高溫天氣植被蒸騰與遮蔭降溫效應(yīng)的變化特征

王曉娟,孔繁花,*,尹海偉,徐海龍,李俊生,蒲英霞

1 南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,南京 210023 2 南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,南京 210093 3 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,南京 210023

城市綠地通過植被冠層對太陽輻射的阻擋(遮蔭)與葉片的蒸騰作用能有效降低植被冠層表面和林下的大氣溫度,產(chǎn)生明顯降溫效應(yīng)[1],從而有效緩解城市熱島強(qiáng)度、減少降溫能耗[2]。因而,開展對城市中不同樹種植被遮蔭與蒸騰降溫效應(yīng)的量化研究是科學(xué)優(yōu)化植被溫度調(diào)控服務(wù)的重要基礎(chǔ)。

目前植被遮蔭降溫效應(yīng)的測算方法主要有3種:測量冠層上下的太陽輻射差[3]、測量冠層上下的空氣溫度差[4- 5]和采用專業(yè)軟件進(jìn)行模擬[6]。例如,Tsiros[4]采用測量冠層上下空氣溫度差的方法研究了雅典5個街區(qū)的樹木遮蔭降溫效應(yīng),發(fā)現(xiàn)14:00時遮蔭降溫約為0.5—1.6℃。與遮蔭降溫的測度方法相比,目前植被蒸騰作用量化方法的種類不多,使用最普遍的是樹干液流(Sap Flow)測定法[7],主要包括熱脈沖[8-10]、熱平衡[11- 12]、熱擴(kuò)散[13]等熱技術(shù)探測方法[14]。然而,通過熱技術(shù)僅能測定單株尺度的植物蒸騰耗水量,因而許多學(xué)者利用胸徑(Diameter at breast height,DBH)[10,12,15]、邊材面積[16- 17]、葉面積[8,18]等作為擴(kuò)展指標(biāo),實現(xiàn)了由單株植被蒸騰耗水量到林分尺度上冠層蒸騰量的尺度擴(kuò)展[10,19- 20]。例如,Bosch等[10]采用熱脈沖法觀測了濕地松(Pinuselliottii)、長葉松(PinuspalustrisMill)、北美鵝掌楸(Liriodendrontulipifera)的樹干液流,利用胸徑作為擴(kuò)展指標(biāo)對樹干液流進(jìn)行尺度拓展。目前國內(nèi)外針對植被蒸騰或遮蔭單項降溫效應(yīng)的研究較多,但同時進(jìn)行植被遮蔭與蒸騰降溫效應(yīng)綜合量化,并進(jìn)而挖掘遮蔭與蒸騰對植被總降溫效應(yīng)貢獻(xiàn)率變化特征的研究尚不多見[3]。

本文以南京市棲霞區(qū)某小型綠地單元為研究區(qū),采用熱擴(kuò)散探針技術(shù)對高溫晴朗天氣下香樟(Cinnamomumcamphora)、雪松(Cedrusdeodara)、楊樹(PopulustomentosaCarr)3個樹種典型植株樹干液流進(jìn)行了觀測,并利用葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,LAI)對單株植被蒸騰量進(jìn)行尺度拓展,估算了3個樹種林分尺度上的蒸騰量與蒸騰降溫效應(yīng),并根據(jù)林上、林下太陽輻射值計算了不同樹種與整個綠地單元的遮蔭降溫效應(yīng),進(jìn)而闡明了蒸騰與遮蔭降溫對總降溫效應(yīng)貢獻(xiàn)率的變化特征。研究結(jié)果將有助于更好地理解不同樹種蒸騰與遮蔭降溫效應(yīng)的變化特征與規(guī)律,為科學(xué)優(yōu)化不同樹種植被的溫度調(diào)控服務(wù)提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文以位于南京市棲霞區(qū)萬達(dá)茂以東、仙林大道以北(32°7′N,118°59′E)的一個小型綠地單元作為研究區(qū)(圖1)。該小型綠地呈三角形,面積約為1.97 hm2;最初為苗圃用地,主要有香樟、雪松、楊樹3種類型的植被,面積分別為0.52、0.79、0.66 hm2,林相整體長勢較為一致,樹齡均為7a。該研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,多年平均溫度15.4℃,多年平均降水量1106 mm。

圖1 研究區(qū)、樹干液流觀測樣樹及微氣象觀測站分布圖Fig.1 Distribution map of study area, sample trees used for sap flow measurement, and micro-meteorological observation stations

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 樹干液流觀測

使用美國Dynamax標(biāo)準(zhǔn)莖流觀測系統(tǒng)對香樟、雪松和楊樹3個樹種的1—10號樣樹進(jìn)行樹干液流的觀測(表1,圖1)。加熱探針(Thermal Dissipation Probe,TDP)安裝在離地面1.3 m處,數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min,數(shù)據(jù)存儲間隔為60 min。由于TDP探針數(shù)量與線纜長度的限制,每次只能同時觀測2個樹種。因而,本文選取2015年8月3—5日的香樟、雪松、2016年8月13—15日的雪松、楊樹樹干液流的觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行高溫天氣下植被蒸騰量與蒸騰降溫效應(yīng)的估算。樹干液流參照Granier[21]的研究進(jìn)行計算(式1—4)。

Ki=(dTMi-dTi)/dTi

(1)

(2)

SFi=Asi×Vi×3.6

(3)

故:SFi=Asi×Vi×3.6=Asi×0.0119(dTMi-dTi)/dTi1.231×3.6

(4)

式中,Ki為參數(shù),根據(jù)樹種i探針觀測溫度獲取;dTMi為樹種i觀測樣樹的上下探針之間的最大晝夜溫差(℃);dTi為樣樹i瞬時溫差(℃);Vi為樹干液流速率(cm/s);Asi為單株樣樹的邊材橫截面積(cm2);SFi則為樹種i單株樣樹的樹干液流(kg/h)。

表1 觀測樣樹參數(shù)

2.1.2 樹種參數(shù)提取

使用RIEGL VZ-400三維激光掃描成像系統(tǒng)獲取了研究區(qū)香樟、雪松和楊樹3個樹種單株樣樹(圖2)和整片林地單元的三維點云數(shù)據(jù),計算提取了1—10號樣樹的樹高、冠層高度、冠幅等植被特征參數(shù)(表1),并基于冠層孔隙度Beer-Lambert定律[22- 23]計算了樣樹的葉面積指數(shù)(表1)。本文葉面積指數(shù)是指單位地面面積上植物葉片總面積占地面面積的倍數(shù),使用三維點云數(shù)據(jù)計算而得,其具體計算過程參見公式(5)和(6)。

冠層孔隙度的Beer-Lambert定律[22- 23]:

Ii=I0ie-kLAIi

(5)

故:

(6)

式中,對于樹種i,LAIi表示葉面積指數(shù),Ii是冠層下面的光,I0i是冠層上面的光,Ii/I0i為冠層孔隙度,可根據(jù)點云數(shù)據(jù)計算獲取。k是消光系數(shù),可通過葉傾角和天頂角獲取,具體如下式(7)—(8):

(7)

(8)

式中,Gθ,α表示葉面區(qū)域在入射光線的垂直方向的平均投影,x=1/cotαcotθ,α為葉面元素的傾角,θ為太陽入射光線的天頂角。

圖2 3個樹種的激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)Fig.2 LiDAR point cloud data of three tree species

2.1.3 氣象觀測

使用Hobo U30和CR1000小型氣象觀測站進(jìn)行太陽輻射(W/m2)、風(fēng)速(m/s)、空氣溫度(℃)、空氣濕度(%)、降雨量(mm)等微氣象環(huán)境因子的觀測(表2),數(shù)據(jù)采樣間隔為60 s,數(shù)據(jù)存儲間隔為1 min。由于2015年8月3—5日和2016年8月13—15日兩個時段的氣象特征比較相似,均屬于夏季高溫晴朗天氣(最低氣溫分別為25.7、25.7℃,最高氣溫分別為39.7、36.9℃;白天平均太陽總輻射分別為552.4、493.3 W/m2),所以本文選取這兩個時段來進(jìn)行3個樹種植被蒸騰與遮蔭降溫效應(yīng)的對比分析。

2.2 林分尺度上蒸騰量與蒸騰降溫效應(yīng)計算

首先,采用Soegaard等、白巖等[18, 20]“單位葉面積上的平均液流速率(SF)×葉面積指數(shù)(LAI)”的擴(kuò)展方法, 將單株樣樹冠層蒸騰量擴(kuò)展到林分尺度上的冠層蒸騰量(具體擴(kuò)展方法與計算過程參見公式(9)和(10):

(9)

將公式(3)代入(9),得到下式(10):

(10)

借鑒已有相關(guān)研究[17, 24- 25]計算得出3個樹種單位地面面積內(nèi)冠層蒸騰作用所消耗的能量(即蒸騰耗能量,公式(11))。

Qi=Tri×λ

(11)

參照楊士弘和Nakazato等[19, 26]蒸騰降溫估算方法(公式(12)),進(jìn)行了3個樹種蒸騰降溫效應(yīng)的計算?？紤]到空氣的湍流、對流和輻射作用,以及空氣與葉面之間、空氣微氣團(tuán)之間不斷地進(jìn)行熱量擴(kuò)散和交換,故本研究取底面積為10 m2、厚度為100 m的1000 m3的空氣柱作為計算單元。100 m代表了研究區(qū)的城市冠層高度,而10 m2可代表小氣候的水平尺度[27]。

ΔTi=Qi/(ρ×c×v)

(12)

式中,Tri為樹種i林分尺度的冠層蒸騰量(mm/h),Leafareai為樹種i單株樣樹的總?cè)~面積(m2),可基于三維點云數(shù)據(jù)計算獲取,Qi為樹種i冠層蒸騰作用使其單位地面面積內(nèi)空氣損失的熱量(kJ h-1m-2),λ為汽化潛熱(kJ/kg),可由空氣溫度計算得出(λ=2498.8-2.33Ta,Ta為空氣溫度),ρ為空氣密度,約為1.29 kg/m3;c為空氣比熱容,約為1.03 kJ kg-1℃-1;v為空氣柱體體積,本文為1000 m3。

2.3 林分尺度上遮蔭降溫效應(yīng)計算

將樹冠遮蔭作用所降低的能量定義為林上、林下太陽總輻射的差值[3],采用公式(13)和(14)計算得到3個樹種單位地面面積內(nèi)冠層遮蔭作用所降低的能量,并參照楊士弘和Nakazato等[19, 26]蒸騰降溫估算方法(公式(15)),對3個樹種的遮蔭降溫效應(yīng)進(jìn)行了計算。

Sshadei=PARsi-PARBi

(13)

(14)

ΔTi=Qshadei/(ρ×c×v)

(15)

式中,Sshadei表示樹種i因遮蔭作用所降低的能量(W/m2),PARsi表示林上太陽總輻射值(W/m2),PARBi表示林下太陽總輻射值(W/m2),Qshadei為樹冠遮蔭所降低的能量(kJ/h)。

2.4 蒸騰與遮蔭對總降溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)率計算

根據(jù)植被蒸騰降溫和遮蔭降溫的計算結(jié)果,分別計算了3個樹種蒸騰與遮蔭降溫對總降溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)率。為了將不同樹種單位空氣柱(1000 m3)的蒸騰與遮蔭降溫效應(yīng)擴(kuò)展到小型綠地單元尺度上,本研究以不同樹種面積所占該綠地單元總面積的比重作為權(quán)重,采用加權(quán)求和法計算獲取了該小型綠地單元的整體蒸騰與遮蔭降溫效應(yīng)及其對總降溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹種樹干液流的變化特征

由圖3可見,3個樹種單株樣樹的樹干液流均表現(xiàn)出晝高夜低的總體變化趨勢;樹干液流在6:00左右開始啟動,12:00左右達(dá)到峰值,且隨后維持在高位(即存在一個較寬的平頂峰),稱之為樹干液流的“午休”,這主要是由于正午溫度較高,植物為了保存體內(nèi)水分,短暫關(guān)閉或減小氣孔開合程度,從而使蒸騰作用在達(dá)到峰值后不再增長;18:00之后樹干液流呈急劇下降趨勢,21:00之后變得非常微弱;在夜間樹干液流雖然很小但仍然存在,這主要是由于根壓的作用,水分被吸收進(jìn)入植物體內(nèi),補(bǔ)充白天所消耗的水分。與此同時,在同一個樹種內(nèi),隨著胸徑增大,樹干液流亦顯著增大(表3),這表明胸徑大小是影響樹干液流的重要因素之一。

圖3 觀測樣樹樹干液流晝夜變化特征Fig.3 The variable characteristics of stem sap flow at each observed sample tree

樣樹號Tree number樹種Tree species邊材面積Sapwood area/cm2日均液流量Daily average stem sap flow volume /(kg/d)樣樹號Tree number樹種Tree species邊材面積Sapwood area/cm2日均液流量Daily average stem sap flow volume/(kg/d)1#香樟75.8623.826#雪松91.989.092#香樟35.463.447#雪松127.3230.233#雪松108.5424.758#雪松183.3331.224#雪松93.8511.719#楊樹49.741.315#雪松42.082.7410#楊樹249.5151.85

3.2 不同樹種林分尺度上冠層蒸騰量及蒸騰降溫效應(yīng)變化特征

林分尺度上香樟、雪松1、雪松2以及楊樹冠層蒸騰量的日變化與單株樣樹的日變化趨勢大致相同,均呈晝高夜低的總體變化趨勢(圖3,圖4),但不同樹種林分尺度上的蒸騰量大小與變化幅度卻存在明顯差異(圖4)。香樟的平均冠層蒸騰量最小,為131.83 mm/h,冠層蒸騰在7:00啟動,9:00—16:00間維持在高值(最大值為283.56 mm/h),擁有寬且平坦的平頂峰(約7小時),16:00以后蒸騰量開始快速下降;雪松1的平均冠層蒸騰量為154.86 mm/h,冠層蒸騰也在7:00左右啟動,但僅在10:00—13:00維持在高值(最大值為390.77 mm/h),相對于香樟而言峰值較大,但峰寬明顯收窄且不平坦;雪松2的平均冠層蒸騰量為150.98 mm/h,與雪松1相比,冠層蒸騰啟動稍微晚一些,在8:00左右啟動,13:00左右到達(dá)峰值(最大值為437.51 mm/h),峰現(xiàn)時間明顯偏后;楊樹的平均冠層蒸騰量最大,為267.08 mm/h,明顯高于其他兩個樹種,冠層蒸騰在11:00左右到達(dá)峰值(最大值為561.46 mm/h),峰寬大(11:00—19:00,8 h),第一天平峰現(xiàn)象很明顯,后兩天峰不平坦,其冠層蒸騰到達(dá)峰值后開始下降的時間(19:00)和接近0值的時間(3:00—6:00)均明顯晚于其他兩個樹種。綜上所述,林分尺度上3個樹種的冠層蒸騰量從大到小依次為楊樹、雪松、香樟,楊樹的峰或谷出現(xiàn)時間均明顯晚于雪松和香樟。

圖4 林分尺度冠層蒸騰量日變化特征Fig.4 Diurnal variable characteristics of stand canopy transpiration

3個樹種蒸騰降溫值的日變化曲線呈晝低夜高的變化規(guī)律,與其林分尺度上冠層蒸騰量的日變化曲線呈鏡像關(guān)系,表明降溫效應(yīng)與冠層蒸騰量具有顯著相關(guān)性(圖4,圖5)。3個樹種在夜間(20:00—次日6:00)降溫值均很小,在3:00—6:00時段接近于0,表明降溫效應(yīng)在夜間很不明顯;7:00左右降溫值開始降低(即降溫效應(yīng)開始增強(qiáng)),10:00—14:00左右降溫值達(dá)到最小,降溫效應(yīng)最大(香樟:-0.51℃,雪松1:-0.71℃,雪松2:-0.79℃,楊樹:-0.93℃),表明最大蒸騰降溫效應(yīng)楊樹>雪松>香樟;3個樹種均具有較為明顯的寬谷特征,表明在高溫天氣下植被在正午前后進(jìn)入“午休”,蒸騰量不再快速增長,蒸騰降溫效應(yīng)也不再增強(qiáng)。

圖5 不同樹種蒸騰降溫效應(yīng)日變化特征Fig.5 Diurnal variable characteristics of transpiration cooling effect

3.3 不同樹種林分尺度上遮蔭降溫效應(yīng)變化特征

由圖6可見,3個樹種的遮蔭降溫效應(yīng)與太陽輻射的日變化規(guī)律基本一致;在夜間(19:00—次日6:00)因無太陽輻射,3個樹種均無遮蔭降溫效應(yīng);日出(6:00)之后,3個樹種的遮蔭降溫效應(yīng)總體上隨著太陽輻射的增強(qiáng)而不斷增大,在正午前后(11:00—13:00)降溫效應(yīng)達(dá)到最大,隨后遮蔭降溫效應(yīng)隨著太陽輻射的減弱而不斷減小。另外,與蒸騰降溫效應(yīng)相比(圖5),3個樹種遮蔭降溫效應(yīng)的總體差異相對較小(圖6),香樟、雪松1、雪松2和楊樹遮蔭降溫效應(yīng)的最大值分別為-2.48、-2.77、-2.39℃和-2.82℃。由于觀測儀器位于綠地單元內(nèi)的位置不同,加之太陽天頂角的變化以及傳感器上方樹木濃密程度的差異,會造成一些時刻遮蔭效果的劇烈變化。例如,香樟冠層下的觀測儀器在12:20左右因接收了大量太陽輻射,其降溫效應(yīng)急劇下降(僅為-0.41℃),與其最大遮蔭降溫效應(yīng)(12:00左右,-2.48℃)相差很大。

圖6 遮蔭降溫效應(yīng)與太陽輻射日變化特征Fig.6 Diurnal variable characteristics of cooling effect of the shade and solar radiation

3.4 遮蔭與蒸騰對總降溫效應(yīng)貢獻(xiàn)率的變化特征

由圖7可見,在夜間(19:00—次日6:00)無論是3個樹種還是整個小型綠地單元的總降溫效應(yīng)均非常微弱,且全部為蒸騰降溫;在白天(6:00—19:00)3個樹種的總降溫效應(yīng)峰值存在一定差異(楊樹>雪松>香樟),但其總體上均先增后減,且遮蔭降溫對總降溫的貢獻(xiàn)率(60%—75%)均明顯高于蒸騰降溫(25%—40%)。香樟在9:00—15:00時段的總降溫效應(yīng)最強(qiáng)(最大為-2.78℃),該時段內(nèi)蒸騰降溫約占總降溫的23%;雪松1的最大總降溫效應(yīng)略高于香樟,為-3.11℃,在9:00—15:00時段蒸騰降溫占總降溫的比重(25%)與香樟的比較接近;雪松2的總降溫效應(yīng)略低于雪松1,為-3.06℃,在10:00—16:00時段的總降溫效應(yīng)最強(qiáng),該時段蒸騰降溫占總降溫比重(36%)高于香樟與雪松1,這與雪松2在該時段的蒸騰降溫高于香樟與雪松1有關(guān)(圖5);楊樹的最大總降溫效應(yīng)大于香樟和雪松,為-3.53℃,且白天的總降溫效應(yīng)起伏波動較大(這與其遮蔭效應(yīng)的較大起伏波動有關(guān)(圖6)),在9:00—15:00時段蒸騰降溫占總降溫比重為32%;整個小型綠地單元的最大總降溫效應(yīng)為-3.00℃,在10:00—15:00時段的總降溫效應(yīng)最強(qiáng),該時段蒸騰降溫占總降溫的29%,整個觀測時期內(nèi)的蒸騰降溫占總降溫的34%(圖5)。這一結(jié)果與Hoelscher等[3]對夏季晴朗天氣下地錦(P.tricuspidata)與巴爾德楚藤蓼(F.baldschuanica)的遮蔭降溫和蒸騰降溫效應(yīng)的研究結(jié)果基本一致,即蒸騰降溫所占總降溫效應(yīng)的比重均低于40%。

圖7 總降溫效應(yīng)以及遮蔭、蒸騰對總降溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)率Fig.7 Total cooling effects and the contribution of transpiration cooling effect and cooling effect of the shade to total cooling effect of different tree species

4 結(jié)論及討論

本文使用美國Dynamax標(biāo)準(zhǔn)莖流觀測系統(tǒng)、RIEGL VZ-400三維激光掃描成像系統(tǒng)和Hobo U30與CR1000微氣象觀測系統(tǒng),對南京市某一小型綠地單元內(nèi)3個樹種的樹干液流、冠層結(jié)構(gòu)和微氣象環(huán)境因子進(jìn)行了觀測與分析,在揭示高溫晴朗天氣下單株樣樹蒸騰量日變化特征的基礎(chǔ)上,采用“單位葉面積上的平均液流速率×葉面積指數(shù)”的擴(kuò)展方法實現(xiàn)了由單株到林分尺度上冠層蒸騰量與蒸騰降溫效應(yīng)的估算,并根據(jù)林上、林下太陽輻射值計算了不同樹種與整個綠地單元的遮蔭降溫效應(yīng),進(jìn)而闡明了蒸騰與遮蔭降溫對總降溫效應(yīng)貢獻(xiàn)率的變化特征。主要結(jié)論如下:

(1)3個樹種的樹干液流均呈現(xiàn)晝高夜低的總體變化趨勢,樹干液流通常在6:00左右啟動,正午前后達(dá)到峰值,且在正午前后存在“午休”現(xiàn)象(平頂峰),而在同一樹種內(nèi)樹干液流會隨著樣樹胸徑的增大而增大。

(2)林分尺度上冠層蒸騰量與蒸騰降溫效應(yīng)均為楊樹>雪松>香樟,楊樹峰或谷出現(xiàn)的時間(11:00—19:00)均明顯晚于雪松(10:00—15:00)和香樟(9:00—16:00)。

(3)林分尺度上3個樹種的遮蔭降溫效應(yīng)總體上與太陽輻射的日變化規(guī)律基本一致,均隨著太陽輻射的增強(qiáng)而不斷增大,正午前后遮蔭降溫效應(yīng)達(dá)到最大之后開始隨著太陽輻射的降低而快速下降;最大遮蔭降溫效應(yīng):楊樹>雪松>香樟,但與3個樹種的蒸騰降溫效應(yīng)相比,樹種間遮蔭降溫效應(yīng)的總體差異相對較小。

(4)3個樹種與整個小型綠地單元的總降溫效應(yīng)在夜間均非常微弱,且全部為蒸騰降溫,而在白天遮蔭降溫對總降溫的貢獻(xiàn)率(60%—75%)則明顯高于蒸騰降溫(25%—40%);最大總降溫效應(yīng):楊樹>雪松>香樟。

本文通過實地觀測定量分析了不同樹種的蒸騰與遮蔭降溫效應(yīng)的變化特征,并闡明了蒸騰與遮蔭對總降溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)率。雖然得到了一些初步結(jié)論,但仍存在一些不足:(1)本文僅選取了高溫晴朗天氣下3 d的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析,不同天氣條件下蒸騰與遮蔭降溫及其對總降溫效應(yīng)貢獻(xiàn)率的差異仍需進(jìn)一步探討;(2)由于TDP探針數(shù)量與線纜長度的限制,分兩次對3個樹種進(jìn)行了樹干液流的觀測,盡管都選擇在氣象條件相近的高溫天氣下觀測,但兩次觀測期間的微氣象條件差異難免會對3個樹種的比較分析產(chǎn)生一定的影響。(3)在樹干液流觀測期間,雖然同步進(jìn)行了氣象因子與土壤環(huán)境因子(土壤溫濕度、土壤熱通量等)的觀測,但本文尚未進(jìn)行降溫效應(yīng)與微氣象因子的相關(guān)性分析,也未考慮土壤蒸散發(fā)對綠地降溫效應(yīng)的潛在影響。