全 文 ：深圳市居住区绿地植物冠层格局对微气候的影响*
李英汉1 摇 王俊坚1 摇 陈摇 雪1 摇 孙建林1 摇 曾摇 辉1,2**
( 1 北京大学深圳研究生院循环经济重点实验室, 广东深圳 518055; 2 北京大学城市与环境学院生态学系, 北京 100871)
摘摇 要摇 选取深圳市 3 个典型居住小区为研究对象,利用实地观测及景观格局分析方法,探
讨居住区绿地植物冠层格局特征对微气候的影响.各小区内布设 22 ~ 26 个观测点,以测点周
边 20 m伊20 m范围为一个样区,将样区划分为有植物冠层遮盖和无植物冠层遮盖两种斑块类
型,计算了斑块密度和景观聚集度两种格局指数,分析了样区内绿化植物冠层格局指数与温
湿度之间的关系.结果表明:深圳市绿地冠层格局显著影响其温、湿度调控效应,温度调控能
力主要来自绿地植物的遮荫作用,还与绿地的植物绿量有关;裸露地表聚集度的增加对绿地
温湿度调控功能有显著的负面影响;居住小区绿地的温湿度调控能力主要来自乔木树种.
关键词摇 格局指数摇 居住区绿地摇 温湿度调控摇 深圳市
文章编号摇 1001-9332(2011)02-0343-07摇 中图分类号摇 X16摇 文献标识码摇 A
Effects of green space vegetation canopy pattern on the microclimate in residential quarters
of Shenzhen City. LI Ying鄄han1, WANG Jun鄄jian1, CHEN Xue1, SUN Jian鄄lin1, ZENG Hui1,2
( 1Key Laboratory of Circular Economy, Shenzhen Graduate School of Peking University, Shenzhen
518055, Guangdong, China; 2Department of Ecology, College of Urban and Environmental Sci鄄
ences, Peking University, Beijing 100871, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(2): 343-349.
Abstract: Based on field survey and landscape pattern analysis, this paper studied the effects of
green space vegetation canopy on the microclimate in three typical residential quarters in Shenzhen
City. In each of the residential quarters, 22-26 points were chosen for meteorological observation;
and around each of the observation points, a 20 m伊20 m quadrat was installed, with each quadrat
divided into two different patches, one covered by vegetation canopy and the another no鄄covered.
The patch density index (Dp) and contagion index (CONTAG) in each quadrat were calculated to
analyze the relationships between vegetation canopy pattern index and microclimate in each point.
The results showed that the green space vegetation canopy pattern in Shenzhen had significant regu鄄
lation effect on temperature and humidity. The cooling effect was mainly from the shading effect of
vegetation, and also, correlated with vegetation quantity. The increase in the CONTAG of bare sur鄄
face had obvious negative effects on the regulation effect of vegetation on microclimate. The regula鄄
tion capability of green space vegetation on the temperature and humidity in residential quarters
mainly came from tall arbor species.
Key words: pattern index; green space in residential quarter; regulation of temperature and hu鄄
midity; Shenzhen City.
*国家自然科学基金项目(41071117,40830747)、深圳市科技局“百
人计划冶 项目和北京大学深圳研究生院院长科研基金项目
(2008016)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zengh@ szpku. edu. cn
2010鄄06鄄12 收稿,2010鄄11鄄23 接受.
摇 摇 居住区绿地系统具有调节温湿度、缓解热岛效
应等重要生态功能[1],合理实施居住区绿地建设,
是改善城市人居环境的有效途径[2] . 探讨居住区绿
地属性特征与温湿度调控效应之间的关联,以科学
指导绿地合理建设工作,逐渐成为相关学科的关注
热点.笔者近期研究表明,居住区绿地温湿度调控能
力受绿地植物的绿化三维量影响,且其调控效应通
常是周边一定范围(20 m伊20 m)内植物遮荫和蒸腾
作用的综合作用结果[3] . 然而,该结果未能定量反
映绿地植被空间格局因素的影响,因此,指导居住区
绿地建设过程中难以避免操作性障碍.
居住区绿地植物的空间特征可通过植物的冠层
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 2 月摇 第 22 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2011,22(2): 343-349
分布特征进行表征. 本文选取深圳市 3 个居住小区
为研究对象,在各居住小区内布设一定数量的样区,
基于实地调查(测绘植物冠层空间投影并实时监测
样区中心点温湿度),把样区分成有植物遮阴和无
植物遮阴两种斑块类型,借用景观生态学的空间格
局计算指数,分析绿地植被冠层斑块的格局特征,解
析其对温湿度调控效应的影响,以期为居住区绿地
建设规划和设计工作提供科学依据.
1摇 研究方法
1郾 1摇 样区选取
根据深圳市的地貌特征,选取位于特区中心塘朗
山南麓,远离海岸线地带的 3 个居住小区,即龙辉花
园、桃源村和龙溪花园作为研究区,以减小地形对微
气候的影响.基于小区物业公司提供的小区平面设计
图,绘制得到小区绿地植物分布图,并据此对居住小
区进行样区布设.每个小区内均匀布设 20 m伊20 m约
25个样区,从而综合考虑在居住区背景下绿化植物
冠层格局与植物湿度调节功能之间的关系.
1郾 2摇 气象观测设计
气象观测选择台湾泰氏生产的 TES鄄1365 电子
温湿度计,取样时间为每次 2 s,解析度为温度
0郾 1 益,相对湿度 0郾 1% ,精度为温度依0郾 2 益,相对
湿度依0郾 1% . 根据文献[4],测量高度选择距地表
1郾 5 m处.为了避免阳光直射产生的误差,测点选取
样区中心无阳光直射处以保持相同的光照环境,另
选取小区内无绿色植物覆盖的水泥铺装地样区作为
对照.
除绿地以外,人工建筑物的遮阴效果也会对微
气候条件产生一定的影响.在深圳 22毅 N的纬度上,
8 月底至 9 月初的太阳高度仍然较高,夏季正午整
个小区在太阳的直射之下,通过实地调查,确保所选
样区处于建筑物阴影之外,从而排除建筑物阴影对
降温作用的影响.在晴朗微风的天气条件下,对 3 个
样区分别进行连续两日,每日 3 次(12:00—13:00)
的气象观测,最终每个样点的温湿度值为 6 组观测
结果的平均值.
1郾 3摇 样区绿地调查
分别对 3个居住小区的植被分布进行实地调查,
主要调查小区植物的种类、分布位置、高度、冠幅和冠
高等.应用 ArcGIS 9郾 3 将小区内高度超过1郾 5 m的植
物进行数字化,将冠幅、冠高等属性信息加入属性表
中,并以植物所在位置为中心,冠幅为半径设置缓冲
区,代表 1郾 5 m以上有植物冠层覆盖的地区(图 1).
图 1摇 3 个居住小区内研究样区的划分
Fig. 1摇 Distribution of quadrats in the three residential quarters.
a)龙辉花园 Longhui Huayuan; b)桃源村 Taoyuan Village; c)龙溪花
园 Longxi Huayuan. 下同 The same below.
1郾 4摇 样区景观格局特征分析
根据现有的研究结论,植物的大小、冠形、遮阴
面积、遮阴形状和建筑物阴影等均对降温效应产生
影响,其中树荫面积和测点周边的温度状况对植物
的降温作用影响最大[5-8] . 另外,在 1郾 5 m 高度上,
虽然裸地、水泥铺装路等地表类型的差异对湿度可
能产生影响,但对其温度的影响较小[4] . 因此,将各
样区划分为有植物冠层遮盖和无植物冠层遮盖两种
类型的斑块,应用 Fragstats 3郾 3 计算各样区的景观
格局指数,分析植物冠层格局特征对温湿度调节功
能的影响.
考虑到本研究尺度较小、斑块类型单一,植物的
冠层构型也比较简单,因此选取聚集度指数
(CONTAG)和斑块密度(Dp)两种景观格局指数分
析每个样区的冠层格局特征.其中,斑块密度用于衡
量植物遮阴面积所占面积比例,Dp 值越高,表明植
443 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
物冠层阴影所占的面积比例越大. 聚集度指数用来
表示同一斑块类型的集聚程度,取值范围为 0 <
CONTAG臆100,该指数反映景观中不同斑块类型的
非随机性或聚集程度,CONTAG 值越大表明景观中
以少数大斑块为主或同一类型斑块的连接度越
高[9-13] .
1郾 5摇 数据处理
基于实测的温湿度数据,进行样区温湿度与斑
块密度的回归分析,温度(T) 回归方程和相对湿度
(RH) 回归方程如下:
T =
Tmax - Tmin
1 + (x / x0) P
+ Tmin (1)
RH =
RHmin - RHmax
1 + (x / x0) P
+ RHmax (2)
式中:Tmax 为对照点温度;Tmin为最低温度;RHmax 为对
照点相对湿度;RHmin 为最低相对湿度,P、X0 为常量.
在 Origin软件支持下进行景观聚集度指数与斑
块密度之间的非线性拟合分析,并基于分析结果和
实测温湿度数据,进行温湿度与景观聚集度指数的
回归分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 植被冠层斑块密度与温湿度的关系
利用 Fragstats软件计算了 3 个小区中所有样区
的聚集度和斑块密度,结果见表 1.
摇 摇 分别使用各样区温、湿度对 Dp 进行非线性回
归分析.回归结果均表现出显著的相关关系,温度与
Dp 的拟合精度较高(R2 >0郾 782);相对湿度的拟合
精度略低(R2 >0郾 519). 其中,龙溪花园的回归拟合
精度偏低,原因是当日背景湿度较大,各样区内的植
物调节能力未能充分发挥,影响了拟合的精度(图 2
和表 2).
表 1摇 不同小区各样区冠层格局的景观指数
Table 1摇 Landscape index of canopy pattern of each quadrat in different residential quarters
样区编号
Quadrat
No.
桃源村 Taoyuan Village
温度
T(益)
相对湿度
RH(% )
斑块密度
Dp
聚集度
CONTAG
龙辉花园 Longhui Huayuan
温度
T(益)
相对湿度
RH(% )
斑块密度
Dp
聚集度
CONTAG
龙溪花园 Longxi Huayuan
温度
T(益)
相对湿度
RH(% )
斑块密度
Dp
聚集度
CONTAG
1 34郾 5 74郾 7 0郾 470 46郾 4 36郾 5 68郾 0 0郾 038 87郾 2 34郾 6 62郾 6 0郾 539 47郾 3
2 33郾 9 76郾 8 0郾 715 53郾 1 33郾 5 75郾 0 0郾 483 47郾 2 34郾 5 64郾 7 0郾 566 48郾 0
3 34郾 5 76郾 5 0郾 283 53郾 9 34郾 1 74郾 1 0郾 142 68郾 9 33郾 7 66郾 1 0郾 503 47郾 5
4 33郾 8 76郾 0 0郾 382 48郾 4 32郾 9 81郾 5 0郾 602 48郾 9 33郾 9 66郾 5 0郾 556 47郾 9
5 33郾 7 78郾 2 0郾 339 50郾 7 32郾 8 80郾 1 0郾 424 47郾 9 33郾 8 66郾 9 0郾 455 47郾 5
6 33郾 7 77郾 0 0郾 640 48郾 7 33郾 0 77郾 7 0郾 391 47郾 7 33郾 8 70郾 7 0郾 548 46郾 7
7 33郾 5 79郾 6 0郾 302 52郾 0 33郾 4 75郾 9 0郾 344 50郾 5 34郾 0 68郾 1 0郾 540 47郾 9
8 35郾 4 71郾 8 0郾 208 61郾 0 33郾 0 79郾 6 0郾 586 48郾 3 34郾 3 64郾 1 0郾 280 55郾 0
9 33郾 9 79郾 2 0郾 545 47郾 2 33郾 7 72郾 9 0郾 262 56郾 1 34郾 5 65郾 0 0郾 396 49郾 9
10 34郾 4 75郾 2 0郾 254 55郾 8 33郾 1 81郾 1 0郾 439 47郾 3 33郾 4 71郾 4 0郾 420 48郾 1
11 34郾 2 75郾 4 0郾 411 47郾 8 33郾 6 78郾 5 0郾 343 50郾 4 33郾 5 70郾 0 0郾 617 48郾 6
12 34郾 8 72郾 7 0郾 458 46郾 5 34郾 1 78郾 0 0郾 323 52郾 3 35郾 8 59郾 8 0郾 073 79郾 0
13 34郾 8 77郾 6 0郾 322 51郾 1 33郾 8 77郾 3 0郾 441 47郾 8 35郾 0 59郾 9 0郾 469 47郾 9
14 34郾 3 74郾 6 0郾 352 49郾 3 33郾 6 78郾 9 0郾 375 50郾 2 34郾 8 61郾 9 0郾 492 46郾 8
15 33郾 6 78郾 5 0郾 392 49郾 0 33郾 8 79郾 4 0郾 312 52郾 4 34郾 4 62郾 3 0郾 370 49郾 6
16 33郾 4 79郾 8 0郾 485 46郾 7 33郾 9 76郾 3 0郾 221 58郾 2 35郾 9 59郾 6 0郾 139 67郾 5
17 33郾 6 78郾 3 0郾 455 48郾 1 33郾 4 76郾 5 0郾 625 48郾 8 35郾 4 61郾 8 0郾 343 50郾 6
18 33郾 7 79郾 1 0郾 277 54郾 5 33郾 5 74郾 6 0郾 373 49郾 8 37郾 5 53郾 8 0郾 015 93郾 9
19 33郾 2 79郾 6 0郾 560 46郾 5 33郾 4 75郾 0 0郾 252 57郾 2 35郾 0 59郾 0 0郾 295 53郾 6
20 34郾 0 77郾 7 0郾 585 47郾 3 33郾 5 77郾 0 0郾 319 52郾 1 34郾 6 61郾 1 0郾 559 46郾 8
21 33郾 6 79郾 8 0郾 467 45郾 5 33郾 8 75郾 7 0郾 137 69郾 6 34郾 7 62郾 3 0郾 531 46郾 6
22 33郾 1 80郾 0 0郾 650 51郾 5 33郾 3 78郾 4 0郾 434 47郾 1 34郾 5 64郾 9 0郾 446 47郾 6
23 34郾 7 75郾 6 0郾 203 61郾 3 33郾 4 79郾 1 0郾 272 55郾 3 38郾 4 52郾 9 0 100
24 34郾 7 73郾 7 0郾 170 64郾 8 33郾 5 77郾 1 0郾 529 47郾 7
25 34郾 3 77郾 9 0郾 203 60郾 7 34郾 0 73郾 9 0郾 224 59郾 6
26 37郾 9 64郾 5 0 100 36郾 6 65郾 4 0 100
5432 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李英汉等: 深圳市居住区绿地植物冠层格局对微气候的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 斑块密度(Dp)与温度(T)和相对湿度(RH)的非线性拟合
Fig. 2摇 Nonlinear correlation of T and RH against Dp .
表 2摇 温、湿度与斑块密度拟合方程系数
Table 2摇 Parameters of non鄄linear fitting equations between T and Dp, and between RH and Dp
研究区
Study quarter
温度鄄斑块密度 T鄄Dp
Tmax Tmin P X0
相对湿度鄄斑块密度 RH鄄Dp
RHmax RHmin P X0
龙辉花园 Longhui Huayuan 36郾 6 32郾 8 1郾 37 0郾 1 65郾 4 81郾 5 1郾 07 0郾 1
桃源村 Taoyuan Village 37郾 9 33郾 1 1郾 11 0郾 1 64郾 5 80郾 0 1郾 03 0郾 1
龙溪花园 Longxi Huayuan 38郾 4 33郾 4 1郾 00 0郾 1 52郾 6 71郾 4 0郾 88 0郾 2
2郾 2摇 冠层斑块密度与景观聚集度的关系
应用 Origin 8郾 0 对聚集度和斑块密度进行了非
线性拟合,结果表明,可以用 Shah 曲线描述二者之
间的关系,拟合精度 R2 =0郾 996(图 3).
摇 摇 根据拟合曲线可知,Dp =0郾 5 为曲线拐点;当 Dp
<0郾 5 时,样区内的景观以无植物遮挡斑块联结性最
好,分布集中;当 Dp >0郾 5 时,样区内以有植物遮挡
的斑块连接程度较高,分布集中. 因此,下文对聚集
度指数的分析中,以 Dp = 0郾 5 作为分界点进行分段
讨论.
2郾 3摇 景观聚集度与温湿度的关系
聚集度指数与温湿度之间相关关系均通过了显
著性检验(P<0郾 01),即景观分布的集中程度与样点
温、湿度之间存在极显著的对应关系(表 3).
摇 摇 本文大部分样区的 Dp 值均<0郾 5,因此仅对 Dp<
0郾 5的情况进行探讨.结果表明,当 Dp <0郾 5 时,各样
区的聚集度指数与温、湿度的线性回归均有较高的拟
合精度,即地表无植物遮挡区域分布的集中程度与测
点的温湿度有关,其分布越集中,测点温度越高,湿度
越低(图 4).当 Dp 处于 0 ~ 0郾 5 区间时,CONTAG 值
为 46 ~100,回归直线的斜率与当日天气状况有关,当
日气温越高、相对湿度越高,则相同聚集度指数条件
下的温度和相对湿度值也越高.
图 3摇 冠层斑块密度与景观聚集度的关系
Fig. 3摇 Relationship between Dp and CONTAG.
643 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表 3摇 各小区样区的聚集度指数与温、湿度的相关系数
Table 3摇 Correlation coefficients between CONTAG and T, and between CONTAG and RH in different residential quarters
聚集度指数
CONTAG
龙辉花园 Longhui Huayuan
温度
T
相对湿度
RH
桃源村 Taoyuan Village
温度
T
相对湿度
RH
龙溪花园 Longxi Huayuan
温度
T
相对湿度
RH
龙辉花园
Longhui Huayuan
0郾 915** -0郾 848**
桃源村
Taoyuan Cun
0郾 853** -0郾 767**
龙溪花园
Longxi Huayuan
0郾 904** -0郾 740**
**P<0郾 01.
图 4摇 聚集度指数与温度和湿度的线性回归
Fig. 4摇 Linear regression between T and CONTAG, and between RH and CONTAG.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 植物的温湿度调控机制分析
本研究结果表明,样区斑块密度与其中心位置
的温度之间有显著的相关性(R2>0郾 782).植物的降
温作用主要是源于其遮荫效果和蒸腾作用的吸热效
果.对蒸腾作用的估算往往由于测量过程较复杂和
成本较高昂,不适宜指导实际规划建设.单独使用遮
荫分布可粗略地估算植物的降温效果.同时,植物的
降温能力是有极限的,其降温变化速率会随着遮阴
面积的增大而下降.对不同植物类型而言,乔木往往
具有较大的遮荫空间,因而比同等占地面积的灌木
和草本的降温效果更佳.
从湿度与斑块密度的关系可以发现,二者同样
具有显著的相关性,但其拟合精度明显低于斑块密
度与温度之间的拟合精度(0郾 558由于测点相对湿度的升高,一方面是由于植物的遮
挡作用降低了局部温度,使其饱和水汽压降低,提高
了相对湿度;另一方面,由于植物蒸腾产生了大量的
水汽,增加了局部空气中的水汽含量,从而提高了相
对湿度. Dp 指数虽然能反映植被的遮荫降温效果,
但却无法准确衡量植物的生物量,难以估测蒸腾作
用的强度,也难以据此估测植物的蒸腾作用所影响
的空间尺度范围,导致拟合的精度降低. 由此可见,
仅由平面指标衡量植物的遮荫效果无法准确评估植
物的增湿能力,应考虑与三维绿量指标相结合,以期
获得更为精确的评估结果.
3郾 2摇 绿地格局对地表温湿度的影响
鉴于 3 个小区中大部分样区的 Dp <0郾 5,分析
CONTAG与温、湿度的关系发现,无植物遮挡斑块分
7432 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李英汉等: 深圳市居住区绿地植物冠层格局对微气候的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
布的聚集程度对测点的温度状况有着重要影响,二
者呈显著的正相关关系,拟合精度 R2 >0郾 759;聚集
度指数与湿度之间呈显著负相关关系,拟合精度为
R2>0郾 561.在 Dp <0郾 5 情况下,聚集程度越高,说明
样区内无绿地覆盖的区域面积越大,分布越集中,形
成新的热源,影响局部的小气候环流,进而影响了测
点的温湿度.因此,居住区绿地建设应尽量避免较大
面积裸地的集中分布,减少局部热源对植物降温增
湿效果的不良影响. 另外,由于各样区条件所限,本
文仅分析了 Dp<0郾 5 的情况. 当 Dp >0郾 5 时,绿地的
大规模集中分布是否会产生类似的集聚效果,其温
湿度调控能力如何,还有待进一步探讨.
3郾 3摇 居住小区绿地功能的思考
植物的温度调控效应主要由冠层的遮荫作用产
生,但其湿度调控效应除受植物冠层遮盖影响外,还
与植物的种类、体量、生物量、结构和空间分布等特
征有关[14] .因此,为弥补传统二维绿地指标(如绿地
率和绿化覆盖率)在绿地温湿度调控效应评估研究
中的不足,应考虑将其与三维绿量的指标结合起
来[15-17],以期更加准确地反映绿地系统结构和格局
建设与其生态服务功能之间的关系,有效地指导绿
地系统规划.
在小区绿地建设中,为了充分发挥植物的气候
调控效应,应重视绿地冠层的空间格局设计.本研究
结果表明,20 m伊20 m 范围内无植物遮挡斑块的聚
集程度将对绿地植物温湿度调控效应产生显著的负
面影响.小区绿地建设过程中尽可能避免出现较大
面积无植物冠层遮挡区域集中分布.
3 个小区绿地温湿度调控效应都与高度在 1郾 5
m以上植物的冠层格局特征显著相关,表明以乔木
为代表的高大绿化树种温湿度调控能力最强[18-21] .
由此看来,基于温湿度调控功能的小区绿化应考虑
以乔木为主的绿化方式. 在温湿度调控能力达到预
期目标的基础上,再考虑结合灌木、草坪等绿化方
式,以完善小区绿地的综合功能.
4摇 结摇 摇 论
城市居住区绿地的植物冠层格局特征对其温湿
度调控效应有显著影响,植被冠层斑块密度和聚集
度的提高,有助于提升其降温增湿能力.不过这种提
升是有限度的,其降温增湿速率随绿化覆盖率的升
高而降低.
小尺度范围内,裸地的空间格局特征显著影响
样区测点的温湿度水平,裸地斑块的聚集度提高,将
导致测点的温度增加、湿度降低.从降温增湿的角度
看,小区建设须尽量避免较大面积集中分布的裸地.
植物的降温功能主要由其遮荫作用产生,因此
与斑块密度指数和聚集度指数的拟合精度较高,而
湿度调控效应与植物生物量空间格局的分异关系更
为紧密,导致拟合精度偏低.
高大植物种类的温湿度调控能力较强,基于温
湿度调控功能的小区绿化应考虑以乔木为主的绿化
方式.在温湿度调控能力达到预期目标的基础上,再
考虑结合灌木、草坪等绿化方式,以完善小区绿地的
综合功能.
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作者简介摇 李英汉,男,1985 年生,硕士研究生.主要从事城
市生态规划与设计研究. E鄄mail: happyliyinghan @ yahoo.
com. cn
责任编辑摇 李凤琴
9432 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李英汉等: 深圳市居住区绿地植物冠层格局对微气候的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇