城市游憩空间不同下垫面对紫外线辐射的影响∗

刘东兰 戴忠炜

1 福建农业职业技术学院园艺园林学院 福州 350005

2 福建农林大学 福州 350002

城市游憩空间是承载居民亲近自然倾向和游憩需求的重要载体, 其功能水平成为影响人居环境发展的核心要素之一[1-2]。 人体舒适度是城市游憩空间美好程度的重要考量指标之一, 而紫外线过度照射会对人体裸露皮肤、 眼睛、 头发等造成伤害进而影响人体舒适度[3], 因此紫外线屏蔽成为良好游憩环境塑造中不可或缺的环节, 遮荫乔木、 草地、 绿地、 水体和建筑物等下垫面建设是人为调节城市游憩空间紫外线强度的重要手段。 现有文献已量化评估遮荫乔木或绿化植物对紫外线辐射的屏蔽效应,如Ágnes Takács 等[4]、 Ruzana Sanusi等[5]分别测度了匈牙利塞格德、 澳大利亚墨尔本街道的遮荫植被对紫外线辐射的屏蔽效果： 李海涛等[6]对北京市6种具有代表性的园林绿化树种、 杨莹等[7]对呼和浩特市5 种常见园林绿化树种、 郑思俊等[8]对上海不同类型人工绿地、 曹冰冰等[9]对北京市道路23 种绿化树种, 以及陈明明等[10]对北京市停车场常用11 种乔木树种的研究结果均表明, 遮荫乔木或绿化植物具有良好的紫外线屏蔽效果。 然而, 目前为止, 仍难觅文献研究同一游憩空间范围内不同下垫面对紫外线辐射的屏蔽效果差异, 也就难以为单一城市游憩空间的紫外线屏蔽措施设计提供多元的决策依据。 此外, 以往文献仅测量来自天空的紫外线辐射强度, 未考虑地表的反射效应, 容易出现测量误差的风险。

基于以上现实背景和理论背景, 本文以福州市乌龙江畔的沙滩公园为研究地域, 对天空直接辐射和地表反射辐射的紫外线进行实地测量, 分别测量遮荫乔木、 灌木丛、 草地、 沙地、 水体、 建筑、 硬质路面等不同下垫面类型的紫外线辐射强度, 并比较不同下垫面类型对紫外线辐射的屏蔽效果差异,提出多元化的紫外线辐射的屏蔽与弱化措施, 对优化城市游憩空间的下垫面设计具有重要的参考价值, 以满足人民日益增长的美好游憩空间需要。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

福州沙滩公园位于福州市仓山区, 公园面积为106 040 m2, 长度为933 m, 宽度为30～200 m,西邻乌龙江, 东有妙峰山。 公园南北区域的现状条件不同, 设计风格也不一样, 北区域空间狭长,是植被丰富的生态区： 南区域较为空旷, 由沙滩区、 戏水区、 休憩区组成, 突显热带海滩特色[11]。 公园内景观多样, 具有丰富的下垫面类型, 成为联系乌龙江畔各分散地块的活力纽带。

1.2 观测点选择

福州沙滩公园的下垫面类型较为丰富, 包括遮荫乔木、 灌木丛、 草地、 沙地、 水体、 建筑、硬质路面7 种类型。 本文在不同下垫面选取人为干扰较少的9 个观测点进行紫外线辐射强度测量,保证周围5 m 范围内没有建筑物等人工设施的遮挡。 鉴于遮荫乔木林下有不同的地面覆盖, 该类型下垫面选择3 个典型的不同观测点, 具体为“遮荫乔木+硬质路面” “遮荫乔木+草地” “遮荫乔木+灌木丛”, 其余6 种下垫面各选择1 个监测点[12]。 9 个观测点的概况详见表1。

表1 福州沙滩公园9 个观测点概况

1.3 观测方法

中国气象数据网历史数据显示, 福州市4—9月为全年紫外线照射最强的季节, 一天中10 ∶00—14 ∶00 为紫外线照射最强的时段[13]。8 月正是炎热的高温季节, 来自太阳光的紫外线辐射极强, 尤其晴天紫外线强度最强[14], 因此选择8 月的晴天进行数据采集、 分析, 对研究福州紫外线辐射强度极具代表性。

本文选择2018 年8 月21—23 日分别对9 个观测点的下垫面类型的紫外辐射进行实地测量,该样本期间均为晴天。 每天测量3 个观测点, 对每个观测点在1 天内同时完成测量。 在晴天(天空云盖度＜10%)、 白天平均气温大于30 ℃时进行微气候观测, 利用泰玛斯TM-213 紫外线测光仪(感应器波长290 nm ～390 nm, 精确度为±3%/每年), 在1.5 m 的高度记录每个观测点的来自天空正上方的紫外辐射值, 同时测量来自地面反射的正下方的紫外辐射值。 每日观测时间为9 ∶00—18 ∶00, 数据每隔10 min 自动记录并存储在数据记录器中, 取平均值作为每个观测点的小时平均紫外辐射强度值, 用SPSS18.0 软件对不同观测点的紫外辐射值进行单因素方差分析, 以确定不同下垫面类型的紫外辐射强度是否存在显著差异。

2 结果分析

2.1 不同下垫面户外紫外线辐射强度日进程

2.1.1 天空辐射强度日进程

户外紫外线, 英文Ultraviolet Radiation B, 简称UVB。 由图1 可知, 福州沙滩公园不同下垫面类型的UVB 天空辐射日进程差异较大。 遮荫乔木、 沙地、 水体和建筑的夏季UVB 呈波动形日进程, 峰值出现在11 ∶00： 草地、 硬质路面和灌木丛3 个下垫面类型的UVB 辐射呈倒U 形日进程,峰值同样出现在约11 ∶00。 “遮荫乔木+硬质路面” “遮荫乔木+草地” 和“遮荫乔木+灌木丛”的UVB 天空辐射日总量分别为312 μW/cm2、707 μW/cm2、 609 μW/cm2： 草地、 灌木丛、 硬质路面、 沙地、 水体的UVB 天空辐射日总量分别为34 147 μW/cm2、 33 319 μW/cm2、 30 470 μW/cm2、28 730 W/cm2、 28 209 μW/cm2： 建筑的UVB 天空辐射日总量为438 μW/cm2。

2.1.2 地表辐射强度日进程

UVB 地表辐射是由于来自天空的太阳光在地面反射造成的。 由图1 可知, 福州沙滩公园不同下垫面类型观测点夏季UVB 地表辐射呈波动性日进程, 峰值均出现在11 ∶00。 “遮荫乔木+硬质路面” “遮荫乔木+草地” 和“遮荫乔木+灌木丛”的UVB 地表辐射日总量分别为185 μW/cm2、114 μW/cm2、 98 μW/cm2： 草地、 灌木丛、 硬质路面、 沙地、 水体的UVB 天空辐射日总量分别为539 μW/cm2、 404 μW/cm2、 2 579 μW/cm2、2 110 W/cm2、 1 980 μW/cm2： 建筑的UVB 天空辐射日总量为512 μW/cm2。

图1 不同下垫面类型UVB 辐射强度日进程图

2.2 不同下垫面UVB 辐射强度差异分析

2.2.1 不同下垫面UVB 天空辐射平均强度差异

福州沙滩公园不同下垫面类型的UVB 天空辐射强度见表2。 对9 个下垫面类型的UVB 天空辐射强度进行方差分析, 以判断9 个下垫面类型之间的UVB 地面辐射强度是否存在显著差异。 在试验次数相同的情况下, 根据公式分别计算出组内、组间自由度, 离差平方和, 均方, 在显著水平为0.05 条件下判断各水平是否具有显著性差异, 结果表明, 9 个下垫面类型的UVB 天空辐射存在显著差异。 通过进一步的检验得出同类子集, 计算结果见表3。

由表3 可知, “遮荫乔木+硬质路面” “建筑”“遮荫乔木+灌木丛” 和“遮荫乔木+草地” 的UVB 辐射强度差异不大, 属于同一个子集： UVB天空辐射全天每时均强度分别为31.2 μW/cm2、43.8 μW/cm2、 60.9 μW/cm2、 70.7 μW/cm2。以上4 个下垫面的UVB 天空辐射强度与水体、 沙地、 硬质路面、 灌木丛、 草地存在显著差异,后5个下垫面类型属于同一子集, UVB 天空辐射全天均强度分别为2 820.9 μW/cm2、2 870 μW/cm2、3 047 μW/cm2、3 331.9 μW/cm2、3 414.7 μW/cm2,显著高于遮荫乔木和建筑等下垫面的辐射强度。遮荫乔木和建筑有遮荫面, 来自天空的紫外线由于无法全部照射到地表, 可大大屏蔽紫外线的照射： 同样观测点1、 观测点2 和观测点3 所选取的遮荫乔木虽然树高和冠幅大致接近, 但是不同遮荫乔木的叶面积指数不同, 导致对紫外线的屏蔽能力有差别, 叶面积指数越大, 树叶之间相互遮挡的程度越密集, 进而加强了对紫外线的屏蔽能力。 水体、 沙地和硬质路面等下垫面类型直接暴露于太阳光下, 紫外线辐射可直接到达下垫面,致使辐射强度比遮荫乔木和建筑等下垫面类型大。

表2 不同下垫面类型的UVB 天空辐射强度 μW/cm2

表3 UVB 天空辐射强度的同类子集检验

2.2.2 不同下垫面UVB 地表辐射平均强度差异

福州沙滩公园不同下垫面类型的UVB 地表辐射强度见表4。 对9 个下垫面类型的UVB 地表辐射强度进行方差分析, 以判断9 个下垫面类型之间的UVB 地表辐射强度是否存在显著的差异。 采用同样的检验方法进行分析, 结果发现9个下垫面类型的UVB 地表辐射存在着显著的差异。 通过进一步的检验得出同类子集, 计算结果见表5。

表4 不同下垫面类型的UVB 地表辐射强度 μW/cm2

由表5 可知, “遮荫乔木+灌木丛” “遮荫乔木+草地” “遮荫乔木+硬质路面” 灌木丛、 建筑和草地的UVB 地表辐射强度差异不大, 属于同一个子集： UVB 地表辐射全天每时均强度分别为9.8 μW/cm2、 11.4 μW/cm2、 18.5 μW/cm2、40.4 μW/cm2、 51.2 μW/cm2、 53.9 μW/cm2。 水体、 沙地、 硬质路面属于同一个子集, UVB 地表辐射全天每时均强度分别为198 μW/cm2、211 μW/cm2、 257.9 μW/cm2, 显著高于遮荫乔木、 灌木丛、 草地等下垫面的紫外线辐射强度。遮荫乔木和建筑由于有遮荫面, 天空直射的紫外线辐射强度较低, 地表反射的紫外辐射也自然较小。 “遮荫乔木+灌木丛” “遮荫乔木+草地” “遮荫乔木+硬质路面” 的地表反射紫外线辐射强度依次升高, 可见植被吸收紫外线的能力最强, 这与植物叶倾角、 生理生化特性等因素对UVB 辐射的吸收有关。 沙地、 硬质路面和水体吸收紫外辐射能力相对较弱, 并会形成反射效应, 导致其UVB 地表反射强度较高。

表5 UVB 地表辐射强度的同类子集检验

3 结论与建议

本文以福州沙滩公园为研究对象, 分别测量遮荫乔木、 灌木丛、 草地等不同下垫面类型的紫外线辐射强度, 并比较不同下垫面类型对紫外线辐射的屏蔽效果差异。 结果表明, 遮荫植被对UVB 天空辐射的屏蔽效果明显, 屏蔽率高达90%以上, 而水体、 沙地、 硬质路面、 灌木丛、 草地等观测点由于正上方没有遮挡物, 导致UVB 天空辐射强度很高。 研究数据显示, “遮荫乔木+灌木丛” “遮荫乔木+草地” “遮荫乔木+硬质路面”的UVB 地面辐射最小, 灌木丛、 建筑和草地次之, 水体、 沙地、 硬质路面的UVB 地面辐射强度最大。 由于植物叶倾角、 生理生化特性等因素会加强UVB 辐射的吸收, 而沙地、 硬质路面和水体本身吸收UVB 辐射效果相对较弱, 并会形成反射效应, 导致其UVB 地表反射强度较高。

基于以上研究结论, 提出3 点建议。 1) 乔灌木合理搭配以弱化紫外线辐射[15]。 在人群活动较为密集的区域多植遮荫乔木, 缓解UVB 天空辐射：在植被覆盖较少且UVB 地面反射较为强烈的硬质铺装等区域, 适当增加灌木丛和草地等下垫面, 弱化紫外辐射的地面反射效应。 2) 利用建筑小品遮挡, 减少紫外线辐射。 可在部分园路上方建花架、廊道, 并配以花卉或瓜果类攀援植物, 不仅美观、增加游园乐趣, 还可减少天空直射的紫外线。 在小朋友的游乐场所, 应在等待区建设足够的长型廊架, 里面设置休息长凳。 3) 丰富下垫面植物群落,减少紫外线地面反射。 应合理配置植物物种, 丰富下垫面植物群落的同时增加季相变化, 多使用乡土树种, 提高植物群落的生态稳定, 这样不仅增添公园美观性、 体现群落艺术性, 还可丰富园区景观、减少地面的紫外线反射。