北京城市森林冠層結(jié)構(gòu)對夏季林內(nèi)舒適度的影響

金桂香，劉海軒，盧澤洋，吳 鞠，許麗娟，孫廣鵬，李 蘋，李 軍，徐程揚(yáng)

（1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京100083；2.國家林業(yè)和草原局 調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714）

受氣候變化及快速城市化進(jìn)程影響，城市熱島效應(yīng)已成為近年來全球研究的熱點(diǎn)，而改善城市空間布局［1］、優(yōu)化城市森林結(jié)構(gòu)［2-4］是解決熱島效應(yīng)問題的重要途徑。如何提高人體舒適度，科學(xué)營建城市森林已成為城市森林建設(shè)中亟待解決的問題，因此，理清城市森林結(jié)構(gòu)與人體舒適度的關(guān)系具有重要意義。目前，關(guān)于城市森林舒適度的研究主要以類型間和不同地段間比較為主［5-6］，很少建立城市森林結(jié)構(gòu)與降溫強(qiáng)度或人體舒適度之間的數(shù)量關(guān)系［7-10］。有限的研究結(jié)果表明：城市森林冠層結(jié)構(gòu)與人體舒適度顯著相關(guān)［6-7］，郁閉度、葉面積指數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)可解釋溫度變化的60%以上［8-9］，但對舒適度的解釋程度只有20%～30%［10］。那么，復(fù)雜結(jié)構(gòu)林分中人體舒適度是否受多個(gè)結(jié)構(gòu)指標(biāo)共同影響，哪些指標(biāo)是影響舒適度的主導(dǎo)因素？本研究以這些問題為導(dǎo)向，選取6個(gè)城市森林冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)，研究這些結(jié)構(gòu)指標(biāo)與人體舒適度的關(guān)系，旨在篩選對舒適度解釋程度較高的指標(biāo)，確定林分舒適結(jié)構(gòu)，為優(yōu)化城市森林結(jié)構(gòu)提供參考。

1 樣地布設(shè)

在朝陽公園、海淀公園、奧體公園、元大都遺址公園、八家郊野公園、奧林匹克森林公園等典型北京城市公園內(nèi)選取以喬木為主，并能為游人提供游憩空間的典型闊葉林分布設(shè)20 m×20 m的樣方，并在距林緣20 m處的林外空地設(shè)置對照點(diǎn)。試驗(yàn)共設(shè)置1 444個(gè)樣方，基本涵蓋北京市城市公園主要林分類型。

2 研究方法

2.1 冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)選擇及數(shù)據(jù)獲取

參考前人研究結(jié)果［9-11］，本研究選取葉面積指數(shù)（leaf area index,ILA），平均葉傾角（mean tilt angle,AMT）， 冠層厚度（canopy thickness,HCT）， 冠下高（height of canopy bottom,HCB）， 冠高比（ratio of canopy thickness to tree height,RCT）和冠層通透度（the permeability of the canopy，PC）等6個(gè)冠層結(jié)構(gòu)簡單指標(biāo)。其中，葉面積指數(shù)和平均葉傾角采用LAI-2200型冠層分析儀（Li-cor,美國）直接測定，分別表征單位面積上覆蓋的葉片總面積和葉片與水平面的平均夾角；冠層厚度指林木樹高與冠下高差值的均值，表征葉片在垂直空間中的分布狀況；冠下高指林分平均活枝下高，表征冠下空間大?。还诟弑葹楣趯雍穸扰c平均樹高的比值，表征冠層和林下空間的協(xié)調(diào)程度；冠層通透度為林內(nèi)平均照度和林外照度的比值，表征冠層透光程度以及葉片在冠層水平方向上分布的均勻程度。

表1 試驗(yàn)期間（7-8月）天氣狀況Table 1 Weather conditions during experimental period （July-August）

于2013-2016年7-8月的典型晴天（表1），對樣方林分基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，選取1 d中氣溫較高時(shí)段（10：00-16：00）對樣地林內(nèi)外氣象因子和光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測。其中林分基本結(jié)構(gòu)包括樹高、胸徑、冠幅、第一活枝下高、葉面積指數(shù)、平均葉傾角等。采用Kestrel 4000（Kestrel,美國，溫度精度±1.0℃，濕度精度±3%，風(fēng)速精度±3%）記錄林內(nèi)外空氣溫、濕度和風(fēng)速，各個(gè)樣方采集30 min，并采用照度計(jì)（HT-8318）測定林內(nèi)外光照條件（其中測得照度的樣方共558個(gè)）。

2.2 舒適度指標(biāo)計(jì)算及分級(jí)

本研究選取群落舒適度評價(jià)指標(biāo)［12］綜合評價(jià)城市森林林內(nèi)外舒適度。其中：S是綜合舒適度指標(biāo)，在本研究中代表林下舒適度，S越小代表林下舒適度越高；T為平均氣溫（℃）；HR為空氣相對濕度（%）；v是平均風(fēng)速（m·s-1）。以dS表示舒適變化強(qiáng)度，表征林分提高舒適度的能力。dS越小代表林分提高舒適度的能力越強(qiáng)。表達(dá)如下：dS＝（S1-S2）/S2。其中：S1為林內(nèi)舒適度，S2為林外舒適度。

為便于分析，將S和dS進(jìn)行分組（表2）。其中S等級(jí)劃分及描述參考黃良美等［12］的研究；dS等級(jí)劃分參考文獻(xiàn)［7，10，12-13］，并通過專家打分的方式，最終劃分為6個(gè)等級(jí)。

表2 舒適度指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standards for confort indices

2.3 數(shù)據(jù)處理

為縮小指標(biāo)絕對值并便于分析，所有冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)取對數(shù)處理。使用SPSS 18.0進(jìn)行方差分析、回歸分析，使用Excel 2007和Origin 8.0繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 北京城市森林林內(nèi)舒適度

達(dá)到舒適的樣方共有735個(gè)，占樣方總數(shù)的50.9%（圖1），說明在炎熱的夏季，仍有49.1%的林分不能達(dá)到舒適，可能是受林外環(huán)境等多重因素的影響。舒適度低于林外的樣方有70%，說明林分的存在顯著增加了公園活動(dòng)空間的舒適程度。達(dá)到舒適的樣方中，林內(nèi)舒適優(yōu)于林外的樣方數(shù)共466個(gè)，占總數(shù)的32.28%。

圖1 北京城市森林舒適度Figure 1 Comfort degree in urban forests in Beijing

3.2 與舒適度相關(guān)的冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)篩選

葉面積指數(shù)、平均葉傾角、冠層厚度、冠下高、冠高比與林下舒適度呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）相關(guān)（表 3）。 其中， 冠下高與林下舒適度有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系（r＝0.692，P＜0.001）。可能在高溫高濕的夏季，冠層所形成的生態(tài)場對較小的林下空間影響力大［14］，同時(shí)較小的冠下空間有利于阻隔林外熱空氣，因此在高溫時(shí)段較小的林下空間有利于提高林內(nèi)的人體舒適度。平均葉傾角（r＝0.472，P＜0.001）和冠層厚度（r＝0.458，P＜0.001）與林下舒適度存在中度正相關(guān)關(guān)系，較低的平均葉傾角有利于阻隔垂直方向上的太陽輻射，減少林下顯熱通量，而冠層厚度大的城市森林雖然蒸騰潛力大，但不利于水蒸氣散溢，增加了林下的相對濕度，因此在高溫高濕的時(shí)段，厚冠層不利于提高林下舒適度。 葉面積指數(shù)（r＝-0.314，P＝0.002）和冠高比（r＝0.254，P＝0.014）與林下舒適度呈弱相關(guān)關(guān)系， 葉面積指數(shù)表征冠層的蒸騰能力，蒸騰作用強(qiáng)既降低溫度又增加濕度，而增加濕度不利于舒適度的提高。冠高比受冠層厚度和冠下高影響，而2個(gè)指標(biāo)的制衡關(guān)系使得冠高比對林下舒適度的代表性較低。

葉面積指數(shù)、冠高比和冠層通透度與舒適變化強(qiáng)度極顯著（P＜0.01）相關(guān)（表3）。冠層通透度與舒適變化強(qiáng)度存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系（r＝0.738，P＜0.001），較低的冠層通透度使冠層阻隔垂直方向上的太陽輻射能力較強(qiáng)，使得林內(nèi)舒適度優(yōu)于林外。冠高比與舒適變化強(qiáng)度存在中度正相關(guān)關(guān)系（r＝0.433，P＜0.001），可能的原因?yàn)?，在北京城市森林冠層厚度整體較高，降溫效應(yīng)較強(qiáng)的基礎(chǔ)上，較低的冠高比適當(dāng)增加了林下空間，有利于水汽散溢，減小濕度從而增大林內(nèi)外舒適度的差異；葉面積指數(shù)與舒適變化強(qiáng)度的相關(guān)性較弱（r＝-0.356，P＝0.001），可能因?yàn)榻禍睾驮鰸駥κ孢m度的提高有相反的影響。

選取與S和dS存在中度以上相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)進(jìn)一步分析冠層結(jié)構(gòu)對林下舒適度和舒適變化強(qiáng)度的影響。

表3 舒適度指標(biāo)與冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)相關(guān)性Table 3 Correlationship between canopy structures and comfort indices

3.3 冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)對林下舒適度的影響

不同林下舒適度等級(jí)下各冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)差異極顯著（P＜0.001）（表4）。等級(jí)4下的平均葉傾角顯著（P＜0.05）大于等級(jí)1下的平均葉傾角；等級(jí)4下的冠層厚度顯著（P＜0.05）大于等級(jí)1，等級(jí)2和等級(jí)3下的冠層厚度；等級(jí)4下的冠下高顯著（P＜0.05）高于等級(jí)1，等級(jí)2和等級(jí)3下的冠下高，等級(jí)2下的冠下高顯著（P＜0.05）高于等級(jí)1下的冠下高。

表4 不同林下舒適度等級(jí)下冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)差異性分析Table 4 Difference significanceof canopy structures in different grades of S

隨著林下舒適度等級(jí)的提高，平均葉傾角、冠層厚度和冠下高都呈逐漸增加的趨勢（圖2）。不同林下舒適度等級(jí)下，平均葉傾角數(shù)據(jù)分布較均勻，但各等級(jí)下均有少量極低值分布（圖2A）?？赡芷骄~傾角過低時(shí)雖然阻隔來自林冠上方的熱輻射，但同時(shí)降低了垂直方向上的通風(fēng)效果?？傮w來看，平均葉傾角降低有利于林下熱舒適提高，但是過低的平均葉傾角對林下舒適沒有代表性，利于林分舒適的平均葉傾角取值為27.48°±1.67°。不同等級(jí)下的冠層厚度（圖2B）和冠下高（圖2C）數(shù)據(jù)分布均勻，較低的冠層厚度和冠下高有利于林下熱舒適，利于林下舒適的冠層厚度和冠下高的取值分別為（7.40±0.09）m和（2.67±0.06） m。

圖2 不同林下舒適度等級(jí)下冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)的變化Figure 2 Change of canopy structures with S grades

以林下舒適度作為因變量，平均葉傾角、冠層厚度、冠下高為自變量，進(jìn)行逐步回歸分析（圖3）。排除的變量為冠層厚度,關(guān)系式各參數(shù)均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），平均葉傾角和冠下高的協(xié)同作用對林下舒適度的解釋程度為51.1%，相較單一結(jié)構(gòu)指標(biāo)有所提升［10］。

圖3 林下舒適度隨平均葉傾角和冠下高的變化Figure 3 Change of S with AMTand HCB

3.4 冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)對舒適變化強(qiáng)度的影響

不同舒適變化強(qiáng)度等級(jí)下冠高比、冠層通透度差異極顯著（P＜0.01）（表 5）。 等級(jí) 6 下的冠高比顯著（P＜0.05）高于其他等級(jí)下的冠高比；等級(jí)1下的冠層通透度顯著（P＜0.05）小于其他等級(jí)下的冠層通透度。

隨著舒適變化強(qiáng)度等級(jí)上升，冠高比和冠層通透度有上升的趨勢。冠高比、冠層通透度較低時(shí)，林內(nèi)舒適度優(yōu)于林外（圖4）。舒適變化強(qiáng)度等級(jí)5和等級(jí)6下的數(shù)據(jù)分布較少，說明林內(nèi)舒適度普遍優(yōu)于林外。不同等級(jí)下的冠高比數(shù)據(jù)分布較均勻，近似正態(tài)分布（圖4A）；不同舒適變化強(qiáng)度等級(jí)下的lg（PC+1）的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.27，0.40，0.47，0.48，0.42和0.57，等級(jí)3～6下的冠層通透度值較離散（圖4B），使得等級(jí)間的差異不明顯，說明較低的冠層垂直通透度才有利于增大林內(nèi)外舒適差異，林隙的存在很容易造成林內(nèi)舒適度值升高，甚至高于林外。林內(nèi)舒適優(yōu)于林外的冠高比和冠層通透度取值分別為0.720±0.003和6.510%±0.884%。

表5 不同舒適變化強(qiáng)度等級(jí)下冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)差異性分析Table 5 The difference significanceof canopy structures in different grades of dS

圖4 不同舒適變化強(qiáng)度等級(jí)下冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)的變化Figure 4 Change of canopy structures with dSgrades

以舒適變化強(qiáng)度為因變量，冠高比和冠層通透度為自變量進(jìn)行逐步回歸分析（圖5），關(guān)系式各參數(shù)均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。冠高比和冠層通透度的協(xié)同作用對舒適變化強(qiáng)度的解釋程度為55.5%。

4 討論

4.1 單一冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)對舒適度的影響

能提高城市森林舒適度的冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)主要有平均葉傾角、冠層厚度和冠下高。林下舒適度值隨平均葉傾角的增加而升高，較低的平均葉傾角有利于提高林下熱舒適。本研究平均葉傾角等于0的樣方較多，這可能是由樹種類型決定，也可能是高溫天氣對葉片生理狀態(tài)的影響，不同林下舒適度等級(jí)下均有平均葉傾角等于0的樣方分布?？梢?，平均葉傾角等于0時(shí)，對林下熱舒適沒有代表性，可能的原因是阻隔熱輻射的同時(shí)降低了冠層通風(fēng)性；林下舒適度值隨冠層厚度的增加而升高，較低的冠層厚度（7.4 m左右）有利于增加林下舒適度。本研究關(guān)于冠層厚度與林內(nèi)舒適度的關(guān)系是基于北京城市森林冠層厚度整體較高的基礎(chǔ)上得出的結(jié)論，說明北京城市森林結(jié)構(gòu)狀況較好［15］，生態(tài)效益較強(qiáng)。如果要全面了解冠層厚度與林內(nèi)舒適度的關(guān)系，則低冠層厚度（6.0 m以下）對舒適度的影響還有待進(jìn)一步研究。林下舒適度值隨冠下高的增大而升高，較低的林下空間（2.7 m左右）有利于提高林下舒適度，這可能是受高溫高濕的特殊天氣條件影響。符合以上條件的北京城市森林胸徑分布為16.2～19.2 cm，樹高分布為9.25～11.36 m?？梢?，夏季舒適度較高的北京城市森林主要分布在胸徑等級(jí)居中，樹高相對較低的林分中。

圖5 舒適變化強(qiáng)度隨冠高比和冠層通透度的變化Figure 5 Change of dSwith RCTand PC

增大林內(nèi)外舒適變化強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)指標(biāo)為冠高比和冠層通透度。舒適變化強(qiáng)度值隨冠高比的增大而升高，較低冠高比有利于提高林下舒適度并增大林內(nèi)外差異，與冠層厚度對舒適度的影響一致?？梢?，冠層厚度的改變對舒適度的影響力大于冠下空間的改變對舒適度的影響；舒適變化強(qiáng)度值隨冠層通透度的增加而升高，較低的冠層通透度有利于促進(jìn)林內(nèi)舒適度優(yōu)于林外。舒適變化強(qiáng)度等級(jí)2以上的冠層通透度數(shù)據(jù)離散性較大，說明冠層通透性較大時(shí)受環(huán)境條件的干擾較大，只有較低的通透度（6.51±0.884）%才能使林內(nèi)舒適度顯著優(yōu)于林外。

4.2 冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)對舒適度的協(xié)同影響

本研究中單一結(jié)構(gòu)指標(biāo)對舒適度代表性總體較低，多個(gè)結(jié)構(gòu)指標(biāo)對舒適度的解釋程度達(dá)到50%以上，說明舒適度受多個(gè)指標(biāo)共同影響，但仍有近50%的舒適程度變化是由其他因子引起的。影響氣候舒適度的原因是多樣化的，水面及其面積大小［16］、不透水地面比例［17］、城市建筑［18］等，均對城市生態(tài)系統(tǒng)的人體舒適度有較大的影響。作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施，城市森林與建筑等灰色基礎(chǔ)設(shè)施通常是融為一體的。本研究在各樣點(diǎn)調(diào)查冠層結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量避開灰色基礎(chǔ)設(shè)施，但仍難以排除周邊灰色基礎(chǔ)設(shè)施的影響。所以，欲準(zhǔn)確闡釋城市森林結(jié)構(gòu)與林內(nèi)氣候舒適度的關(guān)系，需要將其他城市因子考慮在內(nèi)。如何構(gòu)建含灰色基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的城市森林生態(tài)系統(tǒng)冠層結(jié)構(gòu)指數(shù)，這類指數(shù)是否能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測林內(nèi)舒適度，還有待于進(jìn)一步研究。

此外，本研究是在不考慮太陽輻射的前提下對舒適度進(jìn)行的分析，實(shí)際上，光照、氣壓等也是影響人體舒適的重要因素［13，19］。因此評價(jià)北京城市森林舒適度的合理指數(shù)仍有待進(jìn)一步研究。