楊建欣 黃秋燕

(1. 肇慶學(xué)院 肇慶 526061；2．廣東理工學(xué)院建設(shè)學(xué)院 肇慶 526070)

園林樹木不僅可以通過蒸騰作用和遮蔭作用降低環(huán)境溫度，還會影響空氣的運(yùn)動和熱交換[1-3]。園林樹木遮蔭功效是一個(gè)綜合性的概念，不僅特指樹木枝葉遮擋導(dǎo)致太陽光無法直射其下方一定范圍而形成陰影的現(xiàn)象，也包含因遮蔭導(dǎo)致其影響區(qū)域內(nèi)溫度降低、濕度增加、太陽輻射減少的綜合效益。樹木陰影所及范圍內(nèi)溫度的降低和濕度增加主要?dú)w因于蒸騰作用，但樹木遮蔭直接造成了陰影下方地面溫度的變化和冷熱空氣的流速趨于緩慢，對降溫增濕也有明顯的促進(jìn)作用。此外，遮蔭效應(yīng)能夠與蒸騰降溫效應(yīng)進(jìn)行疊加，能更好地改善環(huán)境的熱舒適性。顯然，園林樹木的遮蔭可以視為其小氣候效應(yīng)的重要組成部分，在開展研究時(shí)應(yīng)將相關(guān)過程整合為一個(gè)有機(jī)整體。

目前關(guān)于園林樹木降溫、蒸騰、緩解熱島及改善熱舒適性等方面的環(huán)境調(diào)節(jié)效益已有不少研究成果，但專門針對遮蔭功效的研究還較為有限。鑒于園林樹木遮蔭對緩解熱島效應(yīng)、調(diào)節(jié)改善城市環(huán)境小氣候及提高戶外環(huán)境熱舒適性的重要作用，有必要對相關(guān)研究成果進(jìn)行梳理，拓展研究視角，為城市園林綠地樹種選擇和科學(xué)配置提供參考。

1 園林樹木遮蔭的機(jī)理

園林樹木遮蔭的作用主要有三個(gè)方面，一是改變環(huán)境中的熱量平衡，有效地減輕環(huán)境熱通量[4]；二是減少眩光，阻擋來自天空和周圍的散射光；三是改變樹木臨近建筑物或空間的能量平衡、降低制冷能量消耗[5]。從樹木調(diào)節(jié)環(huán)境小氣候、改善熱舒適性的角度，可將樹木遮蔭的機(jī)理總結(jié)為阻擋陽光和降溫增濕兩個(gè)方面。

1.1 阻擋陽光

樹木遮蔭之所以能夠改善戶外環(huán)境熱舒適性主要是因?yàn)槟軌蛲ㄟ^吸收、反射和傳輸進(jìn)行輻射過濾[6]，減少了垂直向下的能量流動。每一種植物因其結(jié)構(gòu)特征不同，對陽光的阻擋和屏蔽能力有較大的區(qū)別，主要的結(jié)構(gòu)特征包括樹形、高度、樹冠及枝葉密度、分枝結(jié)構(gòu)等[6]。作為植物最上端的樹冠，最先接觸到太陽光，顯著影響著太陽輻射和風(fēng)速等小氣候指標(biāo)[7]。樹木阻擋陽光的能力主要體現(xiàn)在遮光率(遮蔭效果)和UVB屏蔽能力。從微觀角度而言，樹木有較強(qiáng)的UVB屏蔽能力的原因主要是由于葉片中如類黃酮、花色素甙等物質(zhì)對光的選擇性吸收作用；在宏觀角度，樹木在阻擋和過濾太陽輻射方面的表現(xiàn)取決于葉表面的物理反射能力和冠層的形式和密度，樹冠的形式和密度則取決于樹木分枝形式、小枝的排列以及樹葉的覆蓋等方面的具體情況[6,8-9]。研究表明，樹木的遮蔭效果與UVB屏蔽效果呈正相關(guān)關(guān)系[10-12]，而UVB屏蔽效果不僅與類黃酮、葉綠素的含量有關(guān)，也與植物群落郁閉度、葉面積指數(shù)(LAI)、枝葉密度及下墊面覆蓋物等有明顯的相關(guān)性[10,13-16]。

1.2 降溫增濕

園林樹木降低環(huán)境溫度的主要途徑有遮蔭降溫和蒸騰降溫[17]，其中遮蔭降溫是樹木遮蔭功效的直接體現(xiàn)。由于樹木的遮蔭和蒸騰作用，樹冠下方獲取、儲存和散發(fā)的熱量均顯著減少，空氣溫度得以下降。不同樹種的降溫效能與種植地點(diǎn)[18-20]、生長速度[21]、樹冠形狀[22]、外界條件[23-24]及其耐逆性密切相關(guān)。蒸騰降溫與遮蔭降溫對環(huán)境溫度下降的貢獻(xiàn)不同。研究發(fā)現(xiàn)，樹木的遮蔭降溫能力基本與太陽輻射的日變化規(guī)律一致，白天遮蔭降溫占據(jù)主導(dǎo)地位，而夜間全為蒸騰降溫[25-27]。

環(huán)境濕度的變化主要?dú)w因于蒸騰作用，但遮蔭也會導(dǎo)致濕度的增加。其原因在于陰影影響的范圍內(nèi)濕度變化幅度減小、擴(kuò)散速度降低，無形之中增加了樹冠下方一定區(qū)域內(nèi)的相對濕度。濕度不僅受到冠層覆蓋的影響，還與其種類、體量、生物量、結(jié)構(gòu)和空間分布等特征有關(guān)[28]。

2 園林樹木遮蔭的影響因素

2.1 結(jié)構(gòu)特征

(1)葉片結(jié)構(gòu)特征。對樹木遮蔭有明顯影響的葉片結(jié)構(gòu)主要是葉面積指數(shù)、葉色、厚度、大小、排列方式和密集程度等。葉面積指數(shù)被認(rèn)為是樹木遮蔭效益最具影響力的驅(qū)動因素，是樹木葉片特征和葉片密度的綜合體現(xiàn)，并與太陽輻射通過樹冠的透射率有著直接的關(guān)系[29]，然而，由于垂直葉面積密度分布不同，葉面積指數(shù)相似的樹木對生理等效溫度(PET)降低有著不同的影響[30]。研究表明，具有較高的葉面積指數(shù)的樹木一般具有較好的降溫效應(yīng)，但不同樹種之間存在差異[31-32]，例如心葉椴Tiliacordata的葉面積指數(shù)高于刺槐Robiniapseudoacacia，故其降溫能力優(yōu)于刺槐[33]，但這里所指的降溫包括蒸騰降溫和遮蔭降溫，對此相關(guān)研究并未明確其所占的比例及相互關(guān)系。此外，淺色葉樹木、厚葉片樹木的遮蔭能力分別優(yōu)于深色葉樹木和薄葉片樹木。

(2)外部形態(tài)指標(biāo)。對樹木遮蔭有明顯影響的外部形態(tài)指標(biāo)主要有樹冠形態(tài)、冠幅、樹高、枝下高、胸徑等。樹木陰影的形成主要取決于樹冠的形狀、大小和太陽高度角等因素[34]，樹冠形態(tài)與陰影產(chǎn)生的位置、面積大小等有直接聯(lián)系，且不同樹木有很大差別[35]。樹高、枝下高和胸徑對樹木遮蔭、降溫增濕效果也有顯著影響，且表現(xiàn)為高大樹木具有更強(qiáng)的能力[36]，高度上具有優(yōu)勢的樹木能夠更加有效減少熱量儲存[37]；樹木葉片的排列方式、分枝結(jié)構(gòu)、密集程度與葉面積指數(shù)密切關(guān)聯(lián)，對遮擋太陽輻射意義重大，對遮蔭功效有較大影響[38]。相對于大葉桃花心木Swieteniamacrophylla和紫繡球Tabebuiarosea，由于奧氏黃檀Dalbergiaoliveri的分枝較少且葉片較小，擁有較低的葉面積指數(shù)，因此對太陽輻射的過濾較少而透射率較高[39]。

2.2 生理功能

城市人工建成環(huán)境中的樹木與自然生境中的樹木相比，生長空間受限，與周圍環(huán)境的水、氣交換明顯減少[40]，還會受到水分脅迫、溫度脅迫和鹽脅迫等不良環(huán)境的影響，長期處于逆境條件下，會嚴(yán)重影響園林樹木的正常生理功能，進(jìn)而影響生長發(fā)育尤其是營養(yǎng)生長，最終影響遮蔭功能的充分發(fā)揮。此外，由于城市環(huán)境中往往具有更高的短波和長波輻射通量，以及擁有典型的高空氣溫度和低相對濕度的特點(diǎn)[41]，城市環(huán)境中的樹木比自然棲息地的樹木有更高的水分需求。因此，在園林樹木的栽培管理中，應(yīng)根據(jù)樹木的需水規(guī)律做好科學(xué)養(yǎng)護(hù)，也要采取妥善措施消除對樹木生理指標(biāo)的負(fù)面影響，以改善樹木阻擋陽光和降溫增濕的性能，激發(fā)樹木遮蔭潛能。

另外，生長速率、樹齡及根系深淺也會影響樹木的遮蔭[21,37]。生長速度較快的樹種一般具有較高的葉面積指數(shù)和氣孔導(dǎo)度，深根性的樹種有著較強(qiáng)的水分吸收能力，可以維持相對較高的氣孔導(dǎo)度，這兩類樹木通常具備較強(qiáng)的降溫增濕性能及綜合遮蔭功效；年齡較大的樹種通常因葉面積指數(shù)較低、氣孔導(dǎo)度較低、吸收養(yǎng)分和水分的能力有所減退，導(dǎo)致反射和阻隔太陽輻射的能力降低，影響了樹木陰影的形成和環(huán)境熱量的存儲，整體遮蔭效益不高。

2.3 種植位置

樹木種植位置的外部環(huán)境條件會對遮蔭功效的發(fā)揮產(chǎn)生影響，這種影響可以是正面的，也可能是負(fù)面的。主要包括以下方面：

(1)下墊面材料。當(dāng)樹木種植在具有不同下墊面材料的特定地點(diǎn)時(shí)，其遮蔭功效會受到下墊面材料的影響，且不同材料影響的程度不同[42]。Rahman等[33]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樹冠之下為瀝青表面時(shí)，心葉椴樹冠下的遮蔭降溫效果優(yōu)于刺槐；當(dāng)樹冠之下為草地時(shí)，則兩種樹木的遮蔭降溫效果無明顯差異。當(dāng)?shù)孛鏋椴萜旱韧杆员砻鏁r(shí)，水分可以有效地在土壤、大氣、植物之間進(jìn)行交換，水分利用效率較高，對蒸騰降溫和遮蔭降溫均有明顯的促進(jìn)作用。

(2)建筑布局。建筑所產(chǎn)生的陰影能夠明顯地改變樹木生長環(huán)境的光照條件，包括光照時(shí)間和強(qiáng)度，光合作用、形態(tài)建成等生理過程均會受到影響，進(jìn)而影響遮蔭性能的有效發(fā)揮[43]。建筑的密度和高度也會影響潛在溫度和平均輻射溫度，并可加強(qiáng)樹木的降溫效應(yīng)。合理的建筑布局可構(gòu)成通風(fēng)廊道，促進(jìn)生成近地面風(fēng)，有時(shí)可以產(chǎn)生明顯的降溫效果，這種降溫效應(yīng)可與樹木陰影所產(chǎn)生的效益相疊加[44]。

(3)其他因素?？照{(diào)外機(jī)排出的熱氣會直接導(dǎo)致環(huán)境升溫，抵消樹木遮蔭產(chǎn)生的降溫效益[45]，也會干擾樹木的正常物候期。水體主要通過自身蓄熱以及降溫增濕兩方面調(diào)節(jié)環(huán)境的熱舒適性，較易形成低溫區(qū)域[46]，也會對樹木的遮蔭功效產(chǎn)生間接的影響。

2.4 氣象因素

與樹木遮蔭具有緊密聯(lián)系的氣象因素是太陽高度角、太陽輻射強(qiáng)度、溫度和風(fēng)速等。樹木陰影會隨著太陽高度角、太陽輻射強(qiáng)度的變化而變化[47]。樹木陰影的面積隨著太陽高度角的日變化呈現(xiàn)出“先減小、再增大”的變化趨勢，即上午和傍晚的遮蔭面積較大，中午的遮蔭面積較小，近似于指數(shù)函數(shù)關(guān)系。太陽輻射強(qiáng)度(此處所關(guān)注的主要為可見光部分)對樹木遮蔭功效的影響表現(xiàn)在樹木的透光能力方面。根據(jù)相關(guān)研究，可見光輻射被樹木葉片吸收、反射及透過樹冠的比例分別為80%、10%和10%[9]，所以當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較大時(shí)，透過樹冠的輻射通量也較大，必定會影響樹木陰影的質(zhì)量，也有可能因周圍環(huán)境散射光強(qiáng)度增大，直接抵消樹木所產(chǎn)生的部分陰影。溫度也會影響樹木的遮蔭功效，主要原因是當(dāng)溫度過高時(shí)，熱空氣的流動和水汽的蒸發(fā)較快，樹木的蒸騰作用和酶的活性等受到抑制，甚至?xí)蓴_樹木的正常生長，樹冠及葉片屏蔽太陽輻射的能力降低。此外，風(fēng)能促進(jìn)空氣流動，會加速冷熱空氣的混合，削弱遮蔭降溫功效，也會導(dǎo)致樹木枝葉搖擺而增加樹冠的透光性，影響陰影質(zhì)量。但風(fēng)的不同類型對樹木遮蔭功效影響不同，平靜的垂直風(fēng)對于樹木改善熱舒適性更為有效[48]。

2.5 栽培管理

科學(xué)的栽培管理是園林樹木各種功能發(fā)揮的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)不同樹種的特性采取針對性強(qiáng)的措施，促進(jìn)其更好地發(fā)揮遮蔭功效。對于常綠樹木，要保證其分枝較多且有足夠的展葉期；對于落葉樹木，則要使落葉期盡量縮短。因此，應(yīng)多角度研究樹木葉片的生長及發(fā)育規(guī)律、葉幕的形成規(guī)律，力求樹木能較長時(shí)間保持健康且數(shù)量眾多的葉片，并能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)枝條的延展長度，較好地實(shí)現(xiàn)遮蔭綜合效益。此外，也需要做好土、肥、水的管理及自然災(zāi)害的防控。

3 園林樹木遮蔭功效的評價(jià)

因形態(tài)特征、生理功能、種植地外界環(huán)境因素、栽培管理方式的不同，各種樹木的遮蔭效果存在明顯的差異性和多樣性。根據(jù)吳翼[52]、陳耀華[53-54]、吳力立[55]等學(xué)者推薦的研究方法[13-14,16,49-51]，可通過測定降溫率、遮光率、陰影面積、蔭質(zhì)和遮蔭效果等指標(biāo)，對園林樹木的遮蔭功效進(jìn)行評價(jià)研究。結(jié)果表明，一球懸鈴木Platanusoccidentalis、三球懸鈴木(法國梧桐)Platanusacerifolia、銀杏Ginkgobiloba、羊蹄甲Bauhiniapurpurea、榕樹Ficusmicrocarpa、白蘭Michelia×alba、海南紅豆Ormosiapinnata、雪松Cedrusdeodara、毛泡桐Paulowniatomentosa、國槐Sophorajaponica、欒樹Koelreuteriapaniculata、苦楝Meliaazedarach、白蠟樹Fraxinuschinensis等樹種的遮蔭效果排序較為靠前。經(jīng)過對相關(guān)研究結(jié)果的分析，證實(shí)具備較好遮蔭效果的樹種均存在樹冠密集、葉片較大、樹冠不透光性好等特點(diǎn)。部分樹種雖然并不具備以上全部特征，但某一方面特點(diǎn)較為突出，彌補(bǔ)了其他方面的缺陷，例如雪松、海南紅豆、銀杏等雖然葉片較小，但比較密集，且葉片的不透明程度較高；一球懸鈴木、三球懸鈴木(法國梧桐)、毛泡桐等雖然枝葉相對稀疏，但葉片較大，葉子之間相互覆蓋和重疊部分較多，可明顯增強(qiáng)對太陽輻射的屏蔽能力。

4 研究展望與建議

4.1 研究展望

現(xiàn)有研究已證實(shí)，樹木的結(jié)構(gòu)特征如樹冠形狀、冠幅、分枝結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)和葉色等對遮蔭功效有著直接或間接的影響，但都是基于宏觀視角的探討，并不能揭示樹木微觀結(jié)構(gòu)與遮蔭功效的相互關(guān)系。此外，當(dāng)前的研究大多數(shù)是對種植于某一園林綠地或城市環(huán)境中的樹木進(jìn)行實(shí)地觀測，研究對象較為局限。在研究探討時(shí)都是假定某些環(huán)境因素是不變的，研究結(jié)果必會有所偏差，亟需引入更為科學(xué)有效的研究方法。此外，栽培管理措施與遮蔭方面的研究也較為薄弱。今后可從以下方面進(jìn)一步展開樹木遮蔭的研究：①可在實(shí)驗(yàn)條件允許時(shí)從樹木葉片的微觀視角進(jìn)一步探討葉綠素、類胡蘿卜素、葉黃素、類黃酮等物質(zhì)的含量與遮蔭功效的關(guān)系；②開展更多樣本、不同樹種的實(shí)證研究，探討葉片、枝干等不同結(jié)構(gòu)部位對太陽輻射吸收或攔截的比例關(guān)系；③借助GIS、RS等高新技術(shù)手段，獲取關(guān)于樹木遮蔭的全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，如研究樣地的樹木基本參數(shù)、周圍的環(huán)境因子、氣象因素等，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究存在的缺陷；④進(jìn)一步探討栽培管理措施與遮蔭功效相關(guān)性，為樹木的遮蔭設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 建議

園林樹木通過遮蔭作用有效阻隔了太陽輻射，改變了環(huán)境中的熱量平衡，對提高空間環(huán)境的熱舒適性有重要意義[56]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要充分遵循“適地適樹”基本原則，并正確處理好樹木遮蔭與景觀營造的關(guān)系，將樹木的遮蔭與其他規(guī)劃設(shè)計(jì)策略有效結(jié)合、正面疊加，以最大程度削減城市熱島效應(yīng)帶來的消極影響。

4.2.1 適地適樹，發(fā)揮園林樹木遮蔭潛能

(1)根據(jù)場地基本情況和實(shí)際遮蔭需求，選擇適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件和栽植地點(diǎn)場地特質(zhì)的樹種。例如行道樹的主要功能是通過遮蔭、降溫提升熱舒適性，改善道路空間微氣候，樹種選擇時(shí)不僅要考慮遮蔭的需要，也應(yīng)關(guān)注交通安全需求及建筑不同方位的光照和水分條件等。

(2)對樹木栽植地點(diǎn)進(jìn)行改造，滿足樹木生長發(fā)育需求。如地下水位較高或易于積水的地方，宜通過給排水措施進(jìn)行場地改造；土壤較為貧瘠則需進(jìn)行土壤改良。

(3)通過各種新科技手段對園林樹木進(jìn)行定向培育。如城市環(huán)境中常見的洪澇、干旱等極端環(huán)境或重金屬富集等均會嚴(yán)重影響園林樹木的生長和遮蔭功效的發(fā)揮。宜加強(qiáng)樹木的抗逆性研究和新品種選育，最大可能降低或消除極端環(huán)境的影響。

4.2.2 正確處理樹木遮蔭與景觀營造的關(guān)系

園林樹木可以改善熱舒適度，營造健康舒適的夏季游憩體驗(yàn)[57]。正確處理樹木遮蔭和景觀營造的關(guān)系，需要具有全局觀念，應(yīng)科學(xué)認(rèn)識到樹木遮蔭是植物景觀在滿足造景需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步表現(xiàn)出的改善環(huán)境的能力。樹木遮蔭并非孤立存在，與氣候、土壤和下墊面材質(zhì)等因素存在著依存關(guān)系。植物種植設(shè)計(jì)首先要與場所精神相符合，順應(yīng)空間使用者的需求和場地的特質(zhì)，在此基礎(chǔ)上再考慮遮蔭功效，并要把握好主次關(guān)系。若行道樹過于注重遮蔭功效，就可能造成樹木種植間距過小、植株過密，影響樹木遠(yuǎn)期的生長，甚至導(dǎo)致某些路段的光影變化不合理而威脅行車安全。樹木遮蔭雖能夠帶來樹蔭下舒適宜人的環(huán)境體驗(yàn)，但也會造成林下植物的生長受限，特別是改變了光照條件和水分循環(huán)，對多層次復(fù)合結(jié)構(gòu)的植物景觀較為不利，也會滋生苔蘚，影響道路通行安全。為了更加有效地削減熱島效應(yīng)的影響，樹木的遮蔭設(shè)計(jì)還需要與通風(fēng)廊道和水體景觀設(shè)計(jì)等策略結(jié)合起來，才能有效改善熱舒適性體驗(yàn)。