植物群落特征對夏季公園林蔭空間微氣候的影響研究

黃鈺麟

傅偉聰

陳晶茹

董建文

王敏華*

城市公園對緩解熱島效應有顯著作用[1]，增加植被覆蓋度被認為是降低空氣和輻射溫度、改善熱舒適性的有效途徑[2]，因此林蔭空間成為濕熱地區常見的綠地空間類型，但其微氣候調節能力會因植物群落特征如：喬木葉面積指數[3]、樹冠空間結構[4]、群落結構[5]、種植間距[6]的不同而有所差別。林蔭空間作為濕熱地區城市公園的重要構成單元，其微氣候環境質量直接影響著公園綠地的微氣候調節潛力及都市民眾對綠地資源的使用率，因此厘清植物群落特征對林蔭空間微氣候效應的影響機制至關重要。

目前相關研究多通過控制單一變量的方式[7-8]來探究植物群落特征與微氣候效應的影響關系，而在實際場景中，綠地空間微氣候環境往往受到多種植物群落特征的共同作用，但目前相關研究鮮少。為進一步了解植物群落特征對林蔭空間微氣候效應的影響機制，借助ENVI-met軟件，運用正交試驗設計法，以改善夏季城市公園林蔭空間的微氣候環境為目標，分析樹木葉面積指數(LAI)、喬灌草比例、種植密度對林蔭空間微氣候表征因子的主次作用、影響趨勢及最優組合，提出基于氣候適應性視角下構建濕熱地區公園林蔭空間的優化策略，以期為城市公園空間營建提供理論參考與數據支撐。

1 研究方法

1.1 研究區概況

福州市屬亞熱帶季風氣候，年平均濕度74%，夏季最高氣溫可達39.4℃，有“火爐城市”之稱。通過實地調研及文獻梳理[9]發現，為抵御夏季的高溫熱浪，福州城市公園綠地多為林蔭空間，常用綠化喬木的LAI值在1.49～6.85之間，灌木LAI值在1.81～6.02之間[10]。研究區域位于福州市建園時間最長的西湖公園，以游人訪問度較高的林蔭空間作為樣地，面積為35m×30m。樣地西北側1.9km處為福州市烏山氣象站，可為ENVI-met模擬參數設定提供初始氣象數據。

1.2 ENVI-met模型驗證

實測采用手持氣象儀(kestrel 4500)監測距地面1.4m處的溫度、濕度與風速，觀測時間為8：00—18：00，以1h為單位獲取數據，觀測點分布如圖1所示。模擬時間為6：00—19：00，研究選取8：00—18：00的數據。為保證模擬與實測環境條件一致，模擬保留樣地周圍的水體、構筑物、下墊層等，模擬校驗區域面積為80m×76m，相關參數設定見表1(下文為控制變量，僅提取植物要素構建模型，研究范圍如圖1所示，面積為35m×30m)。將實測值與模擬結果進行相關性分析(圖2～4)，結果表明二者呈線性相關，產生的誤差均在可接受的范圍內。說明ENVI-met模型能較為準確地反映實地場景的微氣候變化規律，適用于本次研究。

圖1 測點平面分布(作者根據西湖公園管理中心提供地圖繪制)

圖2 溫度實測與模擬結果相關性比較

圖3 濕度實測與模擬結果相關性比較

圖4 風速實測與模擬結果相關性比較

1.3 模擬方案設計

1.3.1 設計因素及水平

根據預實驗及前人研究[11-12]發現，樹木LAI、喬灌草比例、種植密度是影響林蔭空間微氣候效應的重要特征，因此選為本文的試驗因素，第4個因素為“空白”列，以降低前3個因素間存在的隨機錯誤和相互作用。福州市公園常用喬木的LAI值在1.06～6.85之間[10]，本研究在此區間設3個水平；喬灌草比例根據林蔭空間常見植物群落類型設置水平；種植密度依據喬木樹冠相交、相切、相離的間距關系設置水平(表2)。

表2 L9(34)正交試驗設計

1.3.2 方案設計

本文采用L9(34)正交表，共9組方案(表3)。

表3 模擬研究方案

1.4 模型模擬

1.4.1 模擬參數設置

模型構建過程輸入的參數除網格尺寸/數量更改為2m×2m×2m/20×20×30外(研究面積為35m×30m)，其余設置如表1所示。

表1 ENVI-met模擬校驗參數設定

1.4.2 植物模型選擇

為排除其他因素干擾，喬木樹高、冠幅、枝下高等參數值不設對比項，僅調整LAI值，選用ENVI-met植物庫中形態、大小與福州常用喬木相似的3D模型。灌木與地被選用系統模型(表4)。

表4 植物模型相關屬性

1.4.3 場景模型構建

對9組方案進行建模，平面圖如圖5所示。其他場景要素如下墊層、空間布局一致，以減小實驗誤差，圖中紅色標記為監測點。

圖5 方案模型平面圖

2 結果與分析

選取游人訪問頻率較高的3個時段：早上(8：00—10：00)、中午(12：00—14：00)、傍晚(16：00—18：00)，對試驗結果進行極差和方差分析，得到各因素對微氣候表征因子產生作用的主次關系、顯著性、影響趨勢及最優組合方案。

2.1 不同植物群落特征對溫度的影響

2.1.1 不同植物群落特征對溫度的主次影響

對不同試驗方案空間內設監測點1.4m高處的溫度值進行極差與方差分析，如表5所示，因素A、B、C的極差(R)由大至小依次為A＞C＞B，即對空間溫度的影響排序為樹木LAI＞種植密度＞喬灌草比例。方差分析結果表明(表6)，樹木LAI值(A)在各時段對空間溫度變化的影響均極為顯著(Sig.＜0.01)；喬灌草比例(B)在各時段對溫度變化均無顯著影響(Sig.＞0.05)，這與張明娟等[12]的結論一致；種植密度(C)僅在中午時段對溫度變化具有顯著影響(Sig.＜0.05)，可能的原因是午間太陽輻射強度最大，由于種植密度不同造成削弱太陽輻射能力的差異對空間溫度影響顯著，其他時段引起的溫度差異較小。

2.1.2 不同植物群落特征對溫度的影響趨勢

如表5所示，樹木LAI各水平對應的溫度均值在所有時段的排序均為k1＜k2＜k3，說明樹木LAI對溫度變化具有負影響。喬灌草比例各水平的溫度均值在各時段的大小均依次為k1＞k3＞k2，說明在喬木層比例不變的情況下，灌木層占比越高，空間溫度越低。種植密度各水平的溫度均值在所有時段的排序均為k1＞k3＞k2，即種植間距為10m時空間內設監測點的溫度值最低，原因是栽植喬木樹冠間無重疊，且樹蔭連接度較高，對空間溫度的調節能力最強，即喬木種植間距(10m)與冠幅(9m)比值略大于1:1為宜。此發現進一步細化了章莉等提出的理論[13]。

2.1.3 不同試驗方案對比及優選方案

以福州市烏山氣象站數據為參照，對比各試驗方案的降溫效應，如圖6所示，方案2的降溫能力最強，其次為方案3。進一步對各試驗方案14：00時段1.4m高度的溫度平面分布做分析(圖7)，方案3的低溫(38.69～39.07℃)區域分布最廣，其次為方案2；從最低溫區(＜38.69℃)面積大小來看，方案2的面積最大；從溫度場的平面分布情況來看，方案2的溫度分布最為均勻。綜合來看，方案2為最優選，即當選擇LAI高(6.6)的樹木、喬灌草比例為3:2:0、種植密度為10m時，能達到最佳的降溫效果。

圖6 各試驗方案的降溫效應對比

圖7 各方案溫度平面分布

2.2 不同植物群落特征對濕度的影響

2.2.1 不同植物群落特征對濕度的主次影響

對不同試驗方案空間內設監測點1.4m高處的濕度值進行極差與方差分析，如表5所示，早上時段影響空間濕度的試驗因素排序為喬灌草比例＞樹木LAI＞種植密度(RB＞RA＞RC)。中午和傍晚時段樹木LAI成為影響濕度的主要因素，原因是此時段太陽輻射較強，植被通過樹冠層削弱太陽輻射，而樹冠的密實度與樹木的LAI有關。方差結果(表6)表明，中午時段樹木LAI值(A)的高低對空間濕度影響顯著(Sig.＜0.05)；早上和傍晚時段喬灌草的比例(B)對林蔭空間的濕度變化影響顯著(Sig.=0.05)；種植密度(C)在所有時段對濕度變化均無顯著影響(Sig.＞0.05)。

2.2.2 不同植物群落特征對濕度的影響趨勢

如表5所示，樹木LAI各水平對應的濕度平均值在早上時段的排序為k1＜k2＜k3，說明樹木LAI與濕度值呈負相關；中午和傍晚時段k值的排序為k1＞k2＞k3，說明LAI值越大，空間濕度越高。原因是LAI值越高的樹木對太陽輻射削弱的能力越強，空間內的蒸發作用越弱，加之樹木蒸騰作用強，因此濕度高。喬灌草比例各水平的濕度平均值在各時段的大小均依次為k2＞k3＞k1，說明降低灌木層植物的比例，可提高空間的降濕能力。種植密度在不同時段與空間濕度的影響關系存在差異，這可能與太陽高度角的變化有關。

2.2.3 不同試驗方案對比及優選方案

以福州市烏山氣象站數據為參照，對比各試驗方案的降濕效應，如圖8所示降濕能力最強的為方案7，其次為方案8。進一步對各試驗方案14：00時段1.4m高度的濕度平面分布做分析，如圖9所示，方案7空間內濕度值普遍較低，為最優選，即選擇LAI值低(2.2)的樹木，喬灌草比例為3:0:2，種植密度為12m的組合方案降濕效應最佳。

圖8 各試驗方案的降濕效應對比

圖9 各方案濕度平面分布

2.3 不同植物群落特征對風速的影響

2.3.1 不同植物群落特征對風速的主次影響

對不同試驗方案空間內設監測點1.4m高處的風速值進行極差與方差分析，如表5所示，影響風速大小的試驗因素排序為樹木LAI＞喬灌草比例＞種植密度(RA＞RB＞RC)。方差分析(表6)結果表明，樹木LAI(A)的高低與喬灌草比例(B)在所有時段均對風速影響顯著(Sig.＜0.05)；種植密度(C)僅在早上和中午時段對風速影響顯著(Sig.＜0.05)。

表6 各因素影響微氣候表征因子的方差分析

2.3.2 不同植物群落特征對風速的影響趨勢

如表5所示，樹木LAI值與風速呈正相關(k1＞k2＞k3)，這與過去學者提出樹木的LAI值與風速呈負相關的研究結論不同[6]。樹木的風效應通過兩方面產生：1)樹木依托枝葉的阻礙或疏導對風場產生通風或防風效應；2)樹木通過局部降溫，使得種植區域的溫度低于周圍溫度，形成溫度差，從而引起空氣的局部環流[14]。由此初步推論造成研究差異的原因為：本文選用的樹木模型分枝點較高(4m)，樹冠在1.4m高處對風場無調節作用，主要通過局部降溫形成的空間溫度差產生風效應。進一步對各方案14：00時段立面空間風速的分布情況做分析，如圖10所示，各空間內樹冠高度(4～15m)處，風速大小與樹木LAI值呈負相關，這正符合以往的研究；人行高度(1.4m)處的風速與樹木LAI值呈正相關，這與馬夢瑤的研究結論相契合[15]。

圖10 各方案風速垂直分布

喬灌草比例各水平的風速均值在所有時段的排序均為k1＞k3＞k2(表5)，說明在喬木層占比不變的情況下，降低植物群落結構中灌木的數量可有效增加空間的通風潛力，這與相關學者提出灌木對近地面高度風場的調節能力較強的觀點相似[16]。種植密度各水平的風速均值在所有時段的排序均為k3＞k2＞k1，即種植密度與風速呈負相 關。

表5 各因素影響微氣候表征因子的極差分析

2.3.3 不同試驗方案對比及優選方案

以福州市烏山氣象站數據為參照，對比各試驗方案的風速調節能力。以增強通風效應為優選目標，即優先選擇降風值小的方案，如圖11所示，各方案的通風效果均不佳，呈現防風效果。降風效應由高到低依次為：方案8＞方案9＞方案6＞方案7＞方案5＞方案2＞方案4＞方案1＞方案3。進一步對各方案14：00時段1.4m高度的風速平面分布做分析(圖12)，從高風速(1.45～1.60m/s)區域面積來看，方案3的面積最大，且低中風速(1.15～1.45m/s)區域范圍小，為最優選，即選擇樹木LAI值高(6.6)，喬灌草比例為3:1:1，種植間距為12m的組合方案通風效果最佳。

圖11 各試驗方案的通風效應對比

圖12 各方案風速平面分布

3 基于植物群落特征對夏季林蔭空間微氣候影響的設計策略

3.1 注重遮陰樹種選擇，發揮組合效應

構建降溫調濕通風能力較佳的林蔭空間，應注重遮陰樹種的選擇，宜采用分枝點高于3m、葉面積指數高、冠幅廣展的高大喬木，如香樟、杧果(Mangifera indica)、杜英(Elaeocarpus decipiens)，此類樹種植物冠層密實，可有效阻擋、反射太陽輻射，減少林下地表對輻射熱量的吸收[13]，同時林下空間寬敞，有利于降濕通風，在夜晚能促進地表快速散熱[17]。樹木LAI的大小對提升空間的微氣候調節能力具有正向的主導影響，同時應綜合考慮樹木的冠幅、樹高、樹形，如小喬木桂花(Osmanthus fragrans)為高葉面積指數喬木，但其冠幅小，形成的遮陰面積有限，對太陽輻射的阻擋不足，不宜作為主要遮陰喬木。在微氣候條件較差的區域，可組合栽植高、中葉面積指數型樹種，如小葉榕(Ficus concinna)、黃葛樹(F.virensvar.sublanceolata)、龍眼(Dimocarpus longan)等，能快速提升該區域的微氣候調節能力。

3.2 控制林下植被綠量，種植疏密得宜

增加植物群落垂直結構中灌木的占比可提升林蔭空間的降溫能力，但由于灌木層對近地面風場起主要阻礙作用，會減弱空間的通風潛力與降濕效果，因此應控制灌木層的占比，宜選擇葉面積指數中等且景觀效果較好品種，如南天竹(Nandina domestica)、紅葉石楠(Photinia×fraseri)、紅花檵木(Loropetalum chinensevar.rubrum)。也可采用高LAI灌木品種與低LAI灌木品種[10]組合種植的方式。

定期觀測植被的生長情況，合理控制種植密度。喬木栽植間距過大會削弱植被頂界面覆蓋層對太陽輻射的阻擋能力，從而影響空間的微氣候環境；栽植間距過小會造成空間溫濕度、風場速度分布不均。喬木種植間距與冠幅比值略大于1:1較為合適。

3.3 基于環境改善需求，合理配置方案

基于實地氣候條件，有針對性地依照微氣候環境改善需求，選擇適宜的種植搭配方案。以降溫為調節目標的區域，方案2為最佳組合，可供參考的配置方案為：1)刺桐(Erythrina variegata)+垂柳(Salix babylonica)+花葉艷山姜(Alpinia zerumbet‘Variegata’)+紅葉石楠+云南黃素馨(Jasminum mesnyi)；2)香樟+白玉蘭(Michelia alba)+垂葉榕(Ficus benjamina)+女貞(Ligustrum lucidum)+紅花檵木+黃金榕球(Ficus microcarpa‘Golden Leaves’)。以降濕為改善目標的區域，方案7為最佳組合，但此方案的溫度調節能力不佳。以通風為提升目標的區域，應控制近地面灌木層植被的數量，宜采用喬-草栽植形式。

綜合來看，福州地區降溫降濕通風效果最佳的組合為方案3：選擇葉面積指數高(6.6)的樹木，喬灌草比例為3:1:1，種植間距為12m(喬木植距:冠幅=4:3)。在實際方案設計中，除微氣候調節能力外，樹種優勢度、景觀效果也是重要的考慮因素，根據上述設計目標，提出以下植物配置方案供參考：1)香樟+紅花檵木球+毛杜鵑(Rhododendron championae)+圓蓋陰石蕨(Humata tyermanii)+槲蕨(Drynaria fortune)+沿階草(Ophiopogon bodinieri)；2)杧果+桉樹(Eucalyptus robusta)+亮葉朱蕉(Cordyline fruticosa‘Aichiaka’)+棕竹(Rhapis excelsa)+黃金榕+馬尼拉(Zoysia matrella)；3)杜英+亮葉朱蕉+銀葉金合歡(Acacia podalyriifolia)+麥冬(Ophiopogon japonicus)。

4 結語

林蔭空間是濕熱地區城市公園的重要構成單位，也是與民眾關系密切的戶外游憩場所，改善林蔭空間的微氣候環境質量，能提升其對民眾的吸引力。本文以福州市為例，探究植物群落特征對林蔭空間溫濕度與風速的主次作用、影響趨勢及最優組合方案，并基于研究結果提出了優化策略，為小尺度綠地微氣候研究提供了新的視角。今后還需將城市公園空間中的水體、構筑物、下墊層等景觀要素納入研究體系，為城市公園景觀空間的構建提供更為完備的理論參考與數據支持。注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。