森林公园林分结构特征对空间热环境的影响

赵秋月, 余坤勇, 项 佳, 林丽丽, 黄 河, 谢巧雅, 刘 健,3

(1.福建农林大学园林学院，福建 福州 350002；2.3S技术与资源优化利用福建省高等学校重点实验室，福建 福州 350002；3.福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

城市化进程的加快以及城市的迅速发展带来了城市生态环境恶化、城市热岛效应等一系列问题，严重影响了城市居民的正常生活[1-2].森林公园作为人们消暑、游憩地点，能够通过降温有效缓解热岛效应[3-6].研究表明树冠能够吸收和反射太阳辐射，降低其空间温度[7]，大面积森林绿地能够改变城市下垫面性质，并且形成低温中心，从而分隔热岛效应并限制其扩散.然而城市用地有限，如何将有限的土地发挥最大作用，是目前城市建设亟需思考的问题.研究[6,8-9]表明森林植物群落内部结构对空间热环境有重要影响.目前国内外学者对不同群落类型[10-11]、不同群落结构[12-13]、不同树种[14]等非空间结构与热环境之间的关系进行研究，结果表明林分非空间结构因子对空间热环境有较大影响.林分空间结构特征因子主要是基于相邻木关系的角度，反映植物群落林木的空间位置属性及其排列的空间关系.林分空间结构特征可通过林木之间的空间关系影响空间温度.

本文以三明市金丝湾森林公园作为研究对象，通过小气候仪检测及实地采样，获取标准地林分非空间结构特征、空间结构特征指标及温度数据，探讨森林林分非空间结构特征及空间特征与空间热环境之间的关系，为合理、有效规划植物分布，发挥其热环境调节功能提供依据.

1 研究区概况

三明市位于福建省中西北部，地处沿海低纬度区，属于亚热带季风气候，年平均日照时数可达1 727.1～1 897.5 h，气温高，年最热月份为7、8月份；且气温比较稳定，平均气温为27～28 ℃.研究区位于福建省三明市北部(117°33′9″—117°37′19″E，26°18′32″—26°20′44″N)陈大国有林场内部，距离市区约12 km，是省级森林公园，面积达151.7 km2；植被丰富，植被覆盖达80%以上，已鉴定的木本植物计96科320属500余种，林分结构特征较为典型[15].

2 研究方法

2.1 标准地设定及数据采集

2.1.1 标准地设定 在三明金丝湾森林公园设定11个标准地(图1、2)，均位于阳坡，坡度小于30°，面积为20 m×20 m，标准地间距大于200 m；标准地选择混交林，且平均树龄一致；设定的标准地距离道路20 m，以消除道路及行人对其空间热环境的影响；选定的标准地林分非空间结构特征与空间结构特征具有多样性.

图1 三明金丝湾森林公园Fig.1 Sanming Golden Bay Forest Park

2.1.2 数据采集 鉴于研究区年气温最高月份为8月，因此在8月份采集数据.为保证采集数据的可靠性选择晴朗无风或风力小于2级的天气进行试验，避开极端天气.采用小气候仪(Kestrel 4500，深圳市中建工科技有限公司提供)从样地中心测空气温度.由于温度在12：00左右比较稳定，因此选择在11:30—12:30测定，每隔10 min测1次，每个样地测5次，每次持续2 min，取平均值.在样地内通过每木检尺对树高、枝下高、胸径、郁闭度进行测量.

2.2 林分非空间结构特征及林分空间结构因子的计算

2.2.1 林分非空间结构特征因子 目前研究的林分非空间结构特征因子分别为乔木数量(X1)、植株密度(X2)、郁闭度(X3)、胸径(X4)、树高(X5)、枝下高(X6)及林分胸高断面积(X7)，本研究将其作为影响空间热环境的影响因子[3].植株密度为标准地内单位面积树木植株个数；郁闭度为标准地内乔木冠幅的垂直投影占标准地面积的比例；枝下高为从地面到树木第1层分枝点的高度；林分胸高断面积为标准地内所有树木离地面高1.3 m的断面积之和与标准地面积的比值.

(1)

(2)

(3)

式中，N表示标准地中某一树种株数；S表示标准地面积，单位m2；DBHi表示标准地中某一树木的胸径，单位cm.

2.2.2 林分空间特征因子 林分空间特征因子主要是基于相邻木关系，反映植物群落林木在水平和垂直方向上的空间位置属性及其排列的空间关系.目前描述林分空间结构的参数体系主要包括林分位置、林分混交、林木空间分布、垂直分层等.基于相邻木关系的空间结构指数很好地描述了林分空间结构特点，已被广泛应用[16].本研究选取开阔比(X8)、混交度(X9)、大小比数(X10)、角尺度(X11)、竞争指数(X12)5个空间结构参数，作为空间热环境影响指标.开阔比反映林木生长空间的大小[16]；混交度表示树种空间的隔离程度[17]；大小比数表示参照树与其相邻木的关系[18]；角尺度主要是描述参照树周围相邻木的均匀性，反映林木分布状态情况[19]；林分竞争指数反映群落树种间的竞争情况[20].

(4)

式中，当参照树i与第j株相邻木的夹角<标准角a0时，Zij为1，否则为0；n为相邻木株数.

(5)

式中，当参照树i与第j株相邻木为不同种时，uij为1，否则为0；n为相邻木株数.

当n=4时，混交度取值为0、0.25、0.50、0.75和1.00，代表的林木混交程度分别是零度混交、弱度混交、中度混交、强度混交和极强度混交.

(6)

式中，当第j株相邻木比参照树i大时，kij为1，否则为0；n为相邻木株数.

(7)

式中，tij为开阔情况取值，其定义为当参照树i与相邻木j的水平距离大于二者树高之差时(后者减前者)，tij=1，否则为0.

(8)

式中，CI为林分竞争指数；CIi为单木点竞争指数；N为林分内林木的总株数.

3 结果与分析

3.1 金丝湾森林公园林分结构特征

由表1可知，金丝湾森林公园标准地林分结构差异较大，其中混交度、林分胸高断面积变化幅度最大，混交度最大值为0.8，出现在6号标准地；最小值仅0.08，出现在7号标准地；均值0.5，标准差0.24.林分胸高断面积最大值67.50 m2·hm-2，出现在3号标准地；最小值仅为19.54 m2·hm-2，出现在9号标准地；均值46.59 m2·hm-2，标准差22.45.大小比、角尺度变化幅度最小.大小比最大值0.56，最小值0.49，均值0.51，标准差0.02.角尺度最大值0.62，最小值0.49，均值0.56，标准差0.03.郁闭度、树高、枝下高、开阔比、种植密度、平均胸径变化幅度较大.郁闭度均值74%，树高均值15.36 m，胸径均值14.97 cm，枝下高均值7.72 m，开阔比均值0.26.

表1 金丝湾森林公园林分结构指标Table 1 Stand structure indexes of Golden Bay Forest Park

3.2 空间热环境模型的建立

3.2.1 空间热环境影响因子的确定 运用SPSS 22.0软件对数据进行相关性分析(表2)，林分非空间结构特征中的郁闭度与空间热环境存在极显著相关关系，表明郁闭度对空间热环境具有较大影响.树高、枝下高与空间热环境存在显著相关关系，种植密度、胸径和林分胸高断面积与热环境效应呈非相关性.林分空间结构特征中的开阔比、混交度与空间热环境存在极显著相关关系，但角尺度、大小比、竞争指数与空间热环境呈非相关性.

表2 空间结构与非空间结构指标间的相关系数1)Table 2 Pearson coefficients between spatial and non-spatial structure indexes

1)*表示显著相关，**表示极显著相关.

同时在空间热环境模型运算过程中(表3)，采用t值进行偏相关关系检验，林分非空间结构特征和林分空间结构特征的检验结果为极显著、显著，可以确定其为对空间热环境贡献较大的因子.剔除胸径(X2)、林分胸高断面积(X5)、种植密度(X6)、大小比数(X9)、竞争指数(X10)、角尺度(X11)等6个贡献率较低的影响因子，分别提取树高(X1)、枝下高(X3)、郁闭度(X4)3个植物群落特征因子和混交度(X7)、开阔比(X8)2个主要林分空间结构因子，对空间热环境进行分析，对空间热环境模型的影响分别为66.25%、33.75%.表明无法通过单纯增加种植密度、胸径、林分胸高断面积、角尺度、大小比和竞争指数来改善城市空间热环境.

3.2.2 空间热环境影响模型的建立 将群落内部温度作为因变量，以提取的林分非空间结构特征因子和林分空间结构特征因子作为自变量，建立多元线性回归模型(表4)：

T=1.490X8-0.068X1+0.149X3-4.296X4+1.469X7+32.369

(9)

表3 模型检验1)Table 3 Model testing

1)*表示P<0.05，差异显著；**表示P<0.01,差异极显著.

表4 模型汇总Table 4 Model summary

图3 树高与温度的关系Fig.3 The relationship between tree height and temperature

由模型可知，各影响因子对热环境模型贡献大小顺序依次为郁闭度>混交度>树高>枝下高>开阔比，同时发现林分空间结构特征对热环境的影响大小.

3.3 林分结构特征与空间热环境的关系

3.3.1 林分非空间结构特征与空间热环境的关系 从图3～5可知，植物群落的郁闭度与空间热环境存在显著负相关关系，树高、枝下高与空间热环境存在正相关关系.郁闭度每增加0.1，空气温度降低0.4 ℃，说明郁闭度的增加使空气温度下降.而树高每增加0.1m，温度增加0.013 ℃；而枝下高每增加10cm，温度增加0.017 ℃.说明树高与枝下高的增加使空气温度升高，且枝下高对于温度的影响比树高大.

3.3.2 林分空间结构特征与空间热环境的关系 如图6、7所示，植物间的混交度与空间热环境存在显著正相关，开阔比与空间热环境呈负相关.开阔比每增加0.1，温度下降0.22 ℃，说明开阔比的增加可以达到降温的效果.混交度每增加0.1，温度增加0.19 ℃.

图4 枝下高与温度的关系Fig.4 The relationship between under branch height and temperature

图6 开阔比与温度的关系Fig.6 The relationship between open comparison and temperature

4 小结与讨论

植物林分结构特征能够对其生态功能产生重大影响.结果表明，植物林分非空间结构特征对其空间热环境有显著的影响.郁闭度、树高、枝下高3个指标是林分非空间结构特征中对空间热环境的主要影响因子，其中郁闭度与空气温度呈负相关且对温度的调节最大，这可能是郁闭度影响光照透射率，从而降低空气温度.这与其它学者研究结果相同，例如，邵云昌等[3]研究发现，当绿地郁闭度>66%时，绿地具有明显的降温作用；秦仲等[14]、Emilyetal[21]、黄良美等[22]研究表明，郁闭度与绿地降温呈正相关.任志彬等[23]、唐泽[24]对寒温带区域研究发现，郁闭度对降温效应的贡献率可达30%.本研究结果进一步表明，在亚热带区域，郁闭度仍是影响空间热环境的重要指标.除了郁闭度对空间热环境有影响，树高、枝下高对空间热环境也起到了重要的作用，其中树高与温度呈正相关.而研究[21,25]表明，树高每增加10cm，降温能力增强0.05 ℃.这是因为他们研究的是人工植物群落，且种植不久，植株都在10m以下；而本研究的植株在12m以上，且植株高，树冠对空气温度的影响减弱.植物林分空间结构特征对其空间热环境有显著的影响.混交度每增加0.1，温度增加0.19 ℃.混交度表示树种空间的隔离程度，因为不同类型树种的相互作用对热环境有影响.开阔比反映林木生长空间的大小，与空间热环境呈负相关.开阔比每增加0.1，温度下降0.22 ℃，这是因为树种开阔比越大，通风情况越好，温度越低.综合以上分析，植物林分结构特征对空间热环境有显著作用，森林公园建设时需考虑林分结构特征对空间热环境的影响.

通过对植物林分结构特征与其气温热环境分析可知，林分非空间结构特征及林分空间结构特征指标对空间热环境的影响占比分别为66.25%、33.75%.各林分结构特征因子对热环境模型贡献大小顺序依次为郁闭度>混交度>树高>枝下高>开阔比.