城市公园木本植物群落的叶面积指数与辐射消减效应

李佩瑗，胡砚秋，张 璐，苏志尧，王祥林

(1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.江门市园林局，广东 江门 529040)

城市公园木本植物群落的叶面积指数与辐射消减效应

李佩瑗1，胡砚秋2，张 璐1，苏志尧1，王祥林2

(1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.江门市园林局，广东 江门 529040)

木本植物群落具有遮阴和辐射消减的功能，可以缓解城市夏季的热岛效应。为定量研究城市公园木本植物群落的辐射消减效应，选择江门市城区公园24个木本植物景观单元，采用半球面影像技术获取林冠影像，分析模拟城市公园植被冠层结构和林下光照条件。结果表明：1)江门城区公园木本植物景观单元的叶面积指数(ILAI)处于0.88～2.22之间，低于自然环境植被IN,LAI水平；2)冠层对光照的辐射消减率随ILAI的增加而增大，ILAI与直射光消减率和散射光消减率均呈极显著正相关；3)城区公园树木景观单元林冠下直射光的变异程度强于林下散射光，林冠对直射光的影响大于散射光；4)城市公园林冠对直射光和散射光的消减作用极显著，月际变化呈单峰分布，以6～8月消减量最大。

城市公园木本植物；叶面积指数；辐射消减效应；半球面影像技术；植被冠层结构；林下光照条件

城市园林绿地植物尤其是其中的木本植物群落可以大大改善城市下垫面热力学特性，形成与城市热岛效应相反的冷岛效应(cool-island effect)[1-2]。城市公园(urban park)是城市绿化的核心，其中木本植物群落作为城市公园植物的主体，在美化市容、改善城市生态系统环境质量、调节城市生态平衡中发挥着主导作用。由于冷岛效应的作用，城市公园内的温度低于周围都市区的温度，在夏季的作用尤其明显[3]。

太阳辐射是植物生长过程中的重要的限制因子之一，森林林下的光环境影响许多生态过程的进行，如林下植物的生长、更新和演替[4-5]，同时也影响人们利用林冠遮阴效应带来的热感和舒适感。林下光照分为直射光(穿过林冠空隙直接照射到林下的光)和散射光(从任意方位反射到林下的光)[6]，叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)则常用来量化林冠结构。目前，半球面影像技术(hemispherical photography)作为量化测定冠层结构和林下光照的成熟手段已得到长足的发展[7-11]。

本项研究选择江门市城区公园24个木本植物景观单元，采用半球面影像技术获取林冠影像，提取木本植物景观单元的叶面积指数、直射光和散射光等参数，分析模拟城市公园植被冠层结构和林下光照条件，探究城市公园木本植物景观单元冠层对辐射的消减作用，以期为城市绿化和城市公园的规划和建设提供科学理论依据。

1 研究地概况

江门市位于广东省中南部，珠江三角洲西部，地理坐标为21°27′～22°51′N，111°59′～113°15′E。具亚热带海洋性季风气候特征，太阳辐射较强，年平均气温在22℃左右，7月平均气温29℃，极端高温达35.8℃，无霜期在360d以上。地带性土壤为砖红壤。目前，市区建成区绿化覆盖总面积达6 661.89hm2，绿化覆盖率42.5％；绿地总面积6 306.98hm2，绿地率40.20％；公园绿地总面积1 946.22hm2，人均公园绿地面积16.92m2[12]。调查样地设置在江门市2个主要的城区公园，即东湖公园和白水带公园，两者均是典型的近自然城市生态园区，植物配置以南亚热带常绿树种为主。

2 研究方法

2.1 植物群落调查

在江门市东湖公园和白水带公园选择典型植物景观单元设置调查样地，共设置24个样方，每个样方大小为20m×20m。以样方为单位进行每木调查，测量样地内胸径(DBH)≥ 1.0cm的所有乔木个体，记录树木种名、胸径、树高等指标。

2.2 林冠影像获取

利用半球面影像技术获取各个树木景观单元的冠层影像。方法是使用Nikon CoolPix 4500 数码相机外接Nikkor FC-E8鱼眼镜头(180°广角)，在距离地面1.65m 处水平架设相机，镜头朝上，选择“Fisheye1”模式，拍摄林冠半球面影像。用1 600×1 200分辨率，按1∶4的JPEG的图像格式保存照片。每个景观单元随机选择3个或4个点，共计拍摄83张照片，用于计算分析冠层结构参数和林下光照指标。

2.3 数据处理

使用冠层分析软件Gap Light Analyzer(GLA，Version 2.0)对采集的半球面照片进行分析，在设置中输入样地经纬度坐标、海拔和月份，通过调节阈值区分天空(白色)和冠层(黑色)，经过模拟获得全年的冠层结构参数和林冠上下的光照条件，包括冠层有效叶面积指数、林冠顶部直射光(Above Direct Solar Radiation，ADir)、林冠顶部散射光(Above Diffuse Solar Radiation，ADif)、林下直射光(Transmitted Direct Solar Radiation，TDir)和林下散射光(Transmitted Diffuse Solar Radiation，TDif)。分析时把辐射指标设定为单位时间单位面积所获得的热量(MJ·m-2·d-1)。

辐射消减率(attenuation rate)的计算：

直射光消减率(％)=(林冠顶部直射光-林下直射光)/林冠顶部直射光×100％；

散射光消减率(％)=(林冠顶部散射光-林下散射光)/林冠顶部散射光×100％。

采用 Statistica 8.0进行各项数据分析，包括相关分析和非参数的Kruskal-Wallis差异性检验。

3 结果与分析

3.1 景观单元树种组成与冠层结构

调查中共记录到乔木75种，分属32科55属。其中，白水带公园木本植物群落主要有大叶相思Acacia auriculaeformis、木荷Schima superba、油茶Camellia oleifera、阴 香 Cinnamomum burmanni、大王椰子Roystonea regia、尖叶杜英Elaeocarpus apiculatus、梅叶冬青Ilex asprella、窿缘桉Eucalyptus exserta等树种；东湖公园木本植物群落主要有蒲桃Syzygium jambos、海桐Pittosporum tobira、白千层Melaleuca leucadendron、蒲葵Livistona chinensis、黄榕Ficus diversifolia等。白水带公园木本植物的平均树高大于东湖公园，平均胸径小于东湖公园(见表1)。东湖公园第16景观单元的LAI(2.39)最大，第15单元(0.88)最小。有研究指出森林总生产力最大时通常LAI值为8～10[13]，城市公园人工植物景观单元LAI与自然植物群落相比较低。可能是由于环境、树龄、修剪等人工干扰的程度不同，冠幅不同，从而导致LAI的差异。许多学者用径级结构代替年龄结构研究乔木树种的群落结构和动态特征[14]，通过对比树木的胸径等级可知两个公园均为中径级(10cm≤DBH≤40cm)树木居多，占全部调查树木的70.8％。从立木树高的分布趋势来看，中等树木(10m≤H≤20m)和小树(H＜10m)的比例为3∶5。大叶相思、白千层、白兰是公园绿化木本植物的主要高大乔木树种(H＞20m)；湿地松、大王椰子、南洋杉、尖叶杜英等是主要的中等树木；10m以下的立木空间主要是一些中小乔木。

表1 城市公园木本植物景观单元的结构特征†Table 1 Structural attributes of woody plants treescapes in urban park

3.2 林下直射光与散射光

树木景观单元的林下直射光和林下散射光对比结果表明，24个景观单元的直射光均值和散射光均值相近，林下光照均表现为中等变异性，林下直射光的变异程度要强于林下散射光(见表2)。其中位于东湖公园的第7个景观单元的直射光3.47 MJ·m-2d-1是最大值，第19个景观单元的林下直射光均值最小(1.9 MJ·m-2d-1)，且其变异系数最大(43.67％)，约为第1个景观单元的4.3倍。林下散射光的最小值和最大值分别为景观单元13(2.22 MJ·m-2d-1)和景观单元 2(3.37 MJ·m-2d-1)。两个城市公园的林下散射光的变异系数较稳定(16.86％～20.63％)，林下直射光的变异系数波动性较大(10.46％～43.67％)。可见，林冠对直射光的影响大于对散射光的影响。

3.3 叶面积指数与辐射消减的关系

冠层对光照的辐射消减率随LAI的增加而增大(见图1)。叶面积指数LAI分别与直射光消减率、散射光消减率呈极显著正相关(P＜ 0.01)。辐射受林冠的遮挡而消减，不同的树种叶面积指数不同，具有不同的光照消减率。叶面积越大，林冠的郁闭度越大，辐射透过冠层消减越快，辐射消减率越高。林冠辐射的消减率与林分的密度及单株树枝叶的茂密程度有关。叶面积指数与直射光消减率的相关性(r = 0.889 3)大于叶面积指数与散射光的消减率(r = 0.685 9)，说明叶面积指数对直射光的消减率影响更大。冠层可以将大量的直射光反射到大气中，散射光在林冠中具有更强的透射性[15-16]，可以将更多的入射辐射散布到冠层内部的叶片上。因此冠层的叶面积指数的大小对直射光的消减的作用要大于对散射光的消减作用。

3.4 冠层辐射消减量与辐射消减率

3.4.1 林冠对直射光和散射光的消减

城市公园不同树木景观单元的直射光消减量、消减率和散射光消减量、消减率均差异显著(P＜ 0.01)(见图2、图3)。其中第6个景观单元对直射光的消减量(3.45 MJ·m-2d-1)作用最大，第19个景观单元(1.8 MJ·m-2d-1)最小；第9个景观单元对直射光的消减率(82％)作用最大，第19个景观单元(41％)的最小；第2个景观单元对散射光的消减作用(3.5 MJ·m-2d-1)和消减率(80％)最大。

3.4.2 月际变化

不同月份林冠对直射光消减量(TransDir)和散射光消减量(TransDif)的差异极显著(P ＜0.01)，但直射光和散射光的消减率没有显著差异

(见图4、图5)。2个公园的树木景观单元冠层对直射光和散射光消减量的作用均呈现单峰分布，1月份最低，最大值出现在6月份出现最大值。东湖公园的直射光消减率在72％～79％之间，全年散射光消减率约75％，白水带公园的直射光消减率变化范围是65％～72％，全年散射光消减率是72.5％。可见，与白水带公园相比，东湖公园的树木景观单元具有更好的遮阴效果。

表2 城市公园木本植物景观单元的林下直射光和散射光Table 2 Transmitted direct solar radiation and transmitted diffuse solar radiation of woody plants treescapes in urban park

图1 叶面积指数(ILAI)对辐射消减率的影响Fig.1 Effects of ILAI on radiation attenuation rate

图2 不同木本植物景观单元的林冠直射光消减量及消减率Fig.2 Direct attenuation and direct attenuation rate of different woody plants treescapes

图3 不同木本植物景观单元的林冠散射光消减量及消减率Fig.3 Diffuse attenuation and diffuse attenuation rate of different woody plants treescapes

图4 林冠对直射光消减的月际变化模拟Fig.4 Modeling monthly changes in direct radiation attenuation by treescape canopy

4 讨 论

冠层对辐射的截获导致透过林冠进入林下的光照减少，叶面积指数越大，光截获率越大，光的辐射消减率逐步增大。林木的叶面积指数与物种、树龄及种植密度等因素有关，深入分析具体树种的LAI与辐射消减的关系，可为城市园林绿化的树种选择的提供科学依据。

林冠对于太阳辐射的吸收和反射，使林下辐射与林冠上层相比具有光照强度减弱、分布不均及光照时间缩短的特征。不同的冠层，林下光照环境也不同，合理的冠层结构可以兼顾遮阴与景观需求，改善林下活动环境并提高公园树木景观单元的生态服务效能，其效果在夏天尤为突出。各林木景观单元的林下直射光的变异系数差异大，林下散射光变异系数相近，可见冠层对林下直射光的影响较大。

在未来相当长的时间里，建设美丽城乡仍是城乡规划建设的重要目标。在城市中加强绿地的规划建设，尤其是木本植物群落的构建，是提高城市绿地生态系统服务功能、增进居民“生态福利”的重要手段。城市森林绿地建设中树种的选择，应充分考虑不同立地条件下的太阳辐射强度，选择最适树种，营造最适冠层，不仅使景观环境美化，而且可以发挥木本植物的最大生态效能。

图5 林冠对散射光消减的月际变化模拟Fig.5 Modeling monthly changes in diffuse radiation attenuation by treescape canopy

[1] 杨 轲,谢 玲.公园冷岛效应的研究现状[J].科学咨询,2010,(13):8.

[2] 李润林,时永杰,姚艳敏,等.基于LandsatTM/ETM+的张掖市甘州区绿洲冷岛效应时空变化研究[J].干旱区资源与环境,2014,28(9):139-144.

[3] Hamada S,Ohta T.Seasonal variations in the cooling effect of urban green areas on surrounding urban areas[J].Urban Forestry&Urban Greening,2010,9(1):15-24.

[4] Ligot G,Balandier P,Courbaud B,et al.Managing understory light to maintaina mixture of species with different shade tolerance[J].Forest Ecology and Management,2014,327:189-200.

[5] Lochhead K D,Comeau P G.Relationships between forest structure,understorey light and regeneration in complex Douglasfir dominated stands in south-eastern British Columbia[J].Forest Ecology and Management,2012,284:12-22.

[6] 胡理引,朱教君,李俊叟,等.林窗内光照强度的测量方法[J].生态学报,2009,29(9):5056-5065.

[7] Chianucci F,Cutini A.Estimation of canopy properties in deciduous forests with digital hemispherical and cover photography[J].Agricultural and Forest Meteorology,2013,168:130-139.

[8] Chianucci F,Cutini A.Digital hemispherical photography for estimating forest canopy properties:current controversies and opportunities[J].Forest-Biogeosciences and Forestry,2012,5(6):290.

[9] 黎彩敏,黎孟昭,翁殊斐,等.半球面影像技术估测三种园林树种的绿量[J].北方园艺,2011,(19):73-76.

[10] 区余端,苏志尧.粤北山地常绿阔叶林自然干扰后冠层结构与林下光照动态[J].生态学报,2012,32(18):5637-5645.

[11] 钟泳林,王志云,冼丽铧,等.基于粗糙集的林木冠层结构和光分布对净光合速率影响研究[J].中南林业科技大学学报,2014,34(4):43-49.

[12] 江门年鉴编辑部.江门年鉴[M].北京:中国县镇年鉴社,2012.

[13] 王希群,马履一,贾忠奎,等.叶面积指数的研究和应用进展[J].生态学杂志,2005,24(5):537-541.

[14] 赵永华,雷瑞德,贾 夏,等.秦岭锐齿栎群落数量特征的研究[J].应用生态学报,2003,14(12):2123-2128.

[15] Roderick M L,Farquhar G D,Berry S L,et al.On the direct effect of clouds and atmospheric particles on the productivity and structure of vegetation[J].Oecologia,2001,129(1):21-30.

[16] Yamasoe M A,Randow C V,Manzi A O,et al.Effect of smoke and clouds on the transmissivity of photosynthetically active radiation inside the canopy[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2006,6(6):1645-1656.

Leaf area index and radiation attenuation effects of woody plant communities in urban park

LI Pei-yuan1,HU Yan-qiu2,SU Zhi-yao1,ZHANG Lu1,WANG Xiang-lin2
(1.College of Forestry,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong,China;2.Jiangmen City Garden Bureau,Jiangmen 529040,Guangdong,China)

Woody plants have the functions of shading and radiation attenuation,can mitigate the urban heat island effect.To quantitatively study radiation attenuation effect of woody plant community in urban park,twenty four treescapes in Jiangmen city urban park were selected,then their tree crown images were extracted by adopting hemispherical photography technology,and The canopy structure and understory light conditions in the sample plots were simulated and analyzed.The results show that(1)The ILAI value of treescapes in Jiangmen urban park(0.88～2.22)was lower than the I N,LAI under natural vegetation;(2)The radiation attenuation rate of the canopy to illumination increased with the increase of ILAI,ILAI values were signi fi cantly positively correlated with attenuation rate of direct and diffuse solar radiation;(3)The variability of transmitted direct solar radiation was greater than transmitted diffuse solar radiation,and canopy had more influences on direct light than diffuse light;(4)The attenuation effects of canopy on both direct and diffuse solar radiation were signi fi cant,The monthly variations of attenuation effects displayeda single peak distribution and reached the maximum in June to August.

woody plants in urban park；leaf area index(LAI);radiation attenuation effects;hemispherical photography technology;vegetation canopy structure;under-story light conditions

S718.51

A

1673-923X(2015)03-0078-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.03.016

2014-01-10

广东省林业科技创新项目(2011KJCX031-02)；江门市科技计划项目(2010)

李佩瑗，硕士研究生

苏志尧，教授，博士；E-mail：zysu@scau.edu.cn

李佩瑗，胡砚秋，张 璐，等.城市公园木本植物群落的叶面积指数与辐射消减效应[J].中南林业科技大学学报，2015,35(3):78-83.

[本文编校：吴 毅]