北京市植物群落的植被覆蓋率對(duì)綠地溫度的影響

李世隆，馮 麗，曹 碩，賈博文，王秋月，馬曉燕*

(1.北京農(nóng)學(xué)院園林學(xué)院，北京102206；2.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

在高速城市化影響下，熱島效應(yīng)對(duì)城市生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大影響，破壞居住環(huán)境、降低城市生活質(zhì)量。目前，眾多學(xué)者對(duì)熱島效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)下墊面因素對(duì)熱島效應(yīng)的影響不容忽視，其中綠地是緩解城市熱島效應(yīng)，降低區(qū)域溫度的重要因素之一。

為了分析綠地及相關(guān)因素對(duì)周邊環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)作用，研究者從綠地面積、種類、形狀等不同因素出發(fā)，探索綠地與溫度之間的定性和定量關(guān)系。李延明等[1]研究發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋率與冷島強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋率大于30%時(shí)，綠地對(duì)熱島有明顯的削弱作用，超過(guò)50%時(shí)，得到明顯緩解。何介南等[2]研究發(fā)現(xiàn)，喬木對(duì)城市冷島效應(yīng)的影響最顯著，其次是喬灌木，最后是草地。還有研究發(fā)現(xiàn)，公園冷島效應(yīng)主要與水體面積和綠地面積(即植被覆蓋率)的比例有關(guān)[3]。

北京市作為中國(guó)的首都，特大城市之一，其城市擴(kuò)張速度以及城市公園建設(shè)均有典型性。隨著北京市熱島強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，其綠地的熱島效應(yīng)研究成為熱點(diǎn)。

本研究選取元大都遺址公園和奧林匹克森林公園作為研究對(duì)象，對(duì)其綠地中的不同植物群落進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，定量其內(nèi)部植被覆蓋率對(duì)溫度的影響程度，探討公園內(nèi)部植被覆蓋率對(duì)溫度的影響，為綠地植物群落的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供新的思路和參考意見。

1 研究區(qū)概況

元大都遺址公園和奧林匹克森林公園位于北京市，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水適中，四季分明，無(wú)霜期較長(zhǎng)，年平均氣溫8～12 ℃。冬季寒冷干燥，時(shí)有風(fēng)沙；夏季潮濕多雨。大數(shù)據(jù)顯示，在20世紀(jì)70年代，北京夏季(6—8月)平均氣溫為23 ℃，20世紀(jì)80年代達(dá)到24.1 ℃，2011年至2019年更是高達(dá)25.5 ℃，夏季主城區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)非常明顯。在植物配置上，元大都遺址公園和奧林匹克森林公園的樹種皆以北方鄉(xiāng)土樹種為主，群落豐富，種類繁多，落葉喬木主要有刺槐、國(guó)槐、毛白楊、銀杏、柳樹等北京長(zhǎng)勢(shì)較好的本土樹種，常綠喬木以雪松、油松、圓柏、側(cè)柏為主，灌木種類多種多樣，能夠形成豐富的植物群落[4]。這為研究不同植物群落對(duì)溫度的影響提供良好的研究場(chǎng)地。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 研究樣地的選取

為排除外界因素對(duì)公園溫度的影響，對(duì)同一公園里選取不同類型植物群落的綠地進(jìn)行研究，并且樣地在選取時(shí)與外部環(huán)境及內(nèi)部水面保持一定的距離。

根據(jù)綠地面積和植物分布的特點(diǎn)，選取面積適當(dāng)、樹種適度，能反應(yīng)主要綠地類型特點(diǎn)的樣地進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)際情況，盡可能選取不同植物群落的綠地，并保證各樣地面積相似(約400 m2)，范圍為382～425 m2。其中選取元大都遺址公園19塊，奧林匹克森林公園19塊。對(duì)樣地內(nèi)各類喬木、灌木進(jìn)行調(diào)查，記錄樣地內(nèi)喬灌木的株數(shù)，間距等內(nèi)容，以便日后核算各樣地植被覆蓋率，并進(jìn)行比較分析。

2.2 地表溫度反演

由于夏季植被的冷島效應(yīng)最為明顯，同時(shí)為了獲取較多的樣地內(nèi)部溫度，選取地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品(拍攝于2019年8月17日，云量小于1%，影響較小。條帶號(hào)123，行編號(hào)32)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)同一時(shí)間下的溫度進(jìn)行反演。通過(guò)ENVI 5.3及ArcGIS 10.4軟件處理影像數(shù)據(jù)，基于大氣校正法，其基本原理為：首先估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響，然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星傳感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強(qiáng)度，再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度[5]。

對(duì)元大都遺址公園和奧林匹克森林公園分別進(jìn)行地表溫度反演，結(jié)合樣地的選擇，將內(nèi)部溫度導(dǎo)出。

2.3 樣地的分類與選取

元大都遺址公園和奧林匹克森林公園是兩處植物群落豐富，種類繁多的公園。在植物配置上，元大都遺址公園和奧林匹克森林公園按照植物群落的不同，可分為喬灌草型、喬草型、喬木型、灌草型4種類型[6](圖1)。

喬灌草型綠地是一種常見的城市休閑綠地，綠地由上層喬木和下層灌木及地被層的植物組合而成，具有多層結(jié)構(gòu)和高密度的根系分布，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

喬草型綠地由上層、下層組成，上層為喬木，下層多為一年生、多年生的草本植物和蕨類植物。

喬木型綠地由喬木和裸露土地構(gòu)成。

灌草型綠地是由灌叢及高度不超過(guò)100 cm的低矮灌木和地被層的植物組合而成。

通過(guò)實(shí)地調(diào)研并結(jié)合Arcgis軟件，對(duì)研究樣地進(jìn)行選取，并運(yùn)用ENVI軟件對(duì)地表溫度進(jìn)行反演處理，得到樣地的內(nèi)部溫度和植被覆蓋率，進(jìn)而從定量的角度分析植被覆蓋率對(duì)溫度的影響。

2.4 不同植物群落植被覆蓋率與溫度

在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，按喬灌草型、喬草型、灌草型、喬木型4種植物群落對(duì)樣地進(jìn)行分類，研究溫度對(duì)不同植物群落植被覆蓋率的影響。為方便觀察植被覆蓋率的變化，將樣地調(diào)查結(jié)果通過(guò)后期繪制，做成植物平面示意圖，按植被覆蓋率由低到高進(jìn)行排列，以便更直觀顯示植被覆蓋率和溫度的關(guān)系(圖2和圖3)。同時(shí)根據(jù)溫度反演得到其內(nèi)部對(duì)應(yīng)的溫度，并將植被覆蓋率作為X軸，溫度作為Y軸，繪制散點(diǎn)圖并描繪趨勢(shì)線。

2.5 植被覆蓋率計(jì)算

植被覆蓋率是林木樹冠的垂直投影面積與研究區(qū)面積的比例。

計(jì)算公式：C=Si/S(Si：某一樹種覆蓋面積，S：樣地面積)[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 喬灌草型植被覆蓋率與溫度的關(guān)系

元大都遺址公園，植被覆蓋率40%～45%時(shí)隨植被覆蓋率上升，溫度變化明顯，每增加1%，溫度下降約0.04 ℃；植被覆蓋率45%～50%時(shí)每增加1%，溫度下降約0.024 ℃；植被覆蓋率50%～55%時(shí)溫度變化不大，每增加1%，溫度下降約0.008 ℃；從整體來(lái)看，當(dāng)植被覆蓋率大于53%之后，溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化穩(wěn)定在一定區(qū)間(圖4)。

奧林匹克森林公園，植被覆蓋率50%～55%時(shí)，每增加1%，溫度下降約0.313 ℃；植被覆蓋率55%～60%時(shí)，每增加1%，溫度下降約0.2 ℃。植被覆蓋率高于56%以后，溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化穩(wěn)定在一定區(qū)間(圖5)。

喬灌草型植被覆蓋率對(duì)溫度影響的范圍為53%～56%之間。

3.2 喬草型植被覆蓋率與溫度的關(guān)系

元大都遺址公園，植被覆蓋率40%～45%時(shí)，隨植被覆蓋率上升溫度變化明顯，每增加1%，溫度下降約0.1061 ℃；植被覆蓋率45%～50%時(shí)每增加1%，溫度下降約0.07 ℃；植被覆蓋率50%～55%時(shí)溫度變化不大，每增加1%，溫度下降約0.04 ℃；植被覆蓋率55%～60%時(shí)，每增加1%，溫度下降約0.01 ℃。從整體來(lái)看，當(dāng)植被覆蓋率大于55%后，溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化穩(wěn)定在一定區(qū)間(圖6)。

奧林匹克森林公園，植被覆蓋率45%～50%時(shí)，每增加1%溫度下降約0.33 ℃；植被覆蓋率50%～55%時(shí)，每增加1%，溫度下降約0.17 ℃；植被覆蓋率55%～60%時(shí)，每增加1%，溫度下降約0.01 ℃。覆蓋率高于56%以后，溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化穩(wěn)定在一定區(qū)間(圖7)。

結(jié)合元大都遺址公園和奧林匹克森林公園植被覆蓋率來(lái)看，喬草型植被覆蓋率對(duì)溫度影響的范圍為54%～56%。

3.3 喬木型植被覆蓋率與溫度的關(guān)系

元大都遺址公園，植被覆蓋率40%～45%時(shí)，隨植被覆蓋率上升溫度變化明顯，每增加1%，溫度下降約0.08 ℃；植被覆蓋率45%～50%時(shí)，每增加1%溫度下降約0.04 ℃；植被覆蓋率50%～55%時(shí)，每增加1%溫度下降約0.001 ℃。植被覆蓋率高于51%以后，溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化穩(wěn)定在一定區(qū)間(圖8)。

奧林匹克森林公園，植被覆蓋率40%～45%時(shí)，每增加1%溫度下降約0.07 ℃；植被覆蓋率45%～50%時(shí)，每增加1%溫度下降約0.05 ℃；植被覆蓋率50%～55%時(shí)，每增加1%溫度下降約0.035 ℃；植被覆蓋率55%～60%時(shí)，每增加1%溫度下降約0.019 ℃。植被覆蓋率高于55%后，溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化穩(wěn)定在一定區(qū)間(圖9)。

結(jié)合元大都遺址公園和奧林匹克森林公園植被覆蓋率來(lái)看，喬木型植被覆蓋率對(duì)溫度影響的范圍為51%～55%。

3.4 灌草型植被覆蓋率與溫度的關(guān)系

元大都遺址公園中，植被覆蓋率10%～20%，隨植被覆蓋率上升溫度變化明顯，溫度下降約0.386 ℃；植被覆蓋率20%～30%，溫度下降約0.304 ℃；植被覆蓋率30%～40%，溫度下降約0.222 ℃；植被覆蓋率40%～50%，溫度下降約0.14 ℃；整體來(lái)看，植被覆蓋率高于50%后，溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化穩(wěn)定在一定區(qū)間(圖10)。

奧林匹克森林公園，植被覆蓋率50%～52%，每增加1%溫度下降約0.04℃；植被覆蓋率52%～54%，每增加1%溫度下降約0.026 ℃；植被覆蓋率54%～56%，每增加1%溫度下降約0.01 ℃。植被覆蓋率高于54%以后，溫度趨于穩(wěn)定，溫度變化穩(wěn)定在一定區(qū)間(圖11)。

結(jié)合元大都遺址公園和奧林匹克森林公園植被覆蓋率，灌草型植被覆蓋率對(duì)溫度影響的范圍為50%～54%。

綜合來(lái)看，不同植物群落植被覆蓋率與溫度均表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，不同的植物群落受植被覆蓋率的影響也不同，存在一定差異，植被覆蓋率對(duì)溫度影響的閾值為50%～55%。從不同群落來(lái)看，喬灌草型、喬草型和喬木型對(duì)溫度影響的閾值較穩(wěn)定，好于灌草型。

3.5 植被覆蓋率與溫度的關(guān)系

將元大都遺址公園和奧林匹克森林公園內(nèi)樣地的植被覆蓋率為X軸，溫度為Y軸，分別形成散點(diǎn)圖，并描繪回歸曲線(圖12，13)。

元大都遺址公園與奧林匹克森林公園植被覆蓋率與溫度的關(guān)系均可用對(duì)數(shù)函數(shù)表示，R2分別為0.4928和0.3428，具有可靠性。說(shuō)明植被覆蓋率與內(nèi)部溫度存在較強(qiáng)負(fù)相關(guān)性，隨植被覆蓋率的增加，溫度整體呈逐漸降低的趨勢(shì)[8]。溫度并不是一直降低，植被覆蓋率達(dá)到50%～55%，兩個(gè)公園的溫度不是隨植被覆蓋率的增加而降低，而是在一定區(qū)間內(nèi)浮動(dòng)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)北京市元大都遺址公園和奧林匹克森林公園地表溫度的反演，得到同一時(shí)間綠地的溫度情況，定量分析溫度與不同植物群落植被覆蓋率之間的關(guān)系。對(duì)綠地整體而言，綠地內(nèi)部溫度與植物群落植被覆蓋率存在明顯的負(fù)相關(guān)性，植被覆蓋率達(dá)到50%～55%便不會(huì)對(duì)溫度產(chǎn)生影響，溫度不是隨植被覆蓋率的增加而降低，而是在一定區(qū)間浮動(dòng)。另外，不同植物群落植被覆蓋率對(duì)溫度的影響存在差異，4種植物群落中，喬灌草型對(duì)溫度的影響最大，降溫效果最為明顯。在植被覆蓋率近似的情況下溫度從低到高依次為喬灌草型、喬草型、喬木型、灌草型。

不同植物群落，植被覆蓋率對(duì)溫度影響的范圍也不同，喬灌草型達(dá)到53%～56%后，溫度變化不明顯；喬草型達(dá)到54%～56%后，溫度變化趨于穩(wěn)定；喬木型達(dá)到51%～55%后，溫度變化不明顯；灌草型達(dá)到50%～54%后，溫度變化趨于穩(wěn)定。要進(jìn)一步確定植被覆蓋率對(duì)溫度的影響范圍，還需選取更多的樣地進(jìn)行研究。

通過(guò)控制變量法對(duì)同一公園內(nèi)部不同植物群落植被覆蓋率進(jìn)行分析，排除外界因素對(duì)內(nèi)部溫度的影響，發(fā)現(xiàn)將植被覆蓋率控制在50%～55%內(nèi)時(shí)，既能達(dá)到良好的降溫效果和景觀效果，同時(shí)具有良好的生態(tài)效益。另外，該結(jié)論符合《北京森林城市發(fā)展規(guī)劃》中提到的城區(qū)綠化覆蓋率要達(dá)到49%以上的標(biāo)準(zhǔn)[9]。除此之外，綠地的密度、間距等因素可能會(huì)對(duì)內(nèi)部溫度存在一定的影響。