城市公園植物群落小氣候效應及人體熱舒適度
——以哈爾濱三座公園為例

胡海輝，劉 帥，張思琪

(東北農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院，哈爾濱 150030)

隨著城市化進程的不斷加快，打造適宜人居生活的城市顯得尤為重要[1]。城市公園是城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本條件，能夠減緩城市熱島問題、調(diào)節(jié)小氣候效應、恢復生態(tài)活躍性等[2]。近年來氣候問題的日益嚴重，園林植物的滯塵、降溫、增濕等生態(tài)功能也成了研究熱點。

目前，雷昀[3]在不同的季節(jié)通過對不同類型綠地的氣象因子的觀測，比較得出各種人工植物群落對環(huán)境的保護效果；吳菲等[4]則探究了不同面積綠地之間增濕降溫的關(guān)系；馬椿棟[5]比較分析了主觀熱感受、熱舒適客觀評價指標和小氣候物理要素數(shù)據(jù)；李凌舒[6]則確定了植被覆蓋度與道路夏季熱舒適之間的綜合關(guān)系；梅欹等[7]對上海市住區(qū)進行了小氣候舒適度分析，結(jié)果顯示熱因子是影響上海市冬季人體舒適度的關(guān)鍵因子；劉亞敏等[8]運用軟件模擬的方式與實際測量進行對比，得出樹高對于小氣候的影響優(yōu)于樹寬；王愛霞等[9]研究半干旱區(qū)城市廣場中的植物群落形態(tài)對微氣候的影響，得出廣場中的植物群落數(shù)量屬性與微氣候變量之間的聯(lián)系，并且確定了關(guān)鍵微氣候變量在各植物群落中的變化規(guī)律；劉濱誼等[10]使用3種指標評估了上海某廣場熱舒適度?？v觀以往研究發(fā)現(xiàn)，中國開展風景園林小氣候研究主要針對江南一帶夏季高溫地區(qū)，而針對北方公園綠地植物群落小氣候素的研究較少。

因此，以哈爾濱公園綠地植物群落為研究對象，在定性研究的基礎(chǔ)上定量研究不同植物群落在小氣候方面的調(diào)節(jié)作用，以期能夠為人居戶外活動提供更舒適的園林小氣候環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 研究材料

1.1.1 區(qū)域概況

哈爾濱坐落于中國東北部、黑龍江省南部地區(qū)。夏季氣候炎熱、潮濕、多雨，冬季氣候寒冷、干燥、多雪，屬于中溫帶大陸性季風氣候。全年中7月份最熱，最高溫度為39 ℃。本實驗選取哈爾濱古梨園、尚志公園、兆麟公園作為實驗場地(圖1)，調(diào)查后選取各公園內(nèi)植物群落進行局地小氣候因子實測。

圖1 城市公園綠地植物群落

1.1.2 樣地選擇

通過實地調(diào)研對植物群落進行行為注記式調(diào)研，篩選公園中游人使用頻率較高的植物群落。根據(jù)植物群落的垂直結(jié)構(gòu)層次進行劃分，選取長勢良好的典型植物群落(plant community)16個(P1～P16)，樣方C(control point)大小按照生態(tài)學最小面積樣方法，使用儀器分別在春、夏、秋3個季節(jié)對公園內(nèi)的植物群落進行小氣候因子測量。各群落具體情況如表1所示。

表1 植物群落組成、結(jié)構(gòu)情況

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標選取

選取指標為生理等效溫度(physiological equivalent temperature，PET)，指在某一個室內(nèi)或戶外環(huán)境中，人體皮膚溫度和體內(nèi)溫度達到與典型室內(nèi)環(huán)境同等的熱狀態(tài)所對應的氣溫[11-13]。此評價指標將多種影響因子作為核心，從多個層面分析了相關(guān)要素。通過大量驗證，其可以對某個環(huán)境的舒適性進行準確的評價[14]。綜上所述，將PET作為核心的評價指標，其評價標準(表2)，對應9種人體熱感覺評價。

表2 PET評價標準分數(shù)

1.2.2 人體熱舒適度計算

采用PET指標對植物群落內(nèi)人體熱舒適程度進行評價分析，利用RayMan1.2模擬軟件進行計算，輸入實驗日期、地理數(shù)值、植物群落內(nèi)小氣候因子具體數(shù)值。計算時要設(shè)定相應的身高、體重、年齡等進行輸入，具體如表3所示。

表3 Rayman1.2模型數(shù)據(jù)錄入

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落熱舒適度評價

2.1.1 春季植物群落熱舒適度

古梨園內(nèi)群落春季日平均PET均低于18～23 ℃(圖2)，人體感受為“微涼”，對照點C1為27.4 ℃，人體感受為“微暖”。說明此公園內(nèi)春季植物群落下的熱舒適度感受沒有對照點舒適，原因可能是哈爾濱春季氣溫較低、早晚溫差較大，有植物覆蓋的空間導致太陽輻射的程度較差，由此帶來舒適度“微涼”的感受。尚志公園內(nèi)植物群落春季日平均PET均低于18～23 ℃的范圍區(qū)間(圖2)，人體感受為“微涼”，此時對照點C2的PET=30.8 ℃，人體感受為“溫暖”。兆麟公園內(nèi)植物群落春季日平均PET均低于18～23 ℃(圖2)，人體感受為“微涼”，相反，對照點C3的PET為26.1 ℃，人體感受為“微暖”。兆麟公園內(nèi)的情況與古梨園和尚志基本相似，春季植物群落內(nèi)的PET較低，人體感受為“微涼”。

圖2 春季植物群落與對照點日均PET

春季16個植物群落各時間點熱舒適度情況(表4)，植物群落內(nèi)處于“舒適”范圍的僅占10.23%，處于“微涼”的占73.86%，感受為“涼爽”的占15.91%，說明春季公園植物群落下的舒適度較差，處于“微涼”的狀態(tài)較多。相反，春季各公園內(nèi)無植物覆蓋的對照點處于“舒適”范圍的占21.21%，處于“微暖”的占18.19%，“溫暖”的占24.24%，熱舒適度較好；比較之下沒有“微涼”“涼爽”的測點。結(jié)果表明，春季植物群落內(nèi)的人體舒適度并沒有對照點的好，改善效果較差。

表4 城市公園春季熱感覺總體情況

2.1.2 夏季植物群落熱舒適度

夏季古梨園各植物群落的日均PET均低于對照點C1(圖3)，人體感受為“舒適”和“微暖”，對照點C1的人體舒適度感受為“熱”，群落與對照點PET的最大差值為16.7 ℃，說明群落在夏季能夠較好地改善局地小氣候的舒適性。夏季尚志公園內(nèi)植物群落日均熱舒適度PET(圖3)顯示此公園內(nèi)植物群落在夏季改善局地小氣候上有著明顯的效果，且PET的差值達到17.1 ℃。夏季兆麟公園植物群落日均人體熱舒適度PET(圖3)，植物群落的日均PET均小于對照點，且植物群落日均值均處于“舒適”的范圍內(nèi)，雖群落P13的PET略高于23 ℃，但其遠小于對照點，證明夏季兆麟公園內(nèi)植物群落也具有良好的小氣候改善能力。

圖3 夏季公園植物群落與對照點日均PET

夏季各公園內(nèi)植物群落各時間點人體熱舒適度總體情況(表5)，夏季主要在“舒適”和“微暖”兩個感受，熱感覺為“舒適”的占48.86%，證明各公園內(nèi)的植物群落在夏季能夠有效改善人體舒適度。與春季相比，雖然夏季無人體感受為“涼爽”的感受，但感受為“微暖”的比例上升。夏季公園內(nèi)16個植物群落各時間點人體熱舒適度優(yōu)于春季。由夏季各公園內(nèi)對照點人體熱感覺情況(表5)可知夏季對照點熱感覺為“炎熱”占33.33%，比例最高，其次熱感覺為“熱”占30.3%。研究表明雖實驗地選取為哈爾濱市公園，但無植物覆蓋的對照組的人體舒適度不佳，反證植物群落具有局地小氣候調(diào)節(jié)作用。

表5 城市公園夏季熱感覺總體情況

2.1.3 秋季植物群落熱舒適度

秋季古梨園內(nèi)植物群落PET日均值為6～8 ℃，熱感受為“冷”(圖4)，說明此季節(jié)該公園內(nèi)對照點的舒適度優(yōu)于各植物群落。秋季尚志公園內(nèi)植物群落的PET日均值在6～8.8 ℃，熱感受為“冷”和“涼爽”，此時對照點C2的熱舒適度PET為19.1 ℃，剛好處于“舒適”(圖4)，說明秋季尚志公園內(nèi)對照點的舒適度優(yōu)于各植物群落。秋季兆麟公園內(nèi)植物群落的PET日均值在6～8.2 ℃，秋季古梨園內(nèi)植物群落的人體感受為“冷”和“涼爽”，說明秋季尚志公園內(nèi)植物群落下的小氣候也不適合戶外活動，此時該公園內(nèi)對照點C2的熱舒適度PET17.3，處于“微涼”感受(圖4)，說明秋季兆麟公園內(nèi)對照點的舒適度優(yōu)于各植物群落，但體感也為“微涼”不舒適。

圖4 秋季公園植物群落與對照點日均PET

秋季三座公園內(nèi)植物群落各時間點人體熱舒適度總體情況如表6所示，秋季公園內(nèi)植物群落舒適度的范圍在“寒冷”“冷”“涼爽”“微涼”4種人體熱感受，人體感受為“冷”的占比高達50.57%，其次是占總體36.93%人體感受為“涼爽”的狀態(tài)，證明在秋季植物群落內(nèi)的小氣候舒適度體感不佳，植物群落在秋季調(diào)節(jié)小氣候的效果上沒有起到積極的作用。相比之下，秋季公園內(nèi)對照點熱感受為“舒適”的占比高達33.33%，熱舒適度優(yōu)于植物群落。

表6 秋季城市公園熱感覺總體情況

2.2 植物群落PET與小氣候因子相關(guān)性

2.2.1 春季PET與小氣候因子相關(guān)性

從表7可知，春季植物群落熱舒適度PET與此季節(jié)溫度呈正相關(guān)，與太陽輻射也呈正相關(guān)，與瞬時風速沒有相關(guān)性，而與相對濕度呈負相關(guān)。比較相關(guān)系數(shù)可知，春季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度呈極強相關(guān)，與相對濕度強相關(guān)，與太陽輻射呈中度相關(guān)，其相關(guān)性排序:空氣溫度>相對濕度>太陽輻射>風速。春季16個植物群落PET與小氣候因子之間的相關(guān)性強弱與顯著性存在差異。

表7 春季各植物群落PET和小氣候因子相關(guān)性

2.2.2 夏季PET與小氣候因子相關(guān)性

從表8可知，夏季植物群落PET與溫度呈正相關(guān)，與太陽輻射呈正相關(guān)，與瞬時風速沒有相關(guān)性，與濕度呈負相關(guān)。比較三者相關(guān)系數(shù)可知，夏季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度呈極強相關(guān)，與相對濕度呈中度相關(guān)，與太陽輻射呈弱相關(guān)，相關(guān)性排序:空氣溫度>相對濕度>太陽輻射>風速。夏季16個植物群落PET值與小氣候因子之間的相關(guān)性強弱與顯著性存在差異

表8 夏季各植物群落PET和小氣候因子相關(guān)性

2.2.3 秋季PET與小氣候因子相關(guān)性

根據(jù)表9所示，秋季植物群落PET與溫度正相關(guān)，與太陽輻射呈正相關(guān)，與瞬時風速沒有相關(guān)性，與濕度呈負相關(guān)。比較相關(guān)系數(shù)可知，秋季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度和太陽輻射呈極強相關(guān)，與相對濕度呈中等強度相關(guān)，相關(guān)性排序為:空氣溫度>太陽輻射>相對濕度>風速。秋季16個植物群落PET與該季節(jié)小氣候因子之間的相關(guān)性強弱與顯著性存在差異。

表9 秋季各植物群落 PET 和小氣候因子相關(guān)性

2.2.4 植物群落舒適度與其他因素相關(guān)性

對所選取的植物群落進行了其植物種類、密度、郁閉度與舒適度的相關(guān)性研究分析。由于春、夏、秋3個季節(jié)中，植物群落對舒適度的調(diào)節(jié)作用在夏季最為明顯，所以以夏季為例，試分析植物群落自身特征與小氣候舒適度的相互關(guān)系(表10)。

表10 夏季植物群落內(nèi)種類、密度、郁閉度情況

根據(jù)計算的夏季植物群落的舒適度PET日均值，分別與植物群落內(nèi)種類、密度、郁閉度因素進行相關(guān)分析(表11)。植物群落的夏季舒適度PET與種類數(shù)、密度、郁閉度均具有相關(guān)關(guān)系，其中與群落內(nèi)的種類數(shù)呈負相關(guān)，與密度和郁閉度呈正相關(guān)。根據(jù)相關(guān)性系數(shù)可知，舒適度PET值與種類數(shù)、密度、郁閉度的相關(guān)性排序為種類數(shù)>密度>郁閉度；其中與種類數(shù)呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，與密度、郁閉度均呈顯著相關(guān)(P<0.05)。

表11 植物群落夏季舒適度與種類、密度、郁閉度的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 群落降溫增濕季節(jié)變化

對春、夏、秋三季植物群落的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著季節(jié)的變化，植物群落的自身結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，葉片的凋落使其郁閉度降低，導致空間內(nèi)太陽輻射進入，致使植物群落的降溫增濕作用產(chǎn)生差異。植物的生理機能由于生長期和物候期的不同而發(fā)生季節(jié)性變化，導致在環(huán)境舒適度的調(diào)節(jié)作用不同。研究的植物群落大部分為落葉喬木，隨著季節(jié)的變化產(chǎn)生葉片掉落、郁閉度降低等情況，導致秋季植物群落的小氣候舒適度調(diào)節(jié)作用較差。因此城市公園植物群落配置時，要把樹種物候期作為參考依據(jù)，選擇在不同季節(jié)對于人體舒適度調(diào)節(jié)效果差異不大的樹種，保證植物群落內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定。

3.1.2 群落熱舒適度變化

城市公園植物群落的種植開始趨向于開放式、可進入式，人的可進入致使植物群落內(nèi)的小氣候環(huán)境熱舒適程度是否舒適成為研究的重要課題之一。因此在綠地群落構(gòu)建中，不僅要考慮景觀效果，更要考慮小氣候調(diào)節(jié)效應，并綜合現(xiàn)有植物群落下人體舒適度的評價結(jié)果，選擇可以提供較好舒適度的種植結(jié)構(gòu)與搭配，同時也要結(jié)合數(shù)據(jù)考慮群落在一天中的小氣候變化狀況進行合理的種植。由于條件限制，所選取的植物群落有限，僅是哈爾濱公園中的小部分樣例，還有更多的群落需要進一步的實測并加以評價。

3.1.3 群落舒適度與小氣候因子相關(guān)性

戶外空間的熱舒適度受諸多因素影響，植物群落是城市公園綠地系統(tǒng)中重要組成部分。本文通過對植物群落人體舒適度與小氣候因子之間的相關(guān)性分析可知，春、夏、秋三季的小氣候因子與人體舒適度的密切程度不同。由于植物群落本身具有相對復雜的屬性，其本身受植物種類、豐富度、種植密度等因素影響，并沒有過多的分析植物群落自身因素如群落中植物株距、株高、冠幅等與人體舒適度之間的關(guān)系，而是將選取的植物群落自身視為一個整體進行分析，日后需進一步研究探討其更多的自身因素與熱舒適度的關(guān)系。

3.2 結(jié)論

以哈爾濱三座公園為研究對象，結(jié)合軟件RayMan 1.2計算并評價了公園不同植物群落在春、夏、秋3個季的人體舒適感受，分析了小氣候因子與人體舒適度PET的相關(guān)性，結(jié)果如下。

(1)春季公園植物群落下的舒適度較差，大部分時間處于“微涼”感受；相反，各公園內(nèi)對照點人體舒適度較好。夏季公園內(nèi)植物群落舒適度的范圍主要在“舒適”和“微暖”兩個感受程度上，對照點的人體舒適度感受主要為“炎熱”和“熱”，夏季植物群落具有積極有效的局地小氣候調(diào)節(jié)作用。秋季公園內(nèi)植物群落舒適度感受為“寒冷”“冷”“涼爽”“微涼”4種人體熱感受，植物群落在秋季調(diào)節(jié)小氣候效果上沒有起到積極的作用，而是帶來了相反的改善結(jié)果。

(2)通過對春、夏、秋三季PET與小氣候因子相關(guān)性分析，春、夏兩季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度和太陽輻射均呈顯著正相關(guān)，與瞬時風速沒有顯著相關(guān)性，而與相對濕度呈顯著性負相關(guān)。其相關(guān)性大小排序為:空氣溫度>相對濕度>太陽輻射>風速。秋季植物群落熱舒適度PET與空氣溫度和太陽輻射呈極強相關(guān)，與相對濕度呈中等強度相關(guān)，其相關(guān)性大小排序為:空氣溫度>太陽輻射>相對濕度>風速。

(3)植物群落舒適度PET與種類數(shù)、密度、郁閉度的相關(guān)性排序為種類數(shù)>密度>郁閉度；其中與密度、郁閉度均呈顯著相關(guān)(P<0.05)，與種類數(shù)呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。

研究在一定程度上拓展了室外熱環(huán)境評價的范圍，在實踐上填補了關(guān)于哈爾濱城市公園植物群落熱舒適評價的缺失。但研究指標選取只能算作是一次試探性研究。由于不同地區(qū)植物群落主導因素存在差異，在以后的調(diào)查研究中，應根據(jù)具體當?shù)氐奶卣?，合理的建立指標體系對其進行評價，為城市公園的建設(shè)及改造提供參考。