北京城市副中心绿地降温增湿效应评价

王 行，王月容，段敏杰

(北京市园林科学研究院园林绿地生态功能评价与调控技术北京市重点实验室，北京 100102)

近年来，随着经济的快速发展和城市化进程的加快，中国已进入高速城市化阶段，在城市与人口规模不断扩大的过程中，诸如人口密集、住房拥挤、绿地缺乏、水资源污染、空气质量下降、城市热岛效应等一系列环境污染与生态破坏问题随之而来。

城市绿地通过植物的冠层结构对太阳辐射的拦截作用、植物蒸腾作用和光合作用，从环境中吸收大量的热量，降低气温，增加空气湿度，同时大量吸收空气中的二氧化碳，抑制温室效应，是缓解城市热岛效应最有效的措施之一。关于城市绿地降温增湿效应的研究备受学者关注，公园绿地面积、绿地覆盖度、乔灌草比例、水体面积占比等诸多因素均与公园绿地的降温增湿效应存在一定的相关关系。研究表明，公园绿地面积对其降温效应影响最为显著，而公园内水体面积占比对其增湿效应的影响最为显著[1]。当绿地面积3 hm2时，其降温增湿效果较明显；当绿地面积大于5 hm2时，其降温增湿效果极其明显且恒定[2]。城市绿地覆盖率与热岛强度成反比，绿地覆盖率愈高，则热岛强度愈弱。当一个区域绿地覆盖率达到或大于30%时，绿地对城市热岛有较明显的削弱作用；覆盖率大于50%，绿地对城市热岛的削减作用极其明显[3]。绿地绿量相等，乔灌所占比例较大时，绿地降温作用明显，而乔灌草比例与湿度关系不大[4]。从一年四季数据来看，乔木、灌木、藤本降温增湿能力均表现为夏季最强，秋季次之，春季更弱，冬季最弱[5]。公园绿地一天内的降温增湿效应在14:00时达到最大[6]。

通州区是北京城市副中心。随着规模的继续扩张，人口急剧增加，通州区的形态、功能以及区划等各方面都将发生强烈的变化，必将影响区域的生态环境及热岛效应。为将北京城市副中心打造成为国际一流和谐宜居之都示范区、新型城镇化示范区、京津冀区域协同发展示范区，对于北京城市副中心热岛效应现状及发展趋势的研究已势在必行。而在现有研究中，针对北京城市副中心区域绿地降温增湿效应的研究尚有不足，且大多数相关研究仅针对夏季，缺乏对不同结构类型植物群落在不同季节的降温增湿效应对比研究。该研究基于城市绿化对北京城市副中心热岛改善关键技术的研究建立示范绿地，将研究成果及技术指南应用其中并自2018年9月至2019年8月开展试验监测，对比研究区及其附近同期建设的普通对照监测结果，分析研究区建后绿地降温增湿效应，从而评价其改善北京城市副中心区域热岛效应。

1 研究区概况

研究区位于北京城市副中心行政办公楼南侧绿化示范段内，北起丰字沟水系，南至云帆路，西起临镜路，东至清风路，总占地面积约36.5 hm2，其中二标段(即试验区域)面积约22.57 hm2。2017年3月至2019年9月进行绿化施工，栽植常绿乔木1 324株，落叶乔木3 435株、灌木1 161株、早园竹888.6 m2、花卉8 488.87 m2、冷季型草坪123 346.69 m2、麦冬79 222 m2，绿化覆盖率80%。植物选用北京地区常见树种，同时参考前期研究成果及技术指南中推荐的绿地配置模式及推荐树种，在满足景观性的同时提高绿地改善北京城市副中心区域热岛效应的生态功能。植物群落结构类型以乔-灌-草和乔-草为主，在北侧北京城市副中心办公楼景观轴线沿线设计大面积开敞草坪，提供政务活动场地的同时满足景观视线的通透性。

2 研究方法

2.1 试验样地选择

在研究区内，通过调研绿地内各群落植物生长情况、群落结构类型、植物种类等，选定以北京地区适生树种为主的代表性群落10个作为试验样地，其中3个乔-草群落、1个灌-草群落、1个草坪群落、5个乔-灌-草群落(表1)。

同时，基于高分辨率遥感和多次现场调研，选定距研究区约1 km的同期建设绿地作为普通对照，位于东六环西侧路东，面积约10.8 hm2，普通对照内选定乔-草、灌-草、草坪、乔-灌-草4种绿地结构类型的植物群落作为试验样地(表2)。此外，选定郝家府地铁站十字路口沥青路面作为空白对照。

表1 研究区群落样地概况Tab.1 Overview of community plots in study area

表2 普通对照群落样地概况Tab.2 Overview of community plots in normal control area

2.2 试验时间及方法

2018年9月至2019年8月，每月选择晴朗无风的一天作为观测日进行试验。观测日的8:00-18:00每隔2 h测量并记录1次各样地及空白对照的气象因子数据，每处样地随机均匀选取5个观测点(因研究区草坪群落及空白对照面积较大，故均匀选取10个观测点)。尽可能避开边缘，在群落区域内分散取点。在距地面1.5 m处测定风速、气温、相对湿度，在距地面约10～20 cm处测定地温，每个观测点读取5组或10组数据记录，取平均值。

2.3 试验仪器

Kestrel4500手持式气象仪测定风速、气温、相对湿度。风速测量范围0.4～40 m/s，精度±3%，分辨率0.1 m/s；气温测量范围-29～70 ℃，精度1 ℃，分辨率0.1 ℃；相对湿度测量范围0%～100%，精度3%，分辨率0.1%。Fluke-63红外测温仪测定地温，测量范围-32～535 ℃，精度1 ℃，分辨率0.1 ℃。

2.4 数据处理

对观测结果进行平均温度、湿度、平均降温、增湿效应的计算，综合参考相关研究的温湿度计算方法[7]。绿地与空白对照温度、湿度差值：

X=X1-X2

(1)

式中，X1为研究区及普通对照各群落的气温、地温、相对湿度测定值，X2为空白对照的气温、地温、相对湿度测定值。

绿地降温增湿平均值：

(2)

式中，X1为研究区及普通对照各群落的气温、地温、相对湿度测定值，X2为空白对照的气温、地温、相对湿度测定值，n为组数，i为从第1组取值，取到n组。

应用Microsoft Office Excel软件对试验数据进行汇总整理及统计分析，运用SAS 9.2软件进行方差分析，各指标差异显著性采用单因素方差分析(one-way ANOVA)。

3 结果与分析

3.1 不同季节研究区与普通对照降温增湿效应

不同季节研究区与普通对照降温增湿效应见图1。研究区绿地与普通对照在春季、夏季和秋季均呈现不同程度的降温增湿效应，冬季呈现保温干燥效应。绿地降温增湿效应具有明显的季节性差异，不同季节研究区绿地降低气温及增加相对湿度效应排序为夏季>秋季>春季>冬季，降低地温效应排序为夏季>春季>秋季>冬季；普通对照降低气温效应排序为夏季>秋季>春季>冬季，降低地温效应排序为夏季>春季>秋季>冬季，增加相对湿度效应排序为秋季>夏季>春季>冬季。

注：不同字母表示差异达到显著水平(P<0.05)。Note:Different letters indicate a significant level of difference (P<0.05).图1 不同季节研究区与普通对照降温增湿效应Fig.1 Effect of cooling and humidification in the study area and normal control area in different seasons

研究区绿地与普通对照均在夏季表现出最明显的降温增湿效应，其中研究区绿地平均气温32.0 ℃、地温28.7 ℃、相对湿度43.9%，平均降低气温1.8 ℃、降低地温19.0 ℃、增加相对湿度6.6%，降温增湿效应强于普通对照。这主要是由于夏季植物生长最旺盛，覆盖度最高，光合作用、蒸腾作用等植物生理代谢效率最高，其降温增湿效应最强。另外，研究区绿地在春季、夏季和秋季降温增湿效应均强于普通对照，尤其在夏季和秋季降低气温及夏季增加相对湿度效应显著强于普通对照(P<0.05)。同时在冬季研究区绿地平均气温6.8 ℃、地温3.3 ℃、相对湿度33.8%，平均升高气温0.4 ℃、降低地温3.3 ℃、降低相对湿度0.4%，表现出保温干燥效应。

此外，研究区与普通对照整体温湿度具有明显的季节性差异，不同季节研究区与普通对照整体气温由高到低排序为夏季>秋季>春季>冬季，地温由高到低排序为夏季>春季>秋季>冬季，相对湿度由高到低排序为秋季>夏季>春季>冬季。

3.2 研究区不同结构类型绿地降温增湿效应

研究区不同结构类型绿地降温增湿效应见图2。4种结构类型绿地在春季、夏季和秋季均呈现不同程度的降温增湿效应，冬季呈现保温干燥效应。春季和夏季绿地降低气温和地温效应排序为乔-灌-草>乔-草>灌-草>草坪，增加相对湿度效应排序为乔-灌-草>乔-草>草坪>灌-草；秋季绿地降低气温和地温、增加相对湿度效应排序为乔-灌-草>乔-草>灌-草>草坪；冬季升高气温、降低地温效应排序为乔-灌-草>乔-草>灌-草>草坪，降低相对湿度效应排序为乔-灌-草>灌-草>乔-草>草坪。

4种结构类型绿地均在夏季表现出最明显的降温增湿效应，其中乔-灌-草群落内平均气温31.9 ℃、地温27.8 ℃、相对湿度44.4%，平均降低气温1.9 ℃、降低地温20.0 ℃、增加相对湿度7.1%，降温增湿效应最强。另外，乔-灌-草在春季、夏季和秋季均表现出最明显的降温增湿效应，同时在冬季其群落内平均气温6.9 ℃、地温3.0 ℃、相对湿度33.7%，平均升高气温0.5 ℃、降低地温3.6 ℃、降低相对湿度0.5%，表现出最明显的保温干燥效应。这主要是由于其植物种类与配置模式较其他3种结构群落更为丰富，且大多应用前期研究成果中推荐的降温增湿效应较好的树种，群落覆盖度更高，对太阳辐射的遮挡能力更强，群落内部的林下温度更低。同时，由于其植物的丰富性，叶片蒸腾作用产生的水分更多，较高的郁闭度减少群落内部水分的散失，因此整体降温增湿效应最佳。研究区内4种结构类型绿地的降温增湿效应并未表现出显著差异(P<0.05)，这与群落内外的气象因子逐月变化较大有关。

此外，4种结构类型绿地群落内温湿度具有明显的季节性差异，不同季节4种结构类型绿地群落内气温由高到低排序为夏季>秋季>春季>冬季，地温由高到低排序为夏季>春季>秋季>冬季，相对湿度由高到低排序为秋季>夏季>春季>冬季。

注：不同字母表示差异达到显著水平(P<0.05)。Note:Different letters indicate significant difference at P < 0.05.图2 研究区不同结构类型绿地降温增湿效应(A春季、B夏季、C秋季和D冬季)Fig.2 Cooling and humidification effects of green space with different structure types in thestudy area (A spring, B summer, C autumn and D winter)

3.3 研究区年均降温增湿效应

对比2018年9月至2019年8月研究区、普通对照及空白对照的试验数据，得出研究区与普通对照四季及年均温湿度值(表3)。研究区绿地年均气温19.0 ℃、地温16.8 ℃、相对湿度41.5%，普通对照年均气温19.4 ℃、地温18.7 ℃、相对湿度41.4%。

表3 研究区与普通对照四季及年均温湿度值Tab.3 Seasonal and annual average temperature and humidity in study area and normal control area

其中，二者夏季地温显著低于空白对照，秋季相对湿度显著高于空白对照(P<0.05)。

研究区与普通对照四季及年均整体降温增湿效应见表4。研究区绿地年均降低气温0.9 ℃、降低地温9.7 ℃、增加相对湿度3.6%，普通对照年均降低气温0.5 ℃、降低地温7.7 ℃、增加相对湿度3.5%，二者均呈现明显的降温增湿效应。其中，研究区年均降低地温效应显著强于普通对照(P<0.05)。

2018年9月至2019年8月的监测数据显示，热岛改善关键技术具备一定优势，推荐的植物配置模式及种类可有效改善北京城市副中心区域热岛效应。

表4 研究区与普通对照四季及年均整体降温增湿效应

4 讨 论

植物群落主要通过冠层结构吸收、反射和遮挡太阳辐射，使到达地面及树冠下面的太阳辐射显著减少[8]，同时通过自身蒸腾作用降低林下温度。而林下温度的变化是影响植物叶片蒸腾作用的主要因素，从而调节群落内部的相对湿度。

研究区整体温湿度具有明显的季节性差异，不同季节气温由高到低排序为夏季>秋季>春季>冬季，地温由高到低排序为夏季>春季>秋季>冬季，相对湿度由高到低排序为秋季>夏季>春季>冬季。在卫笑等[8]针对成熟绿地的研究中，绿地夏季相对湿度高于其他三季，这与该研究的结果有一定差异，这可能由于研究区绿地群落以乔-灌-草和乔-草类型为主，且处于建设初期，林下空间较为开敞通透，利于空气流动，在高温的作用下加速绿地内水分的散失，秋季随着气温的下降，绿地内水分散失减弱，因此夏季研究区内绿地相对湿度低于秋季，可能存在区域阶段特殊性，在今后研究中有待进一步验证。

研究区绿地在春季、夏季和秋季呈现明显的降温增湿效应，夏季最强，秋季次之，春季较弱，冬季随着太阳辐射的减弱，群落外部环境温度较低，各植物群落由于其相对稳定的小气候减缓冷空气的流动，群落内部气温上升比外部快，同时，冬季植物进入休眠期，蒸腾作用很弱，群落内水分随着气温升高有所散失，因此一定程度上呈现保温干燥效应，这与纪鹏等[9]的研究结果一致。

对比4种不同结构类型绿地，乔-灌-草群落在春季、夏季和秋季的降温增湿效应最明显，其次是乔-草群落，这与纪鹏等[9]、马秀枝等[10]的研究结果一致，但后者由于中层无灌木遮挡，空间通透，利于风的穿行，增加群落内部水分的散失，因此增湿效应并未体现出明显优势，这与卫笑等[8]的研究结果略有不同，可能存在区域差异性。同时，灌-草和草坪群落呈现一定的降温增湿效应，但相对较弱，说明乔木的覆盖度对绿地整体降温增湿效应作用较大，为改善北京城市副中心区域热岛效应，在今后的园林绿化中应多配植乔-灌-草或乔-草结构的植物群落。该研究中，不同结构类型植物群落在各季节降温增湿效应并未体现出显著性差异，这主要是因为气象因子在群落内外逐月变化较大，而绿地各植物群落的降温增湿效应显著性与其密切相关，可在今后的研究中针对某一季节单月多次重复试验中进一步研究。

5 结 论

综合2018年9月至2019年8月研究区绿地与普通对照降温增湿效应可知：

(1)四季研究区整体及不同结构类型绿地群落内气温由高到低排序为夏季>秋季>春季>冬季，地温由高到低排序为夏季>春季>秋季>冬季，相对湿度由高到低排序为秋季>夏季>春季>冬季。绿地在春季、夏季和秋季呈现降温增湿效应，其中夏季最强，秋季次之，春季较弱，冬季则呈现保温干燥效应。

(2)春季、夏季和秋季不同结构类型绿地整体降温增湿效应排序为乔-灌-草>乔-草>灌-草>草坪，冬季除草坪外的3种结构类型绿地均呈现保温干燥效应，其中乔-灌-草群落最强。

(3)研究区绿地年均气温19.0 ℃、地温16.8 ℃、相对湿度41.5%，年均降低气温0.9 ℃，降低地温9.7 ℃，增加相对湿度3.6%，且在春季、夏季和秋季降温增湿效应、冬季保温干燥效应、年均降温增湿效应三个方面均强于普通对照，尤其在夏季和秋季降低气温、夏季增加相对湿度、年均降低地温三方面显著强于普通对照(P<0.05)，验证热岛改善关键技术、推荐植物种类及配置模式在一定程度上可以更好缓解区域热岛效应。今后，随着研究区绿地植物长势、覆盖度、群落稳定性的提高，其缓解区域热岛效应将更为显著，从而进一步发挥园林绿地的生态功能，在北京城市副中心的建设进程中发挥更好的服务及示范作用。