植物群落结构对公园夏季微气候的影响——以怀化市五溪文化公园为例

龙 洁，张良波，彭尽晖，杨 岑，戴众乐，胡泓意

(1.湖南农业大学风景园林与艺术设计学院，湖南 长沙 410128；2.怀化学院，湖南 怀化 418008；3.湖南农业大学东方科技学院，湖南 长沙 410128)

伴随着城市化进程的加快，城市热岛效应已成为最突出的环境问题之一[1]，城市人居环境与市民健康受到前所未有的挑战[2]。已有研究表明，城市公园绿地能够通过其植物群落调节微气候环境中的温度、湿度与风速等来缓解城市热岛效应[3-5]。绿地空间微气候环境往往受到多种植物群落的共同作用[6-7]，植物群落因其结构和冠层特征不同会产生不同的微气候调节效应[8-10]，其中冠层郁闭度、三维绿量、分层数与群落高度对绿地降温增湿功能的影响显著[11-13]。已有关于植物群落微气候调节作用的研究以分析植物群落结构特征对温度、湿度调节作用的研究居多，对风速调节作用的研究鲜见。本研究基于怀化市五溪文化公园中6种植物群落在夏季高温时间段的微气候变化数据，分析其在夏季高温时间段内对群落内微气候的调节作用，比较其微气候调节作用的差异，旨在为怀化市城市公园植物群落建设提供参考。

1 研究区概况

怀化市位于武陵山脉和雪峰山脉之间，沅水自南向北贯穿其全境，其气候属亚热带季风气候，四季分明，夏季高温多雨，年平均气温19～27 ℃，最高气温38 ℃，年平均降水量1 615 mm。五溪文化公园位于怀化市鹤城区五溪大道，东临怀化学院东校区，北接迎丰东路，地理位置优越，人流量庞大。公园始建于2004年，占地面积19.10 hm2，绿化率达70.56%。

2 研究方法

2.1 样地设置

在五溪文化公园内选择6种近自然的不同类型的植物群落设置样地，样地下垫面为草地或土壤；选择无植被覆盖的硬质空地设置对照样地；其样地大小均为20 m×20 m。使用GNSS RTK手持测绘仪定位样地位置，并在各样地内采用梅花五点法沿对角线布设5个2 m×2 m的样方用于调查灌木层、地被层植物现状[14]。

2.2 数据获取

为减少因天气差异造成的误差，避开阴天、下雨天与大风天等，于2022年7—8月选择晴朗无风或微风且天气状况类似的典型高温天气进行测量，并每日选择高温时间段11：00—16：00测量植物群落林下空气温度、相对湿度、风速[15]。

2.2.1 微气候指标测量

在各样地的对角线1/4处及中心点共设置5个观测点，采用DJL-18温湿光三参数记录仪每间隔10 min分别记录各观测点的空气温度、相对湿度、光照强度；同时，采用GT8907风速仪每间隔10 min分别测量和记录各观测点的风速、风向、风量。测量时测量仪器均距地面1.5 m，每个群落都测量3 d。

2.2.2 群落基本情况调查

采用典型样地法[16]对群落内植物进行逐层调查，调查乔木层植物的种名、树高、胸径、冠幅、冠高、冠下高、第一活枝枝下高和灌木层植物的种名、基径、株高、冠幅、冠高、盖度以及地被层植物的种名、盖度。

2.2.3 郁闭度计算

采用DJI御2pro无人机，于样地中心点200 m高处垂直拍照记录植物群落，照片朝向均为正北，并将照片导入CAD2018，绘制乔木覆盖范围，计算植物群落郁闭度。

2.2.4 群落分层

依据乔木层(胸径≥4 cm的木本植物)、灌木层(胸径<4 cm，株高>0.5 m的木本植物)、地被层(株高≤0.5 m 的木本植物和草本植物)划分群落分层结构[17]，并逐层调查群落内植物，以主林层主要乔木胸径平均值的乔木树高作为群落高度。

2.2.5 三维绿量计算

采用“平面量模拟立体量”[18]计算植物群落乔木层、灌木层的三维绿量，地被植物以覆盖面积×平均株高计算其三维绿量[19]，各层三维绿量之和即为总三维绿量。

2.3 数据处理

分别对植物群落的空气温度、相对湿度及风速等数据进行处理。温度变化用日均降温作用和日均降温率(ET)来表示；相对湿度变化用日均增湿作用和日均增湿率(EF)来表示；平均风速变化以日均阻风作用和日均阻风率(EW)来表示。其计算公式见表1。

表1 数据计算方法Tab.1 Data calculation methods符号平均值符号意义ETET=13∑3i=1T0-TiT0×100%T0为对照点温度平均值;Ti为样方内部温度平均值;T0-Ti为降温作用EFEF=13∑3i=1Fi-F0F0×100%F0为对照点相对湿度平均值;Fi为样方内部相对湿度平均值,Fi-F0为增湿作用EWEW=13∑3i=1Wi-W0W0×100%W0为对照点风速平均值;Wi为样方内部风速平均值,Wi-W0为阻风作用

用每种植物群落的温、湿度与阻风数据，在EXCEL 2010中绘制温、湿度与风速的日变化趋势图；使用SPSS 26.0对各微气候因子进行单因素方差分析，对6个植物群落在试验期间的降温增湿阻风作用的显著性进行分析，并对其差异性进行评价。

3 结果与分析

3.1 不同植物群落的结构特征

由表2可知：不同样地群落的结构与冠层特征存在差异。S6群落为乔灌草结构，群落结构最复杂；S5群落为乔木结构，结构单一，缺少灌木、草本地被层；S2、S4群落均为乔草结构；S1群落为灌草结构，缺乏乔木层。S1群落具有较低的绿量，其他群落均具有较高的绿量[12，20]。在郁闭度方面，除S1群落外，其他样地群落的郁闭度均处于较高等级[21]。从乔木分层数方面看，各样地群落分层数均较少，其中S2、S3群落的分层数相同，均为2层；S4、S5、S6群落的分层数相同，均为3层。在乔木平均树高方面，S3群落的处于小乔范围(6 m≤树高<10 m)，S2、S4、S5、S6群落的均处于中乔范围(10 m≤树高<20 m)[22]；S2群落的最大，为13.99 m，S3群落的最小，仅为8.54 m，二者相差5.45 m。在平均冠幅、平均胸径方面，S6群落平均冠幅与平均胸径均最大，S3群落的平均冠幅最小，S4群落的平均胸径最小。

表2 6种植物群落的结构特征Tab.2 Community structure characteristics of six plant communities样地编号群落结构三维绿量/m3乔木层结构特征分层数郁闭度/%平均树高/m平均冠幅/cm平均胸径/cmDZ空地//////S1灌草204.58/////S2乔草Ⅰ1 400.63260.413.995.3722.39S3乔灌2 352.01285.88.544.4421.10S4乔草Ⅱ1 462.38366.810.814.9220.18S5乔木2 184.87382.012.606.1126.14S6乔灌草2 276.51377.412.957.2728.26

3.2 植物群落结构对群落内夏季空气温度的影响

如图1所示，在测量时间段内，各样地植物群落内平均空气温度均呈持续上升趋势，且6个样地植物群落内空气温度均低于对照的。由表3可知：在测量时间段内，6个样地植物群落的降温作用范围在2.78～8.52 ℃之间，平均降温作用为6.32 ℃；降温率范围在6.50%～19.19%之间，平均降温率为14.36%。各样地植物群落内的平均空气温度与对照的差异均达显著(Turkey HSD多重比较分析，P<0.01)，6个样地植物群落均能显著调节林下空气温度，但各群落降温能力存在差异。降温作用、降温率在S2、S5样地群落间的差异均不显著，在S1、S3、S4、S6样地群落间的差异均显著，在S2、S5与S1、S3、S4、S6样地群落间的差异均显著。按降温作用从大到小排序，6个样地植物群落依次为S6、S3、S2、S5、S4、S1；按降温率从大到小排序，6个样地植物群落依次为S6、S3、S2、S5、S4、S1。

图1 6种植物群落及其对照平均空气温度的日变化趋势Fig.1 Daily trends in mean air temperature of six plant communities and their control

分析其原因，S1缺乏乔木层，群落结构简单，三维绿量最小，表现为最弱的降温效果。S2、S3、S5、S6样地群落均拥有较大的三维绿量与郁闭度，降温效果突出。各群落因结构不同呈现不同的降温效果，S6样地群落的高度较高，平均胸径和平均冠幅均最大，其降温作用、降温率均最大；S5样地的群落的垂直结构简单，缺乏灌木、草本地被层，其降温作用、降温率与除S2样地群落以外的其他群落的差异均显著；S4样地群落虽具有较大的三维绿量与郁闭度，但相较于S2样地群落，冠层特征更简单，其降温作用、降温率仅高于S1样地群落的。可见，实测结果符合群落垂直结构越复杂，冠层特征越丰富，植物群落降温效果越明显的规律。即群落结构越复杂，三维绿量越大，郁闭度越大，平均胸径越大，植物群落降温作用越明显。

表3 6种植物群落的降温效果Tab.3 Cooling effect of six plant communities样方编号温度平均值/℃最大值/℃最小值/℃降温作用/℃降温率/%DZ(43.40±0.19)d46.2140.73S1(39.77±0.17)c42.3836.93(2.78±0.08)a (6.50±0.16)aS2(35.70±0.13)a37.3833.53(6.85±0.11)c(15.95±0.20)cS3(36.21±0.14)a38.1534.25(8.05±0.08)d(18.12±0.15)dS4(39.41±0.18)c41.3036.35(4.85±0.07)b(10.87±0.17)bS5(37.38±0.15)b38.9034.35(6.88±0.08)c(15.54±0.16)cS6(35.75±0.15)a37.6533.90(8.52±0.07)e(19.19±0.10)e 注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.01)。下同。

3.3 植物群落结构对群落内夏季相对湿度的影响

如图2所示，在测量时间段内，各样地植物群落内平均相对湿度呈波动下降趋势，6个样地植物群落内的相对湿度均高于对照的。由表4可知：在测量时间段内，6个样地群落内的相对湿度与对照的差异均达显著(Turkey HSD多重比较分析，P<0.01)，说明植物群落对林下环境具有显著的增湿作用。6个样地植物群落内的增湿作用范围在6.70%～18.70%之间，平均增湿作用为14.14%；增湿率范围在22.79%～75.10%之间，平均增湿率为54.05%。不同冠层结构的植物群落增湿作用存在差异，增湿作用在S3与S6样地群落间的差异性不显著，但在S3、S6与S1、S2、S4、S5样地群落间的差异均达到显著水平；在S1、S2、S4、S5样地群落之间的差异均达到显著水平(P<0.01)。按增湿作用从大到小排序，6个样地植物群落依次为S6、S3、S2、S5、S4、S1。按增湿率从大到小排序，6个样地植物群落依次为S2、S3、S6、S5、S4、S1。

图2 6种植物群落及其对照组平均相对湿度的日变化趋势Fig.2 Daily trends in mean relative humidity of the six plant communities and their controls

分析其原因，受植物垂直结构与冠层特征的影响，丰富的冠层结构能够有效截留散发的水分子，使得对照的相对湿度在快速降低的情况下，样地植物群落内保持了较高的相对湿度。S1样地群落缺乏高大乔木，三维绿量小，无法高效截留散发的水分子，群落内相对湿度的增加效果远差于其他样地群落的；S3与S6样地的群落结构复杂，冠层特征相近，表现为相近的增湿效果；S5样地群落垂直结构单一，缺乏灌木、草本地被层，林下空间开阔，其增湿作用与其他样地群落的差异显著。可见，实测结果符合群落结构越复杂，冠层特征越丰富，群落增湿作用越明显的规律。此外，相对湿度变化还受到各种外部环境因素的影响，相较于其他样地群落，S4样地群落的乔木层平均胸径小，分层数量多，群落高度小，无法较好地进行空气对流，其相对湿度与其他样地群落的差异均显著。而同为乔草结构的S2样地群落，分层数少，群落高度相较S4高3.18 m，增湿率高38.67%。可见，群落林下空间的通透性越好，外界环境因子对群落内湿度的影响作用更迅速，群落内的相对湿度变化更明显。

表4 6种植物群落的增湿效果Tab.4 Humidification effect of six plant communities样地编号相对湿度平均值/%最大值/%最小值/%增湿作用/%增湿率/%DZ(28.28±0.42)a35.0322.40S1(34.88±0.51)b44.2328.63 (6.70±0.15)a(22.79±0.81)aS2(44.41±0.53)d53.2338.38(16.24±0.19)d(75.10±1.95)eS3(46.86±0.44)e52.7840.95(18.59±0.19)e(68.13±1.16)dS4(38.09±0.47)c46.1332.90(9.81±0.19)b(36.43±0.77)bS5(43.09±0.42)d51.5038.68(14.82±0.19)c(53.82±1.07)cS6(46.97±0.45)e52.3540.50(18.70±0.17)e(68.03±1.02)d

3.4 植物群落结构对群落内夏季风速的影响

如图3所示，在测量时间段内，对照与各样地群落内的风速变化曲线相互交错，但均表现出较大幅度的上下波动。由表5可知：从平均风速上看，S2、S3、S4样地群落内的平均风速略高于对照的，S1、S5、S6样地群落内的风速略低于对照的；6个样地植物群落的平均风速与对照的差异均不显著，其阻风作用范围在-0.15～0.14 m·s-1之间，平均阻风作用为-0.01 m·s-1；阻风率范围在-40.25%～-13.02%之间，平均阻风率为-21.34%。说明6种样地植物群落均不存在明显的阻风作用，仅S1、S2样地群落具有0.14 m·s-1、0.06 m·s-1的阻风作用。不同植物群落的阻风作用、阻风率的差异均不显著(Turkey HSD多重比较分析，P>0.01)。

图3 6种植物群落及其对照组平均风速的日变化趋势Fig.3 Daily trends in mean wind speed for the six plant communities and their controls

相关研究表明，相较于乔木层，灌木层对植物群落的阻风作用更突出[23]，乔木层因树木分支点高，而当树冠的高度≥1.5 m时，无法对风场产生良好的调节作用。在S1样地群落中，低矮灌木对风形成了阻挡作用，而其他乔草、乔木结构群落的林下空间通透，空气对流效果好，对风速有促进作用。相较于温度与相对湿度，风环境极易受到大气环境的影响，其变化具有不确定性。在群落特征上，S2样地群落的高度较S4样地群落的更高，表现为较弱的阻风作用，S2样地群落对风速起促进作用；尽管S3、S6样地群落中均有灌木层，冠层结构特征均比S1样地群落的复杂，但在风速调节上均表现为促进作用，不具备阻风作用。可见群落结构与冠层特征对风速的影响不明显。这可能是由于五溪文化公园中各样地及样地周边环境因素均相差不大，群落内部空间围合紧密度不高，当环境风经过样地时便无法形成明显的阻风作用。

表5 6种植物群落的阻风效果Tab.5 Wind blocking effect of six plant communities样地编号平均风速/(m·s-1)最大值/(m·s-1)最小值/(m·s-1)阻风作用/(m·s-1)阻风率/%DZ0.81±0.061.590.29S10.79±0.082.000.01 0.14±0.12-13.02±17.28S20.87±0.051.680.33 0.06±0.11-17.01±12.81S30.91±0.061.540.20-0.15±0.09-40.25±15.01S40.86±0.051.500.41-0.09±0.08-23.94±13.11S50.77±0.071.820.13-0.01±0.10-15.37±11.31S60.80±0.061.480.28-0.05±0.06-18.47±8.53

4 结论与讨论

(1)怀化市五溪文化公园中的植物群落均具有明显的降温增湿作用，其中群落结构越复杂，三维绿量与郁闭度越大，平均胸径越大的植物群落，其降温、增湿作用越明显，且群落高度越高，林下空间越空旷，植物群落的增湿作用越明显。

(2)怀化市五溪公园中植物群落的阻风作用均不明显，其阻风作用主要受群落中灌木层的影响，群落冠层结构特征对其影响不明显，且阻风作用极易受到周边环境因素的影响，具有不规律性。

(3)在怀化市五溪文化公园不同结构的植物群落中，乔灌草结构的群落其降温、增湿效果最佳。这是因为乔灌草结构的群落其垂直结构较丰富、冠层特征明显，具有更多的、更密集的树枝、树干，能起到更好的隔热、保湿作用，这与高吉喜等[12]的研究结果相似。该公园中植被空间结构对风速的影响并不突出，与刘滨谊等[23]的研究结果存在差异，这可能是因为该公园中植物群落的纵向结构及横向结构的差异性小，对风环境影响单一，因此表现为风速差异性不明显。

(4)总体上，怀化市五溪文化公园中的植物群落林下空间开阔，通风效果好，具备一定的微气候调节能力，可以在夏季营造较舒适的纳凉环境，但存在群落结构单一、分层数量少，缺乏成年高大乔木的现象。出现这种现象的原因是因为该公园建成年份短，而幼树长成高大乔木需要的时间较长。未来可以通过增加灌草层植被，补植乔木先锋树种的方法来提高植物群落的三维绿量、郁闭度，丰富植物群落层次，构建更舒适的夏季林下微气候环境。