寒地城市公園春季休閑體力活動強度與植被群落微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)適應(yīng)性研究

趙曉龍 卞 晴 趙冬琪 張 波

體力活動匱乏的靜態(tài)生活方式易導(dǎo)致慢性疾病頻發(fā)，市民對城市公園的公共健康訴求日益增強[1]。城市公園已成為承載太極拳、毽球等休閑體力活動的主要場所。公共健康范式下，活動人次及其代謝量不僅是衡量有效體力活動強度的基本測度，也是增強人群健康的重要可干預(yù)因素[2-4]。Macintyre[5]、Hillsdon[6]等在規(guī)劃尺度下證實：高質(zhì)量且大規(guī)模城市開放空間的水體面積、綠地率等環(huán)境特征在促進人群活動強度方面具有積極影響。但場地尺度下，特定強度活動類型與其所在物質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性研究相對缺乏。

與此同時，隨著不利氣候條件對城市公園日利用率的沖擊，微氣候與活動人次的適應(yīng)性研究廣泛展開，并在微氣候因子與熱舒適兩方面取得大量研究成果[7-11]。王吉勇[12]進一步從環(huán)境行為學(xué)角度證實，活動主體與局地微氣候具有熱選擇、熱適應(yīng)的交互關(guān)系。但現(xiàn)有相關(guān)研究多集中以人次作為活動強度評價測度。運動健康導(dǎo)向下，活動強度類型的細化及其代謝量與微氣候環(huán)境的關(guān)系有待深入探究。其中，城市公園并非一致性物理環(huán)境，局地微氣候特征除受區(qū)域性物候條件影響外，亦會受到空間遮蔽程度、植被覆蓋率等植被群落特征影響[13-15]。而現(xiàn)有研究相對獨立的在微氣候與行為、微氣候與植被群落方面，兩兩建立關(guān)系。探尋寒地城市公園植被群落物質(zhì)環(huán)境、微氣候物理環(huán)境及休閑體力活動行為規(guī)律三者間的聯(lián)動機制，提高其日利用率以承載日益增長的活動需求成為研究的主要目的(圖1)。

因此，本研究借由調(diào)查寒地城市公園休閑體力活動強度、局地微氣候特征及其植被群落特征，以期解決以下研究問題：

問題1：休閑體力活動強度在寒地城市公園中的時空分布特征如何？

問題2：不同休閑體力活動強度聚集地的微氣候特征是否具有顯著差異？

問題3：城市公園微氣候因子是否對休閑體力活動強度具有適應(yīng)性影響？

問題4：休閑體力活動強度聚集地典型植被群落特征是否具有微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)？

旨在利用植被群落微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)，提出氣候適應(yīng)性的休閑體力活動空間設(shè)計策略。

圖1 休閑體力活動強度與植被群落微氣候效應(yīng)調(diào)節(jié)機理

圖2 數(shù)據(jù)采集點平面圖

1 研究內(nèi)容及方法

1.1 研究時間選擇

哈爾濱位于中國東北部，北緯44°04′～46°40′，是我國緯度最高的省會城市。溫帶大陸性季風(fēng)影響下，四季分明、冬季漫長寒冷。長達5個月之久的嚴寒氣候促使在乍暖還寒之時，城市公園自發(fā)性休閑體力活動頻發(fā)。研究選取寒地城市早春時節(jié)4—5月(2016年4月18—22日、2016年5月9—13日共計10d)，依據(jù)天氣預(yù)報隨機選取10d無云晴好天氣，且排除大型節(jié)假日或其他特殊活動出現(xiàn)人潮，影響研究結(jié)果的精準性與普適性。每日于6：00—17：00連續(xù)觀測。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

預(yù)調(diào)研選取哈爾濱主城區(qū)內(nèi)休閑體力活動頻發(fā)的市級公園——兆麟公園為研究區(qū)域。該公園(N45°46′26.4＂,E126°36 ′56.16＂)位于哈爾濱居住、商務(wù)核心區(qū)域，占地面積8.4hm2，植被覆蓋率高達72%。通過觀察及行為注記法對全園休閑體力活動進行全日段觀測。并依據(jù)行為注記結(jié)果篩選出6個高聚集休閑體力活動場地作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集點(圖2)。

1.2.1 微氣候特征實地測量

依據(jù)微氣候地面數(shù)據(jù)采集方法，距地面1.5m處利用Testo-435多功能測量儀(空氣溫度：±0.3℃、相對濕度：+2%RH～+98%RH、風(fēng)速：0.03m/s+4%測量值)和建通JTR05太陽輻射儀(7～14mv/kw·m-2)，于觀測時段每分鐘自動對數(shù)據(jù)采集點進行定點測量。

1.2.2 休閑體力活動強度觀測

研究共計有效觀測樣本2284人次，涵蓋棋牌、太極拳、毽球等7種活動類型。由于觀測人數(shù)較多且活動流動性較強，難以逐一對活動者的代謝量進行實時監(jiān)測。因此，選取體力活動能量消耗編碼表[16](Compendium of Physical Activities)這一低成本、方便快捷的體力活動分類評估工具，作為代謝量取值及強度劃分的重要標準及參考依據(jù)[17-19](表1)。休閑體力活動強度(活動人次及代謝量)與微氣候數(shù)據(jù)同步采集，記錄間隔30min逐時段疊加。

1.2.3 植被群落特征實地測量

進一步利用實地測量方法對各數(shù)據(jù)采集點典型植被群落特征進行量化描述。其中，利用紅外線測距儀——Nikon 1000AS采集群落結(jié)構(gòu)特征(群落覆蓋率、群落綠量比)。利用魚眼鏡相片及RayMan模型計算天空可視因子(Sky View Factor)代表群落冠層郁閉度；手持式激光測距儀——BOSCH-GLM250VF采集冠層距地高度，描述群落形態(tài)特征。

2 研究結(jié)果及分析

2.1 休閑體力活動強度時空分布特征

表征層面揭示休閑體力活動強度時空分布特征，為休閑體力活動強度與植被群落微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)因果關(guān)系的建立做基礎(chǔ)性分析。

圖3 休閑體力活動強度時空分布圖

表1 休閑體力活動強度采集

表2 休閑體力活動強度時空分布特征百分比/%

表3 休閑體力活動強度聚集地對照點

研究顯示(圖3)：相同強度的休閑體力活動隨局地微氣候變化而遷移聚集，并具有主動選擇及熱適應(yīng)的過程。其中，活動類型以棋牌、太極拳等低及中低強度活動為主導(dǎo)，占總觀測人數(shù)74%(表2)。其活動人次日變化趨勢趨同，高溫階段達到峰值，隨后降溫階段驟然下降，尤其以太極拳、操舞為主的中低強度活動人次變化最為顯著。中等以上強度活動人次的日變化趨勢明顯差異于其他2類強度。初溫、積溫階段活動人次小幅度上升，并于高溫及降溫階停留在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 活動人次與微氣候因子適應(yīng)性分析

表4 休閑體力活動強度聚集地微氣候特征差異顯著性分析

表5 活動人次與微氣候因子相關(guān)顯著性分析

2.2 休閑體力活動強度聚集地微氣候特征差異

依據(jù)各觀測點活動強度所占百分比，將其劃分為3組活動強度聚集地，對照點見表3。利用單因素方差A(yù)NOVA探尋各活動強度聚集地微氣候特征的顯著差異(表4)。研究表明：隨著活動強度的增強，活動主體溫濕度敏感性增加。其中，低及中低強度活動聚集地的微氣候差異顯著性趨同，且呈現(xiàn)出較強的耐風(fēng)性(差值0.072～0.514m/s)及耐濕性(差值5.611%～6.997%)。低溫、通風(fēng)的微氣候特征有助于激發(fā)低及中低強度活動人次的增加及代謝量的增長。中等以上強度活動聚集地太陽輻射量明顯高于低強度活動(差值194.266～208.834W/m2)。高濕及風(fēng)速對人體體表散熱的阻礙，使得低風(fēng)、低濕、高日照微氣候特征利于誘發(fā)中等以上活動強度的增加。

2.3 休閑體力活動強度與微氣候因子適應(yīng)性分析

基于上述研究，進一步利用一元線性回歸深入探究休閑體力強度與各微氣候因子的適應(yīng)性關(guān)系。并應(yīng)用散點圖確定微氣候因子適宜值區(qū)間。其中，非實驗室環(huán)境下，城市外部環(huán)境影響因素眾多，且活動主體行為選擇具有較強的主觀性與流動性，致使樣本數(shù)據(jù)較為離散。但Sig值均＜0.05，證明R2具有統(tǒng)計學(xué)意義。微氣候作為滿足活動主體的基本生理需求，各因子對休閑體力活動強度的解釋能力可被接受，研究結(jié)果如下。

2.3.1 活動人次與微氣候因子適應(yīng)性分析

休閑體力總活動人次與太陽輻射、溫度呈顯著正相關(guān)、與風(fēng)度呈負相關(guān)(表5)。關(guān)聯(lián)強度依次為：太陽輻射(R2解釋能力57.62%～33.34%)＞溫度(R2解釋能力54.29%～39.68%)＞風(fēng)速(R2解釋能力36.03%～20.39%)(圖4)?；顒尤舜尉导谐霈F(xiàn)在14～16℃；太陽輻射量400～600W/m2；風(fēng)速0～0.5m/s。低強度活動的耐風(fēng)性顯著，差值最大可達0.92m/s；當(dāng)溫度上升至18℃以上，太陽輻射量大于600W/m2時，中低及中等以上強度活動人次顯著增加。

2.3.2 活動代謝量與微氣候因子適應(yīng)性分析

休閑體力總活動代謝量與溫度、太陽輻射呈顯著正相關(guān)；與風(fēng)速及濕度呈負相關(guān)(表6)。關(guān)聯(lián)強度依次為：相對濕度(R2解釋能力49.09%～23.25%)＞風(fēng)速(R2解釋能力48.49%～28.67%)＞溫度(R2解釋能力45.73%～36.92%)＞太陽輻射(R2解釋能力43.97%～21.19%)(圖5)。隨著活動代謝量的增加，活動主體對相對濕度、風(fēng)速的感知增強。其中，相對濕度增加至32%，中等以上強度活動代謝量顯著下降。休閑體力活動總代謝量在溫度18℃以上；相對濕度30%～34%；風(fēng)速0～1m/s；太陽輻射500～700W/m2微氣候特征區(qū)間顯著上升。

圖5 活動代謝量與微氣候因子適應(yīng)性分析

表6 活動代謝量與微氣候因子相關(guān)顯著性分析

2.4 休閑體力活動強度聚集地典型植被群落微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)分析

選取休閑體力活動強度聚集地典型植被群落特征作為對照比較內(nèi)容(表7)，通過多重比較Scheffe法(P=0.05)揭示植被群落微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)與休閑體力活動聚集關(guān)系，研究結(jié)果如下。

2.4.1 植被群落結(jié)構(gòu)特征微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)

1)群落覆蓋率微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)。

群落覆蓋率是評價場地平面結(jié)構(gòu)植被復(fù)合程度的重要評價標準。研究結(jié)果表明：群落覆蓋率的微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)主要集中于溫濕度方面，且呈現(xiàn)出覆蓋率越高降溫增濕效應(yīng)越顯著的趨勢，其最大溫差約為5.614℃；最大濕度差約為12.562%(表8)。由于低覆蓋率場地中硬質(zhì)鋪裝面積加大吸收大量太陽輻射，致使其與高覆蓋率場地最大太陽輻射差值為107.6W/m2，有效誘發(fā)中等以上強度活動產(chǎn)生。

2)群落綠量比微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)。

相同群落結(jié)構(gòu)不同綠量比微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)比較結(jié)果顯示：常綠喬木的降溫冷卻能力較強于落葉喬木2.345℃；太陽輻射攔截能力略低于落葉喬木97.666W/m2(表9)。喬木主導(dǎo)的復(fù)合化群落結(jié)構(gòu)越豐富，增濕降溫以及對風(fēng)速的攔截能力越明顯，其最大降溫效應(yīng)約為6.667℃、增濕13.322%。不同群落結(jié)構(gòu)微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)在城市公園中產(chǎn)生局地溫差，進而使得空氣流速增加。復(fù)合化的群落結(jié)構(gòu)有利于在極端氣候條件下，彈性控制局地溫濕度保持在一定的變化幅度內(nèi)，避免影響人體生理熱能產(chǎn)生極端的增加或喪失，吸引休閑體力活動的聚集。

2.4.2 植被群落形態(tài)特征微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)

1)群落冠層郁閉度調(diào)節(jié)效應(yīng)。

相似郁閉度條件下，落葉喬木與常綠喬木的降溫增濕作用以及對風(fēng)速、太陽輻射的攔截作用無顯著差異(表10)。高大喬木冠層可在場地上層空間形成連續(xù)的綠色屏障。其葉片在蒸騰作用的同時，不僅阻擋反射了太陽輻射，也減少了場地硬質(zhì)鋪裝對長波輻射的吸收。而低矮的灌木冠層只對場地周邊界面進行圍合，所接受太陽輻射明顯高于喬木冠層182.2W/m2，溫度顯著上升3.256℃。

2)群落冠層距地高度調(diào)節(jié)效應(yīng)。

相似高度下，落葉與常綠喬木的微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)無顯著差異(表11)。高大喬木冠層與低矮灌木冠層差異顯著，其溫度差約為2.896℃，濕度約為12.616%。風(fēng)速方面，雖然灌木冠層對場地界面的圍合對風(fēng)速具有一定阻擋作用，但并不顯著。其最大風(fēng)速差值約為0.23m/s。喬木冠層距地高度在一定程度上加速了冠層下風(fēng)速的流通、場地的散熱。

3 微氣候適應(yīng)性休閑體力活動空間設(shè)計策略

基于上述研究結(jié)果，利用植被群落微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)提出以下微氣候適應(yīng)性休閑體力活動空間設(shè)計策略。

1)育兒、棋牌、太極拳、操舞等為主導(dǎo)的低及中低強度休閑體力活動空間設(shè)計。

針對其對活動場地具有低溫、通風(fēng)的微氣候特征偏好，高大喬木為主導(dǎo)的復(fù)合化植被群落結(jié)構(gòu)是最佳的配置選擇。該群落結(jié)構(gòu)可利用高大喬木冠層，在場地上層空間形成連續(xù)的綠色遮蔽屏障，對太陽輻射進行攔截并發(fā)揮出強大的降溫增濕效能。同時，高聳的喬木冠層距地高度，促使其冠層下易于形成開敞的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。而灌草結(jié)構(gòu)與高大喬木冠層的組合增加了群落結(jié)構(gòu)的復(fù)合性與穩(wěn)定性，并對喬木冠層的降溫增濕及通風(fēng)性能具有強化作用。

2)健身器械、毽球等活動為主導(dǎo)的中等以上強度休閑體力活動空間設(shè)計。

針對其對活動場地具有低風(fēng)、低濕、高日照的微氣候特征偏好，高大喬木冠層并不適用。

而無高大冠層遮蔽的灌草結(jié)構(gòu)，可有效接受大量太陽輻射、提高活動場地溫度，又具有一定通風(fēng)除濕效能，成為最適宜的群落結(jié)構(gòu)配置。

表7 休閑體力活動強度聚集地典型植被群落特征對照比較內(nèi)容

表8 群落覆蓋率微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)差異顯著性分析

表9 群落綠量比微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)差異顯著性分析

4 結(jié)語

以微氣候為媒介，植被群落微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)與休閑體力活動強度因果關(guān)系的確立，使得在地域氣候條件不可改變的前提下，利用風(fēng)景園林植被群落調(diào)節(jié)效應(yīng)改善局地微氣候環(huán)境、發(fā)揮綠地系統(tǒng)物理環(huán)境的運動增效作用。為激發(fā)寒地市民休閑體力活動意愿、增強活動強度、提升城市公園運動健康效能提供數(shù)理支持。

表10 群落冠層郁閉度微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)差異顯著性分析

表11 群落冠層距地高度微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)差異顯著性分析

注：文中圖片均由作者繪制。