城市風(fēng)景游憩林對(duì)環(huán)境變化的緩解效應(yīng)

劉 艷，黃雅奇，陳 嬋，李巧云，宋 胤，吳林世，廖菊陽(yáng)

(1.湖南省植物園，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.湖南長(zhǎng)株潭城市群森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.國(guó)家林業(yè)草原杜鵑工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

城市化是指一個(gè)國(guó)家或地區(qū)從傳統(tǒng)農(nóng)村社會(huì)逐步向現(xiàn)代城市社會(huì)轉(zhuǎn)變的歷史過(guò)程，人類(lèi)對(duì)城區(qū)的干擾強(qiáng)度隨著城市化進(jìn)程的加快呈現(xiàn)從郊區(qū)到市中心逐漸增加的趨勢(shì)。在城市生態(tài)建設(shè)過(guò)程中，植物多樣性作為城市生態(tài)的重要指標(biāo)，關(guān)系到人與自然的和諧發(fā)展[1]。目前有研究表明植物多樣性分布隨著城市化水平的提高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)[2]。景觀、游憩是森林的重要功能，也是發(fā)展生態(tài)旅游和森林健康等現(xiàn)代林業(yè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)[3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和居民生活水平的不斷提高，人類(lèi)對(duì)于風(fēng)景游憩林的依賴(lài)不斷增強(qiáng)[4-5]。2020年，由于新型冠狀病毒(COVID-19)襲擊，居民在家工作，社會(huì)關(guān)系疏遠(yuǎn)，世界各地許多城市對(duì)城市綠地的需求增加[6-7]。風(fēng)景游憩林作為一種重要的城市森林，除了有益于游客和居民的身心健康[8-9]和獲得愉悅感[9]外，還在改善和維護(hù)生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用[10]，如調(diào)節(jié)氣候[11-12]等。目前關(guān)于風(fēng)景游憩林的研究大多集中在基調(diào)樹(shù)種組成特征[13]、群落結(jié)構(gòu)特征[14]、景觀評(píng)價(jià)[15]等方面，而且大多集中在對(duì)珠江三角洲、京津冀以及東北等地區(qū)風(fēng)景游憩林的研究[14-16]。

已有研究證實(shí)，城市綠地植物群落能通過(guò)遮蔭和蒸散來(lái)緩解城市熱島效應(yīng)，改善城市環(huán)境[17]，此外，還在提高人類(lèi)健康水平、促進(jìn)社會(huì)互動(dòng)、緩解精神疲勞等方面具有積極作用[18]。風(fēng)景游憩林中含有豐富的負(fù)離子(空氣維生素)，可以顯著提高人體自然殺傷細(xì)胞的活性，提高人體免疫力，因此具備較高的康養(yǎng)價(jià)值[19]。同時(shí)，風(fēng)景游憩林作為城市有機(jī)生命體的重要棲息地，對(duì)高度城市化地區(qū)維護(hù)生態(tài)平衡發(fā)揮著重要作用。在高度發(fā)展的現(xiàn)代城市中，如何合理配置城市植物，優(yōu)化城市植物在生態(tài)系統(tǒng)中的服務(wù)功能，一直是城市生態(tài)領(lǐng)域關(guān)注的重要內(nèi)容[20]。目前，關(guān)于風(fēng)景游憩林內(nèi)環(huán)境指標(biāo)的城市化梯度效應(yīng)研究在華中地區(qū)較少，因此，本研究在長(zhǎng)株潭地區(qū)的城市綠地中選擇長(zhǎng)株潭地區(qū)典型城市風(fēng)景游憩林杜鵑(Rhododendronsimsii)林、櫻花(Cerasusyedoensis)林、楓香(Liquidambarformosana)林、馬尾松(Pinusmassoniana)林、樟樹(shù)(Cinnamomumcamphora)林等作為研究對(duì)象，探究風(fēng)景游憩林環(huán)境指標(biāo)的城鄉(xiāng)梯度差異，揭示風(fēng)景游憩林對(duì)城市化導(dǎo)致的環(huán)境指標(biāo)變化的緩解效應(yīng)，為進(jìn)一步研究亞熱帶地區(qū)風(fēng)景游憩林提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在湖南省長(zhǎng)株潭地區(qū)，地處111°53′—114°15′E，26°03′—28°41′N(xiāo)。該區(qū)的氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16.5～17.7℃，年降雨量約為1462.3mm；四季分明，熱量充足，降水豐沛，雨熱同期；地貌復(fù)雜，以山地、丘陵、平原為主，地形起伏較大，東、南面高，西、北面低；土壤母質(zhì)類(lèi)型多樣，以紅壤、水稻土、石灰土、紫色土等為主。地帶性植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，主要有樟樹(shù)、楓香、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、柯(Lithocarpusglaber)等樹(shù)種；兼有常綠針葉林，主要有杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松、濕地松(Pinuselliottii)等樹(shù)種。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

依據(jù)樣點(diǎn)間的不透水表面面積占比(Impervious Surface Area，ISA)[21]和樣點(diǎn)距市中心的距離劃分城市區(qū)域梯度，并根據(jù)城市化水平將城市劃分為建成區(qū)、近郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)。為去除兩種方法劃分結(jié)果的差異，采用加權(quán)回歸法分析綜合各樣點(diǎn)的不透水表面面積占比和距市中心距離，取其綜合值進(jìn)行區(qū)域梯度劃分。

2021年7月，采用典型抽樣法，在湖南省長(zhǎng)株潭地區(qū)的城市公園、社區(qū)公園、街頭綠地和自然森林公園中3種城市區(qū)域內(nèi)，以杜鵑、櫻花、馬尾松、樟樹(shù)、楓香等為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的風(fēng)景游憩林中分別設(shè)置面積為20m×20m的固定樣地，每種區(qū)域梯度每種林分至少設(shè)置4次重復(fù)，盡量使同一地貌區(qū)樣地的海拔、坡度、坡向等立地條件基本一致。記錄固定樣地的經(jīng)度、緯度、海拔、坡向、坡度等，同時(shí)采用樣方調(diào)查法對(duì)植物群落進(jìn)行調(diào)查。樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況Tab.1 Situation of plot setting林分類(lèi)型城市區(qū)域樣地名稱(chēng)建成區(qū)晚安文化公園、橘子洲、圭塘河生態(tài)公園杜鵑林近郊區(qū)湖南省植物園、桃花嶺公園、梅溪湖公園、烈士公園遠(yuǎn)郊區(qū)大圍山森林公園建成區(qū)晚安文化公園、保利麓谷體育公園、沙灣公園、橘子洲、圭塘河生態(tài)公園櫻花林近郊區(qū)尖山湖公園、南郊公園、湖南省植物園、梅溪湖公園遠(yuǎn)郊區(qū)巴溪洲公園建成區(qū)和馨園社區(qū)公園、橘子洲、月湖公園、牛頭村安置小區(qū)楓香林近郊區(qū)湖南省植物園、岳麓山公園、烈士公園遠(yuǎn)郊區(qū)秀峰山公園建成區(qū)星月公園馬尾松林近郊區(qū)湖南省植物園、南郊公園遠(yuǎn)郊區(qū)青羊湖國(guó)有林場(chǎng)建成區(qū)沙灣公園、桂花公園、橘子洲、圭塘河生態(tài)公園、鴻俊星河城樟樹(shù)林近郊區(qū)南郊公園、洋湖濕地公園、烈士公園、湖南省植物園、岳麓山公園、梅溪湖公園遠(yuǎn)郊區(qū)秀峰山公園、松雅湖濕地公園

2.2 環(huán)境因子監(jiān)測(cè)

2022年4月，根據(jù)局部控制和隨機(jī)原則，在每塊固定樣地的左上角至右下角對(duì)角線上均設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于樣地的左上角、中間和右下角，采用L95智能溫濕度記錄儀(上海發(fā)泰)記錄每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣溫、相對(duì)濕度；采用EP050型便攜式大氣負(fù)離子監(jiān)測(cè)儀(EPEX，美國(guó))記錄每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的負(fù)離子濃度；采用DUSTMATE型手持式環(huán)境粉塵檢測(cè)儀(Northwich，英國(guó))測(cè)定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空氣顆粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)組成。為保證數(shù)據(jù)的可比性，觀測(cè)時(shí)間均為上午9：00—11：00，并盡量保證同一林分觀測(cè)時(shí)天氣條件一致。

2.3 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel Package(Office 2010)軟件統(tǒng)計(jì)和計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差等，使用R 4.1.3(R Development Core Team，2022)軟件進(jìn)行單因素方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同城市區(qū)域不同林分內(nèi)的氣溫、相對(duì)濕度

城市森林在降溫、增濕方面均有一定的作用。研究結(jié)果(表2)表明：杜鵑林、楓香林和樟樹(shù)林內(nèi)的氣溫均表現(xiàn)為建成區(qū)的較近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)的高，但櫻花林內(nèi)的氣溫表現(xiàn)為在建成區(qū)的低于在遠(yuǎn)郊區(qū)的，馬尾松林內(nèi)的氣溫表現(xiàn)為在建成區(qū)的低于在近郊區(qū)的；杜鵑林、櫻花林、楓香林和樟樹(shù)林內(nèi)的相對(duì)濕度均表現(xiàn)為在建成區(qū)的較在近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)的低，馬尾松林內(nèi)的空氣濕度表現(xiàn)為在建成區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)的均大于90%。植物和城市建筑材料在濕度和熱特性方面存在差異[22]，植物能影響周?chē)h(huán)境的小氣候，因此，在不同區(qū)域內(nèi)溫、濕度存在一定的差異。研究表明，郁閉度是影響溫度的核心因素[23]，多層植被群落因其郁閉度增加，其降溫增濕作用增大，因此，不同林分的降溫增濕效果有差異。

表2 不同城市區(qū)域5種林分內(nèi)氣溫、相對(duì)濕度Tab.2Air temperature and humidity of five different for-ests in different regions城市區(qū)域林分類(lèi)型氣溫/℃相對(duì)濕度/%建成區(qū)29.86±1.0061.60±2.55近郊區(qū)杜鵑林25.56±0.7094.02±3.63遠(yuǎn)郊區(qū)16.30±0.7490.53±1.48建成區(qū)25.98±1.2079.43±1.53近郊區(qū)櫻花林27.87±0.3582.30±4.75遠(yuǎn)郊區(qū)30.30±0.5883.18±2.06建成區(qū)30.29±0.5071.52±2.73近郊區(qū)楓香林24.40±0.4096.13±2.22遠(yuǎn)郊區(qū)25.43±1.4892.21±3.03建成區(qū)24.26±0.7693.42±1.76近郊區(qū)馬尾松林25.44±0.3094.42±1.13遠(yuǎn)郊區(qū)20.77±0.5990.52±0.68建成區(qū)29.37±0.6870.22±0.78近郊區(qū)樟樹(shù)林25.53±0.4288.76±0.72遠(yuǎn)郊區(qū)24.60±0.5791.48±2.28

3.2 不同城市區(qū)域不同林分內(nèi)的負(fù)離子濃度

表3結(jié)果表明：在城市風(fēng)景游憩林內(nèi)負(fù)離子濃度均較高，均大于1400個(gè)·cm-3，在遠(yuǎn)郊區(qū)的杜鵑林、馬尾松林內(nèi)負(fù)離子濃度均超過(guò)了10000個(gè)·cm-3。不同林分內(nèi)負(fù)離子濃度的城鄉(xiāng)梯度表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，櫻花林和馬尾松林內(nèi)均表現(xiàn)為隨著城市化水平的提高負(fù)離子濃度逐漸降低，而楓香林和樟樹(shù)林內(nèi)則均表現(xiàn)為在遠(yuǎn)郊區(qū)的負(fù)離子濃度比在建成區(qū)的低，杜鵑林內(nèi)表現(xiàn)為隨著城市化水平的提高負(fù)離子濃度先降低后升高。負(fù)離子濃度越高，空氣越新鮮，越利于人們疾病的治療和身體的康復(fù)[24]。本研究中5種不同風(fēng)景游憩林在建成區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)的負(fù)離子濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體對(duì)空氣負(fù)離子濃度的生理最低需求(700個(gè)·cm-3)，說(shuō)明風(fēng)景游憩林對(duì)人體有較好的康養(yǎng)功能。

表3 不同城市區(qū)域5種林分內(nèi)負(fù)離子濃度Tab.3 Negative oxygen ion concentration of five different forests in different regions個(gè)·cm-3城市區(qū)域杜鵑林櫻花林楓香林馬尾松林樟樹(shù)林建成區(qū)1 873.7±95.211 471.2±67.731 898.7±52.451 507.4±65.381 740.8±83.30近郊區(qū)1 525.6±76.581 984.0±58.731 624.8±97.801 873.3±61.241 915.2±49.43遠(yuǎn)郊區(qū)10 070.1±105.672 043.1±91.241 656.4±107.6432 406.1±272.541 631.6±65.66

3.3 不同城市區(qū)域不同林分內(nèi)的空氣顆粒物組成

表4結(jié)果顯示：在不同城市區(qū)域不同林分內(nèi)空氣顆粒物組成有所差異，杜鵑林、楓香林、馬尾松林內(nèi)均表現(xiàn)為在遠(yuǎn)郊區(qū)的空氣顆粒物濃度比在近郊區(qū)和建成區(qū)的低；櫻花林內(nèi)表現(xiàn)為在遠(yuǎn)郊區(qū)的空氣顆粒物濃度最高，樟樹(shù)林內(nèi)表現(xiàn)為在近郊區(qū)的空氣顆粒物濃度最高，在建成區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)的較低；不同區(qū)域不同類(lèi)型的風(fēng)景游憩林內(nèi)，其顆粒物的濃度均呈現(xiàn)為PM10的>PM2.5的>PM1的。這是因?yàn)榇髿忸w粒物濃度與林分的植被類(lèi)型、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種葉片形態(tài)及其所在城市區(qū)域有關(guān)[25]。

表4 不同城市區(qū)域5種林分內(nèi)空氣顆粒物組成Tab.4 Composition of air particles of five different forests in different regionsμg·m-3城市區(qū)域林分類(lèi)型TSPPM10PM2.5PM1 建成區(qū)55.22±0.6535.93±1.0817.57±1.066.75±0.29近郊區(qū)杜鵑林331.55±5.29250.75±1.58136.63±2.1050.00±0.89遠(yuǎn)郊區(qū)42.18±0.8926.81±1.0612.28±0.976.38±0.71建成區(qū)44.50±7.3529.25±2.6114.70±0.695.67±0.25近郊區(qū)櫻花林59.69±1.9343.51±1.0523.87±0.529.86±0.21

3.4 城市風(fēng)景游憩林對(duì)環(huán)境變化的緩解效應(yīng)

單因素方差分析結(jié)果(表5)表明，氣溫、相對(duì)濕度、負(fù)離子濃度、空氣顆粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)濃度在城鄉(xiāng)梯度間均存在顯著差異(P<0.01)，說(shuō)明城鄉(xiāng)梯度對(duì)各環(huán)境因子的影響均顯著。結(jié)合表2至表4結(jié)果可以看出，長(zhǎng)株潭城市風(fēng)景游憩林對(duì)于緩解城市化導(dǎo)致的環(huán)境變化具有一定的緩解作用，具體效果受植被類(lèi)型、冠層結(jié)構(gòu)以及季節(jié)等多方面因素的影響[26]。有證據(jù)表明，綠地面積與緩解效應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系[27]，但是當(dāng)綠地面積超過(guò)40 hm2時(shí)，其緩解幅度逐漸降低[28]。

表5 環(huán)境因子城鄉(xiāng)梯度差異單因素方差分析Tab.5 ANOVA for Urban-rural gradient difference of environmental factors氣溫相對(duì)濕度負(fù)離子濃度TSPPM10PM2.5PM1FPFPFPFPFPFPFP23.93<0.0154.46<0.0121.27<0.0149.75<0.0157.05<0.0154.59<0.0156.79<0.01

4 結(jié)論與討論

(1)城市森林在降溫、增濕方面均有一定的作用。由于城市建筑密集、路橋密度高等特點(diǎn)，容易引發(fā)熱島效應(yīng)，城市化改變了城市的氣候與環(huán)境條件[29-30]。本研究中杜鵑林、楓香林和樟樹(shù)林內(nèi)的氣溫均表現(xiàn)為在建成區(qū)的最高，在遠(yuǎn)郊區(qū)和近郊區(qū)的較低；在櫻花林和樟樹(shù)林內(nèi)的相對(duì)濕度均隨著其所在區(qū)域從市中心往城市邊緣變化而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。植物是風(fēng)景游憩林的重要組成部分，植物通過(guò)遮蔭和蒸騰作用對(duì)周?chē)h(huán)境的小氣候產(chǎn)生重要影響[31]。植物群落的冠層結(jié)構(gòu)包括水平和垂直方向的結(jié)構(gòu)，植物群落的落葉面積指數(shù)、冠層密度和天空視覺(jué)因子等會(huì)影響群落的降溫、增濕和防風(fēng)效應(yīng)。張波[32]對(duì)長(zhǎng)春和哈爾濱兩個(gè)城市森林樹(shù)木微氣候調(diào)節(jié)研究結(jié)果表明，在高溫、晴朗和低濕環(huán)境中，城市森林的遮蔭、降溫和增濕等生態(tài)服務(wù)功能更強(qiáng)；胸徑、樹(shù)高、活枝下高、樹(shù)冠寬度和胸徑對(duì)樹(shù)木的遮蔭、降溫和增濕效果有顯著影響，高大樹(shù)木具有更明顯的生態(tài)服務(wù)功能；在環(huán)境因素中，光照強(qiáng)度是小氣候調(diào)節(jié)功能的最大限制因素。因此，還需要更深度地探究環(huán)境因子的城鄉(xiāng)梯度差異與風(fēng)景游憩林中不同樹(shù)種組成、單木形態(tài)特征、林分結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)關(guān)系。

(2)長(zhǎng)株潭地區(qū)的櫻花林、杜鵑林和馬尾松林內(nèi)，在遠(yuǎn)郊區(qū)的負(fù)離子濃度均最高，在近郊區(qū)和建成區(qū)的均相對(duì)較低，且5種風(fēng)景游憩林內(nèi)的負(fù)離子濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體對(duì)空氣負(fù)離子濃度的生理最低需求(700個(gè)·cm-3)，人體感舒適?？諝庵胸?fù)離子濃度與植被的冠層密度有很大的關(guān)系[33]，植被的冠層密度與植被類(lèi)型有關(guān)。由于植物自身的光合作用、葉面光電效應(yīng)以及釋放的芬多精等可以增加空氣中的負(fù)離子，對(duì)負(fù)離子濃度的增加有顯著影響，同時(shí)，城市中人類(lèi)的活動(dòng)對(duì)負(fù)離子含量也有所影響，尤其是在傍晚起主導(dǎo)作用，這也解釋了為何遠(yuǎn)郊區(qū)的負(fù)離子含量高于近郊區(qū)和建成區(qū)的[34]。

(3)空氣顆粒物濃度在杜鵑林、楓香林、馬尾松林內(nèi)均表現(xiàn)為在遠(yuǎn)郊區(qū)的比在近郊區(qū)和建成區(qū)的低。樊藝等[25]的研究結(jié)果表明，不同類(lèi)型城市森林的林冠結(jié)構(gòu)和大氣顆粒物濃度存在顯著差異，這與本研究的結(jié)果一致。不同城市區(qū)域不同類(lèi)型的風(fēng)景游憩林內(nèi)，其顆粒物的濃度均呈現(xiàn)為PM10的>PM2.5的>PM1的。城市化進(jìn)程會(huì)導(dǎo)致城市中有大量的機(jī)動(dòng)車(chē)和工業(yè)企業(yè)，城市大氣中含有大量的有害氣體，如二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和臭氧等，空氣污染現(xiàn)象明顯[30]，因此在多數(shù)風(fēng)景游憩林中，在遠(yuǎn)郊區(qū)的空氣顆粒物較在建成區(qū)和近郊區(qū)的低。2011年《長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)綠色核心區(qū)總體規(guī)劃(2010—2030年)》提出，將生態(tài)綠色核心區(qū)域劃分為禁止開(kāi)發(fā)區(qū)、限制開(kāi)發(fā)區(qū)和建設(shè)協(xié)調(diào)區(qū)[35]，有效地保護(hù)了城市核心綠心區(qū)空氣環(huán)境質(zhì)量，因此建成區(qū)的空氣顆粒物濃度比近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)的低。此外，植物葉片對(duì)空氣中的顆粒物具有一定的阻滯作用[36]，由于不同樹(shù)種的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特征存在差異，因此對(duì)于顆粒物的阻滯效果存在差異。白天人類(lèi)活動(dòng)、汽車(chē)行駛等增加了空氣中顆粒物濃度，從而降低了負(fù)離子濃度，因此，在杜鵑林內(nèi)以遠(yuǎn)郊區(qū)空氣中總顆粒物濃度最低，而負(fù)離子濃度最高[34]。

(4)在長(zhǎng)株潭地區(qū)的風(fēng)景游憩林內(nèi)，氣溫、相對(duì)濕度以及負(fù)離子、TSP、PM10、PM2.5、PM1濃度在城鄉(xiāng)梯度間均存在顯著差異(P<0.01)，且不同樹(shù)種呈現(xiàn)不同規(guī)律?？傮w來(lái)說(shuō)，城市綠地能夠在一定程度上緩解由于城市化進(jìn)程導(dǎo)致的環(huán)境變化，但具體的影響還受多方因素的影響，如樹(shù)種配置、郁閉度、下墊面結(jié)構(gòu)、季節(jié)等。本研究?jī)H從樹(shù)種和地理位置角度分析，未來(lái)還需進(jìn)行多維度探討。