夏季林盤對周圍環境微氣象的影響研究

王倩, 劉美伶, 宗樺

夏季林盤對周圍環境微氣象的影響研究

王倩, 劉美伶, 宗樺*

西南交通大學風景園林系, 成都 610031

川西林盤既是成都平原上最具特色的傳統鄉村聚落, 又是當地最為重要的農林復合生態系統, 對于維持成都平原的鄉村風貌和調節當地的生態平衡功效卓越, 亟需深入挖掘并研究其生態價值。以成都市三道堰鎮36個傳統林盤為研究對象, 探討林盤在夏季對周圍環境的影響, 明確林盤特征(尺度與喬木覆蓋率)與環境微氣象變化的關聯。研究表明, 林盤在夏季能為周圍環境營造降溫、減濕、防風和遮光效應, 影響范圍主要集中于林盤外圍5 m范圍內, 且影響隨著距林盤邊緣距離的增大而減小。林盤對周圍環境的降溫效果波動于0.42—1.78 °C, 減濕效果小于5.53%, 防風效果波動于0—0.57m·s-1, 遮光效果波動于25.75—441.50 μmol·m-2·s-1。林盤特征(面積、周長和喬木覆蓋率)與其產生的微氣象影響距離無關。在林盤影響范圍(5 m)內, 不同氣象要素的變化程度受到林盤要素的影響差距巨大, 如林盤面積或喬木覆蓋率越大, 林盤對周邊環境的降溫效果越顯著, 且喬木覆蓋率的影響效果高于林盤面積; 林盤面積越小對周圍環境的減濕效應越好; 但林盤特征對周圍環境的阻風和遮陰效果無明顯影響。研究可為川西林盤的保護和開發, 為四川省新農村建設中的聚落景觀設計提供科學支撐。

林盤; 尺度; 喬木覆蓋率; 微氣象; 夏季

0 前言

遍布于成都平原上的川西林盤是幾千年川西農耕文明的結晶, 是集生態、生產、生活、景觀、文化于一體的川西平原典型的人居環境鄉村聚落[1]。林盤由“宅、林、水、田”等要素所構成, 是川西平原自然、文化和社會環境的反映和延續, 具有重要的歷史和現實價值[2]。此外, 林盤也是一個頗具價值的農林復合生態系統。一方面, 林盤自身形成獨特的內部微氣象, 影響常住居民人居環境的舒適性; 另一方面, 通過林盤植物調控周圍環境, 吸收CO2、削弱太陽輻射、促進水氣交換和防風通風等, 改善周圍環境的質量, 形成林盤外圍微氣象。內外微氣象相互作用, 對于提升成都平原的生態環境質量起到重要的作用[3]。微氣象主要指近地面小范圍氣候, 本文采用國內外通常選取的空氣溫度、光照強度、風速和相對濕度四個因子來衡量林盤微氣象[4]。

近年來, 隨著我國城鄉一體化、土地整理、農村新型社區建設等政策的實施, 川西平原的部分農村居民遷出農村, 導致部分林盤成為空心林盤, 加速了傳統林盤聚落的消失[5]。因此, 保護川西特色林盤景觀行動刻不容緩。2018年, 都江堰市率先開展了區域內林盤的保護與提質, 力圖通過林盤的修復, 再現水旱從人、美田彌望、產業興盛的灌區盛景。同時, 大量學者也將研究目光轉向林盤, 著重圍繞林盤空間形態分析、文化傳承以及林盤保護三個方面開展研究。遺憾的是, 林盤雖然是成都平原上最重要的農林生態系統, 但目前開展林盤生態功能研究的成果較少, 零星的成果多是定性的評價, 如段鵬[6]闡述了林盤維護環境生態平衡的意義。鄭婧[3]揭示了林盤在涵養水源、調節氣候、凈化空氣、保持水土等方面帶來的生態價值。楊青娟[7]主張將景觀生態學引入林盤聚落的研究。此外, 也有少數學者針對林盤微氣象進行研究, 如雷亞平和林忠平[8]測量了林盤建筑室內的熱環境, 表明川西林盤冬夏季室內熱環境略優于當地普通農宅。萬會蘭等[9]采用CFD模擬技術模擬了林盤內部的風環境及熱環境。宗樺等[10]按照喬木分布方式收集了林盤四季的微氣象數據, 探究改善林盤內部微氣象的途徑和方法。但迄今為止, 還未有研究報道過林盤對周圍環境微氣象的影響。

因此, 本研究以成都市郫都區三道堰鎮的36 個傳統林盤為研究對象, 分析夏季林盤周圍環境微氣象的變化規律, 探究林盤特征(尺度和喬木覆蓋率)對周圍環境的影響, 揭示林盤特征與周圍環境微氣象參數變化規律的關聯, 補充完善林盤的生態功能研究成果, 助推川西林盤的保護和傳承。

1 樣地與方法

1.1 林盤樣地的選擇

成都市郫都區三道堰鎮(30°52′14′′N, 103°54′ 49′′E)屬于川西林盤的第二圈層, 林盤數量眾多且傳統林盤保存相對完整。現有傳統林盤630 余個, 密度為15 個·km–2。三道堰鎮夏季平均溫度29 °C, 平均濕度為84%, 平均風速為0.93 m·s-1, 日照時間約為320小時。課題組選取了自然環境相似、地理位置接近且相互獨立的36 個傳統林盤作為研究對象(圖1)。林盤內部主要植被類型為楓楊、水杉、喜樹等高大喬木及竹林, 周邊農田種植韭菜、水稻、油菜等經濟作物。林盤的具體特征見下表1。

1.2 實驗儀器及測量方法

利用GIS工具確定各林盤樣本的面積、周長、喬木覆蓋面積, 在此基礎上求出喬木覆蓋率(表1)。微氣象數據收集選擇在2017年7 月連續天晴兩天以上的第三天、第四天的10:00—16:00之間進行, 儀器采用Kestrel 4000 (NK, Boothwyn, PA, USA)測量風速、溫度和濕度, 采用Field Scout照度計(Spec-trum, Middleton, WI, USA)測量光照強度。在林盤東北、西南和西北方向, 分別以林盤邊緣(0 m)為起點, 以5 m為間隔, 分別在0 m、5 m、10 m、15 m、20 m處設置五個測點, 同步收集林盤周圍環境微氣象數據, 測量高度均控制為地面以上1.5 m, 每組數據測量間隔3分鐘。

圖1 樣地林盤區位

Figure 1 The location of Linpan samples

表1 樣本林盤基本情況

續表

1.3 數據分析方法

將每個林盤3個方向的同距離測點求均值, 獲得距林盤0 m、5 m、10 m、15 m、20 m區域的微氣象數值, 包括夏季溫度、濕度、風速、光照強度, 并分別計算出每個林盤各測點與0 m處(林盤邊緣)的差值。隨后將林盤按照5×103m2的面積差進行分組, 周長按照100 m的差距分組, 喬木覆蓋率按照3%的差值分組, 使用統計學軟件SPSS25.0開展差異性分析和回歸分析, 由其相鄰差值的顯著性差異來確定林盤各類微氣象參數的影響距離。

2 結果與分析

2.1 林盤夏季溫度影響分析

測量數據分析顯示36個林盤的邊緣(0 m)處溫度波動于29.85 °C—35.53 °C, 5 m處的溫度波動于31.15 °C—36.65 °C, 10 m處的溫度波動于31.70 °C—37.10 °C, 15 m處的溫度波動于31.22 °C—36.78 °C, 20 m處的溫度波動于31.95 °C—36.60 °C。從均值來看(表2), 溫度在林盤邊緣處最低, 隨著離林盤邊緣的距離增大而升高, 最終趨于穩定。圖2可知, 在36個樣本中, 有91.67%的林盤(33個)邊緣處溫度最低。表明林盤對外部環境有一定的降溫效應, 并隨距林盤邊緣的距離增大而減小。此外, 也發現從林盤邊緣往外, 溫度升高無規律, 變化程度較大。

表2 林盤周圍環境微氣象基本情況表

計算各林盤外圍不同距離測點的溫度數據與0 m處的差值, 并分別在根據面積、周長、喬木覆蓋率的林盤分組中, 開展差異性分析后可知, 林盤夏季對周圍環境溫度的影響距離均主要分布于周邊5 m內。通過SPSS對面積、周長、喬木覆蓋率與其對周邊溫度影響距離開展相關分析(表6)后可知, 相關系數||<0.3, 統計檢驗量的值大于0.05, 林盤對其周圍區域的降溫距離, 不會受到林盤周長、面積和喬木覆蓋率變化的影響。

在確定了夏季林盤溫度對周圍環境的影響距離為5 m后, 通過分組計算林盤外圍5 m處與林盤邊緣的平均溫度差確定溫度的影響程度, 見表7, 8, 9。由上表可見, 林盤對其周圍5 m處的影響溫差值波動于0.42—1.78 °C。通過對林盤特征與溫度影響程度的相關分析(表10)可知, 林盤周長與溫度影響程度之間不存在線性相關性, 但林盤面積、喬木覆蓋率與5 m處溫差之間呈顯著正相關, 函數關系見表10。因此在夏季, 林盤面積和喬木覆蓋率變化會對影響距離內的溫度變化產生顯著影響, 且影響程度會隨著林盤面積、喬木覆蓋率增加而增大, 即林盤面積或喬木覆蓋率越大, 林盤周圍5 m內的降溫程度就越大。

2.2 林盤夏季濕度影響分析

由林盤周圍環境濕度監測情況可知, 林盤邊緣0 m處的濕度變化于54.03—75.78%, 5 m處的濕度變化于54.03—74.67%, 10 m處的濕度變化于50.37—78.80%, 15 m處的濕度變化于58.73—76.78%, 20 m處的濕度變化于58.91%—76.88%, 從均值結合細部(表2, 圖3)分析, 林盤濕度在距林盤邊緣10 m范圍內數值接近, 且波動變化較小; 15 m到20 m變化較小。總體而言, 大部分林盤在0 m到10 m的濕度低于15 m及20 m處的濕度, 且在10 m到15 m濕度變化較大, 表明林盤對其周圍環境產生了降低濕度的影響, 出現“減濕效應”, 推測這可能是由于林盤與周圍環境的植被差異外加遮陰、降溫效果所共同形成。喬木是林盤的優勢種群, 其夏季的蒸騰速率高于林盤外圍的草本植物, 且由于林盤為周圍區域帶來了遮陰、降溫效果, 進一步降低了林盤周圍植被的夏季蒸騰速率, 從而在一定程度上改善了周圍環境的濕度。

圖2 夏季林盤周邊溫度情況

Figure 2 The temperature variation of the Linpan surroundings

表3 面積分組下的影響距離

表4 周長分組下的影響距離

表5 喬木覆蓋率分組下的影響距離

表6 林盤特征與微氣象參數影響距離的相關性分析

表7 面積分組下的影響程度

表8 周長分組下的影響程度

表9 喬木覆蓋率分組下的影響程度

表10 林盤特征與各類微氣象參數影響程度的相關性分析

注: *表示在<0.05水平上顯著。

計算林盤各外部測點與0 m處的濕度數據差值, 在依據面積、周長和喬木覆蓋率不同分組中計算其均值, 由其相鄰差值的顯著性差異來確定林盤濕度的影響距離, 見表3, 4, 5。由表可知, 在夏季, 林盤能對周圍5 m內環境的濕度變化產生影響。通過SPSS分析可知, 樣本林盤對周圍環境濕度的影響距離是恒定的, 并不受到林盤面積、周長、喬木覆蓋率特征的影響(表6)。

明確林盤能對周圍5 m內環境的濕度變化產生影響后, 計算林盤不同分組下5 m和0 m處的濕度差確定濕度的影響程度, 見表7, 8, 9。結果顯示, 林盤對其周圍環境的濕度影響波動于0—5.53%。Pearson相關分析顯示, 林盤周長、喬木覆蓋率與相對濕度影響程度之間不存在線性相關性, 但林盤面積與濕度影響程度之間呈顯著負相關, 關系式見表10。因此在夏季, 林盤對周圍5 m范圍內的降濕效果受到林盤面積的影響, 林盤面積越小對周圍環境的減濕效應越好。

2.3 林盤夏季風速影響分析

風速測量數據顯示, 林盤邊緣0 m處的風速波動于0—0.93 m·s-1, 5 m處的風速波動于0—1.30 m·s-1, 10 m處的風速波動于0—0.90 m·s-1, 15 m處的風速波動于0—1.73 m·s-1, 20 m處的風速波動于0—1.13 m·s-1, 從整體上來看(表2), 林盤邊緣的風速最小, 距林盤5 m到15 m處風速變化不明顯, 從邊緣往外, 周圍環境的風速呈現逐漸增大的趨勢, 表明林盤對其周圍環境產生了一定程度的阻風作用, 單個樣本分析可知(圖4), 林盤周圍環境風速變化有規律可循, 約41.7%的林盤的最低風速出現在林盤邊緣處, 38.9%的林盤周邊的最高風速出現在距離林盤20 m處。

計算樣本林盤各測點的風速數據與0 m處的差值, 由其相鄰差值的顯著性差異來確定林盤風速的影響距離, 見表3, 4, 5。由表可知, 在夏季, 不同面積、周長和喬木覆蓋率的林盤, 對周圍環境風速的影響距離大多集中在5 m范圍內。通過SPSS對面積、周長、喬木覆蓋率與其對周圍風速影響距離相關分析(表6), 可知林盤對周圍環境形成的防風效應的距離是恒定的, 不受到林盤面積、周長、喬木覆蓋率等林盤特征的影響。

表7, 8, 9顯示了林盤周圍5 m內的風速影響程度, 由表可知, 林盤對其外圍5 m范圍的風速影響波動于0—0.57 m·s-1。Pearson相關性分析表明, 林盤周長、面積、喬木覆蓋率與林盤對周圍環境風速影響程度之間不存在線性相關性, 即林盤特征對林盤周圍5 m內的風速減緩效果無影響。

2.4 林盤夏季光照影響分析

由光照數據分析可知, 林盤樣地邊緣(0 m)處的光照波動于65—1009 μmol·m-2·s-1, 5 m處的光照波動于103.5—1100 μmol·m-2·s-1, 10 m處的光照波動于113—1122.5 μmol·m-2·s-1, 15 m處的光照波動于118—1133 μmol·m-2·s-1, 20 m處的光照波動于124.5—1118 μmol·m-2·s-1, 表明林盤對周圍環境產生一定程度的遮光效應, 并呈現林盤邊緣光照強度最低, 并隨距離增大而增強的趨勢(表2)。由圖5可知, 95%以上林盤的邊緣處的光照強度最低, 距離林盤5 m、10 m、15 m、20 m處光照強度波動變化相對較小, 夏季林盤中植物的高度與葉面積指數達到高峰, 且與林盤中建筑物的共同遮擋, 使得林盤邊緣的光照強度低于其他測點。

圖3 夏季36個林盤周邊濕度情況

Figure 3 The relative humidity of the surrounding environment of Linpan

圖4 36個林盤夏季周邊風速情況

Figure 4 The wind speed of the surrounding environment of Linpan

計算樣本林盤各測點的光照數據與0 m處的差值, 由其相鄰差值的顯著性差異來確定林盤光照的影響距離, 見表3, 4, 5。由上表可知, 在根據面積、周長、喬木覆蓋率分組的前提下, 林盤夏季對周圍環境光照的影響距離大多在5 m范圍內。通過SPSS對面積、周長、喬木覆蓋率與其對周邊光照影響距離相關分析(表6), 可知林盤對周圍環境遮光效應的影響距離與林盤特征均無線性相關。

明確了影響距離后(5 m), 計算林盤不同分組下影響距離與林盤邊緣處的光照差值確定遮陰影響程度, 見表7, 8, 9。結果顯示, 林盤對其周圍5m 范圍內的光照強度影響波動于25.75—441.50 μmol·m-2·s-1。Pearson相關分析顯示, 說明林盤面積、周長、喬木覆蓋率與光照影響程度之間不存在線性相關性(表10)。表明在夏季, 不同面積、周長、喬木覆蓋率的林盤對外圍5 m范圍內的遮光強度無影響。

3 討論

總體而言, 與城市綠地相似, 鄉村中的林盤也能對周邊環境帶來降溫、遮陰和防風效應。在溫度方面, 林盤夏季冷島效應明顯, 能對周圍環境產生不同程度的降溫效應。林盤的夏季冷島效應類似于城市綠地, 但區別在于林盤的冷島距離主要集中于5米范圍內, 明顯小于城市綠地所能達到的200 m范圍[11–12], 這可能是由于城市綠地和其外圍區域的較高溫度差所致, 溫度差越顯著, 更容易促進風的形成, 帶動綠地內部冷空氣的向外流動。此外, 林盤周圍5米范圍內的降溫程度為0.42—1.78 °C, 這一結果明顯低于城市綠地為周邊區域帶來的降溫效果(1.9—6 °C)[13]。在影響距離內, 周圍環境溫度的變化程度受到林盤面積、喬木覆蓋率的顯著影響, 即隨著林盤面積和喬木覆蓋率增大, 林盤對周圍環境的降溫效果越強。此外, 喬木覆蓋率對夏季溫度變化影響超過面積。此結論與武小剛[14]、賈劉強[15]、王娟[16]等認為城市綠地對周圍環境的降溫程度隨綠地斑塊面積的增大而增大的研究結論一致。

圖5 夏季36個林盤周邊光照情況

Figure 5 The illumination of the surrounding environment of Linpan

在濕度方面, 夏季的川西地區多雨, 易形成高溫高濕的氣候, 給居住者造成悶熱的不舒適感, 林盤夏季對周圍環境卻呈現減濕效應, 且受到林盤面積的負相關影響, 表明林盤面積越小, 夏季的降濕效果越顯著, 能有效的調節高濕環境, 這與城市綠地對周圍環境產生一定增濕效果的結論不同。這可能是由于兩者周圍的土地基底不同。在城市中, 綠地周邊通常為鋪裝場地, 而林盤周圍多為作物栽培場地, 其蒸騰速率、反射率等特征大相徑庭。城市鋪裝土地裸露程度高, 蒸發率低、濕度小, 而林盤周圍的作物栽培田地蒸發率高, 濕度較大。林盤周邊濕度的降低, 有助于創造更宜居的鄉村人居環境和更為舒適的鄉村勞作空間。

成都平原是我國典型的靜風區域, 年均風速小, 但夏季是成都平原較為集中的風期。林盤在夏季表現出一定的防風效應, 主要歸因于林盤內部高大喬木以及竹林的大面積使用, 能有效減緩風速、防止周圍作物倒伏, 減緩蟲害的蔓延速度, 對于提高鄉村作物產量有一定程度的輔助效應。且林盤也對周圍環境帶來了明顯的遮陰效果, 能有效減緩夏季作物的無效蒸騰, 促進營養元素的積累, 對于緩解成都平原鄉村種植區域的悶熱狀況大有裨益。

4 結論

在夏季, 通過對川西林盤周圍環境的微氣象調查與分析, 明確林盤會對周圍環境微氣象產生一定程度的生態影響, 具體表現為降溫、減濕、防風和遮光效應。總體而言, 林盤對周圍環境的影響主要集中在5 m范圍內, 并隨著距林盤邊緣的距離增大影響變小, 但其對周圍環境的影響距離均不受到林盤特征的影響。對于影響程度而言, 林盤可對周圍環境降溫影響最大可達1.78 °C, 減濕影響可達5.53%, 防風影響可達0.57 m·s-1, 遮光影響可達441.50 μmol·m-2·s-1, 降溫影響隨林盤面積、喬木覆蓋率增加而增大, 減濕效果隨林盤面積增大而降低。林盤對周圍環境的防風、遮光效應與林盤的特征無關。

目前, 我國廣大的鄉村區域的微氣象研究才剛剛開始起步。在全球變暖的大趨勢下, 鄉村也無法擺脫變暖危機。本文將研究視野轉向四川鄉村區域, 探討夏季高溫脅迫下, 傳統林盤如何調節人居環境微氣象。本研究探討了林盤尺度和喬木覆蓋率對周圍環境的影響。事實上, 林盤建筑、植被自身特征(生長發育狀況、樹冠郁閉度、葉面積指數等)、喬灌草空間配置等都可能會引發周圍環境微氣象的改變。在未來的研究中, 課題組將進一步細化的分析林盤其他特征與周圍環境微氣象變化的關聯, 補充川西林盤的生態研究成果, 為林盤的保護與開發提供可靠的支撐。

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Micrometeorology influence of Linpan on its adjacent environment in summer

WANG Qian, LIU Meiling, ZONG Hua*

Department of Landscape, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

Linpan is the typically traditional rural settlement in the Chengdu Plain. As a complex agro-forestry ecosystem, Linpan plays an important role for the adjustment of the ecological balance of the Chengdu Plain and the maintenance of rural features. Thus, the ecological value of Linpan needs to be studied and explored urgently. This paper took 36 traditional Linpan in Sandaoyan Town, Chengdu city, as the research object. The micrometeorology effects from Linpan on their surrounding environment were collected and analyzed in summer. Then the relationship between the Linpan characteristics (Linpan size and tree canopy coverage) and the micrometeorology parameters was explored. Results showed that Linpan exerted a cooling, dehumidification, shading, and windbreak effects on their adjacent areasin summer. Theeffect distancewas appeared in the range of 5m from Linpan edge. Moreover, the influence from Linpan on surrounding environment decreased with the increasing distance from the Linpan edge. The influence degree of air temperature fluctuated from 0.42 to 1.78 °C, the influence degree of humidity fluctuated from 0 to 5.53%, the influence degree of wind speed fluctuated from 0 to 0.57 m·s-1, and the influence degree of illumination fluctuated from 25.75 to 441.50 μmol·m-2·s-1. The correlation analysis showed there was no relationship between Linpan characteristics and the micrometeorology influence distance from Linpan on the surrounding environment. Within the influence distance (5 m) of Linpan, the variation degree of different meteorological parameters was greatly affected by the different characteristics.The variation degree of temperature showed a significantly positive correlation with Linpan area and tree canopy coverage. The variation degree of humidity was only significantly and negatively correlated with Linpan area. This study is expected to provide an scientific support for Linpan protection and development, even for the landscape design in the construction of new rural areas in Sichuan Province.

Linpan; area; tree coverage; micrometeorology; summer

王倩, 劉美伶, 宗樺, 等. 夏季林盤對周圍環境微氣象的影響研究[J]. 生態科學, 2021, 40(4): 139–148.

WANG Qian, LIU Meiling, ZONG Hua, et al. Micrometeorology influence of Linpan on its adjacent environment in summer[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 139–148.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.016

S716.3

A

1008-8873(2021)04-139-10

2020-02-12;

2020-03-25

國家自然科學基金面上項目(31971716); 四川省科技廳軟科學課題(2020JDR0036); 四川民族山地經濟發展研究中心科研項目(SDJJ1709)

王倩(1994—), 女, 山西忻州人, 碩士研究生, 主要從事園林植物生態研究, E-mail: 1163050148@qq.com

宗樺(1981—), 女, 江蘇宜興人, 副教授, 碩士生導師, 主要從事園林植物生態研究, E-mail: huangjiaqiutian@aliyun.com