易嘉慧,段小苗,韩泰玉,周安琪,杨 文

(湖南师范大学 资源与环境科学学院,湖南 长沙410081)

在高速城市化影响下,“热岛效应”给城市生态环境带来极大影响,破坏人们的居住环境,大大降低了城市生活质量[1,2]。目前,众多学者对“热岛效应”进行了研究,发现下垫面因素对“热岛效应”的影响不容忽视,其中绿地是缓解城市“热岛效应”，降低区域温度的重要因素之一[3-5]。绿地植物通过物理遮蔽作用拦截太阳辐射、蒸腾作用和光合作用吸收地表辐射,从而达到降低周边温度的目的[6,7]。为了分析绿地及相关因素对周边环境温度的调节作用,研究者们从绿地面积、种类、形状等不同因素出发,探索了绿地与温度之间的定性和定量关系[8-11]。Decelet-Barreto等利用遥感技术估测植被周围温度比其他地方的温度低0.8—8.4℃[12];Hardin等发现叶面积指数每增加1个单位,温度会降低1.2℃左右[13];日本Mikami等对森林面积进行了研究,发现森林植被覆盖度的降温效应存在阈值,只要超过20hm2,降温效率将不会继续增强[14]。相关研究表明,植被覆盖度与区域温度间存在着显著负相关关系[7,15]。部分研究结果表明,公园冷岛效应主要与水体面积和绿地面积(即植被覆盖度)的比例有关。当城市公园的乔木覆盖率40%—60%、集中型水体比例15%、铺装比例20%时,降温效果达到最佳[16]。国内多数研究是基于遥感影像数据探索大尺度植被覆盖度与温度的关系,且植被覆盖度的阈值范围成为研究的热点[2，3,15,17]，而从较小尺度出发,实地监测与分析区域内植被覆盖情况与温度的关系研究较少。本文将从居民区的尺度出发,定量分析居民区内植被覆盖度对温度的影响程度。

1 数据获取与处理

1.1 研究区概况与监测点布设

长沙介于111°53′—114°15′E、27°51′—28°41′N,是长江中游地区重要的中心城市。当前,长沙城区“热岛效应”显著,夏季平均温度为35℃左右,最高达40℃。随着城镇化发展,城市居住人口增多,对居住环境的绿化建设重视度逐步得到提升,成为城市居住小区建设规划的重点之一。

本研究选取长沙市岳麓区植被覆盖度存在明显差异的3个小区(麓山名园小区、阳光100小区、阳明山庄小区)、空地和岳麓山作为研究对象,具体位置见图1。其中,3个居民区建筑高度基本一致,均为7—8层房屋,建筑密度相近,小区四周两面为交通路段,另外两面为其他建筑地物,各小区内选取树冠遮蔽处、阳光直射处、构筑物阴影处进行布点,布点高度为1m左右。空地和岳麓山则分别布设一个测点作为对照监测点。其中,空地选择较大范围内无植被覆盖的区域中心,岳麓山则选择植被茂密几乎无透光处,共计11个监测点。

图1 研究区概况

1.2 数据采集与处理

植被覆盖度采集与分析:本文使用WhoseGIS软件在Google earth上截取麓山名园、阳光100和阳明山庄3个小区影像，截取时间分别为2018年6月17日、4月7日、6月17日,像元大小为1m×1m,所有影像数据均采用WGS84椭球基准面,精校正到UTM投影坐标系(N49带)。利用ArcGIS软件对影像进行目视解译,结合实地验证获取了3个小区的植被覆盖度。其中，麓山名园的植被覆盖度为20.27%，阳光100的植被覆盖度为26.31%，阳明山庄的植被覆盖度为40.22%,空地和岳麓山的植被覆盖度则分别近似于0和100%。

温湿度采集与分析:在9—11月选取天气状况稳定的连续时间,用GM1365温湿度仪测定测点温度和湿度,时间间隔为1min,共得到50，400组数据。不同测量点的某一时间温湿度值为3个连续测量日同一时间点的温湿度算术平均值。11个监测点根据不同植被覆盖度分成5组,其中岳麓山上树冠遮蔽处和空地上阳光直射处为两个对照组。用Excel 2016、Origin9.0对11个监测点数据进行初步整理与绘图,然后根据不同植被覆盖度采用SPSS22.0软件对温度数据进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(TUKEY HSD),利用F分布进行统计检验,并对植被覆盖度与温度进行关联分析。

2 结果及分析

2.1 植被覆盖度与升温过程的影响分析

升温过程的描述性统计分析:对5个研究地升温时段(6:00—9:00)的温度情况进行描述性统计分析(表1)。结果表明，空地阳光直射处9—11月均温分别为26.96℃、17.73℃与12.50℃,阳光100阳光直射处9月与10月均温分别为27.41℃和17.64℃,这两处温度最高且显著高于同时段其他区域。其次,阳光100构筑物阴影处温度也明显高于其他区域,而阳明山庄树冠遮蔽处与岳麓山树冠遮蔽处无显著性差异且低于其他区域,其中阳明山庄树冠遮蔽处9—11月均温分别为24.61℃、16.26℃与11.47℃,岳麓山树冠遮蔽处分别为24.68℃、16.41℃与11.21℃。阳光100的阳光直射处与树冠遮蔽处均温温差达1.64℃,而在同一时段均温最低处阳明山庄树冠遮蔽处与均温最高处阳光100阳光直射处差值高达2.80℃。综上所述,植被覆盖度对居住区气温具有明显的调节作用。每一个监测点最高温与最低温的温度差值分析表明,岳麓山变温幅度均为最小,平均为6.2℃,麓山名园直射处和阳光100直射处变温幅度最大,高达岳麓山的2倍。结合陈辉等[18]的研究,阳光100居住区的温度变幅大于麓山名园的原因可能与阳光100植被斑块与其他两地有显著不同有关。随着月份的推移,日均温度不断降低,不同地点同一时间、同一地点不同时间之间的温度变幅都呈现出减小的趋势。

植被覆盖度与升温过程温度的关联分析:分别将各个监测点9月、10月份升温时段数据绘制植被—温度散点图,并进行线性定量分析(图2a、图2b)。结果表明，植被覆盖度与周边温度之间存在着明显的负相关关系,树冠遮蔽处、阳光直射处、构筑物阴影处也存在着类似的关系特征。其中,9月份阳光直射处、树冠遮蔽处与构筑物阴影处线性拟合曲线斜率则为-0.0190、-0.0233与-0.0228,相关系数分别为0.27、0.37与0.35(图2a)。线性分析结果表明,植被覆盖度每减少10%,炎热升温时周边环境将相对增加约0.2℃,两者之间存在着明显的负相关关系。

表1 监测点9—11月升温时段温度描述性统计

注:同一列数据标有不同字母的表示其统计差异达到显著水平(p<0．05);—表示因仪器丢失导致的数据缺失,表2同。

图2 监测点植被—温度关联分析

2.2 植被覆盖度与降温过程的影响分析

降温过程的描述性统计分析:对5个地点降温时段(17:00—20:00)的温度进行描述性统计分析见表2。从表2可见，空地阳光直射处9—11月均温分别为30.87℃、21.98℃与16.94℃,阳光100构筑物阴影处9、10月均温分别为31.30℃和22.02℃,这两处温度最高且显著高于同时段其他区域,而阳明山庄构筑物阴影处与麓山名园阳光直射处则低于其他区域。其中阳明山庄构筑物阴影处9—11月均温分别为29.15℃、19.88℃与13.99℃,麓山名园阳光直射处为28.88℃、19.02℃与12.26℃。麓山名园阳光直射处与树冠遮蔽处均温温差达2.82℃,而在同一时段研究区域均温最低处与均温最高处差值高达3.13℃,可见植被覆盖度对调节小区气温具有明显作用。对同一地点的最高温与最低温的温度差值分析可见,岳麓山变温幅度均为最小,平均为2.03℃,麓山名园构筑物阴影处和阳光100直射处变温幅度最大,高达岳麓山的3倍。同时,岳麓山和阳明山庄树冠遮蔽处在降温时段两组数据虽然具有显著差异,但是温度差的绝对值较小。

植被覆盖度与降温过程的关联分析:分别将各个监测点9月、10月份降温时段数据绘制植被—温度散点图,并进行线性定量分析(图2c、图2d、图2e)。结果表明，植被覆盖度与周边温度之间存在明显的负相关关系,树冠遮蔽处、阳光直射处、构筑物阴影处等均存在类似的关系特征。其中,9月份阳光直射处、树冠遮蔽处与构筑物阴影处线性拟合曲线斜率则为-0.0221、-0.0234与-0.0306,相关系数分别为0.34、0.31与0.43(图2c)。线性关系结果表明,在植被覆盖度每增加10%,降温时周边环境将相对减少约0.2—0.3℃。在降温时段,居民区内的阳光直射处、构筑物阴影处与树冠遮蔽处3组数据整体温度规律呈现为:T阳光直射处

表2 监测点9—11月降温时段温度描述性统计

3 结论

本文从居民区的尺度出发,定量分析了居民区内植被覆盖度对温度的影响程度,结合植被覆盖度对升温过程和降温过程的分析结果，得出以下主要结论:①居民区内温度随植被覆盖度的升高而降低。3个研究区温度与植被覆盖度的变化规律为:T阳光100(26.31%)>T麓山名园(20.27%)>T阳明山庄(40.22%);阳光100植被覆盖度高于麓山名园,但平均温度却高于麓山名园,这可能与阳光100处植被斑块与其他两地不同有关。②升温时段麓山名园和阳明山庄树冠遮蔽处组间无显著性差异,而降温时段的组间温度差值偏小,居民区植被覆盖度对温度的调节存在阈值。当居民区植被覆盖度超过40.22%(阳明山庄植被覆盖度)时,居民区内植被覆盖度与温度变化之间可能不存在显著关系。③秋季长沙市居民区内植被覆盖度每增加10%,温度降低0.2℃左右。从植被—温度散点图分析得到,温度随植被覆盖度的变化存在较稳定的规律,9—11月平均温度随植被覆盖度的变化值存在微小差异,总体表现为植被每增加10%,温度降低0.2℃左右。④植被对温度的调节能力不仅表现为对高温的调控作用,同时也对低温有控制作用。居民区内树冠遮蔽处升温段平均温度低于构筑物阴影处和阳光直射处,而降温段则反之,树冠遮蔽处平均温度最高。