銀川市居民區(qū)不同植被配置模式綠地對秋冬季小氣候的影響

高得平，卞瑩瑩，樊 敏，王 娜

（寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

小氣候是在一定空間范圍內(nèi)，由于土壤、植被等下墊面構(gòu)造和特性不同而引起的地表水熱收支差異[1]。隨著社會發(fā)展，城市環(huán)境日益惡化，居住區(qū)作為居民社會生產(chǎn)活動中最重要、最核心的區(qū)域，是居民休閑及交流的室外公共空間環(huán)境，其植物群落配置是影響居住區(qū)小氣候的主要因素[2-3]，優(yōu)良的城市小氣候有助于提升人民的生活品質(zhì)、改善居住環(huán)境、促進(jìn)城市發(fā)展[4]。居民區(qū)綠地對維持區(qū)域生態(tài)平衡[5]，調(diào)節(jié)和改善小氣候環(huán)境起著至關(guān)重要的作用[6]。不同類型的植被由于其光合、呼吸、蒸騰等作用的差異，改變了其周圍近地面區(qū)域的水熱分配，進(jìn)而形成了局地小氣候[7]，局地小氣候又反作用于區(qū)域內(nèi)植物的生長發(fā)育、光合呼吸、蒸騰等生命活動。

Cruz等[8]、Gregg等[9]的研究結(jié)果表明，綠地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間布局覆蓋率越大，降溫增濕能力越強(qiáng)，對負(fù)氧離子濃度的調(diào)節(jié)作用越明顯。張風(fēng)[10]、王昕等[11]、段文嘉[12]的研究結(jié)果表明，與開闊的廣場空間相比，植被密集區(qū)域比植被單一區(qū)域?qū)π夂蚓哂懈玫慕禍?、增濕效果，冬季廣場上的太陽輻射比喬木冠層覆蓋的和其他有復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)的廣場更高，空間舒適度更好。夏舒適[13]對沈陽圍合居住區(qū)的研究結(jié)果表明，居民區(qū)內(nèi)喬-草模式的綠地降溫增濕效果優(yōu)于灌-草模式。姚益平等[14]通過分析浙江省氣象部門18個氣象站數(shù)據(jù)，表明植被密度大的綠地負(fù)氧離子濃度遠(yuǎn)高于植被密度較小的區(qū)域。隨著植被覆蓋度降低，負(fù)氧離子濃度降低，日平均“清新”時間減少。毛成忠等[15]通過對宜昌市中心城區(qū)的研究結(jié)果表明，森林區(qū)負(fù)氧離子濃度高于無植被覆蓋區(qū)域的5～6倍；肖以華等[16]發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子含量的日變化在植被環(huán)境中變化趨勢較一致，平均含量約在800個/cm3以上；周德平等[17]發(fā)現(xiàn)不同植被環(huán)境的負(fù)氧離子含量由高到低依次為：闊葉林＞混交林＞針葉林＞草地＞山石；鄧成等[18]研究表明伴隨著林分發(fā)展階段的深入，林分內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，森林凈化空氣的能力隨之增強(qiáng)，植被的配置和密度是影響負(fù)氧離子含量的關(guān)鍵因素。以上研究結(jié)果多來源于一定季節(jié)內(nèi)連續(xù)時間的集中觀測數(shù)據(jù)，缺乏長期定位動態(tài)監(jiān)測。本研究以銀川市4種具有代表性的植被配置模式綠地為研究對象，定點(diǎn)觀測秋冬季節(jié)各樣地內(nèi)太陽輻射、溫度、濕度、空氣負(fù)氧離子濃度4種主要?dú)夂蛑笜?biāo)，通過對比各樣地內(nèi)各指標(biāo)的差異，篩選出適合銀川市居民小區(qū)的植被配置模式，以期為改善銀川居民區(qū)氣候環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

銀川市（106°0′50″E~106°26′52″E，38°21′58″N~38°37′52″N）位于黃河上游，寧夏平原中部，是典型的中溫帶干旱區(qū)大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差大，氣候干燥，風(fēng)大沙多。年均氣溫8.5℃左右，年均日照時數(shù)2 800～3 000 h，年均降水量180~200 mm，年均蒸發(fā)量1 825 mm，年干旱指數(shù)7.8~8.0[19]。銀川市居住區(qū)綠地主要以喬-灌-草、喬-草、灌-草植被配置模式為主，植物類型多樣，喬木主要有國槐（Sophora japonicaLinn.）、白蠟（Fraxinus chinensis）、青海云杉（Piceacrassifolia Kom.）、小葉楊（Populussimonii Carr）等，灌木以紫葉李（Prunus cerasiferaEhrhar f.）、連翹（Forsythiasuspensa）、丁香（SyringaoblataLindl.var.alba Rehder）、珍珠梅（SorbariasorbifoliaL.）為主，草本植物以早熟禾（PoaannuaL.）、千屈菜（LythrumsalicariaL.）為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以銀川市城市發(fā)展規(guī)劃和綠地建設(shè)的相關(guān)資料為基礎(chǔ)，對市轄區(qū)所有居住區(qū)綠地進(jìn)行踏查，選擇興慶府大院和恒大名都2個居民區(qū)內(nèi)的灌-草、喬-灌-草、密林、喬-草4種植被配置模式綠地為觀測對象，以居住區(qū)內(nèi)無植被覆蓋的硬鋪裝地面為對照。每種植被配置模式綠地設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地2塊，面積20 m×20 m，各標(biāo)準(zhǔn)樣地間隔≥200 m。在各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)進(jìn)行植物群落調(diào)查，喬木層測量喬木的胸徑、樹高、郁閉度等指標(biāo)，灌木層測定其株數(shù)、高度、蓋度等，草本層測量其蓋度、多度等，分析植物群落數(shù)量特征及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，樣地基本信息如表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣地基本信息

2019年10月至2020年1月，每月中旬選取晴好、無風(fēng)的相似天氣，在各植被配置模式標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3個測量點(diǎn)，同時測定其太陽輻射、溫度、濕度、空氣負(fù)氧離子濃度。測量時間為測量日的08∶00—18∶00，時間間隔為2 h，觀測高度為地表以上1.5 m處，與成人呼吸高度基本一致。氣象數(shù)據(jù)來源于居住區(qū)內(nèi)布設(shè)的自動氣象站，觀測樣地內(nèi)人為干擾信息來自居住區(qū)物業(yè)管理公司，人為干擾因素包括草地修剪、喬灌木修枝、人工灌溉等。

1.2.2數(shù)據(jù)采集 太陽輻射使用臺灣泰仕高精度太陽能輻射儀（TES-1333R）測定；空氣溫、濕度使用Kestrel（NK5500）手持式氣象觀測站測定；空氣負(fù)氧離子濃度使用空氣負(fù)離子檢測儀（KEC900+II）測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理采用microsoft excel 2016，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 21.0，單因素方差分析用于比較不同植被配置模式樣地間空氣溫度、濕度、太陽輻射強(qiáng)度、空氣負(fù)氧離子濃度的差異；作圖采用origin 2018。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 不同植被配置模式綠地內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度差異比較

銀川市居民區(qū)在秋冬季的太陽輻射強(qiáng)度隨月份變化呈持續(xù)減弱趨勢（圖1a）。4種植被配置模式綠地內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度在10月、11月、12月差異顯著（P＜0.05），10月份各樣地內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度最高的是灌-草模式，為317.3 W/m2，最低的是密林模式，為72.8 W/m2；11月份各配置模式間無明顯差異，裸地相較其他配置模式負(fù)氧離子濃度較高，12月份喬-草模式樣地內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度最高，喬-草模式的太陽輻射強(qiáng)度分別為291.3 W/m2，密林模式最低為28.9W/m2；1月份各配置模式間無明顯差異。

如圖1b所示，不同植被配置模式綠地內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度差異顯著（P＜0.05），太陽輻射強(qiáng)度大小依次為裸地＞喬-草＞灌-草＞喬-灌-草＞密林。

圖1 不同植被配置模式綠地內(nèi)秋冬季太陽輻射強(qiáng)度差異

2.2 不同植被配置模式綠地內(nèi)空氣溫度、濕度差異比較

如圖2a可知，不同配置模式綠地內(nèi)溫度隨月份變化呈現(xiàn)下降的趨勢，10月至翌年1月，居民區(qū)各植被配置模式間綠地內(nèi)溫度均無顯著差異（P＞0.05），白天最高溫度達(dá)13.85℃，最低為-2.04℃，溫差為15.89℃。如圖2b所示，秋冬季居民區(qū)4種植被配置模式綠地內(nèi)溫度無顯著差異（P＞0.05）。各配置模式中密林模式對提高濕度的效果最為明顯，喬-草模式的最差。

圖2 不同植被配置模式空氣溫濕度的差異

如圖3a所示，10月至翌年1月，居民區(qū)4種植被配置模式綠地內(nèi)濕度無顯著差異（P＞0.05），不同配置模式綠地內(nèi)濕度隨月份變化呈先下降后升高的變化趨勢。如圖3b所示，居民區(qū)4種植被配置模式綠地內(nèi)濕度無顯著差異（P＞0.05），對居民區(qū)綠地內(nèi)增濕效果從高到低依次是密林＞喬-草＞喬-灌-草＞灌-草。其中密林模式的濕度為41.0%，相比灌-草模式（41.0%）差異最大，相差2.5%。

圖3 不同植被配置模式對空氣濕度的差異

2.3 不同植被配置模式綠地內(nèi)空氣負(fù)氧離子濃度差異比較

如圖4a所示，隨著月份變化，居民區(qū)4個植被配置模式綠地內(nèi)負(fù)氧離子濃度整體呈下降趨勢，密林的變化趨勢最為明顯；各月份各植被配置模式間負(fù)氧離子濃度差異顯著（P＜0.05）。如圖4b所示，負(fù)氧離子濃度從高到低依次是密林＞喬-灌-草＞喬-草＞灌-草＞裸地，相較裸地而言，密林模式具有較高的負(fù)氧離子濃度。10月份密林模式（676.3個/cm3）負(fù)氧離子濃度最高且與其他植被配置模式均存在顯著差異（P＜0.05），其他配置模式間無顯著差異，最低的是喬-草模式，為297.3個/cm3。11月份密林模式的負(fù)氧離子濃度高于其他配置模式，且其他配置模式之間無明顯差異。12月份居民區(qū)密林模式的負(fù)氧離子濃度低于喬-灌-草模式，相差90.71個/cm3，高于其他配置模式。1月份各配置模式間的喬-草模式的負(fù)氧離子濃度差最低，灌-草和喬-灌-草之間無明顯差異（P＜0.05）。整體來看，灌-草、喬-灌-草和喬-草模式之間無明顯差異，和密林模式和裸地有顯著差異，密林和裸地間有顯著差異且差異最大（P＜0.05）。

圖4 不同植被配置模式空氣中負(fù)氧離子濃度的差異

2.4 配置模式綠地內(nèi)小氣候指標(biāo)與氣候因子、綠地郁閉度、樓高、樓間距等的相關(guān)性

由表2可知，銀川市居民小區(qū)灌-草模式樣地內(nèi)的溫度與濕度、樓高、郁閉度、平均濕度呈正相關(guān)，與空氣負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；濕度與樓間距和負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)；濕度與樓高和郁閉度呈正相關(guān)（P＜0.01）；空氣負(fù)氧離子濃度與樓高和郁閉度呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；其他指標(biāo)間均無顯著相關(guān)。喬-灌-草配置模式內(nèi)，溫度與濕度呈正相關(guān)，與空氣負(fù)氧離子濃度、樓間距和郁閉度呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；濕度與樓間距和負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與灌-草一致，濕度與樓高正相關(guān)（P＜0.01）；空氣負(fù)氧離子濃度與樓間距和郁閉度呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01），其他指標(biāo)間均無顯著相關(guān)。密林模式中，太陽輻射強(qiáng)度與其他因素?zé)o顯著相關(guān)，溫度和濕度、樓高、郁閉度呈正相關(guān)，與空氣負(fù)氧離子濃度、樓間距呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；空氣負(fù)氧離子濃度與樓間距呈正相關(guān)，與樓高、郁閉度、降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。喬-草模式中風(fēng)速和溫度、濕度、樓高、郁閉度呈負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；溫度與濕度、樓高、郁閉度呈正相關(guān)，與空氣負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；濕度與負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)，與樓高、郁閉度呈正相關(guān)（P＜0.01）。空氣負(fù)氧離子濃度與樓高、郁閉度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。裸地對照組中，太陽輻射和溫度、樓高呈正相關(guān)，與空氣負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；而溫度與空氣負(fù)氧離子濃度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，與樓高呈正相關(guān)（P＜0.01）；濕度與負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)，與樓高呈正相關(guān)（P＜0.01）；負(fù)氧離子濃度和樓高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

表2 植被配置模式與氣候因子的相關(guān)性分析

2.5 配置模式綠地內(nèi)小氣候指標(biāo)評分比較

由表3可知，通過對秋冬季銀川市居民區(qū)不同植被配置模式綠地內(nèi)各小氣候指標(biāo)（太陽輻射強(qiáng)度、溫度、濕度、空氣負(fù)氧離子濃度）進(jìn)行評分[20]，綜合各配置模式得分情況可知各模式優(yōu)化效果依次為灌-草、喬-灌-草、喬-草、密林模式，篩選出秋冬季銀川市居民區(qū)最優(yōu)植被配置模式綠地為灌-草模式。

表3 各配置模式評分比較

3 討論

3.1 植被配置模式對太陽輻射的影響

太陽輻射是生活中不可或缺的環(huán)境因素之一，由于喬灌木的樹冠阻擋、吸收和反射太陽輻射，植被的蒸騰吸收部分熱量[21]，植被枝葉阻擋空氣快速流通作用，以及樓層等建筑物通過遮擋太陽光[22]間接影響太陽輻射強(qiáng)度，減緩氣溫的日變化，縮小日振幅，所以植物、地形、水體、鋪裝、構(gòu)筑物等多個要素共同影響特定環(huán)境下的小氣候特征[23]。本研究中，4種植被配置模式均顯著降低了太陽輻射強(qiáng)度，尤其是密林模式對太陽輻射的減弱程度最大。李坤[24]、常猛等[25]人研究表明，林內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于裸地，林內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度日變化均呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢，與本研究結(jié)果一致，居民區(qū)不同植被配置模式由于其林木郁閉度和林間密度的不同，使得裸地與其他4種配置模式的太陽輻射有顯著性差異。一般來說，隨秋冬季節(jié)的變化，太陽輻射強(qiáng)度會逐月降低。本研究中，2個居民區(qū)的太陽輻射變化下降的趨勢并不明顯，主要是由于秋冬季天氣狀況和建筑高度等對太陽輻射的影響，小區(qū)內(nèi)樹種多為落葉喬木，隨著郁閉度的降低，植被覆蓋的樣地對太陽輻射強(qiáng)度減弱效果降低，使得配置間的太陽輻射效果不明顯，影響太陽輻射的主要因素會變成天氣情況和建筑物等。

3.2 植被配置模式對溫、濕度和負(fù)氧離子的影響

溫度、濕度是人類感知外界環(huán)境舒適度的重要指標(biāo)之一。不同植被模式通過改變太陽輻射平衡來影響氣溫和濕度，植被覆蓋度大，樹種種類多的地區(qū)，小氣候較為穩(wěn)定[26]，其平均溫度及最高溫度低于無植被覆蓋區(qū)，最低溫度則較高，溫差變化更小[27]。古琳[28]等人在惠山國家森林公園游憩林小氣候研究中發(fā)現(xiàn)，林分在調(diào)節(jié)小氣候效應(yīng)更為明顯的季節(jié)是夏季。武小剛等[29]人在太原市區(qū)對綠地特征要素與綠地降溫增濕效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，綠地降溫增濕效果與綠量、綠地面積顯著正相關(guān)，植被的郁閉度越高，對太陽輻射的遮擋效果越明顯，從而降低局部區(qū)域內(nèi)氣溫的升高，同時也會對濕度變化產(chǎn)生明顯的影響。羅鳳敏等[30]人在烏蘭布和綠洲小氣候效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，林外地表溫度和蒸發(fā)量增長率均高于林內(nèi)，冬季則相反；四季的相對濕度均為林內(nèi)高于林外。本研究中不同植被配置模式綠地內(nèi)的空氣溫、濕度無顯著差異，可能由于本試驗(yàn)時期處于秋冬季且地處西北地區(qū)，植被多屬落葉喬灌木，大量林木落葉導(dǎo)致林內(nèi)林外差異變小。

空氣負(fù)氧離子是大氣中帶負(fù)電荷的單個氣體分子和氫離子團(tuán)的總稱[31]，作為評測空氣質(zhì)量與環(huán)境舒適度重要指標(biāo)，有廣泛的生理生化效應(yīng)和功能[32-33]。本研究中，密林植被配置模式對居民區(qū)負(fù)氧離子濃度的調(diào)節(jié)作用最好，隨植被數(shù)量和種類的減少，負(fù)氧離子濃度也隨之降低，負(fù)氧離子濃度從高到低依次是密林、喬-灌-草、喬-草、灌-草、裸地。此研究結(jié)果與肖以華等[34]、周德平等[35]、鄧成等[36]人的研究結(jié)果一致。

3.3 植被配置模式內(nèi)受氣候因子、綠地郁閉度、樓高、樓間距、小區(qū)面積的影響

居民區(qū)大面積鋪裝地面和現(xiàn)代化建筑物的高度以及高強(qiáng)度的人類活動改變了地面大氣的分布情況，形成了同外界差異較大的局部小氣候，引起了周圍輻射及空氣溫濕度的變化[2，7，10]。植被是影響居民區(qū)小氣候中溫濕度變化重要因素之一。本研究中，10月、11月份興慶府大院的負(fù)氧離子濃度均高于恒大名都，這與興慶府大院的植被密度大、植被類型豐富，建筑物低且密集程度較小有關(guān)，導(dǎo)致空氣負(fù)氧離子濃度偏高；而在12月份，恒大名都的裸地和灌草的負(fù)氧離子濃度均高于興慶府大院，緣于這2種植被類型附近人工湖的存在[37]增加了空氣的相對濕度，大氣中的離子被吸附，從而形成凝結(jié)核，導(dǎo)致大氣中負(fù)氧離子濃度增加。趙蕾等[38]研究表明負(fù)氧離子濃度與氣溫呈負(fù)相關(guān)，與濕度呈正相關(guān)。本研究表明，空氣負(fù)氧離子濃度與溫度和濕度呈負(fù)相關(guān)性。尹淑嫻等[39]研究發(fā)現(xiàn)，太陽輻射強(qiáng)度增強(qiáng)導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)加劇，使得污染物在擴(kuò)散，此過程中大量空氣負(fù)離子被吸附，因此空氣中負(fù)離子濃度明顯降低。豐一鳴等[40]發(fā)現(xiàn)，空氣負(fù)氧離子濃度6—8月份達(dá)到最高，12月至翌年1月份最低，整體呈現(xiàn)負(fù)氧離子濃度先顯著下降，然后開始逐漸升高，這些研究與本研究結(jié)果一致，12月、1月的空氣負(fù)氧離子濃度最低，從10月份至翌年1月份呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

4 結(jié)論

1）銀川市興慶府大院和恒大名都居住小區(qū)內(nèi)，秋冬季灌草植被配置模式對小區(qū)內(nèi)小氣候的調(diào)節(jié)效果較好，可作為銀川市居住小區(qū)內(nèi)綠地建設(shè)的推廣模式。

2）氣候因素(綠地郁閉度、樓高、樓間距、小區(qū)面積)是影響銀川市居住小區(qū)內(nèi)小氣候的主要因素，為了改善居住區(qū)內(nèi)秋冬季小氣候可選擇灌-草模式綠地，可以將樓高建立在在8～10層，樓間距在≥100 m的范圍內(nèi)，秋冬季可以更大程度增加小區(qū)內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度和空氣負(fù)氧離子濃度。