草坪砖植草退化后对热效应的贡献变化

刘寒晓，孙永康，张艳，朱楠，杨建英，赵廷宁

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)



草坪砖植草退化后对热效应的贡献变化

刘寒晓，孙永康，张艳，朱楠，杨建英，赵廷宁

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

摘要：草坪砖作为城市下垫面常用铺装材料，其草坪维护是重点问题，草坪退化后除美观受影响外，是否对周围环境热效应的贡献产生变化是研究的重点。对草坪砖、植草退化后的草坪砖、混凝土地砖3种常用铺装材料的地表温度、气温、辐射进行了一年的连续测量，分析了3种下垫面的温度和气温变化情况及其影响因素，比较了3种下垫面间的温度差异性，分析了地表温度与气象因子的相关程度;建立了3种铺装材料地表温度与气温的一般线性模型。结果表明,1)草坪砖与退化后草坪砖铺装对周围环境热效应的贡献差异不显著(P>0.05)；2)草坪砖、退化草坪砖两者对周围环境热效应的贡献与混凝土地砖铺装对周围环境热效应的贡献差异都显著(P<0.05)；3)模型通过了检验，且地表温度和气温拟合优度较高，可通过模型计算3种铺装材料地表温度，由模型中系数大小得知，随太阳辐射增强地表温度变化幅度由小到大依次为草坪砖<退化草坪砖<混凝土地砖。

关键词：草坪砖；环境热效应；地表温度；铺装材料

本研究所指热效应是由于铺装材料下垫面温度与气温相比较高而对周围环境产生一定影响的现象。城市热效应主要与下垫面性质的改变、人为热排放、植被条件和区域气候有关[1]。其中下垫面的改变是不可忽视的重要因素，先前研究发现，土地利用类型可能比人为温室气体对气候的影响要大[2]。也有研究发现，下垫面用地类型不同，会导致不同程度的城市热效应[3-6]。

很多学者对下垫面类型与热效应的关系做出了研究。在城市这样大尺度范围内，许多学者应用遥感技术研究了部分南方城市下垫面类型与热效应的关系，发现城市用地是热效应的主要贡献因素，而水体和草地贡献小，具有较好的降温作用[7]。其中，林地和裸地对热效应的贡献度有所争议，刘宇等[8]认为林地和裸地对热效应贡献度较大，而历华等[7]认为林地和裸地具有较好的降温效果、对热岛效应有缓解作用。综上所述，在大尺度范围内下垫面的类型会影响热效应的强度。

在较小尺度范围内，有学者利用地表温度和气象要素的对比发现，下垫面类型不同导致地表温度不同，对热效应的影响也就不同。关于地表温度与气温、湿度、气压、风速等关系的研究目前较多。有学者分析沥青、水泥、裸地和草地4种城市下垫面地表温度和气温等气象要素的观测资料，得出了典型城市下垫面对大气具有一定的加热作用，以沥青最强，水泥次之，裸地和草地较弱的结论[9-14]。徐心馨等[15]测量了北京市7、8两个月的林地、草地、水体、石材地面与水泥路面的温度、湿度、风速数据，经过分析发现，水体、林地、草地、裸地等下垫面对热岛效应有缓解作用，其中林地作用最为明显，硬化下垫面水泥地面、石材地面对热岛效应有加剧作用，其中水泥地面强于石材。其它研究表明，草地的年均温、年均最高最低温、年极端最高最低温均低于水泥面和裸地，而冬季草地平均最高温和极端最高温高于水泥面和裸地的[16]。综上可知，研究小尺度范围内时不能再利用遥感，而是要关注地表温度与气象要素的关系。因此，研究铺装材料对热效应影响时要关注不同铺装材料形成的下垫面的地表温度和气象要素的关系。

地面铺装材料分硬质铺装(砖、沥青、石材、水泥、混凝土块)和软质铺装(草坪、草坪砖、植草格)。为了达到生态美观的效果，草坪砖这一材料应用广泛，特别是在地面停车场、景观要求高的住宅小区、购物广场等地。草坪砖是指在地面上铺设地砖，地砖中留出一些形状、大小系统排列整齐的空隙，在这些空隙中种植草坪，这类草坪也叫网格草坪、镶嵌草坪等。草坪砖过度碾压、水热条件欠缺或养护管理不及时，会造成植草退化失去生态效益和观赏价值[17-21]。植草退化后的草坪砖地面由于得不到及时更新，目前成为了城市中存在较多的下垫面。又由前面论述可知，下垫面的类型对城市热效应有较大影响，采用草坪砖铺装方式是为了利用植草减缓热效应、增加城市美观效果，但其植草退化后对周围环境热效应的贡献程度有无变化并未引起关注，这在铺装材料对热效应贡献方面是值得研究的一个问题。如若植草退化后对热效应贡献程度显著增加，则应及时维护、更新草坪；如若对热效应贡献程度变化不大，则应关注其它重要方面，如考虑铺装方式。因此，探究草坪砖植草退化后是否对周围环境的热效应贡献产生变化是本研究的重点。

1研究区概况

清华大学美术学院地面停车场(39°59′54.00″ N，116°19′47.73″ E)为试验区域，该区域属温带湿润季风气候区，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。

选取的3种铺装材料地面——草坪砖、植草退化后的草坪砖(以下简称退化草坪砖)、混凝土地砖，它们之间距离近、面积大、周围无遮挡物。每种地面面积约为500m2，其具体分布情况见图1。草坪砖地面所用地砖为不透水的灰色混凝土地面砖，其砖洞内植草面积占总面积的28.3%；退化草坪砖地面与草坪砖地面铺装完全一致，但草坪退化，仅剩裸露的土壤。混凝土地砖地面采用不透水灰色混凝土地面砖。

图1　清华大学美术学院停车场

2研究方法

对热效应的研究方法分为气象资料观测法、遥感监测法、边界层数值模式模拟法和实验室仿真实验法[22]。本研究采用气象资料观测法，以地表温度来反映对热效应的贡献程度。

2.1测量方法

2012年6月至2013年5月为试验观测时间，每天的观测时段为07:00-17:00，间隔为半小时。测量的数据有地表温度、气温。具体方法是：在1 m高度处采用手持红外热像仪(FLIR i7)对下垫面进行垂直拍照。利用全自动气象站(Vantage Pro 2，高度1.5 m)测量气温，由于3种铺装材料地面距离近，所处环境空旷，认为1.5 m处气温相同，是各种因素影响下的混合气温，因此数据分析中3种地表温度与气温对比时采用同一气象站所测气温。

2.2数据处理和分析方法

用Excel进行数据处理，并做出全年日平均和月平均温度变化图。运用R语言对3种铺装材料地表温度进行差异显著性检验。利用全年地表温度和气象数据在SPSS 17.0中进行Pearson相关分析。最后利用3种铺装材料地表温度结合气温数据在R语言中建立一般线性模型。分析数据的时段分为冬半年(11月-次年4月)及夏半年(5-10月)。

3结果与分析

3.13种铺装材料地表温度对比分析

对一年的地表温度与气温数据绘图，进行夏半年日均温、冬半年日均温、全年日均温和全年月均温的对比分析。

3.1.1夏半年日均温3种铺装材料夏半年地表温度变化与气温同步，最低温度出现在07:15，最高温度出现在13:15，表明气温和下垫面温度有一定的相关性(图2)。草坪砖、退化草坪砖、混凝土地砖3种下垫面夏半年地表温度由高到低的大致次序为混凝土地砖>退化草坪砖>草坪砖，分别比气温高11.6、7.8和6.9 ℃(表1)，3种铺装材料地表温度显著(P<0.05)高于气温(表1)。通过热交换作用，有较高温度的地表把热量传递给大气，说明铺装材料地表对大气有一定的加热作用。草坪砖和退化草坪砖温度差异不显著(P>0.05)，而混凝土地砖温度显著大于上述两类地表(P<0.05)，说明夏半年草坪砖与退化草坪砖铺装材料地表对热效应的贡献大小差异不显著，但两者对热效应贡献都显著小于混凝土地砖。

3.1.2冬半年日均温度3种铺装材料冬半年地表温度变化与气温同步，最低温度出现在07:15，最高温度出现在12:45(图2)；大气首先对地表起到加热作用，09:15之后地表温度由于太阳辐射的影响开始高于气温，对气温起到加热作用。草坪砖、退化草坪砖、混凝土地砖3种铺装材料冬半年地表温度由高到低依次为草坪砖>退化草坪砖>混凝土地砖，分别比气温高5.5、3.9和3.9 ℃(表1)。草坪砖显著高于退化草坪砖和混凝土地砖地温(P<0.05)，说明冬半年草坪砖铺装材料地表对热效应的贡献显著大于退化草坪砖和混凝土地砖。草坪砖铺装材料对地面的保温效果优于其它两者。图中混凝土地砖温度曲线在11:45和14:45左右有起伏，主要是因为地表温度升高了，混凝土地砖的比热较小，随太阳辐射增强，温度起伏较剧烈，在冬季干冷无水汽缓冲的气候下尤为明显；11:45气温增高原因是冬季地表热量来源主要为太阳辐射，11:00左右太阳辐射增大较明显，地表温度逐渐上升；到一定程度后，随着气温的慢慢升高开始与气温进行热交换，地表温度又逐渐下降。午后14:00左右，随着大气逆辐射增加，地表又一次升温，气温也随逆辐射升高后，两者再次进行热交换，地表温度逐渐下降。草坪砖和退化草坪砖没出现这种现象是由于两种铺装材料比热较大，土壤中的水分对由太阳辐射引起的温度升高有一定的缓冲作用。而混凝土地砖温度曲线起伏较大的原因是测量间隔时间较长，使温度升高和下降显得尤为突出。

表1　3种铺装材料地表温度和气温

注：同列不同小写字母表示不同铺装材料及气温间差异显著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters within the same column indicate significant difference of temperature of three surfaces and air temperature at 0.05 level.

图2　夏半年(a)、冬半年(b)和全年(c)不同时刻3种铺垫材料地表温度与对应气温的均值变化

3.1.3全年日均温度3种铺装材料全年地表温度都呈单峰型变化，与气温同步。08:45后地表温度开始超过气温，在13:15到14：45之间温度达到最高点，说明地表温度和气温具有一定的相关性，二者相互影响(图2)；气温首先对地表起到加热作用，08:45之后地表温度由于太阳辐射的影响开始高于气温，对气温起到加热作用。3种铺装材料全年地表温度由高到低的次序为混凝土地砖>草坪砖>退化草坪砖，分别比气温高7.7、6.2和5.9 ℃(表1)，这说明，从全年来看，铺装材料地表对大气的加热作用较大。而草坪砖、退化草坪砖、混凝土地砖三者两两之间差异显著(P<0.05),但差值不大。

综合以上分析，夏半年草坪砖与退化草坪砖铺装的地表对热效应贡献大小差异不显著(P>0.05)，冬半年草坪砖铺装的地表对热效应的贡献显著大于退化草坪砖，全年来看，草坪砖热效应与退化草坪砖热效应贡献差异不显著；而综合来看，草坪砖与退化草坪砖铺装的地表对热效应贡献都显著小于混凝土地砖。说明草坪砖草坪退化之后，夏半年不会显著增加周围环境的热效应，但冬半年的保温效果会显著降低；且不论草坪退化与否，草坪砖覆土植草的铺装方法铺装的地表对周围环境热效应的贡献都会显著小于混凝土地砖铺装的地表。

3.1.4全年月平均温度冬季(12月-次年2月)草坪砖温度高于其它两者；3种下垫面地表温度由高到低依次为：草坪砖>退化草坪砖>混凝土地砖(图3)。春季(3-5月)，混凝土地砖较其它两者稍高；从4月份开始，退化草坪砖温度逐渐高于草坪砖温度。夏季(6-8月)，混凝土地砖温度明显高于其它两者；退化草坪砖温度高于草坪砖温度，但随着时间的变化，差距逐渐缩小；3种下垫面地表温度由高到低依次为：混凝土地砖>退化草坪砖>草坪砖。秋季(9-11月)，三者温度相近，大体呈现冬季月均温度的排序。三者的月均温度虽有高低差异，但差异不显著(P>0.05)。

3.2建立3种铺装材料地表温度与气温的一般线性模型

在R语言中，利用3种铺装材料地表与大气的全年月均温度数据建立一般线性模型(表2)。表3中给出的模型P值小于0.05，通过了检验，表征模型有意义，且模型R2(拟合优度)在0.95以上，说明全年中每月平均温度数据能很好地解释地表温度和气温的相关关系。在得到周围大环境的气温数据后，可通过模型计算3种铺装材料地表温度，其中系数x的实际意义是反映了随太阳辐射增强地表温度的变化幅度。由系数大小得知，地表温度变化幅度由小到大依次为草坪砖<退化草坪砖<混凝土地砖。x系数越大，说明随太阳辐射增强，地表增温速度越快、幅度越大，对气温有更强的加热作用，对热效应的贡献程度更大。可由模型系数更直接地看出3种铺装材料地表对热效应贡献的差异，但这与3.1的分析不矛盾，三者存在差异，但是差异是否有显著性还需要看两两之间均值的t检验结果。

图3　3种铺垫材料月平均地表温度变化图

项目Item草坪砖Grassbrick(y1)退化草坪砖Degenerategrassbrick(y2)混凝土地砖Concretebrick(y3)气温Temperature(x)y1=1.173x+3.777y2=1.283x+1.858y3=1.461x+1.326P1.154×10-94.473×10-103.406×10-10R20.95790.96670.9666

4讨论与结论

下垫面介质的热特性和生物学特征差异是热场分布差异的内在原因。影响下垫面热特性的是铺装材料的物理特性，包括材料本身比热和反照率等。根据Oke的能量方程，可发现铺装材料的物理特性会影响地表与大气的显热交换、潜热交换和地表储热量变化，从而对热效应造成影响[23]。研究发现，草坪砖退化后其对环境热效应的贡献与之前相比并无显著差异，而不论草坪砖铺装的草坪退化与否，其对热效应的贡献都显著小于混凝土地砖。

其中，草坪砖和退化草坪砖铺装相比混凝土地砖对热效应贡献程度小的现象可能由以下两方面引起。一是草坪的蒸腾作用、热力特性以及对二氧化碳、浮尘等物质的吸收作用，可在一定范围内降低温度，而且对太阳辐射有较好的反射和吸收作用。二是草坪砖铺装是一种透水性铺装，相关研究表明透水性路面可有效缓解不透水的硬化地面对城市生态造成的负面影响，原因是雨水能通过透水路面渗透入地，还原成地下水，其蒸发作用又可以减缓局部气温的增加，从而减小热效应[24]。因此建立地面停车场时，为减小热效应，应尽量使用透水性铺装。

草坪砖与退化后的草坪砖铺装对周围环境热效应的贡献大小差异不显著的原因，可能是植草面积太小，不足以造成显著差异。张彪等[25]对北京市绿地每年的蒸腾吸热量进行了研究，发现不同绿地类型和区县绿地的降温功能差异较大，主要受绿地面积和组成结构的影响，且植物蒸腾降温的主要器官是叶片，因而绿地降温功能与其覆盖率和绿量有较大关系。草坪砖草坪退化之后，其植物的蒸腾作用消失。因此，退化后的草坪砖铺装材料对热效应的影响与之前相比可能会改变。但如果植草面积过小，则这种改变造成的差异比较微小，能从数值上体现出来，但不能通过差异显著性检验。因此，还需进一步研究如何优化草坪砖铺装中的植草面积，使草坪砖铺装既符合铺装要求又能显著减小对热效应的贡献。

综合全文分析，可得出以下结论：草坪砖与退化后的草坪砖铺装对周围环境的热效应的贡献程度差异不显著，说明草坪砖内有无草坪对环境的热效应的贡献差异不大；草坪砖、退化草坪砖与混凝土地砖的热效应影响差异显著，说明草坪砖的铺装方式较混凝土地砖的铺装方式对环境热效应的贡献程度小；可通过3种铺装材料地表温度与气温的一般线性模型计算3种铺装材料地表温度，由模型中系数大小得知，随太阳辐射增高地表温度变化幅度由小到大依次为草坪砖<退化草坪砖<混凝土地砖。

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(责任编辑张瑾)

Change of the grass brick surface material’s thermal contribution to surrounding environment after grass degeneration

Liu Han-xiao, Sun Yong-kang, Zhang Yan, Zhu Nan, Yang Jian-ying, Zhao Ting-ning

(College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Abstract:Grass brick is a frequently used material of urban ground surface. The maintenance of the grass is a big problem after establishment. Whether the degenerated grass brick has different thermal contribution to surrounding environment or not is the key point of the study. Based on the observedone year’ data of 3 frequently-used surface materials including grass brick, degenerated grass brick and concrete brick’s, the annual temperature variations, relevant level of meteorology factors and influence factors of the land surfaces were analyzed; The general linear model was established based on three surface materials and the monthly temperature of the year. The results are as follows: 1)The difference of thermal effects on surrounding environment between grass brick material and degenerated grass brick material is not significant; 2)Both the grass brick and the degeneratedgrass brick material have significant differences with the concrete brick material. 3)The general linear model passed the check and the match accuracy between the surface and the air temperature is high. The surface temperature can be calculated through the model. The coefficient represent the surface temperature’s rising range with the increase of solar radiation.The rank of rising range is as follows: grass brick

Key words:grass brick; urban heat island; land surface temperature; ground surface’s materials

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0540

*收稿日期：2015-10-10接受日期：2016-03-16

基金项目：林业公益性行业科研专项“建设工程损毁林地植被修复关键技术研究与示范”(200904030)；生态停车场绿化基础研究项目；2012-2013年度北京市级大学生创新创业训练计划项目(121002253)

通信作者：杨建英(1965-)，女，河北石家庄人，副教授，博士，主要从事水土保持监测、生态修复等方面的研究。E-mail:jjyang@bjfu.edu.cn

中图分类号：S812.6+8

文献标志码：A

文章编号：1001-0629(2016)6-1077-07*

Corresponding author：Yang Jian-yingE-mail: jjyang@bjfu.edu.cn

刘寒晓，孙永康，张艳，朱楠，杨建英，赵廷宁.草坪砖植草退化后对热效应的贡献变化.草业科学,2016,33(6)：1077-1083.

Liu H X,Sun Y K,Zhang Y,Zhu N,Yang J Y,Zhao T N.Change of the grass brick surface material’s thermal contribution to surrounding environment after grass degeneration.Pratacultural Science，2016,33(6)：1077-1083.

第一作者：刘寒晓(1992-)，女，山东济南人，在读硕士生，主要从事水土保持环境监测和工程绿化。E-mail：kenaxiaoer0123@qq.com