城市绿地对小气候影响的研究进展

生态环境2008,17(6):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（3050069）；沈阳农业大学中、青年硕士导师基金项目资助作者简介：郭伟（1973年生），男，副教授，博士，主要从事于基础生态学和污染生态学研究。E-mail：[e-mail]*通讯作者：E-mail:[e-mail]收稿日期：2008-08-16城市绿地对小气候影响的研究进展郭伟，申屠雅瑾*，邓巍，潘星极沈阳农业大学，辽宁沈阳110161摘要：城市绿地对小气候的生态作用是研究城市绿地的重要问题。综述了国内外有关城市绿地对温度、湿度作用的研究报导，总结了城市绿地对温度、湿度影响的时空变化规律。目前城市绿地与温、湿度的关系多为定性研究，定量研究的技术与手段的局限使得定量研究还存在一定困难；城市绿地在美学、休憩等方面的潜在作用还无法定量研究；关于城市绿地群落结构与特性对小气候影响机制的研究还很少，这些都将是今后研究的重要方向。关键词：城市绿地；小气候；温度；湿度中图分类号：X16文献标识码：A文章编号：1672-2175（2008）06-2520-05城市绿地对城市环境和气候的调节起着极为重要的作用，被誉为“绿色保护神”[1]。随着城市化建设步伐的加快，以热岛效应为代表的热环境变化成为影响城市生态环境质量的重要因素。尤其在夏季高温已严重影响到了人们的正常生活。城市绿地降温增湿作用明显，改善了周边的环境。因此，研究城市绿地对于小气候的改善作用具有重要意义。目前，国内对城市绿地生态效应的研究较多，国外也有不少这方面的研究[2-4]，并且多集中于对其改善小气候作用的研究，尤其是对最能反映城市绿地改善小气候的重要指标——降温、增湿效应的研究[5]。本文针对国内外文献，对城市绿地改善小气候作用，尤其是在降温增湿方面的作用进行了总结，以期对今后的研究工作起到借鉴和推动作用。1城市绿地的降温作用1.1城市绿地在水平方向上的降温作用环境温度与人体的生理功能密切相关，当环境气温高于28℃时，人们就会有不舒适感，温度再高就易导致烦躁、中暑、精神紊乱；频繁的热浪冲击还可引发一系列疾病，特别是使心脏、脑血管和呼吸系统疾病的发生率增加[6]。因此，城市绿地的降温作用就显得尤为重要。有研究表明，城市植被对气象场最显著的影响是降低空气温度[7-8]，植被对于周围气温的影响是有一定范围的，随着与植被距离的加大，其对环境温度的影响是逐渐减弱的[9-10]。梁娟等[9]在研究杨树片林时发现，在一天内随着与杨树片林水平距离的增加，该绿地的降温作用呈逐渐减弱的趋势，同时在一天当中的不同时段，呈现出不同的变化特点。上午，随着测点与绿地距离的加大温度迅速升高，随后温度基本保持不变；在午后，随着与该绿地水平距离的加大，温度呈线性增加，显示出该时段该绿地对温度的明显影响；而傍晚的温度变化呈现出戏剧性变化，即随着与绿地距离的增大温度逐渐下降。蘭银鼎等[10]通过对生态场的研究也得出了相同的结论，即片林对周边具有明显的降温作用，且随着测点与绿地距离的加大，降温效果呈逐渐减弱的趋势。但由于城市绿地具有多种类型，因此许多研究都集中于比较不同类型绿地之间对于小气候的改善效果。国内、外通过对城市绿地环境效益的分析发现，当绿地覆盖率小于40％时，绿地的内部结构和空间布局状况对周围环境的影响显得尤为重要，因此在此方面的研究也就显示出了其重要性[11-12]。各种绿地在傍晚之前，降温作用都较为明显，以在正午的降温效果最为明显，并且以林、灌的作用优于草坪，而林、灌两者的作用又以林地更佳；因此，林地对于缓解正午的高温具有最佳效果，在绿地建设中应该予以重视。吴菲等[13]测定了林下广场、无林广场和草坪的温度，研究结果显示，在一天当中，无林广场的温度从总体上来说是高于草坪的，并且远高于林下广场，又以正午的温度差别最大。经三天的试验测试，林下广场、无林广场和草坪的温度排序为：无林广场＞草坪＞林下广场。而在傍晚，气温排序为：无林广场＞林下广场＞草坪，此时草坪具有较好降温效果。但草坪频繁浇灌而形成水分蒸发会带走大量热量，是否由此造成草坪较好的降温效果没有进一步深入研究；综合来看，具有树林的广场在降温效果上优于其它两者。郝兴宇等[14]在比较森林、灌丛和草坪三者之间的降温差异时发郭伟等：城市绿地对小气候影响的研究进展2521现，在1.5m的垂直高度，在上午，草坪、灌丛的降温效果与森林接近，与对照的温差在水平分布差异不大，而在正午，森林则体现出较好的遮荫效果，灌丛次之，草坪最差，到了傍晚，森林各观测点均为正温差，而灌丛和草坪周边则基本为负温差。但是在3m的垂直高度时三者的水平变化出现了不同的情况，上午时段，森林各观测点与对照有较明显负温差，而灌丛和草坪仅在绿地边缘有明显的负温差且强度和延伸距离均较森林要弱得多；在正午，森林周边负温差较上午有所加强，而灌丛负温差较上午却有所减弱，草坪则出现正温差；傍晚，3种绿地周边与对照均表现为正温差。因此，森林对于改善周边气温的作用更佳。郑芷青等[15]在炎热的夏季对广州市的不同绿地也进行了研究，研究表明，林地在降温方面高于草坪，而草坪又高于裸地。马秀梅[16]、鲍淳松[17]、康博文[18]等的研究也有相似的结论。城市绿地的确具有明显改善城市小气候的作用。除上述研究外，黄良美[19]、李寒娥[20]等也均在研究中得出了相同的结论。通过遥感和GIS空间分析的方法，岳文泽等[21]研究发现，陆地表面温度（LST）和植被指数（NDVI）具有明显的相关性，LST大的区域对应NDVI一般都较小，反之亦然；中心城市LST表现出热岛效应，而NDVI则为低谷效应。钱乐祥[22]在研究地表温度与植被丰度时也有相似结论，但不同的是该研究发现地表温度与分解的植被比例的负相关关系比LST与NDVI的负相关关系要大。不论是岳文泽还是钱乐祥的研究，都显示了植被丰度越高地表温度越低的趋势（在一定范围内）。城市绿地的改善效果是显而易见的。根据朴世龙、方精云[23]对1982年至1999年底AVHRR数据的分析，最近18年来中国植被的覆盖是具有下降趋势的。因此，如何在有限的城市空间中创造出最佳生态效应的问题就显得尤为重要了。要使城市绿地对小气候的改善效果发挥到最佳，首先应该要了解影响其发挥的因素。影响绿地改善小气候的因素较多，如：绿地结构、绿地面积、绿地形状等都会影响绿地的改善效果[24]。但在这些因素中，绿地结构对其效果的发挥影响最大，因此，许多研究都是围绕不同群落垂直结构对小气候改善效果的问题展开讨论的。许多研究都表明[25-31]，乔—灌—草型的绿地降温效果最好；同时也指出，即使都是乔—灌—草型的绿地，郁闭度或绿量不同，降温效果也是不同的。刘学全等[25]在比较研究乔—灌—草型林、乔—灌—草型绿带、乔木混交林、灌木林及草坪时发现，具有乔—灌—草型垂直结构的绿地在降温方面效果最佳，而结构单一、绿量较小的绿地则降温效果有限。秦耀民[26]、谢晓蓉[27]、李辉[28]、祝宁[29]等在分析后也得出与刘学全等相同的结论。吴云霄等[30]的研究表明，郁闭度＞0.6、乔—灌—草型植物群落的降温效果就极显著的优于郁闭度为0.2～0.4、乔—灌—草型植物群落；并且当绿地结构相同时，绿量比例的不同也会影响降温效果。吴菲等[31]的研究结果也显示，在一定比例结构搭配的乔—灌—草型绿地中，如果乔—灌两个冠层绿量越高，绿地的温度则越低，降温效果越好。因此，合理的群落结构可以在一定程度上解决绿地面积较小时需要较好的改善小气候的问题。1.2城市绿地在垂直方向上的降温作用城市绿地不但在水平方向上具有降温作用，在垂直方向上也同样具有降温作用。大量的研究结果也显示，不同的绿地具有不同的降温效果，林地具有较好的垂直降温效果，而草地的效果最差，这对于今后城市绿地规划起到了一定的指导作用。刘娇妹等[32]的研究表明，油松纯林、刺槐纯林、草坪和刺槐—油松混交林在垂直方向上的日平均温度随高度的增加逐渐增加，但是差异较大，两种纯林在垂直方向上的温度较为平缓，而混交林的较复杂结构决定了其在垂直温度变化上的复杂，至于草坪，其温度升高较快，是四种绿地中降温效果最差的。郝兴宇等[12]则选择了在14：00～15：30时研究不同绿地周边气温的垂直空间分布，因为这段时间是绿地冷源效应最突出的时段，所以对此进行了分析比较；结果表明，灌丛和草坪小气候环流区域较森林要小得多，森林周边环流范围大于14m，而灌丛和草坪环流区域在10m左右和8m左右的范围内。这说明森林能够在相对较大的垂直范围内降温，更好地改善小气候。而梁娟等[7]对杨树片林的研究发现，杨树片林周边温度的垂直变化比水平变化要和缓得多；在上午测试阶段，2m以下温度普遍较低，2m以上温度上升，一直到5m以上的高度温度又开始下降；而在午后测试阶段，由于绿地的降温效应所致，随着高度的增加，温度明显上升，到了略高于乔木树冠高度时，温度稳定在某一高度上，这一高度便显示了绿地对空气温度的影响上限，到了傍晚，温度在高度上的变化趋势不怎么明显且比较杂乱。结合前面其在水平方向上温度的变化可知，与水平温度变化相似，杨树片林在垂直空间上的降温效应也表现为午后时段明显高于上午测试时段与下午测试时段。在此方面已有大量的研究报导，但多为定性研究，而定量研究则尤显不足，这方面需要今后进一步深入探究。除了乔木、灌木、草坪具有降温作用，城市中2522生态环境第17卷第6期（2008年11月）的垂直绿化植物也具有降温作用[33-35]。垂直绿化植物不但有明显的降温作用还不占用有限的城市土地，是一种较好的调节小气候的植物[36-37]，合理应用垂直绿化植物能有效减轻城市干热岛及干热街谷效应。因此，垂直绿化将成为城市绿化发展的新方向。2城市绿地的增湿作用2.1城市绿地在水平方向上的增湿作用国内、外对于城市绿地增湿效果的报导较多，均认为城市绿地具有较好的增湿作用[38-43]。根据目前的研究发现，乔—灌—草型结构的绿地具有更好的生态效应，不但能够更好的改善周围的小气候，净化空气，增加植被的多样性，还能够产生更好的视觉美感，是目前较为理想的绿地类型。祝宁等[41]在研究灌—草型和乔—灌—草型两种绿地时指出，绿地对周围环境的影响在水平方向上存在一个湿度生态效应场，两片绿地对各观察点均存在一定的增湿效应，但场强均随观察点与绿地距离的逐渐增加而减弱。其中，乔—灌—草型结构绿地的增湿效应大于单一灌木型绿地[42]，尤其是乔木盖度的作用[35]。吴菲等[13]对无林广场、林下广场和草坪的研究结果表明，湿度排序均为林下广场＞草坪＞无林广场，并且三者相对湿度差别最大的时刻出现在10：00～12：00，其次才是14：00，这与温度的变化趋势不同，温度差别最大时刻出现在14：00。郑芷青等[15]的研究表明，在湿度方面的排序是：林地＞草地＞裸地。这一结论与吴菲等人的相类似；马秀梅[16]、康博文[18]等人也得出了相同结论。说明该结论具有一定的可靠性。而乔—灌—草型和乔—草型结构绿地的增湿效果差异目前还没有一致的结论。刘学全[25]、谢晓蓉[27]等人认为乔—灌—草型绿地的增湿效果更好，而秦耀民等[26]认为乔—草型绿地的增湿的效果比乔—灌—草型绿地的要好。产生这一现象的原因可能有三：一是树种不同，二是周围环境不同，三是不同结构的绿地在优势种、盖度、郁闭度等方面是不同的。因此，其影响机制还有待进一步深入研究。由于草坪的增湿作用较降温作用明显[10]，因此，研究草坪的增湿作用还是具有一定意义的。孙伟等[44]通过比较分析得出结论，无论是稀树草坪还是草坪都具有增湿作用，但前者的增湿效果要明显高于后者。这说明只要趋利避害，注意草坪与其它植物的搭配，宜草则草，宜树则树，就能更好的发挥绿地对于小气候的改善作用[45-46]。而李晶等[47]通过对西安不同植被景观区的观测发现，植被覆盖好的与无植被覆盖的地区在增