森林公園林分結(jié)構(gòu)特征對空間熱環(huán)境的影響

趙秋月, 余坤勇, 項 佳, 林麗麗, 黃 河, 謝巧雅, 劉 健,3

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建 福州 350002；2.3S技術(shù)與資源優(yōu)化利用福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實驗室，福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

城市化進(jìn)程的加快以及城市的迅速發(fā)展帶來了城市生態(tài)環(huán)境惡化、城市熱島效應(yīng)等一系列問題，嚴(yán)重影響了城市居民的正常生活[1-2].森林公園作為人們消暑、游憩地點(diǎn)，能夠通過降溫有效緩解熱島效應(yīng)[3-6].研究表明樹冠能夠吸收和反射太陽輻射，降低其空間溫度[7]，大面積森林綠地能夠改變城市下墊面性質(zhì)，并且形成低溫中心，從而分隔熱島效應(yīng)并限制其擴(kuò)散.然而城市用地有限，如何將有限的土地發(fā)揮最大作用，是目前城市建設(shè)亟需思考的問題.研究[6,8-9]表明森林植物群落內(nèi)部結(jié)構(gòu)對空間熱環(huán)境有重要影響.目前國內(nèi)外學(xué)者對不同群落類型[10-11]、不同群落結(jié)構(gòu)[12-13]、不同樹種[14]等非空間結(jié)構(gòu)與熱環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明林分非空間結(jié)構(gòu)因子對空間熱環(huán)境有較大影響.林分空間結(jié)構(gòu)特征因子主要是基于相鄰木關(guān)系的角度，反映植物群落林木的空間位置屬性及其排列的空間關(guān)系.林分空間結(jié)構(gòu)特征可通過林木之間的空間關(guān)系影響空間溫度.

本文以三明市金絲灣森林公園作為研究對象，通過小氣候儀檢測及實地采樣，獲取標(biāo)準(zhǔn)地林分非空間結(jié)構(gòu)特征、空間結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)及溫度數(shù)據(jù)，探討森林林分非空間結(jié)構(gòu)特征及空間特征與空間熱環(huán)境之間的關(guān)系，為合理、有效規(guī)劃植物分布，發(fā)揮其熱環(huán)境調(diào)節(jié)功能提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

三明市位于福建省中西北部，地處沿海低緯度區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均日照時數(shù)可達(dá)1 727.1～1 897.5 h，氣溫高，年最熱月份為7、8月份；且氣溫比較穩(wěn)定，平均氣溫為27～28 ℃.研究區(qū)位于福建省三明市北部(117°33′9″—117°37′19″E，26°18′32″—26°20′44″N)陳大國有林場內(nèi)部，距離市區(qū)約12 km，是省級森林公園，面積達(dá)151.7 km2；植被豐富，植被覆蓋達(dá)80%以上，已鑒定的木本植物計96科320屬500余種，林分結(jié)構(gòu)特征較為典型[15].

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)定及數(shù)據(jù)采集

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)定 在三明金絲灣森林公園設(shè)定11個標(biāo)準(zhǔn)地(圖1、2)，均位于陽坡，坡度小于30°，面積為20 m×20 m，標(biāo)準(zhǔn)地間距大于200 m；標(biāo)準(zhǔn)地選擇混交林，且平均樹齡一致；設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)地距離道路20 m，以消除道路及行人對其空間熱環(huán)境的影響；選定的標(biāo)準(zhǔn)地林分非空間結(jié)構(gòu)特征與空間結(jié)構(gòu)特征具有多樣性.

圖1 三明金絲灣森林公園Fig.1 Sanming Golden Bay Forest Park

2.1.2 數(shù)據(jù)采集 鑒于研究區(qū)年氣溫最高月份為8月，因此在8月份采集數(shù)據(jù).為保證采集數(shù)據(jù)的可靠性選擇晴朗無風(fēng)或風(fēng)力小于2級的天氣進(jìn)行試驗，避開極端天氣.采用小氣候儀(Kestrel 4500，深圳市中建工科技有限公司提供)從樣地中心測空氣溫度.由于溫度在12：00左右比較穩(wěn)定，因此選擇在11:30—12:30測定，每隔10 min測1次，每個樣地測5次，每次持續(xù)2 min，取平均值.在樣地內(nèi)通過每木檢尺對樹高、枝下高、胸徑、郁閉度進(jìn)行測量.

2.2 林分非空間結(jié)構(gòu)特征及林分空間結(jié)構(gòu)因子的計算

2.2.1 林分非空間結(jié)構(gòu)特征因子 目前研究的林分非空間結(jié)構(gòu)特征因子分別為喬木數(shù)量(X1)、植株密度(X2)、郁閉度(X3)、胸徑(X4)、樹高(X5)、枝下高(X6)及林分胸高斷面積(X7)，本研究將其作為影響空間熱環(huán)境的影響因子[3].植株密度為標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)單位面積樹木植株個數(shù)；郁閉度為標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)喬木冠幅的垂直投影占標(biāo)準(zhǔn)地面積的比例；枝下高為從地面到樹木第1層分枝點(diǎn)的高度；林分胸高斷面積為標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)所有樹木離地面高1.3 m的斷面積之和與標(biāo)準(zhǔn)地面積的比值.

(1)

(2)

(3)

式中，N表示標(biāo)準(zhǔn)地中某一樹種株數(shù)；S表示標(biāo)準(zhǔn)地面積，單位m2；DBHi表示標(biāo)準(zhǔn)地中某一樹木的胸徑，單位cm.

2.2.2 林分空間特征因子 林分空間特征因子主要是基于相鄰木關(guān)系，反映植物群落林木在水平和垂直方向上的空間位置屬性及其排列的空間關(guān)系.目前描述林分空間結(jié)構(gòu)的參數(shù)體系主要包括林分位置、林分混交、林木空間分布、垂直分層等.基于相鄰木關(guān)系的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)很好地描述了林分空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用[16].本研究選取開闊比(X8)、混交度(X9)、大小比數(shù)(X10)、角尺度(X11)、競爭指數(shù)(X12)5個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，作為空間熱環(huán)境影響指標(biāo).開闊比反映林木生長空間的大小[16]；混交度表示樹種空間的隔離程度[17]；大小比數(shù)表示參照樹與其相鄰木的關(guān)系[18]；角尺度主要是描述參照樹周圍相鄰木的均勻性，反映林木分布狀態(tài)情況[19]；林分競爭指數(shù)反映群落樹種間的競爭情況[20].

(4)

式中，當(dāng)參照樹i與第j株相鄰木的夾角<標(biāo)準(zhǔn)角a0時，Zij為1，否則為0；n為相鄰木株數(shù).

(5)

式中，當(dāng)參照樹i與第j株相鄰木為不同種時，uij為1，否則為0；n為相鄰木株數(shù).

當(dāng)n=4時，混交度取值為0、0.25、0.50、0.75和1.00，代表的林木混交程度分別是零度混交、弱度混交、中度混交、強(qiáng)度混交和極強(qiáng)度混交.

(6)

式中，當(dāng)?shù)趈株相鄰木比參照樹i大時，kij為1，否則為0；n為相鄰木株數(shù).

(7)

式中，tij為開闊情況取值，其定義為當(dāng)參照樹i與相鄰木j的水平距離大于二者樹高之差時(后者減前者)，tij=1，否則為0.

(8)

式中，CI為林分競爭指數(shù)；CIi為單木點(diǎn)競爭指數(shù)；N為林分內(nèi)林木的總株數(shù).

3 結(jié)果與分析

3.1 金絲灣森林公園林分結(jié)構(gòu)特征

由表1可知，金絲灣森林公園標(biāo)準(zhǔn)地林分結(jié)構(gòu)差異較大，其中混交度、林分胸高斷面積變化幅度最大，混交度最大值為0.8，出現(xiàn)在6號標(biāo)準(zhǔn)地；最小值僅0.08，出現(xiàn)在7號標(biāo)準(zhǔn)地；均值0.5，標(biāo)準(zhǔn)差0.24.林分胸高斷面積最大值67.50 m2·hm-2，出現(xiàn)在3號標(biāo)準(zhǔn)地；最小值僅為19.54 m2·hm-2，出現(xiàn)在9號標(biāo)準(zhǔn)地；均值46.59 m2·hm-2，標(biāo)準(zhǔn)差22.45.大小比、角尺度變化幅度最小.大小比最大值0.56，最小值0.49，均值0.51，標(biāo)準(zhǔn)差0.02.角尺度最大值0.62，最小值0.49，均值0.56，標(biāo)準(zhǔn)差0.03.郁閉度、樹高、枝下高、開闊比、種植密度、平均胸徑變化幅度較大.郁閉度均值74%，樹高均值15.36 m，胸徑均值14.97 cm，枝下高均值7.72 m，開闊比均值0.26.

表1 金絲灣森林公園林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)Table 1 Stand structure indexes of Golden Bay Forest Park

3.2 空間熱環(huán)境模型的建立

3.2.1 空間熱環(huán)境影響因子的確定 運(yùn)用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，林分非空間結(jié)構(gòu)特征中的郁閉度與空間熱環(huán)境存在極顯著相關(guān)關(guān)系，表明郁閉度對空間熱環(huán)境具有較大影響.樹高、枝下高與空間熱環(huán)境存在顯著相關(guān)關(guān)系，種植密度、胸徑和林分胸高斷面積與熱環(huán)境效應(yīng)呈非相關(guān)性.林分空間結(jié)構(gòu)特征中的開闊比、混交度與空間熱環(huán)境存在極顯著相關(guān)關(guān)系，但角尺度、大小比、競爭指數(shù)與空間熱環(huán)境呈非相關(guān)性.

表2 空間結(jié)構(gòu)與非空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)1)Table 2 Pearson coefficients between spatial and non-spatial structure indexes

1)*表示顯著相關(guān)，**表示極顯著相關(guān).

同時在空間熱環(huán)境模型運(yùn)算過程中(表3)，采用t值進(jìn)行偏相關(guān)關(guān)系檢驗，林分非空間結(jié)構(gòu)特征和林分空間結(jié)構(gòu)特征的檢驗結(jié)果為極顯著、顯著，可以確定其為對空間熱環(huán)境貢獻(xiàn)較大的因子.剔除胸徑(X2)、林分胸高斷面積(X5)、種植密度(X6)、大小比數(shù)(X9)、競爭指數(shù)(X10)、角尺度(X11)等6個貢獻(xiàn)率較低的影響因子，分別提取樹高(X1)、枝下高(X3)、郁閉度(X4)3個植物群落特征因子和混交度(X7)、開闊比(X8)2個主要林分空間結(jié)構(gòu)因子，對空間熱環(huán)境進(jìn)行分析，對空間熱環(huán)境模型的影響分別為66.25%、33.75%.表明無法通過單純增加種植密度、胸徑、林分胸高斷面積、角尺度、大小比和競爭指數(shù)來改善城市空間熱環(huán)境.

3.2.2 空間熱環(huán)境影響模型的建立 將群落內(nèi)部溫度作為因變量，以提取的林分非空間結(jié)構(gòu)特征因子和林分空間結(jié)構(gòu)特征因子作為自變量，建立多元線性回歸模型(表4)：

T=1.490X8-0.068X1+0.149X3-4.296X4+1.469X7+32.369

(9)

表3 模型檢驗1)Table 3 Model testing

1)*表示P<0.05，差異顯著；**表示P<0.01,差異極顯著.

表4 模型匯總Table 4 Model summary

圖3 樹高與溫度的關(guān)系Fig.3 The relationship between tree height and temperature

由模型可知，各影響因子對熱環(huán)境模型貢獻(xiàn)大小順序依次為郁閉度>混交度>樹高>枝下高>開闊比，同時發(fā)現(xiàn)林分空間結(jié)構(gòu)特征對熱環(huán)境的影響大小.

3.3 林分結(jié)構(gòu)特征與空間熱環(huán)境的關(guān)系

3.3.1 林分非空間結(jié)構(gòu)特征與空間熱環(huán)境的關(guān)系 從圖3～5可知，植物群落的郁閉度與空間熱環(huán)境存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，樹高、枝下高與空間熱環(huán)境存在正相關(guān)關(guān)系.郁閉度每增加0.1，空氣溫度降低0.4 ℃，說明郁閉度的增加使空氣溫度下降.而樹高每增加0.1m，溫度增加0.013 ℃；而枝下高每增加10cm，溫度增加0.017 ℃.說明樹高與枝下高的增加使空氣溫度升高，且枝下高對于溫度的影響比樹高大.

3.3.2 林分空間結(jié)構(gòu)特征與空間熱環(huán)境的關(guān)系 如圖6、7所示，植物間的混交度與空間熱環(huán)境存在顯著正相關(guān)，開闊比與空間熱環(huán)境呈負(fù)相關(guān).開闊比每增加0.1，溫度下降0.22 ℃，說明開闊比的增加可以達(dá)到降溫的效果.混交度每增加0.1，溫度增加0.19 ℃.

圖4 枝下高與溫度的關(guān)系Fig.4 The relationship between under branch height and temperature

圖6 開闊比與溫度的關(guān)系Fig.6 The relationship between open comparison and temperature

4 小結(jié)與討論

植物林分結(jié)構(gòu)特征能夠?qū)ζ渖鷳B(tài)功能產(chǎn)生重大影響.結(jié)果表明，植物林分非空間結(jié)構(gòu)特征對其空間熱環(huán)境有顯著的影響.郁閉度、樹高、枝下高3個指標(biāo)是林分非空間結(jié)構(gòu)特征中對空間熱環(huán)境的主要影響因子，其中郁閉度與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)且對溫度的調(diào)節(jié)最大，這可能是郁閉度影響光照透射率，從而降低空氣溫度.這與其它學(xué)者研究結(jié)果相同，例如，邵云昌等[3]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綠地郁閉度>66%時，綠地具有明顯的降溫作用；秦仲等[14]、Emilyetal[21]、黃良美等[22]研究表明，郁閉度與綠地降溫呈正相關(guān).任志彬等[23]、唐澤[24]對寒溫帶區(qū)域研究發(fā)現(xiàn)，郁閉度對降溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)率可達(dá)30%.本研究結(jié)果進(jìn)一步表明，在亞熱帶區(qū)域，郁閉度仍是影響空間熱環(huán)境的重要指標(biāo).除了郁閉度對空間熱環(huán)境有影響，樹高、枝下高對空間熱環(huán)境也起到了重要的作用，其中樹高與溫度呈正相關(guān).而研究[21,25]表明，樹高每增加10cm，降溫能力增強(qiáng)0.05 ℃.這是因為他們研究的是人工植物群落，且種植不久，植株都在10m以下；而本研究的植株在12m以上，且植株高，樹冠對空氣溫度的影響減弱.植物林分空間結(jié)構(gòu)特征對其空間熱環(huán)境有顯著的影響.混交度每增加0.1，溫度增加0.19 ℃.混交度表示樹種空間的隔離程度，因為不同類型樹種的相互作用對熱環(huán)境有影響.開闊比反映林木生長空間的大小，與空間熱環(huán)境呈負(fù)相關(guān).開闊比每增加0.1，溫度下降0.22 ℃，這是因為樹種開闊比越大，通風(fēng)情況越好，溫度越低.綜合以上分析，植物林分結(jié)構(gòu)特征對空間熱環(huán)境有顯著作用，森林公園建設(shè)時需考慮林分結(jié)構(gòu)特征對空間熱環(huán)境的影響.

通過對植物林分結(jié)構(gòu)特征與其氣溫?zé)岘h(huán)境分析可知，林分非空間結(jié)構(gòu)特征及林分空間結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對空間熱環(huán)境的影響占比分別為66.25%、33.75%.各林分結(jié)構(gòu)特征因子對熱環(huán)境模型貢獻(xiàn)大小順序依次為郁閉度>混交度>樹高>枝下高>開闊比.