基于热舒适的湿热地区露营地树木种植配置模式*

骆心仪 赵 阳 郭曈烨 钟梓渝

广州大学建筑与城市规划学院 广州 510000

露营为城市居民提供与大自然进行交流和互动的平台，促进人与人之间的交往，有利于人们的身心健康。研究表明，热舒适水平影响城市开放空间的使用[1]。空气温度、湿度、热辐射、风速等小气候参数影响人体与周围环境的热传递[2]，露营地的热环境在很大程度上决定使用者的舒适度。然而，当前大多数露营地的树木种植及布局随意，缺少对热环境方面的考量。湿热地区夏季炎热漫长，在高温天气下，露营地无法满足人们的热舒适需求，从而在一定程度上限制人们露营。因此，改善露营地室外热环境对人们开展户外露营活动尤为重要。

大量研究从多方面提出改善室外热环境的策略。其中，种植树木是有效的手段，树木不仅能阻挡一定的太阳辐射，为行人提供遮荫空间，其蒸散作用还能有效降低空气温度和增加湿度[3-4]。Kántor等[5]通过对比树木遮荫区与无遮荫区发现，树下空间的生理等效温度 (Physiologically Equivalent Temperature，PET)降低了9.3℃，树木通过吸收和反射太阳辐射降低平均辐射温度，从而降低PET。Morakinyo等[6]指出树木的物理特性，如树冠宽度、叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)、树高等，是影响树木调节微气候和改善室外热舒适的关键因素，其中LAI和树冠宽度的影响最为明显。此外，树木种植布局的不同也会对微气候产生不同的影响[7]。例如，Zhao等[8]研究发现树木群植和线性种植的布局方式对微气候的调节效果比孤植的更明显。因此，选择合适的树种和组织良好的种植布局可以更有效地改善露营地的室外热舒适。

综上所述，本研究以湿热地区夏季城市自然露营地为对象，探讨10种树木对露营地5种布局空间的室外热环境影响，旨在找出显著改善湿热地区露营地热环境的树种及种植模式。

1 研究区概况

广州(22°26′—23°56′N，112°57′—114°3′E)是中国南部亚热带湿热地区的一个典型城市，年平均气温和湿度分别为22℃和77%[9]，其日平均温度在7月和8月最高(27.6～33.3℃)。风向随季节变化，夏季受亚热带高压和南海低压的影响盛行东南风[10]。本研究选取广州市番禺区大学城的一处自然露营地作为研究对象，场地内树木种类及种植方式多样，具有丰富的植物空间类型，具有较高的对比研究价值。

2 研究方法

2.1 微气候实测

为了评估露营地的热环境并验证仿真模型的准确性，在2022年9月4日9∶00—18∶00进行微气候实测，测量所选日期晴朗无云。基于露营地人群的活动行为及树木种植模式的不同，分别选出开敞无遮荫(测点1)、树木包围无遮荫(测点2)、孤植遮荫(测点3)、群植半遮荫(测点4)、群植全遮荫(测点5)共5个测点。所有仪器使用前均经过校准(表1)，每个测点设置的高度离地面1.5 m。

表1 测量仪器及其参数

图1 研究区域平面图及测点布置

2.2 ENVI-met树木模型搭建

取10种湿热地区露营地常见的树木，并在ENVI-met仿真软件的Albero模块中构建树木模型。构建树木模型需要树高、冠幅、枝下高、叶面积密度(Leaf Area Density，LAD)、叶片反射率、根幅、根深、根系形状和根面积密度共9种参数。由于树木的根系形态对模拟效果影响不显著[11]，因此根系形态在建模中均采用软件的默认值，其余树木物理参数均为实测值。其中，树高、冠幅及枝下高采用测距仪测量；叶片反射率使用分光光度计(Lambda 950-紫外-可见-近红外，美国)测量；LAI采用植物冠层图像分析仪(TOP-1300，中国)测量；树冠各层LAD采用Lalic等[12]提出的经验算法计算。具体树木的属性和物理参数如表2所示，树木模型如图2所示。LAD计算公式如下:

表2 树木属性和物理参数

图2 ENVI-met树木模型

式(1)中:h为树高(m)；Z为冠层高度(m)；Zm为LAD最大值时对应的高度。

2.3 模型精度评价

虽然应用ENVI-met模型模拟中小尺度的城市热环境的准确性已得到验证，但由于地域及气候环境、场地元素、试验对象等因素的不同，模拟结果的准确性可能会受到影响[7，11]。因此，本研究采用决定系数(R2)、均方根误差(Root Mean Square Error，RMSE)和平均绝对误差(Mean Absolute Error，MAE)作为ENVI-met模拟精度校验指标[13]。计算公式如下:

式(2)、式(3)中:m为模拟值；x为实测值；n为实测次数。

2.4 热舒适性评价指标

PET为在某一室外环境中，当人体处于热平衡时，其体表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，是现今在各种不同气候下较为常用的评价指标之一[14]。PET在不同气候区具有不同的评价范围，本研究使用广州的PET评估范围[15](图3)。

图3 广州的PET评估范围

2.5 试验设计

本研究不改变现状区域的树木种植模式，将研究区域内的全部树木分别统一换成所选的10种树木类型，分别为高山榕(Fa)、红花羊蹄甲(Bb)、蒲桃(Sj)、非洲楝(Ks)、大花紫薇(Ls)、黄葛树(Fv)、秋枫(Bj)、人面子(Dd)、凤凰木(Dr)、小叶榕(Fc)共10种场景，分别讨论不同树种对开敞无遮荫(A1)、树木包围无遮荫(A2)、孤植遮荫(B1)、群植半遮荫(B2)、群植全遮荫(B3)这5种空间微气候参数和PET的影响。此外，本研究以无植被的场景为对照组(Cg)，并取各监测点人行高度1.5 m处微气候参数及PET的平均值与Cg进行比较分析。

3 结果与分析

3.1 模型精度

由图4可知:各测点空气温度和相对湿度R2分别介于0.79～0.99、0.72～0.82；RMSE分别介于0.36～0.85℃、2.67%～3.68%；MAE分别介于0.31～0.74℃、2.24%～3.11%。结果说明误差均在允许范围内，所建立的ENVI-met模型是可靠的，可用于本次研究。

图4 研究区域各测点空气温度(a～e)、相对湿度(f～j)实测值与模拟值的线性拟合

3.2 不同树种对不同空间空气温度的影响

由图5可知:不同树种对A1空间空气温度影响不大；在A2，不同树种可以降低空气温度0.45～0.81℃，降温梯度为Fa＞Bb＞Fc＞Fv＞Dr＞Dd＞Bj＞Ls＞Sj＞Ks；在B1可降低0.15～0.43℃的空气温度，降温梯度为Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Bj＞Dd＞Sj＞Ls＞Dr＞Ks；在B2可降低0.60～1.02℃空气温度，降温梯度为Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Dr＞Sj＞Ls＞Ks；在B3可降低空气温度0.60～0.91℃，降温梯度为Bb＞Fa＞Fv＞Dr＞Fc＞Dd＞Bj＞Sj＞Ks＞Ls。

图5 不同树种对不同空间空气温度的影响

3.3 不同树种对不同空间平均辐射温度的影响

由图6可知:各树种对A1的平均辐射温度影响不明显；在A2，Fa与Fc相比于其他树种，降低平均辐射温度的效果更明显，平均可降低8.92℃和8.0℃，而其余树种最多仅能降低平均辐射温度1.09～3.40℃；在B1，不同树种可降低平均辐射温度6.84～13.85℃，梯度为Ls＞Bb＞Fc＞Fa＞Dd＞Fv＞Sj＞Bj＞Ks＞Dr；在B2，不同树种可降低平均辐射温度8.47～14.26℃，梯度为Ls＞Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ks；对于B3，不同树种可降低平均辐射温度9.46～13.67℃，梯度为Ls＞Bb＞Fa＞Fv＞Fc＞Dd＞Dr＞Sj＞Bj＞Ks。

图6 不同树种对不同空间平均辐射温度的影响

3.4 不同树种对不同空间相对湿度的影响

由图7可知:不同树种对A1和B1空间的相对湿度影响不大，平均相对湿度增加0.59%～1.99%；对其余3个空间的相对湿度影响明显，其中在A2，与Cg相比，不同树种可增加相对湿度1.99%～3.73%，递增梯度为Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ls＞Ks；在B2，不同树种可增加相对湿度2.16%～4.12%，递增梯度为Bb＞Fa＞Fv＞Fc＞Dd＞Bj＞Sj＞Ls＞Dr＞Ks；在B3，不同树种可增加相对湿度2.19%～3.72%，递增梯度为Bb＞Fv＞Fc＞Dd＞Ls＞Fa＞Sj＞Bj＞Dr＞Ks。

图7 不同树种对不同空间相对湿度的影响

3.5 不同树种对不同空间风速的影响

由图8可知，5种空间内的风速均出现不同程度的降低，但总体的幅度并不大。在A1，不同树种降低风速的能力无明显差异；在A2中，不同树种平均风速为0.57～0.76 m·s-1，其中Fc风速最低；对于B1、B2和B3这3个空间，不同树种的平均风速分别为0.59～0.8、0.40～0.77和0.37～0.80 m·s-1，其中，Ls风速最低，Dr对风速几乎没有影响。

图8 不同树种对不同空间风速的影响

3.6 不同树种对不同空间热舒适度的影响及其相关性分析

由图9可知:不同树种的差异对A1的PET影响不大；Fa与Fc能较好地改善A2的热环境，平均可降低PET 4.76℃和4.01℃，但其余树种对改善此空间热舒适度的效果不明显，仅能降低PET 0.45～2.06℃；在B1，不同树种可降低PET 3.88～6.35℃，降低梯度为Ls＞Bb＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Bj＞Sj＞Dr＞Ks；在B2，不同树种可降低PET 4.50～6.82℃，降低梯度为Bb＞Ls＞Fa＞Fc＞Fv＞Dd＞Dr＞Bj＞Sj＞Ks；对于B3，不同树种可降低PET 5.27～6.94℃，降低梯度为Bb＞Ls＞Fa＞Fv＞Fc＞Dr＞Dd＞Ks＞Bj＞Sj。通过比较，5种不同空间热舒适梯度为B3＞B2＞B1＞A2＞A1。

图9 不同树种对不同空间热舒适度的影响

10种树种与PET的相关性分析如表3所示:与Cg相比，各树种都能极显著(P＜0.01)降低PET值，树种之间降低PET的平均差异为3.03～4.83℃；对于其余树种，Ks与Fa对PET的影响差异达到极显著(P＜0.01)水平，Ks、Sj与Bb、Fc差异达到显著水平(P＜0.05)；Fa与Sj、Bj差异达到显著水平(P＜0.05)；其余树种之间对PET的影响无显著差异。

表3 不同树种与热舒适度的相关性分析

5种树木的不同布局空间与PET的相关性分析如表4所示:A1、A2与B1、B2、B3对PET的影响均有极显著(P＜0.01)差异；A1与A2、B1与B2、B3之间对PET的影响无显著差异。

4 讨论

与对照组相比，种植树木对A1类空间的热环境影响不大，这是因为树木对热舒适的影响主要由遮荫效果所决定[16]，而该类空间的遮荫情况没有被改变。这一结果与Lin等[17]的研究一致。

对于A2，与对照组相比，高树干，大冠幅的树种(Fa)能较明显地降低空气温度(0.81℃)、平均辐射温度(8.92℃)、PET(4.76℃)和增加湿度(3.21%)，相比其他树种更明显地改善该类空间的热舒适，这是因为A2类空间的测试点四周被树木环绕，但顶部无枝叶遮挡，树木产生的阴影随太阳活动而变化[18]，而高树干且大冠幅的树木能在上午和下午为该类空间提供相对较好的热舒适效应。

对于B1、B2、B3这3类空间，不同树种所带来微气候的影响不同。总体来说，高LAI、大冠幅的树种(Fa、Bb、Fc)改善这3类空间热舒适度的效果更明显[19]。虽然种植树木能降低温度，但在密林环境下(B3)，不同树种的影响差异不显著[20]，这是因为在密林环境中，树冠之间会重叠，LAI的影响微乎其微。Tamaskani等[21]通过比较正午时的相同覆盖率但LAI不同的两个场景，发现对应的温差小于0.5℃。因此，在密林中即使是低LAI，小冠幅的树种也同样具有较好的改善热舒适度的效果。

树木对微气候有较好的调节作用，能明显降低树木冠层下的平均辐射温度。这一现象与Feng等[22]和谭兴等[23]的研究结果相似，因为树木通过蒸腾作用和冠层遮荫能够有效地阻挡并削弱部分太阳辐射进入树下空间，进而较大程度地降低平均辐射温度。

树木对露营地的相对湿度有明显的影响。模拟结果表明种植树木可明显增加露营地的相对湿度，且高LAI、大冠幅的树种(Fa、Bb、Fc)起到了更好的增湿效果。而Guo等[24]发现种植较少的树木无法影响湿热地区的城市室外小尺度活动空间的相对湿度，与其相比，本研究区域树木覆盖率大，且下垫面为草地，较多的树木和草地的结合增加了总蒸腾量，使相对湿度明显增加。

对于A2、B2和B3这3个空间，树木对其附近的气流产生了阻挡，风速明显降低，其中，较高LAI、较低枝下高、较小冠幅的树木(Ls)对风的阻挡作用更明显。这是因为呈柱状的树冠垂直面积较大，与风的有效接触面积扩大；高LAI树木的叶面积密度大，叶间孔隙小[16]，对风的阻挡作用更明显[25]。因此在露营地的树木种植设计时，有必要在树木的遮阳效应和通风效应之间找到平衡。

在5种种植布局中，B1、B2、B3比A1、A2空间表现出较强的微气候调节能力，其中B3对热环境的改善效果最明显，在同一场景，B3与对照组相比可降低空气温度(0.91℃)，平均辐射温度(12.58℃)，PET(6.94℃)。对于B1、B2和B3而言，群植的树木比孤植的树木更能降低气温，这是因为群植中连续的树冠增加了持续的遮荫面积，对太阳辐射的遮挡更明显，因此冷却和增湿效果也有所增加[8，26]。这与Abreu-Harbich等[27]的研究结果一致，即与对照组相比，在夏季孤植树下的气温可降低0～2.8℃，而群植树下的气温可降低0.3～15.7℃。

综上，本研究仅探究湿热地区露营地常见的10种树木对5种不同种植布局空间热环境的影响。事实上，人们在露营空间的活动方式较多，未来还可以探究不同树种的种植搭配对露营地的影响，以及在控制树木种类的前提下探究树木的数量及种植布局对热环境的影响。

5 结论与建议

5.1 结论

5种不同种植布局空间的热舒适度梯度为群植全遮荫(B3)＞群植半遮荫(B2)＞孤植遮荫(B1)＞树木包围无遮荫(A2)＞开敞无遮荫(A1)。高LAI且大冠幅的树木能更好地改善孤植遮荫、群植半遮荫和群植全遮荫空间的热舒适。在群植全遮荫空间中，不同树种对其热舒适度的影响无明显差异。对于树木包围无遮荫空间，高树干且大冠幅的树木可在上午和下午提供短暂的遮荫环境，可相对地提高舒适度。

5.2 建议

对于开敞无遮荫空间，由于其热舒适性差，在露营地中应相对集中不宜分散，以便提供与露营相关的活动场地，如放风筝等。对于提供舒适空间有限的孤植遮荫这类空间也不宜过多布置。在群植半遮荫空间，应种植高LAI、大冠幅的树木。在群植全遮荫空间，由于此类空间枝叶交叉，可提供充足的遮荫环境，因此可考虑种植稍低LAI但较高枝下高、具备花香或特定形态的树木，以利于露营地通风并营造丰富的景观。在树木包围无遮荫这类较私密的特定需求空间，应充分考虑树木遮阳的动态定位，选择种植高树干且大冠幅、较高枝下高的树木。