北京市植物群落的植被覆盖率对绿地温度的影响

李世隆，冯 丽，曹 硕，贾博文，王秋月，马晓燕*

(1.北京农学院园林学院，北京102206；2.城乡生态环境北京实验室，北京100083)

在高速城市化影响下，热岛效应对城市生态环境产生极大影响，破坏居住环境、降低城市生活质量。目前，众多学者对热岛效应进行研究，发现下垫面因素对热岛效应的影响不容忽视，其中绿地是缓解城市热岛效应，降低区域温度的重要因素之一。

为了分析绿地及相关因素对周边环境温度的调节作用，研究者从绿地面积、种类、形状等不同因素出发，探索绿地与温度之间的定性和定量关系。李延明等[1]研究发现，植被覆盖率与冷岛强度呈正相关关系，植被覆盖率大于30%时，绿地对热岛有明显的削弱作用，超过50%时，得到明显缓解。何介南等[2]研究发现，乔木对城市冷岛效应的影响最显著，其次是乔灌木，最后是草地。还有研究发现，公园冷岛效应主要与水体面积和绿地面积(即植被覆盖率)的比例有关[3]。

北京市作为中国的首都，特大城市之一，其城市扩张速度以及城市公园建设均有典型性。随着北京市热岛强度不断增强，其绿地的热岛效应研究成为热点。

本研究选取元大都遗址公园和奥林匹克森林公园作为研究对象，对其绿地中的不同植物群落进行统计分析，定量其内部植被覆盖率对温度的影响程度，探讨公园内部植被覆盖率对温度的影响，为绿地植物群落的规划设计提供新的思路和参考意见。

1 研究区概况

元大都遗址公园和奥林匹克森林公园位于北京市，属于暖温带大陆性季风气候，降水适中，四季分明，无霜期较长，年平均气温8～12 ℃。冬季寒冷干燥，时有风沙；夏季潮湿多雨。大数据显示，在20世纪70年代，北京夏季(6—8月)平均气温为23 ℃，20世纪80年代达到24.1 ℃，2011年至2019年更是高达25.5 ℃，夏季主城区内热岛效应非常明显。在植物配置上，元大都遗址公园和奥林匹克森林公园的树种皆以北方乡土树种为主，群落丰富，种类繁多，落叶乔木主要有刺槐、国槐、毛白杨、银杏、柳树等北京长势较好的本土树种，常绿乔木以雪松、油松、圆柏、侧柏为主，灌木种类多种多样，能够形成丰富的植物群落[4]。这为研究不同植物群落对温度的影响提供良好的研究场地。

2 研究内容与方法

2.1 研究样地的选取

为排除外界因素对公园温度的影响，对同一公园里选取不同类型植物群落的绿地进行研究，并且样地在选取时与外部环境及内部水面保持一定的距离。

根据绿地面积和植物分布的特点，选取面积适当、树种适度，能反应主要绿地类型特点的样地进行研究。根据实际情况，尽可能选取不同植物群落的绿地，并保证各样地面积相似(约400 m2)，范围为382～425 m2。其中选取元大都遗址公园19块，奥林匹克森林公园19块。对样地内各类乔木、灌木进行调查，记录样地内乔灌木的株数，间距等内容，以便日后核算各样地植被覆盖率，并进行比较分析。

2.2 地表温度反演

由于夏季植被的冷岛效应最为明显，同时为了获取较多的样地内部温度，选取地理空间数据云平台Landsat 8 OLI_TIRS卫星数字产品(拍摄于2019年8月17日，云量小于1%，影响较小。条带号123，行编号32)作为基础数据，对同一时间下的温度进行反演。通过ENVI 5.3及ArcGIS 10.4软件处理影像数据，基于大气校正法，其基本原理为：首先估计大气对地表热辐射的影响，然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去，从而得到地表热辐射强度，再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度[5]。

对元大都遗址公园和奥林匹克森林公园分别进行地表温度反演，结合样地的选择，将内部温度导出。

2.3 样地的分类与选取

元大都遗址公园和奥林匹克森林公园是两处植物群落丰富，种类繁多的公园。在植物配置上，元大都遗址公园和奥林匹克森林公园按照植物群落的不同，可分为乔灌草型、乔草型、乔木型、灌草型4种类型[6](图1)。

乔灌草型绿地是一种常见的城市休闲绿地，绿地由上层乔木和下层灌木及地被层的植物组合而成，具有多层结构和高密度的根系分布，群落结构复杂。

乔草型绿地由上层、下层组成，上层为乔木，下层多为一年生、多年生的草本植物和蕨类植物。

乔木型绿地由乔木和裸露土地构成。

灌草型绿地是由灌丛及高度不超过100 cm的低矮灌木和地被层的植物组合而成。

通过实地调研并结合Arcgis软件，对研究样地进行选取，并运用ENVI软件对地表温度进行反演处理，得到样地的内部温度和植被覆盖率，进而从定量的角度分析植被覆盖率对温度的影响。

2.4 不同植物群落植被覆盖率与温度

在实地调查的基础上，按乔灌草型、乔草型、灌草型、乔木型4种植物群落对样地进行分类，研究温度对不同植物群落植被覆盖率的影响。为方便观察植被覆盖率的变化，将样地调查结果通过后期绘制，做成植物平面示意图，按植被覆盖率由低到高进行排列，以便更直观显示植被覆盖率和温度的关系(图2和图3)。同时根据温度反演得到其内部对应的温度，并将植被覆盖率作为X轴，温度作为Y轴，绘制散点图并描绘趋势线。

2.5 植被覆盖率计算

植被覆盖率是林木树冠的垂直投影面积与研究区面积的比例。

计算公式：C=Si/S(Si：某一树种覆盖面积，S：样地面积)[7]。

3 结果与分析

3.1 乔灌草型植被覆盖率与温度的关系

元大都遗址公园，植被覆盖率40%～45%时随植被覆盖率上升，温度变化明显，每增加1%，温度下降约0.04 ℃；植被覆盖率45%～50%时每增加1%，温度下降约0.024 ℃；植被覆盖率50%～55%时温度变化不大，每增加1%，温度下降约0.008 ℃；从整体来看，当植被覆盖率大于53%之后，温度趋于稳定，温度变化稳定在一定区间(图4)。

奥林匹克森林公园，植被覆盖率50%～55%时，每增加1%，温度下降约0.313 ℃；植被覆盖率55%～60%时，每增加1%，温度下降约0.2 ℃。植被覆盖率高于56%以后，温度趋于稳定，温度变化稳定在一定区间(图5)。

乔灌草型植被覆盖率对温度影响的范围为53%～56%之间。

3.2 乔草型植被覆盖率与温度的关系

元大都遗址公园，植被覆盖率40%～45%时，随植被覆盖率上升温度变化明显，每增加1%，温度下降约0.1061 ℃；植被覆盖率45%～50%时每增加1%，温度下降约0.07 ℃；植被覆盖率50%～55%时温度变化不大，每增加1%，温度下降约0.04 ℃；植被覆盖率55%～60%时，每增加1%，温度下降约0.01 ℃。从整体来看，当植被覆盖率大于55%后，温度趋于稳定，温度变化稳定在一定区间(图6)。

奥林匹克森林公园，植被覆盖率45%～50%时，每增加1%温度下降约0.33 ℃；植被覆盖率50%～55%时，每增加1%，温度下降约0.17 ℃；植被覆盖率55%～60%时，每增加1%，温度下降约0.01 ℃。覆盖率高于56%以后，温度趋于稳定，温度变化稳定在一定区间(图7)。

结合元大都遗址公园和奥林匹克森林公园植被覆盖率来看，乔草型植被覆盖率对温度影响的范围为54%～56%。

3.3 乔木型植被覆盖率与温度的关系

元大都遗址公园，植被覆盖率40%～45%时，随植被覆盖率上升温度变化明显，每增加1%，温度下降约0.08 ℃；植被覆盖率45%～50%时，每增加1%温度下降约0.04 ℃；植被覆盖率50%～55%时，每增加1%温度下降约0.001 ℃。植被覆盖率高于51%以后，温度趋于稳定，温度变化稳定在一定区间(图8)。

奥林匹克森林公园，植被覆盖率40%～45%时，每增加1%温度下降约0.07 ℃；植被覆盖率45%～50%时，每增加1%温度下降约0.05 ℃；植被覆盖率50%～55%时，每增加1%温度下降约0.035 ℃；植被覆盖率55%～60%时，每增加1%温度下降约0.019 ℃。植被覆盖率高于55%后，温度趋于稳定，温度变化稳定在一定区间(图9)。

结合元大都遗址公园和奥林匹克森林公园植被覆盖率来看，乔木型植被覆盖率对温度影响的范围为51%～55%。

3.4 灌草型植被覆盖率与温度的关系

元大都遗址公园中，植被覆盖率10%～20%，随植被覆盖率上升温度变化明显，温度下降约0.386 ℃；植被覆盖率20%～30%，温度下降约0.304 ℃；植被覆盖率30%～40%，温度下降约0.222 ℃；植被覆盖率40%～50%，温度下降约0.14 ℃；整体来看，植被覆盖率高于50%后，温度趋于稳定，温度变化稳定在一定区间(图10)。

奥林匹克森林公园，植被覆盖率50%～52%，每增加1%温度下降约0.04℃；植被覆盖率52%～54%，每增加1%温度下降约0.026 ℃；植被覆盖率54%～56%，每增加1%温度下降约0.01 ℃。植被覆盖率高于54%以后，温度趋于稳定，温度变化稳定在一定区间(图11)。

结合元大都遗址公园和奥林匹克森林公园植被覆盖率，灌草型植被覆盖率对温度影响的范围为50%～54%。

综合来看，不同植物群落植被覆盖率与温度均表现出较强的负相关性，不同的植物群落受植被覆盖率的影响也不同，存在一定差异，植被覆盖率对温度影响的阈值为50%～55%。从不同群落来看，乔灌草型、乔草型和乔木型对温度影响的阈值较稳定，好于灌草型。

3.5 植被覆盖率与温度的关系

将元大都遗址公园和奥林匹克森林公园内样地的植被覆盖率为X轴，温度为Y轴，分别形成散点图，并描绘回归曲线(图12，13)。

元大都遗址公园与奥林匹克森林公园植被覆盖率与温度的关系均可用对数函数表示，R2分别为0.4928和0.3428，具有可靠性。说明植被覆盖率与内部温度存在较强负相关性，随植被覆盖率的增加，温度整体呈逐渐降低的趋势[8]。温度并不是一直降低，植被覆盖率达到50%～55%，两个公园的温度不是随植被覆盖率的增加而降低，而是在一定区间内浮动。

4 结 论

通过对北京市元大都遗址公园和奥林匹克森林公园地表温度的反演，得到同一时间绿地的温度情况，定量分析温度与不同植物群落植被覆盖率之间的关系。对绿地整体而言，绿地内部温度与植物群落植被覆盖率存在明显的负相关性，植被覆盖率达到50%～55%便不会对温度产生影响，温度不是随植被覆盖率的增加而降低，而是在一定区间浮动。另外，不同植物群落植被覆盖率对温度的影响存在差异，4种植物群落中，乔灌草型对温度的影响最大，降温效果最为明显。在植被覆盖率近似的情况下温度从低到高依次为乔灌草型、乔草型、乔木型、灌草型。

不同植物群落，植被覆盖率对温度影响的范围也不同，乔灌草型达到53%～56%后，温度变化不明显；乔草型达到54%～56%后，温度变化趋于稳定；乔木型达到51%～55%后，温度变化不明显；灌草型达到50%～54%后，温度变化趋于稳定。要进一步确定植被覆盖率对温度的影响范围，还需选取更多的样地进行研究。

通过控制变量法对同一公园内部不同植物群落植被覆盖率进行分析，排除外界因素对内部温度的影响，发现将植被覆盖率控制在50%～55%内时，既能达到良好的降温效果和景观效果，同时具有良好的生态效益。另外，该结论符合《北京森林城市发展规划》中提到的城区绿化覆盖率要达到49%以上的标准[9]。除此之外，绿地的密度、间距等因素可能会对内部温度存在一定的影响。