寒地城市公园春季休闲体力活动强度与植被群落微气候调节效应适应性研究

2018-07-19赵晓龙赵冬琪

中国园林 2018年2期

赵晓龙卞晴赵冬琪张波

体力活动匮乏的静态生活方式易导致慢性疾病频发，市民对城市公园的公共健康诉求日益增强[1]。城市公园已成为承载太极拳、毽球等休闲体力活动的主要场所。公共健康范式下，活动人次及其代谢量不仅是衡量有效体力活动强度的基本测度，也是增强人群健康的重要可干预因素[2-4]。Macintyre[5]、Hillsdon[6]等在规划尺度下证实：高质量且大规模城市开放空间的水体面积、绿地率等环境特征在促进人群活动强度方面具有积极影响。但场地尺度下，特定强度活动类型与其所在物质环境的适应性研究相对缺乏。

与此同时，随着不利气候条件对城市公园日利用率的冲击，微气候与活动人次的适应性研究广泛展开，并在微气候因子与热舒适两方面取得大量研究成果[7-11]。王吉勇[12]进一步从环境行为学角度证实，活动主体与局地微气候具有热选择、热适应的交互关系。但现有相关研究多集中以人次作为活动强度评价测度。运动健康导向下，活动强度类型的细化及其代谢量与微气候环境的关系有待深入探究。其中，城市公园并非一致性物理环境，局地微气候特征除受区域性物候条件影响外，亦会受到空间遮蔽程度、植被覆盖率等植被群落特征影响[13-15]。而现有研究相对独立的在微气候与行为、微气候与植被群落方面，两两建立关系。探寻寒地城市公园植被群落物质环境、微气候物理环境及休闲体力活动行为规律三者间的联动机制，提高其日利用率以承载日益增长的活动需求成为研究的主要目的(图1)。

因此，本研究借由调查寒地城市公园休闲体力活动强度、局地微气候特征及其植被群落特征，以期解决以下研究问题：

问题1：休闲体力活动强度在寒地城市公园中的时空分布特征如何？

问题2：不同休闲体力活动强度聚集地的微气候特征是否具有显著差异？

问题3：城市公园微气候因子是否对休闲体力活动强度具有适应性影响？

问题4：休闲体力活动强度聚集地典型植被群落特征是否具有微气候调节效应？

旨在利用植被群落微气候调节效应，提出气候适应性的休闲体力活动空间设计策略。

图1 休闲体力活动强度与植被群落微气候效应调节机理

图2 数据采集点平面图

1 研究内容及方法

1.1 研究时间选择

哈尔滨位于中国东北部，北纬44°04′～46°40′，是我国纬度最高的省会城市。温带大陆性季风影响下，四季分明、冬季漫长寒冷。长达5个月之久的严寒气候促使在乍暖还寒之时，城市公园自发性休闲体力活动频发。研究选取寒地城市早春时节4—5月(2016年4月18—22日、2016年5月9—13日共计10d)，依据天气预报随机选取10d无云晴好天气，且排除大型节假日或其他特殊活动出现人潮，影响研究结果的精准性与普适性。每日于6：00—17：00连续观测。

1.2 基础数据采集

预调研选取哈尔滨主城区内休闲体力活动频发的市级公园——兆麟公园为研究区域。该公园(N45°46′26.4＂,E126°36 ′56.16＂)位于哈尔滨居住、商务核心区域，占地面积8.4hm2，植被覆盖率高达72%。通过观察及行为注记法对全园休闲体力活动进行全日段观测。并依据行为注记结果筛选出6个高聚集休闲体力活动场地作为基础数据采集点(图2)。

1.2.1 微气候特征实地测量

依据微气候地面数据采集方法，距地面1.5m处利用Testo-435多功能测量仪(空气温度：±0.3℃、相对湿度：+2%RH～+98%RH、风速：0.03m/s+4%测量值)和建通JTR05太阳辐射仪(7～14mv/kw·m-2)，于观测时段每分钟自动对数据采集点进行定点测量。

1.2.2 休闲体力活动强度观测

研究共计有效观测样本2284人次，涵盖棋牌、太极拳、毽球等7种活动类型。由于观测人数较多且活动流动性较强，难以逐一对活动者的代谢量进行实时监测。因此，选取体力活动能量消耗编码表[16](Compendium of Physical Activities)这一低成本、方便快捷的体力活动分类评估工具，作为代谢量取值及强度划分的重要标准及参考依据[17-19](表1)。休闲体力活动强度(活动人次及代谢量)与微气候数据同步采集，记录间隔30min逐时段叠加。

1.2.3 植被群落特征实地测量

进一步利用实地测量方法对各数据采集点典型植被群落特征进行量化描述。其中，利用红外线测距仪——Nikon 1000AS采集群落结构特征(群落覆盖率、群落绿量比)。利用鱼眼镜相片及RayMan模型计算天空可视因子(Sky View Factor)代表群落冠层郁闭度；手持式激光测距仪——BOSCH-GLM250VF采集冠层距地高度，描述群落形态特征。

2 研究结果及分析

2.1 休闲体力活动强度时空分布特征

表征层面揭示休闲体力活动强度时空分布特征，为休闲体力活动强度与植被群落微气候调节效应因果关系的建立做基础性分析。

图3 休闲体力活动强度时空分布图

表1 休闲体力活动强度采集

表2 休闲体力活动强度时空分布特征百分比/%

表3 休闲体力活动强度聚集地对照点

研究显示(图3)：相同强度的休闲体力活动随局地微气候变化而迁移聚集，并具有主动选择及热适应的过程。其中，活动类型以棋牌、太极拳等低及中低强度活动为主导，占总观测人数74%(表2)。其活动人次日变化趋势趋同，高温阶段达到峰值，随后降温阶段骤然下降，尤其以太极拳、操舞为主的中低强度活动人次变化最为显著。中等以上强度活动人次的日变化趋势明显差异于其他2类强度。初温、积温阶段活动人次小幅度上升，并于高温及降温阶停留在较为稳定的状态。

图4 活动人次与微气候因子适应性分析

表4 休闲体力活动强度聚集地微气候特征差异显著性分析

表5 活动人次与微气候因子相关显著性分析

2.2 休闲体力活动强度聚集地微气候特征差异

依据各观测点活动强度所占百分比，将其划分为3组活动强度聚集地，对照点见表3。利用单因素方差ANOVA探寻各活动强度聚集地微气候特征的显著差异(表4)。研究表明：随着活动强度的增强，活动主体温湿度敏感性增加。其中，低及中低强度活动聚集地的微气候差异显著性趋同，且呈现出较强的耐风性(差值0.072～0.514m/s)及耐湿性(差值5.611%～6.997%)。低温、通风的微气候特征有助于激发低及中低强度活动人次的增加及代谢量的增长。中等以上强度活动聚集地太阳辐射量明显高于低强度活动(差值194.266～208.834W/m2)。高湿及风速对人体体表散热的阻碍，使得低风、低湿、高日照微气候特征利于诱发中等以上活动强度的增加。

2.3 休闲体力活动强度与微气候因子适应性分析

基于上述研究，进一步利用一元线性回归深入探究休闲体力强度与各微气候因子的适应性关系。并应用散点图确定微气候因子适宜值区间。其中，非实验室环境下，城市外部环境影响因素众多，且活动主体行为选择具有较强的主观性与流动性，致使样本数据较为离散。但Sig值均＜0.05，证明R2具有统计学意义。微气候作为满足活动主体的基本生理需求，各因子对休闲体力活动强度的解释能力可被接受，研究结果如下。

2.3.1 活动人次与微气候因子适应性分析

休闲体力总活动人次与太阳辐射、温度呈显著正相关、与风度呈负相关(表5)。关联强度依次为：太阳辐射(R2解释能力57.62%～33.34%)＞温度(R2解释能力54.29%～39.68%)＞风速(R2解释能力36.03%～20.39%)(图4)。活动人次均值集中出现在14～16℃；太阳辐射量400～600W/m2；风速0～0.5m/s。低强度活动的耐风性显著，差值最大可达0.92m/s；当温度上升至18℃以上，太阳辐射量大于600W/m2时，中低及中等以上强度活动人次显著增加。

2.3.2 活动代谢量与微气候因子适应性分析

休闲体力总活动代谢量与温度、太阳辐射呈显著正相关；与风速及湿度呈负相关(表6)。关联强度依次为：相对湿度(R2解释能力49.09%～23.25%)＞风速(R2解释能力48.49%～28.67%)＞温度(R2解释能力45.73%～36.92%)＞太阳辐射(R2解释能力43.97%～21.19%)(图5)。随着活动代谢量的增加，活动主体对相对湿度、风速的感知增强。其中，相对湿度增加至32%，中等以上强度活动代谢量显著下降。休闲体力活动总代谢量在温度18℃以上；相对湿度30%～34%；风速0～1m/s；太阳辐射500～700W/m2微气候特征区间显著上升。

图5 活动代谢量与微气候因子适应性分析

表6 活动代谢量与微气候因子相关显著性分析

2.4 休闲体力活动强度聚集地典型植被群落微气候调节效应分析

选取休闲体力活动强度聚集地典型植被群落特征作为对照比较内容(表7)，通过多重比较Scheffe法(P=0.05)揭示植被群落微气候调节效应与休闲体力活动聚集关系，研究结果如下。

2.4.1 植被群落结构特征微气候调节效应

1)群落覆盖率微气候调节效应。

群落覆盖率是评价场地平面结构植被复合程度的重要评价标准。研究结果表明：群落覆盖率的微气候调节效应主要集中于温湿度方面，且呈现出覆盖率越高降温增湿效应越显著的趋势，其最大温差约为5.614℃；最大湿度差约为12.562%(表8)。由于低覆盖率场地中硬质铺装面积加大吸收大量太阳辐射，致使其与高覆盖率场地最大太阳辐射差值为107.6W/m2，有效诱发中等以上强度活动产生。

2)群落绿量比微气候调节效应。

相同群落结构不同绿量比微气候调节效应比较结果显示：常绿乔木的降温冷却能力较强于落叶乔木2.345℃；太阳辐射拦截能力略低于落叶乔木97.666W/m2(表9)。乔木主导的复合化群落结构越丰富，增湿降温以及对风速的拦截能力越明显，其最大降温效应约为6.667℃、增湿13.322%。不同群落结构微气候调节效应在城市公园中产生局地温差，进而使得空气流速增加。复合化的群落结构有利于在极端气候条件下，弹性控制局地温湿度保持在一定的变化幅度内，避免影响人体生理热能产生极端的增加或丧失，吸引休闲体力活动的聚集。

2.4.2 植被群落形态特征微气候调节效应

1)群落冠层郁闭度调节效应。

相似郁闭度条件下，落叶乔木与常绿乔木的降温增湿作用以及对风速、太阳辐射的拦截作用无显著差异(表10)。高大乔木冠层可在场地上层空间形成连续的绿色屏障。其叶片在蒸腾作用的同时，不仅阻挡反射了太阳辐射，也减少了场地硬质铺装对长波辐射的吸收。而低矮的灌木冠层只对场地周边界面进行围合，所接受太阳辐射明显高于乔木冠层182.2W/m2，温度显著上升3.256℃。

2)群落冠层距地高度调节效应。

相似高度下，落叶与常绿乔木的微气候调节效应无显著差异(表11)。高大乔木冠层与低矮灌木冠层差异显著，其温度差约为2.896℃，湿度约为12.616%。风速方面，虽然灌木冠层对场地界面的围合对风速具有一定阻挡作用，但并不显著。其最大风速差值约为0.23m/s。乔木冠层距地高度在一定程度上加速了冠层下风速的流通、场地的散热。

3 微气候适应性休闲体力活动空间设计策略

基于上述研究结果，利用植被群落微气候调节效应提出以下微气候适应性休闲体力活动空间设计策略。

1)育儿、棋牌、太极拳、操舞等为主导的低及中低强度休闲体力活动空间设计。

针对其对活动场地具有低温、通风的微气候特征偏好，高大乔木为主导的复合化植被群落结构是最佳的配置选择。该群落结构可利用高大乔木冠层，在场地上层空间形成连续的绿色遮蔽屏障，对太阳辐射进行拦截并发挥出强大的降温增湿效能。同时，高耸的乔木冠层距地高度，促使其冠层下易于形成开敞的通风网络。而灌草结构与高大乔木冠层的组合增加了群落结构的复合性与稳定性，并对乔木冠层的降温增湿及通风性能具有强化作用。

2)健身器械、毽球等活动为主导的中等以上强度休闲体力活动空间设计。

针对其对活动场地具有低风、低湿、高日照的微气候特征偏好，高大乔木冠层并不适用。

而无高大冠层遮蔽的灌草结构，可有效接受大量太阳辐射、提高活动场地温度，又具有一定通风除湿效能，成为最适宜的群落结构配置。