春夏秋三季不同類型植物群落的溫濕度調(diào)節(jié)效應(yīng)研究

衛(wèi)笑 張明娟 魏家星 周忠勝 陳國青

摘要：文章以南京濱江公園為例，研究了5種不同結(jié)構(gòu)植物群落的溫濕度調(diào)節(jié)效應(yīng)，并初步分析了綠量與降溫增濕強(qiáng)度之間的關(guān)系。結(jié)果表明：植物群落的降溫增濕效應(yīng)具有季節(jié)性差異，春季和秋季喬灌草結(jié)構(gòu)的植物群落降溫增濕效益最為顯著，而夏季喬草結(jié)構(gòu)的群落降溫效益最明顯，喬木群落的增濕效益最好;綠量與降溫增濕強(qiáng)度均為正相關(guān)關(guān)系，春季和夏季綠量與降溫強(qiáng)度具有顯著或極顯著差異;綠量主要影響降溫強(qiáng)度，對增濕強(qiáng)度的影響較小。

關(guān)鍵詞：植物群落，溫濕度調(diào)節(jié)，群落結(jié)構(gòu)，綠量

目前已有較多對城市綠地溫濕度調(diào)節(jié)機(jī)制的影響研究，切入點(diǎn)有下墊面類型、空間形態(tài)、斑塊形狀等;另外具體針對植物的降溫增濕效益，也有從單個植物種類、群落結(jié)構(gòu)類型、群落結(jié)構(gòu)因子等方面進(jìn)行的深入研究[1-7]。但是現(xiàn)階段的研究大多集中在夏季，此時植物群落降溫增濕效應(yīng)最為顯著，但是卻較少涉及其他季節(jié)植物群落的溫濕度調(diào)節(jié)效應(yīng)。

綠量的概念在1994年首次提出，與二維指標(biāo)相比，綠量能夠更確切地反映綠地植物空間構(gòu)成的合理性以及綠地系統(tǒng)所發(fā)揮的生態(tài)效益[8]。但是目前針對特定生態(tài)環(huán)境下植物群落綠量與降溫增濕效益的關(guān)系研究還比較少。本文以典型的城市帶狀綠地——南京濱江公園為例，在春夏秋三個季節(jié)選擇不同結(jié)構(gòu)類型的植物群落樣地，估算其整體綠量，并將其與測定的降溫增濕數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，探究植物群落綠量對降溫增濕作用的影響。運(yùn)用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)和分析方法，將植物群落的降溫增濕效益進(jìn)一步可控化，以期對新時代背景下的城市綠地建設(shè)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南京濱江公園位于南京市建鄴區(qū)河西新城，毗鄰長江夾江，占地面積近200hm²，是典型的城市帶狀綠地。作為南京濱江風(fēng)光帶的重要組成部分，目前已建設(shè)成為集娛樂、生態(tài)、科普、健身為一體的全新的城市公園。

1.2 樣地選擇

按照群落類型的不同，在公園內(nèi)選擇了3組共18個樣地（表1），每組6個樣地，分別為單層植被群落：草坪地被（專指草坪草）、灌木（低于1.8m）、喬木。雙層植被群落：草坪+喬木。復(fù)層植被群落：草坪+灌木+喬木;以及硬質(zhì)無蔭蔽對照點(diǎn)。所選樣地是以5 m為半徑的圓形區(qū)域，測量時站在樣地中心進(jìn)行。

1.3 測量內(nèi)容及方法

本實(shí)驗(yàn)在春夏秋三季對植物群落的降溫增濕效益進(jìn)行測定。測量日期選在2016年5月11日和12日、7月25日和26日，以及11月13日。使用Kestrel 4000手持式移動氣象站，每天9：00-13：00，每小時測一次所有樣地距離地面1.5m處的空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。每次讀取3組數(shù)據(jù)，最終計(jì)算平均值進(jìn)行比較。另外記錄每個樣地的植物種類以及胸徑、高度、冠幅等數(shù)據(jù)用于計(jì)算植物綠量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實(shí)測的氣象數(shù)據(jù)，在分析中利用相對值進(jìn)行比較，避免因天氣原因造成的誤差。選取降溫強(qiáng)度T_p和增濕強(qiáng)度H_p為實(shí)際比較用值，具體計(jì)算方法如下：

其中T_ci是第i時刻的對照溫度（℃），T_i為第i時刻樣地的溫度（℃）。

其中H，是第i時刻的對照濕度（%），Hi為第i時刻樣地的相對濕度（%）。

另外使用SPSS22.0軟件的顯著性差異分析功能，計(jì)算每個樣地與對照點(diǎn)相比降溫增濕強(qiáng)度的顯著性。

綠量指標(biāo)的測算主要集中在三維綠色空間體積、葉面積總量和葉面積指數(shù)3大指標(biāo)。本文中選取三維綠色空間體積為綠量指標(biāo)，其中，喬木和大灌木的三維綠量以樹冠體積公式來計(jì)算，參考郭雪艷等[9-10]對樹冠體積和冠幅的回歸方程的研究結(jié)果，再通過實(shí)測獲得冠幅數(shù)據(jù)，從而根據(jù)回歸方程計(jì)算樹冠體積。對于文獻(xiàn)中尚未涉及的物種，則根據(jù)植物形態(tài)、種屬、個體大小等，取其近似種的回歸方程。灌木球的三維綠量計(jì)算方法參考球的體積計(jì)算公式。草本的三維綠量以其所占空間體積來計(jì)算，即覆蓋面積乘以平均株高。不同植物的具體計(jì)算公式略，通過估算得出各樣地植物群落的總體綠量見表2。

2 結(jié)果

2.1 不同季節(jié)植物群落的溫濕度差異

對春夏秋三季各類型植物群落樣地的溫濕度與對照點(diǎn)之間進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。空氣溫度方面，春季組1和組2數(shù)據(jù)中，除灌木單層型外，其余樣地均為極顯著差異，而組3樣地只有灌木單層型為極顯著差異。夏季的組1和組2數(shù)據(jù)均為極顯著差異，組3數(shù)據(jù)除了草本單層型和灌木單層型，其余各點(diǎn)與對照點(diǎn)相比均有顯著或極顯著差異。秋季數(shù)據(jù)只有組1的喬木單層型與對照點(diǎn)相比有極顯著差異，其余各點(diǎn)均無顯著性差異。

相對濕度方面，春季組1樣地中除了灌木單層型，其余各點(diǎn)均有顯著或極顯著差異;組2樣地均為極顯著差異;組3樣地中只有草本單層型和喬灌草復(fù)層型為顯著或極顯著差異。夏季組1樣地除了草本單層型，其余樣地與對照點(diǎn)相比均有顯著或極顯著差異;組2樣地均為極顯著差異;組3樣地草本單層型和喬木單層型為顯著或極顯差異。秋季組1樣地除了喬灌草復(fù)層型，其余各點(diǎn)均有顯著或極顯著差異;組2樣地除了草本單層型和喬草復(fù)層型，其余各點(diǎn)均有顯著或極顯著差異;組3樣地均為極顯著差異。

2.2 不同群落結(jié)構(gòu)樣地的降溫增濕強(qiáng)度比較

將各季節(jié)不同群落結(jié)構(gòu)樣地的降溫增濕強(qiáng)度平均值進(jìn)行比較，可以得出：春季灌木單層型不具有降溫效益，除此之外，各植物群落均具有不同程度的降溫增濕效益（圖1），降溫強(qiáng)度從大到小排序?yàn)閱坦嗖?喬草>草本>喬木;增濕效果從大到小排序?yàn)閱坦嗖?草本>喬草>灌木>喬木。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，降溫強(qiáng)度方面，草本單層型與喬灌草復(fù)層型、喬草雙層型與喬灌草復(fù)層型之間具有顯著性差異;增濕強(qiáng)度方面，喬草雙層型與喬灌草復(fù)層型之間有顯著性差異。

夏季植物群落都表現(xiàn)出降溫增濕作用（圖2），其中喬草結(jié)構(gòu)的降溫強(qiáng)度最大，其次是喬灌草、喬木和草本，灌木結(jié)構(gòu)最小。增濕強(qiáng)度方面，喬木樣地最高，其次分別為喬灌草、草本和和灌木，喬草結(jié)構(gòu)最小。顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果表明：在降溫強(qiáng)度方面，單層型結(jié)構(gòu)的群落（草本、灌木、喬木）與多層型結(jié)構(gòu)的群落（喬草和喬灌草）之間都具有顯著性差異;而增濕強(qiáng)度方面，單層型群落中的草本和灌木與多層型結(jié)構(gòu)的群落（喬草和喬灌草）之間具有顯著性差異。

秋季喬木單層型群落降溫增濕強(qiáng)度最高（圖3）。其中灌木樣地的降溫強(qiáng)度為負(fù)值，其余各群落降溫強(qiáng)度排序?yàn)閱棠?喬灌草>草本>喬草;增濕作用方面，同樣是喬木群落最高，其次是灌木、喬灌草和草本，喬草的增濕強(qiáng)度最小。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為：降溫強(qiáng)度方面，灌木單層型和喬草雙層型、喬草雙層型和喬灌草復(fù)層型之間具有顯著性差異;增濕強(qiáng)度方面，喬木單層型與喬草雙層型之間具有顯著性差異。

2.3 植物群落綠量與降溫增濕強(qiáng)度的回歸性分析

將各樣地的綠量與各季節(jié)降溫增濕強(qiáng)度分別進(jìn)行線性回歸分析，得出回歸方程以及調(diào)整后的R²值見表40其中降溫強(qiáng)度用T_p表示，增濕強(qiáng)度為T_p表示，綠量用字母g表示，降溫強(qiáng)度和增濕強(qiáng)度的單位是%，綠量的單位是襯。

回歸方程中綠量的系數(shù)均為正值，說明綠量與降溫增濕強(qiáng)度均為正相關(guān)關(guān)系。夏季綠量與降溫強(qiáng)度的回歸方程表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，且調(diào)整后R²值為0.577;春季綠量與降溫強(qiáng)度的回歸方程為顯著相關(guān)，調(diào)整后R²值為0.180;秋季綠量與降溫強(qiáng)度沒有顯著相關(guān)性。同時春夏秋三季增濕強(qiáng)度與綠量之間均無顯著相關(guān)性，且R²值都比較小。結(jié)果表明春夏季降溫強(qiáng)度與綠量具有顯著的回歸相關(guān)性，其中綠量對夏季降溫強(qiáng)度影響更大，同時說明綠量是植物群落溫濕度調(diào)節(jié)機(jī)制的影響因子之一，且在不同季節(jié)其影響機(jī)制不同。

3 討論

3.1 植物群落溫濕度調(diào)節(jié)能力的季節(jié)性差異

由數(shù)據(jù)分析可知，植物群落的降溫增濕效應(yīng)具有明顯的季節(jié)性差異，與對照點(diǎn)相比，夏季植物群落的溫濕度調(diào)節(jié)能力最為顯著，春季的溫濕度調(diào)節(jié)能力較弱，秋季植物群落對溫度的調(diào)節(jié)能力最小，但對濕度的調(diào)節(jié)能力比較明顯。這可能是因?yàn)槟暇┫募緶囟雀咔覞穸却?，植物群落的降溫增濕效?yīng)主要是因?yàn)橹参锕趯訉μ栞椛涞恼趽踝饔煤腿~片的蒸騰作用[11]。外部環(huán)境溫度較高時，葉片內(nèi)外的溫差大，這會導(dǎo)致葉片氣孔的蒸騰速率增加[12-13]，進(jìn)一步提高其降溫增濕效應(yīng)。所以一般情況下，夏季植物群落的降溫增濕效應(yīng)要比其他季節(jié)更明顯。這也與多數(shù)研究的結(jié)果相符。

3.2 群落結(jié)構(gòu)對降溫增濕能力的影響

在不同結(jié)構(gòu)群落的溫濕度調(diào)節(jié)能力方面，春季和秋季喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)的植物群落降溫增濕效益最為顯著，而夏季喬草雙層型結(jié)構(gòu)的群落降溫效益最明顯，喬木單層型群落的增濕效益最好;單層、雙層以及復(fù)層群落結(jié)構(gòu)之間的降溫增濕強(qiáng)度具有顯著性差異，說明群落結(jié)構(gòu)確實(shí)是降溫增濕強(qiáng)度的影響因子之一。夏季群落的降溫增濕情況與春秋季相比出現(xiàn)了反常情況，喬草結(jié)構(gòu)的群落降溫強(qiáng)度最高而增濕強(qiáng)度卻最低，喬木的增濕強(qiáng)度最大。植物群落主要通過冠層結(jié)構(gòu)吸收、反射和遮擋太陽輻射，使到達(dá)地面及樹冠下面的太陽輻射顯著減少，從而調(diào)節(jié)林下溫度[14]。濕度的增加主要是由于葉片的蒸騰作用，另外濕度還會受土壤含水量、灌溉時間、土壤蒸發(fā)、地被植物蓋度以及風(fēng)速等因素影響[15]。所以出現(xiàn)反常的原因可能是南京夏季為高溫高濕天氣，喬灌草結(jié)構(gòu)的群落本身郁閉度較高，四周的圍合度也比較高，空氣流通不暢，高溫高濕的環(huán)境會使群落中心更加悶熱，而喬草結(jié)構(gòu)的群落上方有喬木遮陰，中層空間通透，有利于風(fēng)的穿行，從而達(dá)到更好的降溫效果，而且風(fēng)的穿行也會帶走一部分水汽，降低相對濕度。這種情況反而會在夏季悶熱潮濕的天氣情況下為人們創(chuàng)造更好的舒適度體驗(yàn)。因此良好的生態(tài)環(huán)境不能單純考慮氣候數(shù)據(jù)，還要考慮使用者的舒適度體驗(yàn)，兩者結(jié)合才能更好的實(shí)現(xiàn)氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的要求。

3.3 綠量對群落降溫增濕能力的影響

從結(jié)果來看，綠量與降溫增濕強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，且綠量主要影響降溫強(qiáng)度。但調(diào)整后R2值比較小，說明綠量并不是影響降溫增濕效益的唯一因素，還可能取決于群落的結(jié)構(gòu)因子如郁閉度、圍合度等以及其他外部因素。因此，在提高植物群落降溫增濕作用時，可以考慮將綠量和群落因子以及其他因素進(jìn)行綜合配置，使植物群落產(chǎn)生更高的生態(tài)效益。由于本文所選的綠量指標(biāo)為三維綠色空間體積，與葉面積指數(shù)、葉面積總量等指標(biāo)有一定差異，所以結(jié)果與以往研究中的結(jié)論有所不同，其本質(zhì)上的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

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