林业科学  2012, Vol. 48 Issue (3): 58-65   PDF    
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文章信息

纪鹏, 朱春阳, 李树华
Ji Peng, Zhu Chunyang, Li Shuhua
河流廊道绿带结构的温湿效应
Effects of the Different Structures of Green Belts on the Temperature and Humidity in River Corridors
林业科学, 2012, 48(3): 58-65.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(3): 58-65.

文章历史

收稿日期:2011-06-16
修回日期:2011-09-29

作者相关文章

纪鹏
朱春阳
李树华

河流廊道绿带结构的温湿效应
纪鹏1,2, 朱春阳3, 李树华1,4    
1. 中国农业大学农学与生物技术学院 北京 100193;
2. 黑龙江八一农垦大学农学院 大庆 163319;
3. 华中农业大学风景园林系 武汉 430070;
4. 清华大学建筑学院 北京 100084
摘要: 选择北京北五环清河两侧不同结构类型(内部构成、郁闭度)的绿地作为研究对象,利用小尺度定量测定的技术方法,分析城市河流廊道绿地不同内部构成、不同郁闭度与温湿效应的关系,为河流廊道绿带建设提供科学依据。结果显示: 1)温湿影响效应大小为乔—灌—草型>乔—草型>灌—草型>草坪。当绿地内部构成为草坪时,降温增湿效应不明显;当绿地内部构成为灌-草型时,其降温增湿效应较明显;当绿地内部构成为乔-草型和乔—灌—草型时,其降温增湿效果明显。2)绿地的降温增湿效果,随着郁闭度的不断增加而逐渐增强。当绿地郁闭度为0.20~0.40时,绿地具有一定的降温增湿效应,但效应不明显;当绿地郁闭度大于0.40时,绿地降温效应明显;当绿地郁闭度超过0.60时,绿地增湿效应极其明显且趋于稳定。
关键词:河流廊道    绿带    内部构成    郁闭度    温湿效应    
Effects of the Different Structures of Green Belts on the Temperature and Humidity in River Corridors
Ji Peng1,2, Zhu Chunyang3, Li Shuhua1,4    
1. College of Agriculture and Biotechnology, China Agricultural University Beijing 100193;
2. College of agronomy, Heilongjiang Bayi Agricultural University Daqing 163319;
3. Department of Landscape Architecture, Huazhong Agricultural University Wuhan 430070;
4. School of Architecture, Tsinghua University Beijing 100084
Abstract: In order to understand scientific basis for constructing green belts in river corridors, the effects of the different structures (internal constitution, canopy closure density) of green belts on the temperature and humidity were analyzed by the small-scale quantitative measurement. In this paper, four-green belts with different internal constitutions including tree-shrub-herbage mixture, tree-herbage mixture, shrub-herbage mixture and lawn and five-green belts with different canopy closure densities including 0—0.20, 0.20—0.40, 0.40—0.60, 0.60—0.80 and 0.80—1.00 along the Qinghe river in Beijing were investigated in July of 2010. The air temperature and relative humidity in the green belts were measured in two hour interval from 8: 00 to 18: 00 for continuous seven days. The results showed: 1) the effects of different belts on the temperature and humidity were ranked in an order of tree-shrub-herbage > tree-herbage > shrub-herbage > lawn. The green belt with internal constitution of lawn had no significant effect on temperature and humidity. The shrub-herbage green belt had a moderate effect on temperature reduction and humidity increase, and an obvious and stable effect was found with the green belts of tree-herbage and tree-shrub-herbage. Based on Duncan's Post Hoc Tests (P = 0.05), it was concluded that the tree-herbage and tree-shrub herbage of urban green belts had obvious effects on the temperature decrease and humidity increase (width of green belt must be about 45 m). 2) The temperature and relative humidity benefits increased with the canopy density of the green belt. The green belt with canopy density of 0.20—0.40 had a slight effect on the temperature decrease and humidity increase; The density of over 0.40 had an obvious effect, and an extremely obvious and stable effect was found with canopy density of over 0.60.
Key words: river corridor    green belt    internal constitution    canopy density    temperature-humidity benefit.    

河流廊道是指河流本身以及沿河流分布而不同于周围基质的植被带(邬建国, 2000)。除了为城市提供重要的水源保证和物资运输通道、增加城市景观的多样性和丰富城市居民生活外, 作为一类重要的生态廊道, 还具有多种生态功能,如栖息地、通道、过滤、屏障、源和汇等作用(孙鹏等,2000杨士弘,2003), 并且为城市的稳定性、舒适性、可持续性提供一定的基础。

城市河流廊道是城市生态系统的重要组成部分。在以往的城市河流廊道生态效应研究中(Lawrence et al., 1995李延明等,2004刘娇妹等,2008Miserendino et al., 2008), 主要以城市景观作为研究的大背景, 分析河流这种自然廊道和交通干线等人工廊道的效应与距离的关系, 并且对比分析河流廊道和其他廊道的结构和功能特征等方面的异同点。城市河岸植被绿带是城市带状绿地系统的重要组成部分,承担着城市生态廊道的功能,将城市郊区的自然气流引入城市内部,阻隔和分散城市热岛效应(车生泉,2001朱强,2005)。河道两侧一定宽度的绿带,可以改善局部小气候,阻隔大面积热块的形成(苏万楷,2006),有效降低环境温度5~10 ℃(Brazier et al., 1973)。35 m宽的河流可以使周围温度降低1~1.5 ℃,当水体周围有绿地存在时,可以使水体对周围区域的降温作用增强(Adams et al., 1989)。随着对城市绿廊的日益关注, 河岸植被带的规划、利用和保护成为目前城市河流廊道研究的热点问题(Wei et al., 1996Qureshi et al., 2001Gerd et al., 2002)。

目前,国内外对城市河流廊道中绿带的研究多见于生物多样性及对水体质量的影响方面。相关国外研究表明:河岸植被带可以通过渗透、过滤、吸收、沉积、截留等作用来削弱到达表面水体、地下水体的径流量或携带的污染物量(Armando et al., 2002)。10 m宽的河岸草地缓冲带可以减少95%的依附于沉积物一起运动的磷元素。而且, 滨河林地以及湿地能够通过土壤微生物过程(如反硝化作用)去除约100%的氮元素(Lena et al., 1995)。80 m宽的河岸缓冲带可以滞留大部分的河流沉淀物(Lowrance et al., 1988)。国内研究主要以定点气象观测资料为基础, 并且大多集中在较大尺度的水库和湖泊等水域的气候效应(傅抱璞, 1998杨凯等,2004张丽红等,2006),缺乏对河流廊道绿带结构类型因子小尺度方面定量化的深入研究。因此,本试验对河流廊道绿地的结构类型(内部构成、郁闭度)与温湿效应间的关系进行研究分析,旨在探明河流廊道绿带的结构类型与温湿效应之间关系,在此基础上,建立河流廊道绿地评价指标,以期为城市绿地规划及合理规划设计河流廊道绿地提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区域概况

试验地位于北京市海淀区清河附近,40°01′ E,116°23′ N。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。全年平均气温为11.8 ℃,1月最冷,月平均气温-8~-4 ℃;8月最热,平均气温26.1 ℃。年平均降雨量为626 mm,雨量集中在夏季,6—8月占全年雨量的85%。蒸发量大于降雨量,年平均蒸发量在1 800~2 000 mm。

清河位于市区北郊,系市区主要排洪河道。水源为沿北旱河汇入的西山泉水或下游山洪以及沿北长河于安河桥汇入的玉泉山水。流经圆明园、清河镇,在立水桥以东入温榆河,全长23.8 km,流域面积150 km2

1.2 研究区植物群落状况

本试验地点中的乔木种类主要有绦柳(Salix matsudana cv. Pendula)、白蜡(Fraxinus chinensis)、国槐(Sophora japonica)、油松(Pinus tabulaeformis)、圆柏(Sabina chinensis),灌木主要为珍珠梅(Sorbaria kirilowii)、迎春(Jasminum nudiflorum)、连翘(Forsythia suspensa),锦带花(Weigela florida)。地被植物以早熟禾(Poa annua)为主。

本试验中植物群落的调查采用《生态学实验与实习》(杨持, 2003)中的植物群落调查方法,试验地植物群落现状见表 1

表 1 4块不同内部构成带状绿地基本状况 Tab.1 Description of the four investigated green belts with different internal structure
1.3 研究样点选择

本试验所选样地均位于北京市海淀区清河(清河南镇段)附近,河流宽度53.4 m,水深1.2 m左右。绿地宽度均选择为能够显著发挥降温增湿效应的关键参考宽度值45 m,绿地一侧为车行道,一侧为河流,以保证样地周边环境的一致性。

内部构成测试样地周边环境相似,宽度相同(同为45 m),郁闭度均相似(郁闭度0.70~0.80),共选择沿道路不同内部构成带状绿地4块,绿化覆盖率为70%~80%(表 1),内部构成分别为乔-灌-草型、乔-草型、灌-草型和草坪。

郁闭度测试样地周边环境相似,宽度相同(同为45 m),内部植物群落结构均相似(乔-灌-草类型),同时郁闭度存在一定的梯度性,共选择沿道路不同郁闭度带状绿地5块(表 2),郁闭度分别为0~0.20,0.20~0.40,0.40~0.60,0.60~0.80,0.80~1.00的绿地。

表 2 所选5块不同郁闭度带状绿地基本状况 Tab.2 Description of the five investigated green belts with different canopy density
1.4 测试内容与方法

测试点的布设:在河流同侧,距河流边缘1 m处开始测量绿地温湿度。绿地内部采取网格布点,每个测试地内重复4段测试,距离以各段重复之间相互不影响为准。每段内纵向间隔1 m设1个点(每个纵向样线上共46个点),横向间隔1 m设1个点(每段横向设3个点)。测试过程中选择不受河流影响、面积与绿地相近的裸地为对照,对照处采取网格布点方法设置40个测点。在每个测点,距地面1.5 m高处(人体对温湿度最敏感的感知高度)测定温湿度。各测试地所有测点的平均数据,为每个测试地的温湿度值。

测定时间选择河流对生态改善作用最为明显的夏季8月中旬进行,早上8: 00到晚上18: 00,每2 h一次分别对样地及对照处的温度、相对湿度进行同步测定,重复测试7天,挑选晴好无风的3日数据分析。

使用SPSS 12.0软件对各时段测得的数据进行多重比较(Duncan, α=0.05), 分析各样地及对照间温湿度的差异显著性。使用Microsoft Excel软件绘制图表。

1.5 试验仪器

测试仪器采用日本扶桑理化制品株式会社FUSO-8829温湿度测量仪(30台)。温度测定范围为-40~85.0 ℃,分辨率为0.1 ℃;相对湿度测定范围为0%~100.0%,分辨率为0.1%。

2 结果与分析 2.1 不同绿地结构对温湿效应的影响 2.1.1 不同绿地结构的温湿日变化

从1日中5个时段的降温效应来看(图 1),4种不同结构绿地总体变化趋势基本一致,均呈现单峰曲线状,即中午达到最高,早晨和晚上较低。综合3日中的所有时刻来看,4种内部构成的绿地均表现出一定的降温效应,其中乔-灌-草类型绿地降温效应最佳,乔-草类型、灌-草类型次之,草坪类型绿降温效应最差。对5个时段进行分析,可以看出降温效应在14: 00—16: 00时间段达到最大。其中,乔-灌-草类型绿地降温效果最明显,达到4.0 ℃,乔-草类型绿地其次,3.5 ℃,草坪最低,2.4 ℃。

图 1 不同内部构成绿地内外温度平均值差异比较 Fig.1 Difference comparison between green space internal and external of the mean temperature

从1日中5个时段的增湿效应来看(图 2),4种不同结构绿地总体变化趋势均呈现单峰曲线状,也是中午达到最高,早晨和晚上较低。综合3日中的所有时刻来看,4种内部构成的绿地均表现出一定的增湿效应。其中,乔-灌-草类型绿地增湿效应最佳,乔-草类型、灌-草类型其次,草坪类型绿增湿效应最差。对5个时段进行分析,可以看出增湿效应在14: 00—16: 00时间段达到最大。其中,乔-灌-草类型绿地增湿效果最明显,为9.9%,乔-草类型绿地其次,为8.7%,草坪最低,为4.6%。

图 2 不同内部构成绿地内外相对湿度平均值差异比较 Fig.2 Difference comparison between green space internal and external of the mean relative humidity

综合分析比较不同结构绿地和对照的降温增湿日变化(图 12),可见其变化趋势基本一致,说明河流廊道内部不同结构的绿地其小气候变化受大气环境的影响,与其保持相似的变化趋势。

由此可知绿地的不同结构其降温增湿效果显著不同,主要是因为不同结构绿地组成植物不同,受植物本身生理特征影响,其蒸腾量差别很大。例如,乔-灌-草类型和乔-草类型绿地绿量大,单位面积内的乔木比重大,乔木相对于其他类型植物,具有强大的蒸腾作用,使得绿地环境中的降温效应在高温时段比灌-草类型和草坪类型绿地明显。此外,乔木的遮荫作用对降低周边环境的气温也有一定的效果。草坪内由于缺少乔灌木覆盖,对缓解外界热环境变化的能力较小,降温效果弱且不稳定。

2.1.2 不同结构绿地3日平均温湿变化

计算各样地3日内同一时刻的温、湿度平均值,将3日所有时刻的温、湿度平均值加以平均(表 3),算得每块绿地与对照温湿度的差值进行比较分析(图 3)。

表 3 不同内部构成绿地内外3日平均温度、湿度 Tab.3 Mean of temperature and relative humidity between green space internal and external of in three days
图 3 不同内部构成绿地内外3日平均温度值差异比较 Fig.3 Difference comparison between green space internal and external of the average air temperature gap in three days

表 3可以看出,4种内部构成的降温效应排序为:乔-灌-草>乔-草>灌-草>草。其中,乔-灌-草型绿地比对照低1.8 ℃,乔-草型绿地比对照低1.5 ℃,灌-草型绿地比对照低1.3 ℃,草坪比对照低0.8 ℃。植物降温增湿效应的实现,主要是通过叶片遮挡太阳光的直接辐射,减少地面对热量的直接吸收;其次是通过蒸腾作用吸收热量,散发水分,从而达到增湿降温的效应。乔-灌-草与乔-草型绿地从植物构成上,有遮挡阳光辐射的乔木的存在,很大幅度上降低了垫面的热量吸收。另外从绿量上分析,也可以看出乔-灌-草与乔-草型绿地在植物种类更加丰富,植物蒸腾作用更强烈,增湿降温效果更好。

对3日平均温度进行分析(Duncan’s,P<0.05),结果表明4种不同结构绿地温度与对照间的差异均达显著水平。草坪与乔-灌-草、乔-草型绿地间存在显著性差异,与灌-草型绿地间没有显著性差异(图 3)。由以上分析可得,绿地降温效应不太明显的绿地内部构成为灌-草,而达到显著降温效应的绿地内部构成为乔-草与乔-灌-草型绿地。

表 3可以看出,4种内部构成的降温效应排序为:乔-灌-草>乔-草>灌-草>草。其中,乔-灌-草型绿地相对湿度比对照高5.8%,乔-草型绿地比对照高4.7%,灌-草型绿地比对照高4.5%,草坪比对照高3.1%。乔-灌-草型绿地绿量大,植物蒸腾强烈;植物群落与河流进行物质交换,增加了湿度;植物空间构成丰富,郁闭度高,有利于空气湿度的保持,从而绿地内部的相对湿度较大。因此乔-灌-草型复层结构绿地的增湿效果好于其他内部构成的绿地。

对3日平均相对湿度进行多重比较(Duncan’s,P<0.05),结果表明4种内部构成绿地与对照间的相对湿度均有显著性差异(图 4)。草地与其他3种绿地均有显著性差异;乔-灌-草、乔-草、灌-草之间没有显著性差异(图 4)。

图 4 不同内部构成绿地内外3日平均相对湿度值差异比较 Fig.4 Difference comparison between green space internal and external of the average relative humidity gap in three days

综合3日中的平均温湿度来看,不同结构的绿地由于绿量、植物种类、郁闭度等的差异,对周围环境的温湿效应也不一致,同时对河流进行物质与能量交换也产生影响。其中乔-灌-草类型绿地降温增湿效应最明显,其次是乔-草、灌-草类型绿地,草坪温湿效应最差。

2.2 不同郁闭度带状绿地对温湿效应的影响 2.2.1 不同郁闭度绿地的温湿日变化

从1日中5个时段的降温效应来看(图 5),5种郁闭度绿地总体变化趋势是相似的,均呈现单峰曲线状,即中午(14: 00—16: 00)达到最高,早晨和晚上较低,这表明绿地的降温效应在气温最高时段发挥的最为显著。综合3日中的所有时刻来看,5块不同郁闭度绿地均表现出一定的降温效应。样地1(郁闭度0~20)、样地2(郁闭度0.20~0.40)具有一定的降温效应,但由于郁闭度较低,效应受环境温度的影响较大。样地3(郁闭度0.40~0.60)的降温效果明显,样地4(郁闭度0.60~0.80)、样地5(郁闭度0.80~1.00)与样地3相比变化不大,说明样地降温效应进入稳定状态。对5个时段进行分析,可以看出降温效应在14: 00—16: 00时间段达到最大。其中,样地4降温效应最好,为2.4 ℃;样地5降温效应次之,为2.3 ℃;样地3为2.1 ℃;样地2为1.6 ℃;样地1降温能力最差,为1.1 ℃。

图 5 不同郁闭度绿地内外温度平均值差异比较 Fig.5 Difference comparison between green space internal and external of the average temperature gap

从1日中5个时段的增湿效应来看(图 6),5种郁闭度绿地总体变化趋势均呈现单峰曲线状,即中午(14: 00—16: 00)达到最高,早晨和晚上较低。综合3日中的所有时刻来看,5块不同郁闭度绿地均表现出一定的增湿效应。样地1,2具有一定的增湿效应。样地3的增湿效果明显,样地4,5与样地3相比变化不大,说明样地增湿效应进入稳定状态。对5个时段进行分析,可以看出增湿效应在14: 00—16: 00时间段达到最大。其中样地4增湿效应最好,为8.9%;样地5增湿效应次之,为8.7%;样地3为8.2%;样地2为6.3%;样地1增湿能力最差,为5.4%。

图 6 不同郁闭度绿地内外相对湿度平均值差异比较 Fig.6 Difference comparison between green space internal and external of the mean relative humidity gap

综合分析比较不同郁闭度绿地的降温增湿日变化(图 56),可见其变化趋势基本一致。不同郁闭度的绿地,其降温增湿效果显著不同。郁闭度的高低代表乔木覆盖面积、植物绿量的多少。郁闭度高的绿地,对阳光的直接照射可以进行很好的遮挡,减少了地面辐射,使得环境温度降低;绿量高,可以加大单位面积内的叶面积指数,蒸腾作用释放大量的水分,增加了环境湿度,同时吸收空气中的热量,降低了空气中的温度。本试验研究结果表明:郁闭度0.20~0.40的绿地郁闭度低、绿量小,蒸腾作用小,对绿地的降温效果有限;郁闭度大于0.40的样地绿量大,具有强大的蒸腾作用,对绿地环境的降温效应比郁闭度小的样地明显。

2.2.2 不同郁闭度绿地3日平均温湿变化

计算出各样地3日内同一时刻的温、湿度平均值,将3日所有时刻的温、湿度平均值加以平均(表 4),算得每块绿地与对照温湿度的差值进行比较分析(图 7)。

表 4 不同郁闭度绿地内外3日平均温度、湿度值 Tab.4 Mean of temperature and relative humidity between green space internal and external of in three days
图 7 不同郁闭度绿地内外3日平均温值差异比较 Fig.7 Difference comparison between green space internal and external of the mean temperature gap in three days

从3日平均温度来看,5块样地的降温效应排序为:样地5>样地4>样地3>样地2>样地1,样地1比对照温度低约0.9 ℃,样地2比对照温度低约1.1 ℃,样地3比对照温度低约1.5 ℃,样地4,5比对照均低约1.7 ℃。不同郁闭度的绿地其降温效应不同。

以绿地内3日平均温度进行多重比较(Duncan’s,P<0.05),结果表明5块样地与对照间的差异均达显著水平。样地1与样地2之间无显著性差异,与样地3,4,5之间达到显著性差异。样地3,4,5之间没有显著性差异(图 7)。由此可见,绿地达到一定的郁闭度后其降温效果趋于稳定,并且明显好于郁闭度较小的绿地。进一步分析,可以看出郁闭度阈值应该在样地3之后,即河流旁侧绿地降温效应明显的郁闭度应为大于40%。

对5块样地的3日平均相对湿度进行排序:样地5>样地4>样地3>样地2>样地1,样地5比对照高约6.0%,样地4比对照高约5.9%,样地3比对照高约4.9%。样地1,2比对照相对湿度分别高3.2%和3.8%。郁闭度值较大的绿地相对湿度较大。

以绿地内3日平均相对湿度进行多重比较(Duncan’s,P<0.05),5种郁闭度绿地与对照间均达到显著性差异。样地1,2,3之间没有显著性差异,与样地4,5之间有显著性差异;样地4,5之间没有显著性差异(图 8)。由以上分析可得,绿地增湿效应明显发生变化的阈值应该在样地4之后,即河流绿地郁闭度大于60%,增湿效果趋于稳定。

图 8 不同郁闭度绿地内外3日平均相对湿度值差异比较 Fig.8 Difference comparison between green space internal and external of the average relative humidity gap in three days

综合3日中的平均温湿度来看,5块样地随着郁闭度的增加,降温增湿效应在逐渐增强。其中样地1,2具有一定的降温增湿效应,但效果不明显;样地3,4,5的降温增湿效应明显且趋于稳定。其中,降温效应的绿地郁闭度值阈值为40%,增湿效应的绿地郁闭度值阈值为60%。

3 结论与讨论 3.1 结论

河流廊道不同结构类型绿地的降温增湿两方面的共同效应,可以得出如下结论:内部构成不同的河流绿地降温增湿效应排序为:乔-灌-草型>乔-草型>灌-草型>草坪。郁闭度不同的河流绿地降温增湿效应排序为:样地5(0.80~1.00)>样地4(0.60~0.80)>样地3(0.40~0.60)>样地2(0.20~0.40)>样地1(0~0.20)。通过定量研究,认为城市河流廊道绿带可以明显发挥降温效应的内部构成为乔-灌-草型和乔-草型(绿地宽度45 m);可以明显发挥降温效应的郁闭度关键值为0.40左右(绿地宽度45 m);可以明显发挥增湿效应的郁闭度关键值为0.60左右(绿地宽度45 m)。

3.2 讨论

绿地内部温湿效应一方面受绿量影响,叶片蒸腾水分而消耗辐射热产生的温湿效应不同;另一方面受绿地的通透性影响(朱春阳等,20102011)。本研究不同内部构成绿地对温湿效应中,乔-灌-草类型绿地由于绿量大,叶面积指数高,使得降温增湿效果显著,而乔-草类型绿地由于其分枝点高,且无下层灌木的遮挡,通透性较强,因此受空气对流、微风的影响使得降温效果更为显著。绿地的郁闭度对温湿效应的影响主要表现在绿量上,郁闭度高的绿地绿量高,可以加大单位面积内的叶面积指数,蒸腾作用释放大量的水分,增加了环境湿度,同时吸收空气中的能量,降低了空气中的温度。

针对绿地与温湿效应的关系,有研究表明:绿地能够有效降低热岛效应,但硬质铺装超过50%、植物较少的公园反而温度要高于其周围(Chang et al., 2007)。绿地冷岛效应与其特征有关。叶面积指数与热岛效应之间存在正相关关系,即每增加1单位的叶面积指数,温度就降低1.2 ℃(Perry et al., 2007)。

通过合理设置绿地结构, 可以有效降低环境中的温度, 增加湿度, 调节气候, 缓解城市热岛(陈自新等, 1998周立晨等,2005)。本试验通过定量研究河流廊道绿带的不同结构类型,结果表明其温湿度效应是不一致的,即绿地内部构成和郁闭度达到一定的临界值以后,温湿效应才会明显的表现出来,才能保证其功能的稳定发挥。

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