隔10 min 自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄器中, 取平均值作為每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的小時(shí)平均紫外輻射強(qiáng)度值, 用SPSS18.0 軟件對(duì)不同觀測(cè)點(diǎn)的紫外輻射值進(jìn)行單因素方差分析, 以確定不同下墊面類型的紫外輻射強(qiáng)度是否存在顯著差異。

2 結(jié)果分析

2.1 不同下墊面戶外紫外線輻射強(qiáng)度日進(jìn)程

2.1.1 天空輻射強(qiáng)度日進(jìn)程

戶外紫外線, 英文Ultraviolet Radiation B, 簡(jiǎn)稱UVB。 由圖1 可知, 福州沙灘公園不同下墊面類型的UVB 天空輻射日進(jìn)程差異較大。 遮蔭喬木、 沙地、 水體和建筑的夏季UVB 呈波動(dòng)形日進(jìn)程, 峰值出現(xiàn)在11 ∶00： 草地、 硬質(zhì)路面和灌木叢3 個(gè)下墊面類型的UVB 輻射呈倒U 形日進(jìn)程,峰值同樣出現(xiàn)在約11 ∶00。 “遮蔭喬木+硬質(zhì)路面” “遮蔭喬木+草地” 和“遮蔭喬木+灌木叢”的UVB 天空輻射日總量分別為312 μW/cm2、707 μW/cm2、 609 μW/cm2： 草地、 灌木叢、 硬質(zhì)路面、 沙地、 水體的UVB 天空輻射日總量分別為34 147 μW/cm2、 33 319 μW/cm2、 30 470 μW/cm2、28 730 W/cm2、 28 209 μW/cm2： 建筑的UVB 天空輻射日總量為438 μW/cm2。

2.1.2 地表輻射強(qiáng)度日進(jìn)程

UVB 地表輻射是由于來(lái)自天空的太陽(yáng)光在地面反射造成的。 由圖1 可知, 福州沙灘公園不同下墊面類型觀測(cè)點(diǎn)夏季UVB 地表輻射呈波動(dòng)性日進(jìn)程, 峰值均出現(xiàn)在11 ∶00。 “遮蔭喬木+硬質(zhì)路面” “遮蔭喬木+草地” 和“遮蔭喬木+灌木叢”的UVB 地表輻射日總量分別為185 μW/cm2、114 μW/cm2、 98 μW/cm2： 草地、 灌木叢、 硬質(zhì)路面、 沙地、 水體的UVB 天空輻射日總量分別為539 μW/cm2、 404 μW/cm2、 2 579 μW/cm2、2 110 W/cm2、 1 980 μW/cm2： 建筑的UVB 天空輻射日總量為512 μW/cm2。

圖1 不同下墊面類型UVB 輻射強(qiáng)度日進(jìn)程圖

2.2 不同下墊面UVB 輻射強(qiáng)度差異分析

2.2.1 不同下墊面UVB 天空輻射平均強(qiáng)度差異

福州沙灘公園不同下墊面類型的UVB 天空輻射強(qiáng)度見(jiàn)表2。 對(duì)9 個(gè)下墊面類型的UVB 天空輻射強(qiáng)度進(jìn)行方差分析, 以判斷9 個(gè)下墊面類型之間的UVB 地面輻射強(qiáng)度是否存在顯著差異。 在試驗(yàn)次數(shù)相同的情況下, 根據(jù)公式分別計(jì)算出組內(nèi)、組間自由度, 離差平方和, 均方, 在顯著水平為0.05 條件下判斷各水平是否具有顯著性差異, 結(jié)果表明, 9 個(gè)下墊面類型的UVB 天空輻射存在顯著差異。 通過(guò)進(jìn)一步的檢驗(yàn)得出同類子集, 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3 可知, “遮蔭喬木+硬質(zhì)路面” “建筑”“遮蔭喬木+灌木叢” 和“遮蔭喬木+草地” 的UVB 輻射強(qiáng)度差異不大, 屬于同一個(gè)子集： UVB天空輻射全天每時(shí)均強(qiáng)度分別為31.2 μW/cm2、43.8 μW/cm2、 60.9 μW/cm2、 70.7 μW/cm2。以上4 個(gè)下墊面的UVB 天空輻射強(qiáng)度與水體、 沙地、 硬質(zhì)路面、 灌木叢、 草地存在顯著差異,后5個(gè)下墊面類型屬于同一子集, UVB 天空輻射全天均強(qiáng)度分別為2 820.9 μW/cm2、2 870 μW/cm2、3 047 μW/cm2、3 331.9 μW/cm2、3 414.7 μW/cm2,顯著高于遮蔭喬木和建筑等下墊面的輻射強(qiáng)度。遮蔭喬木和建筑有遮蔭面, 來(lái)自天空的紫外線由于無(wú)法全部照射到地表, 可大大屏蔽紫外線的照射： 同樣觀測(cè)點(diǎn)1、 觀測(cè)點(diǎn)2 和觀測(cè)點(diǎn)3 所選取的遮蔭喬木雖然樹高和冠幅大致接近, 但是不同遮蔭喬木的葉面積指數(shù)不同, 導(dǎo)致對(duì)紫外線的屏蔽能力有差別, 葉面積指數(shù)越大, 樹葉之間相互遮擋的程度越密集, 進(jìn)而加強(qiáng)了對(duì)紫外線的屏蔽能力。 水體、 沙地和硬質(zhì)路面等下墊面類型直接暴露于太陽(yáng)光下, 紫外線輻射可直接到達(dá)下墊面,致使輻射強(qiáng)度比遮蔭喬木和建筑等下墊面類型大。

表2 不同下墊面類型的UVB 天空輻射強(qiáng)度 μW/cm2

表3 UVB 天空輻射強(qiáng)度的同類子集檢驗(yàn)

2.2.2 不同下墊面UVB 地表輻射平均強(qiáng)度差異

福州沙灘公園不同下墊面類型的UVB 地表輻射強(qiáng)度見(jiàn)表4。 對(duì)9 個(gè)下墊面類型的UVB 地表輻射強(qiáng)度進(jìn)行方差分析, 以判斷9 個(gè)下墊面類型之間的UVB 地表輻射強(qiáng)度是否存在顯著的差異。 采用同樣的檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)9個(gè)下墊面類型的UVB 地表輻射存在著顯著的差異。 通過(guò)進(jìn)一步的檢驗(yàn)得出同類子集, 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 不同下墊面類型的UVB 地表輻射強(qiáng)度 μW/cm2

由表5 可知, “遮蔭喬木+灌木叢” “遮蔭喬木+草地” “遮蔭喬木+硬質(zhì)路面” 灌木叢、 建筑和草地的UVB 地表輻射強(qiáng)度差異不大, 屬于同一個(gè)子集： UVB 地表輻射全天每時(shí)均強(qiáng)度分別為9.8 μW/cm2、 11.4 μW/cm2、 18.5 μW/cm2、40.4 μW/cm2、 51.2 μW/cm2、 53.9 μW/cm2。 水體、 沙地、 硬質(zhì)路面屬于同一個(gè)子集, UVB 地表輻射全天每時(shí)均強(qiáng)度分別為198 μW/cm2、211 μW/cm2、 257.9 μW/cm2, 顯著高于遮蔭喬木、 灌木叢、 草地等下墊面的紫外線輻射強(qiáng)度。遮蔭喬木和建筑由于有遮蔭面, 天空直射的紫外線輻射強(qiáng)度較低, 地表反射的紫外輻射也自然較小。 “遮蔭喬木+灌木叢” “遮蔭喬木+草地” “遮蔭喬木+硬質(zhì)路面” 的地表反射紫外線輻射強(qiáng)度依次升高, 可見(jiàn)植被吸收紫外線的能力最強(qiáng), 這與植物葉傾角、 生理生化特性等因素對(duì)UVB 輻射的吸收有關(guān)。 沙地、 硬質(zhì)路面和水體吸收紫外輻射能力相對(duì)較弱, 并會(huì)形成反射效應(yīng), 導(dǎo)致其UVB 地表反射強(qiáng)度較高。

表5 UVB 地表輻射強(qiáng)度的同類子集檢驗(yàn)

3 結(jié)論與建議

本文以福州沙灘公園為研究對(duì)象, 分別測(cè)量遮蔭喬木、 灌木叢、 草地等不同下墊面類型的紫外線輻射強(qiáng)度, 并比較不同下墊面類型對(duì)紫外線輻射的屏蔽效果差異。 結(jié)果表明, 遮蔭植被對(duì)UVB 天空輻射的屏蔽效果明顯, 屏蔽率高達(dá)90%以上, 而水體、 沙地、 硬質(zhì)路面、 灌木叢、 草地等觀測(cè)點(diǎn)由于正上方?jīng)]有遮擋物, 導(dǎo)致UVB 天空輻射強(qiáng)度很高。 研究數(shù)據(jù)顯示, “遮蔭喬木+灌木叢” “遮蔭喬木+草地” “遮蔭喬木+硬質(zhì)路面”的UVB 地面輻射最小, 灌木叢、 建筑和草地次之, 水體、 沙地、 硬質(zhì)路面的UVB 地面輻射強(qiáng)度最大。 由于植物葉傾角、 生理生化特性等因素會(huì)加強(qiáng)UVB 輻射的吸收, 而沙地、 硬質(zhì)路面和水體本身吸收UVB 輻射效果相對(duì)較弱, 并會(huì)形成反射效應(yīng), 導(dǎo)致其UVB 地表反射強(qiáng)度較高。

基于以上研究結(jié)論, 提出3 點(diǎn)建議。 1) 喬灌木合理搭配以弱化紫外線輻射[15]。 在人群活動(dòng)較為密集的區(qū)域多植遮蔭喬木, 緩解UVB 天空輻射：在植被覆蓋較少且UVB 地面反射較為強(qiáng)烈的硬質(zhì)鋪裝等區(qū)域, 適當(dāng)增加灌木叢和草地等下墊面, 弱化紫外輻射的地面反射效應(yīng)。 2) 利用建筑小品遮擋, 減少紫外線輻射。 可在部分園路上方建花架、廊道, 并配以花卉或瓜果類攀援植物, 不僅美觀、增加游園樂(lè)趣, 還可減少天空直射的紫外線。 在小朋友的游樂(lè)場(chǎng)所, 應(yīng)在等待區(qū)建設(shè)足夠的長(zhǎng)型廊架, 里面設(shè)置休息長(zhǎng)凳。 3) 豐富下墊面植物群落,減少紫外線地面反射。 應(yīng)合理配置植物物種, 豐富下墊面植物群落的同時(shí)增加季相變化, 多使用鄉(xiāng)土樹種, 提高植物群落的生態(tài)穩(wěn)定, 這樣不僅增添公園美觀性、 體現(xiàn)群落藝術(shù)性, 還可豐富園區(qū)景觀、減少地面的紫外線反射。