城市公园植物群落小气候效应及人体热舒适度——以哈尔滨三座公园为例

胡海辉，刘 帅，张思琪

(东北农业大学园艺园林学院，哈尔滨 150030)

随着城市化进程的不断加快，打造适宜人居生活的城市显得尤为重要[1]。城市公园是城市生态环境可持续发展的基本条件，能够减缓城市热岛问题、调节小气候效应、恢复生态活跃性等[2]。近年来气候问题的日益严重，园林植物的滞尘、降温、增湿等生态功能也成了研究热点。

目前，雷昀[3]在不同的季节通过对不同类型绿地的气象因子的观测，比较得出各种人工植物群落对环境的保护效果；吴菲等[4]则探究了不同面积绿地之间增湿降温的关系；马椿栋[5]比较分析了主观热感受、热舒适客观评价指标和小气候物理要素数据；李凌舒[6]则确定了植被覆盖度与道路夏季热舒适之间的综合关系；梅欹等[7]对上海市住区进行了小气候舒适度分析，结果显示热因子是影响上海市冬季人体舒适度的关键因子；刘亚敏等[8]运用软件模拟的方式与实际测量进行对比，得出树高对于小气候的影响优于树宽；王爱霞等[9]研究半干旱区城市广场中的植物群落形态对微气候的影响，得出广场中的植物群落数量属性与微气候变量之间的联系，并且确定了关键微气候变量在各植物群落中的变化规律；刘滨谊等[10]使用3种指标评估了上海某广场热舒适度。纵观以往研究发现，中国开展风景园林小气候研究主要针对江南一带夏季高温地区，而针对北方公园绿地植物群落小气候素的研究较少。

因此，以哈尔滨公园绿地植物群落为研究对象，在定性研究的基础上定量研究不同植物群落在小气候方面的调节作用，以期能够为人居户外活动提供更舒适的园林小气候环境。

1 材料与方法

1.1 研究材料

1.1.1 区域概况

哈尔滨坐落于中国东北部、黑龙江省南部地区。夏季气候炎热、潮湿、多雨，冬季气候寒冷、干燥、多雪，属于中温带大陆性季风气候。全年中7月份最热，最高温度为39 ℃。本实验选取哈尔滨古梨园、尚志公园、兆麟公园作为实验场地(图1)，调查后选取各公园内植物群落进行局地小气候因子实测。

图1 城市公园绿地植物群落

1.1.2 样地选择

通过实地调研对植物群落进行行为注记式调研，筛选公园中游人使用频率较高的植物群落。根据植物群落的垂直结构层次进行划分，选取长势良好的典型植物群落(plant community)16个(P1～P16)，样方C(control point)大小按照生态学最小面积样方法，使用仪器分别在春、夏、秋3个季节对公园内的植物群落进行小气候因子测量。各群落具体情况如表1所示。

表1 植物群落组成、结构情况

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标选取

选取指标为生理等效温度(physiological equivalent temperature，PET)，指在某一个室内或户外环境中，人体皮肤温度和体内温度达到与典型室内环境同等的热状态所对应的气温[11-13]。此评价指标将多种影响因子作为核心，从多个层面分析了相关要素。通过大量验证，其可以对某个环境的舒适性进行准确的评价[14]。综上所述，将PET作为核心的评价指标，其评价标准(表2)，对应9种人体热感觉评价。

表2 PET评价标准分数

1.2.2 人体热舒适度计算

采用PET指标对植物群落内人体热舒适程度进行评价分析，利用RayMan1.2模拟软件进行计算，输入实验日期、地理数值、植物群落内小气候因子具体数值。计算时要设定相应的身高、体重、年龄等进行输入，具体如表3所示。

表3 Rayman1.2模型数据录入

2 结果与分析

2.1 植物群落热舒适度评价

2.1.1 春季植物群落热舒适度

古梨园内群落春季日平均PET均低于18～23 ℃(图2)，人体感受为“微凉”，对照点C1为27.4 ℃，人体感受为“微暖”。说明此公园内春季植物群落下的热舒适度感受没有对照点舒适，原因可能是哈尔滨春季气温较低、早晚温差较大，有植物覆盖的空间导致太阳辐射的程度较差，由此带来舒适度“微凉”的感受。尚志公园内植物群落春季日平均PET均低于18～23 ℃的范围区间(图2)，人体感受为“微凉”，此时对照点C2的PET=30.8 ℃，人体感受为“温暖”。兆麟公园内植物群落春季日平均PET均低于18～23 ℃(图2)，人体感受为“微凉”，相反，对照点C3的PET为26.1 ℃，人体感受为“微暖”。兆麟公园内的情况与古梨园和尚志基本相似，春季植物群落内的PET较低，人体感受为“微凉”。

图2 春季植物群落与对照点日均PET

春季16个植物群落各时间点热舒适度情况(表4)，植物群落内处于“舒适”范围的仅占10.23%，处于“微凉”的占73.86%，感受为“凉爽”的占15.91%，说明春季公园植物群落下的舒适度较差，处于“微凉”的状态较多。相反，春季各公园内无植物覆盖的对照点处于“舒适”范围的占21.21%，处于“微暖”的占18.19%，“温暖”的占24.24%，热舒适度较好；比较之下没有“微凉”“凉爽”的测点。结果表明，春季植物群落内的人体舒适度并没有对照点的好，改善效果较差。

表4 城市公园春季热感觉总体情况

2.1.2 夏季植物群落热舒适度

夏季古梨园各植物群落的日均PET均低于对照点C1(图3)，人体感受为“舒适”和“微暖”，对照点C1的人体舒适度感受为“热”，群落与对照点PET的最大差值为16.7 ℃，说明群落在夏季能够较好地改善局地小气候的舒适性。夏季尚志公园内植物群落日均热舒适度PET(图3)显示此公园内植物群落在夏季改善局地小气候上有着明显的效果，且PET的差值达到17.1 ℃。夏季兆麟公园植物群落日均人体热舒适度PET(图3)，植物群落的日均PET均小于对照点，且植物群落日均值均处于“舒适”的范围内，虽群落P13的PET略高于23 ℃，但其远小于对照点，证明夏季兆麟公园内植物群落也具有良好的小气候改善能力。

图3 夏季公园植物群落与对照点日均PET

夏季各公园内植物群落各时间点人体热舒适度总体情况(表5)，夏季主要在“舒适”和“微暖”两个感受，热感觉为“舒适”的占48.86%，证明各公园内的植物群落在夏季能够有效改善人体舒适度。与春季相比，虽然夏季无人体感受为“凉爽”的感受，但感受为“微暖”的比例上升。夏季公园内16个植物群落各时间点人体热舒适度优于春季。由夏季各公园内对照点人体热感觉情况(表5)可知夏季对照点热感觉为“炎热”占33.33%，比例最高，其次热感觉为“热”占30.3%。研究表明虽实验地选取为哈尔滨市公园，但无植物覆盖的对照组的人体舒适度不佳，反证植物群落具有局地小气候调节作用。

表5 城市公园夏季热感觉总体情况

2.1.3 秋季植物群落热舒适度

秋季古梨园内植物群落PET日均值为6～8 ℃，热感受为“冷”(图4)，说明此季节该公园内对照点的舒适度优于各植物群落。秋季尚志公园内植物群落的PET日均值在6～8.8 ℃，热感受为“冷”和“凉爽”，此时对照点C2的热舒适度PET为19.1 ℃，刚好处于“舒适”(图4)，说明秋季尚志公园内对照点的舒适度优于各植物群落。秋季兆麟公园内植物群落的PET日均值在6～8.2 ℃，秋季古梨园内植物群落的人体感受为“冷”和“凉爽”，说明秋季尚志公园内植物群落下的小气候也不适合户外活动，此时该公园内对照点C2的热舒适度PET17.3，处于“微凉”感受(图4)，说明秋季兆麟公园内对照点的舒适度优于各植物群落，但体感也为“微凉”不舒适。

图4 秋季公园植物群落与对照点日均PET

秋季三座公园内植物群落各时间点人体热舒适度总体情况如表6所示，秋季公园内植物群落舒适度的范围在“寒冷”“冷”“凉爽”“微凉”4种人体热感受，人体感受为“冷”的占比高达50.57%，其次是占总体36.93%人体感受为“凉爽”的状态，证明在秋季植物群落内的小气候舒适度体感不佳，植物群落在秋季调节小气候的效果上没有起到积极的作用。相比之下，秋季公园内对照点热感受为“舒适”的占比高达33.33%，热舒适度优于植物群落。

表6 秋季城市公园热感觉总体情况

2.2 植物群落PET与小气候因子相关性

2.2.1 春季PET与小气候因子相关性

从表7可知，春季植物群落热舒适度PET与此季节温度呈正相关，与太阳辐射也呈正相关，与瞬时风速没有相关性，而与相对湿度呈负相关。比较相关系数可知，春季植物群落热舒适度PET与空气温度呈极强相关，与相对湿度强相关，与太阳辐射呈中度相关，其相关性排序:空气温度>相对湿度>太阳辐射>风速。春季16个植物群落PET与小气候因子之间的相关性强弱与显著性存在差异。

表7 春季各植物群落PET和小气候因子相关性

2.2.2 夏季PET与小气候因子相关性

从表8可知，夏季植物群落PET与温度呈正相关，与太阳辐射呈正相关，与瞬时风速没有相关性，与湿度呈负相关。比较三者相关系数可知，夏季植物群落热舒适度PET与空气温度呈极强相关，与相对湿度呈中度相关，与太阳辐射呈弱相关，相关性排序:空气温度>相对湿度>太阳辐射>风速。夏季16个植物群落PET值与小气候因子之间的相关性强弱与显著性存在差异

表8 夏季各植物群落PET和小气候因子相关性

2.2.3 秋季PET与小气候因子相关性

根据表9所示，秋季植物群落PET与温度正相关，与太阳辐射呈正相关，与瞬时风速没有相关性，与湿度呈负相关。比较相关系数可知，秋季植物群落热舒适度PET与空气温度和太阳辐射呈极强相关，与相对湿度呈中等强度相关，相关性排序为:空气温度>太阳辐射>相对湿度>风速。秋季16个植物群落PET与该季节小气候因子之间的相关性强弱与显著性存在差异。

表9 秋季各植物群落 PET 和小气候因子相关性

2.2.4 植物群落舒适度与其他因素相关性

对所选取的植物群落进行了其植物种类、密度、郁闭度与舒适度的相关性研究分析。由于春、夏、秋3个季节中，植物群落对舒适度的调节作用在夏季最为明显，所以以夏季为例，试分析植物群落自身特征与小气候舒适度的相互关系(表10)。

表10 夏季植物群落内种类、密度、郁闭度情况

根据计算的夏季植物群落的舒适度PET日均值，分别与植物群落内种类、密度、郁闭度因素进行相关分析(表11)。植物群落的夏季舒适度PET与种类数、密度、郁闭度均具有相关关系，其中与群落内的种类数呈负相关，与密度和郁闭度呈正相关。根据相关性系数可知，舒适度PET值与种类数、密度、郁闭度的相关性排序为种类数>密度>郁闭度；其中与种类数呈极显著相关(P<0.01)，与密度、郁闭度均呈显著相关(P<0.05)。

表11 植物群落夏季舒适度与种类、密度、郁闭度的相关性

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 群落降温增湿季节变化

对春、夏、秋三季植物群落的研究中发现，随着季节的变化，植物群落的自身结构发生了改变，叶片的凋落使其郁闭度降低，导致空间内太阳辐射进入，致使植物群落的降温增湿作用产生差异。植物的生理机能由于生长期和物候期的不同而发生季节性变化，导致在环境舒适度的调节作用不同。研究的植物群落大部分为落叶乔木，随着季节的变化产生叶片掉落、郁闭度降低等情况，导致秋季植物群落的小气候舒适度调节作用较差。因此城市公园植物群落配置时，要把树种物候期作为参考依据，选择在不同季节对于人体舒适度调节效果差异不大的树种，保证植物群落内环境相对稳定。

3.1.2 群落热舒适度变化

城市公园植物群落的种植开始趋向于开放式、可进入式，人的可进入致使植物群落内的小气候环境热舒适程度是否舒适成为研究的重要课题之一。因此在绿地群落构建中，不仅要考虑景观效果，更要考虑小气候调节效应，并综合现有植物群落下人体舒适度的评价结果，选择可以提供较好舒适度的种植结构与搭配，同时也要结合数据考虑群落在一天中的小气候变化状况进行合理的种植。由于条件限制，所选取的植物群落有限，仅是哈尔滨公园中的小部分样例，还有更多的群落需要进一步的实测并加以评价。

3.1.3 群落舒适度与小气候因子相关性

户外空间的热舒适度受诸多因素影响，植物群落是城市公园绿地系统中重要组成部分。本文通过对植物群落人体舒适度与小气候因子之间的相关性分析可知，春、夏、秋三季的小气候因子与人体舒适度的密切程度不同。由于植物群落本身具有相对复杂的属性，其本身受植物种类、丰富度、种植密度等因素影响，并没有过多的分析植物群落自身因素如群落中植物株距、株高、冠幅等与人体舒适度之间的关系，而是将选取的植物群落自身视为一个整体进行分析，日后需进一步研究探讨其更多的自身因素与热舒适度的关系。

3.2 结论

以哈尔滨三座公园为研究对象，结合软件RayMan 1.2计算并评价了公园不同植物群落在春、夏、秋3个季的人体舒适感受，分析了小气候因子与人体舒适度PET的相关性，结果如下。

(1)春季公园植物群落下的舒适度较差，大部分时间处于“微凉”感受；相反，各公园内对照点人体舒适度较好。夏季公园内植物群落舒适度的范围主要在“舒适”和“微暖”两个感受程度上，对照点的人体舒适度感受主要为“炎热”和“热”，夏季植物群落具有积极有效的局地小气候调节作用。秋季公园内植物群落舒适度感受为“寒冷”“冷”“凉爽”“微凉”4种人体热感受，植物群落在秋季调节小气候效果上没有起到积极的作用，而是带来了相反的改善结果。

(2)通过对春、夏、秋三季PET与小气候因子相关性分析，春、夏两季植物群落热舒适度PET与空气温度和太阳辐射均呈显著正相关，与瞬时风速没有显著相关性，而与相对湿度呈显著性负相关。其相关性大小排序为:空气温度>相对湿度>太阳辐射>风速。秋季植物群落热舒适度PET与空气温度和太阳辐射呈极强相关，与相对湿度呈中等强度相关，其相关性大小排序为:空气温度>太阳辐射>相对湿度>风速。

(3)植物群落舒适度PET与种类数、密度、郁闭度的相关性排序为种类数>密度>郁闭度；其中与密度、郁闭度均呈显著相关(P<0.05)，与种类数呈极显著相关(P<0.01)。

研究在一定程度上拓展了室外热环境评价的范围，在实践上填补了关于哈尔滨城市公园植物群落热舒适评价的缺失。但研究指标选取只能算作是一次试探性研究。由于不同地区植物群落主导因素存在差异，在以后的调查研究中，应根据具体当地的特征，合理的建立指标体系对其进行评价，为城市公园的建设及改造提供参考。