3种典型道路景观林对诸城市夏季小气候条件的影响

李坤 ，李传荣 ，许景伟，郭慧玲，陈玉，韩滨，赵玉尧，张彩虹 ∗

城市森林是指城市地域内的各种树木及其相关植被（彭镇华，2003），道路林是城市森林的重要组成部分。随着城市化的发展，城市道路不断加长拓宽，道路两旁的道路林面积也随之不断增加。与自然植被群落结构相比，城市道路林结构简单，物种单一，面积较小，植物配置较规整，是主要的城市生态廊道之一，具有阻隔和分散城市热岛效应的作用（朱春阳等，2011）。

小气候是指在相同的大气候和局地气候范围内，由于地形、土壤和植被等下垫面构造和特性的差异，引起水热收支不同，从而形成的近地层特殊气候（沈运扩等，2014）。不同的植被群落通过屏障、辐射、蒸腾等作用，影响其周围近地面小气候，从而调节整个群落内水分、热量分配，进而形成当地特殊小气候。相反，小气候特征又制约植物器官的生长发育、光合生理、植物蒸腾等生命活动（司建华等，2005）。近年来，国内外学者对森林、草地、农田、湿地、湖泊、城市等不同生态系统的小气候进行了大量研究（武小钢等，2008；王霞等，2017；张远彬等，2006；王霞等，2017），但是对城市森林小气候的研究较少，且起步较晚（徐文铎等，2005）。由于城市环境日益恶化，雾霾天气不断加重，人们对城市森林生态效益的关注越来越多，城市森林小气候研究已经受到国内外学者的广泛关注（武小钢等，2008；Greene et al.，2017）。前人对城市森林的研究主要涉及省会大城市森林降温增湿效应（李英汉等，2011；张波等，2017），城市下垫面绿化分量与城市热岛效应之间的关系（朱春阳等，2011），城市温湿度变化与植被覆盖之间的关系（朱春阳等，2011；Greene et al.，2017）等，研究对象主要集中在森林公园。但是在城市中道路林所占的比重较高，其发挥的生态功能越来越显著，具有明显的微气候调节功能（张波等，2017），在水平和垂直方向上其降温增湿效果显著（郭伟等，2008）。目前针对城市道路林内小气候的研究主要集中在林带宽度对小气候的影响（卢薪升等，2016；陈佳瀛，2005），林带结构与温湿效应的关系（朱春阳等，2011）等方面。研究表明，树种和群落类型之间的差异对小气候调节效应显著（Bowler et al.，2010），总体上表明“乔-灌-草”型降温增湿效果显著。但是不同类型的“乔-灌-草”所表现出的差异仍值得关注。在实际应用中，由于受道路本身的宽度制约，林带宽度受到严格的限制，根据前人的研究结果，本研究探讨不同“乔-灌-草”型道路林对小气候的改善效应，及其在白天的动态变化。

山东省诸城市的市域林木覆盖率达到39.1%，城区绿化覆盖率达到 44%，水岸林木绿化率达到90%以上。其中道路景观林在上述覆盖率中占据较大的比例。因此，本文选取诸城市典型道路林作为研究对象，旨在阐明道路林对空气温湿度和负氧离子浓度的影响及空间变化趋势，为该地区道路林的建设提供理论基础和技术支持。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

山东省诸城市位于山东半岛东南部，泰沂山脉与 胶 潍 平 原 交 界 处 ， 地 理 范 围 为 35°42′23″～36°21′05″N，119°0′19″～119°43′56″E。属暖温带大陆性季风区半湿润气候，四季分明，冬冷夏热，光照充足。夏季降水较多，占全年降水量的 60%以上。其自然植被以杂草为主，其次为落叶灌木。木本植物主要有杨（Populus）、槐（Sophora japonica）、桐（Vernicia fordii）、柳（Salix babylonica）、榆（Ulmus pumila）、松（Pinus）、楸（Catalpa bungei）、椿（Ailanthus altissima）、苹果（Malus pumila）、桃（Amygdalus persica）、梨（Pyrus）、枣（Ziziphus jujuba）、杏（Armeniaca vulgaris）、板栗（Castanea mollissima）、山楂（Crataegus pinnatifida）等。行道树植被以乔木和灌木树种为主，包括侧柏（Platycladus orientalis）、龙柏（Sabina chinensis cv.Kaizuca）、紫荆（Cercis chinensis）、紫叶李（Prunus cerasifera）、雪松（Cedrus deodara）、杨树等。

1.2 试验材料与试验设计

在诸城市选取3类树种搭配不同的道路景观林——龙柏道路景观林（SCRF）、侧柏道路景观林（PORF）和杨树道路景观林（PLRF）作为研究对象。根据道路景观林长势、密度、郁闭度和道路林宽度的不同，每一种类型在同一条主干路上设置3种配置结构的样地，每个样地 3个重复。样地的具体情况见表1。于2014年7月24—30日选取天气状况一致的3天进行连续观测（25号、28号和30号，天气晴朗），每天分别于07:30、09:30、11:30、13:30、15:30、17:30 等 6个时间段测定环境因子（空气温湿度、土壤温湿度、负氧离子、土壤紧实度和太阳辐射）的变化。每次测定时，均在林内、林中和林外3个不同的位置各测定1次。其中，不同道路景观林测定距离地面1.5 m处的负氧离子含量，同步测定空气温湿度、负氧离子含量和太阳辐射，以及土壤温湿度等指标。由于林外是柏油路，未同步测定土壤指标。

1.3 测定项目

土壤温度、湿度和土壤紧实度使用土壤紧实度测量仪（TJSD-750-Ⅱ，中国）进行测定，空气温度和湿度使用手持气象站（NK4000，美国）进行测定，太阳辐射强度使用总辐射表（TBQ-2，中国）进行测定，空气负氧离子浓度使用负离子仪（ITC-201A，日本）进行测定。同时调查不同道路景观林的群落结构，主要包括胸径、株高、地径、冠幅、郁闭度。

表1 样地基本情况描述Table 1 The general situation of the sample

1.4 统计分析

运用SPSS 17.0对实验数据进行统计分析。采用单因素方差分析法比较道路景观林之间空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、土壤紧实度、太阳辐射强度、空气负氧离子含量的显著性水平。运用Origin 9.0作图。

2 结果分析

2.1 不同道路景观林对太阳辐射强度的影响

3种道路景观林均显著降低了太阳辐射强度（F=23.124，P=0.000），侧柏道路景观林下降幅度最大。侧柏道路景观林的太阳辐射强度显著低于其他两种景观林，而龙柏道路景观林和杨树道路景观林的太阳辐射强度之间没有显著差异（图1A）。这是因为侧柏道路景观林的郁闭度较大。

图1 不同道路景观林内太阳辐射强度变化Fig. 1 Daily course of solar radiation under different road landscape forest不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P＜0.05）；**，P＜0.01；*，P＜0.05Different letters are significantly different (P＜0.05), **, P＜0.01,n=216

从图1B可知，白天各时间段（除17:30外），3种道路景观林及空地之间的太阳辐射强度差异极显著（F=4.518，P=0.010；F=14.623，P=0.000；F=13.898，P=0.000；F=7.740，P=0.001；F=8.677，P=0.000；F=3.072，P=0.042）。空地、龙柏道路景观林和侧柏道路景观林内太阳辐射强度在中午前后达到最大值，而杨树道路景观林内太阳辐射最大值则出现在上午9:30（图1B）。

2.2 不同道路景观林对空气温、湿度的影响

从日变化来看，3种道路景观林的空气温、湿度在白天中的差异较大（图2）。白天中，3种景观林的空气温度均呈现出先增加后降低的单峰变化，并且7:30、11:30及13:30 3种道路景观林空气温度之间差异不显著（F=0.725，P=0.545；F=1.395，P=0.261；F=0.596，P=0.622），而在 9:30、15:30和 17:30三者空气温度差异显著（F=4.319，P=0.011；F=16.990，P=0.000；F=7.452，P=0.001）。上午，龙柏道路景观林的空气温度均高于其他两种景观林，增长较快，随后在下午急速下降且一直处于较低水平。杨树道路景观林的空气温度增长速度较慢，在15:30才达到最大值，且午后一直处于较高状态（图2A）。侧柏和龙柏道路景观林空气温度峰值出现在 11:30，与太阳辐射一致，空地峰值比太阳辐射推迟 2 h，杨树道路景观林峰值比空地延迟2 h。

图2 不同道路景观林空气温、湿度日变化Fig. 2 Daily course of air and soil temperature under different road landscape forests**, P＜0.01; *, P＜0.05. n=216

相反，白天中，3种景观林的空气湿度呈现出先降低后增加的趋势，呈近“U”型曲线，且3种景观林空气湿度的变化与空气温度的变化相反（图2B）。上午，龙柏道路景观林的空气湿度均低于其他两种景观林，降低速度较快，随后在下午急速上升且一直处于较高状态。杨树道路景观林的空气湿度降低速度较慢，15:30才达到最小值，且午后一直处于较低状态。此外，除上午7:30和11:30外，多数时刻3种道路景观林的空气湿度之间差异显著（F=3.932，P=0.016；F=3.696，P=0.021；F=2.915，P=0.048；F=13.155，P=0.000）（图 2B）。

与空地相比，侧柏道路景观林降低了空气温度，提高了空气湿度。杨树道路景观林在上午具有降低空气温度、提高空气湿度的作用。龙柏道路林在下午具有降低空气温度、提高空气湿度的作用（图2）。

2.3 不同道路景观林对空气负氧离子含量的影响

图3 不同道路景观林内负氧离子含量变化Fig. 3 Comparison of negative oxygen ion of the different road landscape forest不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P＜0.05）；**，P＜0.01；*，P＜0.05。n=216Different letters are significantly different (P＜0.05). **, P＜0.01; *,P＜0.05

从图3A可知，3种道路景观林对空气负氧离子浓度的影响不同。以空地作为对照，龙柏道路景观林能显著提高空气负氧离子浓度，而侧柏道路景观林和杨树道路景观林则显著降低了空气负氧离子浓度（F=32.536，P=0.000）。侧柏道路景观林和杨树道路景观林之间空气负氧离子浓度差异不显著。

从空气负氧离子浓度的日变化来看，龙柏道路景观林和空地中空气负氧离子浓度变化较大，侧柏道路景观林和杨树道路林内空气负氧离子浓度变化较小。白天中，中午左右的空气负氧离子浓度较低，早晚浓度较高，特别是龙柏道路景观林表现得尤其突出（图 3B）。3种道路景观林内空气负氧离子浓度在白天中均表现出了显著差异（F=10.633，P=0.000；F=11.720，P=0.000；F=3.986，P=0.018；F=18.403，P=0.000；F=3.158，P=0.040；F=8.676，P=0.000）。

2.4 不同道路景观林对小气候的影响

从表2可知，不同的道路景观林对城市小气候的影响不同。3种道路景观林对空气温度和空气湿度并未产生显著的影响，对土壤温湿度影响显著。龙柏道路景观林和杨树道路景观林具有较高的土壤温度和较低的土壤湿度。侧柏道路景观林能显著降低土壤温度，显著提高土壤湿度，降低土壤紧实度，对城市道路土壤有一定的改良作用。

2.5 植被特征与林内小气候的相关关系

从表3可知，道路景观林内空气温度与郁闭度、空气湿度呈负相关（r=-0.511，r=-0.583），与太阳辐射强度呈显著正相关（r=0.680，P=0.044）；景观林内空气湿度与负氧离子浓度呈正相关（r=0.578，P=0.051）；太阳辐射强度与郁闭度呈极显著负相关（r=-0.900，P=0.000），与土壤温度呈极显著正相关（r=-0.931，P=0.000），与土壤湿度呈显著负相关（r=-0.685，P=0.021）；土壤温度与郁闭度、土壤湿度呈极显著负相关（r=-0.822，P=0.003；r=-0.798，P=0.005）。

表2 3种典型道路景观林对城市小气候的影响Table 2 Effect of three road landscape forests on Microclimate

表3 植被状况与小气候因子之间的相关关系Table 3 Relationship between the microclimate and plant

3 讨论和结论

3.1 讨论

城市道路景观林的构建改变了地面的辐射状况及近地面大气的分布状况，改变了道路附近大气的热力学特性，形成局地小气候，引起道路景观林周围空气温湿度的变化（徐文铎等，2005；郝兴宇等，2007）。本研究结果显示，太阳辐射强度日变化呈现倒“U”型曲线，峰值出现在 12:00左右，且3种道路景观林均显著降低了太阳辐射强度，特别是侧柏道路景观林的降低幅度最大（图1），与沈运扩等（2014）的结果一致。夏季，太阳辐射强度日变化受到下垫面植被冠层、叶面积和叶特性等因素的影响，特别是植被叶面积（沈运扩等，2014）。同时，本研究结果显示，城市道路林内太阳辐射强度与林内郁闭度呈极显著负相关（r=-0.900，表3），植被上层对太阳辐射产生强烈的反射，使林内的太阳辐射总量减少。太阳辐射的热量通过地上植被到达土壤表面，不同植被类型引起土壤温度的不同变化，土壤温度与郁闭度呈显著负相关、与太阳辐射强度呈显著正相关（表3）。此外，植被有助于减缓土壤水分的蒸发作用，加之植被蒸腾，有利于提高土壤保水能力，从而提高土壤湿度（司建华等，2005）。土壤温湿度的变化将影响土壤微生物的活动、群落结构，影响分解过程，进而影响整个生态系统养分循环过程（Purahong et al.，2016）。本研究发现，侧柏道路景观林土壤紧实度显著小于其他两种道路景观林，从而导致其土壤湿度显著高于其他两种道路景观林，因此侧柏道路林生长状况良好，降低了局地的太阳辐射强度和土壤温度（表2）。而杨树道路林主要由乔木组成，下层无灌木和草本，人为干扰较强烈，故其土壤紧实度最大。紧实的干旱土壤通常具有较高的机械阻力（Young et al.，1997），导致土壤孔隙度变小、土壤氧含量降低，以及根系呼吸受抑制（尚庆文等，2008），从而减缓根系生长速度，最终影响植物对水分和养分的吸收以及植物叶、根等的生长发育状况（刘晚苟等，2001；张国红等，2006）。

侧柏道路景观林降低了空气温度，提高了空气湿度。杨树道路景观林在上午具有降低空气温度、提高空气湿度的作用。龙柏道路景观林在下午具有降低空气温度、提高空气湿度的作用（图2）。前人的结果显示，城市森林具有明显的降温增湿效应（武小钢等，2008；Armson et al.，2012；张波等，2017），特别在夏季这种效应更大（Hamada et al.，2013；Wang et al.，2015；张波等，2017），且受到土地覆盖类型和植被不同配置模式的影响（朱春阳等，2011；李英汉等，2011；Hamada et al.，2013；Greene et al.，2017）。周立晨等（2005）对上海园林绿地植被结构进行研究，发现乔木的郁闭度与空气温度的下降幅度呈显著正相关，与空气相对湿度的上升幅度呈显著正相关。本研究亦得出类似的结论，空气温度与道路林郁闭度呈负相关（r=-0.511，表 3）空气温度最高值出现时间一般迟于太阳辐射最高值，这也与徐文铎等（2005）研究结果一致。城市道路林均有降温增湿的效应，主要是植被作用的结果，一方面植被通过蒸腾作用吸收大量热量，降低空气温度（席永波，2007）；另一方面植被通过吸收、反射、遮荫等对太阳辐射进行再分配，使到达地面的太阳辐射量降低，进而降低空气温度（沈运扩等，2014）。由于道路林的挡风作用使林内风速减弱，加上空气温度较低，使植被蒸腾和土壤蒸发的水分能长时间停留在近地面空气中，从而提高林内的空气湿度（陈宏志等，2007；沈运扩等，2014）。然而，本研究并没有得出与其一致的结论，可能的原因是空气温湿度除了受植物的影响外，还受到其他气象因素的影响（沈运扩等，2014）或道路车流量的影响（郭伟等，2008；王业宁等，2017；张波等，2017）。

空气负氧离子是空气中的氧分子结合了自由电子而形成的（曾曙才等，2007），具有良好的生态和保健效益，同时也作为评价生态环境清洁程度的重要指标（熊丽君等，2013）。空气负离子具有较强的时空异质性，与所处的群落类型和群落小气候关系密切（刘新等，2011），主要包括空气温湿度、太阳辐射强度、林分类型和郁闭度等（韦朝领等，2006；朱春阳等，2012；邓成等，2015）。城市道路林的建设可以增加周边环境中的负氧离子浓度（吴仁烨等，2011)。本研究表明，龙柏道路景观林负氧离子浓度显著高于空地和其他道路林，主要是因为针叶林中负氧离子含量高于阔叶林（王顺利等，2010），且龙柏道路景观林的群落结构更复杂（邓成等，2015；刘宇等，2015）。此外，本研究结果显示侧柏和杨树道路景观林空气负氧离子浓度低于空地，可能是由于这两个林型处于交通主干道，车辆较多，其尾气排放降低了空气负氧离子浓度（冯鹏飞等，2015；陈雷等，2015）。本研究表明，负氧离子浓度与郁闭度呈正相关，其中龙柏道路景观林郁闭度为0.56，侧柏道路景观林为0.80，杨树道路景观林为0.51，而当林分郁闭度为0.5时，其净化空气能力最强（朱春阳等，2012；邓成等，2015），但是本研究中杨树道林中的负氧离子反而较低，主要和侧柏道路景观林的群落结构复杂性较低相关（刘宇等，2015）。本研究表明，空气的负离子浓度与湿度呈显著正相关，与空气温度呈正相关，但未达到显著水平，与太阳辐射强度呈负相关，这在很多研究中已得到证实（张建国等，2016；袁相洋等，2014；王非等，2016）。这主要是因为相对湿度增加，吸附了大气中的离子，形成凝结核，增加了大气中大离子的浓度，从而增加了大气负氧离子浓度（钱昊钟等，2014）。太阳辐射强度的增加使得空气中的污染物在强烈紫外线的照射下发生一系列光化学反应，从而加剧污染，污染物在扩散的过程中又吸附了大量的空气负离子，故空气负离子浓度显著降低（袁相洋等，2014）。空气负氧离子浓度在白天中具有一定的波动，最低值一般出现在中午（图3），这与其他研究结果一致（曹建新等，2017；陈雷等，2015），这主要是中午植物光合作用较弱、道路车流量较大共同作用的结果。

3.2 结论

本研究结果表明，道路景观林能够显著改善局地小气候，但其对不同小气候因子的影响存在差异。龙柏道路景观林、侧柏道路景观林和杨树道路景观林均能降低了太阳辐射强度，侧柏林降低效果最大，降低了85.56%；道路林在不同时段均有降温增湿的作用，侧柏林效果显著；龙柏道路林能显著提高空气负氧离子浓度，而侧柏道路林和杨树道路林则显著降低了空气负氧离子浓度。相关性分析表明，太阳辐射强度、空气温度、土壤温度与道路景观林郁闭度存在显著的负相关关系。

本研究表明，侧柏林对小气候具有良好的改善作用，因此在诸城市的道路林建设中可以适当提高其比例；就负氧离子浓度而言，龙柏林增加效果显著，且龙柏挥发物对人类有良好的保健作用（Li et al.，2014；Li et al.，2016），因此可在靠近行人道或者森林公园处种植；杨树道路林对小气候的改善效果不显著，可尽量减少杨树道路林的建设或者考虑增加其林下植被的数量（如龙柏）。综上，在城市道路林建设过程中应充分考虑其小气候效应和保健功能，增加多功能林型和复式结构的建设。

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