基于熱舒適的濕熱地區(qū)露營(yíng)地樹木種植配置模式*

駱心儀 趙 陽 郭曈燁 鐘梓渝

廣州大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 廣州 510000

露營(yíng)為城市居民提供與大自然進(jìn)行交流和互動(dòng)的平臺(tái)，促進(jìn)人與人之間的交往，有利于人們的身心健康。研究表明，熱舒適水平影響城市開放空間的使用[1]?？諝鉁囟?、濕度、熱輻射、風(fēng)速等小氣候參數(shù)影響人體與周圍環(huán)境的熱傳遞[2]，露營(yíng)地的熱環(huán)境在很大程度上決定使用者的舒適度。然而，當(dāng)前大多數(shù)露營(yíng)地的樹木種植及布局隨意，缺少對(duì)熱環(huán)境方面的考量。濕熱地區(qū)夏季炎熱漫長(zhǎng)，在高溫天氣下，露營(yíng)地?zé)o法滿足人們的熱舒適需求，從而在一定程度上限制人們露營(yíng)。因此，改善露營(yíng)地室外熱環(huán)境對(duì)人們開展戶外露營(yíng)活動(dòng)尤為重要。

大量研究從多方面提出改善室外熱環(huán)境的策略。其中，種植樹木是有效的手段，樹木不僅能阻擋一定的太陽輻射，為行人提供遮蔭空間，其蒸散作用還能有效降低空氣溫度和增加濕度[3-4]。Kántor等[5]通過對(duì)比樹木遮蔭區(qū)與無遮蔭區(qū)發(fā)現(xiàn)，樹下空間的生理等效溫度 (Physiologically Equivalent Temperature，PET)降低了9.3℃，樹木通過吸收和反射太陽輻射降低平均輻射溫度，從而降低PET。Morakinyo等[6]指出樹木的物理特性，如樹冠寬度、葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)、樹高等，是影響樹木調(diào)節(jié)微氣候和改善室外熱舒適的關(guān)鍵因素，其中LAI和樹冠寬度的影響最為明顯。此外，樹木種植布局的不同也會(huì)對(duì)微氣候產(chǎn)生不同的影響[7]。例如，Zhao等[8]研究發(fā)現(xiàn)樹木群植和線性種植的布局方式對(duì)微氣候的調(diào)節(jié)效果比孤植的更明顯。因此，選擇合適的樹種和組織良好的種植布局可以更有效地改善露營(yíng)地的室外熱舒適。

綜上所述，本研究以濕熱地區(qū)夏季城市自然露營(yíng)地為對(duì)象，探討10種樹木對(duì)露營(yíng)地5種布局空間的室外熱環(huán)境影響，旨在找出顯著改善濕熱地區(qū)露營(yíng)地?zé)岘h(huán)境的樹種及種植模式。

1 研究區(qū)概況

廣州(22°26′—23°56′N，112°57′—114°3′E)是中國(guó)南部亞熱帶濕熱地區(qū)的一個(gè)典型城市，年平均氣溫和濕度分別為22℃和77%[9]，其日平均溫度在7月和8月最高(27.6～33.3℃)。風(fēng)向隨季節(jié)變化，夏季受亞熱帶高壓和南海低壓的影響盛行東南風(fēng)[10]。本研究選取廣州市番禺區(qū)大學(xué)城的一處自然露營(yíng)地作為研究對(duì)象，場(chǎng)地內(nèi)樹木種類及種植方式多樣，具有豐富的植物空間類型，具有較高的對(duì)比研究?jī)r(jià)值。

2 研究方法

2.1 微氣候?qū)崪y(cè)

為了評(píng)估露營(yíng)地的熱環(huán)境并驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，在2022年9月4日9∶00—18∶00進(jìn)行微氣候?qū)崪y(cè)，測(cè)量所選日期晴朗無云?；诼稜I(yíng)地人群的活動(dòng)行為及樹木種植模式的不同，分別選出開敞無遮蔭(測(cè)點(diǎn)1)、樹木包圍無遮蔭(測(cè)點(diǎn)2)、孤植遮蔭(測(cè)點(diǎn)3)、群植半遮蔭(測(cè)點(diǎn)4)、群植全遮蔭(測(cè)點(diǎn)5)共5個(gè)測(cè)點(diǎn)。所有儀器使用前均經(jīng)過校準(zhǔn)(表1)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的高度離地面1.5 m。

表1 測(cè)量?jī)x器及其參數(shù)

圖1 研究區(qū)域平面圖及測(cè)點(diǎn)布置

2.2 ENVI-met樹木模型搭建

取10種濕熱地區(qū)露營(yíng)地常見的樹木，并在ENVI-met仿真軟件的Albero模塊中構(gòu)建樹木模型。構(gòu)建樹木模型需要樹高、冠幅、枝下高、葉面積密度(Leaf Area Density，LAD)、葉片反射率、根幅、根深、根系形狀和根面積密度共9種參數(shù)。由于樹木的根系形態(tài)對(duì)模擬效果影響不顯著[11]，因此根系形態(tài)在建模中均采用軟件的默認(rèn)值，其余樹木物理參數(shù)均為實(shí)測(cè)值。其中，樹高、冠幅及枝下高采用測(cè)距儀測(cè)量；葉片反射率使用分光光度計(jì)(Lambda 950-紫外-可見-近紅外，美國(guó))測(cè)量；LAI采用植物冠層圖像分析儀(TOP-1300，中國(guó))測(cè)量；樹冠各層LAD采用Lalic等[12]提出的經(jīng)驗(yàn)算法計(jì)算。具體樹木的屬性和物理參數(shù)如表2所示，樹木模型如圖2所示。LAD計(jì)算公式如下:

表2 樹木屬性和物理參數(shù)

圖2 ENVI-met樹木模型

式(1)中:h為樹高(m)；Z為冠層高度(m)；Zm為L(zhǎng)AD最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的高度。

2.3 模型精度評(píng)價(jià)

雖然應(yīng)用ENVI-met模型模擬中小尺度的城市熱環(huán)境的準(zhǔn)確性已得到驗(yàn)證，但由于地域及氣候環(huán)境、場(chǎng)地元素、試驗(yàn)對(duì)象等因素的不同，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性可能會(huì)受到影響[7，11]。因此，本研究采用決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)和平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error，MAE)作為ENVI-met模擬精度校驗(yàn)指標(biāo)[13]。計(jì)算公式如下:

式(2)、式(3)中:m為模擬值；x為實(shí)測(cè)值；n為實(shí)測(cè)次數(shù)。

2.4 熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)

PET為在某一室外環(huán)境中，當(dāng)人體處于熱平衡時(shí)，其體表溫度和體內(nèi)溫度達(dá)到與典型室內(nèi)環(huán)境同等的熱狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的氣溫，是現(xiàn)今在各種不同氣候下較為常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[14]。PET在不同氣候區(qū)具有不同的評(píng)價(jià)范圍，本研究使用廣州的PET評(píng)估范圍[15](圖3)。

圖3 廣州的PET評(píng)估范圍

2.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究不改變現(xiàn)狀區(qū)域的樹木種植模式，將研究區(qū)域內(nèi)的全部樹木分別統(tǒng)一換成所選的10種樹木類型，分別為高山榕(Fa)、紅花羊蹄甲(Bb)、蒲桃(Sj)、非洲楝(Ks)、大花紫薇(Ls)、黃葛樹(Fv)、秋楓(Bj)、人面子(Dd)、鳳凰木(Dr)、小葉榕(Fc)共10種場(chǎng)景，分別討論不同樹種對(duì)開敞無遮蔭(A1)、樹木包圍無遮蔭(A2)、孤植遮蔭(B1)、群植半遮蔭(B2)、群植全遮蔭(B3)這5種空間微氣候參數(shù)和PET的影響。此外，本研究以無植被的場(chǎng)景為對(duì)照組(Cg)，并取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)人行高度1.5 m處微氣候參數(shù)及PET的平均值與Cg進(jìn)行比較分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型精度

由圖4可知:各測(cè)點(diǎn)空氣溫度和相對(duì)濕度R2分別介于0.79～0.99、0.72～0.82；RMSE分別介于0.36～0.85℃、2.67%～3.68%；MAE分別介于0.31～0.74℃、2.24%～3.11%。結(jié)果說明誤差均在允許范圍內(nèi)，所建立的ENVI-met模型是可靠的，可用于本次研究。

圖4 研究區(qū)域各測(cè)點(diǎn)空氣溫度(a～e)、相對(duì)濕度(f～j)實(shí)測(cè)值與模擬值的線性擬合

3.2 不同樹種對(duì)不同空間空氣溫度的影響

由圖5可知:不同樹種對(duì)A1空間空氣溫度影響不大；在A2，不同樹種可以降低空氣溫度0.45～0.81℃，降溫梯度為Fa＞Bb＞Fc＞Fv＞Dr＞Dd＞Bj＞Ls＞Sj＞Ks；在B1可降低0.15～0.43℃的空氣溫度，降溫梯度為Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Bj＞Dd＞Sj＞Ls＞Dr＞Ks；在B2可降低0.60～1.02℃空氣溫度，降溫梯度為Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Dr＞Sj＞Ls＞Ks；在B3可降低空氣溫度0.60～0.91℃，降溫梯度為Bb＞Fa＞Fv＞Dr＞Fc＞Dd＞Bj＞Sj＞Ks＞Ls。

圖5 不同樹種對(duì)不同空間空氣溫度的影響

3.3 不同樹種對(duì)不同空間平均輻射溫度的影響

由圖6可知:各樹種對(duì)A1的平均輻射溫度影響不明顯；在A2，F(xiàn)a與Fc相比于其他樹種，降低平均輻射溫度的效果更明顯，平均可降低8.92℃和8.0℃，而其余樹種最多僅能降低平均輻射溫度1.09～3.40℃；在B1，不同樹種可降低平均輻射溫度6.84～13.85℃，梯度為L(zhǎng)s＞Bb＞Fc＞Fa＞Dd＞Fv＞Sj＞Bj＞Ks＞Dr；在B2，不同樹種可降低平均輻射溫度8.47～14.26℃，梯度為L(zhǎng)s＞Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ks；對(duì)于B3，不同樹種可降低平均輻射溫度9.46～13.67℃，梯度為L(zhǎng)s＞Bb＞Fa＞Fv＞Fc＞Dd＞Dr＞Sj＞Bj＞Ks。

圖6 不同樹種對(duì)不同空間平均輻射溫度的影響

3.4 不同樹種對(duì)不同空間相對(duì)濕度的影響

由圖7可知:不同樹種對(duì)A1和B1空間的相對(duì)濕度影響不大，平均相對(duì)濕度增加0.59%～1.99%；對(duì)其余3個(gè)空間的相對(duì)濕度影響明顯，其中在A2，與Cg相比，不同樹種可增加相對(duì)濕度1.99%～3.73%，遞增梯度為Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ls＞Ks；在B2，不同樹種可增加相對(duì)濕度2.16%～4.12%，遞增梯度為Bb＞Fa＞Fv＞Fc＞Dd＞Bj＞Sj＞Ls＞Dr＞Ks；在B3，不同樹種可增加相對(duì)濕度2.19%～3.72%，遞增梯度為Bb＞Fv＞Fc＞Dd＞Ls＞Fa＞Sj＞Bj＞Dr＞Ks。

圖7 不同樹種對(duì)不同空間相對(duì)濕度的影響

3.5 不同樹種對(duì)不同空間風(fēng)速的影響

由圖8可知，5種空間內(nèi)的風(fēng)速均出現(xiàn)不同程度的降低，但總體的幅度并不大。在A1，不同樹種降低風(fēng)速的能力無明顯差異；在A2中，不同樹種平均風(fēng)速為0.57～0.76 m·s-1，其中Fc風(fēng)速最低；對(duì)于B1、B2和B3這3個(gè)空間，不同樹種的平均風(fēng)速分別為0.59～0.8、0.40～0.77和0.37～0.80 m·s-1，其中，Ls風(fēng)速最低，Dr對(duì)風(fēng)速幾乎沒有影響。

圖8 不同樹種對(duì)不同空間風(fēng)速的影響

3.6 不同樹種對(duì)不同空間熱舒適度的影響及其相關(guān)性分析

由圖9可知:不同樹種的差異對(duì)A1的PET影響不大；Fa與Fc能較好地改善A2的熱環(huán)境，平均可降低PET 4.76℃和4.01℃，但其余樹種對(duì)改善此空間熱舒適度的效果不明顯，僅能降低PET 0.45～2.06℃；在B1，不同樹種可降低PET 3.88～6.35℃，降低梯度為L(zhǎng)s＞Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ks；在B2，不同樹種可降低PET 4.50～6.82℃，降低梯度為Bb＞Ls＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Dr＞Bj＞Sj＞Ks；對(duì)于B3，不同樹種可降低PET 5.27～6.94℃，降低梯度為Bb＞Ls＞Fa＞Fv＞Fc＞Dr＞Dd＞Ks＞Bj＞Sj。通過比較，5種不同空間熱舒適梯度為B3＞B2＞B1＞A2＞A1。

圖9 不同樹種對(duì)不同空間熱舒適度的影響

10種樹種與PET的相關(guān)性分析如表3所示:與Cg相比，各樹種都能極顯著(P＜0.01)降低PET值，樹種之間降低PET的平均差異為3.03～4.83℃；對(duì)于其余樹種，Ks與Fa對(duì)PET的影響差異達(dá)到極顯著(P＜0.01)水平，Ks、Sj與Bb、Fc差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)；Fa與Sj、Bj差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)；其余樹種之間對(duì)PET的影響無顯著差異。

表3 不同樹種與熱舒適度的相關(guān)性分析

5種樹木的不同布局空間與PET的相關(guān)性分析如表4所示:A1、A2與B1、B2、B3對(duì)PET的影響均有極顯著(P＜0.01)差異；A1與A2、B1與B2、B3之間對(duì)PET的影響無顯著差異。

4 討論

與對(duì)照組相比，種植樹木對(duì)A1類空間的熱環(huán)境影響不大，這是因?yàn)闃淠緦?duì)熱舒適的影響主要由遮蔭效果所決定[16]，而該類空間的遮蔭情況沒有被改變。這一結(jié)果與Lin等[17]的研究一致。

對(duì)于A2，與對(duì)照組相比，高樹干，大冠幅的樹種(Fa)能較明顯地降低空氣溫度(0.81℃)、平均輻射溫度(8.92℃)、PET(4.76℃)和增加濕度(3.21%)，相比其他樹種更明顯地改善該類空間的熱舒適，這是因?yàn)锳2類空間的測(cè)試點(diǎn)四周被樹木環(huán)繞，但頂部無枝葉遮擋，樹木產(chǎn)生的陰影隨太陽活動(dòng)而變化[18]，而高樹干且大冠幅的樹木能在上午和下午為該類空間提供相對(duì)較好的熱舒適效應(yīng)。

對(duì)于B1、B2、B3這3類空間，不同樹種所帶來微氣候的影響不同?？傮w來說，高LAI、大冠幅的樹種(Fa、Bb、Fc)改善這3類空間熱舒適度的效果更明顯[19]。雖然種植樹木能降低溫度，但在密林環(huán)境下(B3)，不同樹種的影響差異不顯著[20]，這是因?yàn)樵诿芰汁h(huán)境中，樹冠之間會(huì)重疊，LAI的影響微乎其微。Tamaskani等[21]通過比較正午時(shí)的相同覆蓋率但LAI不同的兩個(gè)場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的溫差小于0.5℃。因此，在密林中即使是低LAI，小冠幅的樹種也同樣具有較好的改善熱舒適度的效果。

樹木對(duì)微氣候有較好的調(diào)節(jié)作用，能明顯降低樹木冠層下的平均輻射溫度。這一現(xiàn)象與Feng等[22]和譚興等[23]的研究結(jié)果相似，因?yàn)闃淠就ㄟ^蒸騰作用和冠層遮蔭能夠有效地阻擋并削弱部分太陽輻射進(jìn)入樹下空間，進(jìn)而較大程度地降低平均輻射溫度。

樹木對(duì)露營(yíng)地的相對(duì)濕度有明顯的影響。模擬結(jié)果表明種植樹木可明顯增加露營(yíng)地的相對(duì)濕度，且高LAI、大冠幅的樹種(Fa、Bb、Fc)起到了更好的增濕效果。而Guo等[24]發(fā)現(xiàn)種植較少的樹木無法影響濕熱地區(qū)的城市室外小尺度活動(dòng)空間的相對(duì)濕度，與其相比，本研究區(qū)域樹木覆蓋率大，且下墊面為草地，較多的樹木和草地的結(jié)合增加了總蒸騰量，使相對(duì)濕度明顯增加。

對(duì)于A2、B2和B3這3個(gè)空間，樹木對(duì)其附近的氣流產(chǎn)生了阻擋，風(fēng)速明顯降低，其中，較高LAI、較低枝下高、較小冠幅的樹木(Ls)對(duì)風(fēng)的阻擋作用更明顯。這是因?yàn)槌手鶢畹臉涔诖怪泵娣e較大，與風(fēng)的有效接觸面積擴(kuò)大；高LAI樹木的葉面積密度大，葉間孔隙小[16]，對(duì)風(fēng)的阻擋作用更明顯[25]。因此在露營(yíng)地的樹木種植設(shè)計(jì)時(shí)，有必要在樹木的遮陽效應(yīng)和通風(fēng)效應(yīng)之間找到平衡。

在5種種植布局中，B1、B2、B3比A1、A2空間表現(xiàn)出較強(qiáng)的微氣候調(diào)節(jié)能力，其中B3對(duì)熱環(huán)境的改善效果最明顯，在同一場(chǎng)景，B3與對(duì)照組相比可降低空氣溫度(0.91℃)，平均輻射溫度(12.58℃)，PET(6.94℃)。對(duì)于B1、B2和B3而言，群植的樹木比孤植的樹木更能降低氣溫，這是因?yàn)槿褐仓羞B續(xù)的樹冠增加了持續(xù)的遮蔭面積，對(duì)太陽輻射的遮擋更明顯，因此冷卻和增濕效果也有所增加[8，26]。這與Abreu-Harbich等[27]的研究結(jié)果一致，即與對(duì)照組相比，在夏季孤植樹下的氣溫可降低0～2.8℃，而群植樹下的氣溫可降低0.3～15.7℃。

綜上，本研究?jī)H探究濕熱地區(qū)露營(yíng)地常見的10種樹木對(duì)5種不同種植布局空間熱環(huán)境的影響。事實(shí)上，人們?cè)诼稜I(yíng)空間的活動(dòng)方式較多，未來還可以探究不同樹種的種植搭配對(duì)露營(yíng)地的影響，以及在控制樹木種類的前提下探究樹木的數(shù)量及種植布局對(duì)熱環(huán)境的影響。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

5種不同種植布局空間的熱舒適度梯度為群植全遮蔭(B3)＞群植半遮蔭(B2)＞孤植遮蔭(B1)＞樹木包圍無遮蔭(A2)＞開敞無遮蔭(A1)。高LAI且大冠幅的樹木能更好地改善孤植遮蔭、群植半遮蔭和群植全遮蔭空間的熱舒適。在群植全遮蔭空間中，不同樹種對(duì)其熱舒適度的影響無明顯差異。對(duì)于樹木包圍無遮蔭空間，高樹干且大冠幅的樹木可在上午和下午提供短暫的遮蔭環(huán)境，可相對(duì)地提高舒適度。

5.2 建議

對(duì)于開敞無遮蔭空間，由于其熱舒適性差，在露營(yíng)地中應(yīng)相對(duì)集中不宜分散，以便提供與露營(yíng)相關(guān)的活動(dòng)場(chǎng)地，如放風(fēng)箏等。對(duì)于提供舒適空間有限的孤植遮蔭這類空間也不宜過多布置。在群植半遮蔭空間，應(yīng)種植高LAI、大冠幅的樹木。在群植全遮蔭空間，由于此類空間枝葉交叉，可提供充足的遮蔭環(huán)境，因此可考慮種植稍低LAI但較高枝下高、具備花香或特定形態(tài)的樹木，以利于露營(yíng)地通風(fēng)并營(yíng)造豐富的景觀。在樹木包圍無遮蔭這類較私密的特定需求空間，應(yīng)充分考慮樹木遮陽的動(dòng)態(tài)定位，選擇種植高樹干且大冠幅、較高枝下高的樹木。