北京城市森林冠层结构对夏季舒适度及林内小气候的影响

刘海轩, 卢泽洋, 金桂香, 孙广鹏, 吴 鞠, 许丽娟, 徐程扬

(1.北京林业大学林学院，北京 100083；2.国家林业局调查规划设计院，北京 100714)

城市森林具有降温、阻隔污染颗粒物[1-2]及产生负氧离子、植物精气[3-4]等功能，使得城市公园及城市森林公园成为市民夏季休闲游憩的理想选择.因此，开展对城市森林舒适度的研究具有十分重要的意义.

舒适度与林分结构显著相关[5-6].林分结构通过影响城市森林降温增湿效应[7]调节林内空气温度、湿度和风速，进而影响人体在林中的舒适度[8-9]，例如，随叶面积指数(LAI)的增加，城市森林降温强度显著增强[7,10]；NDVI每增加0.1个单位，地面温度会降低0.44～9.9 ℃不等[11-12].而冠层结构通过影响林内小气候调节林内舒适度的机制尚无系统研究.本研究以温度、湿度、风速等气象条件的变化为基础分析冠层结构对城市森林夏季舒适度的影响，为城市森林夏季舒适评价及优化城市森林结构提供理论支撑.

1 研究方法

1.1 样地布设

为了涵盖北京市城市公园及森林公园主要林分类型并便于调查，在北京市区内选取朝阳公园、海淀公园、奥体公园、龙潭公园、树村公园、元大都遗址公园、八家郊野公园、奥林匹克森林公园等典型城市公园及城市森林公园为研究区域，在园内选取以乔木为主并能为游人提供游憩空间的典型阔叶林分布设20 m×20 m的样方，并在距林缘20 m处的林外空地设置对照点，试验共设置1 444个样方.按照胸径大小范围，各样方分布情况如表1所示.

表1 样方基本信息Table 1 Basic information of the samples

1.2 冠层结构指标选择及数据获取

参考前人研究结果[7,11,13]，本研究选取叶面积指数(leaf area index, LAI)、平均叶倾角(mean tilt angle, MTA)、冠层厚度(canopy thickness, CTH)、冠下高(height of canopy bottom, HCB)、冠高比(ratio of canopy thickness to tree height, RCT)和冠层通透度(the permeability of the canopy, PC)等6个冠层结构指标，基本可以代表冠层在水平和垂直方向上的结构特征.其中，叶面积指数和平均叶倾角采用LAI-2200型冠层分析仪(Li-cor, USA)直接测定；冠高比为冠层厚度与平均树高的比值；冠层通透度为林内平均照度和林外照度的比值，PC值越小，代表林冠层透光程度越低.

于2013—2016年的7—8月，选择无风或风力小于3级的典型晴天，对样方林分基本结构进行调查，包括树高、胸径、冠幅、第一活枝下高、叶面积指数、平均叶倾角等.采用kestrel4000(Kestrel, USA，温度精度±1.0 ℃，湿度精度±3%，风速精度±3%)记录林内外空气温、湿度和风速，为了充分研究林分对舒适度的影响，根据之前研究的经验[7]选择一天中较热且容易造成不舒适的时段(10∶00—16∶00)对气象因子进行采集，每个样方采集时间30 min，采用照度计(HT-8318)测定林内外光照条件(其中测得照度的样方共558个).

1.3 舒适指数和气象指标计算

本研究选取群落舒适度评价指标—综合舒适度指标[14]，反映城市森林林内外舒适状态， 符号为S，S值越小，代表舒适度越高，计算公式为：

S=0.6×(|T-24|)+0.07×(|RH-70|)+0.5×(|v-2|)

(1)

式中，S为综合舒适度指标，无量纲，T为平均气温(℃)，RH为空气相对湿度(%)，v是平均风速(m·s-1).

为排除林外环境的影响，计算舒适度、温度、湿度和风速的变化强度进行数据分析，其中风速等于0的样方不参与风速与结构关系的分析.公式如下:

dS=(S1-S2)/S2

(2)

dT=(T1-T2)/T2

(3)

dRH=(RH1-RH2)/RH2

(4)

dv=(v1-v2)/v2

(5)

式中，dS为舒适度变化强度，无量纲，S1为林内舒适度，S2为林外舒适度；dT为温度变化强度，无量纲，T1为林内空气温度(℃)，T2为林外空气温度(℃)；dRH为相对湿度变化强度，无量纲，RH1为林内相对空气湿度(%)， RH2为林外相对空气湿度(%)；dv为风速变化强度，无量纲，v1为林内风速(m·s-1)，v2为林外风速(m·s-1).

1.4 数据处理

为了缩小数据的绝对值并便于计算，所有冠层结构指标取对数进行数据分析:

dCS= log(CS+1)

(6)

式中，CS代表各冠层结构指标.使用SPSS 18.0软件进行方差分析、多重比较，用Excel 2007软件绘图.

2 结果与分析

2.1 与舒适度及气象指标相关的冠层结构指标筛选

dS与dLAI存在极显著负相关关系，与dPC存在极显著的正相关关系，与dRCT存在显著正相关关系(表2).结果表明，较高的LAI以及较低的RCT和PC有利于增加城市森林舒适度.首先，较高的LAI使冠层茂密并具有较高的蒸腾能力，通过阻碍垂直方向的太阳辐射并带走大量潜热来提高舒适度；其次，CTH和HCB与dS的变化无显著相关关系而RCT与dS有显著正相关关系，说明RCT提高舒适度的效应是由冠层厚度和林下空间的制衡关系决定，本研究中树冠的平均厚度大于6 m(表1)，且较低的RCT说明样方内林下空间占树高的比例相对较高，这就使林分既有较强的蒸腾能力又增加了水平方向上的通风能力，因此，较低的RCT有利于提高人体舒适度；最后，PC与dS存在极显著的正相关关系，较低的PC说明林分透光程度低，通过阻隔垂直方向上的太阳辐射直接减缓林下空间显热的增加，从而提高林分舒适度.

表2 舒适度与冠层结构的关系Table 2 Correlation between comfort and canopy structure

选取与舒适度变化强度相关性较高的LAI、RCT和PC等3个冠层结构指标进一步分析冠层结构与气象指标之间的关系(表3)，以便有针对性地调整城市森林结构.dLAI与dT极显著负相关，与dRH极显著正相关，与dv显著负相关，这是因为随着LAI增加，林分蒸腾能力增大，一方面增加空气湿度一方面通过带走大量潜热降低空气温度；dRCT与dRH和dv极显著负相关，与dT极显著正相关，可能的原因是，本研究中低RCT是由较高林下空间比例引起的，增加了林分在水平方向上通风透光的能力，而增大空气流通和增加光照在一定程度上能促进冠层的蒸腾作用，使空气温度降低而空气湿度增大；dPC与dT极显著正相关，原因是冠层阻隔了垂直方向上的太阳辐射，直接降低了林内的显热通量而降低温度.

表3 冠层结构与气象指标的关系Table 3 Correlation between canopy structure and meteorological indicators

表4 冠层结构指标等级划分标准Table 4 Grading standard for canopy structure indices

为便于统计分析，根据实测的1 444个样方冠层结构指标的取值范围将取对数后的各冠层结构指标平均分成4组(表4).

2.2 冠层结构对城市森林空气温度的影响

dLAI对dT有显著影响，dRCT和dPC对dT有极显著影响；dLAI和dRCT、dPC和dRCT对dT有极显著的交互作用(表5).从图1可知，dT随dLAI的增加呈现降低的趋势；dT随RCT的增加呈现升高的趋势；dT随PC的增加呈现先降低后升高的趋势.通过多重比较分析，dLAI等级大于3即LAI大于1.52时，林内空气温度显著降低；dRCT等级小于3即RCT小于0.58时，林内空气温度显著降低；dPC等级小于4即PC小于30%时，林内空气温度显著降低.除dRCT等级为1外，dLAI一定，dT随dRCT的增加呈波动变化的趋势，dRCT一定，随着dLAI增大，dT总体呈现降低的趋势(图2).除dRCT等级为2外，dRCT一定，dT随dPC的增大呈现升高或先降低后升高的趋势，dPC一定，dT随dRCT的增加呈现波动变化的趋势(图3).dRCT等级为1时，dT随dLAI的变化无明显变化规律，可能的原因为，由厚冠层和高树冠导致的低RCT，使冠层的生态场对林下的影响力降低且易受外界干扰[15].

表5 冠层结构指标对各气象指标差异显著性分析Table 5 Effects of canopy structure on dT, dRH and dv

不同小写字母表示不同等级间的差异显著(P<0.05).图1 dT随冠层结构指标的变化Fig.1 Change of dT along canopy structure

图2 dT随LAI和RCT的变化Fig.2 Change of dT along LAI and RCT

2.3 冠层结构对城市森林相对湿度的影响

dLAI和dRCT对dRH有极显著的影响，并且存在极显著的交互作用(表5).由图4可知，dRH随着dLAI的增大呈现升高的趋势；随dRCT的增大，dRH降低.通过多重比较，dLAI等级小于4即LAI小于2.92时，林下空气湿度显著降低；dRCT等级大于1即RCT大于0.50时，林下空气湿度显著降低.dLAI一定，dRH随dRCT的增加总体呈现降低趋势；dRCT一定，dRH随dLAI的增加总体呈现升高趋势(图5).

不同小写字母表示不同等级间的差异显著(P<0.05).图4 dRH随冠层结构指标的变化Fig.4 Change of dRH along canopy structure

2.4 冠层结构对林内风速的影响

图5 dRH随LAI和RCT的变化Fig.5 Change of dRH along LAI and RCT

dLAI和dRCT对dv有极显著的影响，并且对dv有显著的交互作用(表5).由图6可知，除dLAI等级1外，随着dLAI的增加，dv存在降低的趋势；除dRCT等级1外，随dRCT的增加，dv存在降低的趋势.通过多重比较，dLAI等级小于4即LAI小于2.92时，林下风速显著增加；dRCT等级小于4即RCT小于0.68时，林下风速显著增加.

由图7可知，除dRCT等级为1外，dLAI一定，dv随dRCT的增加存在降低的趋势；dRCT一定，dv随dLAI的增加呈现降低的趋势.dRCT等级为1时，dv随dLAI的变化无明显变化规律，dRCT等级为1时的dv与其他等级下的dv均无明显差异(图6B)，可能原因是较低的冠高比使林下空间易受外界环境干扰，冠层结构对风速影响较小，因而风速波动较大.

不同小写字母表示不同等级间的差异显著(P<0.05).图6 dv随冠层结构指标的变化Fig.6 Change of dv along canopy structure

3 讨论

3.1 冠层结构的温度效应

图7 dv随LAI和RCT的变化Fig.7 Change of dv along LAI and RCT

提高舒适的温度效应主要受LAI、RCT和PC三个冠层结构指标的影响.LAI通过影响冠层的蒸腾作用和遮荫效果影响温度[7]；PC对温度的影响主要来自对太阳辐射的阻隔作用，降低了林内显热的增加量；RCT对温度的影响来自多方面，低RCT有利于通风透光，在高温高湿天气下，适当通风一定程度上利于蒸腾作用，良好的通风条件和蒸腾效应相辅相成，使得较低RCT有利于降低林下空气温度，但过低的RCT由于受环境干扰大而不利于降温.

3.2 冠层结构的湿度效应

冠层结构增加林下舒适的湿度效应主要由RCT和LAI决定，LAI与相对湿度变化的相关性大于RCT.

LAI和RCT的增湿效应出自对冠层蒸腾作用的影响.LAI增加，冠层蒸腾作用增强；较低的RCT增加冠层的通风透光效果，而在高温高湿天气下，一定程度的通风透光都有利于蒸腾作用.因此在北京城市森林内，较大的LAI和较低的RCT都有增湿效果，但在高温高湿天气下，增加湿度不利于人体舒适.

3.3 冠层结构的风速效应

总体来看与舒适相关的冠层结构指标对风的影响力最小，原因是风速主要受大环境影响，大面积绿地与周围环境空间相互作用产生局部风[15]，而在样方水平上，由林分布局或结构的不同对风速带来的影响较小，甚至会受到环境风的干扰.本研究中，LAI和RCT与风速有极显著的负相关关系，说明较低的LAI和RCT通风效果好，对风有增强效应，风的存在又加强林分的降温效应，二者相互影响.极小的风速都会对降温效应产生显著影响[7].

3.4 冠层结构对舒适度的影响机制

LAI和RCT增加既降低空气温度又增加了相对湿度，在高温高湿天气下，增湿效应不利于增加林下舒适度，因此本研究中，LAI和RCT与舒适度的相关系数并不高.LAI和RCT既影响温度又影响湿度和风速，但结构与舒适的变化趋势和结构与温度变化趋势一致，说明结构对空气温度的影响在舒适度变化中起主要作用.

PC通过调节林内温度影响林内舒适度，PC值越小，冠层阻隔太阳辐射的能力越强，进而降低林内显热通量而增加舒适度.

现有研究表明结构对舒适度的解释程度在20%～30%左右，普遍较低[9]，对单一冠层指标与舒适度的关系研究只是本研究的开端，那么复杂结构林分中人体舒适度是否由多种结构因素共同影响、哪些结构指标是影响林内舒适的主导因素仍是悬而未决的问题.对于如何构建对林内舒适度解释程度较高的综合冠层结构指数，还有待进一步研究.

3.5 城市森林舒适指数

目前户外舒适度的表达方式有多种.有的研究直接用多个气象指标综合描述舒适度，如空气温度、空气湿度、风速等[16]，这种方法最直观，但是指标较多且繁琐；科学研究中应用最广的为不舒适指数(dscomfort index, DI)；还有的研究引入了太阳辐射和气压[17].目前，针对城市公园和森林公园的森林舒适度尚无公认的度量标准，现有的综合舒适指数S是唯一针对群落的人体舒适指数[14].适合评价城市森林舒适度的舒适指数尚需进一步研究.

4 结论

(1)城市森林可显著增加林内夏季舒适度，LAI、RCT和PC是影响舒适度的主要冠层结构指标，较高的LAI和较低的RCT、PC有利于提高城市森林舒适度.

(2)冠层结构通过影响空气温度、相对湿度和风速调节林下舒适度.冠层结构对森林舒适度的影响主要来自林分的降温效应，而降温效应受LAI、RCT和PC影响；冠层结构调节舒适度的湿度效应来自LAI和RCT；冠层结构调节舒适度的风速效应受LAI和RCT影响.