城市公園木本植物群落的葉面積指數(shù)與輻射消減效應(yīng)

李佩瑗，胡硯秋，張 璐，蘇志堯，王祥林

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.江門市園林局，廣東 江門 529040)

城市公園木本植物群落的葉面積指數(shù)與輻射消減效應(yīng)

李佩瑗1，胡硯秋2，張 璐1，蘇志堯1，王祥林2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.江門市園林局，廣東 江門 529040)

木本植物群落具有遮陰和輻射消減的功能，可以緩解城市夏季的熱島效應(yīng)。為定量研究城市公園木本植物群落的輻射消減效應(yīng)，選擇江門市城區(qū)公園24個木本植物景觀單元，采用半球面影像技術(shù)獲取林冠影像，分析模擬城市公園植被冠層結(jié)構(gòu)和林下光照條件。結(jié)果表明：1)江門城區(qū)公園木本植物景觀單元的葉面積指數(shù)(ILAI)處于0.88～2.22之間，低于自然環(huán)境植被IN,LAI水平；2)冠層對光照的輻射消減率隨ILAI的增加而增大，ILAI與直射光消減率和散射光消減率均呈極顯著正相關(guān)；3)城區(qū)公園樹木景觀單元林冠下直射光的變異程度強(qiáng)于林下散射光，林冠對直射光的影響大于散射光；4)城市公園林冠對直射光和散射光的消減作用極顯著，月際變化呈單峰分布，以6～8月消減量最大。

城市公園木本植物；葉面積指數(shù)；輻射消減效應(yīng)；半球面影像技術(shù)；植被冠層結(jié)構(gòu)；林下光照條件

城市園林綠地植物尤其是其中的木本植物群落可以大大改善城市下墊面熱力學(xué)特性，形成與城市熱島效應(yīng)相反的冷島效應(yīng)(cool-island effect)[1-2]。城市公園(urban park)是城市綠化的核心，其中木本植物群落作為城市公園植物的主體，在美化市容、改善城市生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。由于冷島效應(yīng)的作用，城市公園內(nèi)的溫度低于周圍都市區(qū)的溫度，在夏季的作用尤其明顯[3]。

太陽輻射是植物生長過程中的重要的限制因子之一，森林林下的光環(huán)境影響許多生態(tài)過程的進(jìn)行，如林下植物的生長、更新和演替[4-5]，同時也影響人們利用林冠遮陰效應(yīng)帶來的熱感和舒適感。林下光照分為直射光(穿過林冠空隙直接照射到林下的光)和散射光(從任意方位反射到林下的光)[6]，葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,LAI)則常用來量化林冠結(jié)構(gòu)。目前，半球面影像技術(shù)(hemispherical photography)作為量化測定冠層結(jié)構(gòu)和林下光照的成熟手段已得到長足的發(fā)展[7-11]。

本項研究選擇江門市城區(qū)公園24個木本植物景觀單元，采用半球面影像技術(shù)獲取林冠影像，提取木本植物景觀單元的葉面積指數(shù)、直射光和散射光等參數(shù)，分析模擬城市公園植被冠層結(jié)構(gòu)和林下光照條件，探究城市公園木本植物景觀單元冠層對輻射的消減作用，以期為城市綠化和城市公園的規(guī)劃和建設(shè)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究地概況

江門市位于廣東省中南部，珠江三角洲西部，地理坐標(biāo)為21°27′～22°51′N，111°59′～113°15′E。具亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候特征，太陽輻射較強(qiáng)，年平均氣溫在22℃左右，7月平均氣溫29℃，極端高溫達(dá)35.8℃，無霜期在360d以上。地帶性土壤為磚紅壤。目前，市區(qū)建成區(qū)綠化覆蓋總面積達(dá)6 661.89hm2，綠化覆蓋率42.5％；綠地總面積6 306.98hm2，綠地率40.20％；公園綠地總面積1 946.22hm2，人均公園綠地面積16.92m2[12]。調(diào)查樣地設(shè)置在江門市2個主要的城區(qū)公園，即東湖公園和白水帶公園，兩者均是典型的近自然城市生態(tài)園區(qū)，植物配置以南亞熱帶常綠樹種為主。

2 研究方法

2.1 植物群落調(diào)查

在江門市東湖公園和白水帶公園選擇典型植物景觀單元設(shè)置調(diào)查樣地，共設(shè)置24個樣方，每個樣方大小為20m×20m。以樣方為單位進(jìn)行每木調(diào)查，測量樣地內(nèi)胸徑(DBH)≥ 1.0cm的所有喬木個體，記錄樹木種名、胸徑、樹高等指標(biāo)。

2.2 林冠影像獲取

利用半球面影像技術(shù)獲取各個樹木景觀單元的冠層影像。方法是使用Nikon CoolPix 4500 數(shù)碼相機(jī)外接Nikkor FC-E8魚眼鏡頭(180°廣角)，在距離地面1.65m 處水平架設(shè)相機(jī)，鏡頭朝上，選擇“Fisheye1”模式，拍攝林冠半球面影像。用1 600×1 200分辨率，按1∶4的JPEG的圖像格式保存照片。每個景觀單元隨機(jī)選擇3個或4個點(diǎn)，共計拍攝83張照片，用于計算分析冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)和林下光照指標(biāo)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用冠層分析軟件Gap Light Analyzer(GLA，Version 2.0)對采集的半球面照片進(jìn)行分析，在設(shè)置中輸入樣地經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔和月份，通過調(diào)節(jié)閾值區(qū)分天空(白色)和冠層(黑色)，經(jīng)過模擬獲得全年的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)和林冠上下的光照條件，包括冠層有效葉面積指數(shù)、林冠頂部直射光(Above Direct Solar Radiation，ADir)、林冠頂部散射光(Above Diffuse Solar Radiation，ADif)、林下直射光(Transmitted Direct Solar Radiation，TDir)和林下散射光(Transmitted Diffuse Solar Radiation，TDif)。分析時把輻射指標(biāo)設(shè)定為單位時間單位面積所獲得的熱量(MJ·m-2·d-1)。

輻射消減率(attenuation rate)的計算：

直射光消減率(％)=(林冠頂部直射光-林下直射光)/林冠頂部直射光×100％；

散射光消減率(％)=(林冠頂部散射光-林下散射光)/林冠頂部散射光×100％。

采用 Statistica 8.0進(jìn)行各項數(shù)據(jù)分析，包括相關(guān)分析和非參數(shù)的Kruskal-Wallis差異性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀單元樹種組成與冠層結(jié)構(gòu)

調(diào)查中共記錄到喬木75種，分屬32科55屬。其中，白水帶公園木本植物群落主要有大葉相思Acacia auriculaeformis、木荷Schima superba、油茶Camellia oleifera、陰 香 Cinnamomum burmanni、大王椰子Roystonea regia、尖葉杜英Elaeocarpus apiculatus、梅葉冬青Ilex asprella、窿緣桉Eucalyptus exserta等樹種；東湖公園木本植物群落主要有蒲桃Syzygium jambos、海桐Pittosporum tobira、白千層Melaleuca leucadendron、蒲葵Livistona chinensis、黃榕Ficus diversifolia等。白水帶公園木本植物的平均樹高大于東湖公園，平均胸徑小于東湖公園(見表1)。東湖公園第16景觀單元的LAI(2.39)最大，第15單元(0.88)最小。有研究指出森林總生產(chǎn)力最大時通常LAI值為8～10[13]，城市公園人工植物景觀單元LAI與自然植物群落相比較低?？赡苁怯捎诃h(huán)境、樹齡、修剪等人工干擾的程度不同，冠幅不同，從而導(dǎo)致LAI的差異。許多學(xué)者用徑級結(jié)構(gòu)代替年齡結(jié)構(gòu)研究喬木樹種的群落結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征[14]，通過對比樹木的胸徑等級可知兩個公園均為中徑級(10cm≤DBH≤40cm)樹木居多，占全部調(diào)查樹木的70.8％。從立木樹高的分布趨勢來看，中等樹木(10m≤H≤20m)和小樹(H＜10m)的比例為3∶5。大葉相思、白千層、白蘭是公園綠化木本植物的主要高大喬木樹種(H＞20m)；濕地松、大王椰子、南洋杉、尖葉杜英等是主要的中等樹木；10m以下的立木空間主要是一些中小喬木。

表1 城市公園木本植物景觀單元的結(jié)構(gòu)特征?Table 1 Structural attributes of woody plants treescapes in urban park

3.2 林下直射光與散射光

樹木景觀單元的林下直射光和林下散射光對比結(jié)果表明，24個景觀單元的直射光均值和散射光均值相近，林下光照均表現(xiàn)為中等變異性，林下直射光的變異程度要強(qiáng)于林下散射光(見表2)。其中位于東湖公園的第7個景觀單元的直射光3.47 MJ·m-2d-1是最大值，第19個景觀單元的林下直射光均值最小(1.9 MJ·m-2d-1)，且其變異系數(shù)最大(43.67％)，約為第1個景觀單元的4.3倍。林下散射光的最小值和最大值分別為景觀單元13(2.22 MJ·m-2d-1)和景觀單元 2(3.37 MJ·m-2d-1)。兩個城市公園的林下散射光的變異系數(shù)較穩(wěn)定(16.86％～20.63％)，林下直射光的變異系數(shù)波動性較大(10.46％～43.67％)。可見，林冠對直射光的影響大于對散射光的影響。

3.3 葉面積指數(shù)與輻射消減的關(guān)系

冠層對光照的輻射消減率隨LAI的增加而增大(見圖1)。葉面積指數(shù)LAI分別與直射光消減率、散射光消減率呈極顯著正相關(guān)(P＜ 0.01)。輻射受林冠的遮擋而消減，不同的樹種葉面積指數(shù)不同，具有不同的光照消減率。葉面積越大，林冠的郁閉度越大，輻射透過冠層消減越快，輻射消減率越高。林冠輻射的消減率與林分的密度及單株樹枝葉的茂密程度有關(guān)。葉面積指數(shù)與直射光消減率的相關(guān)性(r = 0.889 3)大于葉面積指數(shù)與散射光的消減率(r = 0.685 9)，說明葉面積指數(shù)對直射光的消減率影響更大。冠層可以將大量的直射光反射到大氣中，散射光在林冠中具有更強(qiáng)的透射性[15-16]，可以將更多的入射輻射散布到冠層內(nèi)部的葉片上。因此冠層的葉面積指數(shù)的大小對直射光的消減的作用要大于對散射光的消減作用。

3.4 冠層輻射消減量與輻射消減率

3.4.1 林冠對直射光和散射光的消減

城市公園不同樹木景觀單元的直射光消減量、消減率和散射光消減量、消減率均差異顯著(P＜ 0.01)(見圖2、圖3)。其中第6個景觀單元對直射光的消減量(3.45 MJ·m-2d-1)作用最大，第19個景觀單元(1.8 MJ·m-2d-1)最小；第9個景觀單元對直射光的消減率(82％)作用最大，第19個景觀單元(41％)的最?。坏?個景觀單元對散射光的消減作用(3.5 MJ·m-2d-1)和消減率(80％)最大。

3.4.2 月際變化

不同月份林冠對直射光消減量(TransDir)和散射光消減量(TransDif)的差異極顯著(P ＜0.01)，但直射光和散射光的消減率沒有顯著差異

(見圖4、圖5)。2個公園的樹木景觀單元冠層對直射光和散射光消減量的作用均呈現(xiàn)單峰分布，1月份最低，最大值出現(xiàn)在6月份出現(xiàn)最大值。東湖公園的直射光消減率在72％～79％之間，全年散射光消減率約75％，白水帶公園的直射光消減率變化范圍是65％～72％，全年散射光消減率是72.5％?？梢?，與白水帶公園相比，東湖公園的樹木景觀單元具有更好的遮陰效果。

表2 城市公園木本植物景觀單元的林下直射光和散射光Table 2 Transmitted direct solar radiation and transmitted diffuse solar radiation of woody plants treescapes in urban park

圖1 葉面積指數(shù)(ILAI)對輻射消減率的影響Fig.1 Effects of ILAI on radiation attenuation rate

圖2 不同木本植物景觀單元的林冠直射光消減量及消減率Fig.2 Direct attenuation and direct attenuation rate of different woody plants treescapes

圖3 不同木本植物景觀單元的林冠散射光消減量及消減率Fig.3 Diffuse attenuation and diffuse attenuation rate of different woody plants treescapes

圖4 林冠對直射光消減的月際變化模擬Fig.4 Modeling monthly changes in direct radiation attenuation by treescape canopy

4 討 論

冠層對輻射的截獲導(dǎo)致透過林冠進(jìn)入林下的光照減少，葉面積指數(shù)越大，光截獲率越大，光的輻射消減率逐步增大。林木的葉面積指數(shù)與物種、樹齡及種植密度等因素有關(guān)，深入分析具體樹種的LAI與輻射消減的關(guān)系，可為城市園林綠化的樹種選擇的提供科學(xué)依據(jù)。

林冠對于太陽輻射的吸收和反射，使林下輻射與林冠上層相比具有光照強(qiáng)度減弱、分布不均及光照時間縮短的特征。不同的冠層，林下光照環(huán)境也不同，合理的冠層結(jié)構(gòu)可以兼顧遮陰與景觀需求，改善林下活動環(huán)境并提高公園樹木景觀單元的生態(tài)服務(wù)效能，其效果在夏天尤為突出。各林木景觀單元的林下直射光的變異系數(shù)差異大，林下散射光變異系數(shù)相近，可見冠層對林下直射光的影響較大。

在未來相當(dāng)長的時間里，建設(shè)美麗城鄉(xiāng)仍是城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)的重要目標(biāo)。在城市中加強(qiáng)綠地的規(guī)劃建設(shè)，尤其是木本植物群落的構(gòu)建，是提高城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、增進(jìn)居民“生態(tài)福利”的重要手段。城市森林綠地建設(shè)中樹種的選擇，應(yīng)充分考慮不同立地條件下的太陽輻射強(qiáng)度，選擇最適樹種，營造最適冠層，不僅使景觀環(huán)境美化，而且可以發(fā)揮木本植物的最大生態(tài)效能。

圖5 林冠對散射光消減的月際變化模擬Fig.5 Modeling monthly changes in diffuse radiation attenuation by treescape canopy

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Leaf area index and radiation attenuation effects of woody plant communities in urban park

LI Pei-yuan1,HU Yan-qiu2,SU Zhi-yao1,ZHANG Lu1,WANG Xiang-lin2
(1.College of Forestry,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong,China;2.Jiangmen City Garden Bureau,Jiangmen 529040,Guangdong,China)

Woody plants have the functions of shading and radiation attenuation,can mitigate the urban heat island effect.To quantitatively study radiation attenuation effect of woody plant community in urban park,twenty four treescapes in Jiangmen city urban park were selected,then their tree crown images were extracted by adopting hemispherical photography technology,and The canopy structure and understory light conditions in the sample plots were simulated and analyzed.The results show that(1)The ILAI value of treescapes in Jiangmen urban park(0.88～2.22)was lower than the I N,LAI under natural vegetation;(2)The radiation attenuation rate of the canopy to illumination increased with the increase of ILAI,ILAI values were signi fi cantly positively correlated with attenuation rate of direct and diffuse solar radiation;(3)The variability of transmitted direct solar radiation was greater than transmitted diffuse solar radiation,and canopy had more influences on direct light than diffuse light;(4)The attenuation effects of canopy on both direct and diffuse solar radiation were signi fi cant,The monthly variations of attenuation effects displayeda single peak distribution and reached the maximum in June to August.

woody plants in urban park；leaf area index(LAI);radiation attenuation effects;hemispherical photography technology;vegetation canopy structure;under-story light conditions

S718.51

A

1673-923X(2015)03-0078-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.03.016

2014-01-10

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項目(2011KJCX031-02)；江門市科技計劃項目(2010)

李佩瑗，碩士研究生

蘇志堯，教授，博士；E-mail：zysu@scau.edu.cn

李佩瑗，胡硯秋，張 璐，等.城市公園木本植物群落的葉面積指數(shù)與輻射消減效應(yīng)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2015,35(3):78-83.

[本文編校：吳 毅]