安庆市莲湖公园绿地春季小气候与人体环境舒适度研究

丁元春，吴小雨，范志强*，孔群芳，陈 陈，杨 荣

(1.安庆师范大学 生命科学学院,安徽 安庆 246011;2.皖西南生物多样性与生态保护安徽省重点实验室,安徽 安庆 246011)

近年来，由于城市的快速发展和全球气候变暖效应，城市热岛问题已经引起了普遍关注.城市绿地作为城市公共服务设施的重要组成部分，一方面可以为居民服务，给居民提供优美的景观与休闲空间，另一方面可以调节与改善局部小气候，从而缓解城市热岛效应.植物群落具有增湿降温等生态功能，是改善城市热岛问题和调节人体舒适度的有效途径[1-3].

目前，关于小气候对人体环境调节功能的研究已经引起很多学者关注.如卫笑等[2]关于春夏秋三季不同类型植物群落的温湿度调节效应研究，秦仲等[3]对北京园林绿地5种植物群落夏季降温增湿作用进行小尺度研究，等.但是，前人大多是针对夏季和冬季植物群落小气候对人体舒适度的研究，以及研究不同围合形式下的植物群落对小气候的调节作用[4-7].很多研究主要针对大城市，而关于中小城市植物群落调节春季小气候以及改善人体舒适度的研究相对较少.因此，本文以安庆市莲湖公园春季植物群落为调查对象，通过调查安庆市莲湖公园内绿地的绿化配置形式，对比分析安庆市莲湖公园内6种不同植物群落结构绿地的空气温度、相对湿度和人体舒适度的差异,分析安庆市莲湖公园春季绿地不同植物群落结构的增湿降温作用以及对人体环境舒适度的影响，从而为我国公园绿地设计提供参考依据.

1 区域概况与研究方法

1.1 区域概况

在安庆市莲湖公园内进行调查研究，区域位于安庆市菱湖风景区东南部，属典型的亚热带季风性湿润气候，四季分明、气候温和、风景优美.安庆市春季和秋季偏短，春季以3月最具代表性.莲湖公园占地4.75 km2，其中湖面有2.49 km2.莲湖公园东南区域配备设施较多、绿化形式多样，并且为群众休闲游憩的主要场所，故选择东南区作为重点调查区域.

1.2 样地选择

主要研究安庆市莲湖公园绿地内不同植物群落结构对小气候的调节作用以及对人体环境舒适度的效应.在公园内选择人流量比较大的3个大区域作为调查场地，在调查场地内选择小乔-草地结构、乔木-灌木-草地结构、大乔木结构、灌木-草地结构、乔木-灌木结构以及纯草地结构6种植物群落结构不同但面积相似的6个小区域作为样地.为了确保测定数据的可靠性、保证数据之间的可比性以及减少群落数据测定的边缘效应，所选取的群落应该远离水体区域[3].在这些选择好的样地中，大乔木为具有明显主干，高度在5 m以上的木本植物；小乔木为具有明显主干且高度在3～5 m之间的木本植物；草地为长势较好、茎叶柔软且低矮的草本植物；灌木为没有明显主干，或主干分支比较多的木本植物[5].针对莲湖公园内不同植物群落绿地的特征，在这6个样地内同时选取3个观测点，记录并算出各个样地的气象要素平均值，并在样地附近选择出1块开阔并且无植被的区域作为对照地(图1)[6-9].

(a) 小乔-草地结构 (b) 乔木-灌木-草地结构 (c) 大乔木结构 (d) 灌木-草地结构

(e) 乔木-灌木结构 (f) 纯草地结构 (g) 对照地图1 各测量点实景拍摄Fig.1 Actual shooting at each measuring point

如图1所示，安庆市莲湖公园内测验样地群落共有6种类型，分别为垂丝海棠-草地的乔草双层型群落(a)、桂花-海桐-草地的乔灌草复层型的群落(b)、香樟为主的大乔木单层型群落(c)、红花檵木-冬青-海桐-草地的灌草双层型的群落(d)、香樟-金边黄杨的乔灌双层型群落(e)以及酢浆草-狗牙根的草本单层型群落(f).

1.3 研究方法

于2021年3月测定莲湖公园内绿地样地与对照样地的空气温度、风速和相对湿度[6].试验仪器为3台LM800A多功能便捷式环境测试仪，仪器的测量高度距离地面1.5 m.便捷式环境测量仪温度的精度为±1%,分辨率为0.1 ℃,测量范围为0～50 ℃;测量仪的相对湿度的精度为70%±4%,分辨率为0.1%,测量范围为10%～95%.具体观测时间为9:00-20:00,每30 min记录1次数据,每1 h计算该时段内空气温度、相对湿度与风速的平均值.由于数据较多，所以对不同植物群落的日均气温与日均相对湿度进行差异性分析.绿地群落降温增湿效果分别采用日均降温百分率(Tp)和日均增湿百分率(Hp)表示,则每个植物群落样地的日均气温T(单位:℃)、日均相对湿度H(单位:%)、日均降温百分率(Tp)、日均增湿百分率(Hp)计算公式为[1]：

(2)

(4)

其中:i为测量时间点(i为9:00-20:00，每1 h计算1次数据的时间点);Hi为空气相对湿度，%;Ti为空气温度，℃；Hci为对照点内空气相对湿度，%;Tci为对照点空气温度,℃.

表1 人体环境舒适度评价标准Tab.1 Evaluation standard of human environmental comfort

表2 6种植物群落及其对照点的空气温度Tab.2 Air temperature of six plant communities and their control sites

2 评估方法

城市公园绿地群落的空气温度、相对湿度以及风速的变化会对公园绿地的局部小气候产生影响，从而影响人体环境舒适程度,所以本研究通过莲湖公园内春季绿地群落的增湿降温作用来衡量绿地的小气候调节功能[7].其中,空气温度和相对湿度通过便捷式环境测量仪可直接得到,而人体舒适感觉根据陆鼎煌提出的综合舒适度指数(S)进行评价[8-10].

S=0.6|T-24|+0.07|H-70|+0.5|V-2|.

(5)

式(5)中，S为综合舒适度指数;T为气温，℃;H为相对湿度，%;V为2 m高处风速，m/s;S值与人体舒适度的划分标准，见表1.

根据式(5)算出综合舒适度指数，进行对比进而获得各植物群落内绿地小气候对人体舒适度的影响差异.

用Microsoft Excel对所记录的数据进行二次曲线拟合分析,完成相关性检验[9-12].为便于公园绿地降温增湿效果与群落结构多样性的比较分析，研究中采用SPSS 22.0软件中的单因素ANOVA分析对不同群落的增湿降温效应进行显著性差异分析[1-3].

3 结果与分析

3.1 6种植物群落降温作用的比较

6种植物群落及其对照地的空气温度如表2所示.由表2可知，在9:00-20:00时间段内，春季莲湖公园内对照地的空气温度与公园绿地内6种植物群落的空气温度的变化都相对平稳，并且在整个日变化过程中，对照地与6种植物群落的空气温度都表现出一致的总体趋势，都呈现出“先上升后下降”的变化[3].除此之外，在9:00-20:00这个时间段，对照地的温度大多明显高于各个群落内部环境的空气温度.

1) 大乔木.根据公园大乔木群落的观测数据，算出了大乔木群落的日均空气温度和对照地的日均空气温度分别为(21.9±2.2)℃和(24.5±1.8)℃.结果表明，与对照地相比,安庆市莲湖公园内大乔木群落内环境平均可使空气温度降10.56%(相当于观测日空气温度降低了2.6℃).并且，将大乔木群落与对照地的空气温度进行单因素方差分析后发现，大乔木群落与对照地的空气温度差异达到了极显著水平(P<0.01)(表2).此外,本次研究还对比了不同观测时段公园大乔木群落内部环境对空气温度的影响,并发现了显著差异,中午(13:00-16:00)和下午(16:00-20:00)时段公园内大乔木群落对温度的影响明显比上午观测时段(9:00-12:00)大(表3).

2) 乔木-灌木.由表2的研究数据可以看出，与对照地的日均空气温度相比，乔木-灌木群落的日均空气温度(22.0±2.4)℃明显要低于对照地的日均空气温度(24.5±1.8)℃.数据表明，与对照地相比,安庆市莲湖公园内乔木-灌木的群落内环境平均可使空气温度降10.37%(相当于观测日空气温度降低了2.5 ℃)，这与大乔木群落对空气温度的效应相近.并且，将乔木-灌木群落内环境空气温度与对照地空气温度进行单因素方差分析后，结果表明，乔木-灌木群落与对照地的空气温度具有极显著性差异(P<0.01).

表3 6种植物群落在不同观测时间的降温率Tab.3 Cooling rates of six plant communities at different observation times

表4 6种植物群落及其对照点的相对湿度Tab.4 Relative humidity of six plant communities and their control sites

3) 灌木-草.经计算，灌木-草群落结构绿地的日均空气温度明显低于对照地空气温度，但其降温作用就没有大乔木群落以及乔木-灌木群落明显.其与对照地空气温度相比，降温率为8.74%，低于大乔木群落和乔木-灌木群落结构绿地的降温率.在显著性上，虽然其显著水平也低于0.05，但和大乔木群落和乔木-灌木群落相比，其对空气温度的降低效果不如大乔木群落和乔木-灌木群落明显.

4) 小乔-草.如表2数据所示，在该研究的6种植物群落结构绿地中，小乔-草群落结构绿地的日均空气温度(21.7±2.0)℃小于其他5种群落内环境温度.数据表明，在研究的样地中，小乔-草群落结构绿地对空气温度的降低发挥了最大作用，日均降温2.8 ℃.其内环境平均可使空气温度降低11.62%，小乔-草群落内环境空气温度与对照地的空气温度具有极显著差异.

5) 草地.根据表2中草地群落内环境温度的数据，不难发现，草地群落内环境对安庆市莲湖公园内空气温度的影响不大.与对照地空气温度相比，草地群落内环境空气温度日均降低0.5 ℃，其日均降温率为2.45%，其降温效果明显低于上述的4种植物群落.将草地的日均温度与对照地的日均温度进行单因素ANOVA分析，其与对照地的显著性为0.059，大于0.05，结果表明，草地群落内环境空气温度与对照地空气温度并无显著性差异.

6) 乔-灌-草.由表2数据所示，乔-灌-草群落结构绿地的日均空气温度(22.2±2.1)℃，低于对照地空气温度，其日均降温率为9.73%，群落内环境空气温度与对照地的空气温度具有显著差异.

3.2 6种植物群落增湿作用的比较

1) 大乔木.大乔木群落是以香樟为主要树种的乔木单层型群落，该群落的植物冠层结构对太阳辐射的阻挡作用和植物群落的光合作用发挥得较好，对小气候的调节作用比较突出.通过对大乔木群落内环境相对湿度的观测，数据表明，大乔木群落日均相对湿度(43.7±5.5)%，高于对照地的日均相对湿度(37.7±5.3)%，其增湿率为13.86%(相当于相对湿度日均增加6.0%).与其他5种植物群落相比，其相对湿度具有显著差异.

2) 乔木-灌木.研究样地中，群落(e)是香樟和金边黄杨搭配种植的乔灌双层型群落.该群落内环境的日均相对湿度为(43.1±5.2)%，略低于大乔木群落的日均相对湿度，其日均增湿量比大乔木群落低0.5%.

3) 灌木-草.表4数据表明，将灌木-草群落结构绿地的日均相对湿度(41.5±5.8)%与其他5种植物群落内环境相对湿度进行比较发现，灌木-草群落内环境的相对湿度仅仅高于草地群落内环境的相对湿度，其增湿作用也不如其他4种群落明显.

4) 小乔-草.小乔木-草群落是以垂丝海棠为主，搭配草地的乔草双层型群落，该群落由于郁闭度不高，其对太阳辐射的阻挡作用和其蒸腾作用就不如乔灌草结构群落.表4数据表明，小乔木-草群落的日均增湿率低于大乔木群落、乔木-灌木群落以及乔木-灌木-草群落.但是，与其他植物群落相比，安庆市莲湖公园内小乔-草群落在增湿效果上具有极显著差异.

5) 草地.根据表4中草地的测量数据，结果表明，在这6种植物群落中，草地对相对湿度的增加效应最不明显.比其他植物群落内环境日均相对湿度相比，草地群落内环境的日均相对湿度(38.8±5.3)%明显低于其他植物群落.

6) 乔木-灌木-草.乔木-灌木-草结构由于自身郁闭度较高、绿量较大，所以可以有效地阻挡太阳辐射，并通过强大的植物蒸腾作用，产生较好的增湿降温作用[5].与其他5种植物群落内环境的日均相对湿度相比，乔木-灌木-草群落内环境的日均相对湿度最大.在增湿作用方面，乔木-灌木-草群落对相对湿度的日均增加作用为6.3%，日均增湿率达到了14.41%，均明显高于其他植物群落.

图2 不同植物群落人体舒适度变化特征Fig.2 Characteristics of human comfort in different plant communities

3.3 6种植物群落对人体舒适度的影响

将6种植物群落和对照样地的综合舒适度指数的平均值进行比较后发现(图2)：乔木-灌木-草群落(S=3.96)<大乔木群落(S=4.14)<乔木-灌木群落(S=4.15)<对照地(S=4.30)<小乔-草群落(S=4.39)<草地(S=4.40)<灌木-草群落(S=4.74).结合表1中的人体气候舒适度评价标准，结果表明，安庆市莲湖公园内的小乔-草、灌木-草群落和草地群落给人舒适的感觉，乔木-灌木-草群落内环境的人体舒适度最佳，其次为大乔木群落或乔木-灌木群落.

4 结论与讨论

植物通过光合、蒸腾作用，以及其林冠层对太阳辐射的遮挡与吸收等作用，来改变植物群落结构绿地局部的小气候[10-13].本研究基于安庆市莲湖公园内的6种植物群落样地，实测安庆市莲湖公园内春季绿地的微气象要素，重点分析了不同植物群落的增湿降温能力，从而得出不同植物群落对人体舒适度的效应.

在降温作用上，小乔-草结构群落>大乔木或乔木-灌木结构群落>乔木-灌木-草结构群落>灌木-草结构群落>草地结构群落，且小乔-草结构群落内环境空气温度与对照地的空气温度具有最显著的差异性.而在增湿效果上，乔木-灌木-草结构群落>大乔木结构群落>乔木-灌木结构群落>小乔-草结构群落>灌木-草结构群落>草地结构群落，且小乔木-草结构群落内环境的相对湿度与对照地的相对湿度具有最显著的差异[14-15].将各植物结构群落的综合舒适度进行比较发现，安庆市莲湖公园内乔木-灌木-草群落内环境的人体舒适度最佳，其次为大乔木或乔木-灌木群落.因此，在今后的城镇绿地规划设计中，应优先考虑乔灌草或乔灌等复层结构[9].

虽然长势较好的植物群落结构能够有效地吸收和阻挡太阳辐射，从而调节空气相对湿度，改善人体环境舒适度.但是，这种降温增湿作用与植物群落结构绿地类型、树冠郁闭度和植物的绿量都有关，且与调查区域内的自然环境条件、公园绿地种植形式以及空间布局等有关[9].除此之外，该研究是基于6个植物群落样地降温增湿平均值得出的，一些观测数据过高可能会导致整个群落的降温增湿作用偏高，因此需要增加更多的样地观测结果加以验证[11].