龍 潔，張良波，彭盡暉，楊 岑，戴眾樂，胡泓意

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.懷化學(xué)院，湖南 懷化 418008；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

伴隨著城市化進(jìn)程的加快，城市熱島效應(yīng)已成為最突出的環(huán)境問題之一[1]，城市人居環(huán)境與市民健康受到前所未有的挑戰(zhàn)[2]。已有研究表明，城市公園綠地能夠通過其植物群落調(diào)節(jié)微氣候環(huán)境中的溫度、濕度與風(fēng)速等來緩解城市熱島效應(yīng)[3-5]。綠地空間微氣候環(huán)境往往受到多種植物群落的共同作用[6-7]，植物群落因其結(jié)構(gòu)和冠層特征不同會(huì)產(chǎn)生不同的微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)[8-10]，其中冠層郁閉度、三維綠量、分層數(shù)與群落高度對(duì)綠地降溫增濕功能的影響顯著[11-13]。已有關(guān)于植物群落微氣候調(diào)節(jié)作用的研究以分析植物群落結(jié)構(gòu)特征對(duì)溫度、濕度調(diào)節(jié)作用的研究居多，對(duì)風(fēng)速調(diào)節(jié)作用的研究鮮見。本研究基于懷化市五溪文化公園中6種植物群落在夏季高溫時(shí)間段的微氣候變化數(shù)據(jù)，分析其在夏季高溫時(shí)間段內(nèi)對(duì)群落內(nèi)微氣候的調(diào)節(jié)作用，比較其微氣候調(diào)節(jié)作用的差異，旨在為懷化市城市公園植物群落建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

懷化市位于武陵山脈和雪峰山脈之間，沅水自南向北貫穿其全境，其氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，夏季高溫多雨，年平均氣溫19～27 ℃，最高氣溫38 ℃，年平均降水量1 615 mm。五溪文化公園位于懷化市鶴城區(qū)五溪大道，東臨懷化學(xué)院東校區(qū)，北接迎豐東路，地理位置優(yōu)越，人流量龐大。公園始建于2004年，占地面積19.10 hm2，綠化率達(dá)70.56%。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在五溪文化公園內(nèi)選擇6種近自然的不同類型的植物群落設(shè)置樣地，樣地下墊面為草地或土壤；選擇無植被覆蓋的硬質(zhì)空地設(shè)置對(duì)照樣地；其樣地大小均為20 m×20 m。使用GNSS RTK手持測(cè)繪儀定位樣地位置，并在各樣地內(nèi)采用梅花五點(diǎn)法沿對(duì)角線布設(shè)5個(gè)2 m×2 m的樣方用于調(diào)查灌木層、地被層植物現(xiàn)狀[14]。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

為減少因天氣差異造成的誤差，避開陰天、下雨天與大風(fēng)天等，于2022年7—8月選擇晴朗無風(fēng)或微風(fēng)且天氣狀況類似的典型高溫天氣進(jìn)行測(cè)量，并每日選擇高溫時(shí)間段11：00—16：00測(cè)量植物群落林下空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速[15]。

2.2.1 微氣候指標(biāo)測(cè)量

在各樣地的對(duì)角線1/4處及中心點(diǎn)共設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，采用DJL-18溫濕光三參數(shù)記錄儀每間隔10 min分別記錄各觀測(cè)點(diǎn)的空氣溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度；同時(shí)，采用GT8907風(fēng)速儀每間隔10 min分別測(cè)量和記錄各觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)量。測(cè)量時(shí)測(cè)量?jī)x器均距地面1.5 m，每個(gè)群落都測(cè)量3 d。

2.2.2 群落基本情況調(diào)查

采用典型樣地法[16]對(duì)群落內(nèi)植物進(jìn)行逐層調(diào)查，調(diào)查喬木層植物的種名、樹高、胸徑、冠幅、冠高、冠下高、第一活枝枝下高和灌木層植物的種名、基徑、株高、冠幅、冠高、蓋度以及地被層植物的種名、蓋度。

2.2.3 郁閉度計(jì)算

采用DJI御2pro無人機(jī)，于樣地中心點(diǎn)200 m高處垂直拍照記錄植物群落，照片朝向均為正北，并將照片導(dǎo)入CAD2018，繪制喬木覆蓋范圍，計(jì)算植物群落郁閉度。

2.2.4 群落分層

依據(jù)喬木層(胸徑≥4 cm的木本植物)、灌木層(胸徑<4 cm，株高>0.5 m的木本植物)、地被層(株高≤0.5 m 的木本植物和草本植物)劃分群落分層結(jié)構(gòu)[17]，并逐層調(diào)查群落內(nèi)植物，以主林層主要喬木胸徑平均值的喬木樹高作為群落高度。

2.2.5 三維綠量計(jì)算

采用“平面量模擬立體量”[18]計(jì)算植物群落喬木層、灌木層的三維綠量，地被植物以覆蓋面積×平均株高計(jì)算其三維綠量[19]，各層三維綠量之和即為總?cè)S綠量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

分別對(duì)植物群落的空氣溫度、相對(duì)濕度及風(fēng)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。溫度變化用日均降溫作用和日均降溫率(ET)來表示；相對(duì)濕度變化用日均增濕作用和日均增濕率(EF)來表示；平均風(fēng)速變化以日均阻風(fēng)作用和日均阻風(fēng)率(EW)來表示。其計(jì)算公式見表1。

表1 數(shù)據(jù)計(jì)算方法Tab.1 Data calculation methods符號(hào)平均值符號(hào)意義ETET=13∑3i=1T0-TiT0×100%T0為對(duì)照點(diǎn)溫度平均值;Ti為樣方內(nèi)部溫度平均值;T0-Ti為降溫作用EFEF=13∑3i=1Fi-F0F0×100%F0為對(duì)照點(diǎn)相對(duì)濕度平均值;Fi為樣方內(nèi)部相對(duì)濕度平均值,Fi-F0為增濕作用EWEW=13∑3i=1Wi-W0W0×100%W0為對(duì)照點(diǎn)風(fēng)速平均值;Wi為樣方內(nèi)部風(fēng)速平均值,Wi-W0為阻風(fēng)作用

用每種植物群落的溫、濕度與阻風(fēng)數(shù)據(jù)，在EXCEL 2010中繪制溫、濕度與風(fēng)速的日變化趨勢(shì)圖；使用SPSS 26.0對(duì)各微氣候因子進(jìn)行單因素方差分析，對(duì)6個(gè)植物群落在試驗(yàn)期間的降溫增濕阻風(fēng)作用的顯著性進(jìn)行分析，并對(duì)其差異性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植物群落的結(jié)構(gòu)特征

由表2可知：不同樣地群落的結(jié)構(gòu)與冠層特征存在差異。S6群落為喬灌草結(jié)構(gòu)，群落結(jié)構(gòu)最復(fù)雜；S5群落為喬木結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單一，缺少灌木、草本地被層；S2、S4群落均為喬草結(jié)構(gòu)；S1群落為灌草結(jié)構(gòu)，缺乏喬木層。S1群落具有較低的綠量，其他群落均具有較高的綠量[12，20]。在郁閉度方面，除S1群落外，其他樣地群落的郁閉度均處于較高等級(jí)[21]。從喬木分層數(shù)方面看，各樣地群落分層數(shù)均較少，其中S2、S3群落的分層數(shù)相同，均為2層；S4、S5、S6群落的分層數(shù)相同，均為3層。在喬木平均樹高方面，S3群落的處于小喬范圍(6 m≤樹高<10 m)，S2、S4、S5、S6群落的均處于中喬范圍(10 m≤樹高<20 m)[22]；S2群落的最大，為13.99 m，S3群落的最小，僅為8.54 m，二者相差5.45 m。在平均冠幅、平均胸徑方面，S6群落平均冠幅與平均胸徑均最大，S3群落的平均冠幅最小，S4群落的平均胸徑最小。

表2 6種植物群落的結(jié)構(gòu)特征Tab.2 Community structure characteristics of six plant communities樣地編號(hào)群落結(jié)構(gòu)三維綠量/m3喬木層結(jié)構(gòu)特征分層數(shù)郁閉度/%平均樹高/m平均冠幅/cm平均胸徑/cmDZ空地//////S1灌草204.58/////S2喬草Ⅰ1 400.63260.413.995.3722.39S3喬灌2 352.01285.88.544.4421.10S4喬草Ⅱ1 462.38366.810.814.9220.18S5喬木2 184.87382.012.606.1126.14S6喬灌草2 276.51377.412.957.2728.26

3.2 植物群落結(jié)構(gòu)對(duì)群落內(nèi)夏季空氣溫度的影響

如圖1所示，在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，各樣地植物群落內(nèi)平均空氣溫度均呈持續(xù)上升趨勢(shì)，且6個(gè)樣地植物群落內(nèi)空氣溫度均低于對(duì)照的。由表3可知：在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，6個(gè)樣地植物群落的降溫作用范圍在2.78～8.52 ℃之間，平均降溫作用為6.32 ℃；降溫率范圍在6.50%～19.19%之間，平均降溫率為14.36%。各樣地植物群落內(nèi)的平均空氣溫度與對(duì)照的差異均達(dá)顯著(Turkey HSD多重比較分析，P<0.01)，6個(gè)樣地植物群落均能顯著調(diào)節(jié)林下空氣溫度，但各群落降溫能力存在差異。降溫作用、降溫率在S2、S5樣地群落間的差異均不顯著，在S1、S3、S4、S6樣地群落間的差異均顯著，在S2、S5與S1、S3、S4、S6樣地群落間的差異均顯著。按降溫作用從大到小排序，6個(gè)樣地植物群落依次為S6、S3、S2、S5、S4、S1；按降溫率從大到小排序，6個(gè)樣地植物群落依次為S6、S3、S2、S5、S4、S1。

圖1 6種植物群落及其對(duì)照平均空氣溫度的日變化趨勢(shì)Fig.1 Daily trends in mean air temperature of six plant communities and their control

分析其原因，S1缺乏喬木層，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，三維綠量最小，表現(xiàn)為最弱的降溫效果。S2、S3、S5、S6樣地群落均擁有較大的三維綠量與郁閉度，降溫效果突出。各群落因結(jié)構(gòu)不同呈現(xiàn)不同的降溫效果，S6樣地群落的高度較高，平均胸徑和平均冠幅均最大，其降溫作用、降溫率均最大；S5樣地的群落的垂直結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺乏灌木、草本地被層，其降溫作用、降溫率與除S2樣地群落以外的其他群落的差異均顯著；S4樣地群落雖具有較大的三維綠量與郁閉度，但相較于S2樣地群落，冠層特征更簡(jiǎn)單，其降溫作用、降溫率僅高于S1樣地群落的。可見，實(shí)測(cè)結(jié)果符合群落垂直結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，冠層特征越豐富，植物群落降溫效果越明顯的規(guī)律。即群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，三維綠量越大，郁閉度越大，平均胸徑越大，植物群落降溫作用越明顯。

表3 6種植物群落的降溫效果Tab.3 Cooling effect of six plant communities樣方編號(hào)溫度平均值/℃最大值/℃最小值/℃降溫作用/℃降溫率/%DZ(43.40±0.19)d46.2140.73S1(39.77±0.17)c42.3836.93(2.78±0.08)a (6.50±0.16)aS2(35.70±0.13)a37.3833.53(6.85±0.11)c(15.95±0.20)cS3(36.21±0.14)a38.1534.25(8.05±0.08)d(18.12±0.15)dS4(39.41±0.18)c41.3036.35(4.85±0.07)b(10.87±0.17)bS5(37.38±0.15)b38.9034.35(6.88±0.08)c(15.54±0.16)cS6(35.75±0.15)a37.6533.90(8.52±0.07)e(19.19±0.10)e 注:同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.01)。下同。

3.3 植物群落結(jié)構(gòu)對(duì)群落內(nèi)夏季相對(duì)濕度的影響

如圖2所示，在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，各樣地植物群落內(nèi)平均相對(duì)濕度呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，6個(gè)樣地植物群落內(nèi)的相對(duì)濕度均高于對(duì)照的。由表4可知：在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，6個(gè)樣地群落內(nèi)的相對(duì)濕度與對(duì)照的差異均達(dá)顯著(Turkey HSD多重比較分析，P<0.01)，說明植物群落對(duì)林下環(huán)境具有顯著的增濕作用。6個(gè)樣地植物群落內(nèi)的增濕作用范圍在6.70%～18.70%之間，平均增濕作用為14.14%；增濕率范圍在22.79%～75.10%之間，平均增濕率為54.05%。不同冠層結(jié)構(gòu)的植物群落增濕作用存在差異，增濕作用在S3與S6樣地群落間的差異性不顯著，但在S3、S6與S1、S2、S4、S5樣地群落間的差異均達(dá)到顯著水平；在S1、S2、S4、S5樣地群落之間的差異均達(dá)到顯著水平(P<0.01)。按增濕作用從大到小排序，6個(gè)樣地植物群落依次為S6、S3、S2、S5、S4、S1。按增濕率從大到小排序，6個(gè)樣地植物群落依次為S2、S3、S6、S5、S4、S1。

圖2 6種植物群落及其對(duì)照組平均相對(duì)濕度的日變化趨勢(shì)Fig.2 Daily trends in mean relative humidity of the six plant communities and their controls

分析其原因，受植物垂直結(jié)構(gòu)與冠層特征的影響，豐富的冠層結(jié)構(gòu)能夠有效截留散發(fā)的水分子，使得對(duì)照的相對(duì)濕度在快速降低的情況下，樣地植物群落內(nèi)保持了較高的相對(duì)濕度。S1樣地群落缺乏高大喬木，三維綠量小，無法高效截留散發(fā)的水分子，群落內(nèi)相對(duì)濕度的增加效果遠(yuǎn)差于其他樣地群落的；S3與S6樣地的群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冠層特征相近，表現(xiàn)為相近的增濕效果；S5樣地群落垂直結(jié)構(gòu)單一，缺乏灌木、草本地被層，林下空間開闊，其增濕作用與其他樣地群落的差異顯著?？梢姡瑢?shí)測(cè)結(jié)果符合群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，冠層特征越豐富，群落增濕作用越明顯的規(guī)律。此外，相對(duì)濕度變化還受到各種外部環(huán)境因素的影響，相較于其他樣地群落，S4樣地群落的喬木層平均胸徑小，分層數(shù)量多，群落高度小，無法較好地進(jìn)行空氣對(duì)流，其相對(duì)濕度與其他樣地群落的差異均顯著。而同為喬草結(jié)構(gòu)的S2樣地群落，分層數(shù)少，群落高度相較S4高3.18 m，增濕率高38.67%?？梢姡郝淞窒驴臻g的通透性越好，外界環(huán)境因子對(duì)群落內(nèi)濕度的影響作用更迅速，群落內(nèi)的相對(duì)濕度變化更明顯。

表4 6種植物群落的增濕效果Tab.4 Humidification effect of six plant communities樣地編號(hào)相對(duì)濕度平均值/%最大值/%最小值/%增濕作用/%增濕率/%DZ(28.28±0.42)a35.0322.40S1(34.88±0.51)b44.2328.63 (6.70±0.15)a(22.79±0.81)aS2(44.41±0.53)d53.2338.38(16.24±0.19)d(75.10±1.95)eS3(46.86±0.44)e52.7840.95(18.59±0.19)e(68.13±1.16)dS4(38.09±0.47)c46.1332.90(9.81±0.19)b(36.43±0.77)bS5(43.09±0.42)d51.5038.68(14.82±0.19)c(53.82±1.07)cS6(46.97±0.45)e52.3540.50(18.70±0.17)e(68.03±1.02)d

3.4 植物群落結(jié)構(gòu)對(duì)群落內(nèi)夏季風(fēng)速的影響

如圖3所示，在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，對(duì)照與各樣地群落內(nèi)的風(fēng)速變化曲線相互交錯(cuò)，但均表現(xiàn)出較大幅度的上下波動(dòng)。由表5可知：從平均風(fēng)速上看，S2、S3、S4樣地群落內(nèi)的平均風(fēng)速略高于對(duì)照的，S1、S5、S6樣地群落內(nèi)的風(fēng)速略低于對(duì)照的；6個(gè)樣地植物群落的平均風(fēng)速與對(duì)照的差異均不顯著，其阻風(fēng)作用范圍在-0.15～0.14 m·s-1之間，平均阻風(fēng)作用為-0.01 m·s-1；阻風(fēng)率范圍在-40.25%～-13.02%之間，平均阻風(fēng)率為-21.34%。說明6種樣地植物群落均不存在明顯的阻風(fēng)作用，僅S1、S2樣地群落具有0.14 m·s-1、0.06 m·s-1的阻風(fēng)作用。不同植物群落的阻風(fēng)作用、阻風(fēng)率的差異均不顯著(Turkey HSD多重比較分析，P>0.01)。

圖3 6種植物群落及其對(duì)照組平均風(fēng)速的日變化趨勢(shì)Fig.3 Daily trends in mean wind speed for the six plant communities and their controls

相關(guān)研究表明，相較于喬木層，灌木層對(duì)植物群落的阻風(fēng)作用更突出[23]，喬木層因樹木分支點(diǎn)高，而當(dāng)樹冠的高度≥1.5 m時(shí)，無法對(duì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生良好的調(diào)節(jié)作用。在S1樣地群落中，低矮灌木對(duì)風(fēng)形成了阻擋作用，而其他喬草、喬木結(jié)構(gòu)群落的林下空間通透，空氣對(duì)流效果好，對(duì)風(fēng)速有促進(jìn)作用。相較于溫度與相對(duì)濕度，風(fēng)環(huán)境極易受到大氣環(huán)境的影響，其變化具有不確定性。在群落特征上，S2樣地群落的高度較S4樣地群落的更高，表現(xiàn)為較弱的阻風(fēng)作用，S2樣地群落對(duì)風(fēng)速起促進(jìn)作用；盡管S3、S6樣地群落中均有灌木層，冠層結(jié)構(gòu)特征均比S1樣地群落的復(fù)雜，但在風(fēng)速調(diào)節(jié)上均表現(xiàn)為促進(jìn)作用，不具備阻風(fēng)作用?？梢娙郝浣Y(jié)構(gòu)與冠層特征對(duì)風(fēng)速的影響不明顯。這可能是由于五溪文化公園中各樣地及樣地周邊環(huán)境因素均相差不大，群落內(nèi)部空間圍合緊密度不高，當(dāng)環(huán)境風(fēng)經(jīng)過樣地時(shí)便無法形成明顯的阻風(fēng)作用。

表5 6種植物群落的阻風(fēng)效果Tab.5 Wind blocking effect of six plant communities樣地編號(hào)平均風(fēng)速/(m·s-1)最大值/(m·s-1)最小值/(m·s-1)阻風(fēng)作用/(m·s-1)阻風(fēng)率/%DZ0.81±0.061.590.29S10.79±0.082.000.01 0.14±0.12-13.02±17.28S20.87±0.051.680.33 0.06±0.11-17.01±12.81S30.91±0.061.540.20-0.15±0.09-40.25±15.01S40.86±0.051.500.41-0.09±0.08-23.94±13.11S50.77±0.071.820.13-0.01±0.10-15.37±11.31S60.80±0.061.480.28-0.05±0.06-18.47±8.53

4 結(jié)論與討論

(1)懷化市五溪文化公園中的植物群落均具有明顯的降溫增濕作用，其中群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，三維綠量與郁閉度越大，平均胸徑越大的植物群落，其降溫、增濕作用越明顯，且群落高度越高，林下空間越空曠，植物群落的增濕作用越明顯。

(2)懷化市五溪公園中植物群落的阻風(fēng)作用均不明顯，其阻風(fēng)作用主要受群落中灌木層的影響，群落冠層結(jié)構(gòu)特征對(duì)其影響不明顯，且阻風(fēng)作用極易受到周邊環(huán)境因素的影響，具有不規(guī)律性。

(3)在懷化市五溪文化公園不同結(jié)構(gòu)的植物群落中，喬灌草結(jié)構(gòu)的群落其降溫、增濕效果最佳。這是因?yàn)閱坦嗖萁Y(jié)構(gòu)的群落其垂直結(jié)構(gòu)較豐富、冠層特征明顯，具有更多的、更密集的樹枝、樹干，能起到更好的隔熱、保濕作用，這與高吉喜等[12]的研究結(jié)果相似。該公園中植被空間結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速的影響并不突出，與劉濱誼等[23]的研究結(jié)果存在差異，這可能是因?yàn)樵摴珗@中植物群落的縱向結(jié)構(gòu)及橫向結(jié)構(gòu)的差異性小，對(duì)風(fēng)環(huán)境影響單一，因此表現(xiàn)為風(fēng)速差異性不明顯。

(4)總體上，懷化市五溪文化公園中的植物群落林下空間開闊，通風(fēng)效果好，具備一定的微氣候調(diào)節(jié)能力，可以在夏季營(yíng)造較舒適的納涼環(huán)境，但存在群落結(jié)構(gòu)單一、分層數(shù)量少，缺乏成年高大喬木的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樵摴珗@建成年份短，而幼樹長(zhǎng)成高大喬木需要的時(shí)間較長(zhǎng)。未來可以通過增加灌草層植被，補(bǔ)植喬木先鋒樹種的方法來提高植物群落的三維綠量、郁閉度，豐富植物群落層次，構(gòu)建更舒適的夏季林下微氣候環(huán)境。