臧传富, 卢欣晴

(1. 华南师范大学地理科学学院， 广州 510631; 2. 广东省蕉岭森林生态站， 广州 510631)

城市绿地生态系统是城市总体规划的有机组成部分，反映了城市的自然属性，既包括人工的植被，也包括半自然的以及自然的植被[1-2]；是调节城市内涝、减少洪水发生的关键因素[3-5]；是维持和改善城市生态环境的最重要的生物屏障，可以调节温度[6-7]与改善城市生态环境、维护城市生态系统的良性循环[8-9]. 超大城市绿地生态系统是其环境美化和暴雨内涝调节的重要体系，受到人类活动的强烈干扰[6,8，10]，而在变化环境下(包括人类活动与气候变化)加剧了生态过程变化，促进各水文循环过程进行再分配和再调节，是城市绿地生态系统生态过程与水文过程相互作用演进过程的主控系统[9,11-14]. 因此，将实验观测与模型模拟相结合，从“多因素、多尺度、多角度”综合研究城市绿地生态系统结构和生态过程对城市生态水文调节功能的影响机制，探索影响城市生态水文调节功能实现的主导因子[15-17]，是完善城市绿地生态系统建设和管理的重要基础.

在城市生态水文过程中，蒸散(包括蒸腾和蒸发)是城市绿地生态系统的水文过程和生态过程的相互作用机理的重要环节，是链接生态过程和水文过程的重要纽带，是研究生态过程和水文过程相互作用机制的最主要指标之一[18-20]. 城市绿地蒸散是城市植被向大气输送的水汽总量，是作为绿地生态系统能量平衡及水循环的重要组成部分，不仅影响植物的生长发育，还影响城市水汽循环，起到调节微气候的作用[18,21]. 但在实际监测中，城市绿地生态系统受到强烈的人类活动干扰，其生态过程和水文过程存在高度非线性的特征[22-23]，而目前仍缺乏城市植被生态系统的生态过程和水文过程相互作用机制的理论与方法的相关研究，尤其是对于超大城市绿地生态系统的相关研究，这将对城市绿地的规划管理效果造成影响. 因此，加强城市绿地生态系统蒸散的生态水文过程和机理的研究，探讨绿地生态系统的生态功能，对城市绿地的合理建设、海绵城市科学布局和城市的科学更新具有重要意义.

本文从城市绿地生态系统的国内外研究进展和学科研究方向进行了综述;提出城市生态水文研究中面临的科学问题；揭示影响绿地生态系统蒸散各因子之间的相互作用机制，是城市生态水文学迫切解决的科学问题之一. 通过对城市绿地生态系统蒸散的研究综述，以期为城市绿地规划和管理提供决策支持.

1 国内外研究现状

1.1 城市绿地生态系统的研究进展

目前，国内外对城市绿地生态系统的研究主要集中在城市绿地的布局、规划、景观和生态功能等方面[1,5,7-8]，对城市绿地生态系统的生态水文过程关注较少，尤其是对城市绿地生态系统蒸散的研究较少[5,8,24]. 本研究同时以“城市绿地”和“蒸散”为关键词，在“中国知网(CNKI)”中检索了2000—2019年的文章，结果发现仅有4篇文章在关注城市绿地蒸散的研究(图1A). 在“Web of Science(SCI)”数据库中，同时以“Urban green space”和“Evapotranspiration”为关键词检索了2000—2019年的文章，找到53篇相关的文章，尤其是从2012年以来，文章数量开始逐渐增多(图1B). 在项目方面，本研究在国家自然科学基金网站上同时以“城市绿地”和“蒸散”为关键词，检索了2000—2019年国家自然科学基金资助的项目，结果发现共有5项相关的项目获得资助(图1C). 这表明：近20年来，城市绿地生态系统蒸散的研究仍然较少，尤其是站在整个生态系统的角度，综合生态过程和水文过程的研究仍有待加强.

图1 以城市绿地和蒸散为关键词的检索结果

Figure 1 The results of retrieval with urban green space and evapotranspiration as keywords

1.1.1 研究内容 通过总结和分析文献发现，近20年来城市绿地生态系统蒸散方面的研究主要集中在以下几个方面：

第一，以温度为主线的城市绿地通过蒸散方式缓解城市“热岛效应”的研究. 随着城市环境规模和人口的迅速膨胀，城市热岛效应迅速增加，尤其是在人口超过1 000万的特大城市中，情况甚至更糟[5,25]. 城市热岛效应正威胁着人类健康，随着城市环境规模和人口的快速扩张，城市热岛强度迅速增加[26]. 根据联合国2014年发布的报告《2014 revision of the world urbanization prospects》[27]，到2050年，城市地区的住房需求预计将达到总人口的66%. 现有建成区的致密化导致植被减少，城市表面性质的改变导致更大的太阳辐射吸收，减少了对流冷却和更低的水蒸发率，从而使得城市地区升温较快，造成了同一时间城区气温普遍高于郊区气温，形成了城市热岛[28-29]. 而城市绿地对城市气候的影响与多方面的因素有关，如不同的绿地类型、覆盖率、绿地结构和空间分布等[2,30]. VULOVA等[24]研究发现：城市环境中的绿地和水体对通过蒸散作用降低气温具有明显的作用，城市绿地的降温效果要优于城市水体. 不同城市景观之间的气温和热岛效应存在明显差异，城市景观的温度从高到低的排名依次是商业区、城市村庄、城市水体、城市绿地、郊区. 城市绿地植被可以通过光合作用、蒸腾作用以及蒸发作用降低温度、增加湿度，有效地缓解城市“热岛效应”[31]. 蒸散与热岛效应之间存在明显的相关性，蒸散与热岛效应的降低率呈良好的正线性关系，蒸散越快，获得的缓解效果越好[26,32]. 城市绿地生态系统的降温效果主要取决于公园的物种群、林冠覆盖度、公园的大小和形状[33]，绿地蒸发蒸腾作用而导致的城市绿地系统降温与气候条件、植被类型和密度密切相关[8].

第二，关注城市绿化屋顶和植被的蒸发过程和耗水计算. 城市绿化屋顶和其他城市绿地的蒸发过程具有重要的生态功能，包括雨水管理、减少城市热岛效应和碳固定等[5,34]. 准确而有代表性地估算城市绿地蒸散量是预测绿地生态的必要工具，量化气候变化条件下城市的屋顶绿化蒸腾量对于评估绿色屋顶的环境效益非常重要，包括雨水径流衰减、城市热岛缓解和地表能量平衡等[34-35]. DIGIOVANNI等[36]使用逐日时间步长数据，对纽约布朗克斯的一个绿色屋顶实际蒸散进行了研究，发现从9月到12月，通过整合ASCE标准化蒸散方程并考虑Thornthwaite-Mather近似值的变化，可以合理预测该地89天的实际蒸散量，这对准确估算城市绿色屋顶的蒸散量具有重要价值. 此外，能量平衡方法在城市绿色屋顶蒸散过程研究中也具有重要的作用. 于小惠等[37]利用热红外遥感+三温模型的方法,根据地表能量平衡方程的原理，探讨亚热带城市深圳的绿色屋顶蒸散发量的定量观测及其降温效果. 另外，部分学者致力于研究城市植被(主要是通过蒸散作用)如何改善城市的微气候条件. 如：MARASCO等[6]研究了克里特岛干尼亚市城市地区绿色植被(草坪和树木)如何影响居民生活的微气候环境，并分析了各个因素之间的相互作用关系；HALL等[38]使用便携式微气象传感器来比较美国6个不同气候城市的居民庭院和自然景观的空气温度和湿度，发现最大区域实际蒸散量(AET)与早晨住宅的小气候效应有关，在夏季的早晨，AET最高值小于50～65 cm/a的城市(凤凰城和洛杉矶)的居民区通常比附近的当地灌木丛凉爽和潮湿，而高于此阈值的城市(巴尔的摩和迈阿密)的院子通常更温暖，而迈阿密的气候比本地森林更干燥.

1.1.2 研究方法 目前，关于城市绿地生态系统的研究主要有2种方法：

第一是使用基于实测数据的实地采样观测法，并与能量平衡、水量平衡和树干茎流观测法等方法相结合，开展单株或群落尺度上城市绿地植被的耗水研究. 如：邸苏闯等[39]研究北京市五环范围内的绿地耗水总量和空间分布情况，应用高分辨率遥感影像、长时间序列气象数据、植被耗水规律研究成果等资料，进行绿地提取、耗水估算和蒸散发反演；应用地表能量平衡模型反演典型日蒸散发结果表明:(1)城市水体、高植被覆盖率区和低植被覆盖率区的ET均值分别为11.1、5.7、4.0 mm/d；(2)五环内城区夏季典型日蒸散总量为126.6万m3，二环内、二三环间、三四环间、四五环间的绿地日ET总量分别为:10.3、14.2、20.4、81.7万m3，该研究可为城市绿地灌溉系统设计提供耗水总量和空间分布的信息.

第二是选用基于遥感技术的定量遥感反演方法开展与城市绿地生态系统相关的研究. 其中,大部分都是基于定量遥感技术的城市绿地生态系统降低城市热岛效应的研究. 如：程好好等[40]以深圳特区为例，利用2005年11月份的TM和Quickbird影像数据，在进行地表温度反演和城市绿地详细解译的基础上，研究了城市绿地类型、属性特征与地表热环境分异之间的关系，研究结果表明：城市绿地的类型、结构及其格局特征均对城市热环境空间分异具有显著影响，城市绿地不同类型的地表温度差异较大,各类人工绿地的地表温度普遍高于自然绿地类型，分样区平均NDVI和聚集度指数与热岛强度指数之间呈显著的正相关关系, 而均匀度和碎裂化指数则与热岛强度指数之间呈显著的负相关关系；杨雅楠[41]以新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市为研究区，选取 1990—2010 年为时段，利用卫星遥感影像反演城市地表温度，从空间与时间2个层面分析了城市温场格局，从城市土地利用/覆被类型、影响因子(植被指数、水体指数、高程、人为热)与热力景观格局变化综合分析该城市热环境与下垫面影响程度，研究结果表明：在城市下垫面的研究中，较大面积范围的高植被覆盖区是城市低温区的主体组成部分，表现为负相关性；张佳华等[42]利用EOS-MODIS 遥感信息对地表温度、土地覆盖类型、植被覆盖、地表蒸散进行反演，并结合常规气象资料,采用 GIS 空间分析技术和多元统计分析，对北京市及周边地区2001年的城市热岛(UHI)空间分布的季节规律和日变化及影响因子进行研究，研究结果表明：地表覆盖类型对UHI的效应明显,北京市及周边地区的植被绿地状况与UHI呈现明显反相关分布(即若植被覆盖好,则UHI不明显)，植被绿地对降低 UHI 具有重要的作用，大范围的绿地建设能有效降低城市热岛. 此外，无人机低空遥感是近年来广泛应用的遥感技术, 具备云下飞行、影像分辨率高、时效性强和成本低等诸多优点,为城市绿地信息提取提供了新的方法. 如：杨柳等[43]提出利用无人机遥感进行城市绿地信息提取的思路和方法，提取精度达到81.73%；吴卓恒等[44]通过无人机获取四川省北川县高分辨率影像数据，利用ENVI软件分别计算研究区可见光波段差异植被指数VDVI、归一化绿红差值指数NGRDI和归一化绿蓝差值指数NGBDI，采用面向对象的影像分类方式，分别提取城市绿地并进行精度评价，结果表明：3种植被指数均能较好地提取城市绿地，总体提取精度均在83%以上，其中VDVI提取效果最优，总体精度达到89.5%. 尽管无人机遥感对城市绿地调查有着众多的优势,但由于无人机影像的分辨率高、数据量大和图像处理难度大等问题，对于数据的量化分析依旧存在较大的挑战,这需要更加高效的图像处理和分类方法[45]. 此外，目前定量遥感反演小尺度生态因子的技术尚不成熟，仍需进一步加强.

1.2 学科发展方向及面临的科学问题

从学科领域来看，城市绿地生态系统蒸散属于生态水文学的研究范畴. 生态水文学是20世纪90年代兴起的一门多学科交叉的新兴学科[21,46]，旨在为解决水资源获取和管理、生态退化和恢复、可持续发展等生态环境和水资源治理等问题提供理论和技术支持[16,21]. 在生态水文研究中，生态过程分析是必不可少的环节. 生态过程作为生态地理学研究的重要内容，主要涉及生态系统中的物质循环、群落演替和干扰以及物候等方面[11,47-48]. 进入21世纪后，国内外生态水文研究将定位观测和结构—过程—尺度有机结合，发展趋势表现最为突出的是更加重视生态过程的长期观测和多学科参与的综合研究[49]. “结构—过程—尺度”是地理生态过程研究的核心理念，也是生态水文学研究的重点，结构影响过程，过程改变结构，尺度不同，结构与过程的关系也将有很大的差异[12,48,50]. 水文现象、气候现象和生态过程在小尺度上常表现出随机特性，在大尺度上可体现出均一化的结果[51-52]. 三者的共性是:要求在不同的研究尺度上取得异质性的参数表达[53]；模型的建立一般不能移植到高一级或低一级的时间/空间中[15]；通常情况下,研究地区越大,则相关的时间尺度越长[54]. 因此，在城市生态水文研究，尤其是在城市绿地生态系统蒸散研究中，应该把水文定律联结到不同尺度上的尺度转换问题，而在实际研究中，在某一尺度上十分重要的参数和过程在另一尺度上可能并不重要或是可预见的，所以，尺度转换也是城市生态水文学发展所存在的主要问题之一.

在生态水文研究中，通常根据研究对象和目标不同，按研究尺度分为单株(或个体)、群落(或生态系统)、区域尺度，这样的划分在城市生态水文过程研究中也同样适用. 在城市绿地生态系统蒸散的研究中：(1)在单株尺度上，学者们侧重于研究植物如何利用水分和养分，缺乏植物对土壤和水文过程的响应研究[55]，而这类型的研究属于小尺度上的实验，大多是单因素控制实验，常忽视物候变化、土壤结构和植物根系等对水文过程和生态功能的影响[56-58]. 尽管已有较多学者研究土壤、植被和水文的相互作用关系[52]，但还需加强气象学、植物学和水文学在不同尺度和空间上的交叉和整合研究[53]. (2)在植被群落尺度上，植被群落生态过程与土壤水分的相互作用机制及关键影响因素的识别与精确量化研究较少，对精确计算植被蒸散量会造成一定影响[51]. (3)在区域尺度上,各个长期观测因子和模型模拟的验证和相关性分析以及尺度效应的转换和阐释仍有待进一步深化. 区域的气候、植被、地形和土壤等存在空间异质性，径流、入渗和蒸散发等水文过程具有高度的非线性特征和尺度效应[51,59]. 所以,在区域尺度上，还需进一步加强植被群落的格局、生态过程与耗水(蒸腾和蒸发)的相互作用机制及关键影响因素的识别与量化研究[20,60].

目前，城市生态水文学研究大多采用小区域径流观测和大区域模型模拟结合的研究[17]，将结构—过程—尺度有机结合的研究很少，无法回答城市林业生态的重大科学问题，如：城市植被与水的关系、城市植被与小气候的互动规律、城市植被对碳循环的影响等[15,52,61]. 因此，将城市绿地生态系统的水文过程和生态过程在空间和时间上加以整合，揭示其生态过程和水文过程的相互作用关系，揭示影响绿地生态系统蒸散各因子之间的响应机制和过程机理，是城市生态水文学迫切解决的科学问题.

2 未来展望

基于上文从城市绿地生态系统蒸散的国内外研究进展和学科研究方向所进行的分析，本文为该领域的未来发展提出以下建议:

(1)加强城市绿地生态系统蒸散和城市暴雨内涝的相互作用机制研究. 长期以来，人们对城市绿地生态系统水土保持、抵御洪水和台风、改善区域酸沉降和净化水质等方面的生态功能重视不够，缺乏对绿地系统生态环境功能进行长期系统的科学的监测研究. 城市发展致使地表覆盖发生变化，从而破坏了城市的水循环，改变了雨水和废水传输的流向. 同时，城市化造成了不透水面的增加，加速了降水事件后的水及其组分的径流，改变了城市生态系统的蒸散过程，并间接地改变了地表降水模式，对城市的水文过程和小气候产生重大影响[17,62-63]. 此外，由于极端天气的频繁发生，城市内涝问题变得越来越严峻[64]. 而城市绿地系统能够提供调节生态系统的服务，减轻城市化带来的挑战和影响，如城市绿地生态系统在极端降水事件期间能够增强地表渗透和通过蒸散消耗水分，起到水量调节的功能[65]. 因此，加强这方面的研究可以为海绵城市规划和建设提供理论指导.

(2)重视不同尺度下城市绿地生态系统水文过程的研究. 学者们在城市绿地生态系统降低城市热岛效应方面做了大量研究[40-42]，目前的研究主要注重单个或少数几个因子之间的相互作用分析，如土地利用类型、地表温度因子[66]. 站在生态系统的角度，从不同时间和空间尺度分析城市绿地生态系统生态过程对城市热岛效应的缓解，有利于合理促进城市的科学更新和人居环境的改善. 因此，在未来的研究中要注重不同尺度下城市绿地生态系统的结构、过程和蒸散与城市热岛效应的相互作用机制，为城市绿地建设和城市的科学更新提供理论支撑.

(3)加强城市绿地生态系统生态水文的长期定位监测. 城市绿地是城市中必不可少的部分，对城市景观、微气候环境和人体健康等方面具有不可替代的作用. 目前，国内城市生态系统观测研究站正如雨后春笋般涌现，尤其是以广州城市生态系统国家定位观测研究站和上海城市森林生态系统国家定位观测研究站为代表的一批国家城市生态站，为城市绿地生态系统的生态过程(包括蒸散)研究提供许多新的设备、方法、思路和途径. 因此，未来应发展和完善以城市生态系统观测研究站为核心的长期观测和研究，尤其要加强城市绿地生态系统的监测和研究，为城市的生态文明建设提供数据保障.

(4)重视绿地生态系统的生态功能，推进城市绿地规划布局与人体健康的研究. 城市绿地生态系统的研究不仅要注重其生态过程和生态功能，还要注重与城市科学更新和人体健康相结合，这方面研究在国外已较为完善[67]，但国内在这方面的研究才刚刚起步. 城市绿地生态系统具有景观价值、休闲游憩和调节环境温度等多重生态功能，城市生态系统的生态过程和水文过程会产生诸如增加空气负氧离子、净化空气、降低局部温度和增加局部湿度等生态功能，对人体产生有益的影响. 可见，城市绿地的合理规划布局、绿地植被的科学选取，可以对人体健康产生不同的效果. 未来应加强城市绿地规划布局与人体健康的研究，为城市更加合理的规划和布局提供重要的理论和数据支撑.