地表覆蓋對局部環(huán)境熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)

鄭 燚,李素艷,孫向陽,李嘯沖,周 偉,范志輝,田 琴

(北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,北京 100083)

隨著全球氣候變暖和城市化進(jìn)程的加快，城市中水泥、瀝青等不透水下墊面的增多，土地利用類型的改變，一步步加劇了城市的熱島效應(yīng)[1-2]。熱島效應(yīng)是城市化過程帶來的一種生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，主要表現(xiàn)為城市溫度高于相鄰郊區(qū)溫度，它嚴(yán)重影響了城市居民的生活環(huán)境和質(zhì)量[3]。一方面，當(dāng)今城市環(huán)境中林地、綠地和水域面積不斷減少，土地利用和覆蓋的改變，加劇了熱島效應(yīng)[4-5]。另一方面，城市環(huán)境中裸露土地面積不斷增多。以北京市為例，2017年冬季五環(huán)以內(nèi)裸土面積高達(dá)99.33 km2，裸露現(xiàn)象極為明顯[6]。這些裸露土地由于土壤緊實(shí)，缺少養(yǎng)分，不生雜草，更難以形成綠地，這也變相地加劇了熱島效應(yīng)[7-8]。目前在城市環(huán)境中，多采用有機(jī)覆蓋物這種生態(tài)型的“地膜”對裸露土壤進(jìn)行覆蓋，美化環(huán)境的同時也節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本。雖然不少學(xué)者先后研究了常見下墊面(水泥地、草地和裸地等)地表溫度的變化特征及熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)情況[9-10]，但至今還未有關(guān)于裸土有機(jī)覆蓋后對局部環(huán)境熱效應(yīng)的變化研究。為此，本文將2種染色的有機(jī)覆蓋材料鋪設(shè)于城市園林中的部分裸露砂壤土，以未鋪設(shè)的裸土為對照，通過氣象資料觀測法記錄夏季(6—8月)3種下墊面地表溫度和氣溫的變化，研究它們對局部環(huán)境熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)情況。旨為優(yōu)化城市環(huán)境中裸土覆蓋材料，改善下墊面熱屬性以及減緩局部環(huán)境熱效應(yīng)提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于北京市海淀區(qū)圓明園遺址公園文源閣(地理坐標(biāo)為40°01′56″N,116°30′42″E)南側(cè)的空曠裸露地塊，試驗(yàn)區(qū)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)較差，幾乎不生雜草。周邊無高大喬木遮擋，面積約1 600 m2，氣候?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均降水量約為630 mm，主要集中在6—9月，年平均氣溫約為11.6 °C，最熱月7月平均氣溫25.9 ℃。試驗(yàn)區(qū)土壤的質(zhì)地名稱為砂壤土[11]，各粒級土粒含量為：砂粒(1～0.05 mm)36.67%，粗粉粒(0.05～0.01 mm)39.04%，細(xì)黏粒(<0.001 mm)24.29%。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

有機(jī)覆蓋物，英文為“mulch”，音譯為“摩奇”，購于北京荔馳有機(jī)覆蓋物公司，它以園林綠化產(chǎn)生的剩余有機(jī)物為原料，經(jīng)過粉粹、殺蟲滅菌、拉絲和染色加工后，得到的一種彩色有機(jī)覆蓋材料，規(guī)格約為5 cm×2 cm×1 cm。鋪設(shè)于裸露砂壤土的摩奇覆蓋材料分為紅色和黃色2種，采用美國環(huán)保、無毒植物顏料將其染色，是為了美化園林景觀。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年4月，將2種顏色摩奇覆蓋材料，分別鋪設(shè)在試驗(yàn)區(qū)的部分裸露砂壤土，鋪設(shè)厚度為5 cm，對照為裸露砂壤土。每個區(qū)域面積約500 m2且保持相近，最大程度地保證了觀測尺度和氣溫的穩(wěn)定。摩奇覆蓋材料和覆蓋試驗(yàn)區(qū)如圖1所示。

圖1 摩奇覆蓋材料和覆蓋試驗(yàn)區(qū)

2.3 研究方法

2.3.1 地表氣象資料觀測法 以下墊面的地表溫度來反映對局部熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度[12-13]。

2.3.2 觀測方法 氣象觀測時間為2019年6—8月期間的晴朗日子，具體時間為每天09：15—16：45，測量間隔30 min。具體觀測方法為，隨機(jī)選擇較平整的下墊面，在離地面1 m高度處使用手持紅外熱像儀(型號HT-02，浙江衢州艾普計(jì)量儀器有限公司，測量精度：0.1 ℃)對其垂直拍照，記錄其溫度，重復(fù)5次；同時記錄對應(yīng)時刻的氣溫，氣溫?cái)?shù)據(jù)由距離試驗(yàn)覆蓋區(qū)約50 m處的實(shí)時溫濕度儀獲得，由于距離較近，認(rèn)定實(shí)時溫濕度儀顯示的氣溫與試驗(yàn)區(qū)氣溫相同，即各種因素影響下的混合氣溫。

2.3.3 數(shù)據(jù)分析處理 采用Excel 2003處理數(shù)據(jù)并繪制圖表。用SAS 8.0進(jìn)行單因素方差分析，不同處理間多重比較采用Tukey法，并用字母法進(jìn)行標(biāo)記(p<0.01)。用R語言對3種下墊面地表溫度與氣溫變化建立一般線性模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 夏季(6-8月)3種下墊面地表溫度和氣溫的日均溫度變化情況

由表1可以看出，夏季3種下墊面地表日均溫極顯著地高于日均溫(p<0.01)，對局部環(huán)境產(chǎn)生了較強(qiáng)的熱效應(yīng)。3種下墊面在吸收了等量的太陽輻射后，地表日均溫越高就說明對局部環(huán)境熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)越大，其貢獻(xiàn)大小依次為：裸露砂壤土>紅色摩奇覆蓋>黃色摩奇覆蓋。具體來看，6月份3種下墊面地表日均溫分別比日均溫高了15.3，13.2和11.3 ℃，7月份為18.6，17.6和15.8 ℃，8月份為17.1，15.5和13.3 ℃。7月由于氣溫最高，太陽輻射強(qiáng)，導(dǎo)致3種下墊面地表日均溫之間差異并不顯著(p<0.01)；而6和8月期間，裸露砂壤土的地表日均溫雖然極顯著地高于黃色摩奇覆蓋的地表日均溫，但與紅色摩奇覆蓋的地表日均溫之間的差異不顯著(p<0.01)，說明紅色摩奇覆蓋雖然一定程度上減緩了局部環(huán)境熱效應(yīng)，但不顯著(p<0.01)。

表1 試驗(yàn)區(qū)3種下墊面地表溫度和氣溫

3.2 夏季(6-8月)不同時刻3種下墊面地表溫度與氣溫的均值對比

如圖2所示，夏季(6—8月)3種下墊面地表日均溫度隨氣溫升高而升高，在午后時刻達(dá)到峰值，之后隨氣溫緩慢降低而降低，趨勢較為同步；3種下墊面地表溫度由高到低分別為：裸露砂壤土>紅色摩奇覆蓋>黃色摩奇覆蓋。摩奇覆蓋作為城市環(huán)境中裸露土壤的覆蓋材料，應(yīng)用后表現(xiàn)為降溫效應(yīng)，一定程度上減緩了局部環(huán)境的熱效應(yīng)。具體來看，通過3種下墊面6月份的地表日均溫度變化曲線可以看出，最低溫度出現(xiàn)在初始測量時間09：15，隨后與氣溫同步、迅速上升，說明氣溫升高，太陽輻射增強(qiáng)，下墊面吸收太陽輻射也逐漸增溫；14：15時裸露砂壤土地表溫度達(dá)到峰值，為53.9 ℃，并保持到14：45；而14：45時，紅色、黃色2種摩奇覆蓋地表溫度才達(dá)到各自的峰值，分別為52.9和50.1 ℃，出現(xiàn)了延遲效應(yīng)；16：45時，3種下墊面的地表日均溫度和氣溫逐漸回落。7月份，由于月平均氣溫這一主導(dǎo)因素的升高，太陽輻射極強(qiáng)，除了3種下墊面地表日均溫度整體較高以外，其變化趨勢與6月份相似；不同的是在14：15時3種下墊面地表日均溫度都達(dá)到峰值，由高到低分別為59.6，58.7和56.6 ℃。8月，整體變化趨勢與6和7月大致相似，不同的是直至14：45時3種下墊面地表日均溫度才達(dá)到峰值，由高到低分別為55.8，54.5，52.4 ℃。

圖2 夏季不同時刻3種下墊面地表溫度與氣溫的均值變化

3.3 夏季3種下墊面地表溫度與氣溫變化的回歸模型

6，7和8月分別對應(yīng)的晴朗觀測時間為26，19，22 d。以氣溫為自變量，以下墊面地表溫度為因變量，建立線性回歸模型(見表2)。結(jié)果表明，夏季3種下墊面地表日均溫度與氣溫均存在較為顯著的線性函數(shù)關(guān)系。同時，回歸方程的擬合度R2均大于0.95，擬合程度較高，其中7月份的擬合度R2大于0.99，擬合效果非常好。影響下墊面地表溫度的因子多種多樣，包括自身因素(材料組成、結(jié)構(gòu)等)、氣象因素(氣溫、降水等)以及其它復(fù)雜因素。在相同條件下，在已知?dú)鉁財(cái)?shù)據(jù)的情況下，可以通過模型檢驗(yàn)估算其下墊面的月均地表溫度。

表2 3種下墊面地表溫度與月均溫的線性模型

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

城市環(huán)境熱效應(yīng)的產(chǎn)生是多種因素疊加導(dǎo)致，在局部環(huán)境條件下，地表覆蓋改善了下墊面的熱力學(xué)特征[14]，從而影響下墊面地表與大氣的熱交換作用，達(dá)到減緩局部環(huán)境熱效應(yīng)的目的。6月期間摩奇覆蓋地表日均溫度的峰值相比裸露砂壤土出現(xiàn)較晚，是因?yàn)槁懵渡叭劳林猩傲Ｅ浔容^高，使其熱容量減小[15]，傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率大[16]，其接受充足太陽輻射后達(dá)到儲熱飽和，剩余熱量向周圍及大氣上方擴(kuò)散，通過熱交換作用加劇了熱效應(yīng)[17]。相反，摩奇覆蓋材料屬于生物質(zhì)資源，熱容量相對較大，熱導(dǎo)率小，且鋪設(shè)后材料之間未形成十分致密的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部孔隙反射了部分太陽輻射，導(dǎo)致了吸熱滯后現(xiàn)象。這與歷華[16]利用遙感技術(shù)發(fā)現(xiàn)裸土指數(shù)升高會導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)加劇的研究較一致，即土地利用與覆蓋變化一定程度上會改變城市環(huán)境的熱效應(yīng)。除此之外，還有一種可能性的原因是砂壤土持水能力較差，水分下滲較迅速，當(dāng)土壤所持水分暴露在太陽輻射下，迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致地表溫度升高。而有機(jī)覆蓋材料類似自然凋落物，具有較強(qiáng)的持水能力，水分持續(xù)蒸發(fā)時間較長，阻礙了下墊面地表溫度的上升。這與劉寒曉的研究比較相似，即使用透水性鋪裝材料可以讓雨水發(fā)揮蒸發(fā)吸熱的作用，從而減緩?fù)＼噲龅臒嵝?yīng)[12]。

紅色摩奇覆蓋的降溫效果不如黃色摩奇覆蓋，主要是由于紅色摩奇覆蓋材料對太陽輻射的吸收率大，反射率低[18]，在相同太陽輻射條件下，吸收了更多的熱量。這與王大鵬等[19]的研究相一致，即剛修補(bǔ)過的深黑色瀝青路面其地表溫度要高于使用年限較長的淺黑色瀝青路面，前者產(chǎn)生的熱效應(yīng)更大。此外，丁金才等[20]研究發(fā)現(xiàn)，上海部分地區(qū)屋頂和墻面的顏色多為暗黑色，吸收太陽輻射熱量多且不易散發(fā)，從而導(dǎo)致局部熱效應(yīng)的產(chǎn)生。

裸露砂壤土經(jīng)地表覆蓋后，其下墊面介質(zhì)發(fā)生改變，雖然材料之間具有復(fù)雜的空間分散性，但使用手持紅外熱像儀多點(diǎn)多次測定下墊面地表溫度，可以根據(jù)紅外熱像照片分析區(qū)域內(nèi)平均溫度，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。摩奇覆蓋材料源于園林自然凋落或人工修剪的剩余物，經(jīng)粉粹、消毒、拉絲和染色加工后應(yīng)用到城市環(huán)境中，可以起到改良土壤、抑制雜草和揚(yáng)塵以及美化環(huán)境的積極作用。本研究之所以采用供應(yīng)商提供的染色“摩奇”覆蓋原料，是因?yàn)閳A明園公園有景觀需求，其生產(chǎn)的原木色原生覆蓋材料屬于淺色材料，在無景觀需求的地方應(yīng)進(jìn)行推廣。優(yōu)化城市環(huán)境中鋪裝布局，合理改善下墊面介質(zhì)結(jié)構(gòu)，對減緩城市熱島以及可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[21-23]。

4.2 結(jié) 論

(1) 夏季(6—8月)3種下墊面對局部環(huán)境熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)大小依次為：裸露砂壤土>紅色摩奇覆蓋>黃色摩奇覆蓋，其中黃色摩奇覆蓋對減緩局部環(huán)境熱效應(yīng)的效果最顯著。3種下墊面地表溫度與氣溫存在顯著的線性回歸關(guān)系，可通過一般線性模型來估算3種下墊面地表溫度。

(2) 將城市園林環(huán)境中自然或人工修剪產(chǎn)生的剩余物簡單加工，覆蓋于土質(zhì)較差且難以形成綠地的裸露砂壤土，起到減緩夏季局部環(huán)境熱效應(yīng)的作用，綜合考慮，黃色等淺色覆蓋材料效果最佳，更能提升人們的舒適感。