城市园林绿地温湿效应的形成原因及研究展望

秦 仲 李湛东

1中国林学会秘书处 北京100091；2北京林业大学园林学院 北京100083

1 引言

近年来，随着城镇化进程的飞速发展和城镇化水平的不断提高，城市中建筑、广场、道路等硬质下垫面大量增加，导致城市热岛效应愈发明显。尤其在炎热的夏季，热岛效应给人们生活带来了诸多影响，如引发人口伤亡[1-2]、增加能源消耗和污染物排放[3]、大量已排放污染物滞留[4]，等等。众所周知，城市园林绿地作为城市用地类型中的绿色下垫面，可以通过绿地中植物群落对太阳辐射的遮挡、植物自身的生理活动等方式，发挥降温增湿作用，有效缓解城市热岛效应[5]。因此，剖析城市园林绿地温湿效应的形成原因，探索城市园林绿地温湿效应的研究方向和研究策略，对于改善城市小气候，进一步优化园林绿化生态功能的评价与调控技术，具有重要的生态战略意义。

2 城市园林绿地温湿效应的形成原因

关于城市园林绿地温湿效应的形成机制，众多学者从生物学、气象学和地理学等方面进行了深入研究，主要概括为3个方面[6-9]：（1）对太阳辐射的遮挡作用；（2）植物的蒸腾作用和下垫面的蒸发作用；（3）调节环境中的碳氧平衡。

2.1 植物群落对太阳辐射的遮挡作用

由于城市园林绿地中植物群落冠层对太阳辐射的遮挡作用，使得绿地内的光照状况一般可分为3部分：一部分被群落冠层吸收；一部分被群落冠层反射；还有一部分透过冠层进入绿地内部。但是，由于植物群落冠层结构的不同和环境中天气状况的改变，这3部分光照所占比重也发生相应变化[10]。针对单层的植物叶片，已有研究发现其可以对太阳直接辐射和散射辐射进行有效阻挡，进而吸收80%、反射10%而仅透射10%的可见光[11-12]。然而植物群落的冠层通常是由多层的植物叶片构成，因此可以更为有效地遮挡太阳辐射，减少透射到群落内部的辐射数量。在炎热的夏季，正常生长的植物群落冠层可以遮挡80%～90%左右的太阳辐射，从而使内部环境温度降低，湿度增加[13]。根据霍晓娜[10]的研究，在夏季20种北京常用植物群落对可见光的遮挡率为75%～96%，而对紫外线的遮挡率可达68%～99%。

此外，植物群落可以遮挡建筑物和其他构筑物的反射光，因而可以对建筑内部环境起到遮荫作用，使得建筑内部空间的热环境有效改善，最终减少因空调使用而排放的温室气体，间接对环境中的温湿效应起到调节作用。据研究，1株正常生长的成年树每天可以传递9.6E+05KJ（230000 kcal）的能量，几乎等同于5台空调每天工作19h[14]。所以，在中午时段，种植在建筑周围的植物群落可以降低室内温度约0.47℃，以此节约空调能耗25%～80%[15]。

综上所述，植物群落的遮阴作用有效减少了进入群落内部的太阳辐射以及来自其他物体表面的散射辐射，对城市园林绿地内部空间和周围环境的热交换起到重要的调节作用，有利于改善城市环境中的人体舒适度，是绿地发挥温湿效应的主要原因。

2.2 植物的蒸腾作用和下垫面的蒸发作用

植物叶片的蒸腾作用和下垫面的蒸发作用是城市园林绿地发挥温湿效应的另一个原因。蒸腾作用是指水分从活的植物体表面（主要是叶子）以水蒸汽状态散失到大气中的过程。植物群落冠层可以将吸收的太阳辐射用于蒸腾作用、光合作用等自身生理活动，进而将热能转化为潜热，同时，根系从土壤中获得的水分大多通过蒸腾作用散发出来，进而增加环境湿度，降低空气温度[16-17]。而蒸发作用是指通过太阳的热力使地表的水分源源不断地进入空气中的过程。城市环境中不同的下垫面，特别是草地和水面，可将水分从土壤或水体散失到大气中，使得近地面的空气温度明显低于以不透水表面为主的硬质铺装区域。李永杰[18]通过对北京常见绿化树种蒸腾吸热量的测定，结果发现碧桃（Prunus persica）的日蒸腾吸热量最高，达3816.08kj/m2，最低的是白玉兰（Magnolia denudata），仅1473.56kj/m2。这说明园林植物群落通过蒸腾作用消耗热量的同时，散发出大量水分，从而降低空气温度，增加相对湿度。但是，不同园林植物的蒸腾吸热存在较大差异，导致它们对温湿度的调节作用也相应不同。

2.3 调节环境中的碳氧平衡

18世纪60年代，工业革命的兴起导致环境中二氧化碳等温室气体大量排放，温室效应愈发显现，因此全球气候呈明显的变暖趋势。城市园林绿地中的植物可以通过光合作用吸收环境中的二氧化碳释放出氧气，调节大气中的碳氧平衡，进而缓解温室效应，起到降温增湿作用，尤其是多层结构的高大乔木效果最好[19-20]。据估算，绿量为136～385.9m2的7种落叶乔木每天吸收二氧化碳约1759～4819g，而低矮灌木和草坪由于绿量显著小于高大的落叶乔木，所以每天吸收二氧化碳的量约为3.9～250g[7]。其他相关研究在不同地区以不同园林植物为研究对象，对其固碳释氧能力与降温增湿作用的关系进行了量化研究，研究结论均表明，植物可以通过对二氧化碳的消耗作用，缓解温室效应，对抑制全球温度升高有积极作用[8，21]。

3 城市园林绿地温湿效应的研究展望

近年来，在探明城市园林绿地温湿效应形成原因的基础上，关于绿地温湿效应的研究也日益增多，主要集中在植物树种[23-24]、绿地结构类型[25-26]、绿地面积[27-28]、植物群落冠层结构[29-30]、周围下垫面组成[31-32]等因素对温湿效应的影响。上述研究结论为城市园林绿地温湿效应的进一步深入研究奠定了基础，对于城市园林绿地的可持续发展具有积极意义。然而现有研究也存在定量分析深度不够，统计的影响因子不全面，研究方法单一，尺度效应结论不明确等问题，尚无法准确评价城市园林绿地的温湿效应，难以为城市园林绿地的建设提供直接指导。因此，在今后的研究中，还需在以下方面进一步探索，以期继续丰富和拓展城市公园绿地的温湿效应研究，为园林绿化生态功能评价与调控技术研究提供理论基础。

3.1 探究城市园林绿地温湿效应与其影响因素之间的数量关系

在城市园林绿地中，植物树种、绿地结构类型、绿地面积、群落冠层结构等均可影响温湿效应。但是，绿地内不同树种群落的温湿效应存在怎样的差异，乔、灌、草的组成比例如何影响温湿效应，不同绿地面积与温湿效应是否存在一定数量关系，以及群落冠层结构与温湿效应存在怎样的数量关系，等等，对于这些问题尚缺乏深入的量化研究。同时，对于影响温湿度的相关因素的统计不能局限于某一个或部分指标，应扩展到自身影响因素、周边用地类型以及局地气候特征等因素，进而针对不同类型的城市园林绿地选取更具代表性、精度更高的研究变量，并建立这些变量与温湿效应的数量关系，对于量化评价城市绿地的温湿效应具有直接作用，是城市园林绿地规划设计的重要理论依据。

3.2 揭示城市园林绿地发挥温湿效应的尺度效应

城市园林绿地在夏季可以发挥温湿效应，但对于温湿效应的尺度效应目前尚缺乏一致结论。比如，当绿地面积逐渐增大时，其温湿效应也相应增强，但是是否存在一个或多个拐点尚不清楚。城市园林绿地可以影响其周围环境的温湿度，但是在绿地周围，随着距绿地边缘越远，绿地周围温湿效应减弱的时空变化规律尚不明确。与之类似，在绿地内部，温湿效应具有怎样的分布格局，与距绿地边缘的距离存在怎样的数量关系？对于这些问题不同学者得出不同结论。城市园林绿地的种植设计不同于单纯的造林建设，其用地规模非常有限，因此，揭示城市园林绿地温湿效应的尺度效应，可以使有限的城市园林绿地充分发挥温湿效应。

3.3 利用多种研究方法剖析城市园林绿地的温湿效应

现有研究主要采用实地观测探究城市园林绿地的温湿效应，在中小尺度绿地上可以获取更为直接、准确的测定数据，但难以同时获得大范围的数据，限制了研究尺度的扩展；采用数学模型模拟可以灵活地模拟大多数尺度下的场景，观察在拟定条件下不同因子对城市园林绿地温湿效应的影响，该方法为今后温湿效应的深入量化研究提供了方向，但是其模拟的结果也需要实地观测的数据加以校正和验证，以提升数值模型模拟的可信度；采用卫星遥感技术可以在较大尺度上同时获取多个样本的地表温度和绿地空间分布情况等数据且能够实现数据实时更新，但是卫星遥感法也存在耗资大、卫星过境周期较长、易受大气等外界因素影响等问题。因此，根据不同的研究目的和对象，充分结合实地观测、卫星遥感技术及数值模型模拟等研究手段，将在城市园林绿地温湿效应研究中发挥重要作用。

3.4 缓解热岛效应、改善人居环境已成为城市园林绿地建设的重要意义

随着物质生活水平的提高，人们对户外环境中人体舒适度提出了越来越来高的要求。现有研究已经表明，城市园林绿地可以发挥遮荫、降温、增湿、隔噪等作用，对人体舒适度的影响最大。但目前在城市园林绿地建设过程中，对人体舒适度的关注却很少。因此，今后研究可以在探明城市园林绿地温湿效应的基础上，通过温度、相对湿度等数据推导人体舒适度，且针对多个样本进行连续观测，以此为基础进一步修订和完善现有的人体舒适度预测模型，增加其预测的可靠度和适用性，最终使之成为评价城市园林绿地人体舒适度的有效途径，这对指导人们在城市园林绿地中游憩和城市公园的经营管理具有实际的参考价值。

综上所述，园林生态的研究成果最终将服务于城市绿地系统规划、设计与管理。本文通过分析城市园林绿地温湿效应的形成原因，在总结目前研究现状的基础上，提出了未来城市园林绿地温湿效应的研究方向和研究策略，旨在使得城市园林绿地温湿效应的研究结论可以指导城市园林绿地建设和评价园林绿化的生态功能。