基于降溫增濕效果8 種不同野花組合的人體舒適感研究

盧 彤，李良濤，李 安，高萌萌，陳 曦，劉帥帥

（河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院，河北邯鄲 056000）

“熱島效應(yīng)”的加劇，城市溫濕度的失衡，使城市的舒適性降低。當(dāng)前各地爭(zhēng)創(chuàng)營(yíng)建生態(tài)宜居型園林城市，配置合理植物組合可以降低環(huán)境溫度，增加空氣濕度，研究顯示，其降溫增濕主要來(lái)源于葉片的蒸騰作用，與葉片溫度、葉片總面積、葉片密度、風(fēng)速、空氣濕度等緊密相關(guān)[1-5]。野花組合選取多種色彩斑斕的花卉品種，不同花期的配置，可以展現(xiàn)出不同特點(diǎn)的視覺(jué)效果，展現(xiàn)自然的季相之美。將野花組合景觀布置于公園、街旁、居住區(qū)、農(nóng)業(yè)園區(qū)[6-8]等城鄉(xiāng)各個(gè)角落，不僅豐富了居民的業(yè)余生活，美化環(huán)境，還創(chuàng)造了一個(gè)清新舒適的宜居環(huán)境?；诮禍卦鰸裥Ч?duì)土壤溫度的控制作用及不同野花組合的人體舒適感研究，為不同立地條件和生態(tài)服務(wù)需求的野花組合推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)在曲周縣第四疃鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。曲周縣位于河北省邯鄲市，東經(jīng)114°50′22.3″～115°13′27.4″，北緯36°35′43″～36°57′，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫13.1℃。年平均降雨量為556.2mm，年均日照2557h[9]。

通過(guò)文獻(xiàn)綜述和近2年試驗(yàn)，篩選處適應(yīng)性較強(qiáng)、觀賞性比較好、養(yǎng)護(hù)管理容易的秋英（Cosmos bipinnata）、虞美人（Papaver rhoeas）、百日草（Zinnia elegans）、金雞菊（Coreopsis drummondii）、一串紅（Salvia splendens）、滿天星（Gypsophila paniculata）、大花飛燕草（Consolida ajacis）、宿根藍(lán)亞麻（Linum usitatissimum）、福祿考（Phlox drummondii）、常夏石竹（Dianthus chinensis）、紫花苜蓿（Medicago sativa Linn.）、藍(lán)薊（Echium vulgare）、百里香（Thymus mongolicus）13 種花卉進(jìn)行不同生態(tài)服務(wù)功能組合。于2019年3月底在相同外界條件下播種8個(gè)不同花卉組成的野花組合（表1），同時(shí)預(yù)留1個(gè)空白對(duì)照樣地，每個(gè)樣地16m2，總面積144m2。

表1 野花組合及其特點(diǎn)

1.2 試驗(yàn)方法

觀測(cè)選擇植物開(kāi)花相對(duì)集中，生命力相對(duì)旺盛的盛花期開(kāi)展，每隔7 天測(cè)定1 次。在晴朗無(wú)風(fēng)的天氣從8：00～18：00 每2h 用Kestrel145NV 便攜式溫濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量樣地的空氣溫度（T）和相對(duì)濕度（H），同時(shí)測(cè)定與植物群落呼吸作用擬合最好的地下10cm 處的土壤溫度（Ts）[10]。通過(guò)對(duì)土壤的降溫作用的研究，對(duì)野花組合在城市園林應(yīng)用及農(nóng)田生態(tài)保護(hù)中對(duì)周圍動(dòng)植物生存生長(zhǎng)的促進(jìn)作用提出一定的指導(dǎo)性建議。如在測(cè)量時(shí)間內(nèi)遇到風(fēng)雨等異常天氣，順延1～2d。在測(cè)量每個(gè)樣地的土溫和溫濕度時(shí)，在樣地內(nèi)選擇8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在土溫測(cè)定的同時(shí)，對(duì)植物的上（距地面0.4m）、中（植物株高中點(diǎn)處）、下（距植物頂端0.4m）3個(gè)部位進(jìn)行溫濕度的測(cè)量[11]。將各個(gè)樣地的測(cè)量數(shù)據(jù)均取均值。選擇裸地為空白對(duì)照樣地，同樣進(jìn)行上述操作，結(jié)果取均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，除計(jì)算平均溫濕度外，引入各樣地與對(duì)照樣地溫度平均值差值的比值為降溫率（TR）及各樣地與對(duì)照樣地空氣相對(duì)濕度平均值差值的比值為增濕率（HR）[12-13]、以溫濕度指數(shù)（THI）描述人體舒適度[14]，對(duì)各個(gè)組合的對(duì)于地上部分的降溫增濕作用及地下部分的降溫作用進(jìn)行更加直觀的比較。

其中降溫率、增濕率和溫濕度指數(shù)計(jì)算方法如下：

降溫強(qiáng)度：△T=T1-T2△Ts=Ts1-Ts2

降溫率：TR（%）=（T1-T2）/T1×100 TsR（%）=（Ts1-Ts2）/Ts1×100

其中T1表示空白樣地平均空氣溫度（℃），T2表示試驗(yàn)樣地平均空氣溫度（℃）；Ts1表示空白樣地平均土壤溫度（℃），Ts2表示試驗(yàn)樣地平均土壤溫度（℃）。

增濕強(qiáng)度：△H=H2-H1

增濕率：HR（%）=（H2-H1）/H1×100%

其中H1表示空樣地平均空氣相對(duì)濕度（%），H2表示試驗(yàn)樣地平均空氣相對(duì)濕度（%）。

溫濕度指數(shù)：THI=Tm-0.55×（1-Hm）×（Tm-14.5）

其中Tm 表示m 時(shí)刻的空氣溫度（℃），Hm 表示m 時(shí)刻的空氣相對(duì)濕度（%）。

溫濕度指數(shù)可以反映人體對(duì)環(huán)境的容忍度（見(jiàn)表2）。

表2 夏季人體舒適度等級(jí)表

用Excel 2016 和SPSS 23.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同野花組合降溫增濕能力

圖1 各樣地不同時(shí)刻Ts 折線圖

2.1.1 不同野花組合土壤降溫能力的變化分析。由圖1可知各個(gè)樣地的Ts 呈“單峰”分布趨勢(shì)。組3 和組6 的降溫效果較好，組4 相對(duì)較差。各組降溫幅度較大，與空白組溫差明顯，均在14:00 達(dá)到最大值。除組4 外，其他組合間降溫差異不明顯。對(duì)8個(gè)野花組合樣地與空白樣地各個(gè)時(shí)刻的Ts 進(jìn)行單因素方差分析（表3），結(jié)果表明，各組合樣地與空白樣地的Ts 存在顯著性差異（F=2.210＞F0.05（8,45）≈2.152，P=0.044＜0.05），各組合對(duì)土壤均有降溫效果。在對(duì)不同組合進(jìn)行兩兩比較（Duncan's 新復(fù)極差檢驗(yàn)法，下同）后，得出除組4外，其他組均與空白對(duì)照組有顯著性差異。平均降溫幅度范圍為2.12～4.74℃，降溫率為5.80%～12.96%，△Ts與TsR 變化相同，為組6＞組3＞組1＞組2＞組5＞組8＞組7＞組4。

表3 各樣地的Ts 變化情況統(tǒng)計(jì)

2.1.2 不同野花組合空氣降溫增濕能力的變化分析。由圖2 可知，各樣地的T 呈“單峰”分布，H 呈“單谷”分布的趨勢(shì)，各組與空白組的降溫增濕效果明顯。組4、組1的降溫能力相對(duì)較差，其他組之間的降溫效果區(qū)別相對(duì)較小，不同組合的最佳降溫時(shí)間不同。在14:00 左右為高溫低濕階段。組4、組8 增濕能力相對(duì)較差，組2的增濕能力較強(qiáng)，其他組在各時(shí)刻的增濕效果區(qū)別不是很明顯。

圖2 各樣地不同時(shí)刻平均溫濕度折線圖

對(duì)8個(gè)野花組合樣地與空白樣地各個(gè)時(shí)刻的T、H進(jìn)行單因素方差分析（見(jiàn)表4），各組合樣地與空白樣地的T、H 存在顯著性差異（T∶F=2.179＞F0.05（8,45）≈2.152，P=0.048＜0.05；H∶F=6.403＞F0.05（8,45）≈2.152，P=0.000015＜0.05），均有一定降溫增濕效果。在對(duì)不同組合進(jìn)行兩兩比較后，組1、組4 在降溫效果上與空白對(duì)照沒(méi)有顯著差異性；除組4 外，在增濕效果上其他組均與空白對(duì)照組有顯著性差異，組2 與組4、組8 有顯著性差異，除此之外，組4 還與組1、組3、組5、組6、組7 有明顯差異。平均降溫幅度范圍為2.49～5.04℃，降溫率為7.10%～14.30%，平均增濕幅度范圍為2.32%～12.12%，增濕率為4.49%～23.45%。△T與TR 變化均為組3＞組2＞組8＞組5＞組7＞組6＞組1＞組4，△H 與HR 均為組2＞組3＞組1＞組6＞組5＞組7＞組8＞組4 的順序。

表4 各樣地的平均溫濕度變化情況統(tǒng)計(jì)

2.2 人體舒適性研究

根據(jù)表2 可知，在炎熱的夏季，THI 值越低，人體舒適感越強(qiáng)。各組合各時(shí)間點(diǎn)的THI 呈“單峰”分布（見(jiàn)圖3）。清晨和傍晚時(shí)人體舒適感最強(qiáng)，可以達(dá)到3級(jí)，隨著太陽(yáng)輻射的增加，舒適感降低，14:00 舒適感最差，為5 級(jí)，容易發(fā)生胸悶、中暑等情況。組4 和組1 各個(gè)時(shí)間段THI 均高于其他組合，其降溫增濕的綜合能力較差。

圖3 各樣地不同時(shí)刻THI 折線圖

對(duì)8個(gè)野花組合樣地與空白樣地各個(gè)時(shí)刻的平均THI 進(jìn)行單因素方差分析（見(jiàn)表5），各樣地與空白樣地的THI 存在顯著性差異（F=3.093＞F0.05（8,27）≈2.305，P=0.013＜0.05），各樣地均有增加人舒適感的作用。在對(duì)不同組合進(jìn)行兩兩比較后，除組1 外，其他組均與空白對(duì)照組有顯著性差異。各組的人體舒適度等級(jí)均為4 級(jí)，空白對(duì)照組等級(jí)為5。各組平均THI 排序?yàn)椋航M3＜組8＜組5＜組7＜組2＜組6＜組4＜組1＜空白對(duì)照組。

表5 各樣地的THI 變化情況統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與討論

植物的降溫增濕效果主要通過(guò)植物的蒸騰作用、遮蔭作用及減少場(chǎng)地的熱流交換實(shí)現(xiàn)的[15]，植物群落的結(jié)構(gòu)很大程度上影響植物的降溫增濕作用。植物通過(guò)葉片對(duì)太陽(yáng)輻射的遮擋作用，降低周圍溫度，同時(shí)利用太陽(yáng)輻射增加光合作用及蒸騰作用，增加周圍空氣濕度，以達(dá)到改善環(huán)境小氣候的效果。對(duì)不同組合來(lái)說(shuō)，組2 以其高密度葉片，形成保水層并阻擋熱流交換，具有低溫高濕的特點(diǎn)。組3 具有較強(qiáng)的遮蔭及蒸騰作用，比其他組合具有更多的植物種類及葉片密度，表現(xiàn)出更明顯的降溫增濕效果,給人最佳的舒適感。同時(shí)，植株的株高、葉片的全裂、葉面積的大小、土壤微氣候也在一定程度上影響植物群落的降溫增濕效應(yīng)。

對(duì)不同組合來(lái)說(shuō)，組6、組3 對(duì)于土壤溫度的改善作用最為明顯。在一定范圍內(nèi)，植物周圍的土壤溫度與植物呼吸作用呈正相關(guān)，植物生長(zhǎng)促進(jìn)土壤溫度的升高[16]。植物生命活動(dòng)最為旺盛的9：00～11：00、15：00～17：00[17]，此時(shí)各組合的生命活動(dòng)增強(qiáng)，促進(jìn)土壤溫度升高。其中通過(guò)葉片照射到土壤上的太陽(yáng)輻射直接作用于土壤，同樣影響土壤溫度，使土壤不致因植物活動(dòng)而升溫過(guò)高。隨著城鄉(xiāng)硬質(zhì)化的進(jìn)一步加劇，土壤溫度的降低還能改善其地下部分的環(huán)境，為動(dòng)植物提供良好的生存環(huán)境。

空氣溫濕度、土壤溫度等等均影響著周圍的微環(huán)境[18]。植物生長(zhǎng)越旺盛，其葉片越茂密，對(duì)于太陽(yáng)輻射的遮蔭效果越好，植物周圍小氣候改善越明顯[19]。本試驗(yàn)采取不同花卉組合的方式，以其對(duì)周圍環(huán)境及土壤溫度的改善作用的探索，重點(diǎn)分析了各組合在盛花期的降溫增濕能力差異及人體舒適度感受，篩選出觀賞性好、適應(yīng)性強(qiáng)、易于養(yǎng)護(hù)且生態(tài)價(jià)值高的組合2、組合3 和組合6。廣泛應(yīng)用于城市道路綠化中，使其在觀賞的同時(shí)，改善周圍小氣候，緩解“熱島效應(yīng)”，或者播種于農(nóng)田周圍，為天敵等提供生態(tài)棲息地，減少農(nóng)田病蟲(chóng)害。值得注意的是，小氣候的形成與多種因素有關(guān)，且彼此之間相互影響，因此單因素與多因素的結(jié)果分析可能會(huì)出現(xiàn)較大的差距，例如風(fēng)速、建筑等，還需要再進(jìn)一步的研究。