杨建欣 黄秋燕

（ 1. 西南林业大学园林园艺学院，云南 昆明 650224；2.肇庆学院，广东 肇庆 526061；3.广东理工学院 建设学院，广东 肇庆 526070）

园林绿地中的树木可以通过以下3种方式降低环境温度[1-3]，一是蒸腾作用。通过蒸腾作用消耗太阳辐射能量，增加潜在热，使叶片及周围气温降低；二是遮荫作用。通过拦截太阳辐射，以荫影的形式在树冠下创造较为凉爽的区域。第三，通过影响空气运动和环境的热交换，使得周围的环境温度降低。在上述3种方式中，遮荫是树木改善环境、削减热岛效应和增加环境热舒适性的最直接和最重要的方式。树冠通过吸收、反射和传输进行辐射过滤[4]，减少了垂直向下的能量流动，改变了环境中的热量平衡。每种树木因结构特征不同，所产生的荫影有所差异，其树形、高度、树冠及枝叶密度、分枝结构等特点与阻挡阳光、产生荫影有密切关系[4]。研究树木的遮荫功能及其机理对于改善环境的热舒适性、提高夏季炎热环境条件下的空间使用效率具有十分重要的意义。

高校校园是青年学子求学与成长的殿堂，其户外环境质量对大学教育功能的发挥有着重要的影响[5]。在构成校园景观的诸多要素中，园林植物是高品质校园空间形成的基础和前提。通过植物的合理组合与搭配，可以营造出生态优美、景观宜人的校园育人环境，并能改善校园环境小气候。高校校园内师生的主要交通方式为步行或骑行非机动车，在炎热的天气里，师生对环境热舒适性的期望值较高，尤其在华南地区的校园更是如此。然而目前关于高校校园植物景观的研究主要集中在植物资源的调查[6]、植物景观的优化[7]、植物景观的生态效益[8]及植物景观的评价[9]等方面，尚未见关于高校校园树木遮荫功能及改善热舒适性的量化评价研究。因此有必要对园林树木遮荫机理进行分析研究并提出建议，为炎热地区大学校园绿地树种的选择和科学配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

肇庆市位于广东省西部，地处22°47′～24°24′N和111°21′～112°52′E，毗邻广佛，属于珠江三角洲核心城市和粤港澳大湾区重要节点城市。肇庆市属南亚热带季风气候，自然植被属于南亚热带常绿季雨林，年平均温度＞20℃，年平均降雨量＞1500mm，年平均日照约为1800h。肇庆学院位于肇庆市端州区，肇始于创办于1970年的肇庆地区师范学校，现有北岭主校区和星湖校区两个校园。经过50余年的发展建设，现已发展成为学科门类齐全、以师范教育为特色、多学科协调发展的综合性大学，2013年荣膺“全国绿化模范单位”。主校区位于肇庆市端州区北岭山脚下，拥有得天独厚的自然环境。经调查及统计，校园内共有园林植物61科138属175种，其中乔木类27科55属74种[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 观测对象及样株的选取

在调研地范围内的所有树木中选择拟观测的树种，从选取的树种中挑选符合要求的树木样株。观测样株需要符合以下要求：栽植或移植年限超过5年；胸径范围在20～30cm之间，种间及种内胸径差异≤10cm；树木生长状态良好。为尽可能得到准确的结果，结合肇庆学院主校区校园遮荫树木应用和分布的实际情况，本次研究的树木每种选择3株样株（表1）。

表1 观测对象及样株基本数据

1.2.2 样株观测及数据收集

（1）观测时间。为使相关指标的测量数据尽可能准确，所选择的观测日期应满足气温较高、晴朗无风、光照充足、无明显云层等气象条件；为减少观测和读数误差，采取多时段观测而计算数据平均值。根据实际气象条件，选择2021年7月-8月期间气温相对较高的日期及时间段（即每天9：00-16：30）进行数据观测。读数时间间隔为1.5h，观测次数为5次/d，重复测量时间为3d。

（2）观测地点。为确保数据尽可能真实反映树木的遮荫能力，观测点的选取应注意以下事宜：第一，选取观测点和对照点，分别位于树荫下和荫影之外3m处；第二，观测点和对照点的高度必须一致（均为1.2m）；第三，观测点和对照点的下垫面铺装材质必须一致。

（3）观测步骤。首先，采用手持式激光测距仪测量样株的高度、冠幅、枝下高、胸径等数据，求取平均值；第二，在荫影中心位置、距离地面1.2 m的高度处用温度湿度露点测试器测定植物树荫下的空气温度、湿度，用照度计测量荫影下的光照强度；第三，在对照点处用相同的仪器按顺序测量以上3个指标。每种树木每株样株均需测量一次，取平均值。

2 结果与分析

高度、胸径、冠幅、温度、湿度、照度等数据运用Excel 2003软件进行统计和分析。降温率、遮光率、遮荫面积、荫质、遮荫效果等相关指标按照吴翼[11]、陈耀华[12-13]推荐的研究方法进行计算。园林树木降低环境温度有遮荫降温和蒸腾降温两条途径[15]，两者都是遮荫功效发挥的基础。因此，增湿率也应作为遮荫功效的指标之一进行观测和计量。增湿率的计算参照关任[16]所采用的方法。采用Excel 2003、SPSS 18.0等进行数据分析，用Origin 2018进行分析图绘制。为了便于更加清晰地利用折线图对比园林树木的遮荫效果，将调查对象分为A、B两组，A组为盆架木（Alstonia scholaris）、苹婆（Sterculia nobilis）、桃花心木（Swietenia mahagoni）、芒果（Mangifera indica）和 阴 香（Cinnamomum burmannii）5种常绿树，B组为腊肠树（Cassia fistula）、洋紫荆（Bauhinia variegata）、凤凰木（Delonix regia）3种落叶树。

2.1 树木遮荫指标及其变化情况分析

2.1.1 降温率

此次调查的8种树木降温率的变化范围为0.85%-10.61%，最高值为苹婆在12:00时的降温率，最低值为阴香在16:00时的降温率（图1）。在上述两个时刻降温率存在较大差异的原因是苹婆的枝叶浓密、叶面积指数较高、遮挡太阳辐射的能力较强，并且其下垫面为嵌草砖，能较好地减少地面反射热；而阴香虽然也有相对浓密的枝叶，但种植地点周围人工硬底化面积较大，降温效果受到严重削弱。在中午12:30～13:30时间段内，除了芒果、腊肠树和凤凰木之外，其余树木的降温率均呈下降趋势，其主要的原因是环境温度的升高，导致蒸腾能力有所下降，虽然树木都具备较强的遮荫能力，但对太阳辐射能的阻隔不足以抵消蒸腾降温能力的减弱，最终还是造成降温率的下降；芒果、腊肠树和凤凰木的降温率不降反升的原因可能是这几种树木的蒸腾作用受到高温的影响较小，午间温度较高时仍能保持较高的蒸腾效率和降温能力。从降温率的数值变化曲线及上述分析可知，研究对象8种树木的降温率有一定变化规律单但也表现出较大的差异。该结果也验证了不同类型及不同生长阶段的树木，由于其结构特征和生理活动能力的不同，以及受到外界环境条件的影响，其降温能力存在着较大的差异性[17-20]。

图1 降温率变化趋势

2.1.2 遮光率

树木在阻挡和过滤太阳辐射方面的表现取决于冠层的形式和密度，树冠的形式和密度则主要与分枝形式、小枝的排列方式以及树叶的覆盖情况有关[21-22]；树木的遮光率还与树木叶片的倾角、叶片厚度、叶绿素含量、类黄酮含量[4]及太阳光的强度、周围环境的散射光等外界环境条件有关。由于阳光的照射方向和强度日变化和季节变化，因此遮光率随之发生变化。8种树木遮光率的变化范围为69.61%～96.86%，变化幅度不大，证明这些树种均具有较好的遮荫能力。除洋紫荆外，其他树木的遮光率在观测时间内均有一定起伏；除凤凰木外，其他树种的遮光率均呈“升-降”或“升-降-升-降”的变化趋势。遮光率最好的树木是苹婆，主要因为该树种叶片较为浓密，且树木分枝较多，形成了透光率较低的树冠结构；此外，遮光率还与植物叶片层数[23]及冠高直接相关，随着植物叶片层数的增多和冠高的增大，拦截太阳辐射的能力会得以增强，因此除了苹婆和桃花心木之外，其余树种的遮光率几乎是随着冠高的增大而增强的（图2）。

图2 避光率变化趋势

2.1.3 增湿率

树木增加空气相对湿度的能力与郁闭度及叶面积指数等冠层结构特征有密切关联。在不同的气候条件下人们对湿度却有着不同的体验和要求，在干燥的环境中比较希望增加湿度，但在高温酷热的南方潮湿地区，空气相对湿度过高就会让人觉得愈加炎热，潮湿的环境会阻碍的水蒸气的蒸发散热，造成热舒适性体验较差[24]。因此，对树木遮荫功能进行研究和评价之时，理应将增湿率一并考虑在内，才能全面探讨环境参数、热舒适性与遮荫之间的关系。观测结果显示，8种树木增湿率变化范围为0.2%～18.15%，平均增湿率最强的是苹婆（8.65%）。因不同树木的叶面积指数存在差别，且不同时刻的蒸腾速率有较大变化，导致增湿率发生很大程度的改变。从9:00～16:30，盆架木和桃花心木的增湿率大体上呈逐步上升的变化趋势，腊肠树的增湿率变化趋势则呈现出“升-降-升-降”的双峰曲线，其余树木则表现各有不同，但苹婆、凤凰木、洋紫荆的增湿率均为中午12:00前后最高。出现以上变化的原因可能与树木的结构特征和生理代谢有关，也可能受到环境微气候参数不同程度的影响（图3）。

图3 增湿率变化趋势

2.1.4 遮荫面积

不同树冠形状的树木产生的荫影形状有较大的差异，广东肇庆市地处华南地区，常见树木均为卵圆形树冠，其荫影面积的计算可参照椭圆形面积的计算方法。在以往相关研究中[16,25]，将计算树木荫影面积的时间定为某一天的特定时刻（如14:00），得出的结论仅为反映该树木某一时刻的遮荫面积，属于静态评价，无法揭示树木遮荫面积的动态变化规律。本研究采用观测时间点的荫影面积表示某一树木的遮荫面积及其动态变化情况。在观测时段内，本次研究对象A、B两组树木荫影面积的变化规律为“先减小、再增大”，变化趋势与太阳高度角的变化趋势基本一致。从观测数据可以看出，遮荫面积与树木的冠幅大小成正比（图4）。

图4 遮荫面积变化趋势

2.1.5 荫质

由荫质的计算公式可知，降温率和遮光率决定着树木的荫质。荫质的数值大小与人们的热舒适性感受有着紧密的关系，因此关于荫质的研究对于揭示树木改善环境的能力方面有着较大的实际价值。在观测时间内，荫质随着降温率和遮光率的变化而发生变化，荫质最大值为苹婆0.1027n（12:00），最小值为阴香0.0078n（16:30）；荫质变化幅度最大的为苹婆（0.062n），变化幅度最小的为凤凰木（0.018n）。由图5可以看出，对于A组常绿树木，除芒果外，其余树种的荫质峰值均出现在12:00左右；而B组落叶树种的荫质峰值则出现在12:00-13:30之间（图5）。

图5 荫质面积变化趋势

2.1.6 遮荫效果

按照陈耀华关于园林树木遮荫效果的定量分析和计算方法[12-13]，遮荫效果的计算公式可以表述为：遮荫效果遮光率（），其中Rg为1/2冠幅[14]，B为太阳高度角。据此可知，树木的遮荫效果由冠幅大小、太阳高度角、降温率和遮光率四个因素共同决定。每种树木的冠幅、降温率和增湿率有明显差异，太阳高度角每时每刻每地又有不同，故不同树木的遮荫效果存在较为显著的差异（图6）。

图6 遮荫效果变化趋势

根据对A、B两组树木的观测研究发现，随着时间的推移，遮荫效果会发生不同程度的波动，腊肠树的遮荫效果总体呈逐步上升的趋势，阴香的遮荫效果呈逐步下降趋势，其余树种的遮荫效果总体趋势均为“先下降，再升高”，表明树木遮荫效果并没有固定的变化趋势，呈现出一定的多样性；此外，除阴香外，A、B两组树木遮荫效果最好的时刻均为16:30前后，而遮荫效果最差的时刻则有较大差异，腊肠树和凤凰木为9:00，桃花心木为10:30，芒果为12:00，盆架木和洋紫荆为15:00，阴香为16:30，说明不同树种在不同时刻的生理代谢存在差异，受到外界环境的条件的影响程度也存在差异性，导致降温、增湿情况有所不同，表现出遮荫效果的多样性。

2.2 相关性分析及回归分析

为了进一步研究树体结构特征与遮荫之间的相互关系，采用Pearson法进行相关性分析（各项指标均采用平均值，表2）。分析结果显示，园林树木的树体结构特征与遮荫功效的各项指标均存在不同程度的相关性。树体结构特征（株高、胸径、冠高、枝下高）与各项指标（降温率、遮光率、增湿率、遮荫面积、荫质、遮荫效果）均未达到显著相关，冠幅与遮荫面积在0.01水平（双侧）上显著相关，表明树木的冠幅是遮荫效果的主要决定性因素；降温率与增湿率在0.05水平（双侧）上显著相关，降温率与荫质在0.01水平（双侧）上显著相关，表明树木的降温能力较为明显地影响其增加空气湿度的能力，并决定着树木的荫质。

表2 树体结构特征与遮荫功能的相关性

由于树木的树体结构特征与遮荫功能的关系较为复杂，仅使用简单的相关性分析不足以显示出各因子之间的复杂关系。为了更为清晰地表示各因素之间的关系，将株高（X1）、胸径（X2）、冠高（X3）、冠幅（X4）、枝下高（X5）等树体结构特征与降温率（Y1）、遮光率（Y2）、增湿率（Y3）、遮荫面积（Y4）、荫质（Y5）、遮荫效果（Y6）等遮荫功能指标进行多元线性回归分析，并建立线性回归方程（表3）。

表3 树体结构特征与树木遮荫功能的回归方程

3 结论与讨论

3.1 结 论

本研究采用实地调查、量化分析和相关性分析的方式对园林树木的遮荫效果进行了研究，得出以下结论：

（1）通过对8种园林树木降温率、遮光率、增湿率、遮荫面积、荫质、遮荫效果等指标的观测研究可知，不同树种各项指标有着较大的差异。其中，平均降温率、平均增湿率和平均荫质最高的树木为苹婆，分别为7.808%、8.645%和0.074n；平均遮光率最高的树木是阴香，为94.263%；平均遮荫面积最大的树木为腊肠树，为70.15m2；平均遮荫效果最佳的树木为腊肠树，为3.732。表明苹婆、阴香、腊肠树等树种可以从降温、遮光、增湿等不同的角度改善环境热舒适性。

（2）降温率主要与树木的枝叶浓密程度及枝下高等因素有关，也明显地受到周边环境条件和树木生理代谢能力的影响的影响。苹婆和阴香降温率差异较大的原因主要在于树体结构特征、周围环境条件的不同；芒果、腊肠树、凤凰木在温度最高的时刻仍然能保持较理想的降温效果，表明这些树木在高温时刻依然有较高的蒸腾效率。遮光率主要与树冠的结构和枝下高等因素有关，与冠高和枝下高均呈正相关关系。冠高决定了阳光透射需要穿透的范围大小，枝下高则影响着周围散射光对遮光率干扰程度。苹婆分枝较多、树叶浓密、冠幅开展，有着较高的遮光率，但其枝下高较高，其遮光率会明显受到周围环境的影响。决定园林树木遮荫面积的因素为冠幅和太阳高度角，当太阳高度角一定时（在某一固定时刻），则决定因素为冠幅；树木的遮荫效果由遮荫面积、降温率和遮光率这3个因素决定，降温率、遮光率的变化幅度较小，而冠幅树种间差异较大，故决定遮荫效果的主导因素为冠幅。

3.2 讨 论

虽然本研究得到了一些初步结论，但仍存在许多问题需要进一步探讨：

（1）一般情况下树木的胸径与年龄、冠幅有着紧密联系，胸径越大，树木年龄越大，且冠幅一般也较大[26]，关任[16]的研究认为行道树冠高、胸径与遮荫效果为正相关关系。但本研究发现树木的冠幅与株高、胸径、冠高均呈负相关关系，树木的胸径、冠高、枝下高与遮荫面积也呈负相关关系，得到的结论与上述情况存在矛盾。可能的原因是研究地点树木种类和数量的限制，选取的样株数量较少，大多数样株为行道树，生长地点环境资源和空间等条件有限等，导致树木并未能达到十分理想的生长状态，难以获取规律性较强的基础数据，也有可能因为树木曾经受到外界环境的过度干扰和破坏（如台风、洪涝等自然灾害），甚至存在病虫危害或进行过较为明显的修剪整形等，虽然在外观上已经恢复正常，但内部生理代谢等还没有全部恢复，以上原因都会影响观测试验结果。为进一步检验以上问题，在今后开展相关研究时，应尽可能选择较多数量的树木样株，并且在选择样株时要尽可能选择生长健壮且未受到外界环境过度干扰的树木；有条件时宜在实验苗圃开展长期的观测研究，尽量规避客观条件的差异对实验研究结果的影响，提高客观性和准确率。

（2）园林树木的遮荫功效受到复杂多变的外界环境的直接和间接影响，为尽可能准确地掌握不同种类园林树木的遮荫机理及遮荫功能，应采取多学科交叉融合的手法开展相关研究，积极引入3S技术等高新技术开展宏观角度的研究，并重视温度场理论[27]在景观营造中的作用，采取合理的植物种植设计及绿地规划布局策略，提高树木遮荫的针对性。同时，城市人工环境如不透水地面具有明显的升温作用，可抵消园林树木遮荫所带来效益，而通风廊道的设计和水体景观的合理布局则可以强化园林树木的遮荫功效，因此，应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。

（3）树木遮荫的目的是创造凉爽的空间环境，改善环境的热舒适性，为人们的户外活动提供有利的条件。换言之，树木能够提高环境热舒适性的主要原因是能够改善城市下垫面的热特性[28]，但对于不同的遮荫目的和对象应采取不同的策略。当为行人提供遮荫环境时，可选择冠幅开展的行道树并注意合理密植，并定期进行修剪整形；当作为庭荫树为空间营造遮荫环境时，应尽可能选择冠大荫浓、树冠开展的树木，并为其生长提供足够的环境资源，使其树冠横向扩展，并尽量避免临近种植其他树种与其争夺空间和环境；当树木主要用于建筑物庇荫、降低建筑能耗时，宜选择冠高较大、纵向性较强的树种[25]，使其能够在建筑外墙形成较大面积的投影，改善建筑物的热量平衡。此外，热舒适性还受到物理、生理和心理等多种因素的综合影响[29]，仅对树木的遮荫功能进行研究显然不足以揭示其改善热舒适性的能力，还需要进一步开展生理等效温度（PET）和平均辐射温度（Tmrt）等指标的评价研究。鉴于此，建议今后不断拓展相关研究角度，丰富园林树木遮荫及改善环境热舒适性的相关理论，以更加全面地评价其微气候调节能力。