北京城市森林冠層結(jié)構(gòu)對夏季舒適度及林內(nèi)小氣候的影響

劉海軒, 盧澤洋, 金桂香, 孫廣鵬, 吳 鞠, 許麗娟, 徐程揚(yáng)

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；2.國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714)

城市森林具有降溫、阻隔污染顆粒物[1-2]及產(chǎn)生負(fù)氧離子、植物精氣[3-4]等功能，使得城市公園及城市森林公園成為市民夏季休閑游憩的理想選擇.因此，開展對城市森林舒適度的研究具有十分重要的意義.

舒適度與林分結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)[5-6].林分結(jié)構(gòu)通過影響城市森林降溫增濕效應(yīng)[7]調(diào)節(jié)林內(nèi)空氣溫度、濕度和風(fēng)速，進(jìn)而影響人體在林中的舒適度[8-9]，例如，隨葉面積指數(shù)(LAI)的增加，城市森林降溫強(qiáng)度顯著增強(qiáng)[7,10]；NDVI每增加0.1個(gè)單位，地面溫度會降低0.44～9.9 ℃不等[11-12].而冠層結(jié)構(gòu)通過影響林內(nèi)小氣候調(diào)節(jié)林內(nèi)舒適度的機(jī)制尚無系統(tǒng)研究.本研究以溫度、濕度、風(fēng)速等氣象條件的變化為基礎(chǔ)分析冠層結(jié)構(gòu)對城市森林夏季舒適度的影響，為城市森林夏季舒適評價(jià)及優(yōu)化城市森林結(jié)構(gòu)提供理論支撐.

1 研究方法

1.1 樣地布設(shè)

為了涵蓋北京市城市公園及森林公園主要林分類型并便于調(diào)查，在北京市區(qū)內(nèi)選取朝陽公園、海淀公園、奧體公園、龍?zhí)豆珗@、樹村公園、元大都遺址公園、八家郊野公園、奧林匹克森林公園等典型城市公園及城市森林公園為研究區(qū)域，在園內(nèi)選取以喬木為主并能為游人提供游憩空間的典型闊葉林分布設(shè)20 m×20 m的樣方，并在距林緣20 m處的林外空地設(shè)置對照點(diǎn)，試驗(yàn)共設(shè)置1 444個(gè)樣方.按照胸徑大小范圍，各樣方分布情況如表1所示.

表1 樣方基本信息Table 1 Basic information of the samples

1.2 冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)選擇及數(shù)據(jù)獲取

參考前人研究結(jié)果[7,11,13]，本研究選取葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)、平均葉傾角(mean tilt angle, MTA)、冠層厚度(canopy thickness, CTH)、冠下高(height of canopy bottom, HCB)、冠高比(ratio of canopy thickness to tree height, RCT)和冠層通透度(the permeability of the canopy, PC)等6個(gè)冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)，基本可以代表冠層在水平和垂直方向上的結(jié)構(gòu)特征.其中，葉面積指數(shù)和平均葉傾角采用LAI-2200型冠層分析儀(Li-cor, USA)直接測定；冠高比為冠層厚度與平均樹高的比值；冠層通透度為林內(nèi)平均照度和林外照度的比值，PC值越小，代表林冠層透光程度越低.

于2013—2016年的7—8月，選擇無風(fēng)或風(fēng)力小于3級的典型晴天，對樣方林分基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，包括樹高、胸徑、冠幅、第一活枝下高、葉面積指數(shù)、平均葉傾角等.采用kestrel4000(Kestrel, USA，溫度精度±1.0 ℃，濕度精度±3%，風(fēng)速精度±3%)記錄林內(nèi)外空氣溫、濕度和風(fēng)速，為了充分研究林分對舒適度的影響，根據(jù)之前研究的經(jīng)驗(yàn)[7]選擇一天中較熱且容易造成不舒適的時(shí)段(10∶00—16∶00)對氣象因子進(jìn)行采集，每個(gè)樣方采集時(shí)間30 min，采用照度計(jì)(HT-8318)測定林內(nèi)外光照條件(其中測得照度的樣方共558個(gè)).

1.3 舒適指數(shù)和氣象指標(biāo)計(jì)算

本研究選取群落舒適度評價(jià)指標(biāo)—綜合舒適度指標(biāo)[14]，反映城市森林林內(nèi)外舒適狀態(tài)， 符號為S，S值越小，代表舒適度越高，計(jì)算公式為：

S=0.6×(|T-24|)+0.07×(|RH-70|)+0.5×(|v-2|)

(1)

式中，S為綜合舒適度指標(biāo)，無量綱，T為平均氣溫(℃)，RH為空氣相對濕度(%)，v是平均風(fēng)速(m·s-1).

為排除林外環(huán)境的影響，計(jì)算舒適度、溫度、濕度和風(fēng)速的變化強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中風(fēng)速等于0的樣方不參與風(fēng)速與結(jié)構(gòu)關(guān)系的分析.公式如下:

dS=(S1-S2)/S2

(2)

dT=(T1-T2)/T2

(3)

dRH=(RH1-RH2)/RH2

(4)

dv=(v1-v2)/v2

(5)

式中，dS為舒適度變化強(qiáng)度，無量綱，S1為林內(nèi)舒適度，S2為林外舒適度；dT為溫度變化強(qiáng)度，無量綱，T1為林內(nèi)空氣溫度(℃)，T2為林外空氣溫度(℃)；dRH為相對濕度變化強(qiáng)度，無量綱，RH1為林內(nèi)相對空氣濕度(%)， RH2為林外相對空氣濕度(%)；dv為風(fēng)速變化強(qiáng)度，無量綱，v1為林內(nèi)風(fēng)速(m·s-1)，v2為林外風(fēng)速(m·s-1).

1.4 數(shù)據(jù)處理

為了縮小數(shù)據(jù)的絕對值并便于計(jì)算，所有冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)取對數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析:

dCS= log(CS+1)

(6)

式中，CS代表各冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo).使用SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析、多重比較，用Excel 2007軟件繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 與舒適度及氣象指標(biāo)相關(guān)的冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)篩選

dS與dLAI存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與dPC存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與dRCT存在顯著正相關(guān)關(guān)系(表2).結(jié)果表明，較高的LAI以及較低的RCT和PC有利于增加城市森林舒適度.首先，較高的LAI使冠層茂密并具有較高的蒸騰能力，通過阻礙垂直方向的太陽輻射并帶走大量潛熱來提高舒適度；其次，CTH和HCB與dS的變化無顯著相關(guān)關(guān)系而RCT與dS有顯著正相關(guān)關(guān)系，說明RCT提高舒適度的效應(yīng)是由冠層厚度和林下空間的制衡關(guān)系決定，本研究中樹冠的平均厚度大于6 m(表1)，且較低的RCT說明樣方內(nèi)林下空間占樹高的比例相對較高，這就使林分既有較強(qiáng)的蒸騰能力又增加了水平方向上的通風(fēng)能力，因此，較低的RCT有利于提高人體舒適度；最后，PC與dS存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，較低的PC說明林分透光程度低，通過阻隔垂直方向上的太陽輻射直接減緩林下空間顯熱的增加，從而提高林分舒適度.

表2 舒適度與冠層結(jié)構(gòu)的關(guān)系Table 2 Correlation between comfort and canopy structure

選取與舒適度變化強(qiáng)度相關(guān)性較高的LAI、RCT和PC等3個(gè)冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)一步分析冠層結(jié)構(gòu)與氣象指標(biāo)之間的關(guān)系(表3)，以便有針對性地調(diào)整城市森林結(jié)構(gòu).dLAI與dT極顯著負(fù)相關(guān)，與dRH極顯著正相關(guān)，與dv顯著負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)殡S著LAI增加，林分蒸騰能力增大，一方面增加空氣濕度一方面通過帶走大量潛熱降低空氣溫度；dRCT與dRH和dv極顯著負(fù)相關(guān)，與dT極顯著正相關(guān)，可能的原因是，本研究中低RCT是由較高林下空間比例引起的，增加了林分在水平方向上通風(fēng)透光的能力，而增大空氣流通和增加光照在一定程度上能促進(jìn)冠層的蒸騰作用，使空氣溫度降低而空氣濕度增大；dPC與dT極顯著正相關(guān)，原因是冠層阻隔了垂直方向上的太陽輻射，直接降低了林內(nèi)的顯熱通量而降低溫度.

表3 冠層結(jié)構(gòu)與氣象指標(biāo)的關(guān)系Table 3 Correlation between canopy structure and meteorological indicators

表4 冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Grading standard for canopy structure indices

為便于統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)實(shí)測的1 444個(gè)樣方冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)的取值范圍將取對數(shù)后的各冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)平均分成4組(表4).

2.2 冠層結(jié)構(gòu)對城市森林空氣溫度的影響

dLAI對dT有顯著影響，dRCT和dPC對dT有極顯著影響；dLAI和dRCT、dPC和dRCT對dT有極顯著的交互作用(表5).從圖1可知，dT隨dLAI的增加呈現(xiàn)降低的趨勢；dT隨RCT的增加呈現(xiàn)升高的趨勢；dT隨PC的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢.通過多重比較分析，dLAI等級大于3即LAI大于1.52時(shí)，林內(nèi)空氣溫度顯著降低；dRCT等級小于3即RCT小于0.58時(shí)，林內(nèi)空氣溫度顯著降低；dPC等級小于4即PC小于30%時(shí)，林內(nèi)空氣溫度顯著降低.除dRCT等級為1外，dLAI一定，dT隨dRCT的增加呈波動變化的趨勢，dRCT一定，隨著dLAI增大，dT總體呈現(xiàn)降低的趨勢(圖2).除dRCT等級為2外，dRCT一定，dT隨dPC的增大呈現(xiàn)升高或先降低后升高的趨勢，dPC一定，dT隨dRCT的增加呈現(xiàn)波動變化的趨勢(圖3).dRCT等級為1時(shí)，dT隨dLAI的變化無明顯變化規(guī)律，可能的原因?yàn)椋珊窆趯雍透邩涔趯?dǎo)致的低RCT，使冠層的生態(tài)場對林下的影響力降低且易受外界干擾[15].

表5 冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)對各氣象指標(biāo)差異顯著性分析Table 5 Effects of canopy structure on dT, dRH and dv

不同小寫字母表示不同等級間的差異顯著(P<0.05).圖1 dT隨冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)的變化Fig.1 Change of dT along canopy structure

圖2 dT隨LAI和RCT的變化Fig.2 Change of dT along LAI and RCT

2.3 冠層結(jié)構(gòu)對城市森林相對濕度的影響

dLAI和dRCT對dRH有極顯著的影響，并且存在極顯著的交互作用(表5).由圖4可知，dRH隨著dLAI的增大呈現(xiàn)升高的趨勢；隨dRCT的增大，dRH降低.通過多重比較，dLAI等級小于4即LAI小于2.92時(shí)，林下空氣濕度顯著降低；dRCT等級大于1即RCT大于0.50時(shí)，林下空氣濕度顯著降低.dLAI一定，dRH隨dRCT的增加總體呈現(xiàn)降低趨勢；dRCT一定，dRH隨dLAI的增加總體呈現(xiàn)升高趨勢(圖5).

不同小寫字母表示不同等級間的差異顯著(P<0.05).圖4 dRH隨冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)的變化Fig.4 Change of dRH along canopy structure

2.4 冠層結(jié)構(gòu)對林內(nèi)風(fēng)速的影響

圖5 dRH隨LAI和RCT的變化Fig.5 Change of dRH along LAI and RCT

dLAI和dRCT對dv有極顯著的影響，并且對dv有顯著的交互作用(表5).由圖6可知，除dLAI等級1外，隨著dLAI的增加，dv存在降低的趨勢；除dRCT等級1外，隨dRCT的增加，dv存在降低的趨勢.通過多重比較，dLAI等級小于4即LAI小于2.92時(shí)，林下風(fēng)速顯著增加；dRCT等級小于4即RCT小于0.68時(shí)，林下風(fēng)速顯著增加.

由圖7可知，除dRCT等級為1外，dLAI一定，dv隨dRCT的增加存在降低的趨勢；dRCT一定，dv隨dLAI的增加呈現(xiàn)降低的趨勢.dRCT等級為1時(shí)，dv隨dLAI的變化無明顯變化規(guī)律，dRCT等級為1時(shí)的dv與其他等級下的dv均無明顯差異(圖6B)，可能原因是較低的冠高比使林下空間易受外界環(huán)境干擾，冠層結(jié)構(gòu)對風(fēng)速影響較小，因而風(fēng)速波動較大.

不同小寫字母表示不同等級間的差異顯著(P<0.05).圖6 dv隨冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)的變化Fig.6 Change of dv along canopy structure

3 討論

3.1 冠層結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)

圖7 dv隨LAI和RCT的變化Fig.7 Change of dv along LAI and RCT

提高舒適的溫度效應(yīng)主要受LAI、RCT和PC三個(gè)冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)的影響.LAI通過影響冠層的蒸騰作用和遮蔭效果影響溫度[7]；PC對溫度的影響主要來自對太陽輻射的阻隔作用，降低了林內(nèi)顯熱的增加量；RCT對溫度的影響來自多方面，低RCT有利于通風(fēng)透光，在高溫高濕天氣下，適當(dāng)通風(fēng)一定程度上利于蒸騰作用，良好的通風(fēng)條件和蒸騰效應(yīng)相輔相成，使得較低RCT有利于降低林下空氣溫度，但過低的RCT由于受環(huán)境干擾大而不利于降溫.

3.2 冠層結(jié)構(gòu)的濕度效應(yīng)

冠層結(jié)構(gòu)增加林下舒適的濕度效應(yīng)主要由RCT和LAI決定，LAI與相對濕度變化的相關(guān)性大于RCT.

LAI和RCT的增濕效應(yīng)出自對冠層蒸騰作用的影響.LAI增加，冠層蒸騰作用增強(qiáng)；較低的RCT增加冠層的通風(fēng)透光效果，而在高溫高濕天氣下，一定程度的通風(fēng)透光都有利于蒸騰作用.因此在北京城市森林內(nèi)，較大的LAI和較低的RCT都有增濕效果，但在高溫高濕天氣下，增加濕度不利于人體舒適.

3.3 冠層結(jié)構(gòu)的風(fēng)速效應(yīng)

總體來看與舒適相關(guān)的冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)對風(fēng)的影響力最小，原因是風(fēng)速主要受大環(huán)境影響，大面積綠地與周圍環(huán)境空間相互作用產(chǎn)生局部風(fēng)[15]，而在樣方水平上，由林分布局或結(jié)構(gòu)的不同對風(fēng)速帶來的影響較小，甚至?xí)艿江h(huán)境風(fēng)的干擾.本研究中，LAI和RCT與風(fēng)速有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明較低的LAI和RCT通風(fēng)效果好，對風(fēng)有增強(qiáng)效應(yīng)，風(fēng)的存在又加強(qiáng)林分的降溫效應(yīng)，二者相互影響.極小的風(fēng)速都會對降溫效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響[7].

3.4 冠層結(jié)構(gòu)對舒適度的影響機(jī)制

LAI和RCT增加既降低空氣溫度又增加了相對濕度，在高溫高濕天氣下，增濕效應(yīng)不利于增加林下舒適度，因此本研究中，LAI和RCT與舒適度的相關(guān)系數(shù)并不高.LAI和RCT既影響溫度又影響濕度和風(fēng)速，但結(jié)構(gòu)與舒適的變化趨勢和結(jié)構(gòu)與溫度變化趨勢一致，說明結(jié)構(gòu)對空氣溫度的影響在舒適度變化中起主要作用.

PC通過調(diào)節(jié)林內(nèi)溫度影響林內(nèi)舒適度，PC值越小，冠層阻隔太陽輻射的能力越強(qiáng)，進(jìn)而降低林內(nèi)顯熱通量而增加舒適度.

現(xiàn)有研究表明結(jié)構(gòu)對舒適度的解釋程度在20%～30%左右，普遍較低[9]，對單一冠層指標(biāo)與舒適度的關(guān)系研究只是本研究的開端，那么復(fù)雜結(jié)構(gòu)林分中人體舒適度是否由多種結(jié)構(gòu)因素共同影響、哪些結(jié)構(gòu)指標(biāo)是影響林內(nèi)舒適的主導(dǎo)因素仍是懸而未決的問題.對于如何構(gòu)建對林內(nèi)舒適度解釋程度較高的綜合冠層結(jié)構(gòu)指數(shù)，還有待進(jìn)一步研究.

3.5 城市森林舒適指數(shù)

目前戶外舒適度的表達(dá)方式有多種.有的研究直接用多個(gè)氣象指標(biāo)綜合描述舒適度，如空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速等[16]，這種方法最直觀，但是指標(biāo)較多且繁瑣；科學(xué)研究中應(yīng)用最廣的為不舒適指數(shù)(dscomfort index, DI)；還有的研究引入了太陽輻射和氣壓[17].目前，針對城市公園和森林公園的森林舒適度尚無公認(rèn)的度量標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的綜合舒適指數(shù)S是唯一針對群落的人體舒適指數(shù)[14].適合評價(jià)城市森林舒適度的舒適指數(shù)尚需進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

(1)城市森林可顯著增加林內(nèi)夏季舒適度，LAI、RCT和PC是影響舒適度的主要冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)，較高的LAI和較低的RCT、PC有利于提高城市森林舒適度.

(2)冠層結(jié)構(gòu)通過影響空氣溫度、相對濕度和風(fēng)速調(diào)節(jié)林下舒適度.冠層結(jié)構(gòu)對森林舒適度的影響主要來自林分的降溫效應(yīng)，而降溫效應(yīng)受LAI、RCT和PC影響；冠層結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)舒適度的濕度效應(yīng)來自LAI和RCT；冠層結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)舒適度的風(fēng)速效應(yīng)受LAI和RCT影響.