北京城市副中心綠地降溫增濕效應評價

王 行，王月容，段敏杰

(北京市園林科學研究院園林綠地生態(tài)功能評價與調(diào)控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100102)

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，中國已進入高速城市化階段，在城市與人口規(guī)模不斷擴大的過程中，諸如人口密集、住房擁擠、綠地缺乏、水資源污染、空氣質(zhì)量下降、城市熱島效應等一系列環(huán)境污染與生態(tài)破壞問題隨之而來。

城市綠地通過植物的冠層結(jié)構(gòu)對太陽輻射的攔截作用、植物蒸騰作用和光合作用，從環(huán)境中吸收大量的熱量，降低氣溫，增加空氣濕度，同時大量吸收空氣中的二氧化碳，抑制溫室效應，是緩解城市熱島效應最有效的措施之一。關(guān)于城市綠地降溫增濕效應的研究備受學者關(guān)注，公園綠地面積、綠地覆蓋度、喬灌草比例、水體面積占比等諸多因素均與公園綠地的降溫增濕效應存在一定的相關(guān)關(guān)系。研究表明，公園綠地面積對其降溫效應影響最為顯著，而公園內(nèi)水體面積占比對其增濕效應的影響最為顯著[1]。當綠地面積3 hm2時，其降溫增濕效果較明顯；當綠地面積大于5 hm2時，其降溫增濕效果極其明顯且恒定[2]。城市綠地覆蓋率與熱島強度成反比，綠地覆蓋率愈高，則熱島強度愈弱。當一個區(qū)域綠地覆蓋率達到或大于30%時，綠地對城市熱島有較明顯的削弱作用；覆蓋率大于50%，綠地對城市熱島的削減作用極其明顯[3]。綠地綠量相等，喬灌所占比例較大時，綠地降溫作用明顯，而喬灌草比例與濕度關(guān)系不大[4]。從一年四季數(shù)據(jù)來看，喬木、灌木、藤本降溫增濕能力均表現(xiàn)為夏季最強，秋季次之，春季更弱，冬季最弱[5]。公園綠地一天內(nèi)的降溫增濕效應在14:00時達到最大[6]。

通州區(qū)是北京城市副中心。隨著規(guī)模的繼續(xù)擴張，人口急劇增加，通州區(qū)的形態(tài)、功能以及區(qū)劃等各方面都將發(fā)生強烈的變化，必將影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境及熱島效應。為將北京城市副中心打造成為國際一流和諧宜居之都示范區(qū)、新型城鎮(zhèn)化示范區(qū)、京津冀區(qū)域協(xié)同發(fā)展示范區(qū)，對于北京城市副中心熱島效應現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的研究已勢在必行。而在現(xiàn)有研究中，針對北京城市副中心區(qū)域綠地降溫增濕效應的研究尚有不足，且大多數(shù)相關(guān)研究僅針對夏季，缺乏對不同結(jié)構(gòu)類型植物群落在不同季節(jié)的降溫增濕效應對比研究。該研究基于城市綠化對北京城市副中心熱島改善關(guān)鍵技術(shù)的研究建立示范綠地，將研究成果及技術(shù)指南應用其中并自2018年9月至2019年8月開展試驗監(jiān)測，對比研究區(qū)及其附近同期建設(shè)的普通對照監(jiān)測結(jié)果，分析研究區(qū)建后綠地降溫增濕效應，從而評價其改善北京城市副中心區(qū)域熱島效應。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京城市副中心行政辦公樓南側(cè)綠化示范段內(nèi)，北起豐字溝水系，南至云帆路，西起臨鏡路，東至清風路，總占地面積約36.5 hm2，其中二標段(即試驗區(qū)域)面積約22.57 hm2。2017年3月至2019年9月進行綠化施工，栽植常綠喬木1 324株，落葉喬木3 435株、灌木1 161株、早園竹888.6 m2、花卉8 488.87 m2、冷季型草坪123 346.69 m2、麥冬79 222 m2，綠化覆蓋率80%。植物選用北京地區(qū)常見樹種，同時參考前期研究成果及技術(shù)指南中推薦的綠地配置模式及推薦樹種，在滿足景觀性的同時提高綠地改善北京城市副中心區(qū)域熱島效應的生態(tài)功能。植物群落結(jié)構(gòu)類型以喬-灌-草和喬-草為主，在北側(cè)北京城市副中心辦公樓景觀軸線沿線設(shè)計大面積開敞草坪，提供政務(wù)活動場地的同時滿足景觀視線的通透性。

2 研究方法

2.1 試驗樣地選擇

在研究區(qū)內(nèi)，通過調(diào)研綠地內(nèi)各群落植物生長情況、群落結(jié)構(gòu)類型、植物種類等，選定以北京地區(qū)適生樹種為主的代表性群落10個作為試驗樣地，其中3個喬-草群落、1個灌-草群落、1個草坪群落、5個喬-灌-草群落(表1)。

同時，基于高分辨率遙感和多次現(xiàn)場調(diào)研，選定距研究區(qū)約1 km的同期建設(shè)綠地作為普通對照，位于東六環(huán)西側(cè)路東，面積約10.8 hm2，普通對照內(nèi)選定喬-草、灌-草、草坪、喬-灌-草4種綠地結(jié)構(gòu)類型的植物群落作為試驗樣地(表2)。此外，選定郝家府地鐵站十字路口瀝青路面作為空白對照。

表1 研究區(qū)群落樣地概況Tab.1 Overview of community plots in study area

表2 普通對照群落樣地概況Tab.2 Overview of community plots in normal control area

2.2 試驗時間及方法

2018年9月至2019年8月，每月選擇晴朗無風的一天作為觀測日進行試驗。觀測日的8:00-18:00每隔2 h測量并記錄1次各樣地及空白對照的氣象因子數(shù)據(jù)，每處樣地隨機均勻選取5個觀測點(因研究區(qū)草坪群落及空白對照面積較大，故均勻選取10個觀測點)。盡可能避開邊緣，在群落區(qū)域內(nèi)分散取點。在距地面1.5 m處測定風速、氣溫、相對濕度，在距地面約10～20 cm處測定地溫，每個觀測點讀取5組或10組數(shù)據(jù)記錄，取平均值。

2.3 試驗儀器

Kestrel4500手持式氣象儀測定風速、氣溫、相對濕度。風速測量范圍0.4～40 m/s，精度±3%，分辨率0.1 m/s；氣溫測量范圍-29～70 ℃，精度1 ℃，分辨率0.1 ℃；相對濕度測量范圍0%～100%，精度3%，分辨率0.1%。Fluke-63紅外測溫儀測定地溫，測量范圍-32～535 ℃，精度1 ℃，分辨率0.1 ℃。

2.4 數(shù)據(jù)處理

對觀測結(jié)果進行平均溫度、濕度、平均降溫、增濕效應的計算，綜合參考相關(guān)研究的溫濕度計算方法[7]。綠地與空白對照溫度、濕度差值：

X=X1-X2

(1)

式中，X1為研究區(qū)及普通對照各群落的氣溫、地溫、相對濕度測定值，X2為空白對照的氣溫、地溫、相對濕度測定值。

綠地降溫增濕平均值：

(2)

式中，X1為研究區(qū)及普通對照各群落的氣溫、地溫、相對濕度測定值，X2為空白對照的氣溫、地溫、相對濕度測定值，n為組數(shù)，i為從第1組取值，取到n組。

應用Microsoft Office Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進行匯總整理及統(tǒng)計分析，運用SAS 9.2軟件進行方差分析，各指標差異顯著性采用單因素方差分析(one-way ANOVA)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同季節(jié)研究區(qū)與普通對照降溫增濕效應

不同季節(jié)研究區(qū)與普通對照降溫增濕效應見圖1。研究區(qū)綠地與普通對照在春季、夏季和秋季均呈現(xiàn)不同程度的降溫增濕效應，冬季呈現(xiàn)保溫干燥效應。綠地降溫增濕效應具有明顯的季節(jié)性差異，不同季節(jié)研究區(qū)綠地降低氣溫及增加相對濕度效應排序為夏季>秋季>春季>冬季，降低地溫效應排序為夏季>春季>秋季>冬季；普通對照降低氣溫效應排序為夏季>秋季>春季>冬季，降低地溫效應排序為夏季>春季>秋季>冬季，增加相對濕度效應排序為秋季>夏季>春季>冬季。

注：不同字母表示差異達到顯著水平(P<0.05)。Note:Different letters indicate a significant level of difference (P<0.05).圖1 不同季節(jié)研究區(qū)與普通對照降溫增濕效應Fig.1 Effect of cooling and humidification in the study area and normal control area in different seasons

研究區(qū)綠地與普通對照均在夏季表現(xiàn)出最明顯的降溫增濕效應，其中研究區(qū)綠地平均氣溫32.0 ℃、地溫28.7 ℃、相對濕度43.9%，平均降低氣溫1.8 ℃、降低地溫19.0 ℃、增加相對濕度6.6%，降溫增濕效應強于普通對照。這主要是由于夏季植物生長最旺盛，覆蓋度最高，光合作用、蒸騰作用等植物生理代謝效率最高，其降溫增濕效應最強。另外，研究區(qū)綠地在春季、夏季和秋季降溫增濕效應均強于普通對照，尤其在夏季和秋季降低氣溫及夏季增加相對濕度效應顯著強于普通對照(P<0.05)。同時在冬季研究區(qū)綠地平均氣溫6.8 ℃、地溫3.3 ℃、相對濕度33.8%，平均升高氣溫0.4 ℃、降低地溫3.3 ℃、降低相對濕度0.4%，表現(xiàn)出保溫干燥效應。

此外，研究區(qū)與普通對照整體溫濕度具有明顯的季節(jié)性差異，不同季節(jié)研究區(qū)與普通對照整體氣溫由高到低排序為夏季>秋季>春季>冬季，地溫由高到低排序為夏季>春季>秋季>冬季，相對濕度由高到低排序為秋季>夏季>春季>冬季。

3.2 研究區(qū)不同結(jié)構(gòu)類型綠地降溫增濕效應

研究區(qū)不同結(jié)構(gòu)類型綠地降溫增濕效應見圖2。4種結(jié)構(gòu)類型綠地在春季、夏季和秋季均呈現(xiàn)不同程度的降溫增濕效應，冬季呈現(xiàn)保溫干燥效應。春季和夏季綠地降低氣溫和地溫效應排序為喬-灌-草>喬-草>灌-草>草坪，增加相對濕度效應排序為喬-灌-草>喬-草>草坪>灌-草；秋季綠地降低氣溫和地溫、增加相對濕度效應排序為喬-灌-草>喬-草>灌-草>草坪；冬季升高氣溫、降低地溫效應排序為喬-灌-草>喬-草>灌-草>草坪，降低相對濕度效應排序為喬-灌-草>灌-草>喬-草>草坪。

4種結(jié)構(gòu)類型綠地均在夏季表現(xiàn)出最明顯的降溫增濕效應，其中喬-灌-草群落內(nèi)平均氣溫31.9 ℃、地溫27.8 ℃、相對濕度44.4%，平均降低氣溫1.9 ℃、降低地溫20.0 ℃、增加相對濕度7.1%，降溫增濕效應最強。另外，喬-灌-草在春季、夏季和秋季均表現(xiàn)出最明顯的降溫增濕效應，同時在冬季其群落內(nèi)平均氣溫6.9 ℃、地溫3.0 ℃、相對濕度33.7%，平均升高氣溫0.5 ℃、降低地溫3.6 ℃、降低相對濕度0.5%，表現(xiàn)出最明顯的保溫干燥效應。這主要是由于其植物種類與配置模式較其他3種結(jié)構(gòu)群落更為豐富，且大多應用前期研究成果中推薦的降溫增濕效應較好的樹種，群落覆蓋度更高，對太陽輻射的遮擋能力更強，群落內(nèi)部的林下溫度更低。同時，由于其植物的豐富性，葉片蒸騰作用產(chǎn)生的水分更多，較高的郁閉度減少群落內(nèi)部水分的散失，因此整體降溫增濕效應最佳。研究區(qū)內(nèi)4種結(jié)構(gòu)類型綠地的降溫增濕效應并未表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)，這與群落內(nèi)外的氣象因子逐月變化較大有關(guān)。

此外，4種結(jié)構(gòu)類型綠地群落內(nèi)溫濕度具有明顯的季節(jié)性差異，不同季節(jié)4種結(jié)構(gòu)類型綠地群落內(nèi)氣溫由高到低排序為夏季>秋季>春季>冬季，地溫由高到低排序為夏季>春季>秋季>冬季，相對濕度由高到低排序為秋季>夏季>春季>冬季。

注：不同字母表示差異達到顯著水平(P<0.05)。Note:Different letters indicate significant difference at P < 0.05.圖2 研究區(qū)不同結(jié)構(gòu)類型綠地降溫增濕效應(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 研究區(qū)年均降溫增濕效應

對比2018年9月至2019年8月研究區(qū)、普通對照及空白對照的試驗數(shù)據(jù)，得出研究區(qū)與普通對照四季及年均溫濕度值(表3)。研究區(qū)綠地年均氣溫19.0 ℃、地溫16.8 ℃、相對濕度41.5%，普通對照年均氣溫19.4 ℃、地溫18.7 ℃、相對濕度41.4%。

表3 研究區(qū)與普通對照四季及年均溫濕度值Tab.3 Seasonal and annual average temperature and humidity in study area and normal control area

其中，二者夏季地溫顯著低于空白對照，秋季相對濕度顯著高于空白對照(P<0.05)。

研究區(qū)與普通對照四季及年均整體降溫增濕效應見表4。研究區(qū)綠地年均降低氣溫0.9 ℃、降低地溫9.7 ℃、增加相對濕度3.6%，普通對照年均降低氣溫0.5 ℃、降低地溫7.7 ℃、增加相對濕度3.5%，二者均呈現(xiàn)明顯的降溫增濕效應。其中，研究區(qū)年均降低地溫效應顯著強于普通對照(P<0.05)。

2018年9月至2019年8月的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，熱島改善關(guān)鍵技術(shù)具備一定優(yōu)勢，推薦的植物配置模式及種類可有效改善北京城市副中心區(qū)域熱島效應。

表4 研究區(qū)與普通對照四季及年均整體降溫增濕效應

4 討 論

植物群落主要通過冠層結(jié)構(gòu)吸收、反射和遮擋太陽輻射，使到達地面及樹冠下面的太陽輻射顯著減少[8]，同時通過自身蒸騰作用降低林下溫度。而林下溫度的變化是影響植物葉片蒸騰作用的主要因素，從而調(diào)節(jié)群落內(nèi)部的相對濕度。

研究區(qū)整體溫濕度具有明顯的季節(jié)性差異，不同季節(jié)氣溫由高到低排序為夏季>秋季>春季>冬季，地溫由高到低排序為夏季>春季>秋季>冬季，相對濕度由高到低排序為秋季>夏季>春季>冬季。在衛(wèi)笑等[8]針對成熟綠地的研究中，綠地夏季相對濕度高于其他三季，這與該研究的結(jié)果有一定差異，這可能由于研究區(qū)綠地群落以喬-灌-草和喬-草類型為主，且處于建設(shè)初期，林下空間較為開敞通透，利于空氣流動，在高溫的作用下加速綠地內(nèi)水分的散失，秋季隨著氣溫的下降，綠地內(nèi)水分散失減弱，因此夏季研究區(qū)內(nèi)綠地相對濕度低于秋季，可能存在區(qū)域階段特殊性，在今后研究中有待進一步驗證。

研究區(qū)綠地在春季、夏季和秋季呈現(xiàn)明顯的降溫增濕效應，夏季最強，秋季次之，春季較弱，冬季隨著太陽輻射的減弱，群落外部環(huán)境溫度較低，各植物群落由于其相對穩(wěn)定的小氣候減緩冷空氣的流動，群落內(nèi)部氣溫上升比外部快，同時，冬季植物進入休眠期，蒸騰作用很弱，群落內(nèi)水分隨著氣溫升高有所散失，因此一定程度上呈現(xiàn)保溫干燥效應，這與紀鵬等[9]的研究結(jié)果一致。

對比4種不同結(jié)構(gòu)類型綠地，喬-灌-草群落在春季、夏季和秋季的降溫增濕效應最明顯，其次是喬-草群落，這與紀鵬等[9]、馬秀枝等[10]的研究結(jié)果一致，但后者由于中層無灌木遮擋，空間通透，利于風的穿行，增加群落內(nèi)部水分的散失，因此增濕效應并未體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，這與衛(wèi)笑等[8]的研究結(jié)果略有不同，可能存在區(qū)域差異性。同時，灌-草和草坪群落呈現(xiàn)一定的降溫增濕效應，但相對較弱，說明喬木的覆蓋度對綠地整體降溫增濕效應作用較大，為改善北京城市副中心區(qū)域熱島效應，在今后的園林綠化中應多配植喬-灌-草或喬-草結(jié)構(gòu)的植物群落。該研究中，不同結(jié)構(gòu)類型植物群落在各季節(jié)降溫增濕效應并未體現(xiàn)出顯著性差異，這主要是因為氣象因子在群落內(nèi)外逐月變化較大，而綠地各植物群落的降溫增濕效應顯著性與其密切相關(guān)，可在今后的研究中針對某一季節(jié)單月多次重復試驗中進一步研究。

5 結(jié) 論

綜合2018年9月至2019年8月研究區(qū)綠地與普通對照降溫增濕效應可知：

(1)四季研究區(qū)整體及不同結(jié)構(gòu)類型綠地群落內(nèi)氣溫由高到低排序為夏季>秋季>春季>冬季，地溫由高到低排序為夏季>春季>秋季>冬季，相對濕度由高到低排序為秋季>夏季>春季>冬季。綠地在春季、夏季和秋季呈現(xiàn)降溫增濕效應，其中夏季最強，秋季次之，春季較弱，冬季則呈現(xiàn)保溫干燥效應。

(2)春季、夏季和秋季不同結(jié)構(gòu)類型綠地整體降溫增濕效應排序為喬-灌-草>喬-草>灌-草>草坪，冬季除草坪外的3種結(jié)構(gòu)類型綠地均呈現(xiàn)保溫干燥效應，其中喬-灌-草群落最強。

(3)研究區(qū)綠地年均氣溫19.0 ℃、地溫16.8 ℃、相對濕度41.5%，年均降低氣溫0.9 ℃，降低地溫9.7 ℃，增加相對濕度3.6%，且在春季、夏季和秋季降溫增濕效應、冬季保溫干燥效應、年均降溫增濕效應三個方面均強于普通對照，尤其在夏季和秋季降低氣溫、夏季增加相對濕度、年均降低地溫三方面顯著強于普通對照(P<0.05)，驗證熱島改善關(guān)鍵技術(shù)、推薦植物種類及配置模式在一定程度上可以更好緩解區(qū)域熱島效應。今后，隨著研究區(qū)綠地植物長勢、覆蓋度、群落穩(wěn)定性的提高，其緩解區(qū)域熱島效應將更為顯著，從而進一步發(fā)揮園林綠地的生態(tài)功能，在北京城市副中心的建設(shè)進程中發(fā)揮更好的服務(wù)及示范作用。