北京奧林匹克森林公園8種植物群落的遮光作用及其影響因素

秦仲 李湛東

摘要：以北京奧林匹克森林公園內8種常見的園林植物群落為研究對象，分別對群落內部和對照點的光照強度，以及群落的葉面積指數、郁閉度、樹高、枝下高和冠幅進行了觀測。結果表明：在08：00～18：00時段，8種植物群落均可發(fā)揮明顯的遮光作用，但它們之間存在一定差異;不同群落的遮光作用日變化趨勢均呈單峰型分布，大多群落的遮光作用在11：00～14：00時達到峰值;此外，植物群落的樹高、枝下高與遮光作用呈顯著負相關，郁閉度與遮光作用呈顯著正相關。探明了城市公園中植物群落的光環(huán)境特性及其影響機制，旨在為科學構建園林植物群落和深入剖析植物群落溫濕效應的影響機制提供參考。

關鍵詞：城市公園;園林植物群落;光照強度;冠層結構

中圖分類號：TU986.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）14-0001-04

1引言

世界氣象組織2019年3月28日發(fā)布的《2018年全球氣候狀況聲明》顯示，過去一年全球變暖仍在加速，為全球帶來諸多經濟社會方面的挑戰(zhàn)。在城市園林綠地中，植物群落冠層可以反射和吸收部分光照，減少地面接收的光照強度，同時通過蒸騰作用、光合作用等生理活動將吸收的光照轉化為化學能，進而降低空氣溫度、增加相對濕度。因此，在城市公園綠地中，光照不僅是影響園林植物群落構建的主要環(huán)境因子之一，更是影響園林植物群落溫濕效應的主要因素之一。近年來，眾多學者針對植物群落內的光環(huán)境特征進行了探索。林蔭對比了不同結構類型綠地的遮光作用，在春、夏、秋三季，遮光作用從強到弱依次為喬一灌一草綠地、灌一草綠地、喬一草綠地。申超等分析了福州市不同類型城市綠地的遮光效益，認為公園綠地的遮光效益遠大于居住區(qū)、商業(yè)區(qū)等其他城市區(qū)域。晏海等研究發(fā)現(xiàn)不同植物群落及對照點的光照強度日動態(tài)均呈單峰分布，與對照點相比，植物群落的日均遮光率為61.0%～96.9%。宋子煒等也得出類似結論。Martens等認為林下光環(huán)境的變化主要由林冠高度、郁閉度及分布格局決定，其中郁閉度的影響最大。陳高娃等以校園內園林綠地為研究對象，發(fā)現(xiàn)其遮光作用與不同樹種群落冠層的幾何形狀、葉面積指數、枝下高等因素有關。此外，章麗耀和張德順在上海辰山植物園對群落內光環(huán)境特征如何影響游人行為偏好進行了研究。由此可知，現(xiàn)有研究多見于針對林地內的光環(huán)境進行分析，以及比較不同類型植物群落的遮光效果，對于城市綠地中植物群落內的光環(huán)境變化規(guī)律及其影響機制等園林應用方面的問題尚缺乏深入研究。

因此，本研究以北京奧林匹克森林公園（以下簡稱北京奧森公園）8種常見的園林植物群落為研究對象，探討8種植物群落內光照強度的日變化規(guī)律，分析樹高、枝下高、冠幅、郁閉度和葉面積指數等指標與植物群落遮光作用之間的關系，旨在為剖析園林植物群落溫濕效應的影響機制、改善城市環(huán)境中的人體舒適度提供理論依據。

2研究方法

2.1研究區(qū)概況

北京市（115°70～117°40E，39°40～41°60N）地處華北平原西北邊緣，屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，夏季高溫多雨。根據北京市氣候中心發(fā)布的數據，1961～2018年北京的年平均氣溫呈上升趨勢，大約每十年升高0.45℃。北京奧森公園（40°～40.0333°N，116.3667°～116.4000°E）位于北京城中軸線的北端，南起奧林匹克中心區(qū)，北臨清河北路的城郊防護綠地。公園總占地面積達680hm²，其中綠化面積約478hm²，水面面積67.7hm²，綠化覆蓋率達95.61%。奧森公園是京北地區(qū)最大的城市休閑公園，也是北京近年來新建城市公園的典型代表，對于日后北京其他城市公園的建設和改造具有可參考性。

2.2樣地選擇

基于對奧森公園植物資源的調查，本研究選取8個位于奧森公園的常見喬一草型單優(yōu)勢種群落作為研究樣地。樣地面積大于500m²，使得測定樣方可以位于樣地中心，距樣地四周邊緣有至少10m左右的緩沖帶。同時，所選樣地的喬木優(yōu)勢種在北京具有良好的生態(tài)適應性，處于北京城市園林綠化樹種使用頻率的前20位。在距離每個研究樣地不超過100m的空曠草坪處安置對照點，并設3個重復，該區(qū)域的栽培養(yǎng)護管理情況與所選研究樣地基本一致。研究樣地的基本情況如表1。

2.3測試指標及方法

本研究在夏季晴朗無風（風速小于2m/s）的白天時段（08：00～18：00）進行。由于光照強度的變化細節(jié)豐富，為了盡可能反映出群落內部的光環(huán)境情況，將測定樣方設置為10m×10m，按照每兩個測點之間間隔為2m，在樣方內一共均勻布置16個測點（圖1）。本研究的測試指標包括：光照強度、郁閉度、葉面積指數以及群落內植株自身結構特征（樹高、枝下高、冠幅）。

光照強度的測定。采用移動測定法，在測定樣方內的16個測點以及對照點處，于距離地面1.5m垂直高度，利用TES-1339R手持式照度計（臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司，計量單位為勒克斯（Ix），量程范圍0.011x～999900lx），待儀器讀數穩(wěn)定后分別記錄東、南、西、北4個方向的光照強度數據，取算術平均即為該測點的光照強度值。每個觀測日從08：00～18;00進行間隔為1h的連續(xù)測定。為了減少由于時間變化而造成光照強度改變的誤差，單次全部測點的測試時間控制在10min以內，具體測定順序如圖1所示。

郁閉度的測定。在每個測點處，將數碼相機固定在三腳架云臺上，使照相機鏡頭始終保持水平，向群落冠層拍照。然后，運用Adobe Photoshop CS5（Adobe Sys-tems Inc）將圖片變換為灰度雙色調，記錄直方圖中顯示的林冠范圍的像素值a，將直方圖所顯示的標準偏差值作為色彩范圍對話框中的顏色容差值，用吸管在天空影像較亮的地方單擊吸取參考顏色，分離出天空部分的影像，統(tǒng)計其像素值b。計算如下：

CD=l-b/a （1）

式（1）中：CD為郁閉度;a為林冠范圍的像素值;b為林冠范圍內天空的像素值。

葉面積指數的測定。在每個測點距離地面1.5m的垂直高度處，用cI-110植物冠層圖像分析儀（ClDBioScience，Inc.）獲取群落冠層的圖片，通過該儀器配套的分析軟件Gap-Fraction Inversion Procedure程序統(tǒng)計每個部分的天空可視區(qū)域。最后計算出葉面積指數（LAI）。

樹高、枝下高和冠幅的測定。在測定樣方內，以根據每兩個測點間隔距離（2m）畫出的方格網為參考，在坐標紙上依次標記樣方內每株喬木的種植位置，同時測量每株喬木對應的樹高、枝下高和冠幅。

2.4數據分析

為了對不同園林植物群落在不同日期的遮光作用進行分析和比較，本研究將植物群落與對照點之間的光照強度差值定義為遮光作用，計算公式如下：

遮光作用=Lsun-Lsh （2）

式（2）中：Lsun為對照點的光照強度，Lsh為群落內的光照強度。

為描述8種園林植物群落遮光作用的日變化趨勢，將同一時刻群落內所有測點的遮光作用值進行算術平均，可得到該時刻群落的遮光作用。以此類推，即可反映出遮光作用在一天中08：00～18：00之間的日變化趨勢。為探討園林植物群落遮光作用與其結構特征之間的關系，將群落的遮光作用分別與郁閉度、葉面積指數、樹高、枝下高、冠幅進行相關性分析。其中，遮光作用被定義為因變量，郁閉度、葉面積指數、樹高、枝下高和冠幅被定義為自變量。

本研究涉及的統(tǒng)計分析通過SPSS/PC+softwarepackage（version 19.0，SPSS Inc.）完成，數據處理和相關圖表制作在Microsoft Excel 2010（Microsoft Corpora-tion）中完成。

3結果與分析

3.1 不同園林植物群落遮光作用的日變化規(guī)律

由圖2可知，在08：00～18：00之間，由于植物群落冠層對太陽輻射的遮擋，8種園林植物群落均形成了明顯的遮光作用，且遮光作用的變化趨勢基本一致，呈單峰型分布。早上08：00時，群落內的遮光作用相對較弱，隨著時間的推移，植物群落的遮光作用逐漸增強，除了刺槐群落的遮光作用在09：00時左右達到峰值，其他植物群落的遮光作用在11：00～14：00時達到最大值，而后8種植物群落的遮光作用均逐漸減弱，直至18：00時左右，8種植物群落的遮光作用均為一天中自天時段的最小值。

3.2園林檀物群落結構特征對其遮光作用的影響

由表2可知，植物群落的遮光作用與樹高、枝下高表現(xiàn)為顯著的負相關關系，說明植物群落內植株的樹高和枝下高越小，其遮光作用越明顯。同時，植物群落的冠幅、郁閉度和葉面積指數與其遮光作用呈正相關，且郁閉度與其遮光作用之間的相關性達到顯著水平。可見，隨著植物群落的郁閉度、葉面積指數和冠幅逐漸增大，其遮光作用相應增強。已有研究表明，單層的植物葉片可以對太陽直接輻射和散射輻射進行有效阻擋，進而吸收80%、反射10%，僅透射10%的可見光。植物群落冠層是由多層植物枝葉疊加組成，因而吸收和反射的太陽輻射比例更大，可以起到更為顯著的遮光作用。宋子煒等認為，植物的這種反射和吸收作用主要與植物群落冠層的結構特征密切相關。即植物群落內植株的樹高和枝下高越低，郁閉度、葉面積指數和冠幅越大，對太陽輻射的吸收和反射作用越強，群落的遮光作用越明顯。

4結論與討論

本研究通過對比分析北京奧森公園內8種園林植物群落的遮光作用日變化規(guī)律以及植物群落日均遮光作用與其結構特征之間的關系，結果表明，在08：00～18：00之間，8種植物群落均可發(fā)揮明顯的遮光作用，其變化趨勢均呈單峰型分布，除了刺槐群落的遮光作用在09：00時左右達到峰值，其他植物群落的遮光作用在11：00～114：00時達到最大值。此外，園林植物群落的冠層結構特征均對其遮光作用有一定影響，其中，樹高、枝下高與遮光作用呈顯著負相關關系，郁閉度與遮光作用呈顯著正相關關系。

由于群落冠層對太陽輻射的吸收和反射，使群落內得到的光強相對于群落外將減少，進而產生了遮光作用。本研究發(fā)現(xiàn)，城市公園中植物群落的遮光作用峰值一般出現(xiàn)在11：00～14：00時段，且在白天時段呈現(xiàn)出單峰型規(guī)律。晏海等認為，不同園林植物群落的光照強度日動態(tài)呈單峰分布，在12：00～14：00間群落內與對照點光照強度的差值達到最大。程子序研究表明，油松林內光照強度在12：00時左右達到峰值。由于研究地點的位置、地形、海拔高度和周邊環(huán)境等因素的不同，使得不同地區(qū)的研究結論略有差異。城市公園中的園林植物群落通常為人工林，層次簡單，因而不同群落遮光作用的差異主要是由于其自身結構特征的不同而引起的。本研究顯示，群落的樹高、枝下高與其遮光作用呈顯著負相關，郁閉度與其遮光作用呈顯著正相關。這與其他研究結論基本一致。已有研究表明，植物群落的遮光率隨著群落平均株高和冠層高度的增加而減小。這是因為隨著樹高的增加，使得植株中下部枝葉較為稀少，因而早上和下午斜射進人群落內的太陽輻射會明顯增多，導致遮光作用減弱。同時，植物群落的遮光率與其郁閉度和葉面積指數呈正相關關系，葉面積指數大于2時，遮光率可以達到80%以上，遮蔭效果顯著，而在葉面積指數小于1時，遮光率則小于50%。但是，并非葉面積指數和郁閉度越大越好，葉面積指數增加使得群落的遮光作用增強，群落內的光照相應減少，如果超過了一些植物的耐蔭能力，將會導致物種多樣性的減少，不利于構建復層結構的植物群落。

研究城市公園中植物群落內的光環(huán)境特征及其影響機制，不僅有助于深人探討城市公園中植物群落溫濕效應的影響機制，同時對公園中植物群落內的構建也具有重要作用。本研究針對園林植物群落的遮光作用及其影響因素進行了分析，但樣本數量不夠、樣地選擇單一等問題可能導致研究結論存在一些誤差。在今后的研究中，可選擇單一樹種，對其不同結構特征與遮光作用之間的相關關系進行深人分析，并建立相關的數學模型，為進一步評價不同種類植物群落的遮光作用、探究植物群落溫濕效應的影響機制奠定基礎。