校園綠地春季小氣候及人體舒適度效應(yīng)分析

胡海輝, 張思琪, 杜佳月

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院， 哈爾濱 150030)

近年來，城市化進程快速推進，引發(fā)了城市熱島問題。在人口眾多的大中城市，問題更加嚴(yán)重[1]。如何改善城市熱島問題，優(yōu)化人居生存環(huán)境，變得尤為重要[2]。植物群落具有降溫增濕等生態(tài)功能,是改善城市熱島問題和調(diào)節(jié)人體舒適度的有效途徑。中外學(xué)者開始對不同類型綠地和植物群落的生態(tài)效益做了許多探索與研究[3]。

Ayman等[4]、Ahmad等[5]、Kariminia等[6]通過問卷調(diào)查和熱感覺投票等方法對一些大尺度公園、廣場進行人體適度研究。秦仲等[7]、張彪等[8]、張明娟等[9]、董建華等[10]分別對北京市園林綠地、南京市公園綠地、杭州市城市森林進行了植物群落與人體舒適度的相關(guān)研究，結(jié)果表明植物群落在夏季可以起到良好的降溫增濕與改善人體舒適度的作用。梅欹等[11]、梁濤等[12]、李鳳霞等[13]分別從不同地域、不同角度對小氣候因子與人體舒適度相關(guān)性進行了研究。

前人研究主要針對夏季植物群落小氣候舒適度調(diào)節(jié)作用，以及不同植物群落圍合形式對小氣候的調(diào)節(jié)效果[14]，但關(guān)于植物群落對于春季小氣候的調(diào)節(jié)作用與人體舒適度的論述相對較少，特別是對東北地區(qū)春季小氣候及人體舒適度效應(yīng)分析尚鮮見報道。為此，以哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物群落為調(diào)查對象，采用人體舒適度指標(biāo)對校園綠地小氣候效應(yīng)進行評價[15]，研究不同植物群落小氣候日均變化的差異，以期為日后校園綠地建設(shè)提供合理的建議與指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)位于黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)，總占地面積496.4×104m2(截至2019年3月)。校園南北狹長，地勢平坦，春季風(fēng)多且少雨，夏季濕熱且多雨[16]。校園綠地率高達46%以上，校區(qū)內(nèi)樹種應(yīng)用總數(shù)占黑龍江省綠化使用樹種的66%。

1.2 樣地概況與選擇

1.2.1 樣地選取

在校園綠地內(nèi)，共選取12組植物群落進行小氣候氣象因子的數(shù)據(jù)觀測與記錄。測量點在學(xué)校南、北兩個校區(qū)分布如圖1、圖2所示。測量時，根據(jù)12組植物群落結(jié)構(gòu)及類型特征，選擇適宜的空白對照點(表1)，開展局地小氣候因子觀測，并記錄每個測量點的相對濕度和溫度。

圖1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)小氣候測量點分布Fig.1 Distribution of microclimate survey points in Northeast Agricultural University

圖2 各測量點實景拍攝Fig.2 Real scene shooting of each measuring point

1.3 數(shù)據(jù)的測量與分析方法

實驗中，選擇晴朗無風(fēng)或微風(fēng)的春季高溫天氣(平均風(fēng)速≤2 m/s)，同步觀測記錄植物群落樣方內(nèi)(10 m×10 m)溫度和相對濕度。實驗儀器為MS6300多功能環(huán)境便攜式測試儀，測量高度距離地面1.5 m處；控制樣地與建筑物之間的距離，以避免建筑陰影對結(jié)果產(chǎn)生影響。具體觀測時間為2019年5月8—10日，2019年5月14—16日，2019年5月24—26日(共計9 d)，每日08:00—18:00，每2 h進行一次數(shù)據(jù)讀取與記錄，每天共記錄6次。由于數(shù)據(jù)量較大，選擇不同植物群落的日均氣溫和日均相對濕度進行差異性分析。每個植物群落測量點的日均氣溫(單位： ℃)、日均相對濕度(單位：%)、日均降溫效果(單位：℃)、日均增濕效果(單位：%)計算公式為

表1 各植物群落所在區(qū)域優(yōu)勢種、郁閉度及群落類型

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：i為測量時間點(i為08:00—18:00，每2 h小時測量一次的時間點)，RHi為空氣相對濕度，%；Ti為空氣溫度， ℃；RH0i為對照點內(nèi)空氣相對濕度，%；T0i為對照點空氣溫度， ℃。

植物群落對小氣候的影響主要體現(xiàn)在溫度和相對濕度等氣候因子上，即植物群落的增濕降溫功能對人體舒適度具有一定的改善作用，進而影響到室外綠地環(huán)境的人體舒適感覺。小氣候舒適度采用溫濕指數(shù)(THI)模型進行計算，其計算公式為

THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

(5)

式(5)中：THI為溫濕指數(shù)；T為溫度；RH為相對濕度。

根據(jù)式(5)計算出人體舒適度溫濕指數(shù)，進行等級對照獲得各植物群落內(nèi)小氣候人體舒適度。各植物群落的日均氣溫與日均相對濕度如表1所示(實驗采取多組植物群落同時不同地測量，故同一時間采用同一對照組進行比較)。采用t檢驗法，分別比較各植物群落與對照點在日均溫度、日均相對濕度及日均溫濕指數(shù)的差異，同時比較不同結(jié)構(gòu)植物群落的日均降溫效果、日均增濕效果及日均溫濕指數(shù)改善值。實驗中，使用Microsoft Excel記錄測量數(shù)據(jù)，并采用雙因素ANOVA分析，其統(tǒng)計與分析工作在SPSS 22.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度

2.1.1 喬木-灌木-草坪

春季(5月)上旬，植物群落E、F、G的日均氣溫分別為(18.02±0.31)、(19.12±0.33)、(18.52±0.42) ℃，均低于對照點的日均氣溫(21.77±0.21) ℃；群落E與對照點差異呈顯著水平(P<0.05)；群落F和G日均氣溫與對照點無顯著區(qū)別(表2)。春季(5月)中旬，群落E、F、G的日均氣溫分別為(18.60±0.33)、(19.4±0.44)、(19.32±0.33) ℃，均低于對照點日均氣溫(23.02±0.33) ℃，且差異都達到了極顯著變化(P<0.01)，如表2所示。春季(5月)下旬，植物群落E、F、G的日均氣溫分別為(21.15±0.41)、(22.52±0.42)、(22.20±0.37) ℃，均低于對照點的日均氣溫(25.12±0.24) ℃，且差異均達到了極顯著水平(P<0.01)，如表2所示。

2.1.2 喬木-草坪

春季(5月)上旬，植物群落A、C、I、J的日均溫度分別為(16.97±0.33)、(18.67±0.31)、(17.83±0.21)、(18.98±0.43) ℃，均低于對照點日均氣溫(21.77±0.21) ℃，且群落A差異變化達到極顯著水平(P<0.01)，群落C、I日均氣溫差異達到了顯著水平(P<0.05)，群落J無顯著變化(表2)。春季(5月)中旬，植物群落A、C、I、J的日均溫度分別為(18.15±0.39)、(19.50±0.31)、(18.37±0.31)、(20.13±0.41) ℃，均低于對照點(23.02±0.33) ℃，且群落A、C、I、J的日均氣溫與對照點相比，均達到了極顯著水平(P<0.01)如表2所示。春季(5月)下旬，植物群落A、C、I、J的日均溫度分別為(21.67±0.21)、(21.73±0.33)、(18.37±0.31)、(21.87±0.21) ℃均低于對照點(25.12±0.24) ℃，且群落A、C、I、J的日均氣溫與對照點相比均達到了極顯著水平(P<0.01)，如表2所示。

2.1.3 灌-草

由表2可知，春季(5月)上、中、下旬，植物群落B日均氣溫分別為(18.00±0.35)、(19.93±0.42)、(22.47±0.32) ℃，分別低于對照點的日均溫度，上旬與對照點差異達到顯著水平(P<0.05)，中下旬均達到極顯著水平(P<0.01)。

2.1.4 喬木

植物群落D和H同為喬木單層結(jié)構(gòu)。由表2可知，在春季(5月)的上、中、下旬，群落D日均氣溫分別為(18.82±0.36)、(19.27±0.51)、(21.33±0.30) ℃，均低于對照點的日均氣溫，且日均氣溫差異無顯著變化，而中旬與下旬植物群落D的日均氣溫差異變化分別達到極顯著水平(P<0.01)。

從表2可以看出，同為喬木單層結(jié)構(gòu)的植物群落H，在春季(5月)的上、中、下旬，其日均氣溫分別為(16.73±0.56)、(18.52±0.27)、(21.53±0.51) ℃，均低于對照點，且與對照點日均氣溫變化差異均達到了極顯著水平(P<0.01)。

2.1.5 草坪

植物群落K為混播草坪，測量點無遮蔭、無覆蓋、無其他植物。由表2可知，該群落在春季(5月)上、中、下旬的日均氣溫分別為(19.47±0.31)、(21.88±0.36)、(23.55±0.32) ℃，均低于相應(yīng)對照點，差異均無顯著變化。

表2 不同植物群落在春季(5月)的日均溫度

2.2 濕度

2.2.1 喬木-灌木-草坪

春季(5月)上旬，植物群落E、F、G在上旬的日均相對濕度分別為30.48%±1.89%、30.35%±0.24%、30.48%±0.97%，均高于對照點的相對濕度28.65%±0.37%，并無顯著差異(表3)。由表3可知，群落E和G在中旬的日均相對濕度分別為28.65%±1.11%和28.55%±1.01%，高于對照點27.57%±1.02%，且差異達到了顯著水平(P<0.05)；群落F在中旬的日均相對濕度為27.63%±1.48%，略高于對照點的日均相對濕度，但無顯著差異；群落E、F、G在下旬的日均相對濕度分別為39.60%±1.34%、39.03%±1.12%、40.92%±1.46%，均高于對照點35.42%±1.33%，但與對照點之間并無顯著差異。

2.2.2 喬木-草坪

在春季(5月)上旬，植物群落A、C、I、J的日均相對濕度分別為31.38%±1.21%、31.73%±2.27%、30.42%±1.73%、29.22%±0.49%，分別低于對照點28.65%±0.37%，但差異并無顯著變化(表3)。同樣，這4個群落在春季(5月)下旬的日均相對濕度分別為40.45%±1.42%、43.47%±1.27%、37.23%±1.28%、37.08%±1.53%，均高于對照點，差異均無顯著變化(表3)。從表3可以看出，植物群落A、C、I在中旬的日均相對濕度分別為29.17%±1.34%、28.8%±2.41%、28.87%±1.21%，略高于對照點27.57%±1.02%，其中群落A、C與對照點之間的差異呈極顯著水平(P<0.01)，群落I呈顯著水平(P<0.05)。

2.2.3 灌木-草坪

在春季(5月)上、中、下旬，植物群落B的日均相對濕度分別為29.68%±1.46%、27.65%±1.28%、38.92%±1.34%，與對照點相比差異并無顯著變化(表3)。

2.2.4 喬木

植物群落D與H同為喬木單層林，群落結(jié)構(gòu)單一。由表3可知，在春季(5月)上旬，群落D與H的日均相對濕度分別為31.73%±1.11%、30.72%±1.23%，均高于對照點28.65%±0.37%，差異無顯著變化。從表3可以看出，中旬，群落D的日均相對濕度29.07%±1.67%，高于對照點27.57%±1.02%，且差異達到了極顯著水平(P<0.01)；群落H在此時間段內(nèi)日均相對濕度為28.33%±1.37%，略高于對照點，差異達到顯著水平(P<0.05)。由表3可知，下旬，植物群落D和H的日均相對濕度雖均高于對照點，但差異并無顯著變化。

表3 不同植物群落在春季(5月)的日均濕度

2.2.5 草坪

植物群落K在春季(5月)上、中、下旬的日均相對濕度分別為32.97%±2.21%、30.93%±1.23%、37.10%±1.24%，分別高于對照點，但差異均無顯著變化(表3)。

2.3 小氣候舒適度

2.3.1 喬木-灌木-草坪

由表4可知，春季(5月)上旬，植物群落E、F、G的溫濕指數(shù)分別為16.72±0.34、17.40±0.21、17.07±0.36，均優(yōu)于對照點19.11±0.18，植物群落E與對照點的差異達到了顯著水平(P<0.05)，群落F、G無顯著變化；在中旬，植物群落E、F、G的溫濕指數(shù)分別為16.90±0.27、17.40±0.34、17.43±0.26，均優(yōu)于對照點19.63±0.21，且各植物群落與對照點之間的差異達到極顯著水平(P<0.01)；下旬，植物群落E、F、G的溫濕指數(shù)分別為18.61±0.29、19.42±0.32、19.45±0.31，均優(yōu)于對照點21.01±0.23，差異均達到極顯著水平(P<0.01)。

2.3.2 喬木-草坪

從表4可以看出，春季(5月)上旬，植物群落A、C、I、J的溫濕指數(shù)分別為16.07±0.12、17.22±0.27、16.56±0.31、17.27±0.41，均優(yōu)于對照點19.11±0.18，群落A與對照點的差異達到了極顯著水平(P<0.01)，植物群落C差異達到顯著變化水平(P<0.05)，群落I、J均無顯著差異；中旬，植物群落A、C、I、J的溫濕指數(shù)分別為16.73±0.11、17.54±0.31、16.86±0.27、17.86±0.34，均優(yōu)于對照點19.63±0.21，且差異均達到極顯著水平(P<0.01)；下旬，植物群落A、C、I、J的溫濕指數(shù)分別為18.96±0.20、19.02±0.31、18.99±0.28、18.99±0.37，均優(yōu)于對照點21.01±0.23，差異均達到極顯著水平(P<0.01),如表4所示。

2.3.3 灌木-草坪

從表4可以看出，在春季(5月)上、中、下旬，植物群落B的溫濕指數(shù)分別為16.70±0.42、17.77±0.38、19.42±0.37，均優(yōu)于對照點，上旬差異呈顯著變化(P<0.05)，中下旬差異呈極顯著變化(P<0.01)。

2.3.4 喬木

由表4 可知，春季(5月)上旬，植物D和H的溫濕指數(shù)分別為17.32±0.29、15.9±0.51，均優(yōu)于對照點19.11±0.18，且群落H的差異達到了極顯著水平(P<0.01)，群落D無顯著變化；中旬，植物D和H的溫濕指數(shù)分別為17.54±0.36、16.94±0.48，均優(yōu)于對照點19.63±0.21，且差異均達到了極顯著水平(P<0.01)；下旬，植物D和H的溫濕指數(shù)分別為18.74±0.35、18.84±0.42，均優(yōu)于對照點21.01±0.23，群落D與對照組相比差異達到了極顯著水平(P<0.01)，植物群落H無顯著變化。

2.3.5 草坪

春季(5月)，植物群落K在上、中、下三旬的溫濕指數(shù)分別為17.57±0.26、19.08±0.24、20.17±0.31，分別優(yōu)于其相應(yīng)的對照組的溫濕指數(shù)，且差異均無顯著變化(表4)。

2.4 人體舒適度與溫濕指數(shù)

實驗表明，校園內(nèi)的12個植物群落人體舒適度均低于21.1(表5)，春季校園內(nèi)植物群落的人體舒適度均為涼爽適宜。

表4 不同植物群落在春季(5月)的溫濕指數(shù)

表5 人體舒適度與溫濕指數(shù)(THI)關(guān)系

2.5 植物群落小氣候調(diào)節(jié)能力比較

2.5.1 降溫效果

測量可知，不同的植物群落在春季(5月)不同時段展現(xiàn)了不一樣的降溫能力。上旬，植物群落A、H、I的降溫效果較好，群落F、K的降溫效果較差；中旬植物群落A、E、H、I的降溫效果較好，群落J、K的降溫效果較差；下旬，植物群落D、E、H的降溫效果較好，群落F、K的降溫效果較差，如圖3(a)～圖3(c)所示。

圖3 植物群落在春季(5月)上中下旬降溫增濕以及溫濕調(diào)節(jié)能力Fig.3 Cooling and humidifying and regulating capacity of plant communities in late spring (May)

2.5.2 增濕效果

在春季(5月)上旬，植物群落C、D、K的增濕效果較好，群落B、J的增濕效果較為差；中旬，植物群落序A、D、H的增濕效果較好，群落B、F的增濕效果較為差；下旬，植物群落A、C、J的增濕效果較好，群落J、K的增濕效果較為差，如圖3(d)～圖3(f)所示。

2.5.3 溫濕指數(shù)調(diào)節(jié)效果

在春季(5月)上旬和中旬，植物群落A、H、I的溫濕指數(shù)調(diào)節(jié)效果較好，群落F、K的溫濕指數(shù)調(diào)節(jié)效果較差；下旬植物群落A、E、H、I的溫濕指數(shù)調(diào)節(jié)效果較好，群落J、K的溫濕指數(shù)調(diào)節(jié)效果較差，如圖3(g)～圖3(i)所示。

3 討論

3.1 校園綠地植物群落結(jié)構(gòu)和種類組成

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園綠地植物群落，以喬木-灌木-草坪、喬木-草坪的結(jié)構(gòu)形式種植為主，樹種以旱柳、復(fù)葉槭、銀中楊、紅皮云杉居多。其中，旱柳、銀中楊等喬木體量較大，應(yīng)用過多會造成植物群落對局地小氣候的調(diào)節(jié)作用減弱，甚至是惡化。

3.2 春季植物群落降溫增濕效果

在面積相等和植被覆蓋率相同的情況下，一些學(xué)者提出種類豐富的植物群落比草坪具有更好的降溫增濕效果[14]，也證明了春季(5月)植物群落比單一草坪具有更好的小氣候改善效果，差異呈現(xiàn)顯著或極顯著變化水平(P<0.05或P<0.01)。上旬，喬灌草和喬草結(jié)構(gòu)的群落日均降溫效果較為明顯，喬草和草坪結(jié)構(gòu)的群落增濕效果較為突出；中旬，喬灌草和喬草結(jié)構(gòu)的群落的降溫增濕效果，要優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)層次的植物群落；下旬，喬草結(jié)構(gòu)的群落的增濕效果最為明顯，喬草結(jié)構(gòu)的群落溫濕指數(shù)調(diào)節(jié)能力最為突出。上述研究結(jié)果與張明娟等[9]所提出的喬木結(jié)構(gòu)與喬木-草坪結(jié)構(gòu)的植物群落在增濕降溫的過程中有著復(fù)雜的交互作用相符合，也進一步證實了喬灌草和喬草結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)類型的調(diào)節(jié)能力。

3.3 春季植物群落溫濕指數(shù)調(diào)節(jié)作用

不同的植物群落在春季(5月)小氣候舒適度調(diào)節(jié)效果，大部分顯著或極顯著差異(P<0.05或P<0.01)，而草坪在小氣候舒適度調(diào)節(jié)效果上無顯著差異。雖然證實草坪具有一定的小氣候舒適度改善作用，但大量研究均表明草地型群落在生物多樣性保護等方面功能較弱，不適宜作為主要綠化形式，故不建議作為校園綠化的主導(dǎo)形式。結(jié)果表明喬木與喬草結(jié)構(gòu)溫濕度調(diào)節(jié)能力明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)類型；喬草結(jié)構(gòu)具有良好的通透性，使得群落內(nèi)溫濕指數(shù)優(yōu)于其他植物群落。這與前人[10]得出的喬草的形式能夠有效改善人體舒適度的結(jié)論相符合，進一步證明喬木與喬草結(jié)構(gòu)溫濕度調(diào)節(jié)能力較好。

4 結(jié)論

植物群落在降溫增濕和調(diào)節(jié)溫濕度指數(shù)上有著顯著作用，群落本身的結(jié)構(gòu)和植物配植方式是影響人體舒適的根本原因。在配置上，植物種類豐富的群落要比單一草坪具有更好降溫增濕效果，其中，降溫增濕效果喬灌草>喬草>喬木>草坪；溫濕指數(shù)(人體舒適度)調(diào)節(jié)能力喬草>喬木>喬灌草>草坪。因此，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園綠地建設(shè)中，要充分發(fā)揮喬木作用，提高喬木與喬草結(jié)構(gòu)植物群落的種植比例，實行多種類、多層次、多結(jié)構(gòu)的種植形式，以期建設(shè)出具有更高生態(tài)效益的綜合性校園綠地。