秦仲 李湛東

摘要：以北京奧林匹克森林公園內(nèi)8種常見的園林植物群落為研究對(duì)象，分別對(duì)群落內(nèi)部和對(duì)照點(diǎn)的光照強(qiáng)度，以及群落的葉面積指數(shù)、郁閉度、樹高、枝下高和冠幅進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果表明：在08：00～18：00時(shí)段，8種植物群落均可發(fā)揮明顯的遮光作用，但它們之間存在一定差異;不同群落的遮光作用日變化趨勢(shì)均呈單峰型分布，大多群落的遮光作用在11：00～14：00時(shí)達(dá)到峰值;此外，植物群落的樹高、枝下高與遮光作用呈顯著負(fù)相關(guān)，郁閉度與遮光作用呈顯著正相關(guān)。探明了城市公園中植物群落的光環(huán)境特性及其影響機(jī)制，旨在為科學(xué)構(gòu)建園林植物群落和深入剖析植物群落溫濕效應(yīng)的影響機(jī)制提供參考。

關(guān)鍵詞：城市公園;園林植物群落;光照強(qiáng)度;冠層結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU986.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）14-0001-04

1引言

世界氣象組織2019年3月28日發(fā)布的《2018年全球氣候狀況聲明》顯示，過去一年全球變暖仍在加速，為全球帶來諸多經(jīng)濟(jì)社會(huì)方面的挑戰(zhàn)。在城市園林綠地中，植物群落冠層可以反射和吸收部分光照，減少地面接收的光照強(qiáng)度，同時(shí)通過蒸騰作用、光合作用等生理活動(dòng)將吸收的光照轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，進(jìn)而降低空氣溫度、增加相對(duì)濕度。因此，在城市公園綠地中，光照不僅是影響園林植物群落構(gòu)建的主要環(huán)境因子之一，更是影響園林植物群落溫濕效應(yīng)的主要因素之一。近年來，眾多學(xué)者針對(duì)植物群落內(nèi)的光環(huán)境特征進(jìn)行了探索。林蔭對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)類型綠地的遮光作用，在春、夏、秋三季，遮光作用從強(qiáng)到弱依次為喬一灌一草綠地、灌一草綠地、喬一草綠地。申超等分析了福州市不同類型城市綠地的遮光效益，認(rèn)為公園綠地的遮光效益遠(yuǎn)大于居住區(qū)、商業(yè)區(qū)等其他城市區(qū)域。晏海等研究發(fā)現(xiàn)不同植物群落及對(duì)照點(diǎn)的光照強(qiáng)度日動(dòng)態(tài)均呈單峰分布，與對(duì)照點(diǎn)相比，植物群落的日均遮光率為61.0%～96.9%。宋子煒等也得出類似結(jié)論。Martens等認(rèn)為林下光環(huán)境的變化主要由林冠高度、郁閉度及分布格局決定，其中郁閉度的影響最大。陳高娃等以校園內(nèi)園林綠地為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)其遮光作用與不同樹種群落冠層的幾何形狀、葉面積指數(shù)、枝下高等因素有關(guān)。此外，章麗耀和張德順在上海辰山植物園對(duì)群落內(nèi)光環(huán)境特征如何影響游人行為偏好進(jìn)行了研究。由此可知，現(xiàn)有研究多見于針對(duì)林地內(nèi)的光環(huán)境進(jìn)行分析，以及比較不同類型植物群落的遮光效果，對(duì)于城市綠地中植物群落內(nèi)的光環(huán)境變化規(guī)律及其影響機(jī)制等園林應(yīng)用方面的問題尚缺乏深入研究。

因此，本研究以北京奧林匹克森林公園（以下簡(jiǎn)稱北京奧森公園）8種常見的園林植物群落為研究對(duì)象，探討8種植物群落內(nèi)光照強(qiáng)度的日變化規(guī)律，分析樹高、枝下高、冠幅、郁閉度和葉面積指數(shù)等指標(biāo)與植物群落遮光作用之間的關(guān)系，旨在為剖析園林植物群落溫濕效應(yīng)的影響機(jī)制、改善城市環(huán)境中的人體舒適度提供理論依據(jù)。

2研究方法

2.1研究區(qū)概況

北京市（115°70～117°40E，39°40～41°60N）地處華北平原西北邊緣，屬于典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季高溫多雨。根據(jù)北京市氣候中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，1961～2018年北京的年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，大約每十年升高0.45℃。北京奧森公園（40°～40.0333°N，116.3667°～116.4000°E）位于北京城中軸線的北端，南起奧林匹克中心區(qū)，北臨清河北路的城郊防護(hù)綠地。公園總占地面積達(dá)680hm²，其中綠化面積約478hm²，水面面積67.7hm²，綠化覆蓋率達(dá)95.61%。奧森公園是京北地區(qū)最大的城市休閑公園，也是北京近年來新建城市公園的典型代表，對(duì)于日后北京其他城市公園的建設(shè)和改造具有可參考性。

2.2樣地選擇

基于對(duì)奧森公園植物資源的調(diào)查，本研究選取8個(gè)位于奧森公園的常見喬一草型單優(yōu)勢(shì)種群落作為研究樣地。樣地面積大于500m²，使得測(cè)定樣方可以位于樣地中心，距樣地四周邊緣有至少10m左右的緩沖帶。同時(shí)，所選樣地的喬木優(yōu)勢(shì)種在北京具有良好的生態(tài)適應(yīng)性，處于北京城市園林綠化樹種使用頻率的前20位。在距離每個(gè)研究樣地不超過100m的空曠草坪處安置對(duì)照點(diǎn)，并設(shè)3個(gè)重復(fù)，該區(qū)域的栽培養(yǎng)護(hù)管理情況與所選研究樣地基本一致。研究樣地的基本情況如表1。

2.3測(cè)試指標(biāo)及方法

本研究在夏季晴朗無風(fēng)（風(fēng)速小于2m/s）的白天時(shí)段（08：00～18：00）進(jìn)行。由于光照強(qiáng)度的變化細(xì)節(jié)豐富，為了盡可能反映出群落內(nèi)部的光環(huán)境情況，將測(cè)定樣方設(shè)置為10m×10m，按照每?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)之間間隔為2m，在樣方內(nèi)一共均勻布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖1）。本研究的測(cè)試指標(biāo)包括：光照強(qiáng)度、郁閉度、葉面積指數(shù)以及群落內(nèi)植株自身結(jié)構(gòu)特征（樹高、枝下高、冠幅）。

光照強(qiáng)度的測(cè)定。采用移動(dòng)測(cè)定法，在測(cè)定樣方內(nèi)的16個(gè)測(cè)點(diǎn)以及對(duì)照點(diǎn)處，于距離地面1.5m垂直高度，利用TES-1339R手持式照度計(jì)（臺(tái)灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司，計(jì)量單位為勒克斯（Ix），量程范圍0.011x～999900lx），待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后分別記錄東、南、西、北4個(gè)方向的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均即為該測(cè)點(diǎn)的光照強(qiáng)度值。每個(gè)觀測(cè)日從08：00～18;00進(jìn)行間隔為1h的連續(xù)測(cè)定。為了減少由于時(shí)間變化而造成光照強(qiáng)度改變的誤差，單次全部測(cè)點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間控制在10min以內(nèi)，具體測(cè)定順序如圖1所示。

郁閉度的測(cè)定。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處，將數(shù)碼相機(jī)固定在三腳架云臺(tái)上，使照相機(jī)鏡頭始終保持水平，向群落冠層拍照。然后，運(yùn)用Adobe Photoshop CS5（Adobe Sys-tems Inc）將圖片變換為灰度雙色調(diào)，記錄直方圖中顯示的林冠范圍的像素值a，將直方圖所顯示的標(biāo)準(zhǔn)偏差值作為色彩范圍對(duì)話框中的顏色容差值，用吸管在天空影像較亮的地方單擊吸取參考顏色，分離出天空部分的影像，統(tǒng)計(jì)其像素值b。計(jì)算如下：

CD=l-b/a （1）

式（1）中：CD為郁閉度;a為林冠范圍的像素值;b為林冠范圍內(nèi)天空的像素值。

葉面積指數(shù)的測(cè)定。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)距離地面1.5m的垂直高度處，用cI-110植物冠層圖像分析儀（ClDBioScience，Inc.）獲取群落冠層的圖片，通過該儀器配套的分析軟件Gap-Fraction Inversion Procedure程序統(tǒng)計(jì)每個(gè)部分的天空可視區(qū)域。最后計(jì)算出葉面積指數(shù)（LAI）。

樹高、枝下高和冠幅的測(cè)定。在測(cè)定樣方內(nèi)，以根據(jù)每?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)間隔距離（2m）畫出的方格網(wǎng)為參考，在坐標(biāo)紙上依次標(biāo)記樣方內(nèi)每株喬木的種植位置，同時(shí)測(cè)量每株喬木對(duì)應(yīng)的樹高、枝下高和冠幅。

2.4數(shù)據(jù)分析

為了對(duì)不同園林植物群落在不同日期的遮光作用進(jìn)行分析和比較，本研究將植物群落與對(duì)照點(diǎn)之間的光照強(qiáng)度差值定義為遮光作用，計(jì)算公式如下：

遮光作用=Lsun-Lsh （2）

式（2）中：Lsun為對(duì)照點(diǎn)的光照強(qiáng)度，Lsh為群落內(nèi)的光照強(qiáng)度。

為描述8種園林植物群落遮光作用的日變化趨勢(shì)，將同一時(shí)刻群落內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的遮光作用值進(jìn)行算術(shù)平均，可得到該時(shí)刻群落的遮光作用。以此類推，即可反映出遮光作用在一天中08：00～18：00之間的日變化趨勢(shì)。為探討園林植物群落遮光作用與其結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系，將群落的遮光作用分別與郁閉度、葉面積指數(shù)、樹高、枝下高、冠幅進(jìn)行相關(guān)性分析。其中，遮光作用被定義為因變量，郁閉度、葉面積指數(shù)、樹高、枝下高和冠幅被定義為自變量。

本研究涉及的統(tǒng)計(jì)分析通過SPSS/PC+softwarepackage（version 19.0，SPSS Inc.）完成，數(shù)據(jù)處理和相關(guān)圖表制作在Microsoft Excel 2010（Microsoft Corpora-tion）中完成。

3結(jié)果與分析

3.1 不同園林植物群落遮光作用的日變化規(guī)律

由圖2可知，在08：00～18：00之間，由于植物群落冠層對(duì)太陽輻射的遮擋，8種園林植物群落均形成了明顯的遮光作用，且遮光作用的變化趨勢(shì)基本一致，呈單峰型分布。早上08：00時(shí)，群落內(nèi)的遮光作用相對(duì)較弱，隨著時(shí)間的推移，植物群落的遮光作用逐漸增強(qiáng)，除了刺槐群落的遮光作用在09：00時(shí)左右達(dá)到峰值，其他植物群落的遮光作用在11：00～14：00時(shí)達(dá)到最大值，而后8種植物群落的遮光作用均逐漸減弱，直至18：00時(shí)左右，8種植物群落的遮光作用均為一天中自天時(shí)段的最小值。

3.2園林檀物群落結(jié)構(gòu)特征對(duì)其遮光作用的影響

由表2可知，植物群落的遮光作用與樹高、枝下高表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明植物群落內(nèi)植株的樹高和枝下高越小，其遮光作用越明顯。同時(shí)，植物群落的冠幅、郁閉度和葉面積指數(shù)與其遮光作用呈正相關(guān)，且郁閉度與其遮光作用之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平?？梢?，隨著植物群落的郁閉度、葉面積指數(shù)和冠幅逐漸增大，其遮光作用相應(yīng)增強(qiáng)。已有研究表明，單層的植物葉片可以對(duì)太陽直接輻射和散射輻射進(jìn)行有效阻擋，進(jìn)而吸收80%、反射10%，僅透射10%的可見光。植物群落冠層是由多層植物枝葉疊加組成，因而吸收和反射的太陽輻射比例更大，可以起到更為顯著的遮光作用。宋子煒等認(rèn)為，植物的這種反射和吸收作用主要與植物群落冠層的結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。即植物群落內(nèi)植株的樹高和枝下高越低，郁閉度、葉面積指數(shù)和冠幅越大，對(duì)太陽輻射的吸收和反射作用越強(qiáng)，群落的遮光作用越明顯。

4結(jié)論與討論

本研究通過對(duì)比分析北京奧森公園內(nèi)8種園林植物群落的遮光作用日變化規(guī)律以及植物群落日均遮光作用與其結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系，結(jié)果表明，在08：00～18：00之間，8種植物群落均可發(fā)揮明顯的遮光作用，其變化趨勢(shì)均呈單峰型分布，除了刺槐群落的遮光作用在09：00時(shí)左右達(dá)到峰值，其他植物群落的遮光作用在11：00～114：00時(shí)達(dá)到最大值。此外，園林植物群落的冠層結(jié)構(gòu)特征均對(duì)其遮光作用有一定影響，其中，樹高、枝下高與遮光作用呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，郁閉度與遮光作用呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

由于群落冠層對(duì)太陽輻射的吸收和反射，使群落內(nèi)得到的光強(qiáng)相對(duì)于群落外將減少，進(jìn)而產(chǎn)生了遮光作用。本研究發(fā)現(xiàn)，城市公園中植物群落的遮光作用峰值一般出現(xiàn)在11：00～14：00時(shí)段，且在白天時(shí)段呈現(xiàn)出單峰型規(guī)律。晏海等認(rèn)為，不同園林植物群落的光照強(qiáng)度日動(dòng)態(tài)呈單峰分布，在12：00～14：00間群落內(nèi)與對(duì)照點(diǎn)光照強(qiáng)度的差值達(dá)到最大。程子序研究表明，油松林內(nèi)光照強(qiáng)度在12：00時(shí)左右達(dá)到峰值。由于研究地點(diǎn)的位置、地形、海拔高度和周邊環(huán)境等因素的不同，使得不同地區(qū)的研究結(jié)論略有差異。城市公園中的園林植物群落通常為人工林，層次簡(jiǎn)單，因而不同群落遮光作用的差異主要是由于其自身結(jié)構(gòu)特征的不同而引起的。本研究顯示，群落的樹高、枝下高與其遮光作用呈顯著負(fù)相關(guān)，郁閉度與其遮光作用呈顯著正相關(guān)。這與其他研究結(jié)論基本一致。已有研究表明，植物群落的遮光率隨著群落平均株高和冠層高度的增加而減小。這是因?yàn)殡S著樹高的增加，使得植株中下部枝葉較為稀少，因而早上和下午斜射進(jìn)人群落內(nèi)的太陽輻射會(huì)明顯增多，導(dǎo)致遮光作用減弱。同時(shí)，植物群落的遮光率與其郁閉度和葉面積指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，葉面積指數(shù)大于2時(shí)，遮光率可以達(dá)到80%以上，遮蔭效果顯著，而在葉面積指數(shù)小于1時(shí)，遮光率則小于50%。但是，并非葉面積指數(shù)和郁閉度越大越好，葉面積指數(shù)增加使得群落的遮光作用增強(qiáng)，群落內(nèi)的光照相應(yīng)減少，如果超過了一些植物的耐蔭能力，將會(huì)導(dǎo)致物種多樣性的減少，不利于構(gòu)建復(fù)層結(jié)構(gòu)的植物群落。

研究城市公園中植物群落內(nèi)的光環(huán)境特征及其影響機(jī)制，不僅有助于深人探討城市公園中植物群落溫濕效應(yīng)的影響機(jī)制，同時(shí)對(duì)公園中植物群落內(nèi)的構(gòu)建也具有重要作用。本研究針對(duì)園林植物群落的遮光作用及其影響因素進(jìn)行了分析，但樣本數(shù)量不夠、樣地選擇單一等問題可能導(dǎo)致研究結(jié)論存在一些誤差。在今后的研究中，可選擇單一樹種，對(duì)其不同結(jié)構(gòu)特征與遮光作用之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行深人分析，并建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同種類植物群落的遮光作用、探究植物群落溫濕效應(yīng)的影響機(jī)制奠定基礎(chǔ)。