劉寒曉，孫永康，張艷，朱楠，楊建英，趙廷寧

(北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083)

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草坪磚植草退化后對熱效應的貢獻變化

劉寒曉，孫永康，張艷，朱楠，楊建英，趙廷寧

(北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083)

摘要：草坪磚作為城市下墊面常用鋪裝材料，其草坪維護是重點問題，草坪退化后除美觀受影響外，是否對周圍環(huán)境熱效應的貢獻產(chǎn)生變化是研究的重點。對草坪磚、植草退化后的草坪磚、混凝土地磚3種常用鋪裝材料的地表溫度、氣溫、輻射進行了一年的連續(xù)測量，分析了3種下墊面的溫度和氣溫變化情況及其影響因素，比較了3種下墊面間的溫度差異性，分析了地表溫度與氣象因子的相關(guān)程度;建立了3種鋪裝材料地表溫度與氣溫的一般線性模型。結(jié)果表明,1)草坪磚與退化后草坪磚鋪裝對周圍環(huán)境熱效應的貢獻差異不顯著(P>0.05)；2)草坪磚、退化草坪磚兩者對周圍環(huán)境熱效應的貢獻與混凝土地磚鋪裝對周圍環(huán)境熱效應的貢獻差異都顯著(P<0.05)；3)模型通過了檢驗，且地表溫度和氣溫擬合優(yōu)度較高，可通過模型計算3種鋪裝材料地表溫度，由模型中系數(shù)大小得知，隨太陽輻射增強地表溫度變化幅度由小到大依次為草坪磚<退化草坪磚<混凝土地磚。

關(guān)鍵詞：草坪磚；環(huán)境熱效應；地表溫度；鋪裝材料

本研究所指熱效應是由于鋪裝材料下墊面溫度與氣溫相比較高而對周圍環(huán)境產(chǎn)生一定影響的現(xiàn)象。城市熱效應主要與下墊面性質(zhì)的改變、人為熱排放、植被條件和區(qū)域氣候有關(guān)[1]。其中下墊面的改變是不可忽視的重要因素，先前研究發(fā)現(xiàn)，土地利用類型可能比人為溫室氣體對氣候的影響要大[2]。也有研究發(fā)現(xiàn)，下墊面用地類型不同，會導致不同程度的城市熱效應[3-6]。

很多學者對下墊面類型與熱效應的關(guān)系做出了研究。在城市這樣大尺度范圍內(nèi)，許多學者應用遙感技術(shù)研究了部分南方城市下墊面類型與熱效應的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)城市用地是熱效應的主要貢獻因素，而水體和草地貢獻小，具有較好的降溫作用[7]。其中，林地和裸地對熱效應的貢獻度有所爭議，劉宇等[8]認為林地和裸地對熱效應貢獻度較大，而歷華等[7]認為林地和裸地具有較好的降溫效果、對熱島效應有緩解作用。綜上所述，在大尺度范圍內(nèi)下墊面的類型會影響熱效應的強度。

在較小尺度范圍內(nèi)，有學者利用地表溫度和氣象要素的對比發(fā)現(xiàn)，下墊面類型不同導致地表溫度不同，對熱效應的影響也就不同。關(guān)于地表溫度與氣溫、濕度、氣壓、風速等關(guān)系的研究目前較多。有學者分析瀝青、水泥、裸地和草地4種城市下墊面地表溫度和氣溫等氣象要素的觀測資料，得出了典型城市下墊面對大氣具有一定的加熱作用，以瀝青最強，水泥次之，裸地和草地較弱的結(jié)論[9-14]。徐心馨等[15]測量了北京市7、8兩個月的林地、草地、水體、石材地面與水泥路面的溫度、濕度、風速數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，水體、林地、草地、裸地等下墊面對熱島效應有緩解作用，其中林地作用最為明顯，硬化下墊面水泥地面、石材地面對熱島效應有加劇作用，其中水泥地面強于石材。其它研究表明，草地的年均溫、年均最高最低溫、年極端最高最低溫均低于水泥面和裸地，而冬季草地平均最高溫和極端最高溫高于水泥面和裸地的[16]。綜上可知，研究小尺度范圍內(nèi)時不能再利用遙感，而是要關(guān)注地表溫度與氣象要素的關(guān)系。因此，研究鋪裝材料對熱效應影響時要關(guān)注不同鋪裝材料形成的下墊面的地表溫度和氣象要素的關(guān)系。

地面鋪裝材料分硬質(zhì)鋪裝(磚、瀝青、石材、水泥、混凝土塊)和軟質(zhì)鋪裝(草坪、草坪磚、植草格)。為了達到生態(tài)美觀的效果，草坪磚這一材料應用廣泛，特別是在地面停車場、景觀要求高的住宅小區(qū)、購物廣場等地。草坪磚是指在地面上鋪設(shè)地磚，地磚中留出一些形狀、大小系統(tǒng)排列整齊的空隙，在這些空隙中種植草坪，這類草坪也叫網(wǎng)格草坪、鑲嵌草坪等。草坪磚過度碾壓、水熱條件欠缺或養(yǎng)護管理不及時，會造成植草退化失去生態(tài)效益和觀賞價值[17-21]。植草退化后的草坪磚地面由于得不到及時更新，目前成為了城市中存在較多的下墊面。又由前面論述可知，下墊面的類型對城市熱效應有較大影響，采用草坪磚鋪裝方式是為了利用植草減緩熱效應、增加城市美觀效果，但其植草退化后對周圍環(huán)境熱效應的貢獻程度有無變化并未引起關(guān)注，這在鋪裝材料對熱效應貢獻方面是值得研究的一個問題。如若植草退化后對熱效應貢獻程度顯著增加，則應及時維護、更新草坪；如若對熱效應貢獻程度變化不大，則應關(guān)注其它重要方面，如考慮鋪裝方式。因此，探究草坪磚植草退化后是否對周圍環(huán)境的熱效應貢獻產(chǎn)生變化是本研究的重點。

1研究區(qū)概況

清華大學美術(shù)學院地面停車場(39°59′54.00″ N，116°19′47.73″ E)為試驗區(qū)域，該區(qū)域?qū)贉貛駶櫦撅L氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。

選取的3種鋪裝材料地面——草坪磚、植草退化后的草坪磚(以下簡稱退化草坪磚)、混凝土地磚，它們之間距離近、面積大、周圍無遮擋物。每種地面面積約為500m2，其具體分布情況見圖1。草坪磚地面所用地磚為不透水的灰色混凝土地面磚，其磚洞內(nèi)植草面積占總面積的28.3%；退化草坪磚地面與草坪磚地面鋪裝完全一致，但草坪退化，僅剩裸露的土壤?；炷恋卮u地面采用不透水灰色混凝土地面磚。

圖1　清華大學美術(shù)學院停車場

2研究方法

對熱效應的研究方法分為氣象資料觀測法、遙感監(jiān)測法、邊界層數(shù)值模式模擬法和實驗室仿真實驗法[22]。本研究采用氣象資料觀測法，以地表溫度來反映對熱效應的貢獻程度。

2.1測量方法

2012年6月至2013年5月為試驗觀測時間，每天的觀測時段為07:00-17:00，間隔為半小時。測量的數(shù)據(jù)有地表溫度、氣溫。具體方法是：在1 m高度處采用手持紅外熱像儀(FLIR i7)對下墊面進行垂直拍照。利用全自動氣象站(Vantage Pro 2，高度1.5 m)測量氣溫，由于3種鋪裝材料地面距離近，所處環(huán)境空曠，認為1.5 m處氣溫相同，是各種因素影響下的混合氣溫，因此數(shù)據(jù)分析中3種地表溫度與氣溫對比時采用同一氣象站所測氣溫。

2.2數(shù)據(jù)處理和分析方法

用Excel進行數(shù)據(jù)處理，并做出全年日平均和月平均溫度變化圖。運用R語言對3種鋪裝材料地表溫度進行差異顯著性檢驗。利用全年地表溫度和氣象數(shù)據(jù)在SPSS 17.0中進行Pearson相關(guān)分析。最后利用3種鋪裝材料地表溫度結(jié)合氣溫數(shù)據(jù)在R語言中建立一般線性模型。分析數(shù)據(jù)的時段分為冬半年(11月-次年4月)及夏半年(5-10月)。

3結(jié)果與分析

3.13種鋪裝材料地表溫度對比分析

對一年的地表溫度與氣溫數(shù)據(jù)繪圖，進行夏半年日均溫、冬半年日均溫、全年日均溫和全年月均溫的對比分析。

3.1.1夏半年日均溫3種鋪裝材料夏半年地表溫度變化與氣溫同步，最低溫度出現(xiàn)在07:15，最高溫度出現(xiàn)在13:15，表明氣溫和下墊面溫度有一定的相關(guān)性(圖2)。草坪磚、退化草坪磚、混凝土地磚3種下墊面夏半年地表溫度由高到低的大致次序為混凝土地磚>退化草坪磚>草坪磚，分別比氣溫高11.6、7.8和6.9 ℃(表1)，3種鋪裝材料地表溫度顯著(P<0.05)高于氣溫(表1)。通過熱交換作用，有較高溫度的地表把熱量傳遞給大氣，說明鋪裝材料地表對大氣有一定的加熱作用。草坪磚和退化草坪磚溫度差異不顯著(P>0.05)，而混凝土地磚溫度顯著大于上述兩類地表(P<0.05)，說明夏半年草坪磚與退化草坪磚鋪裝材料地表對熱效應的貢獻大小差異不顯著，但兩者對熱效應貢獻都顯著小于混凝土地磚。

3.1.2冬半年日均溫度3種鋪裝材料冬半年地表溫度變化與氣溫同步，最低溫度出現(xiàn)在07:15，最高溫度出現(xiàn)在12:45(圖2)；大氣首先對地表起到加熱作用，09:15之后地表溫度由于太陽輻射的影響開始高于氣溫，對氣溫起到加熱作用。草坪磚、退化草坪磚、混凝土地磚3種鋪裝材料冬半年地表溫度由高到低依次為草坪磚>退化草坪磚>混凝土地磚，分別比氣溫高5.5、3.9和3.9 ℃(表1)。草坪磚顯著高于退化草坪磚和混凝土地磚地溫(P<0.05)，說明冬半年草坪磚鋪裝材料地表對熱效應的貢獻顯著大于退化草坪磚和混凝土地磚。草坪磚鋪裝材料對地面的保溫效果優(yōu)于其它兩者。圖中混凝土地磚溫度曲線在11:45和14:45左右有起伏，主要是因為地表溫度升高了，混凝土地磚的比熱較小，隨太陽輻射增強，溫度起伏較劇烈，在冬季干冷無水汽緩沖的氣候下尤為明顯；11:45氣溫增高原因是冬季地表熱量來源主要為太陽輻射，11:00左右太陽輻射增大較明顯，地表溫度逐漸上升；到一定程度后，隨著氣溫的慢慢升高開始與氣溫進行熱交換，地表溫度又逐漸下降。午后14:00左右，隨著大氣逆輻射增加，地表又一次升溫，氣溫也隨逆輻射升高后，兩者再次進行熱交換，地表溫度逐漸下降。草坪磚和退化草坪磚沒出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于兩種鋪裝材料比熱較大，土壤中的水分對由太陽輻射引起的溫度升高有一定的緩沖作用。而混凝土地磚溫度曲線起伏較大的原因是測量間隔時間較長，使溫度升高和下降顯得尤為突出。

表1　3種鋪裝材料地表溫度和氣溫

注：同列不同小寫字母表示不同鋪裝材料及氣溫間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters within the same column indicate significant difference of temperature of three surfaces and air temperature at 0.05 level.

圖2　夏半年(a)、冬半年(b)和全年(c)不同時刻3種鋪墊材料地表溫度與對應氣溫的均值變化

3.1.3全年日均溫度3種鋪裝材料全年地表溫度都呈單峰型變化，與氣溫同步。08:45后地表溫度開始超過氣溫，在13:15到14：45之間溫度達到最高點，說明地表溫度和氣溫具有一定的相關(guān)性，二者相互影響(圖2)；氣溫首先對地表起到加熱作用，08:45之后地表溫度由于太陽輻射的影響開始高于氣溫，對氣溫起到加熱作用。3種鋪裝材料全年地表溫度由高到低的次序為混凝土地磚>草坪磚>退化草坪磚，分別比氣溫高7.7、6.2和5.9 ℃(表1)，這說明，從全年來看，鋪裝材料地表對大氣的加熱作用較大。而草坪磚、退化草坪磚、混凝土地磚三者兩兩之間差異顯著(P<0.05),但差值不大。

綜合以上分析，夏半年草坪磚與退化草坪磚鋪裝的地表對熱效應貢獻大小差異不顯著(P>0.05)，冬半年草坪磚鋪裝的地表對熱效應的貢獻顯著大于退化草坪磚，全年來看，草坪磚熱效應與退化草坪磚熱效應貢獻差異不顯著；而綜合來看，草坪磚與退化草坪磚鋪裝的地表對熱效應貢獻都顯著小于混凝土地磚。說明草坪磚草坪退化之后，夏半年不會顯著增加周圍環(huán)境的熱效應，但冬半年的保溫效果會顯著降低；且不論草坪退化與否，草坪磚覆土植草的鋪裝方法鋪裝的地表對周圍環(huán)境熱效應的貢獻都會顯著小于混凝土地磚鋪裝的地表。

3.1.4全年月平均溫度冬季(12月-次年2月)草坪磚溫度高于其它兩者；3種下墊面地表溫度由高到低依次為：草坪磚>退化草坪磚>混凝土地磚(圖3)。春季(3-5月)，混凝土地磚較其它兩者稍高；從4月份開始，退化草坪磚溫度逐漸高于草坪磚溫度。夏季(6-8月)，混凝土地磚溫度明顯高于其它兩者；退化草坪磚溫度高于草坪磚溫度，但隨著時間的變化，差距逐漸縮??；3種下墊面地表溫度由高到低依次為：混凝土地磚>退化草坪磚>草坪磚。秋季(9-11月)，三者溫度相近，大體呈現(xiàn)冬季月均溫度的排序。三者的月均溫度雖有高低差異，但差異不顯著(P>0.05)。

3.2建立3種鋪裝材料地表溫度與氣溫的一般線性模型

在R語言中，利用3種鋪裝材料地表與大氣的全年月均溫度數(shù)據(jù)建立一般線性模型(表2)。表3中給出的模型P值小于0.05，通過了檢驗，表征模型有意義，且模型R2(擬合優(yōu)度)在0.95以上，說明全年中每月平均溫度數(shù)據(jù)能很好地解釋地表溫度和氣溫的相關(guān)關(guān)系。在得到周圍大環(huán)境的氣溫數(shù)據(jù)后，可通過模型計算3種鋪裝材料地表溫度，其中系數(shù)x的實際意義是反映了隨太陽輻射增強地表溫度的變化幅度。由系數(shù)大小得知，地表溫度變化幅度由小到大依次為草坪磚<退化草坪磚<混凝土地磚。x系數(shù)越大，說明隨太陽輻射增強，地表增溫速度越快、幅度越大，對氣溫有更強的加熱作用，對熱效應的貢獻程度更大?？捎赡Ｐ拖禂?shù)更直接地看出3種鋪裝材料地表對熱效應貢獻的差異，但這與3.1的分析不矛盾，三者存在差異，但是差異是否有顯著性還需要看兩兩之間均值的t檢驗結(jié)果。

圖3　3種鋪墊材料月平均地表溫度變化圖

項目Item草坪磚Grassbrick(y1)退化草坪磚Degenerategrassbrick(y2)混凝土地磚Concretebrick(y3)氣溫Temperature(x)y1=1.173x+3.777y2=1.283x+1.858y3=1.461x+1.326P1.154×10-94.473×10-103.406×10-10R20.95790.96670.9666

4討論與結(jié)論

下墊面介質(zhì)的熱特性和生物學特征差異是熱場分布差異的內(nèi)在原因。影響下墊面熱特性的是鋪裝材料的物理特性，包括材料本身比熱和反照率等。根據(jù)Oke的能量方程，可發(fā)現(xiàn)鋪裝材料的物理特性會影響地表與大氣的顯熱交換、潛熱交換和地表儲熱量變化，從而對熱效應造成影響[23]。研究發(fā)現(xiàn)，草坪磚退化后其對環(huán)境熱效應的貢獻與之前相比并無顯著差異，而不論草坪磚鋪裝的草坪退化與否，其對熱效應的貢獻都顯著小于混凝土地磚。

其中，草坪磚和退化草坪磚鋪裝相比混凝土地磚對熱效應貢獻程度小的現(xiàn)象可能由以下兩方面引起。一是草坪的蒸騰作用、熱力特性以及對二氧化碳、浮塵等物質(zhì)的吸收作用，可在一定范圍內(nèi)降低溫度，而且對太陽輻射有較好的反射和吸收作用。二是草坪磚鋪裝是一種透水性鋪裝，相關(guān)研究表明透水性路面可有效緩解不透水的硬化地面對城市生態(tài)造成的負面影響，原因是雨水能通過透水路面滲透入地，還原成地下水，其蒸發(fā)作用又可以減緩局部氣溫的增加，從而減小熱效應[24]。因此建立地面停車場時，為減小熱效應，應盡量使用透水性鋪裝。

草坪磚與退化后的草坪磚鋪裝對周圍環(huán)境熱效應的貢獻大小差異不顯著的原因，可能是植草面積太小，不足以造成顯著差異。張彪等[25]對北京市綠地每年的蒸騰吸熱量進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同綠地類型和區(qū)縣綠地的降溫功能差異較大，主要受綠地面積和組成結(jié)構(gòu)的影響，且植物蒸騰降溫的主要器官是葉片，因而綠地降溫功能與其覆蓋率和綠量有較大關(guān)系。草坪磚草坪退化之后，其植物的蒸騰作用消失。因此，退化后的草坪磚鋪裝材料對熱效應的影響與之前相比可能會改變。但如果植草面積過小，則這種改變造成的差異比較微小，能從數(shù)值上體現(xiàn)出來，但不能通過差異顯著性檢驗。因此，還需進一步研究如何優(yōu)化草坪磚鋪裝中的植草面積，使草坪磚鋪裝既符合鋪裝要求又能顯著減小對熱效應的貢獻。

綜合全文分析，可得出以下結(jié)論：草坪磚與退化后的草坪磚鋪裝對周圍環(huán)境的熱效應的貢獻程度差異不顯著，說明草坪磚內(nèi)有無草坪對環(huán)境的熱效應的貢獻差異不大；草坪磚、退化草坪磚與混凝土地磚的熱效應影響差異顯著，說明草坪磚的鋪裝方式較混凝土地磚的鋪裝方式對環(huán)境熱效應的貢獻程度??；可通過3種鋪裝材料地表溫度與氣溫的一般線性模型計算3種鋪裝材料地表溫度，由模型中系數(shù)大小得知，隨太陽輻射增高地表溫度變化幅度由小到大依次為草坪磚<退化草坪磚<混凝土地磚。

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(責任編輯張瑾)

Change of the grass brick surface material’s thermal contribution to surrounding environment after grass degeneration

Liu Han-xiao, Sun Yong-kang, Zhang Yan, Zhu Nan, Yang Jian-ying, Zhao Ting-ning

(College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Abstract:Grass brick is a frequently used material of urban ground surface. The maintenance of the grass is a big problem after establishment. Whether the degenerated grass brick has different thermal contribution to surrounding environment or not is the key point of the study. Based on the observedone year’ data of 3 frequently-used surface materials including grass brick, degenerated grass brick and concrete brick’s, the annual temperature variations, relevant level of meteorology factors and influence factors of the land surfaces were analyzed; The general linear model was established based on three surface materials and the monthly temperature of the year. The results are as follows: 1)The difference of thermal effects on surrounding environment between grass brick material and degenerated grass brick material is not significant; 2)Both the grass brick and the degeneratedgrass brick material have significant differences with the concrete brick material. 3)The general linear model passed the check and the match accuracy between the surface and the air temperature is high. The surface temperature can be calculated through the model. The coefficient represent the surface temperature’s rising range with the increase of solar radiation.The rank of rising range is as follows: grass brick

Key words:grass brick; urban heat island; land surface temperature; ground surface’s materials

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0540

*收稿日期：2015-10-10接受日期：2016-03-16

基金項目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“建設(shè)工程損毀林地植被修復關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(200904030)；生態(tài)停車場綠化基礎(chǔ)研究項目；2012-2013年度北京市級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(121002253)

通信作者：楊建英(1965-)，女，河北石家莊人，副教授，博士，主要從事水土保持監(jiān)測、生態(tài)修復等方面的研究。E-mail:jjyang@bjfu.edu.cn

中圖分類號：S812.6+8

文獻標志碼：A

文章編號：1001-0629(2016)6-1077-07*

Corresponding author：Yang Jian-yingE-mail: jjyang@bjfu.edu.cn

劉寒曉，孫永康，張艷，朱楠，楊建英，趙廷寧.草坪磚植草退化后對熱效應的貢獻變化.草業(yè)科學,2016,33(6)：1077-1083.

Liu H X,Sun Y K,Zhang Y,Zhu N,Yang J Y,Zhao T N.Change of the grass brick surface material’s thermal contribution to surrounding environment after grass degeneration.Pratacultural Science，2016,33(6)：1077-1083.

第一作者：劉寒曉(1992-)，女，山東濟南人，在讀碩士生，主要從事水土保持環(huán)境監(jiān)測和工程綠化。E-mail：kenaxiaoer0123@qq.com