城市风景游憩林对环境变化的缓解效应

刘 艳，黄雅奇，陈 婵，李巧云，宋 胤，吴林世，廖菊阳

(1.湖南省植物园，湖南 长沙 410004； 2.湖南长株潭城市群森林生态系统国家定位观测研究站，湖南 长沙 410004；3.国家林业草原杜鹃工程技术研究中心，湖南 长沙 410004)

城市化是指一个国家或地区从传统农村社会逐步向现代城市社会转变的历史过程，人类对城区的干扰强度随着城市化进程的加快呈现从郊区到市中心逐渐增加的趋势。在城市生态建设过程中，植物多样性作为城市生态的重要指标，关系到人与自然的和谐发展[1]。目前有研究表明植物多样性分布随着城市化水平的提高呈现逐渐降低的趋势[2]。景观、游憩是森林的重要功能，也是发展生态旅游和森林健康等现代林业产业的基础[3]。随着社会经济的快速发展和居民生活水平的不断提高，人类对于风景游憩林的依赖不断增强[4-5]。2020年，由于新型冠状病毒(COVID-19)袭击，居民在家工作，社会关系疏远，世界各地许多城市对城市绿地的需求增加[6-7]。风景游憩林作为一种重要的城市森林，除了有益于游客和居民的身心健康[8-9]和获得愉悦感[9]外，还在改善和维护生态环境方面发挥着重要作用[10]，如调节气候[11-12]等。目前关于风景游憩林的研究大多集中在基调树种组成特征[13]、群落结构特征[14]、景观评价[15]等方面，而且大多集中在对珠江三角洲、京津冀以及东北等地区风景游憩林的研究[14-16]。

已有研究证实，城市绿地植物群落能通过遮荫和蒸散来缓解城市热岛效应，改善城市环境[17]，此外，还在提高人类健康水平、促进社会互动、缓解精神疲劳等方面具有积极作用[18]。风景游憩林中含有丰富的负离子(空气维生素)，可以显著提高人体自然杀伤细胞的活性，提高人体免疫力，因此具备较高的康养价值[19]。同时，风景游憩林作为城市有机生命体的重要栖息地，对高度城市化地区维护生态平衡发挥着重要作用。在高度发展的现代城市中，如何合理配置城市植物，优化城市植物在生态系统中的服务功能，一直是城市生态领域关注的重要内容[20]。目前，关于风景游憩林内环境指标的城市化梯度效应研究在华中地区较少，因此，本研究在长株潭地区的城市绿地中选择长株潭地区典型城市风景游憩林杜鹃(Rhododendronsimsii)林、樱花(Cerasusyedoensis)林、枫香(Liquidambarformosana)林、马尾松(Pinusmassoniana)林、樟树(Cinnamomumcamphora)林等作为研究对象，探究风景游憩林环境指标的城乡梯度差异，揭示风景游憩林对城市化导致的环境指标变化的缓解效应，为进一步研究亚热带地区风景游憩林提供参考。

1 研究区概况

研究区设在湖南省长株潭地区，地处111°53′—114°15′E，26°03′—28°41′N。该区的气候属亚热带季风气候，年平均气温16.5～17.7℃，年降雨量约为1462.3mm；四季分明，热量充足，降水丰沛，雨热同期；地貌复杂，以山地、丘陵、平原为主，地形起伏较大，东、南面高，西、北面低；土壤母质类型多样，以红壤、水稻土、石灰土、紫色土等为主。地带性植被以亚热带常绿阔叶林为主，主要有樟树、枫香、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、柯(Lithocarpusglaber)等树种；兼有常绿针叶林，主要有杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松、湿地松(Pinuselliottii)等树种。

2 研究方法

2.1 样地设置

依据样点间的不透水表面面积占比(Impervious Surface Area，ISA)[21]和样点距市中心的距离划分城市区域梯度，并根据城市化水平将城市划分为建成区、近郊区、远郊区。为去除两种方法划分结果的差异，采用加权回归法分析综合各样点的不透水表面面积占比和距市中心距离，取其综合值进行区域梯度划分。

2021年7月，采用典型抽样法，在湖南省长株潭地区的城市公园、社区公园、街头绿地和自然森林公园中3种城市区域内，以杜鹃、樱花、马尾松、樟树、枫香等为优势树种的风景游憩林中分别设置面积为20m×20m的固定样地，每种区域梯度每种林分至少设置4次重复，尽量使同一地貌区样地的海拔、坡度、坡向等立地条件基本一致。记录固定样地的经度、纬度、海拔、坡向、坡度等，同时采用样方调查法对植物群落进行调查。样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况Tab.1 Situation of plot setting林分类型城市区域样地名称建成区晚安文化公园、橘子洲、圭塘河生态公园杜鹃林近郊区湖南省植物园、桃花岭公园、梅溪湖公园、烈士公园远郊区大围山森林公园建成区晚安文化公园、保利麓谷体育公园、沙湾公园、橘子洲、圭塘河生态公园樱花林近郊区尖山湖公园、南郊公园、湖南省植物园、梅溪湖公园远郊区巴溪洲公园建成区和馨园社区公园、橘子洲、月湖公园、牛头村安置小区枫香林近郊区湖南省植物园、岳麓山公园、烈士公园远郊区秀峰山公园建成区星月公园马尾松林近郊区湖南省植物园、南郊公园远郊区青羊湖国有林场建成区沙湾公园、桂花公园、橘子洲、圭塘河生态公园、鸿俊星河城樟树林近郊区南郊公园、洋湖湿地公园、烈士公园、湖南省植物园、岳麓山公园、梅溪湖公园远郊区秀峰山公园、松雅湖湿地公园

2.2 环境因子监测

2022年4月，根据局部控制和随机原则，在每块固定样地的左上角至右下角对角线上均设置3个监测点，3个监测点分别位于样地的左上角、中间和右下角，采用L95智能温湿度记录仪(上海发泰)记录每个监测点的气温、相对湿度；采用EP050型便携式大气负离子监测仪(EPEX，美国)记录每个监测点的负离子浓度；采用DUSTMATE型手持式环境粉尘检测仪(Northwich，英国)测定各监测点的空气颗粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)组成。为保证数据的可比性，观测时间均为上午9：00—11：00，并尽量保证同一林分观测时天气条件一致。

2.3 数据分析

使用Microsoft Excel Package(Office 2010)软件统计和计算各项指标的平均值及标准偏差等，使用R 4.1.3(R Development Core Team，2022)软件进行单因素方差分析。

3 结果与分析

3.1 不同城市区域不同林分内的气温、相对湿度

城市森林在降温、增湿方面均有一定的作用。研究结果(表2)表明：杜鹃林、枫香林和樟树林内的气温均表现为建成区的较近郊区和远郊区的高，但樱花林内的气温表现为在建成区的低于在远郊区的，马尾松林内的气温表现为在建成区的低于在近郊区的；杜鹃林、樱花林、枫香林和樟树林内的相对湿度均表现为在建成区的较在近郊区和远郊区的低，马尾松林内的空气湿度表现为在建成区、近郊区和远郊区的均大于90%。植物和城市建筑材料在湿度和热特性方面存在差异[22]，植物能影响周围环境的小气候，因此，在不同区域内温、湿度存在一定的差异。研究表明，郁闭度是影响温度的核心因素[23]，多层植被群落因其郁闭度增加，其降温增湿作用增大，因此，不同林分的降温增湿效果有差异。

表2 不同城市区域5种林分内气温、相对湿度Tab.2Air temperature and humidity of five different for-ests in different regions城市区域林分类型气温/℃相对湿度/%建成区29.86±1.0061.60±2.55近郊区杜鹃林25.56±0.7094.02±3.63远郊区16.30±0.7490.53±1.48建成区25.98±1.2079.43±1.53近郊区樱花林27.87±0.3582.30±4.75远郊区30.30±0.5883.18±2.06建成区30.29±0.5071.52±2.73近郊区枫香林24.40±0.4096.13±2.22远郊区25.43±1.4892.21±3.03建成区24.26±0.7693.42±1.76近郊区马尾松林25.44±0.3094.42±1.13远郊区20.77±0.5990.52±0.68建成区29.37±0.6870.22±0.78近郊区樟树林25.53±0.4288.76±0.72远郊区24.60±0.5791.48±2.28

3.2 不同城市区域不同林分内的负离子浓度

表3结果表明：在城市风景游憩林内负离子浓度均较高，均大于1400个·cm-3，在远郊区的杜鹃林、马尾松林内负离子浓度均超过了10000个·cm-3。不同林分内负离子浓度的城乡梯度表现出不同的趋势，樱花林和马尾松林内均表现为随着城市化水平的提高负离子浓度逐渐降低，而枫香林和樟树林内则均表现为在远郊区的负离子浓度比在建成区的低，杜鹃林内表现为随着城市化水平的提高负离子浓度先降低后升高。负离子浓度越高，空气越新鲜，越利于人们疾病的治疗和身体的康复[24]。本研究中5种不同风景游憩林在建成区、近郊区和远郊区的负离子浓度均远远大于人体对空气负离子浓度的生理最低需求(700个·cm-3)，说明风景游憩林对人体有较好的康养功能。

表3 不同城市区域5种林分内负离子浓度Tab.3 Negative oxygen ion concentration of five different forests in different regions个·cm-3城市区域杜鹃林樱花林枫香林马尾松林樟树林建成区1 873.7±95.211 471.2±67.731 898.7±52.451 507.4±65.381 740.8±83.30近郊区1 525.6±76.581 984.0±58.731 624.8±97.801 873.3±61.241 915.2±49.43远郊区10 070.1±105.672 043.1±91.241 656.4±107.6432 406.1±272.541 631.6±65.66

3.3 不同城市区域不同林分内的空气颗粒物组成

表4结果显示：在不同城市区域不同林分内空气颗粒物组成有所差异，杜鹃林、枫香林、马尾松林内均表现为在远郊区的空气颗粒物浓度比在近郊区和建成区的低；樱花林内表现为在远郊区的空气颗粒物浓度最高，樟树林内表现为在近郊区的空气颗粒物浓度最高，在建成区和远郊区的较低；不同区域不同类型的风景游憩林内，其颗粒物的浓度均呈现为PM10的>PM2.5的>PM1的。这是因为大气颗粒物浓度与林分的植被类型、优势树种叶片形态及其所在城市区域有关[25]。

表4 不同城市区域5种林分内空气颗粒物组成Tab.4 Composition of air particles of five different forests in different regionsμg·m-3城市区域林分类型TSPPM10PM2.5PM1 建成区55.22±0.6535.93±1.0817.57±1.066.75±0.29近郊区杜鹃林331.55±5.29250.75±1.58136.63±2.1050.00±0.89远郊区42.18±0.8926.81±1.0612.28±0.976.38±0.71建成区44.50±7.3529.25±2.6114.70±0.695.67±0.25近郊区樱花林59.69±1.9343.51±1.0523.87±0.529.86±0.21

3.4 城市风景游憩林对环境变化的缓解效应

单因素方差分析结果(表5)表明，气温、相对湿度、负离子浓度、空气颗粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)浓度在城乡梯度间均存在显著差异(P<0.01)，说明城乡梯度对各环境因子的影响均显著。结合表2至表4结果可以看出，长株潭城市风景游憩林对于缓解城市化导致的环境变化具有一定的缓解作用，具体效果受植被类型、冠层结构以及季节等多方面因素的影响[26]。有证据表明，绿地面积与缓解效应呈正相关关系[27]，但是当绿地面积超过40 hm2时，其缓解幅度逐渐降低[28]。

表5 环境因子城乡梯度差异单因素方差分析Tab.5 ANOVA for Urban-rural gradient difference of environmental factors气温相对湿度负离子浓度TSPPM10PM2.5PM1FPFPFPFPFPFPFP23.93<0.0154.46<0.0121.27<0.0149.75<0.0157.05<0.0154.59<0.0156.79<0.01

4 结论与讨论

(1)城市森林在降温、增湿方面均有一定的作用。由于城市建筑密集、路桥密度高等特点，容易引发热岛效应，城市化改变了城市的气候与环境条件[29-30]。本研究中杜鹃林、枫香林和樟树林内的气温均表现为在建成区的最高，在远郊区和近郊区的较低；在樱花林和樟树林内的相对湿度均随着其所在区域从市中心往城市边缘变化而呈现逐渐增加的趋势。植物是风景游憩林的重要组成部分，植物通过遮荫和蒸腾作用对周围环境的小气候产生重要影响[31]。植物群落的冠层结构包括水平和垂直方向的结构，植物群落的落叶面积指数、冠层密度和天空视觉因子等会影响群落的降温、增湿和防风效应。张波[32]对长春和哈尔滨两个城市森林树木微气候调节研究结果表明，在高温、晴朗和低湿环境中，城市森林的遮荫、降温和增湿等生态服务功能更强；胸径、树高、活枝下高、树冠宽度和胸径对树木的遮荫、降温和增湿效果有显著影响，高大树木具有更明显的生态服务功能；在环境因素中，光照强度是小气候调节功能的最大限制因素。因此，还需要更深度地探究环境因子的城乡梯度差异与风景游憩林中不同树种组成、单木形态特征、林分结构之间的相关关系。

(2)长株潭地区的樱花林、杜鹃林和马尾松林内，在远郊区的负离子浓度均最高，在近郊区和建成区的均相对较低，且5种风景游憩林内的负离子浓度均远远大于人体对空气负离子浓度的生理最低需求(700个·cm-3)，人体感舒适。空气中负离子浓度与植被的冠层密度有很大的关系[33]，植被的冠层密度与植被类型有关。由于植物自身的光合作用、叶面光电效应以及释放的芬多精等可以增加空气中的负离子，对负离子浓度的增加有显著影响，同时，城市中人类的活动对负离子含量也有所影响，尤其是在傍晚起主导作用，这也解释了为何远郊区的负离子含量高于近郊区和建成区的[34]。

(3)空气颗粒物浓度在杜鹃林、枫香林、马尾松林内均表现为在远郊区的比在近郊区和建成区的低。樊艺等[25]的研究结果表明，不同类型城市森林的林冠结构和大气颗粒物浓度存在显著差异，这与本研究的结果一致。不同城市区域不同类型的风景游憩林内，其颗粒物的浓度均呈现为PM10的>PM2.5的>PM1的。城市化进程会导致城市中有大量的机动车和工业企业，城市大气中含有大量的有害气体，如二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和臭氧等，空气污染现象明显[30]，因此在多数风景游憩林中，在远郊区的空气颗粒物较在建成区和近郊区的低。2011年《长株潭城市群生态绿色核心区总体规划(2010—2030年)》提出，将生态绿色核心区域划分为禁止开发区、限制开发区和建设协调区[35]，有效地保护了城市核心绿心区空气环境质量，因此建成区的空气颗粒物浓度比近郊区和远郊区的低。此外，植物叶片对空气中的颗粒物具有一定的阻滞作用[36]，由于不同树种的形态结构和生物学特征存在差异，因此对于颗粒物的阻滞效果存在差异。白天人类活动、汽车行驶等增加了空气中颗粒物浓度，从而降低了负离子浓度，因此，在杜鹃林内以远郊区空气中总颗粒物浓度最低，而负离子浓度最高[34]。

(4)在长株潭地区的风景游憩林内，气温、相对湿度以及负离子、TSP、PM10、PM2.5、PM1浓度在城乡梯度间均存在显著差异(P<0.01)，且不同树种呈现不同规律。总体来说，城市绿地能够在一定程度上缓解由于城市化进程导致的环境变化，但具体的影响还受多方因素的影响，如树种配置、郁闭度、下垫面结构、季节等。本研究仅从树种和地理位置角度分析，未来还需进行多维度探讨。