北京奥林匹克森林公园8种植物群落的遮光作用及其影响因素

秦仲 李湛东

摘要：以北京奥林匹克森林公园内8种常见的园林植物群落为研究对象，分别对群落内部和对照点的光照强度，以及群落的叶面积指数、郁闭度、树高、枝下高和冠幅进行了观测。结果表明：在08：00～18：00时段，8种植物群落均可发挥明显的遮光作用，但它们之间存在一定差异;不同群落的遮光作用日变化趋势均呈单峰型分布，大多群落的遮光作用在11：00～14：00时达到峰值;此外，植物群落的树高、枝下高与遮光作用呈显著负相关，郁闭度与遮光作用呈显著正相关。探明了城市公园中植物群落的光环境特性及其影响机制，旨在为科学构建园林植物群落和深入剖析植物群落温湿效应的影响机制提供参考。

关键词：城市公园;园林植物群落;光照强度;冠层结构

中图分类号：TU986.2 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）14-0001-04

1引言

世界气象组织2019年3月28日发布的《2018年全球气候状况声明》显示，过去一年全球变暖仍在加速，为全球带来诸多经济社会方面的挑战。在城市园林绿地中，植物群落冠层可以反射和吸收部分光照，减少地面接收的光照强度，同时通过蒸腾作用、光合作用等生理活动将吸收的光照转化为化学能，进而降低空气温度、增加相对湿度。因此，在城市公园绿地中，光照不仅是影响园林植物群落构建的主要环境因子之一，更是影响园林植物群落温湿效应的主要因素之一。近年来，众多学者针对植物群落内的光环境特征进行了探索。林荫对比了不同结构类型绿地的遮光作用，在春、夏、秋三季，遮光作用从强到弱依次为乔一灌一草绿地、灌一草绿地、乔一草绿地。申超等分析了福州市不同类型城市绿地的遮光效益，认为公园绿地的遮光效益远大于居住区、商业区等其他城市区域。晏海等研究发现不同植物群落及对照点的光照强度日动态均呈单峰分布，与对照点相比，植物群落的日均遮光率为61.0%～96.9%。宋子炜等也得出类似结论。Martens等认为林下光环境的变化主要由林冠高度、郁闭度及分布格局决定，其中郁闭度的影响最大。陈高娃等以校园内园林绿地为研究对象，发现其遮光作用与不同树种群落冠层的几何形状、叶面积指数、枝下高等因素有关。此外，章丽耀和张德顺在上海辰山植物园对群落内光环境特征如何影响游人行为偏好进行了研究。由此可知，现有研究多见于针对林地内的光环境进行分析，以及比较不同类型植物群落的遮光效果，对于城市绿地中植物群落内的光环境变化规律及其影响机制等园林应用方面的问题尚缺乏深入研究。

因此，本研究以北京奥林匹克森林公园（以下简称北京奥森公园）8种常见的园林植物群落为研究对象，探讨8种植物群落内光照强度的日变化规律，分析树高、枝下高、冠幅、郁闭度和叶面积指数等指标与植物群落遮光作用之间的关系，旨在为剖析园林植物群落温湿效应的影响机制、改善城市环境中的人体舒适度提供理论依据。

2研究方法

2.1研究区概况

北京市（115°70～117°40E，39°40～41°60N）地处华北平原西北边缘，属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，夏季高温多雨。根据北京市气候中心发布的数据，1961～2018年北京的年平均气温呈上升趋势，大约每十年升高0.45℃。北京奥森公园（40°～40.0333°N，116.3667°～116.4000°E）位于北京城中轴线的北端，南起奥林匹克中心区，北临清河北路的城郊防护绿地。公园总占地面积达680hm²，其中绿化面积约478hm²，水面面积67.7hm²，绿化覆盖率达95.61%。奥森公园是京北地区最大的城市休闲公园，也是北京近年来新建城市公园的典型代表，对于日后北京其他城市公园的建设和改造具有可参考性。

2.2样地选择

基于对奥森公园植物资源的调查，本研究选取8个位于奥森公园的常见乔一草型單优势种群落作为研究样地。样地面积大于500m²，使得测定样方可以位于样地中心，距样地四周边缘有至少10m左右的缓冲带。同时，所选样地的乔木优势种在北京具有良好的生态适应性，处于北京城市园林绿化树种使用频率的前20位。在距离每个研究样地不超过100m的空旷草坪处安置对照点，并设3个重复，该区域的栽培养护管理情况与所选研究样地基本一致。研究样地的基本情况如表1。

2.3测试指标及方法

本研究在夏季晴朗无风（风速小于2m/s）的白天时段（08：00～18：00）进行。由于光照强度的变化细节丰富，为了尽可能反映出群落内部的光环境情况，将测定样方设置为10m×10m，按照每两个测点之间间隔为2m，在样方内一共均匀布置16个测点（图1）。本研究的测试指标包括：光照强度、郁闭度、叶面积指数以及群落内植株自身结构特征（树高、枝下高、冠幅）。

光照强度的测定。采用移动测定法，在测定样方内的16个测点以及对照点处，于距离地面1.5m垂直高度，利用TES-1339R手持式照度计（台湾泰仕电子工业股份有限公司，计量单位为勒克斯（Ix），量程范围0.011x～999900lx），待仪器读数稳定后分别记录东、南、西、北4个方向的光照强度数据，取算术平均即为该测点的光照强度值。每个观测日从08：00～18;00进行间隔为1h的连续测定。为了减少由于时间变化而造成光照强度改变的误差，单次全部测点的测试时间控制在10min以内，具体测定顺序如图1所示。

郁闭度的测定。在每个测点处，将数码相机固定在三脚架云台上，使照相机镜头始终保持水平，向群落冠层拍照。然后，运用Adobe Photoshop CS5（Adobe Sys-tems Inc）将图片变换为灰度双色调，记录直方图中显示的林冠范围的像素值a，将直方图所显示的标准偏差值作为色彩范围对话框中的颜色容差值，用吸管在天空影像较亮的地方单击吸取参考颜色，分离出天空部分的影像，统计其像素值b。计算如下：

CD=l-b/a （1）

式（1）中：CD为郁闭度;a为林冠范围的像素值;b为林冠范围内天空的像素值。

叶面积指数的测定。在每个测点距离地面1.5m的垂直高度处，用cI-110植物冠层图像分析仪（ClDBioScience，Inc.）获取群落冠层的图片，通过该仪器配套的分析软件Gap-Fraction Inversion Procedure程序统计每个部分的天空可视区域。最后计算出叶面积指数（LAI）。

树高、枝下高和冠幅的测定。在测定样方内，以根据每两个测点间隔距离（2m）画出的方格网为参考，在坐标纸上依次标记样方内每株乔木的种植位置，同时测量每株乔木对应的树高、枝下高和冠幅。

2.4数据分析

为了对不同园林植物群落在不同日期的遮光作用进行分析和比较，本研究将植物群落与对照点之间的光照强度差值定义为遮光作用，计算公式如下：

遮光作用=Lsun-Lsh （2）

式（2）中：Lsun为对照点的光照强度，Lsh为群落内的光照强度。

为描述8种园林植物群落遮光作用的日变化趋势，将同一时刻群落内所有测点的遮光作用值进行算术平均，可得到该时刻群落的遮光作用。以此类推，即可反映出遮光作用在一天中08：00～18：00之间的日变化趋势。为探讨园林植物群落遮光作用与其结构特征之间的关系，将群落的遮光作用分别与郁闭度、叶面积指数、树高、枝下高、冠幅进行相关性分析。其中，遮光作用被定义为因变量，郁闭度、叶面积指数、树高、枝下高和冠幅被定义为自变量。

本研究涉及的统计分析通过SPSS/PC+softwarepackage（version 19.0，SPSS Inc.）完成，数据处理和相关图表制作在Microsoft Excel 2010（Microsoft Corpora-tion）中完成。

3结果与分析

3.1 不同园林植物群落遮光作用的日变化规律

由图2可知，在08：00～18：00之间，由于植物群落冠层对太阳辐射的遮挡，8种园林植物群落均形成了明显的遮光作用，且遮光作用的变化趋势基本一致，呈单峰型分布。早上08：00时，群落内的遮光作用相对较弱，随着时间的推移，植物群落的遮光作用逐渐增强，除了刺槐群落的遮光作用在09：00时左右达到峰值，其他植物群落的遮光作用在11：00～14：00时达到最大值，而后8种植物群落的遮光作用均逐渐减弱，直至18：00时左右，8种植物群落的遮光作用均为一天中自天时段的最小值。

3.2园林檀物群落结构特征对其遮光作用的影响

由表2可知，植物群落的遮光作用与树高、枝下高表现为显著的负相关关系，说明植物群落内植株的树高和枝下高越小，其遮光作用越明显。同时，植物群落的冠幅、郁闭度和叶面积指数与其遮光作用呈正相关，且郁闭度与其遮光作用之间的相关性达到显著水平。可见，随着植物群落的郁闭度、叶面积指数和冠幅逐渐增大，其遮光作用相应增强。已有研究表明，单层的植物叶片可以对太阳直接辐射和散射辐射进行有效阻挡，进而吸收80%、反射10%，仅透射10%的可见光。植物群落冠层是由多层植物枝叶叠加组成，因而吸收和反射的太阳辐射比例更大，可以起到更为显著的遮光作用。宋子炜等认为，植物的这种反射和吸收作用主要与植物群落冠层的结构特征密切相关。即植物群落内植株的树高和枝下高越低，郁闭度、叶面积指数和冠幅越大，对太阳辐射的吸收和反射作用越强，群落的遮光作用越明显。

4结论与讨论

本研究通过对比分析北京奥森公园内8种园林植物群落的遮光作用日变化规律以及植物群落日均遮光作用与其结构特征之间的关系，结果表明，在08：00～18：00之间，8种植物群落均可发挥明显的遮光作用，其变化趋势均呈单峰型分布，除了刺槐群落的遮光作用在09：00时左右达到峰值，其他植物群落的遮光作用在11：00～114：00时达到最大值。此外，园林植物群落的冠层结构特征均对其遮光作用有一定影响，其中，树高、枝下高與遮光作用呈显著负相关关系，郁闭度与遮光作用呈显著正相关关系。

由于群落冠层对太阳辐射的吸收和反射，使群落内得到的光强相对于群落外将减少，进而产生了遮光作用。本研究发现，城市公园中植物群落的遮光作用峰值一般出现在11：00～14：00时段，且在白天时段呈现出单峰型规律。晏海等认为，不同园林植物群落的光照强度日动态呈单峰分布，在12：00～14：00间群落内与对照点光照强度的差值达到最大。程子序研究表明，油松林内光照强度在12：00时左右达到峰值。由于研究地点的位置、地形、海拔高度和周边环境等因素的不同，使得不同地区的研究结论略有差异。城市公园中的园林植物群落通常为人工林，层次简单，因而不同群落遮光作用的差异主要是由于其自身结构特征的不同而引起的。本研究显示，群落的树高、枝下高与其遮光作用呈显著负相关，郁闭度与其遮光作用呈显著正相关。这与其他研究结论基本一致。已有研究表明，植物群落的遮光率随着群落平均株高和冠层高度的增加而减小。这是因为随着树高的增加，使得植株中下部枝叶较为稀少，因而早上和下午斜射进人群落内的太阳辐射会明显增多，导致遮光作用减弱。同时，植物群落的遮光率与其郁闭度和叶面积指数呈正相关关系，叶面积指数大于2时，遮光率可以达到80%以上，遮荫效果显著，而在叶面积指数小于1时，遮光率则小于50%。但是，并非叶面积指数和郁闭度越大越好，叶面积指数增加使得群落的遮光作用增强，群落内的光照相应减少，如果超过了一些植物的耐荫能力，将会导致物种多样性的减少，不利于构建复层结构的植物群落。

研究城市公园中植物群落内的光环境特征及其影响机制，不仅有助于深人探讨城市公园中植物群落温湿效应的影响机制，同时对公园中植物群落内的构建也具有重要作用。本研究针对园林植物群落的遮光作用及其影响因素进行了分析，但样本数量不够、样地选择单一等问题可能导致研究结论存在一些误差。在今后的研究中，可选择单一树种，对其不同结构特征与遮光作用之间的相关关系进行深人分析，并建立相关的数学模型，为进一步评价不同种类植物群落的遮光作用、探究植物群落温湿效应的影响机制奠定基础。