夏季林盘对周围环境微气象的影响研究

王倩, 刘美伶, 宗桦

夏季林盘对周围环境微气象的影响研究

王倩, 刘美伶, 宗桦*

西南交通大学风景园林系, 成都 610031

川西林盘既是成都平原上最具特色的传统乡村聚落, 又是当地最为重要的农林复合生态系统, 对于维持成都平原的乡村风貌和调节当地的生态平衡功效卓越, 亟需深入挖掘并研究其生态价值。以成都市三道堰镇36个传统林盘为研究对象, 探讨林盘在夏季对周围环境的影响, 明确林盘特征(尺度与乔木覆盖率)与环境微气象变化的关联。研究表明, 林盘在夏季能为周围环境营造降温、减湿、防风和遮光效应, 影响范围主要集中于林盘外围5 m范围内, 且影响随着距林盘边缘距离的增大而减小。林盘对周围环境的降温效果波动于0.42—1.78 °C, 减湿效果小于5.53%, 防风效果波动于0—0.57m·s-1, 遮光效果波动于25.75—441.50 μmol·m-2·s-1。林盘特征(面积、周长和乔木覆盖率)与其产生的微气象影响距离无关。在林盘影响范围(5 m)内, 不同气象要素的变化程度受到林盘要素的影响差距巨大, 如林盘面积或乔木覆盖率越大, 林盘对周边环境的降温效果越显著, 且乔木覆盖率的影响效果高于林盘面积; 林盘面积越小对周围环境的减湿效应越好; 但林盘特征对周围环境的阻风和遮阴效果无明显影响。研究可为川西林盘的保护和开发, 为四川省新农村建设中的聚落景观设计提供科学支撑。

林盘; 尺度; 乔木覆盖率; 微气象; 夏季

0 前言

遍布于成都平原上的川西林盘是几千年川西农耕文明的结晶, 是集生态、生产、生活、景观、文化于一体的川西平原典型的人居环境乡村聚落[1]。林盘由“宅、林、水、田”等要素所构成, 是川西平原自然、文化和社会环境的反映和延续, 具有重要的历史和现实价值[2]。此外, 林盘也是一个颇具价值的农林复合生态系统。一方面, 林盘自身形成独特的内部微气象, 影响常住居民人居环境的舒适性; 另一方面, 通过林盘植物调控周围环境, 吸收CO2、削弱太阳辐射、促进水气交换和防风通风等, 改善周围环境的质量, 形成林盘外围微气象。内外微气象相互作用, 对于提升成都平原的生态环境质量起到重要的作用[3]。微气象主要指近地面小范围气候, 本文采用国内外通常选取的空气温度、光照强度、风速和相对湿度四个因子来衡量林盘微气象[4]。

近年来, 随着我国城乡一体化、土地整理、农村新型社区建设等政策的实施, 川西平原的部分农村居民迁出农村, 导致部分林盘成为空心林盘, 加速了传统林盘聚落的消失[5]。因此, 保护川西特色林盘景观行动刻不容缓。2018年, 都江堰市率先开展了区域内林盘的保护与提质, 力图通过林盘的修复, 再现水旱从人、美田弥望、产业兴盛的灌区盛景。同时, 大量学者也将研究目光转向林盘, 着重围绕林盘空间形态分析、文化传承以及林盘保护三个方面开展研究。遗憾的是, 林盘虽然是成都平原上最重要的农林生态系统, 但目前开展林盘生态功能研究的成果较少, 零星的成果多是定性的评价, 如段鹏[6]阐述了林盘维护环境生态平衡的意义。郑婧[3]揭示了林盘在涵养水源、调节气候、净化空气、保持水土等方面带来的生态价值。杨青娟[7]主张将景观生态学引入林盘聚落的研究。此外, 也有少数学者针对林盘微气象进行研究, 如雷亚平和林忠平[8]测量了林盘建筑室内的热环境, 表明川西林盘冬夏季室内热环境略优于当地普通农宅。万会兰等[9]采用CFD模拟技术模拟了林盘内部的风环境及热环境。宗桦等[10]按照乔木分布方式收集了林盘四季的微气象数据, 探究改善林盘内部微气象的途径和方法。但迄今为止, 还未有研究报道过林盘对周围环境微气象的影响。

因此, 本研究以成都市郫都区三道堰镇的36 个传统林盘为研究对象, 分析夏季林盘周围环境微气象的变化规律, 探究林盘特征(尺度和乔木覆盖率)对周围环境的影响, 揭示林盘特征与周围环境微气象参数变化规律的关联, 补充完善林盘的生态功能研究成果, 助推川西林盘的保护和传承。

1 样地与方法

1.1 林盘样地的选择

成都市郫都区三道堰镇(30°52′14′′N, 103°54′ 49′′E)属于川西林盘的第二圈层, 林盘数量众多且传统林盘保存相对完整。现有传统林盘630 余个, 密度为15 个·km–2。三道堰镇夏季平均温度29 °C, 平均湿度为84%, 平均风速为0.93 m·s-1, 日照时间约为320小时。课题组选取了自然环境相似、地理位置接近且相互独立的36 个传统林盘作为研究对象(图1)。林盘内部主要植被类型为枫杨、水杉、喜树等高大乔木及竹林, 周边农田种植韭菜、水稻、油菜等经济作物。林盘的具体特征见下表1。

1.2 实验仪器及测量方法

利用GIS工具确定各林盘样本的面积、周长、乔木覆盖面积, 在此基础上求出乔木覆盖率(表1)。微气象数据收集选择在2017年7 月连续天晴两天以上的第三天、第四天的10:00—16:00之间进行, 仪器采用Kestrel 4000 (NK, Boothwyn, PA, USA)测量风速、温度和湿度, 采用Field Scout照度计(Spec­trum, Middleton, WI, USA)测量光照强度。在林盘东北、西南和西北方向, 分别以林盘边缘(0 m)为起点, 以5 m为间隔, 分别在0 m、5 m、10 m、15 m、20 m处设置五个测点, 同步收集林盘周围环境微气象数据, 测量高度均控制为地面以上1.5 m, 每组数据测量间隔3分钟。

图1 样地林盘区位

Figure 1 The location of Linpan samples

表1 样本林盘基本情况

续表

1.3 数据分析方法

将每个林盘3个方向的同距离测点求均值, 获得距林盘0 m、5 m、10 m、15 m、20 m区域的微气象数值, 包括夏季温度、湿度、风速、光照强度, 并分别计算出每个林盘各测点与0 m处(林盘边缘)的差值。随后将林盘按照5×103m2的面积差进行分组, 周长按照100 m的差距分组, 乔木覆盖率按照3%的差值分组, 使用统计学软件SPSS25.0开展差异性分析和回归分析, 由其相邻差值的显著性差异来确定林盘各类微气象参数的影响距离。

2 结果与分析

2.1 林盘夏季温度影响分析

测量数据分析显示36个林盘的边缘(0 m)处温度波动于29.85 °C—35.53 °C, 5 m处的温度波动于31.15 °C—36.65 °C, 10 m处的温度波动于31.70 °C—37.10 °C, 15 m处的温度波动于31.22 °C—36.78 °C, 20 m处的温度波动于31.95 °C—36.60 °C。从均值来看(表2), 温度在林盘边缘处最低, 随着离林盘边缘的距离增大而升高, 最终趋于稳定。图2可知, 在36个样本中, 有91.67%的林盘(33个)边缘处温度最低。表明林盘对外部环境有一定的降温效应, 并随距林盘边缘的距离增大而减小。此外, 也发现从林盘边缘往外, 温度升高无规律, 变化程度较大。

表2 林盘周围环境微气象基本情况表

计算各林盘外围不同距离测点的温度数据与0 m处的差值, 并分别在根据面积、周长、乔木覆盖率的林盘分组中, 开展差异性分析后可知, 林盘夏季对周围环境温度的影响距离均主要分布于周边5 m内。通过SPSS对面积、周长、乔木覆盖率与其对周边温度影响距离开展相关分析(表6)后可知, 相关系数||<0.3, 统计检验量的值大于0.05, 林盘对其周围区域的降温距离, 不会受到林盘周长、面积和乔木覆盖率变化的影响。

在确定了夏季林盘温度对周围环境的影响距离为5 m后, 通过分组计算林盘外围5 m处与林盘边缘的平均温度差确定温度的影响程度, 见表7, 8, 9。由上表可见, 林盘对其周围5 m处的影响温差值波动于0.42—1.78 °C。通过对林盘特征与温度影响程度的相关分析(表10)可知, 林盘周长与温度影响程度之间不存在线性相关性, 但林盘面积、乔木覆盖率与5 m处温差之间呈显著正相关, 函数关系见表10。因此在夏季, 林盘面积和乔木覆盖率变化会对影响距离内的温度变化产生显著影响, 且影响程度会随着林盘面积、乔木覆盖率增加而增大, 即林盘面积或乔木覆盖率越大, 林盘周围5 m内的降温程度就越大。

2.2 林盘夏季湿度影响分析

由林盘周围环境湿度监测情况可知, 林盘边缘0 m处的湿度变化于54.03—75.78%, 5 m处的湿度变化于54.03—74.67%, 10 m处的湿度变化于50.37—78.80%, 15 m处的湿度变化于58.73—76.78%, 20 m处的湿度变化于58.91%—76.88%, 从均值结合细部(表2, 图3)分析, 林盘湿度在距林盘边缘10 m范围内数值接近, 且波动变化较小; 15 m到20 m变化较小。总体而言, 大部分林盘在0 m到10 m的湿度低于15 m及20 m处的湿度, 且在10 m到15 m湿度变化较大, 表明林盘对其周围环境产生了降低湿度的影响, 出现“减湿效应”, 推测这可能是由于林盘与周围环境的植被差异外加遮阴、降温效果所共同形成。乔木是林盘的优势种群, 其夏季的蒸腾速率高于林盘外围的草本植物, 且由于林盘为周围区域带来了遮阴、降温效果, 进一步降低了林盘周围植被的夏季蒸腾速率, 从而在一定程度上改善了周围环境的湿度。

图2 夏季林盘周边温度情况

Figure 2 The temperature variation of the Linpan surroundings

表3 面积分组下的影响距离

表4 周长分组下的影响距离

表5 乔木覆盖率分组下的影响距离

表6 林盘特征与微气象参数影响距离的相关性分析

表7 面积分组下的影响程度

表8 周长分组下的影响程度

表9 乔木覆盖率分组下的影响程度

表10 林盘特征与各类微气象参数影响程度的相关性分析

注: *表示在<0.05水平上显著。

计算林盘各外部测点与0 m处的湿度数据差值, 在依据面积、周长和乔木覆盖率不同分组中计算其均值, 由其相邻差值的显著性差异来确定林盘湿度的影响距离, 见表3, 4, 5。由表可知, 在夏季, 林盘能对周围5 m内环境的湿度变化产生影响。通过SPSS分析可知, 样本林盘对周围环境湿度的影响距离是恒定的, 并不受到林盘面积、周长、乔木覆盖率特征的影响(表6)。

明确林盘能对周围5 m内环境的湿度变化产生影响后, 计算林盘不同分组下5 m和0 m处的湿度差确定湿度的影响程度, 见表7, 8, 9。结果显示, 林盘对其周围环境的湿度影响波动于0—5.53%。Pearson相关分析显示, 林盘周长、乔木覆盖率与相对湿度影响程度之间不存在线性相关性, 但林盘面积与湿度影响程度之间呈显著负相关, 关系式见表10。因此在夏季, 林盘对周围5 m范围内的降湿效果受到林盘面积的影响, 林盘面积越小对周围环境的减湿效应越好。

2.3 林盘夏季风速影响分析

风速测量数据显示, 林盘边缘0 m处的风速波动于0—0.93 m·s-1, 5 m处的风速波动于0—1.30 m·s-1, 10 m处的风速波动于0—0.90 m·s-1, 15 m处的风速波动于0—1.73 m·s-1, 20 m处的风速波动于0—1.13 m·s-1, 从整体上来看(表2), 林盘边缘的风速最小, 距林盘5 m到15 m处风速变化不明显, 从边缘往外, 周围环境的风速呈现逐渐增大的趋势, 表明林盘对其周围环境产生了一定程度的阻风作用, 单个样本分析可知(图4), 林盘周围环境风速变化有规律可循, 约41.7%的林盘的最低风速出现在林盘边缘处, 38.9%的林盘周边的最高风速出现在距离林盘20 m处。

计算样本林盘各测点的风速数据与0 m处的差值, 由其相邻差值的显著性差异来确定林盘风速的影响距离, 见表3, 4, 5。由表可知, 在夏季, 不同面积、周长和乔木覆盖率的林盘, 对周围环境风速的影响距离大多集中在5 m范围内。通过SPSS对面积、周长、乔木覆盖率与其对周围风速影响距离相关分析(表6), 可知林盘对周围环境形成的防风效应的距离是恒定的, 不受到林盘面积、周长、乔木覆盖率等林盘特征的影响。

表7, 8, 9显示了林盘周围5 m内的风速影响程度, 由表可知, 林盘对其外围5 m范围的风速影响波动于0—0.57 m·s-1。Pearson相关性分析表明, 林盘周长、面积、乔木覆盖率与林盘对周围环境风速影响程度之间不存在线性相关性, 即林盘特征对林盘周围5 m内的风速减缓效果无影响。

2.4 林盘夏季光照影响分析

由光照数据分析可知, 林盘样地边缘(0 m)处的光照波动于65—1009 μmol·m-2·s-1, 5 m处的光照波动于103.5—1100 μmol·m-2·s-1, 10 m处的光照波动于113—1122.5 μmol·m-2·s-1, 15 m处的光照波动于118—1133 μmol·m-2·s-1, 20 m处的光照波动于124.5—1118 μmol·m-2·s-1, 表明林盘对周围环境产生一定程度的遮光效应, 并呈现林盘边缘光照强度最低, 并随距离增大而增强的趋势(表2)。由图5可知, 95%以上林盘的边缘处的光照强度最低, 距离林盘5 m、10 m、15 m、20 m处光照强度波动变化相对较小, 夏季林盘中植物的高度与叶面积指数达到高峰, 且与林盘中建筑物的共同遮挡, 使得林盘边缘的光照强度低于其他测点。

图3 夏季36个林盘周边湿度情况

Figure 3 The relative humidity of the surrounding environment of Linpan

图4 36个林盘夏季周边风速情况

Figure 4 The wind speed of the surrounding environment of Linpan

计算样本林盘各测点的光照数据与0 m处的差值, 由其相邻差值的显著性差异来确定林盘光照的影响距离, 见表3, 4, 5。由上表可知, 在根据面积、周长、乔木覆盖率分组的前提下, 林盘夏季对周围环境光照的影响距离大多在5 m范围内。通过SPSS对面积、周长、乔木覆盖率与其对周边光照影响距离相关分析(表6), 可知林盘对周围环境遮光效应的影响距离与林盘特征均无线性相关。

明确了影响距离后(5 m), 计算林盘不同分组下影响距离与林盘边缘处的光照差值确定遮阴影响程度, 见表7, 8, 9。结果显示, 林盘对其周围5m 范围内的光照强度影响波动于25.75—441.50 μmol·m-2·s-1。Pearson相关分析显示, 说明林盘面积、周长、乔木覆盖率与光照影响程度之间不存在线性相关性(表10)。表明在夏季, 不同面积、周长、乔木覆盖率的林盘对外围5 m范围内的遮光强度无影响。

3 讨论

总体而言, 与城市绿地相似, 乡村中的林盘也能对周边环境带来降温、遮阴和防风效应。在温度方面, 林盘夏季冷岛效应明显, 能对周围环境产生不同程度的降温效应。林盘的夏季冷岛效应类似于城市绿地, 但区别在于林盘的冷岛距离主要集中于5米范围内, 明显小于城市绿地所能达到的200 m范围[11–12], 这可能是由于城市绿地和其外围区域的较高温度差所致, 温度差越显著, 更容易促进风的形成, 带动绿地内部冷空气的向外流动。此外, 林盘周围5米范围内的降温程度为0.42—1.78 °C, 这一结果明显低于城市绿地为周边区域带来的降温效果(1.9—6 °C)[13]。在影响距离内, 周围环境温度的变化程度受到林盘面积、乔木覆盖率的显著影响, 即随着林盘面积和乔木覆盖率增大, 林盘对周围环境的降温效果越强。此外, 乔木覆盖率对夏季温度变化影响超过面积。此结论与武小刚[14]、贾刘强[15]、王娟[16]等认为城市绿地对周围环境的降温程度随绿地斑块面积的增大而增大的研究结论一致。

图5 夏季36个林盘周边光照情况

Figure 5 The illumination of the surrounding environment of Linpan

在湿度方面, 夏季的川西地区多雨, 易形成高温高湿的气候, 给居住者造成闷热的不舒适感, 林盘夏季对周围环境却呈现减湿效应, 且受到林盘面积的负相关影响, 表明林盘面积越小, 夏季的降湿效果越显著, 能有效的调节高湿环境, 这与城市绿地对周围环境产生一定增湿效果的结论不同。这可能是由于两者周围的土地基底不同。在城市中, 绿地周边通常为铺装场地, 而林盘周围多为作物栽培场地, 其蒸腾速率、反射率等特征大相径庭。城市铺装土地裸露程度高, 蒸发率低、湿度小, 而林盘周围的作物栽培田地蒸发率高, 湿度较大。林盘周边湿度的降低, 有助于创造更宜居的乡村人居环境和更为舒适的乡村劳作空间。

成都平原是我国典型的静风区域, 年均风速小, 但夏季是成都平原较为集中的风期。林盘在夏季表现出一定的防风效应, 主要归因于林盘内部高大乔木以及竹林的大面积使用, 能有效减缓风速、防止周围作物倒伏, 减缓虫害的蔓延速度, 对于提高乡村作物产量有一定程度的辅助效应。且林盘也对周围环境带来了明显的遮阴效果, 能有效减缓夏季作物的无效蒸腾, 促进营养元素的积累, 对于缓解成都平原乡村种植区域的闷热状况大有裨益。

4 结论

在夏季, 通过对川西林盘周围环境的微气象调查与分析, 明确林盘会对周围环境微气象产生一定程度的生态影响, 具体表现为降温、减湿、防风和遮光效应。总体而言, 林盘对周围环境的影响主要集中在5 m范围内, 并随着距林盘边缘的距离增大影响变小, 但其对周围环境的影响距离均不受到林盘特征的影响。对于影响程度而言, 林盘可对周围环境降温影响最大可达1.78 °C, 减湿影响可达5.53%, 防风影响可达0.57 m·s-1, 遮光影响可达441.50 μmol·m-2·s-1, 降温影响随林盘面积、乔木覆盖率增加而增大, 减湿效果随林盘面积增大而降低。林盘对周围环境的防风、遮光效应与林盘的特征无关。

目前, 我国广大的乡村区域的微气象研究才刚刚开始起步。在全球变暖的大趋势下, 乡村也无法摆脱变暖危机。本文将研究视野转向四川乡村区域, 探讨夏季高温胁迫下, 传统林盘如何调节人居环境微气象。本研究探讨了林盘尺度和乔木覆盖率对周围环境的影响。事实上, 林盘建筑、植被自身特征(生长发育状况、树冠郁闭度、叶面积指数等)、乔灌草空间配置等都可能会引发周围环境微气象的改变。在未来的研究中, 课题组将进一步细化的分析林盘其他特征与周围环境微气象变化的关联, 补充川西林盘的生态研究成果, 为林盘的保护与开发提供可靠的支撑。

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Micrometeorology influence of Linpan on its adjacent environment in summer

WANG Qian, LIU Meiling, ZONG Hua*

Department of Landscape, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

Linpan is the typically traditional rural settlement in the Chengdu Plain. As a complex agro-forestry ecosystem, Linpan plays an important role for the adjustment of the ecological balance of the Chengdu Plain and the maintenance of rural features. Thus, the ecological value of Linpan needs to be studied and explored urgently. This paper took 36 traditional Linpan in Sandaoyan Town, Chengdu city, as the research object. The micrometeorology effects from Linpan on their surrounding environment were collected and analyzed in summer. Then the relationship between the Linpan characteristics (Linpan size and tree canopy coverage) and the micrometeorology parameters was explored. Results showed that Linpan exerted a cooling, dehumidification, shading, and windbreak effects on their adjacent areasin summer. Theeffect distancewas appeared in the range of 5m from Linpan edge. Moreover, the influence from Linpan on surrounding environment decreased with the increasing distance from the Linpan edge. The influence degree of air temperature fluctuated from 0.42 to 1.78 °C, the influence degree of humidity fluctuated from 0 to 5.53%, the influence degree of wind speed fluctuated from 0 to 0.57 m·s-1, and the influence degree of illumination fluctuated from 25.75 to 441.50 μmol·m-2·s-1. The correlation analysis showed there was no relationship between Linpan characteristics and the micrometeorology influence distance from Linpan on the surrounding environment. Within the influence distance (5 m) of Linpan, the variation degree of different meteorological parameters was greatly affected by the different characteristics.The variation degree of temperature showed a significantly positive correlation with Linpan area and tree canopy coverage. The variation degree of humidity was only significantly and negatively correlated with Linpan area. This study is expected to provide an scientific support for Linpan protection and development, even for the landscape design in the construction of new rural areas in Sichuan Province.

Linpan; area; tree coverage; micrometeorology; summer

王倩, 刘美伶, 宗桦, 等. 夏季林盘对周围环境微气象的影响研究[J]. 生态科学, 2021, 40(4): 139–148.

WANG Qian, LIU Meiling, ZONG Hua, et al. Micrometeorology influence of Linpan on its adjacent environment in summer[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 139–148.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.016

S716.3

A

1008-8873(2021)04-139-10

2020-02-12;

2020-03-25

国家自然科学基金面上项目(31971716); 四川省科技厅软科学课题(2020JDR0036); 四川民族山地经济发展研究中心科研项目(SDJJ1709)

王倩(1994—), 女, 山西忻州人, 硕士研究生, 主要从事园林植物生态研究, E-mail: 1163050148@qq.com

宗桦(1981—), 女, 江苏宜兴人, 副教授, 硕士生导师, 主要从事园林植物生态研究, E-mail: huangjiaqiutian@aliyun.com