华东热湿地区四种植物群落类型对降温效应的影响研究

肖湘东 陈国凤 董丽 燕海南

随着城市经济的高速发展，城市热岛效应越来越凸显，以往研究表明植物对城市热岛的降温效应影响明显。已有研究表明，就植物群落结构类型而言，在所有植物中，针叶林、针阔混交林和竹林的降温效应最强，日均降温＞2.3℃，日均增湿效应＞12.4%[1]。结构复杂、郁闭度高、叶面积指数（Leaf Area Index，简称LAI）大、植株高的群落比结构简单、郁闭度低、LAI小、植株矮的群落降温作用明显[2]。植物的热效应还受到气象因素、绿地特征和植物类型等因素的综合影响。城市绿地热效应与其植物构成有直接关系，通常热效应强度乔木>灌木>草坪，对于复层结构的绿地斑块，有乔木覆盖的植物群落,因其遮阴效应降温效果较为明显[3]。林永善等采用遥感与GIS相结合的方法研究了苏州市城市热岛效应的时空变化特征，结果表明，不同的下垫面类型对城市热岛效应的影响有明显差异，其中人工建筑和裸地的地表温度最高，林地和农田次之，而水体的温度最低[4]。Hardin等基于遥感数据反演得到地表温度，并用简单线性回归量化分析夏季LAI和地表温度变化，结果显示LAI增加到1.0，地表温度减少1.3℃[5]。

以往研究多是定性地对乔木、灌木、草坪3种不同的植物群落类型进行研究，很少从定量、植物因子和乔木—灌木—草坪、乔木—硬质铺装、乔木—草坪、群乔等4种植物群落类型和无植物全硬质铺装类型出发来分析植物群落对降温效应的影响，因此分析难以准确。为了定量研究植物因子和环境因子的关系，以及空间范围尺度对这种关系的影响，笔者从植物群落类型出发，研究LAI、三维绿量等植物因子和降温效应之间的关系，采取多元统计分析、拟合函数研究方法，Rayman1.2、SPASS22.0等软件进行研究。

1 研究区概况

苏州市位于中国江苏省东南部，气候属亚热带季风性湿润气候，夏季高温多雨，冬季寒冷且湿度较大。苏州近年来通过引进外资经济发展很快，同时带来了城市人口更加集聚，城市化进程加快，造成了城市局部热环境的变化。

2 研究方法

2.1 测试内容、时间及方法

本研究选择了26个实验地，按照5种下垫面类型在每个实验地设置了5个实验点（图1）。在每个实验点的群落类型中心及其周围四个方向距地面1.5m处的位置放置测量点，使用TES-1365温湿度自动记录仪，将其温度传感器置于防辐射罩内，测定群落下的空气温度和相对湿度；用数字植物冠层图像分析仪（美国，CI-110）测定植物的LAI、叶倾角和郁闭度。

本研究采用定点法于夏季对研究区域内各植物群落类型下或局部空气相关环境因子进行测量。每个测量日选择午后（13：00—14：00）进行测量，并选择在微风或静风（风速≤2m/s）的晴朗天气。笔者选择的实验点远离水体，因此排除了水体对实验点降温效应的影响。

2.2 数据处理与分析

1）LAI（叶面积指数，叶面积/m2）计算。

对主要乔木树种做4个方位顶角的测量，然后将这4个方位顶角的LAI相加并取其平均值以使数据更准确客观[5-6,11-12]。运用植物冠层分析仪的配套分析软件对采集的数据进行分析，用Excel、SPASS22.0、Rayman1.2等软件进行数据分析处理，剔除偶然因素引起的误差数据，剩下的数据取平均值计算出LAI。

采用下列公式计算植物群落类型中单株树木的LAI：

叶面积指数（LAI）=叶片总面积/土地面积

本研究将同种植物群落的LAI和降温强度进行拟合分析，形成植物群落LAI对降温效应影响的分析结果。

2）三维绿量计算。

本研究对三维绿量的计算，其中对于不同的树种， 根据所测树种的冠径与冠高数据，代入体积公式算出三维绿量；对于多层结构绿地，通过回归分析建立相关方程，由该方程求取冠高数据，综合冠径和冠高数据代入体积公式求得三维绿量，本研究按照以下公式计算三维绿量值（3D Green Quantity）[7]。

本研究还提取不同实验点的同种乔木的LAI，将不同实验点同种植物群落的三维绿量和降温强度进行拟合分析，形成植物群落三维绿量对降温效应影响的分析结果。

3）降温强度。

本研究对不同植物群落在不同日期和不同时刻的微气候参数进行分析，对空气温度等数据进行了以下标准化处理。

降温强度/℃=Tn-T

式中，Tn为对照点的空气温度；T为植物群落下的空气温度。

将对照点的空气温度减去植物群落下的空气温度可得到温度差（即降温强度），以此表征植物群落的降温效应。通过SPSS22.0统计软件拟合各植物群落的三维绿量与温度差的数学方程模型，研究植物群落植物因子与降温效应的关系。

4）生理等效温度。

本研究采用生理等效温度（Physiological Equivalent Temperature，简称PET）作为人体热舒适度的分析依据，以往研究主要是基于MEMI模型提出的人体热舒适度指标（Human Thermal Comfort Index）[8]。基于Rayman1.2软件，通过温度、湿度和实验点鱼眼相片等参数计算出26个实验地的PET值，这是一个反映空气环境的综合指标。

3 结果与分析

本研究选择乔木—灌木—草坪、乔木—草坪、乔木—硬质铺装、群乔4种不同的植物群落类型和全硬质铺装类型，主要是因为以上5种类型可以基本反映城市绿地下垫面组成情况。笔者分析4种植物群落类型植物因子对降温效应的影响，而植物因子主要选择LAI和三维绿量等数据，LAI主要反映植物郁闭度，而三维绿量是植物冠高、冠径的树冠立体体积，这2个因子基本能反映植物群落类型的自身特征，PET体现了人体能量平衡和室外空间长波辐射通量的相互关系，是户外人体热舒适度的理想评价指标。

3.1 LAI对降温效应的影响

3.1.1 4种植物群落类型LAI对降温效应影响

对于乔木—灌木—草坪植物群落而言，拟合数学方程模型为：

y=-0.1029x3+1.3431x2-5.5197x+7.7231（决定系数R²=0.220 2）

研究结果表明，当LAI＜3时，随着LAI的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应的影响随之减弱。而当LAI＞3时，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响与LAI呈现正相关关系，其降温效应随着LAI的增大而小幅度增强（图2-1）。

对于群植小乔木植物群落而言，拟合数学方程模型为：

y=0.0461x3-0.8175x2+3.9075x-3.0607（决定系数R²=0.115 7）

研究结果表明，当LAI＜3时，随着LAI的增大，群植小乔木群落对降温效应影响随之增强。而当LAI＞3时，群植小乔木群落对降温效应的影响与LAI呈现负相关关系，其降温效应随着LAI的增大而减弱（图2-2）。

对于乔木—草坪植物群落，拟合数学方程模型为：

y=0.0395x3-0.3663x2+1.1122x+0.5157（决定系数R²=0.023 1）

研究结果表明，乔木—草坪植物群落类型对降温效应影响相对平缓，其降温强度（降温幅度）达2℃左右。随着该群落类型的LAI升高，其降温强度（降温幅度）小幅度增大（图2-3）。

对于乔木—硬质铺装的植物群落而言，拟合数学方程模型为：

y=0.0065x3-0.1295x2+0.7385x+0.3325（决定系数R²=0.007 4）

研究结果表明，乔木—硬质铺装植物群落类型对降温效应影响整体较为平缓。当LAI＜3时，随着LAI增大，乔木—硬质铺装植物群落类型对降温效应影响随之增强。而当LAI＞3时，该群落类型对降温效应影响基本保持恒定，降温强度（降温幅度）维持在2℃左右（图 2-4）。

3.1.2 LAI显著性差异分析

图3显示了群乔群落类型（LAI3）和乔木—硬质铺装群落类型（LAI4）的LAI处于较高水平，这表明植物群落结构层次的丰富度对LAI有一定影响。从实验地的分布来看，东环路、观前街和苏州公园等实验地的LAI整体处于较低水平，而艺圃、留园、中塘公园和凯宾斯基大酒店等实验地的LAI整体处于较高水平。4种植物群落类型LAI对降温效应影响的趋势排序为：乔木—灌木—草坪群落（LAI1）>群植小乔木群落（LAI3）>乔木—草坪群落（LAI2）>乔木—硬质铺装群落（LAI4）。在4种植物群落类型中，拟合曲线基本都是三次函数曲线，这表明植物群落类型LAI和降温强度并不是完全呈现线性正相关关系，每种植物群落都在几个临界值出现，随着LAI增大，降温强度差距越大；或者是随着LAI减小降温强度越小的现象。根据样本数据可得，LAI对降温效应影响的临界值一般为3，其中群植小乔木群落、 乔木—草坪群落和乔木—硬质铺装群落在LAI＜3时，LAI与降温效应呈正相关关系，LAI＞3时呈负相关关系。而对于乔木—灌木—草坪群落而言的变化趋势正相反。

1 实验点平面位置分布图Plane position distribution map of experimental spots

3.2 三维绿量对降温效应的影响

将对降温效应作用较强的植物群落类型和其树种的样本信息如树高、冠幅、基径、胸径等数据分类编制成样本数据文件。依据各个实验点对降温效应作用较强的植物群落类型和其树形，采用相应的三维绿量方程和计算出的三维绿量值，将以上4种植物群落类型的三维绿量值和降温强度之间分别建立拟合方程模型（表1），形成4种植物群落类型拟合方程及相关性研究，其中一元三次方程中R2值最大为0.282，说明在拟合方程中三维绿量值和降温强度约有28.2%的数据效果较好。

通过Excel和SPSS22.0统计分析软件建立各类型树木群落的三维绿量与降温强度的拟合数学方程模型，形成结果如下。

3.2.1 4种植物群落类型三维绿量对降温效应影响

对于乔木—灌木—草坪植物群落而言，拟合数学方程模型为：

y=0.0065x3-0.1295x2+0.7385x+0.3325（决定系数R2=0.007 4）

研究结果表明，当三维绿量<200m³时，随着三维绿量的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响逐渐增强。当三维绿量>200m³时，随着三维绿量的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响逐渐减弱。当三维绿量>800m³时，随着三维绿量的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响逐渐增强（图4-1）。

对于群植小乔木植物群落而言，拟合数学方程模型为：

2-1 乔—灌—草群落叶面积指数对降温效应影响拟合分析Fitting graphs for arbor-shrub-lawn community in LAI

2-2 群乔群落叶面积指数对降温效应影响拟合分析Fitting graphs for group planting with short tree community in LAI

2-3 乔—草群落叶面积指数对降温效应影响拟合分析Fitting graphs for arbor-lawn community in LAI

2-4 乔—硬群落叶面积指数对降温效应影响拟合分析Fitting graphs for arbor-hardpavement community in LAI

y=7E-11x3-1E-06x2+0.0027x+1.1053（决定系数R2=0.053 6）

研究结果表明，当三维绿量<1 000m3时，随着三维绿量的增大，群植小乔木植物群落的降温效应有所增强；当三维绿量>1 000m3时，随着三维绿量的增大，群植小乔木植物群落的降温效应随之减弱（图4-2）。

对于乔木—草坪的植物群落而言，拟合数学方程模型为：

y=-6E-08x3+2E-05x2+0.0021x+1.0882（决定系数R2=0.045 2）

研究结果表明，乔木—草坪群落的降温效应相对平缓，降温强度在2℃左右。随着三维绿量升高，乔木—草坪群落的降温效应小幅度增大（图4-3）。

对于乔木—硬质铺装的植物群落而言，拟合数学方程模型为：

y=1E-07x3-9E-05x2+0.0212x+0.1808（决定系数R2=0.037 6）

研究结果表明，当三维绿量<200m³时，随着三维绿量的增大，乔木—硬质铺装植物群落的降温效应随之增强；而当三维绿量>200m³时，乔木—硬质铺装植物群落的三维绿量和其降温效应呈现线性负相关关系，即该群落降温效应随其三维绿量的增大而减小（图4-4）。

依据之前各群落类型的三维绿量和拟合方程，对4种植物群落类型建立散点图和拟合曲线图，该图显示三维绿量和降温强度之间线性相关性较弱，4种植物群落类型的三维绿量影响降温效应强弱趋势排序为：群植小乔木群落>乔木—灌木—草坪群落>乔木—草坪群落>乔木—硬质铺装群落。在4种植物群落类型中，拟合曲线基本都是三次函数曲线，这表明三维绿量和降温强度之间并不是呈现线性正相关关系，每种植物群落都在几个临界值出现随着三维绿量的增大，其降温强度也增大；或者是随着三维绿量减小，其降温强度也减小的现象，具体的原因较复杂，应该和环境因子、植物因子等相关，还需要在今后的研究中进一步深入。

3.2.2 三维绿量显著性差异分析

图5显示了乔木—灌木—草坪植物群落（LAI1）和群植小乔木植物群落（LAI3）的三维绿量较大，同时这些植物群落的空气温度都处于较低水平，这表明三维绿量与降温效应之间存在一定的线性正相关关系。而从实验点分布来看，大部分实验点的三维绿量近似相等，其中凤凰街、苏州大学北校区和苏州体育中心实验点的三维绿量偏大，然而这些实验点的降温效应并不突出，表明仅从三维绿量并不能判断该群落的热环境效应如何。进一步研究表明，三维绿量最高但不一定植物群落的空气温度最低，多是三维绿量不是最高值反而植物群落的空气温度最低，研究分析了26个实验地的三维绿量与空气温度的关系，三维绿量最低且植物群落空气温度最低的实验点有2个，因此三维绿量最高不一定植物群落空气温度最低，虽然三维绿量不是降低温度的主要因素，但是高绿量对温度的降低仍具有显著作用，群乔植物类型三维绿量和空气温度之间的关系呈现线性正相关关系，相关性系数为0.63（P<0.01），因此从三维绿量和空气温度的关系分析，群乔植物类型仍然是降温效应较好的植物群落，其次是乔木—草坪和乔木—灌木—草坪植物群落，而乔木—硬质铺装群落类型降温效应较差。研究结果表明，三维绿量最高空气温度不一定最低，但是高绿量对温度的降低是有显著作用的。

3.3 不同植物群落类型微气候定量分析

3.3.1 温度因子显著性差异分析

图6显示在大部分实验点中，乔木—灌木—草坪群落类型和群植乔木群落类型的空气温度处于较低的水平，而无植物全硬质铺装类型的空气温度处于较低的水平，这说明植物群落类型影响空气温度较为显著，而植物群落中的乔木在降温方面效果显著，降温强度可达到2℃左右。从实验地分布来看，圆融时代广场、桐泾公园等实验地空气温度处于较高水平，这些实验地的共同特性是植物覆盖度较低，周边建筑密集，而和风雅致小区、留园、艺圃和网师园等实验地的空气温度整体处于较低水平，这些实验地的植物覆盖率较高，且植物群落配置丰富，从而营造出较为舒适的室外热环境[11,10-13]。

3.3.2 PET显著性差异分析

图7显示所有实验点的PET数值分布在35～55之间，整体高于空气温度值，这说明人体实际感受到的温度要比空气温度更高，尤其是在夏季高温高湿的状态下。相对而言，在群乔植物群落类型中，PET数值（PET3）维持了较低的水平，这说明相对于温湿度、三维绿量等评价指标，在PET这一综合评价指标方面，群乔植物群落类型表现出较好的生态效益，更可以营造出较为怡人舒适的户外热环境。从实验地分布来看，和风雅致小区、艺圃和留园等实验地的PET指标整体偏低，这些实验地植物群落较为丰富，表明植物群落空间结构的完整度与丰富性对小气候具有一定的良性影响。

3 各实验地叶面积指数显著性差异对比分析Comparison and analysis of differences in leaf area index between sample plots

4-1 乔—灌—草群落三维绿量对降温效应影响拟合分析Fitting graphs of 3D green quantity of arbor-shrub-lawn community on cooling effect

4-2 群乔群落三维绿量对降温效应影响拟合分析Fitting graphs of 3D green quantity of group planting with short tree community on cooling effect

4-3 乔—草群落三维绿量对降温效应影响拟合分析Fitting graphs of 3D green quantity of arbor-lawn community on cooling effect

4-4 乔—硬质铺装群落三维绿量对降温效应影响拟合分析Fitting graphs of 3D green quantity of arborhardpavement community on cooling effect

5 各实验地三维绿量显著性差异对比分析Comparison and analysis of significant differences in 3D green quantity between sample plots

6 各实验地空气温度显著性差异对比分析Comparison and analysis of significant differences in air temperature between sample plots

7 各实验地生理等效温度显著性差异对比分析Comparison and analysis of significant differences in physiological equivalent temperature between sample plots

4 结论与讨论

植物群落类型对降温效应影响趋势分布排序为群乔>乔木—草坪>乔木—硬质铺装>乔木—灌木—草坪>全硬质铺装；空间类型对降温效应影响趋势分布排序为：低密度空间>高密度空间>中密度空间。植物的空间分布对于空气温度具有很大的影响。通过拟合各类型植物群落的三维绿量与温度差而建立的数学方程模型,可以形成如下结论：1）乔木—灌木—草坪群落类型：当三维绿量<200m3时，随着三维绿量的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响逐渐增强。当三维绿量>200m³时，随着三维绿量的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响逐渐减弱。当三维绿量>800m³时，随着三维绿量的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响逐渐增强。2）群乔植物群落类型：当三维绿量<1 000m³时，随着三维绿量的增大，群植小乔木植物群落的降温效应有所增强；当三维绿量>1 000m³时，随着三维绿量的增大，群植小乔木植物群落的降温效应随之减弱。3）乔木—草坪群落类型：乔木—草坪群落的降温效应相对平缓，降温强度在2℃左右。随着三维绿量升高，乔木—草坪群落的降温效应小幅度增大。4）乔木—硬质铺装群落类型：当三维绿量<200m³时，随着三维绿量的增大，乔木—硬质铺装植物群落的降温效应随之增强；而当三维绿量>200m³时，乔木—硬质铺装植物群落的三维绿量和其降温效应呈现线性负相关关系，即该群落降温效应随其三维绿量的增大而减小。

在4种植物群落类型中，三维绿量和温度差并不是呈现线性正相关关系，每种植物群落都在几个临界值出现，随着三维绿量增大，温度差越大；或者是随着三维绿量越小温度差越小的现象。乔木—灌木—草坪群落和群植小乔木群落的三维绿量较大，同时其群落空气温度整体处于较低水平，表明三维绿量与降温效应之间存在一定的正相关关系。

所有实验点的PET数值分布在35～55之间，整体高于空气温度值，这说明人体实际感受到的温度要比空气温度更高，尤其是在夏季高温高湿的状态下相对而言，在群乔植物群落类型中，PET数值（PET3）维持了较低的水平，这说明相对于温湿度、三维绿量等评价指标，在生理等效温度（PET）这一综合评价指标方面，群乔植物群落类型表现出较好的生态效益，更可以营造出较为怡人舒适的户外热环境。

LAI对降温效应影响的临界值一般为3，其中群植小乔木群落、 乔木—草坪群落和乔木—硬质铺装群落在LAI＜3时，LAI与降温效应呈正相关关系，LAI>3时呈负相关关系。而对于乔木—灌木—草坪群落而言的变化趋势正相反。

LAI对降温效应影响的临界值一般为3，其中群植小乔木群落、 乔木—草坪群落和乔木—硬质铺装群落在LAI<3时，LAI与降温效应呈正相关关系，LAI>3时呈负相关关系。而对于乔木—灌木—草坪群落而言的变化趋势正相反。三维绿量对降温效应影响的临界值一般为200 m³和1 000m³，三维绿量<200m³或三维绿量>800m³时，随着三维绿量的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响逐渐增强，随着三维绿量的增大，乔木—硬质铺装植物群落的降温效应随之增强。当200m³<三维绿量<800m³时，随着三维绿量的增大，乔木—灌木—草坪植物群落对降温效应影响逐渐减弱，乔木—硬质铺装植物群落的三维绿量和其降温效应呈现线性负相关关系，即该群落降温效应随其三维绿量的增大而减小。当800m³<三维绿量<1 000m³时，随着三维绿量的增大，群植小乔木植物群落的降温效应有所增强；当三维绿量>1 000m³时，随着三维绿量的增大，群植小乔木植物群落的降温效应随之减弱。综合以上植物群落主要植物因子和生理等效温度值（PET）揭示了影响降温效应的内在机制，在乔木—灌木—草坪群落中，LAI>3和三维绿量<200m³或三维绿量>800 m³是影响降温效应较佳数值范围，LAI和三维绿量越大，降温效应越强；在群植小乔木群落中，LAI<3和800m³<三维绿量<1000m³是影响降温效应较佳数值范围，LAI和三维绿量越大，降温效应越强。

通过将4种植物群落类型和无植物全硬质铺装类型做对比分析，研究4种植物群落类型的降温效应，定量地解决了植物群落类型影响降温效应趋势分布排序问题和它们影响的内在机制，并解决了树木冠层结构如何影响户外热环境的问题；通过分析植物群落类型影响降温效应的内在机制，其建立的拟合函数模型为今后合理选择植物群落类型提供了更多思路。笔者创新点是首次从乔木—灌木—草坪、乔木—硬质铺装、乔木—草坪、群乔等4种植物群落类型和全硬质铺装类型进行对比分析。笔者可进一步从植物群落类型的植物蒸腾蒸散作用、植物群落冠层温度等几个方面综合研究其对降温效应的影响。

注释：

图1 以苏州电子地图（百度地图）为底图进行自绘；图2～7均为作者自绘。