北京北护城河河岸带的温湿度调节效应
2013-12-23吴芳芳陈晓燕
吴芳芳，张 娜，陈晓燕
(中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049)
河岸带定义为沿河流分布的，由一定宽度(受河水影响的范围)组成的，不同于周围基质的带，包括河漫滩、护岸和植被缓冲带，有时也包括部分岸边高地[1-3]。目前对河岸带的研究大多集中于自然河流，而城市河岸带的生态功能及其建设和管理并未得到应有的重视。相反，由于认识上的局限性，有的城市河流单纯从增加行洪和排水能力出发，使河道人工化，断面单一化[4-5]。随着环境意识的增强和生活水平的提高，居民对退化河流生态修复的要求越来越迫切，要求城市河岸带不仅要满足防洪需求，还要同时具备美学、生态和休闲功能[6]。
温湿度调节效应作为河岸带的一项重要生态功能，已引起很多国内外学者的关注。一些研究表明，河岸植被可形成和缓的小气候[7-8]。同时，河岸带小气候可能受诸多因素的影响，例如河道河槽[9]，水陆交界处的地形[10]，大尺度区域的水文和大气候环境[11]。进一步的研究表明，河岸带气温与距河流距离和距河流高度存在显著的关联性[12]。国内在相关方面的发展也很迅速，陈吉泉[13]认为，河岸植被的走向、宽度、高度、密度、盖度及其林冠的垂直结构等直接影响着河溪生态系统的小气候。李留振等[14]对黄河下游不同覆盖度的河岸植被进行了小气候观测，结果发现，杨树人工林的空气相对湿度最大，裸露农田最小。刘瑛等[15]比较了北京郊区抛石和浆砌石两种不同生态型护岸对温度和相对湿度的影响。杨凯等[16]通过比较上海中心城区不同类型河流和水体在不同季节的温湿度，得出水体面积、水体周边的建筑物布局、“水绿”复合生态系统等均是影响其小气候效应的重要因素。然而，现阶段对城市河岸带温湿度调节效应的研究并不多。已有研究多以理论探讨为主，缺少实验数据的支撑，因此很难得到系统的结论。
本研究以北京市区北护城河为例，以实验数据为基础，探讨在不同季节河岸带是否对周围环境产生温湿度调节效应，以及不同结构类型的河岸带之间在温湿度调节效应上是否存在显著差异。该研究可为城市河岸带的生态修复、建设和管理提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
北护城河是北京城区护城河的一部分，它西起西直门北三岔河口，向东流经德胜门、安定门，在东北城角与东护城河相接，全长5.9 km，宽约26 m。该区域属于北温带大陆性季风气候，四季分明，冬季多西北风，气候寒冷、干燥；夏季(6—8月)多西南风，气候炎热、湿润。6—8月为雨季，降水量较大。年平均降水量600 mm左右，年平均气温12 ℃。该河段位处城市繁华地段，南临北二环主干道，北临滨河路。修复前，硬质河岸带隔绝了生物与土壤的接触，岸边植被稀少，破坏了河流生态系统的整体平衡。北京市水利规划设计研究院于2005年对河道和河岸带进行了一系列工程改造和生态修复，包括减少堤防硬化，尽量恢复缓坡断面，使用透水砖或生态袋等材料形成新坡面，种植水生植物、灌木和乔木，形成有层次的岸坡绿化等，在一定程度上改善了北护城河的生态环境[17]。
1.2 样点选择
图1 河岸带与对照区的设置示意图
图2 河岸带内部的横断面区域
首先，选取河岸带的结构指标：第一类为随季节变化的指标，主要指乔木的覆盖度；第二类为不随季节变化的相对稳定型指标，包括河岸带的宽度、坡度、植物种类、乔木密度、距路距离和距路高度(表1)。根据这些结构指标的差异，沿南岸和北岸各选取4类河岸带(北岸编号为N1、N2、N3和N4，南岸编号为S1、S2、S3和S4)。在各类河岸带内部分别取一个样点，各样点间距约为1000 m。在与河岸带垂直的道路两侧分别设置相应的对照区(北岸对照区编号为N1′、N2′、N3′和N4′，南岸对照区编号为S1′、S2′、S3′和S4′)，对照区周边紧邻城市公园、高层建筑物、生活区等不同土地利用类型(图1)。同时，对照区内均为水泥路面，且植被覆盖度基本为零。其次，在每类河岸带内部，沿垂直于河道方向，将河岸带分为坡下、坡中和坡上3个横断面区(图2)。其中，坡中区多为人工铺设的石板路或经人为践踏踩实的泥土路，能较明显地分隔开坡上和坡下两个区。
北岸4类河岸带北临滨河路，道路狭窄，仅宽10 m，车流量较少。其中，N1的植被种类较多，坡上区坡度较大，只有草坪覆盖；N2的宽度较大，但坡下和坡中区较窄，以雪松为优势种，乔木的植被覆盖度常年较大，基本无坡度变化；N3的坡度起伏较大，植被层次结构分明，草本植被茂盛；N4的宽度较小，植被结构与N3相似。南岸4类河岸带南临北二环主干道，宽50 m，车流量较大。其中，S1的坡下区为硬质小路，小乔木生长茂盛，植被盖度较大；S2的河岸带较宽，乔木分布密集，与道路间隔较远；S3的乔灌草层次分明，植被盖度大；S4的河岸带较宽，距路高度较大，坡上区藤本植物生长茂盛。
1.3 野外指标的测定方法
1.3.1 气象指标
采用便携式气象仪Kestrel 4000测定观测区域的空气温度(℃)和相对湿度(%)，精度分别达1.0 ℃和3.0%。测定高度距地面1.5 m。
由于实际操作中空间和时间的限制，测定分3d进行。于2011年5—10月的每月下旬，选择3个相邻的晴天或多云天，从8:00到18:00，对南北各4类河岸带的3个横断面区及其对照区的气温和相对湿度进行连续10 h的观测(第1天观测北岸4类河岸带及其对照区，第2天观测S1和S2及其对照区，第3天观测S3和S4及其对照区)。两人分别在河岸带及其对照区同时测定。同时，为避免因测定时间的差异而造成的温湿度差异，尽量缩短同一个河岸带不同横断面区之间的测定时间。具体地，每隔1 h，在每个横断面区测定3 min(气象仪自动计数间隔为10 s，因此，可获取温度和相对湿度各18个测定值)，在每类河岸带中共测定9 min；与同时，在对照区中连续测定9 min。
1.3.2 植被指标
本研究的植被覆盖度均指乔木的投影盖度。在各类河岸带中，根据河岸带的总长度，选取3—5个样方，样方长10 m，宽为河岸带的总宽度。为减少测定误差，由同一人在不同月份采用目估法分别测定某类河岸带中各样方的乔木盖度，对各样方的盖度求平均，获得该类河岸带的植被覆盖度。
1.4 数据分析
用统计分析软件Minitab 15进行数据分析。分别总和不同月份8类河岸带及其对照区的各气象指标值(取3个横断面的平均值)，用“配对t”模块对不同月份各类河岸带的气象指标值与其相应对照区的值进行t检验，以反映不同月份河岸带与对照区温湿度和温湿指数的总体差异；计算不同月份各时段温湿度的平均值及日极差值，用t检验分析不同月份河岸带及其对照区日气温和日相对湿度的极差均值之间的差异。用t检验分析南北河岸带之间，以及南北对照区之间温湿度的总体差异；用“Fisher”模块分别对南岸和北岸2个组别内不同类型河岸带的温湿度和温湿指数进行差异显著性的多重比较，以反映不同河岸带类型温湿度调节效应的差异。另外，按月份在不同类型河岸带中分别进行坡上、坡中和坡下3个横断面区气温和相对湿度值的单因子方差分析，以反映河岸带内部各横断面区的温湿度差异。
1.5 温湿指数
采用Kyle[18]提出的基于气温(T)和相对湿度(RH)的温湿指数(THI)来综合评价人体的舒适度(表2)：
THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)
(1)
2 结果与分析
2.1 河岸带与对照区的温湿度差异
2.1.1 河岸带与对照区温湿度的总体差异
总的来说，在5—9月，不同类型河岸带的气温均极显著低于对照区，而相对湿度均极显著高于对照区。然而，在10月，个别类型的河岸带与对照区的温湿度之间不存在显著差异。
河岸带区域与对照区在下垫面和植被分布上的差异以及水体的影响是造成它们之间温湿度差异的主要原因。虽然对照区内大多分布有绿化带(S1除外，表1)，同时沿路分布有行道树，但没有构成聚集的植被分布格局，无法形成典型的植被区小气候。对照区路面被硬质水泥或柏油覆盖，不利于水分储存，且随着太阳辐射的变化升降温较快。相反，河岸带区域均为非硬质下垫面，其内呈现“乔-灌-草”多层结构。沿岸以枝叶茂密的阔叶类乔木为主，且植被覆盖度较大，不仅能阻止部分阳光入射，对地面反射辐射也有一定的阻拦效果，从而可较好地稳定小气候。同时，大面积植物的蒸腾作用可有效地降低周围气温，并增加湿度；水体表面蒸发也可在一定程度上降温增湿；水域的较大比热可对气温变化起到一定的缓和作用[13]。因此，河岸带的气温基本低于对照区，而相对湿度基本高于对照区；且河岸带的温湿度变化更为和缓。
表2温湿指数与人体舒适度的划分
Table2ClassificationofThermohygrometricIndex(THI)andhumancomfortlevel
温湿指数THI人体舒适度Humancomfortlevel评价Assessment≥30酷热无降温措施难以工作26．5—30很热很不舒适 20—26．5热 不舒适 15—20舒适适宜环境
划分标准来源于Unger[19]
然而，河岸带对温湿度的调节效应仅出现在晴天或多云天，在阴天这种效应可能不明显。例如，在10月的观测中有一天为阴天，结果河岸带与对照区的温湿度差异不显著。但这仅是一种可能性，10月河岸植物枝叶开始脱落，植被覆盖度下降可能也是一个原因。由于本研究对植物生长盛期时气温和相对湿度的观测均在晴天或多云天进行，因此，在阴天河岸带对温湿度的调节效应是否仍然存在这一问题尚需用更多的实验数据来回答。
2.1.2 河岸带与对照区的温湿度日变化和季节变化差异
不论河岸带还是对照区，气温的最低值均出现于早晨8:00—9:00，这时两个区域的气温均很低，且相差不大；随着太阳高度角的增大，两者的温差逐渐显著，并在午后达到最大值；随后，两者的气温均开始降低，其中，对照区气温下降更快；在18:00左右两者的气温几乎持平。可见，河岸带可显著降低日最高气温，但对日最低气温的改变不明显，这与Meleason等[20]的结论一致。对照区的最高气温多出现在13:00—15:00，而河岸带的最高气温基本出现在14:00—16:00，比对照区延迟1 h。总之，对照区气温的日变化幅度较大，变化趋势也较复杂，多呈现双峰变化趋势；而河岸带气温的日变化趋势则较为平缓，呈现单峰变化趋势。河岸带在夏季(6—8月)的最高气温达30 ℃以上；而对照区在5—9月的最高气温均达30 ℃以上，其中7月的最低气温即达30 ℃以上(图3)，因此，河岸带可有效地减少高温的天数。
图3 北京北护城河河岸带与对照区不同季节气温和相对湿度的日变化
相对湿度的变化在很大程度上取决于气温的变化，河岸带较低的气温通常会使相对湿度高5%—25%[21,22]。总的来说，河岸带和对照区相对湿度的日变化趋势均呈现“U型”，只有一个最低值，其中，河岸带的变化趋势较为平缓。不论河岸带还是对照区，相对湿度的最高值均出现在早晨8:00—9:00，最低值均出现在13:00—15:00(图3)。河岸带相对湿度的季节变化也较明显：在春季，降雨较少，气候干燥，日变化在20%左右上下浮动；在夏季，持续高温和多雨使得最高相对湿度达60%—70%，最低相对湿度为40%—50%，平均值在50%左右，极差值大；在秋季，虽然日均值仍较高，但最高相对湿度降到50%—60%，日变化幅度不大。对照区相对湿度的季节变化与河岸带相同，只是各时段的数值较河岸带平均低约10%。
研究表明，高植被冠层可有效降低白昼的气温极差；与裸地相比，1.5—2 m高的植被冠层可产生3℃或更大的极差值差异[23-24]。本研究部分验证了此结论，并在此基础上进行了季节性分析。对河岸带和对照区不同月份日气温和日相对湿度极差的差异显著性分析表明，春季和秋季对照区的日气温极差分别显著和极显著高于河岸带，而夏季两者的差异不显著；5月和10月对照区的日相对湿度极差分别显著和极显著高于河岸带，而其它月份两者的差异不显著(表3)。在夏季，对某点温湿度变化起主导作用的是大尺度上高温高湿的大环境背景，而小尺度上结构指标(例如，是否有植被，以及下垫面状况等)的影响较弱，因此，夏季河岸带和对照区日气温和日相对湿度极差的差异不大，河岸带对温湿度日变化幅度的调节效应不明显。而在春秋季，大尺度上的气候变化复杂，无法形成统一的温湿度影响；对某点的温湿度变化，小尺度的调节作用相对较大，此时该点土地利用类型或空间格局的变化将对其温湿度产生显著的影响，因此，春秋季河岸带和对照区日气温和日相对湿度极差的差异较大，河岸带对温湿度日变化幅度表现出更明显的调节效应。可见，决定某点温湿度变化的主导因子具有明显的空间尺度效应，且因季节而异。
2.2 不同类型河岸带的温湿度差异
2.2.1 南北河岸带温湿度的总体差异
河岸带北岸的气温极显著高于南岸，而相对湿度极显著低于南岸；与南北两岸分别对应的对照区之间也存在类似的差异(表4)。南岸对温湿度有更强的调节效应。虽然北岸也分布有较多的阔叶类乔木，但在白天大部分时间内，狭窄的北岸靠河一侧边缘为南向的河岸带始终暴露在来自偏南方向的太阳的直接照射下，河岸带内气温较高，相对湿度较低；而南岸宽度普遍较大，平均乔木密度也较大，中上层浓密的乔-灌植被结构可有效遮挡太阳的直接辐射，靠河一侧边缘为北向的河岸带能接受的直接辐射较少[9,25]，使得沿岸形成大面积的荫蔽环境。
表3北京北护城河河岸带及其对照区不同季节的日气温和日相对湿度极差均值的t检验结果
Table3Thet-TestforsignificanceofthedifferenceinmeanrangesofdailyairtemperatureandrelativehumiditybetweenriparianbuffersintheNorthMortofBeijingandtheircorrespondingcontrolareasindifferentgrowingseasons
月份Month日气温的平均极差Meanrangeofdailyairtemperature/℃河岸带Riparianbuffer对照区ControlareaP日相对湿度的平均极差Meanrangeofdailyrelativehumidity/%河岸带Riparianbuffer对照区ControlareaP56．27．60．023∗10．210．90．019∗67．49．10．14027．528．00．78875．05．90．14115．817．10．43485．25．90．37623．123．30．92297．09．30．001∗∗20．021．70．446104．67．10．007∗∗11．715．70．001∗∗
t检验的样本量多为80(除6月份为60); *表差异达显著水平(P<0.05); **表差异达极显著水平(P<0.01)
表4北京北护城河南北河岸带及其对照区温湿度的统计结果
Table4Thet-TestforsignificanceofthedifferenceinairtemperatureandrelativehumiditybetweensouthandnorthriparianbuffersinNorthMort(SRB and NRB)ofBeijingandtheircorrespondingcontrolareas(SCA and NCA)
统计结果Statisticalresult气温Airtemperature/℃北岸NRB南岸SRB北岸对照区NCA南岸对照区SCA相对湿度Relativehumidity/%北岸NRB南岸SRB北岸对照区NCA南岸对照区SCA均值Mean27．625．629．927．739．253．433．747．7标准差Standarddeviation6．35．76．56．613．619．911．919．3P0．001∗∗0．000∗∗0．000∗∗0．000∗∗样本数Samplesize240220240220
2.2.2 南北不同类型河岸带的温湿度差异
总的来说，南北不同类型河岸带之间在温湿度上的差异随季节而异，可能源于植被覆盖度这一季节型指标。在5月，各类河岸带的植被覆盖度在整个生长季中均最低(图4)，这时覆盖度的显著差异可造成温湿度的显著差异，这使得南北岸均存在温湿度具有显著差异的河岸带类型(表5)。植被覆盖度从6月开始显著增加，并于7—8月达到峰值。尽管各类河岸带的夏季植被覆盖度之间存在较大差异，但其温湿度之间的差异大多并不显著(除南岸7月的气温)。说明植被覆盖度对河岸带温湿度的影响可能是一个临界阈现象：当覆盖度小于某一阈值时，它的增大对温湿度的影响很大；但当覆盖度大于该阈值时，它的再增大对温湿度的影响不再明显。同时，夏季高温高湿的大环境背景也使温湿度调节效应不够明显。植被覆盖度在9月有所下降，但仍然很高；各类河岸带的温湿度之间大多仍不存在显著差异(除南岸的相对湿度)。10月的植被覆盖度明显低于峰值，各类河岸带的温湿度之间差异显著(表5)。
图4 北京北护城河不同类型河岸带植被覆盖度的季节变化
河岸带的稳定型结构指标也会影响温湿度调节效应。对于北岸，5月N1和N2与N3和N4的气温和相对湿度之间均存在显著差异；在10月，N3的气温与另外3类也存在显著差异。5月N3和N4的植被覆盖度相同，且居于N1和N2之间(即N2>N3=N4>N1，图4)，而气温显著高于N1和N2，相对湿度显著低于N1和N2(表5)。这是因为，与N1和N2相比，N3和N4的河岸带较窄(表1)，形成的小气候环境不稳定，在植被覆盖度尚低的情况下，对温湿度的调节效应没有N1和N2显著。Meleason等[20]也发现，相对于5 m的河岸带，30 m的河岸带能够更多地降低白昼的气温。10月N3的植被覆盖度不低于6月，但气温却显著高于其它类型(表5)。与N1、N2和N4相比，N3周边是低矮狭窄的建筑物(表1)，它们无法阻挡太阳辐射，狭窄的空间也不利于热量的扩散，这使得N3的气温显著高于其它类型。对于南岸，S3和S4的气温在5、7和10月显著高于S1和S2，相对湿度在9和10月显著低于S1和S2(表5)。S1和S2在7、9和10月的植被覆盖度均高于S3和S4(图4)，可部分解释温湿度的差异。另外，南岸直接与北二环主干道相邻，车流量较大，河岸带可能受到来自道路和车辆的人为热源的影响。S3和S4与道路间基本无隔离距离，河岸带内小气候受人为热源影响较大，导致高温低湿环境的生成。而S1和S2的距路距离均比S3和S4大，特别是S2(表1)。据此，可以推断，即使较短的隔离距离(如S1)也可以有效地缓解来自周边道路的人为热源的影响，使河岸带的温湿度调节效应更为明显。
表5北京北护城河南北不同类型河岸带气温和相对湿度差异显著性的多重比较
Table5MultiplecomparisonsofsignificanceofdifferenceofairtemperatureandrelativehumidityfordifferenttypesofsouthandnorthriparianbuffersintheNorthMortofBeijing
月份Month气温Airtemperature/℃北岸NorthriparianbufferN1N2N3N4南岸SouthriparianbufferS1S2S3S4相对湿度Relativehumidity/%北岸NorthriparianbufferN1N2N3N4南岸SouthriparianbufferS1S2S3S45aabbaabbbbaaaabbcc6aaaaaa--aaaaaa--7aaaaaabbaaaaaaaa8aaaaaaaaaaaaaaaa9aaaaaaaaaaaabbaa10aabbaaabbaaaabbaa
样本量为40; 不同的小写字母(a，b和c)表示不同程度的差异显著水平(P<0.05)，且a，b和c表示的气温和相对湿度的数值大小关系为a 方差分析表明，各类河岸带内部3个横断面区(包括坡下、坡中和坡上)的温湿度之间基本无显著差异，尽管各横断面区的结构、植被类型和覆盖度不尽相同，甚至有的路面物理性质(主要指坡中区域的不可渗透性)也存在差异。这可能是由河岸带总宽度较小(10 m左右)所致。这时，不同横断面区的植被交叉遮掩，相互影响，导致小气候效应很接近。 2.4.1 河岸带与对照区的温湿指数差异 除10月的个别类型河岸带之外，5—9月河岸带的THI基本极显著低于其对照区(图5)。5月河岸带和对照区基本使人体感到不舒适(20 图5 北京北护城河不同类型河岸带温湿指数的季节变化 2.4.2 南北不同类型河岸带的温湿指数差异 河岸带南北两岸的THI差异与其气温的差异情况相似。北岸的4个不同类型之间仅在5和10月存在显著差异，而南岸的4个不同类型之间在5、7、8和10月均存在显著差异(表6)。这是由植被覆盖度、河岸带宽度、距路距离和季节性气候差异所致。 研究表明，与对照区相比，北护城河河岸带具有明显的温湿度调节效应，能有效改善人体的舒适度。然而，这种调节效应存在着季节性差异，其中，河岸带在春秋季表现出更强的温湿度日极值调节效应。河岸带南岸对温湿度的调节效应强于北岸：北岸气温显著高于南岸，而相对湿度显著低于南岸；不同类型河岸带之间在温湿度上的差异随季节而异：春秋季差异较显著，但夏季差异不显著，这些既与季节型指标(植被覆盖度)有关，也与相对稳定性结构指标(如河岸带宽度、距路距离、乔木密度、冠层结构，以及周边土地利用方式)有关。 表6北京北护城河南北不同类型河岸带温湿指数差异显著性的多重比较 Table6MultiplecomparisonsofsignificanceofdifferenceofThermohygrometricIndex(THI)fordifferenttypesofsouthandnorthriparianbuffersintheNorthMortofBeijing 月份Month北岸NorthriparianbufferN1N2N3N4南岸SouthriparianbufferS1S2S3S45aabbaabb6aaaaaa--7aaaaaabb8aaaaabacbc9aaaaaaaa10bbccabaabb -:由于天气原因，未获得6月S3和S4的温湿度数据 由此，可为河岸带的规划设计提供一定的理论依据和参考建议。首先，需要认识到河岸带作为城市中的特殊廊道，可有效缓解城市的热岛现象，提高人体的舒适度。因此，需要改变以往忽视河岸带生态功能的局面，加强对河岸带的维护和管理。其次，在城市河岸带的建设或修复中，须充分结合周边土地利用情况，合理设计河岸带的结构，以提高河岸带对温湿度的调节效应。例如，(1)在城市中心地带，受用地限制，河岸带往往无法被加宽，这时可通过提高河岸带植被的覆盖度来实现部分功能，但覆盖度不必过大。(2)对于周边空间较为拥挤的河岸带区域，可在坡上或其邻近高地建造主要由乔木组成的绿化带，以遮挡太阳辐射。(3)对于邻接主路的河岸带，可适当增大河岸带与道路的距离，从而在一定程度上阻隔道路热源。(4)对于靠河一侧边缘为南向的河岸带，可通过增加宽度或者沿岸乔木密度，或者建造多层复杂的冠层结构，来提高其温湿度调节效应。 本研究仍有许多问题需要深入探讨。例如，在比较各类河岸带间的温湿度差异时，曾提到当河岸带内植被覆盖度达到某一阈值时，它的再增大将对河岸带温湿度的影响不再明显，但这一阈值的大小尚不确定。河岸带的稳定型结构指标可能会对温湿度效应产生协同影响，但哪个指标的影响更大，尚有待甄别。本文主要从城市景观生态学的角度探讨了河岸带的结构对温湿度调节效应的影响，尚有待深入解释其调节机制。 致谢:感谢中国科学院研究生院的刘程昱、北京林业大学的陆凯、北京师范大学的王志伟等在野外数据采集过程中给予的大力帮助。 [1]Gregory S V,Swanson F J,Mckee W A,Cummins K W.An ecosystem perspective of riparian zones.Bioscience,1991,41(8):540-551. 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2.4 人体舒适度指标——温湿指数
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