杨建欣 黄秋燕

(1. 肇庆学院 肇庆 526061；2．广东理工学院建设学院 肇庆 526070)

园林树木不仅可以通过蒸腾作用和遮荫作用降低环境温度，还会影响空气的运动和热交换[1-3]。园林树木遮荫功效是一个综合性的概念，不仅特指树木枝叶遮挡导致太阳光无法直射其下方一定范围而形成阴影的现象，也包含因遮荫导致其影响区域内温度降低、湿度增加、太阳辐射减少的综合效益。树木阴影所及范围内温度的降低和湿度增加主要归因于蒸腾作用，但树木遮荫直接造成了阴影下方地面温度的变化和冷热空气的流速趋于缓慢，对降温增湿也有明显的促进作用。此外，遮荫效应能够与蒸腾降温效应进行叠加，能更好地改善环境的热舒适性。显然，园林树木的遮荫可以视为其小气候效应的重要组成部分，在开展研究时应将相关过程整合为一个有机整体。

目前关于园林树木降温、蒸腾、缓解热岛及改善热舒适性等方面的环境调节效益已有不少研究成果，但专门针对遮荫功效的研究还较为有限。鉴于园林树木遮荫对缓解热岛效应、调节改善城市环境小气候及提高户外环境热舒适性的重要作用，有必要对相关研究成果进行梳理，拓展研究视角，为城市园林绿地树种选择和科学配置提供参考。

1 园林树木遮荫的机理

园林树木遮荫的作用主要有三个方面，一是改变环境中的热量平衡，有效地减轻环境热通量[4]；二是减少眩光，阻挡来自天空和周围的散射光；三是改变树木临近建筑物或空间的能量平衡、降低制冷能量消耗[5]。从树木调节环境小气候、改善热舒适性的角度，可将树木遮荫的机理总结为阻挡阳光和降温增湿两个方面。

1.1 阻挡阳光

树木遮荫之所以能够改善户外环境热舒适性主要是因为能够通过吸收、反射和传输进行辐射过滤[6]，减少了垂直向下的能量流动。每一种植物因其结构特征不同，对阳光的阻挡和屏蔽能力有较大的区别，主要的结构特征包括树形、高度、树冠及枝叶密度、分枝结构等[6]。作为植物最上端的树冠，最先接触到太阳光，显著影响着太阳辐射和风速等小气候指标[7]。树木阻挡阳光的能力主要体现在遮光率(遮荫效果)和UVB屏蔽能力。从微观角度而言，树木有较强的UVB屏蔽能力的原因主要是由于叶片中如类黄酮、花色素甙等物质对光的选择性吸收作用；在宏观角度，树木在阻挡和过滤太阳辐射方面的表现取决于叶表面的物理反射能力和冠层的形式和密度，树冠的形式和密度则取决于树木分枝形式、小枝的排列以及树叶的覆盖等方面的具体情况[6,8-9]。研究表明，树木的遮荫效果与UVB屏蔽效果呈正相关关系[10-12]，而UVB屏蔽效果不仅与类黄酮、叶绿素的含量有关，也与植物群落郁闭度、叶面积指数(LAI)、枝叶密度及下垫面覆盖物等有明显的相关性[10,13-16]。

1.2 降温增湿

园林树木降低环境温度的主要途径有遮荫降温和蒸腾降温[17]，其中遮荫降温是树木遮荫功效的直接体现。由于树木的遮荫和蒸腾作用，树冠下方获取、储存和散发的热量均显著减少，空气温度得以下降。不同树种的降温效能与种植地点[18-20]、生长速度[21]、树冠形状[22]、外界条件[23-24]及其耐逆性密切相关。蒸腾降温与遮荫降温对环境温度下降的贡献不同。研究发现，树木的遮荫降温能力基本与太阳辐射的日变化规律一致，白天遮荫降温占据主导地位，而夜间全为蒸腾降温[25-27]。

环境湿度的变化主要归因于蒸腾作用，但遮荫也会导致湿度的增加。其原因在于阴影影响的范围内湿度变化幅度减小、扩散速度降低，无形之中增加了树冠下方一定区域内的相对湿度。湿度不仅受到冠层覆盖的影响，还与其种类、体量、生物量、结构和空间分布等特征有关[28]。

2 园林树木遮荫的影响因素

2.1 结构特征

(1)叶片结构特征。对树木遮荫有明显影响的叶片结构主要是叶面积指数、叶色、厚度、大小、排列方式和密集程度等。叶面积指数被认为是树木遮荫效益最具影响力的驱动因素，是树木叶片特征和叶片密度的综合体现，并与太阳辐射通过树冠的透射率有着直接的关系[29]，然而，由于垂直叶面积密度分布不同，叶面积指数相似的树木对生理等效温度(PET)降低有着不同的影响[30]。研究表明，具有较高的叶面积指数的树木一般具有较好的降温效应，但不同树种之间存在差异[31-32]，例如心叶椴Tiliacordata的叶面积指数高于刺槐Robiniapseudoacacia，故其降温能力优于刺槐[33]，但这里所指的降温包括蒸腾降温和遮荫降温，对此相关研究并未明确其所占的比例及相互关系。此外，浅色叶树木、厚叶片树木的遮荫能力分别优于深色叶树木和薄叶片树木。

(2)外部形态指标。对树木遮荫有明显影响的外部形态指标主要有树冠形态、冠幅、树高、枝下高、胸径等。树木阴影的形成主要取决于树冠的形状、大小和太阳高度角等因素[34]，树冠形态与阴影产生的位置、面积大小等有直接联系，且不同树木有很大差别[35]。树高、枝下高和胸径对树木遮荫、降温增湿效果也有显著影响，且表现为高大树木具有更强的能力[36]，高度上具有优势的树木能够更加有效减少热量储存[37]；树木叶片的排列方式、分枝结构、密集程度与叶面积指数密切关联，对遮挡太阳辐射意义重大，对遮荫功效有较大影响[38]。相对于大叶桃花心木Swieteniamacrophylla和紫绣球Tabebuiarosea，由于奥氏黄檀Dalbergiaoliveri的分枝较少且叶片较小，拥有较低的叶面积指数，因此对太阳辐射的过滤较少而透射率较高[39]。

2.2 生理功能

城市人工建成环境中的树木与自然生境中的树木相比，生长空间受限，与周围环境的水、气交换明显减少[40]，还会受到水分胁迫、温度胁迫和盐胁迫等不良环境的影响，长期处于逆境条件下，会严重影响园林树木的正常生理功能，进而影响生长发育尤其是营养生长，最终影响遮荫功能的充分发挥。此外，由于城市环境中往往具有更高的短波和长波辐射通量，以及拥有典型的高空气温度和低相对湿度的特点[41]，城市环境中的树木比自然栖息地的树木有更高的水分需求。因此，在园林树木的栽培管理中，应根据树木的需水规律做好科学养护，也要采取妥善措施消除对树木生理指标的负面影响，以改善树木阻挡阳光和降温增湿的性能，激发树木遮荫潜能。

另外，生长速率、树龄及根系深浅也会影响树木的遮荫[21,37]。生长速度较快的树种一般具有较高的叶面积指数和气孔导度，深根性的树种有着较强的水分吸收能力，可以维持相对较高的气孔导度，这两类树木通常具备较强的降温增湿性能及综合遮荫功效；年龄较大的树种通常因叶面积指数较低、气孔导度较低、吸收养分和水分的能力有所减退，导致反射和阻隔太阳辐射的能力降低，影响了树木阴影的形成和环境热量的存储，整体遮荫效益不高。

2.3 种植位置

树木种植位置的外部环境条件会对遮荫功效的发挥产生影响，这种影响可以是正面的，也可能是负面的。主要包括以下方面：

(1)下垫面材料。当树木种植在具有不同下垫面材料的特定地点时，其遮荫功效会受到下垫面材料的影响，且不同材料影响的程度不同[42]。Rahman等[33]研究发现，当树冠之下为沥青表面时，心叶椴树冠下的遮荫降温效果优于刺槐；当树冠之下为草地时，则两种树木的遮荫降温效果无明显差异。当地面为草坪等透水性表面时，水分可以有效地在土壤、大气、植物之间进行交换，水分利用效率较高，对蒸腾降温和遮荫降温均有明显的促进作用。

(2)建筑布局。建筑所产生的阴影能够明显地改变树木生长环境的光照条件，包括光照时间和强度，光合作用、形态建成等生理过程均会受到影响，进而影响遮荫性能的有效发挥[43]。建筑的密度和高度也会影响潜在温度和平均辐射温度，并可加强树木的降温效应。合理的建筑布局可构成通风廊道，促进生成近地面风，有时可以产生明显的降温效果，这种降温效应可与树木阴影所产生的效益相叠加[44]。

(3)其他因素。空调外机排出的热气会直接导致环境升温，抵消树木遮荫产生的降温效益[45]，也会干扰树木的正常物候期。水体主要通过自身蓄热以及降温增湿两方面调节环境的热舒适性，较易形成低温区域[46]，也会对树木的遮荫功效产生间接的影响。

2.4 气象因素

与树木遮荫具有紧密联系的气象因素是太阳高度角、太阳辐射强度、温度和风速等。树木阴影会随着太阳高度角、太阳辐射强度的变化而变化[47]。树木阴影的面积随着太阳高度角的日变化呈现出“先减小、再增大”的变化趋势，即上午和傍晚的遮荫面积较大，中午的遮荫面积较小，近似于指数函数关系。太阳辐射强度(此处所关注的主要为可见光部分)对树木遮荫功效的影响表现在树木的透光能力方面。根据相关研究，可见光辐射被树木叶片吸收、反射及透过树冠的比例分别为80%、10%和10%[9]，所以当太阳辐射强度较大时，透过树冠的辐射通量也较大，必定会影响树木阴影的质量，也有可能因周围环境散射光强度增大，直接抵消树木所产生的部分阴影。温度也会影响树木的遮荫功效，主要原因是当温度过高时，热空气的流动和水汽的蒸发较快，树木的蒸腾作用和酶的活性等受到抑制，甚至会干扰树木的正常生长，树冠及叶片屏蔽太阳辐射的能力降低。此外，风能促进空气流动，会加速冷热空气的混合，削弱遮荫降温功效，也会导致树木枝叶摇摆而增加树冠的透光性，影响阴影质量。但风的不同类型对树木遮荫功效影响不同，平静的垂直风对于树木改善热舒适性更为有效[48]。

2.5 栽培管理

科学的栽培管理是园林树木各种功能发挥的基础，应根据不同树种的特性采取针对性强的措施，促进其更好地发挥遮荫功效。对于常绿树木，要保证其分枝较多且有足够的展叶期；对于落叶树木，则要使落叶期尽量缩短。因此，应多角度研究树木叶片的生长及发育规律、叶幕的形成规律，力求树木能较长时间保持健康且数量众多的叶片，并能够适当调节枝条的延展长度，较好地实现遮荫综合效益。此外，也需要做好土、肥、水的管理及自然灾害的防控。

3 园林树木遮荫功效的评价

因形态特征、生理功能、种植地外界环境因素、栽培管理方式的不同，各种树木的遮荫效果存在明显的差异性和多样性。根据吴翼[52]、陈耀华[53-54]、吴力立[55]等学者推荐的研究方法[13-14,16,49-51]，可通过测定降温率、遮光率、阴影面积、荫质和遮荫效果等指标，对园林树木的遮荫功效进行评价研究。结果表明，一球悬铃木Platanusoccidentalis、三球悬铃木(法国梧桐)Platanusacerifolia、银杏Ginkgobiloba、羊蹄甲Bauhiniapurpurea、榕树Ficusmicrocarpa、白兰Michelia×alba、海南红豆Ormosiapinnata、雪松Cedrusdeodara、毛泡桐Paulowniatomentosa、国槐Sophorajaponica、栾树Koelreuteriapaniculata、苦楝Meliaazedarach、白蜡树Fraxinuschinensis等树种的遮荫效果排序较为靠前。经过对相关研究结果的分析，证实具备较好遮荫效果的树种均存在树冠密集、叶片较大、树冠不透光性好等特点。部分树种虽然并不具备以上全部特征，但某一方面特点较为突出，弥补了其他方面的缺陷，例如雪松、海南红豆、银杏等虽然叶片较小，但比较密集，且叶片的不透明程度较高；一球悬铃木、三球悬铃木(法国梧桐)、毛泡桐等虽然枝叶相对稀疏，但叶片较大，叶子之间相互覆盖和重叠部分较多，可明显增强对太阳辐射的屏蔽能力。

4 研究展望与建议

4.1 研究展望

现有研究已证实，树木的结构特征如树冠形状、冠幅、分枝结构、叶面积指数和叶色等对遮荫功效有着直接或间接的影响，但都是基于宏观视角的探讨，并不能揭示树木微观结构与遮荫功效的相互关系。此外，当前的研究大多数是对种植于某一园林绿地或城市环境中的树木进行实地观测，研究对象较为局限。在研究探讨时都是假定某些环境因素是不变的，研究结果必会有所偏差，亟需引入更为科学有效的研究方法。此外，栽培管理措施与遮荫方面的研究也较为薄弱。今后可从以下方面进一步展开树木遮荫的研究：①可在实验条件允许时从树木叶片的微观视角进一步探讨叶绿素、类胡萝卜素、叶黄素、类黄酮等物质的含量与遮荫功效的关系；②开展更多样本、不同树种的实证研究，探讨叶片、枝干等不同结构部位对太阳辐射吸收或拦截的比例关系；③借助GIS、RS等高新技术手段，获取关于树木遮荫的全面而准确的数据，如研究样地的树木基本参数、周围的环境因子、气象因素等，弥补现有研究存在的缺陷；④进一步探讨栽培管理措施与遮荫功效相关性，为树木的遮荫设计提供科学依据。

4.2 建议

园林树木通过遮荫作用有效阻隔了太阳辐射，改变了环境中的热量平衡，对提高空间环境的热舒适性有重要意义[56]。为实现这一目标，需要充分遵循“适地适树”基本原则，并正确处理好树木遮荫与景观营造的关系，将树木的遮荫与其他规划设计策略有效结合、正面叠加，以最大程度削减城市热岛效应带来的消极影响。

4.2.1 适地适树，发挥园林树木遮荫潜能

(1)根据场地基本情况和实际遮荫需求，选择适合当地气候条件和栽植地点场地特质的树种。例如行道树的主要功能是通过遮荫、降温提升热舒适性，改善道路空间微气候，树种选择时不仅要考虑遮荫的需要，也应关注交通安全需求及建筑不同方位的光照和水分条件等。

(2)对树木栽植地点进行改造，满足树木生长发育需求。如地下水位较高或易于积水的地方，宜通过给排水措施进行场地改造；土壤较为贫瘠则需进行土壤改良。

(3)通过各种新科技手段对园林树木进行定向培育。如城市环境中常见的洪涝、干旱等极端环境或重金属富集等均会严重影响园林树木的生长和遮荫功效的发挥。宜加强树木的抗逆性研究和新品种选育，最大可能降低或消除极端环境的影响。

4.2.2 正确处理树木遮荫与景观营造的关系

园林树木可以改善热舒适度，营造健康舒适的夏季游憩体验[57]。正确处理树木遮荫和景观营造的关系，需要具有全局观念，应科学认识到树木遮荫是植物景观在满足造景需求的基础上，进一步表现出的改善环境的能力。树木遮荫并非孤立存在，与气候、土壤和下垫面材质等因素存在着依存关系。植物种植设计首先要与场所精神相符合，顺应空间使用者的需求和场地的特质，在此基础上再考虑遮荫功效，并要把握好主次关系。若行道树过于注重遮荫功效，就可能造成树木种植间距过小、植株过密，影响树木远期的生长，甚至导致某些路段的光影变化不合理而威胁行车安全。树木遮荫虽能够带来树荫下舒适宜人的环境体验，但也会造成林下植物的生长受限，特别是改变了光照条件和水分循环，对多层次复合结构的植物景观较为不利，也会滋生苔藓，影响道路通行安全。为了更加有效地削减热岛效应的影响，树木的遮荫设计还需要与通风廊道和水体景观设计等策略结合起来，才能有效改善热舒适性体验。