植物遮阴度对城市热岛效应的影响研究——以苏州市为例

肖湘东，王 波，马建武，张媛媛，冯美玲，李欣芮，程业典

（苏州大学 风景园林系，江苏 苏州 215123）

植物遮阴度对城市热岛效应的影响研究
——以苏州市为例

肖湘东，王 波，马建武，张媛媛，冯美玲，李欣芮，程业典

（苏州大学 风景园林系，江苏 苏州 215123）

城市大面积的植被覆盖对城市环境尤其是热岛效应的积极作用已经成为常识，而人们却往往忽略了植被覆盖度及植物配置对于环境的温度及湿度的影响，推及到对人的一个服务作用。这方面也一直缺乏一个相关的调查及研究。选择苏州市20个不同地点作为样本，研究植物的遮阴度及配置对环境的温度及湿度的影响。结果表明：夏季的城市中，植物遮阴度较大时在局部区域内起到一个降温增湿的作用，而在植物配置方面，多植被区阻力较小，有助于空气流动从而也达到一个降温增湿的作用，在更大程度上吸引人群在此区域内活动休憩。

植物覆盖度(遮荫度)；温湿度 ；植物配置；苏州

1 项目背景

随着城市化的快速推进，城市热岛效应越来越明显。城市热岛现象造成都市高温化进而影响居住环境的安全性和舒适性，并加剧能源消耗及温室气体排放。已有研究表明，增加城市绿地是降低城市热岛效应改善城市热环境最有效的方式之一。然而，城市绿地类型丰富多样，如行道树、街头绿地、社区绿地、大型公园等，这些绿地“马赛克”式的分布在城市内部。究竟这些绿地组成在多大程度上影响城市的空气温度以及这种影响在时间上有无变化？一个测点的气温受多大范围内植被组成的影响？树木的树冠影响着城市冠层的几何结构，这对户外热环境的影响如何？对这些问题的研究，国内外研究至今尚不够深入。以往有关于城市绿地微气候效应的研究，主要集中于不同植被类型[1-2]、不同地面覆盖类型或公共开放空间[3-5]、以及不同群落结构间[6]温湿度差异等方面的研究，然而对不同植物配置形成的遮阴度对调节城市热岛的微气候效应差异以及引起这种差异的驱动机制的研究较为少见。

城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分，具有降低空气温度增加相对湿度，以及降低太阳辐射强度等调节局地微气候的功能，对改善城市生态环境和缓解热岛效应具有显著的作用[7]。尤其在夏季炎热的气候条件下，植物可以通过吸收和反射太阳辐射，降低遮阴区的地面温度和空气温度，植物还可以通过蒸散作用降低空气温度增加相对湿度，进而显著地改善城市热环境[8-9]。在城市区域内，城市公园[10]、社区公园[11]、街道公园[7]及屋顶花园[12-14]等绿地系统中的植被通过增加蒸发面积，可以对整个城市的气候起到调节作用[15-18]。

城市植被覆盖率以及城市各个区域的植被遮阴度，直接对城市局域的温度和湿度造成影响，温度和湿度的大小又无形的影响着局域内的人群停留量。众多研究显示，城市绿地可有效降低自身及周边一定范围内的环境的空气温度和地表温度，增加空气的相对湿度等，从而缓解城市热岛效应，产生“冬暖夏凉”的气温调节作用。这成为人选择发生停留行为的要素之一。服务于人的绿地空间最终目的即是人群的高利用率和参与度，这一空间内的植物冠幅和配置对其造成了一定直接影响。

本研究用ENVI遥感系统对苏州城市的绿地系统进行各方面的信息提取，包括绿地植被覆盖率，苏州市地表温度，并用软件对所提取信息进行监督分类，以此为基础，对苏州的植被情况进行一个宏观的了解。然而，宏观的了解并没有分析特定局域的情况以及人类主观的活动情况，到底植物的遮阴度和配置情况是如何影响其湿度温度仍然需要进一步地调查人的活动。

在用ENVI软件做了一个宏观了解的基础之上做了实践调研。实践发现，植物的遮阴度在很大程度上影响着局域内的温度和湿度，而局域内的湿度和温度又直接影响着人群的停留量，植物群落的结构及植物配置情况也起到了降温增湿作用。在掌握植物的遮阴情况及植物配置情况扥研究基础上，可以针对人群的聚散情况和人群分布对区域做一个规划，也找到最适宜人停留的植物遮阴及配置情况。

本研究选择位于苏州市区、工业园区和新区的20个点（见图1），研究其植物的遮阴度对局部区域内的温度以及湿度的影响，从以植物冠幅为指标的植物遮阴程度及植物配置方面来探讨植物对局部区域的温湿度的影响，再加上研究局域内的人流量及其温度的关系，从而找到最适合人停留的空间内其植物冠幅及配置的最佳选择，优化城市的绿地植物配置系统，为今后的绿地规划尤其是人群停留绿地空间的规划提供一个参考。

2 研究对象与研究方法

2.1 研究对象

为了研究植物遮阴度对城市热岛效应的影响，我们在苏州市区内，选取了20个样本。古典园林和现代园林选用的植物通常不同，城市公园和街道的植物群落结构也不同，如城市公园常常是乔-灌-草结构，而城市街道通常较为简单地呈现出乔-草或乔-灌结构，而不同的植物种类和搭配方式的遮阴效果也不同。为了使样本具有普遍性和多样性，我们分别选取了古典园林（a）3个，城市公园(b)5个，城市街道（c）6个，商业区(d)4个，住宅区(e)2个。在地域分布上，20个样本分布情况是，平江区3个，金阊区2个，沧浪区4个，高新区3个，吴中区2个，工业园区6个（见表1）。

表1 样本温度统计Table1 Sample temperature statistics

2.2 研究方法与数据采集

在一天之内选择4个观测时间点来采集温度值和湿度值，分别是9:30、11:30、13:30、15:30。以此来研究遮阴和不遮阴情况下温度和湿度的变化趋势。在零遮阴度的阳光直射下，地表温度与空气温度相差较大，而且，在一天当中的四个时间点测定的阳光下地表温度是积累上升的，而且还受到地表铺装材质的影响。硬质铺装和软质的草坪，对于地表温度数值的大小有截然不同的影响。所以我们分别测定空气温度和地表温度。在一天的四个时间点的树荫下和阳光下，都分别测定地表温度和人体更易感知的空气温度，也就是说每个时间点下有四个温度数值，相对应的也有四个湿度数值，全天对于该样本有32个数据。此外，为减小误差，我们要求规范测定地表温度的条件，规定对于所有样本都在硬质铺装上来测定该数据，并记录每个样本的铺装材质，方便进一步对该材质对温度湿度产生的影响进行探讨。

对于每一个样本的测定，我们在实验当天提前到达实验地点，初步考察周围环境后，选定植物群落结构具有代表性的一个地点进行实验。实验过程中记录周围环境中所占比重较大的植物种类，并记录其配置方式，方便进一步讨论温度湿度变化趋势和植物配置方式的关联性。

在每个数据采集时间前一小时，将温湿度仪放置在实验地点，让传感器与环境空气充分接触，待示数稳定后，记录其温度值和湿度值。因为实验室设备数量有限，无法在同一个观测时间点采集遮阴下空气温度、地表温度和阳光下空气温度、地表温度，所以，我们在各个观测时间点前后40 min的时间段内依次采集各数据。

3 结果与分析

3.1 植物遮阴度对小区域温度的影响

我们对7月份和八月份的温度数据进行了统计分析，从7月份测量的8个地点的最高气温图表（见图2）与8月份测量的12个地点图表相比来看（见图3），7月份所测量的8个点的遮阴环境下的最高气温同不遮阴环境下的最高温相比，后者明显高出前者。地表在遮阴环境下的最高温度仍然可以达到49℃，空气则为45℃。其中温差幅度最大的点出现在星海广场，温差为13.1℃；而温差幅度最小的点出现在网师园，温差为6.7℃。根据图表计算出7月份的平均最高温度差为9.5℃，再比较各个地区的温度，发现绿化覆盖，遮阴环境较好的如拙政园、中央公园地表与空气温度上明显低于绿化环境较次于它们的星海广场。

图2 7月份遮荫与不遮荫最高温度对比Fig.2 Comparisons of highest temperature in July between shade and no shade

8月份图表所反映出来的信息与7月份的相似，根据图表（见图3）可分析得：8月份一个月内，暴露在阳光下的环境，无论是地表还是空气中的温度普遍在35℃以上，地表温度最高可达47℃，空气温度最高可达42℃。其中温差幅度最大的点出现在苏州高新区政府，温差为9℃；而最小的点出现在桐泾公园和绿宝广场，温差为2.3℃。根据图表计算出八月份平均最高温度差为5.8℃。不同地点的地表温度和空气温度相比较，又以苏州高新区政府、石路、吴中区人民医院、汉庭舫大酒店、友谊宾馆最高气温值最大。这5个地方的环境具有普遍性的相同点，缺少绿化，植物密度偏小，且单株植物冠幅也较小，地理位置也处于机动车道频繁来往的马路边。12个地点所呈现出的特点与阳光下的相同，即相同的5个地点在所有点中是温度偏高的。

根据以上所得数据可发现，首先就城市中的绿化环境，以遮阴与不遮阴为衡量标准明显遮阴环境下温度要偏低，而更容易成为人们停留的地带。再者像古典园林及城市公园，由于一定的植被覆盖率，其降温效果更加明显。

以上是一年中比较有代表性的月份（一年中最热的月份）所测得数据整体分析。其中我们又选取了5个地带点当中2个温度偏高的地点即：苏州高新区政府与石路进行了个别温度分析（图4和图5）。二者均属于绿化水平不高的地带，一天中的温度变化均呈现以下趋势：首先，地表温度明显高于空气温度，尤其以高新区政府最为显著；其次，相同环境下的不遮阴区域温度均高于遮阴环境区域。再从二者的时间点的温度来细看，不论是哪一种环境，正午时刻的13:30一组温度均为最高温出现的时间，高新政府一天中的最高温接近47℃，而石路接近45℃。

图3 八月份遮阴与不遮阴最高温度对比Fig.3 Comparisons of highest temperature in August between shade and no shade

图4 石路、高新区政府遮阴与不遮阴空气温度对比Fig.4 Comparisons of air temperature between Shilu zone and high-tech industries development zone government

图5 石路、高新区政府遮阴与不遮阴地表温度对比Fig.5 Comparisons of ground temperature between Shilu zone and high-tech industries development zone government

作为对照，我们同样的选取了2个与高新区政府和石路形成温度对比的地点，即绿宝广场和桐泾公园（见图6和图7）。两者的地表温度和空气温度在不同环境下相对低于高新政府与石路。二者的高低趋势是相近的，遮阴高于不遮阴，地表高于空气。而桐泾最高温在41度左右，绿宝则在39度左右，明显低于前两个绿化遮盖较少的地点。

图6 绿宝广场、桐泾公园遮阴与不遮阴地表温度对比Fig.6 Comparisons of ground temperature between Lubao square and Tongjing park

从总的图表以及个别地点的对照图表来看，遮阴水平往往对一个地域范围的温度的影响起主导作用。无论在哪一个测据地点，不遮阴环境和遮阴环境下的温度有显著差距的，最高可达到9℃的温差。而整体绿化环境较好的地点，与环境相对较差的地点相同时间与遮阴条件下，温差则可达到7℃。

图7 绿宝广场、桐泾公园遮阴与不遮阴空气温度对比Fig.7 Comparisons of air temperature between Lubao square and Tongjing park

3.2 植物遮阴度对小区域湿度的影响

由图8可知普遍情况下，遮阴下湿度高于不遮阴下湿度，差值并不能统一而论。如网师园、虎丘，遮阴与不遮阴下湿度相差较大，而苏州高新区政府、汉亭舫大酒店遮阴与不遮阴下湿度相差较小。也有20%的样本遮阴下湿度低于不遮阴下湿度。这可能与样本具体情况有关，如临水景、当天天气等。

图8 7、8月份遮阴与不遮阴平均空气最高湿度对比Fig.8 Comparisons of average highest air humidity between in July and August

树冠可以阻挡阳光，从而减少太阳辐射热。由于不同树种树冠大小不同，枝叶繁茂程度不同，叶片大小、疏密程度不同，因此不同的树种的遮荫效果有所不同。遮荫力愈强，降低太阳辐射热的效果越显著[19]我们还了解到植物蒸腾方面的特性，Shashua-Bar和Hoffman（2000）研究希腊雅典的城市小型绿地夏季的降温效应时发现，中午时林地具有明显的降温效应，且这种降温效应主要是源于树木的遮阴效应。当范围逐渐扩大，植被的降温效应减弱，植被覆盖与空气温度的相关性降低，但当到达一定范围后，植被的蒸散作用开始起主导并产生一定的降温效应时，植被覆盖率与空气温度的相关程度又开始逐渐增大[20]。我们了解到植物蒸腾方面的这种特性，尤其是阔叶植物蒸腾作用很强烈。经植物蒸腾大量的水分，当大量的水分聚集就会对空气湿度产生影响。经调研可知，草地的空气湿度最大，裸地的空气湿度最小，而灌乔木丛的湿度适中，更适合人停留。

3.3 植物群落结构对温湿度的影响

所选取的样本区域观测到以下的树种：大乔木：香樟、银杏、广玉兰、鹅掌楸、白皮松、罗汉松、青枫、合欢、垂柳、圆柏、槐树、杉树、小乔木：桂花、晚樱、梅、海棠、木瓜、玉兰、紫叶李、红枫、夹竹桃、紫薇灌木：红花继木、女贞、法国冬青、南天竹、杜鹃、瓜子黄杨。

其中，香樟枝叶浓密，冠幅相对较大，遮阴度最佳，分支点高，通风性良好。从20个样本观察情况来看，无论城市街道、商业区作为行道树还是公园中作为庭荫树，香樟是运用最为广泛，古典园林和现代公园均大量运用。

植物群落结构有：乔-灌-草、灌-草、乔-草。古典园林中植物种类较现代公园丰富，不仅营造了较为丰富的、有季相变化的景观效果，还对局域温湿度的改善作出一定贡献。客观体现为阳光下温度与遮阴下温度差值较大。城市街道和商业区多为灌-草、乔-草结构，而城市公园植物配置结构多为乔-灌-草。

经查阅资料并结合调研结果，我们发现通风不畅是导致温度较高的一个原因。相比较建筑物，植被的风阻更小，通风效果好；较之空地，有植被的区域风场更均匀；乔木与灌木相比，乔木的风阻更小，且风场更均匀。因此绿地降温的第一要素是提高乔木所占绿化比例，并不单纯是绿化覆盖率。

除了绿化数量，绿化单元的大小以及绿地的集中程度也是重要的影响因素。绿化单元面积越大，降温效果越好；绿化越零散，降温效果越差。

上海植物园园长就相关问题做过很多研究。他用热环境指数来衡量绿化布局的有效性。热环境指数=（乔木占比例/0.6）×4.37+（绿化覆盖率/0.6）×3.36+破碎度指数×2.27[21]。在现代景观规划中，应尽量提高绿化覆盖率，不要随意分割完整的绿化区域，尽量避免设计小面积的板块绿化。我们可根据此公式推算绿化的降温效果，并确定绿化的规划设计及布局调整。

不同植物配置形式降温效果也不同，经调研发现大乔木类型＞小乔木类型＞乔灌相间＞灌草结合。因此，我们可以该多用灌木，少用灌草；化整为零；适当增大绿化单元面积；构建多层次的植物配置形式。

4 讨论和结论

本研究表明，在城市中，植被覆盖度较高的区域气温明显低于植被覆盖度较低的区域，绝大部分具此特征的区域都有较高的人流量。本研究还显示，在植物配置方面，植株体量越大，其风阻越小，通风效果越好，对温度的减降以及湿度的增加越有利。

植被覆盖率以及植物结构层次对局域内的温度湿度是否有影响？这和什么程度的植被覆盖率及什么样的植物配置对降温增湿所起的效果有关，这也同时影响人群的停留休息及活动范围，这是城市绿地系统的规划中并未纳入考虑的一个方面。本研究表明，城市内的植被覆盖率及植物配置确实对温湿度产生影响，其与温湿度存在一个定性的关系。相比较而言，同样条件下，城区的温度较于园区新区的温度较高，而湿度则较低。但是通过对植物层次的调查研究，又进一步发现，植被覆盖率并非直接的影响因素，其中起重要作用的主要是体量较大的乔木类型的树木层次。

在本研究中，所采集的数据显示植被遮阴度和植物配置对城市局域温度湿度有相关性，但相关性不强。这表明影响城市局域温湿度的因素除了植物之外，还存在其他诸多因素，例如观测点周围车流量大小，观测点铺装类型等。

由于经费和实验设备的局限性，还考虑到课题组人数和工作量的关系，研究取样数量仅考虑到符合统计分析要求。此外，在实验过程中，发现由于不可预测和解释的原因，导致个别样本的观测值出现异常。如白塘植物园，植被覆盖度、遮阴度均呈现良好状况，植物群落结构也相对较为丰富，但当天采集到的温湿度数据却呈现了负相关的结果，与其他大多数的样本数据所呈现的结果相反。因此，在进行数据统计分析时，我们经过整理和讨论，去除了白塘植物园，绿宝广场，平江路3组样本数据，以其余的17组数据作为统计分析的根据。因样本量偏少，这对统计分析结果的客观性有一定影响。

前人研究表明，公园内群落结构和植物配置对温度产生影响，这些研究多选择夏季或冬季，我们在此基础之上选择了夏季的7、8月份，总体上以体量较大的乔木配置为主的区域降温效果较明显,而兼顾到局域湿度考虑，在城市建设时，建议多增加以乔木为主的乔-灌-草复合类型的植物群落配置的比例，适当控制草地的比例，以增加局域内调节温湿度的功能[22]。总之，本研究表明，植物遮阴度以及植物配置对城市内的局域温湿度存在明显影响，局域内的降温效果也因测量样本所处的位置而异。城市局部区域内的降温增湿作用不仅受到样本所在城市的地理位置、自然环境条件、周围交通人流等因素的影响，而且也受城市公园周边的城市形态、城市用地类型、公园内不透水人行道的类型和乔木的空间配置[23]，以及绿地的景观结构的影响[24]。道路和屋顶等构筑物通过吸收太阳辐射能使某地面温度比外围气温高1～3℃，城市建筑物和道路的材料改变了地热交换和大气热力学特征,更容易吸收和储存太阳辐射，致使夜晚红外线辐射的热量相应增多，如果这种下垫面贯穿于整个城市,则可使城市出现“热岛”现象[25]。本研究在这些方面都没有探索，今后的研究需要综合考虑上述因素对城市局域降温增湿作用的影响，以便能为城市绿化规划设计提供更加丰富的信息和参考依据,充分发挥城市绿地的生态服务功能，也更多的将人的活动行为纳入其中。

由此可见，在城市的绿地规划中，为创造一个适宜人群活动和停留的空间，应该充分考虑植被的覆盖程度、遮阴水平和乔-灌-草结构层次的搭配尤其是乔木的配置方面等问题，同时，也达到一个文明生态及活跃人文双收的效果。

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Effects of plant shade degree on urban heat island effect: a case study for Suzhou city

XIAO Xiang-dong, WANG Bo, MA Jian-wu, ZHANG Yuan-yuan, FENG Mei-ling, LI Xin-rui, CHENG Ye-dian
(Dept. of Landscape Gardening, Suzhou University, Suzhou 215123, Jiangsu, China)

Vegetation covering over large areas in city plays a positive improving action to urban environment, especially heat island effect, but people tended to ignore the vegetation cover and plant configuration for the effects of temperature and humidity of the environment, and human living in the city. Moreover there was less survey on this aspect. By choosing 20 zones in Suzhou city as samples (tested objects), the effects of plants shading degree and configurations on environment temperature and humidity were investigated. The results show that in summer in the city, larger area of plants with shaded in the local region played a role in cooling and humidification, while in the aspect of plant configuration, and more, air flow and thus contribute to achieve a cooling effect humidif i cation, the high vegetation shading levels decreased of air temperature, the air fl ow resistance was less and benef i cial for air fl ow thus playing a role of cooling and humidif i cation in part of urban areas.

plant coverage (plant shade degree); temperature and humidity; plant disposition; Suzhou city

S718.55

A

1673-923X(2014)12-0117-07

2014-06-28

住建部2013年科技项目（建科函[2013]103号，2013-K1-44）；苏州市园林局2013年科技项目（苏风园[2013]13号，N313801113） 资助；2012年国家自然科学基金项目：云南亚热带高原季风气候带公园绿地雨水多目标管理策略研究（51168043）

肖湘东（1976-），男，湖南汉寿人，苏州大学风景园林系讲师，在读博士，研究方向：景观生态学

王 波（1964-），男，江苏扬州人，苏州大学园艺系副教授，硕导、博士，研究方向：生态学

[本文编校：吴 彬]