胡海辉, 张思琪, 杜佳月

(东北农业大学园艺园林学院， 哈尔滨 150030)

近年来，城市化进程快速推进，引发了城市热岛问题。在人口众多的大中城市，问题更加严重[1]。如何改善城市热岛问题，优化人居生存环境，变得尤为重要[2]。植物群落具有降温增湿等生态功能,是改善城市热岛问题和调节人体舒适度的有效途径。中外学者开始对不同类型绿地和植物群落的生态效益做了许多探索与研究[3]。

Ayman等[4]、Ahmad等[5]、Kariminia等[6]通过问卷调查和热感觉投票等方法对一些大尺度公园、广场进行人体适度研究。秦仲等[7]、张彪等[8]、张明娟等[9]、董建华等[10]分别对北京市园林绿地、南京市公园绿地、杭州市城市森林进行了植物群落与人体舒适度的相关研究，结果表明植物群落在夏季可以起到良好的降温增湿与改善人体舒适度的作用。梅欹等[11]、梁涛等[12]、李凤霞等[13]分别从不同地域、不同角度对小气候因子与人体舒适度相关性进行了研究。

前人研究主要针对夏季植物群落小气候舒适度调节作用，以及不同植物群落围合形式对小气候的调节效果[14]，但关于植物群落对于春季小气候的调节作用与人体舒适度的论述相对较少，特别是对东北地区春季小气候及人体舒适度效应分析尚鲜见报道。为此，以哈尔滨市东北农业大学植物群落为调查对象，采用人体舒适度指标对校园绿地小气候效应进行评价[15]，研究不同植物群落小气候日均变化的差异，以期为日后校园绿地建设提供合理的建议与指导。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

东北农业大学位于黑龙江省哈尔滨市香坊区，总占地面积496.4×104m2(截至2019年3月)。校园南北狭长，地势平坦，春季风多且少雨，夏季湿热且多雨[16]。校园绿地率高达46%以上，校区内树种应用总数占黑龙江省绿化使用树种的66%。

1.2 样地概况与选择

1.2.1 样地选取

在校园绿地内，共选取12组植物群落进行小气候气象因子的数据观测与记录。测量点在学校南、北两个校区分布如图1、图2所示。测量时，根据12组植物群落结构及类型特征，选择适宜的空白对照点(表1)，开展局地小气候因子观测，并记录每个测量点的相对湿度和温度。

图1 东北农业大学校内小气候测量点分布Fig.1 Distribution of microclimate survey points in Northeast Agricultural University

图2 各测量点实景拍摄Fig.2 Real scene shooting of each measuring point

1.3 数据的测量与分析方法

实验中，选择晴朗无风或微风的春季高温天气(平均风速≤2 m/s)，同步观测记录植物群落样方内(10 m×10 m)温度和相对湿度。实验仪器为MS6300多功能环境便携式测试仪，测量高度距离地面1.5 m处；控制样地与建筑物之间的距离，以避免建筑阴影对结果产生影响。具体观测时间为2019年5月8—10日，2019年5月14—16日，2019年5月24—26日(共计9 d)，每日08:00—18:00，每2 h进行一次数据读取与记录，每天共记录6次。由于数据量较大，选择不同植物群落的日均气温和日均相对湿度进行差异性分析。每个植物群落测量点的日均气温(单位： ℃)、日均相对湿度(单位：%)、日均降温效果(单位：℃)、日均增湿效果(单位：%)计算公式为

表1 各植物群落所在区域优势种、郁闭度及群落类型

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：i为测量时间点(i为08:00—18:00，每2 h小时测量一次的时间点)，RHi为空气相对湿度，%；Ti为空气温度， ℃；RH0i为对照点内空气相对湿度，%；T0i为对照点空气温度， ℃。

植物群落对小气候的影响主要体现在温度和相对湿度等气候因子上，即植物群落的增湿降温功能对人体舒适度具有一定的改善作用，进而影响到室外绿地环境的人体舒适感觉。小气候舒适度采用温湿指数(THI)模型进行计算，其计算公式为

THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

(5)

式(5)中：THI为温湿指数；T为温度；RH为相对湿度。

根据式(5)计算出人体舒适度温湿指数，进行等级对照获得各植物群落内小气候人体舒适度。各植物群落的日均气温与日均相对湿度如表1所示(实验采取多组植物群落同时不同地测量，故同一时间采用同一对照组进行比较)。采用t检验法，分别比较各植物群落与对照点在日均温度、日均相对湿度及日均温湿指数的差异，同时比较不同结构植物群落的日均降温效果、日均增湿效果及日均温湿指数改善值。实验中，使用Microsoft Excel记录测量数据，并采用双因素ANOVA分析，其统计与分析工作在SPSS 22.0中完成。

2 结果与分析

2.1 温度

2.1.1 乔木-灌木-草坪

春季(5月)上旬，植物群落E、F、G的日均气温分别为(18.02±0.31)、(19.12±0.33)、(18.52±0.42) ℃，均低于对照点的日均气温(21.77±0.21) ℃；群落E与对照点差异呈显著水平(P<0.05)；群落F和G日均气温与对照点无显著区别(表2)。春季(5月)中旬，群落E、F、G的日均气温分别为(18.60±0.33)、(19.4±0.44)、(19.32±0.33) ℃，均低于对照点日均气温(23.02±0.33) ℃，且差异都达到了极显著变化(P<0.01)，如表2所示。春季(5月)下旬，植物群落E、F、G的日均气温分别为(21.15±0.41)、(22.52±0.42)、(22.20±0.37) ℃，均低于对照点的日均气温(25.12±0.24) ℃，且差异均达到了极显著水平(P<0.01)，如表2所示。

2.1.2 乔木-草坪

春季(5月)上旬，植物群落A、C、I、J的日均温度分别为(16.97±0.33)、(18.67±0.31)、(17.83±0.21)、(18.98±0.43) ℃，均低于对照点日均气温(21.77±0.21) ℃，且群落A差异变化达到极显著水平(P<0.01)，群落C、I日均气温差异达到了显著水平(P<0.05)，群落J无显著变化(表2)。春季(5月)中旬，植物群落A、C、I、J的日均温度分别为(18.15±0.39)、(19.50±0.31)、(18.37±0.31)、(20.13±0.41) ℃，均低于对照点(23.02±0.33) ℃，且群落A、C、I、J的日均气温与对照点相比，均达到了极显著水平(P<0.01)如表2所示。春季(5月)下旬，植物群落A、C、I、J的日均温度分别为(21.67±0.21)、(21.73±0.33)、(18.37±0.31)、(21.87±0.21) ℃均低于对照点(25.12±0.24) ℃，且群落A、C、I、J的日均气温与对照点相比均达到了极显著水平(P<0.01)，如表2所示。

2.1.3 灌-草

由表2可知，春季(5月)上、中、下旬，植物群落B日均气温分别为(18.00±0.35)、(19.93±0.42)、(22.47±0.32) ℃，分别低于对照点的日均温度，上旬与对照点差异达到显著水平(P<0.05)，中下旬均达到极显著水平(P<0.01)。

2.1.4 乔木

植物群落D和H同为乔木单层结构。由表2可知，在春季(5月)的上、中、下旬，群落D日均气温分别为(18.82±0.36)、(19.27±0.51)、(21.33±0.30) ℃，均低于对照点的日均气温，且日均气温差异无显著变化，而中旬与下旬植物群落D的日均气温差异变化分别达到极显著水平(P<0.01)。

从表2可以看出，同为乔木单层结构的植物群落H，在春季(5月)的上、中、下旬，其日均气温分别为(16.73±0.56)、(18.52±0.27)、(21.53±0.51) ℃，均低于对照点，且与对照点日均气温变化差异均达到了极显著水平(P<0.01)。

2.1.5 草坪

植物群落K为混播草坪，测量点无遮荫、无覆盖、无其他植物。由表2可知，该群落在春季(5月)上、中、下旬的日均气温分别为(19.47±0.31)、(21.88±0.36)、(23.55±0.32) ℃，均低于相应对照点，差异均无显著变化。

表2 不同植物群落在春季(5月)的日均温度

2.2 湿度

2.2.1 乔木-灌木-草坪

春季(5月)上旬，植物群落E、F、G在上旬的日均相对湿度分别为30.48%±1.89%、30.35%±0.24%、30.48%±0.97%，均高于对照点的相对湿度28.65%±0.37%，并无显著差异(表3)。由表3可知，群落E和G在中旬的日均相对湿度分别为28.65%±1.11%和28.55%±1.01%，高于对照点27.57%±1.02%，且差异达到了显著水平(P<0.05)；群落F在中旬的日均相对湿度为27.63%±1.48%，略高于对照点的日均相对湿度，但无显著差异；群落E、F、G在下旬的日均相对湿度分别为39.60%±1.34%、39.03%±1.12%、40.92%±1.46%，均高于对照点35.42%±1.33%，但与对照点之间并无显著差异。

2.2.2 乔木-草坪

在春季(5月)上旬，植物群落A、C、I、J的日均相对湿度分别为31.38%±1.21%、31.73%±2.27%、30.42%±1.73%、29.22%±0.49%，分别低于对照点28.65%±0.37%，但差异并无显著变化(表3)。同样，这4个群落在春季(5月)下旬的日均相对湿度分别为40.45%±1.42%、43.47%±1.27%、37.23%±1.28%、37.08%±1.53%，均高于对照点，差异均无显著变化(表3)。从表3可以看出，植物群落A、C、I在中旬的日均相对湿度分别为29.17%±1.34%、28.8%±2.41%、28.87%±1.21%，略高于对照点27.57%±1.02%，其中群落A、C与对照点之间的差异呈极显著水平(P<0.01)，群落I呈显著水平(P<0.05)。

2.2.3 灌木-草坪

在春季(5月)上、中、下旬，植物群落B的日均相对湿度分别为29.68%±1.46%、27.65%±1.28%、38.92%±1.34%，与对照点相比差异并无显著变化(表3)。

2.2.4 乔木

植物群落D与H同为乔木单层林，群落结构单一。由表3可知，在春季(5月)上旬，群落D与H的日均相对湿度分别为31.73%±1.11%、30.72%±1.23%，均高于对照点28.65%±0.37%，差异无显著变化。从表3可以看出，中旬，群落D的日均相对湿度29.07%±1.67%，高于对照点27.57%±1.02%，且差异达到了极显著水平(P<0.01)；群落H在此时间段内日均相对湿度为28.33%±1.37%，略高于对照点，差异达到显著水平(P<0.05)。由表3可知，下旬，植物群落D和H的日均相对湿度虽均高于对照点，但差异并无显著变化。

表3 不同植物群落在春季(5月)的日均湿度

2.2.5 草坪

植物群落K在春季(5月)上、中、下旬的日均相对湿度分别为32.97%±2.21%、30.93%±1.23%、37.10%±1.24%，分别高于对照点，但差异均无显著变化(表3)。

2.3 小气候舒适度

2.3.1 乔木-灌木-草坪

由表4可知，春季(5月)上旬，植物群落E、F、G的温湿指数分别为16.72±0.34、17.40±0.21、17.07±0.36，均优于对照点19.11±0.18，植物群落E与对照点的差异达到了显著水平(P<0.05)，群落F、G无显著变化；在中旬，植物群落E、F、G的温湿指数分别为16.90±0.27、17.40±0.34、17.43±0.26，均优于对照点19.63±0.21，且各植物群落与对照点之间的差异达到极显著水平(P<0.01)；下旬，植物群落E、F、G的温湿指数分别为18.61±0.29、19.42±0.32、19.45±0.31，均优于对照点21.01±0.23，差异均达到极显著水平(P<0.01)。

2.3.2 乔木-草坪

从表4可以看出，春季(5月)上旬，植物群落A、C、I、J的温湿指数分别为16.07±0.12、17.22±0.27、16.56±0.31、17.27±0.41，均优于对照点19.11±0.18，群落A与对照点的差异达到了极显著水平(P<0.01)，植物群落C差异达到显著变化水平(P<0.05)，群落I、J均无显著差异；中旬，植物群落A、C、I、J的温湿指数分别为16.73±0.11、17.54±0.31、16.86±0.27、17.86±0.34，均优于对照点19.63±0.21，且差异均达到极显著水平(P<0.01)；下旬，植物群落A、C、I、J的温湿指数分别为18.96±0.20、19.02±0.31、18.99±0.28、18.99±0.37，均优于对照点21.01±0.23，差异均达到极显著水平(P<0.01),如表4所示。

2.3.3 灌木-草坪

从表4可以看出，在春季(5月)上、中、下旬，植物群落B的温湿指数分别为16.70±0.42、17.77±0.38、19.42±0.37，均优于对照点，上旬差异呈显著变化(P<0.05)，中下旬差异呈极显著变化(P<0.01)。

2.3.4 乔木

由表4 可知，春季(5月)上旬，植物D和H的温湿指数分别为17.32±0.29、15.9±0.51，均优于对照点19.11±0.18，且群落H的差异达到了极显著水平(P<0.01)，群落D无显著变化；中旬，植物D和H的温湿指数分别为17.54±0.36、16.94±0.48，均优于对照点19.63±0.21，且差异均达到了极显著水平(P<0.01)；下旬，植物D和H的温湿指数分别为18.74±0.35、18.84±0.42，均优于对照点21.01±0.23，群落D与对照组相比差异达到了极显著水平(P<0.01)，植物群落H无显著变化。

2.3.5 草坪

春季(5月)，植物群落K在上、中、下三旬的温湿指数分别为17.57±0.26、19.08±0.24、20.17±0.31，分别优于其相应的对照组的温湿指数，且差异均无显著变化(表4)。

2.4 人体舒适度与温湿指数

实验表明，校园内的12个植物群落人体舒适度均低于21.1(表5)，春季校园内植物群落的人体舒适度均为凉爽适宜。

表4 不同植物群落在春季(5月)的温湿指数

表5 人体舒适度与温湿指数(THI)关系

2.5 植物群落小气候调节能力比较

2.5.1 降温效果

测量可知，不同的植物群落在春季(5月)不同时段展现了不一样的降温能力。上旬，植物群落A、H、I的降温效果较好，群落F、K的降温效果较差；中旬植物群落A、E、H、I的降温效果较好，群落J、K的降温效果较差；下旬，植物群落D、E、H的降温效果较好，群落F、K的降温效果较差，如图3(a)～图3(c)所示。

图3 植物群落在春季(5月)上中下旬降温增湿以及温湿调节能力Fig.3 Cooling and humidifying and regulating capacity of plant communities in late spring (May)

2.5.2 增湿效果

在春季(5月)上旬，植物群落C、D、K的增湿效果较好，群落B、J的增湿效果较为差；中旬，植物群落序A、D、H的增湿效果较好，群落B、F的增湿效果较为差；下旬，植物群落A、C、J的增湿效果较好，群落J、K的增湿效果较为差，如图3(d)～图3(f)所示。

2.5.3 温湿指数调节效果

在春季(5月)上旬和中旬，植物群落A、H、I的温湿指数调节效果较好，群落F、K的温湿指数调节效果较差；下旬植物群落A、E、H、I的温湿指数调节效果较好，群落J、K的温湿指数调节效果较差，如图3(g)～图3(i)所示。

3 讨论

3.1 校园绿地植物群落结构和种类组成

东北农业大学校园绿地植物群落，以乔木-灌木-草坪、乔木-草坪的结构形式种植为主，树种以旱柳、复叶槭、银中杨、红皮云杉居多。其中，旱柳、银中杨等乔木体量较大，应用过多会造成植物群落对局地小气候的调节作用减弱，甚至是恶化。

3.2 春季植物群落降温增湿效果

在面积相等和植被覆盖率相同的情况下，一些学者提出种类丰富的植物群落比草坪具有更好的降温增湿效果[14]，也证明了春季(5月)植物群落比单一草坪具有更好的小气候改善效果，差异呈现显著或极显著变化水平(P<0.05或P<0.01)。上旬，乔灌草和乔草结构的群落日均降温效果较为明显，乔草和草坪结构的群落增湿效果较为突出；中旬，乔灌草和乔草结构的群落的降温增湿效果，要优于其他结构层次的植物群落；下旬，乔草结构的群落的增湿效果最为明显，乔草结构的群落温湿指数调节能力最为突出。上述研究结果与张明娟等[9]所提出的乔木结构与乔木-草坪结构的植物群落在增湿降温的过程中有着复杂的交互作用相符合，也进一步证实了乔灌草和乔草结构明显优于其他结构类型的调节能力。

3.3 春季植物群落温湿指数调节作用

不同的植物群落在春季(5月)小气候舒适度调节效果，大部分显著或极显著差异(P<0.05或P<0.01)，而草坪在小气候舒适度调节效果上无显著差异。虽然证实草坪具有一定的小气候舒适度改善作用，但大量研究均表明草地型群落在生物多样性保护等方面功能较弱，不适宜作为主要绿化形式，故不建议作为校园绿化的主导形式。结果表明乔木与乔草结构温湿度调节能力明显优于其他结构类型；乔草结构具有良好的通透性，使得群落内温湿指数优于其他植物群落。这与前人[10]得出的乔草的形式能够有效改善人体舒适度的结论相符合，进一步证明乔木与乔草结构温湿度调节能力较好。

4 结论

植物群落在降温增湿和调节温湿度指数上有着显著作用，群落本身的结构和植物配植方式是影响人体舒适的根本原因。在配置上，植物种类丰富的群落要比单一草坪具有更好降温增湿效果，其中，降温增湿效果乔灌草>乔草>乔木>草坪；温湿指数(人体舒适度)调节能力乔草>乔木>乔灌草>草坪。因此，在东北农业大学校园绿地建设中，要充分发挥乔木作用，提高乔木与乔草结构植物群落的种植比例，实行多种类、多层次、多结构的种植形式，以期建设出具有更高生态效益的综合性校园绿地。