夏季不同冠层结构绿带对城市街道降温增湿效应研究

邓永成，李 娜，梁玉婷

(武汉市园林科学研究院，湖北 武汉 430081)

1 引言

近年来，随着人们对生态环境重视度的日益提高，生态宜居城市的理念也越来越受到人们的青睐，创建生态园林城市成为了许多大中型城市的发展目标。热岛强度是衡量城市生态环境重要指标之一，夏季高温给市民们日常生活和出行带来了许多困扰，如何有效缓解这一问题值得探索研究。行道树作为道路绿化的主要组成部分，对改善道路热环境质量、抵御太阳辐射、降低大气温度、创造宜人空间环境、提高行人舒适度有重要的作用。研究发现植被覆盖面积大并有高大乔木的街道比无植被覆盖街道温度明显降低，道路绿化具有明显的降温增湿功能，建筑地面则增温效果明显[1～4]。

在绿地对大气温湿度的调节功能相关研究中，起初大多数集中在不同种类植物所对应的地表或大气温度和相对湿度的对比观测研究上，或者不同形状大小、不同绿地利用类型、不同树种降温效果的比较。后来研究发现，树木的降温增湿作用与其蒸腾作用强弱和树体吸收和反射太阳光辐射强弱有关[5，6]。树体在蒸腾释水时吸收大量热能，向大气释放大量水蒸汽，从而降低大气温度，增加空气湿度；同时由于树冠的遮荫、枝叶对光辐射的吸收与反射等，使树木具有降低光照强度，缓和温度变化的共性。由于单位时间内不同冠层结构的绿地庇荫效果不同，抵御太阳光辐射的强度存在差异，且不同植物组合蒸腾释水量和蒸腾吸热量不同，因此不同冠层结构绿地群落的降温增湿效应也有很大差异。纪鹏等在对北京清河沿岸不同垂直结构绿带四季温湿效应的研究中发现春夏秋三季河岸两侧不同结构绿带都具有一定的保温保湿效果，但其降温增湿效果存在一定的差异[7]。为研究武汉地区常见植物组合绿带的降温增湿效应，笔者于2020年夏季在武汉城区主干道内，以道路路面作为对照，通过连续定点观测，对乔灌草、乔草、灌草三种冠层结构组合绿地的降温增湿效应进行了分析，为武汉城区街道绿化合理规划设计提供理论性指导。

2 研究地区概况

武汉市(29°58′～31°22′N，113°41′～115°05′E)位于湖北省东部、长江与汉水交汇处，属北亚热带季风性(湿润)气候，具有常年雨量丰沛、热量充足、雨热同季、光热同季、冬冷夏热、四季分明等特点。年平均气温15.8～17.5 ℃，1月平均气温最低，7、8月平均气温最高，年降水量1150～1450 mm。本试验选择了汉阳区江城大道绿化隔离带中长势良好的3片不同冠层结构的植物群落作为观测区域，包括乔灌草、乔草、和灌草3个类型(表1)。主要植物包括：香樟(Cinnamomumcamphora)、广玉兰(Magnoliagrandiflora)、银杏(Ginkgobiloba)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、红继木(Loropetalumchinense)、海桐(Pittosporumtobira)、麦冬(Ophiopogonjaponicus)、葱兰(Zephyranthescandida)。

表1 3种冠层结构绿地植物配置

3 研究方法

3.1 主要仪器

温度与湿度采用TH22R-EX温湿度计，风速采用PH-Ⅱ-C手持气象站，其他采用常规测量工具。

3.2 研究方法

试验选择在2020 年夏季晴朗无风的天气(7月9日、7月23日、8月3日、8月7日、8月17日)进行。观测点设置在所选绿带(20 m×5 m)中心离地1.5 m的高度处，为了安全起见，对照点设置在非机动车道路面离地1.5 m的高度处(图1)，各小组于观测日8:00～20:00同时开始观测，每隔2 h记录一次读数，重复3次，取平均值。

图1 试验点分布

观测仪器提前5 min开机预热，稳定后开始读取试验点和对照点的大气温度和大气相对湿度。为了更加清晰的研究3种不同植物配置绿地的降温效果，现引入了平均降温率的概念，其公式为：

(1)

式(1)中，Ti为路面对照点每隔2 h整点气温读数，Ti2为行道树树荫中心每隔2 h整点气温读数。

为了研究不同冠层结构绿地的增湿效果，我们引入了平均增湿率的概念，其公式为：

(2)

式(2)中，Ri为路面对照点每隔2 h整点相对湿度读数，Ri2为行道树树荫中心每隔2 h整点相对湿度读数。

3.3 数据分析

实验数据采用SPSS23.0软件进行分析处理，采用Microsoft Excel 2010软件进行制表绘图。

4 结果与分析

4.1 不同冠层结构绿带的降温效果

从观测结果(表2和图2)可以看出，各个时段在3种不同类型绿地内测定的平均气温均低于道路对照点的平均气温，从而说明3种园林绿地均具有降低气温效应。通过Duncan检验法进行多重比较，都没有出现显著性差异(P>0.05)，说明长势相同的3种类型绿地的降温效果接近且稳定。其中乔灌草和乔草结构绿地的平均降温率分别达到了5.40%和5.01%，略好于灌草结构绿地4.26%的降温效果，所以降温效应大小依次为乔灌草>乔草>灌草。从各时段的降温效果来看，10:00～12:00的降温效应最大，3种绿地的平均降温率分别达到了8.5%、7.1%和6.3%。

表2 3种冠层结构绿地平均降温率

图2 3种类型绿地平均降温率

在分析3种类型绿地降温效应日变化规律时，选择了8月7日(平均降温效应最大)的观测结果(表3)来进行研究。从图3可以看出3个试验点及道路对照点4条气温日变化呈“单峰型”趋势，先升高后降低的趋势，从8:00开始气温持续上升，10:00～12:00期间各观测点降温率达到最大，分别达到了10.1%、8.9%和6.6%。但气温仍在继续上升，14:00到达峰值，相对于对照点温度分别降低了2.8 ℃、2.5 ℃、1.9 ℃。14：00过后开始各观测点温度均开始下降，且相对于道路对照点温差也开始降低，到20:00时，3种类型绿地内观测点气温趋近相等，但相对于对照点仍有1.6 ℃、0.7 ℃、0.5 ℃的温差。各观测点在8:00～20:00间与对照点平均温差为2.4 ℃、1.9 ℃、1.6 ℃，说明3种类型绿地具有明显降温能力。

图3 3种绿地下气温日变化

表3 8月7日3种绿化树种各时段气温

4.2 不同结构绿地的增湿效果

从观测结果(表4和图4)可以看出，各个时段在3种不同绿地内测定的平均相对湿度均高于道路对照点的平均相对湿度，从而说明园林绿地都具有一定的增湿效应。通过Duncan检验法进行多重比较，发现3种绿地没有显著性差异(P>0.05)，说明三种结构绿地增湿效果相近。其中乔灌草和乔草结构绿地的平均增湿率分别达到了5.41%和4.89%，高于灌草2.98%的增湿效果，所以增湿效应大小依次为乔灌草>乔草>灌草。

图4 3种绿地平均增湿率

表4 3种绿地平均增湿率

从各时段的增湿效果来看，12:00～14:00的增湿效应最大，3种绿地平均增湿率分别达到了8.7%、7.4%和5.8%。

同样在分析3种结构绿地日增湿效应变化规律时选择了平均增湿效应最大7月23日的观测结果(表5)来进行分析。从图5可以看出，4条相对湿度变化均呈先降低后升高，与气温日变化曲线趋势刚好相反，呈倒“V”字型，且在14:00时降低到最小值，乔灌草、乔草、灌草的相对湿度分别为55.1%、53.3%和51.7%，相对于道路路面分别增加了9.1%、5.5%、2.4%，由此可见，3种绿地均具有一定的增湿效果，且乔灌草和乔草结构的绿地增湿效果明显强于灌草。

表5 7月23日3种绿地各时段大气相对湿度

图5 3种绿地下相对湿度日变化

5 结论与讨论

城市道路绿化带通常具有较好的遮阴效果，园林植物通过对太阳辐射的反射和吸收降低周围空气变化速率，同时通过蒸腾作用达到增加周围空气湿度、降低空气温度的效果[8]。通过上述试验测定结果不难看出，3种植物配置的绿地都具有一定的降温增湿效果，平均降温率达到了4.3%～5.4%，平均增湿率为2.9%～5.4%。在炎热的夏季，城市道路绿化对改善道路热环境质量、创造宜人空间环境、提高行人舒适度有重要的作用。

根据观测结果，面积相同的3种不同冠层结构绿地的降温效果和增湿效果均为乔灌草>乔草>灌草，这可能与绿地郁闭度、叶片大小密度以及叶表面粗糙程度有关。通过对比发现：郁闭度高、冠层结构丰富的乔灌草结构型绿地，在降温效果和湿度调节作用方面明显优于其他两种类型绿地。这与冯义龙等关于重庆市区绿地植物群落的降温增湿效应研究结果一致[9]。

在分析3种类型绿地降温效应日变化规律时，可以发现10:00～12:00的降温率最大，并不是气温最高的14:00。这可能与绿化植被降温效果有一定的阀值范围有关[10]。马雪莹等在对绿化植被对夏季高温调节功能的研究中发现当环境温度达到30.5～33.5 ℃ 时，绿化植被的降温效果最为显著。在观测日的测定结果中可以看出，10:00～12:00各观测点的气温已经接近和超过30.5 ℃,降温效应达到最大。随着环境温度的进一步升高，行道树降温效应递减。

笔者认为城市绿化设计在保证良好的观赏效果同时，应优化植物群落设计，尽量使用高低搭配的植物配置模式，丰富绿化空间的立体降温增湿效果。另外应优先选择郁闭度高，遮阴效果好的行道树，以改善道路热环境质量，降低城市热岛效应，为行人提供舒适的出行环境。本试验中的3种冠层结构的植物配置模式在华中地区道路绿化中具有一定的代表性，笔者认为加入生长周期短，枝叶茂密的法桐、楸树等落叶乔木，以及北美枫香、红叶李等彩色树种既能增加气候立体调控功能，又能作为观赏树种在夏秋两季给市民带来视觉景观体验。