易嘉慧,段小苗,韓泰玉,周安琪,楊 文

(湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410081)

在高速城市化影響下,“熱島效應(yīng)”給城市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)極大影響,破壞人們的居住環(huán)境,大大降低了城市生活質(zhì)量[1,2]。目前,眾多學(xué)者對(duì)“熱島效應(yīng)”進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)下墊面因素對(duì)“熱島效應(yīng)”的影響不容忽視,其中綠地是緩解城市“熱島效應(yīng)”，降低區(qū)域溫度的重要因素之一[3-5]。綠地植物通過(guò)物理遮蔽作用攔截太陽(yáng)輻射、蒸騰作用和光合作用吸收地表輻射,從而達(dá)到降低周邊溫度的目的[6,7]。為了分析綠地及相關(guān)因素對(duì)周邊環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)作用,研究者們從綠地面積、種類(lèi)、形狀等不同因素出發(fā),探索了綠地與溫度之間的定性和定量關(guān)系[8-11]。Decelet-Barreto等利用遙感技術(shù)估測(cè)植被周?chē)鷾囟缺绕渌胤降臏囟鹊?.8—8.4℃[12];Hardin等發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)每增加1個(gè)單位,溫度會(huì)降低1.2℃左右[13];日本Mikami等對(duì)森林面積進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)森林植被覆蓋度的降溫效應(yīng)存在閾值,只要超過(guò)20hm2,降溫效率將不會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)[14]。相關(guān)研究表明,植被覆蓋度與區(qū)域溫度間存在著顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[7,15]。部分研究結(jié)果表明,公園冷島效應(yīng)主要與水體面積和綠地面積(即植被覆蓋度)的比例有關(guān)。當(dāng)城市公園的喬木覆蓋率40%—60%、集中型水體比例15%、鋪裝比例20%時(shí),降溫效果達(dá)到最佳[16]。國(guó)內(nèi)多數(shù)研究是基于遙感影像數(shù)據(jù)探索大尺度植被覆蓋度與溫度的關(guān)系,且植被覆蓋度的閾值范圍成為研究的熱點(diǎn)[2，3,15,17]，而從較小尺度出發(fā),實(shí)地監(jiān)測(cè)與分析區(qū)域內(nèi)植被覆蓋情況與溫度的關(guān)系研究較少。本文將從居民區(qū)的尺度出發(fā),定量分析居民區(qū)內(nèi)植被覆蓋度對(duì)溫度的影響程度。

1 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.1 研究區(qū)概況與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

長(zhǎng)沙介于111°53′—114°15′E、27°51′—28°41′N(xiāo),是長(zhǎng)江中游地區(qū)重要的中心城市。當(dāng)前,長(zhǎng)沙城區(qū)“熱島效應(yīng)”顯著,夏季平均溫度為35℃左右,最高達(dá)40℃。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展,城市居住人口增多,對(duì)居住環(huán)境的綠化建設(shè)重視度逐步得到提升,成為城市居住小區(qū)建設(shè)規(guī)劃的重點(diǎn)之一。

本研究選取長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)植被覆蓋度存在明顯差異的3個(gè)小區(qū)(麓山名園小區(qū)、陽(yáng)光100小區(qū)、陽(yáng)明山莊小區(qū))、空地和岳麓山作為研究對(duì)象,具體位置見(jiàn)圖1。其中,3個(gè)居民區(qū)建筑高度基本一致,均為7—8層房屋,建筑密度相近,小區(qū)四周兩面為交通路段,另外兩面為其他建筑地物,各小區(qū)內(nèi)選取樹(shù)冠遮蔽處、陽(yáng)光直射處、構(gòu)筑物陰影處進(jìn)行布點(diǎn),布點(diǎn)高度為1m左右?？盏睾驮缆瓷絼t分別布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)作為對(duì)照監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中,空地選擇較大范圍內(nèi)無(wú)植被覆蓋的區(qū)域中心,岳麓山則選擇植被茂密幾乎無(wú)透光處,共計(jì)11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

植被覆蓋度采集與分析:本文使用WhoseGIS軟件在Google earth上截取麓山名園、陽(yáng)光100和陽(yáng)明山莊3個(gè)小區(qū)影像，截取時(shí)間分別為2018年6月17日、4月7日、6月17日,像元大小為1m×1m,所有影像數(shù)據(jù)均采用WGS84橢球基準(zhǔn)面,精校正到UTM投影坐標(biāo)系(N49帶)。利用ArcGIS軟件對(duì)影像進(jìn)行目視解譯,結(jié)合實(shí)地驗(yàn)證獲取了3個(gè)小區(qū)的植被覆蓋度。其中，麓山名園的植被覆蓋度為20.27%，陽(yáng)光100的植被覆蓋度為26.31%，陽(yáng)明山莊的植被覆蓋度為40.22%,空地和岳麓山的植被覆蓋度則分別近似于0和100%。

溫濕度采集與分析:在9—11月選取天氣狀況穩(wěn)定的連續(xù)時(shí)間,用GM1365溫濕度儀測(cè)定測(cè)點(diǎn)溫度和濕度,時(shí)間間隔為1min,共得到50，400組數(shù)據(jù)。不同測(cè)量點(diǎn)的某一時(shí)間溫濕度值為3個(gè)連續(xù)測(cè)量日同一時(shí)間點(diǎn)的溫濕度算術(shù)平均值。11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)不同植被覆蓋度分成5組,其中岳麓山上樹(shù)冠遮蔽處和空地上陽(yáng)光直射處為兩個(gè)對(duì)照組。用Excel 2016、Origin9.0對(duì)11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理與繪圖,然后根據(jù)不同植被覆蓋度采用SPSS22.0軟件對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(TUKEY HSD),利用F分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),并對(duì)植被覆蓋度與溫度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 植被覆蓋度與升溫過(guò)程的影響分析

升溫過(guò)程的描述性統(tǒng)計(jì)分析:對(duì)5個(gè)研究地升溫時(shí)段(6:00—9:00)的溫度情況進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析(表1)。結(jié)果表明，空地陽(yáng)光直射處9—11月均溫分別為26.96℃、17.73℃與12.50℃,陽(yáng)光100陽(yáng)光直射處9月與10月均溫分別為27.41℃和17.64℃,這兩處溫度最高且顯著高于同時(shí)段其他區(qū)域。其次,陽(yáng)光100構(gòu)筑物陰影處溫度也明顯高于其他區(qū)域,而陽(yáng)明山莊樹(shù)冠遮蔽處與岳麓山樹(shù)冠遮蔽處無(wú)顯著性差異且低于其他區(qū)域,其中陽(yáng)明山莊樹(shù)冠遮蔽處9—11月均溫分別為24.61℃、16.26℃與11.47℃,岳麓山樹(shù)冠遮蔽處分別為24.68℃、16.41℃與11.21℃。陽(yáng)光100的陽(yáng)光直射處與樹(shù)冠遮蔽處均溫溫差達(dá)1.64℃,而在同一時(shí)段均溫最低處陽(yáng)明山莊樹(shù)冠遮蔽處與均溫最高處陽(yáng)光100陽(yáng)光直射處差值高達(dá)2.80℃。綜上所述,植被覆蓋度對(duì)居住區(qū)氣溫具有明顯的調(diào)節(jié)作用。每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高溫與最低溫的溫度差值分析表明,岳麓山變溫幅度均為最小,平均為6.2℃,麓山名園直射處和陽(yáng)光100直射處變溫幅度最大,高達(dá)岳麓山的2倍。結(jié)合陳輝等[18]的研究,陽(yáng)光100居住區(qū)的溫度變幅大于麓山名園的原因可能與陽(yáng)光100植被斑塊與其他兩地有顯著不同有關(guān)。隨著月份的推移,日均溫度不斷降低,不同地點(diǎn)同一時(shí)間、同一地點(diǎn)不同時(shí)間之間的溫度變幅都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

植被覆蓋度與升溫過(guò)程溫度的關(guān)聯(lián)分析:分別將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)9月、10月份升溫時(shí)段數(shù)據(jù)繪制植被—溫度散點(diǎn)圖,并進(jìn)行線性定量分析(圖2a、圖2b)。結(jié)果表明，植被覆蓋度與周邊溫度之間存在著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,樹(shù)冠遮蔽處、陽(yáng)光直射處、構(gòu)筑物陰影處也存在著類(lèi)似的關(guān)系特征。其中,9月份陽(yáng)光直射處、樹(shù)冠遮蔽處與構(gòu)筑物陰影處線性擬合曲線斜率則為-0.0190、-0.0233與-0.0228,相關(guān)系數(shù)分別為0.27、0.37與0.35(圖2a)。線性分析結(jié)果表明,植被覆蓋度每減少10%,炎熱升溫時(shí)周邊環(huán)境將相對(duì)增加約0.2℃,兩者之間存在著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)9—11月升溫時(shí)段溫度描述性統(tǒng)計(jì)

注:同一列數(shù)據(jù)標(biāo)有不同字母的表示其統(tǒng)計(jì)差異達(dá)到顯著水平(p<0．05);—表示因儀器丟失導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失,表2同。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)植被—溫度關(guān)聯(lián)分析

2.2 植被覆蓋度與降溫過(guò)程的影響分析

降溫過(guò)程的描述性統(tǒng)計(jì)分析:對(duì)5個(gè)地點(diǎn)降溫時(shí)段(17:00—20:00)的溫度進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)，空地陽(yáng)光直射處9—11月均溫分別為30.87℃、21.98℃與16.94℃,陽(yáng)光100構(gòu)筑物陰影處9、10月均溫分別為31.30℃和22.02℃,這兩處溫度最高且顯著高于同時(shí)段其他區(qū)域,而陽(yáng)明山莊構(gòu)筑物陰影處與麓山名園陽(yáng)光直射處則低于其他區(qū)域。其中陽(yáng)明山莊構(gòu)筑物陰影處9—11月均溫分別為29.15℃、19.88℃與13.99℃,麓山名園陽(yáng)光直射處為28.88℃、19.02℃與12.26℃。麓山名園陽(yáng)光直射處與樹(shù)冠遮蔽處均溫溫差達(dá)2.82℃,而在同一時(shí)段研究區(qū)域均溫最低處與均溫最高處差值高達(dá)3.13℃,可見(jiàn)植被覆蓋度對(duì)調(diào)節(jié)小區(qū)氣溫具有明顯作用。對(duì)同一地點(diǎn)的最高溫與最低溫的溫度差值分析可見(jiàn),岳麓山變溫幅度均為最小,平均為2.03℃,麓山名園構(gòu)筑物陰影處和陽(yáng)光100直射處變溫幅度最大,高達(dá)岳麓山的3倍。同時(shí),岳麓山和陽(yáng)明山莊樹(shù)冠遮蔽處在降溫時(shí)段兩組數(shù)據(jù)雖然具有顯著差異,但是溫度差的絕對(duì)值較小。

植被覆蓋度與降溫過(guò)程的關(guān)聯(lián)分析:分別將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)9月、10月份降溫時(shí)段數(shù)據(jù)繪制植被—溫度散點(diǎn)圖,并進(jìn)行線性定量分析(圖2c、圖2d、圖2e)。結(jié)果表明，植被覆蓋度與周邊溫度之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,樹(shù)冠遮蔽處、陽(yáng)光直射處、構(gòu)筑物陰影處等均存在類(lèi)似的關(guān)系特征。其中,9月份陽(yáng)光直射處、樹(shù)冠遮蔽處與構(gòu)筑物陰影處線性擬合曲線斜率則為-0.0221、-0.0234與-0.0306,相關(guān)系數(shù)分別為0.34、0.31與0.43(圖2c)。線性關(guān)系結(jié)果表明,在植被覆蓋度每增加10%,降溫時(shí)周邊環(huán)境將相對(duì)減少約0.2—0.3℃。在降溫時(shí)段,居民區(qū)內(nèi)的陽(yáng)光直射處、構(gòu)筑物陰影處與樹(shù)冠遮蔽處3組數(shù)據(jù)整體溫度規(guī)律呈現(xiàn)為:T陽(yáng)光直射處

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)9—11月降溫時(shí)段溫度描述性統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本文從居民區(qū)的尺度出發(fā),定量分析了居民區(qū)內(nèi)植被覆蓋度對(duì)溫度的影響程度,結(jié)合植被覆蓋度對(duì)升溫過(guò)程和降溫過(guò)程的分析結(jié)果，得出以下主要結(jié)論:①居民區(qū)內(nèi)溫度隨植被覆蓋度的升高而降低。3個(gè)研究區(qū)溫度與植被覆蓋度的變化規(guī)律為:T陽(yáng)光100(26.31%)>T麓山名園(20.27%)>T陽(yáng)明山莊(40.22%);陽(yáng)光100植被覆蓋度高于麓山名園,但平均溫度卻高于麓山名園,這可能與陽(yáng)光100處植被斑塊與其他兩地不同有關(guān)。②升溫時(shí)段麓山名園和陽(yáng)明山莊樹(shù)冠遮蔽處組間無(wú)顯著性差異,而降溫時(shí)段的組間溫度差值偏小,居民區(qū)植被覆蓋度對(duì)溫度的調(diào)節(jié)存在閾值。當(dāng)居民區(qū)植被覆蓋度超過(guò)40.22%(陽(yáng)明山莊植被覆蓋度)時(shí),居民區(qū)內(nèi)植被覆蓋度與溫度變化之間可能不存在顯著關(guān)系。③秋季長(zhǎng)沙市居民區(qū)內(nèi)植被覆蓋度每增加10%,溫度降低0.2℃左右。從植被—溫度散點(diǎn)圖分析得到,溫度隨植被覆蓋度的變化存在較穩(wěn)定的規(guī)律,9—11月平均溫度隨植被覆蓋度的變化值存在微小差異,總體表現(xiàn)為植被每增加10%,溫度降低0.2℃左右。④植被對(duì)溫度的調(diào)節(jié)能力不僅表現(xiàn)為對(duì)高溫的調(diào)控作用,同時(shí)也對(duì)低溫有控制作用。居民區(qū)內(nèi)樹(shù)冠遮蔽處升溫段平均溫度低于構(gòu)筑物陰影處和陽(yáng)光直射處,而降溫段則反之,樹(shù)冠遮蔽處平均溫度最高。