全 文 ：第 35 卷第 2 期
2015年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.2
Jan.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41171442, 70873121); 中国科学院生态环境研究中心“一三五冶研究计划(YSW2013鄄B04);城市与区域生态
国家重点实验室项目(SKLURE2013鄄1鄄01); 山西农业大学学术骨干项目
收稿日期:2013鄄03鄄29; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄25
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: hudan@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201303290554
马生丽,武小钢,孙凡,李元征,胡聃,原佳佳,张富华.北京城区人工构筑物对比邻绿地土壤温度和含水量的影响.生态学报,2015,35( 2):
537鄄546.
Ma S L, Wu X G, Sun F, Li Y Z, Hu D, Yuan J J, Zhang F H.Horizontal impacts of urban constructed bodies or patches on the temperature and moisture
patterns in the soil of adjacent green space in urban areas of Beijing.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):537鄄546.
北京城区人工构筑物对比邻绿地土壤温度和含水量的
影响
马生丽1,2,武小钢1,3,孙摇 凡2,李元征1,胡摇 聃1,*,原佳佳1,张富华1
1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京摇 100085
2 西南大学资源环境学院, 重庆摇 400715
3 山西农业大学,晋中摇 030800
摘要:选取城市中分布最广的两类人工构筑物———沥青和混凝土为研究对象,采用构筑物鄄绿地梯度样带法,观测这 2类典型城
市构筑物对比邻绿地土壤温度和含水量的影响,分析不同构筑物的质地、面积、形态等构筑物特征对土壤水、热分布的影响强度
及范围。 研究显示:1)夏、秋季在构筑物鄄绿地梯度样带上,绿地土壤温度在比邻构筑物端(a点)处最高,并且白天中午、傍晚时
段 a点温度显著高于梯度上其他观测点和对照点;2)绿地土壤含水量在比邻构筑物端(a点)处最低,而且土壤含水量变化在梯
度样带上从 a点至远离构筑物端的对照点变化具有不确定性,可能受城区土壤蒸散、人工灌溉、土壤地下生物量等不确定因素
的影响。 3)梯度样带上土壤温度(T)和水分(W)与离 a点距离(D)均呈现幂函数定量关系,即沥青样地 T = 0.7708(579.4957-
0.9984D) 0.5843,W= 0.1970(0.0505+ 0.1347D) 0.2262;混凝土样地 T = 0.7615(583. 7027- 1. 0986D) 0.5746,W = 0. 2224( - 0. 6019+
0郾 3473D) 0.0595。 4) 在构筑物鄄绿地梯度样带上,土壤温度和含水量受构筑物影响幅度大概在 0—100 cm之间,而且随构筑物质
地及分布格局、城市气象以及绿地构成、结构、人工管理方式等因素的影响而变化。
关键词:水平生态影响; 绿地土壤; 土壤温度; 土壤含水量; 人工构筑物; 北京城区
Horizontal impacts of urban constructed bodies or patches on the temperature
and moisture patterns in the soil of adjacent green space in urban areas of Beijing
MA Shengli1,2, WU Xiaogang1,3, SUN Fan2, LI Yuanzheng1, HU Dan1,*, YUAN Jiajia1, ZHANG Fuhua1
1 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China
2 College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715,China
3 Shanxi Agricultural University,Jinzhong 030800,China
Abstract: Artificial coverage of natural soil surface by constructed material usually affects soil鄄atmospheric ecological
processes. The exchanges of energy, water and other masses between atmosphere and soil are often restricted or hampered,
and increasing ecological influences are exerted on adjacent, non鄄covered natural areas. At present, monitoring of urban
ecological effects such as heat island, grey haze caused by urban infrastructure constructions and urban citizens忆
consumption have been performed with effective ecosystem observation networks, but little specific research attentions are
paid to ecological effects of urban constructed surfaces or bodies on urban green space, soil and atmosphere, which play
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crucial roles in offering urban ecosystem services.
In this study, two types of urban typical constructed bodies or patches (asphalt and concrete), most widely appeared
in urban areas, are taken to investigate changes in temperature and moisture (VWC) in the soil of green space that is next
to these two鄄types of urban structures. We introduce an ecological observational technique of the Human鄄Environmental
Ecotonal Gradient Transect (HEEGT), that is, the boundary between urban structures and green space or exposed covers of
soil or rocks is taken as an observational gradient transect, and observational points are arranged along with the Urban
Structures鄄Green space (or exposed Soil) Ecotonal Gradient Transect as a category of HEEGTs on a straight line or a multi鄄
zigzag course from the edge points of artificial structures to the central areas of green space or exposed soil. The research on
horizontal effects of urban structures on the soil of adjacent green space were conducted, and the magnitudes and scopes of
horizontal ecological impacts of different urban constructed bodies or patches on the temperature and moisture (VWC) in
the soil of adjacent green space were further analyzed, considering their structural components, size, shape and other
construction characteristics. Our study results have shown that: 1) in Summer and Autumn, in the HEEGT belt of the two
types of observational sites (asphalt and concrete), there is always the highest temperature of soil in the point that is just
next to the constructed patches (Point a), and the farther from the point a, the lower the soil temperature. On the contrary,
Point a always has the lowest value of soil volumetric water content (VWC), and the farther from the point a, the higher
the soil VWC. 2) Regarding diurnal variations of soil temperatures and VWC, the increases of soil temperature and VWC
are statistically more significant at noon and night than that in the early morning in the HEEGT belts for the two types of
observational sites. For seasonal variations from summer to winter, the soil temperature and VWC are statistically more
significant at summer and autumn than that in the winter in the HEEGT belts. When atmospheric temperature is lower than a
certain value (15益 in Beijing city), the soil temperature variation in HEEGT belts statistically tends to be unchangeable.
3) In the HEEGT belts, there exist quantitative relationships of power function between the soil temperature or soil
volumetric water content with the distance away from point a, that is, T = 0.7708(579.4957-0.9984D) 0.5843 for asphalt,
W= 0.1970(0.0505+0.1347D) 0.2262 for asphalt; T = 0.7615(583.7027-1.0986D) 0.5746 for concrete, W= 0.2224(-0.6019
+0郾 3473D) 0.0595 for concrete. 4) In the HEEGT belts for the two types of observational sites, the scopes of impacts for two
types of urban constructed bodies on the temperature of soils of adjacent green space vary approximately within the numerical
range of 0—100 cm, often altered by the components, texture, size, and patch distributional pattern of urban structures,
and urban meteorological factors, artificial management as well as the compositions and structure of adjacent green space.
Key Words: horizontal ecological impacts; soils of adjacent green space; soil temperature; soil volumetric water content;
urban constructed bodies (urban structures); urban areas in Beijing
我国大范围的快速城镇化已成为当今城镇环境与生态变化的主要驱动力[1鄄2],城镇化过程的典型特征之
一就是植被、湿地、裸地等自然表层逐渐被人工构筑物(如管网、道路、广场、建筑等)所取代[3],进而形成高度
连通、结构复杂、生态影响大的人工构筑物系统[4]。
自然地表是生态系统地鄄气生态过程的重要界面,也是地鄄气物质、能量交换与转化的生态交错区。 在城
市环境下,地表层构成与结构变化会改变地鄄气界面的物质鄄能量生态过程。 相对自然生态系统而言,城市人
工构筑物采用的各种建筑材料对光辐射传输的影响差异大、储热鄄传热鄄放热变异快,使到达其表面的太阳或
人工辐射除一定比例被其表面向上反射和周边散射以外[5鄄6],大部分被地表吸收并向下和水平方向传导。 这
可使城市人工地表温度高于自然植被等自然地表覆盖[7],且下层土壤的储热和放热也会增加。 研究显示,城
市化过程中土地利用 /覆盖的变化,导致全球地表温度平均每百年升高 0.27 益 [8]。
近年来,对于城市化背景下的热量和水分方面的研究主要是在两个尺度上展开。 (1)城市及区域尺度上
的气温和降水变化[9鄄12],如 “热岛效应冶、“干岛效应冶、“雨岛效应冶等。 (2)城市内部小尺度上人工地表下土
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壤温度、水分在垂直剖面上的变化及其环境和生态效应[6鄄7,13]。 这些研究表明,城市人工地表的形态、数量、结
构、分布格局等会显著影响城市土壤及其表面植被的水热状况。 目前,小尺度上城市人工地表层对土壤水热
状况影响的研究还相对非常缺乏。 而该尺度上的研究结论对于城市设施规划、设计与生态管理具有更为直接
的指导意义[14]。
本文以城市中分布最广的两类人工构筑物———沥青和混凝土为研究对象,通过现场观测这 2类典型构筑
物相邻绿地土壤的温度和含水量变化动态,分析不同构筑物质地、面积、形状等特征对土壤水、热分布的影响
强度及范围,从而能够进一步定量揭示城市局域尺度上人工构筑物对土壤的水、热微生态效应。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验地概况
试验地位于北京市朝阳区奥林匹克公园,处于北纬 40毅00忆,东经 116毅22忆。 该区为典型暖温带半湿润大陆
性季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促。 降水季节分配不均,全年降水约 76%集中在 6、7、8三
个月。 年均气温 13.4 益,年均降水 595 mm。 本试验测定时间为 2012年 7、8、9、10、11月份。 试验地土壤类型
为沙土,物理性质见表 1。
表 1摇 试验地土壤背景状况
Table 1摇 Soil condition in the studied area
样地
Sample plot
容重
Soil bulk density / (g / cm3)
质地 Soil texture
粘粒 Clay / % 粉粒 Silt / % 砂粒 Sand / %
沥青 Asphalt 1.61依0.09 2.31依0.64 12.45依3.06 85.25依3.69
混凝土 Concrete 1.57依0.17 2.22依0.73 12.53依3.56 85.25依4.28
试验选取样地分别是,人工构筑物为沥青铺装的停车场和为混凝土铺装的停车场,其中样地中对绿地的
管理,如灌溉、施肥、除草,以及游人的干扰均处于均一状况下,而且绿地较平整,避免不同地形对土壤温度和
含水量的影响。 邻接绿地主要植物构成为紫花苜蓿(Medicago sativa)、石竹(Herba Dianthi)及狗尾草(Setaira
viridis(L.)Beauv)等。 研究地概况见表 2。 为了避免不同样地绿地构成、植物个体高度和盖度差异对观测结果
造成的影响,测定前一周剪除地面植被,以后每隔 2 d刈剪 1次。
表 2摇 样地概况
Table 2摇 Brief description of the studied area
样地代号 Sample plot label
人工地表 Artificial surface
A
沥青 Asphalt
B
混凝土 Concrete
样地面积 Sample area 人工地表 / m2 7321 1147
比邻绿地 / m2 40420 7189
面积比(人工地表 /绿地) 0.20 0.20
多边形周长鄄面积比 Perimeter area ratio 人工地表 0.08 0.17
比邻绿地 0.02 0.05
热力学特性[6] Thermodynamic property 导热率 / (W m-1益 -1) 0.74 1.69
比热 / ( J cm-3益 -1) 1.42 2.07
反射率(12:00) 0.10 0.45
1.2摇 试验方法与数据处理
1.2.1摇 试验样带布置及观测方法
借鉴经典生态学研究中的梯度分析法[15鄄16],采用人工鄄自然生态梯度样带法 ( human鄄environmental
ecotonal gradient transect, HEEGT)在试验样地布置构筑物鄄绿地梯度观测样带,现场观测点按等距进行布点,
935摇 2期 摇 摇 摇 马生丽摇 等:北京城区人工构筑物对比邻绿地土壤温度和含水量的影响 摇
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该方法在国内外城市生态系统研究中是首次使用,布置方法见图 1。
(1)梯度样带确定
以构筑物和绿地接壤边界(a点,构筑物与绿地直接接触)为起点,按直线走向沿远离构筑物的绿地中央
方向布置观测点,形成一定距离间隔的小尺度梯度样带。 其中,样带布置方向为:1) 面状和带状场地开阔而
无遮阴,选取人工地表 3个方向(东、西、北面)的均值;2 )建筑体选取典型的建筑体阳面布置。
(2)观测指标
样带上每个观测点采用 EM50土壤温度 /水分数据采集器(DECAGON,USA.测量精度:温度依0.5;相对湿
度依3%)测定各观测点土壤表层 5 cm处的土壤温度和含水量。 为保证所测数据的可靠性和代表性,每测点使
用 4个探头同步采集数据,以尽量减小土壤条件不均匀带来的误差,每次测定持续 5 min,每 10 s自动记录一
个数据。 测定时,使用 Kestrel鄄 4500手持气象仪测定试验样地 1 m 高处的空气温度和相对湿度,观测选择在
风速小于 2 m / s的晴朗天进行。
图 1摇 样地梯度样带布置图
摇 Fig.1摇 Layout of the experimental human鄄environmental ecotonal
gradient transect(HEEGT)
(3)人工构筑物类型划分
本研究中城市人工地表选择面状人工地表、带状人
工地表(长 /宽>5,以道路为主)、体状人工构筑物三类,
其中这 3类构筑物是按不同的形状、构造、厚度等的综
合指标划分的。
(4)对照观测点确定
由于对城市绿地土壤温度、含水量的影响因素很
多,为了在绿地内选定受人工构筑物影响相对最小的对
照点,本研究在试验之前对 2 个样地上的构筑物鄄绿地
梯度观测样带上温度、水分数据进行预观测,对观测数
据进行统计分析,最后确定样带上距离 a点最近且无显
著性差异的观测点为对照点(A点)。
1.2.2摇 梯度样带上观测样点布局间隔的确定
在试验梯度样带上,以不同间隔选定观测点,分别测定土壤温度和含水量,然后比较梯度样带上不同观测
点间隔(如 5、10、20、50、100、150 cm)样本数据变化的统计分布特征;最终确定:1)按 5 cm间隔布点来观测样
带上土壤温度和含水量日变化特征;2)按 50 cm间隔布点观测样带上构筑物对比邻绿地土壤温度和含水量的
影响范围。
1.2.3摇 试验数据处理
采用 SPSS 18.0软件,基于现场观测数据,对土壤温度和土壤含水量进行方差分析,并且对各观测点采用
方差分析且进行各测点之间的多重比较。 利用 MATLAB7.11.0中的非线性拟合工具进行分析,发现土壤温度
(T)和含水量(W)与距 a点距离(D)之间存在明显的幂函数关系:通用公式见(1)、(2)和具体常数值见表 3。
两个函数的导数表征了样带温度梯度指标 T忆和样带水分梯度指标 W忆见公式(3)至(6)。 式中 a、b、c、d 为常
数,不同质地样地具体指标见表 3。
W=a(b+cD) d (1)
T=a(b+cD) d (2)
沥青样地:
W= 0.0060(1+0.1347D) -0.7738 (3)
T忆= -0.4497(1-0.9984D) -0.4157 (4)
混凝土样地:
W= 0.0046(1+0.3473D) -0.9405 (5)
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T忆= -0.4867(1-1.0986D) -0.0.4254 (6)
表 3摇 面状人工地表梯度样带上土壤温度和含水量与距离幂函数关系的拟合
Table 3摇 Quantitative relationships of soil temperature and Volumetric Water Content ( VWC) with distances away from Point a along the
human鄄environmental ecotonal gradient transect (HEEGT)
参数
Parameter
土壤含水量 Soil volumetric water content
沥青样地 混凝土样地
土壤温度 Soil temperature
沥青样地 混凝土样地
a 0.197 0.2224 0.7708 0.7615
b 0.0505 -0.6019 579.4957 583.7027
c 0.1347 0.3473 -0.9984 -1.0986
d 0.2262 0.0595 0.5843 0.5746
均方根误差 Root鄄mean鄄square error(RMSE) 0.009 0.0075 0.2624 0.2411
平均绝对百分误差
Mean absolute percentage error (MAPE) 2.70% 2.40% 0.70% 0.60%
相关系数 Related coefficient (R) 0.9808 0.9341 0.8904 0.9054
摇 摇 通过双尾检验,在 0.01水平下相关性显著
2摇 结果与分析
2.1摇 不同质地构筑物对比邻绿地土壤温度和含水量的水平影响
沥青和混凝土两种构筑物对相邻绿地土壤温度和含水量的影响在试验梯度样带上的变化趋势见图 2。
两个样地测定时间段为 13:00—15:00,测定时离地面 1 m高处的气温和相对湿度见表 4。 两种质地构筑物形
成的人工地表对相邻绿地土壤的温度和含水量影响的变化趋势相同,即从 a 点到 A 点,土壤温度降低,土壤
含水量升高,并且由公式可知随 D值的增加,T忆和 W忆均减小(即对土壤温度和水分的影响强度随距离增加而
下降)。 此外,虽然混凝土人工地表比邻的 a点上土壤含水量比沥青人工地表比邻的 a 点高 3.9%,但差异不
显著(P>0.05);两种质地构筑物的试验梯度样带上其他观测点间差异也不显著(P>0.05)。 这表明,这两种构
筑物质地对比邻绿地土壤水分的影响不具有显著差异性,它们之间的差别可能是其他因素(如灌溉的差异性
等)造成的。
两种质地的人工地表试验梯度样带上土壤温度随距离(D)都呈幂函数关系,但混凝土人工地表 a、b 值小
于沥青人工地表(表 3);因此沥青人工地表样地的试验梯度样带上各观测点的土壤温度均高于混凝土人工地
表,而且差异显著(P<0.05)。
两种人工地表比邻绿地土壤含水量随距离(D)的变化也呈幂函数关系,见图 2,但当 D相同时,混凝土人
工地表比邻绿地的 W忆小于沥青人工地表的比邻绿地的 W忆,表明混凝土人工地表对比邻绿地土壤水分影响强
度小于沥青,即沥青地表试验梯度样带上随 D 值增加,水分的下降呈现更快地变化。 从观测数据看,样带上
距 a点 10 cm之后混凝土人工地表试验梯度样带上含水量在统计上基本处于稳定状态,而沥青人工地表试验
梯度样带上含水量在 10 cm之后依然处于上升趋势。
表 4摇 人工地表试验梯度样带上大气温度和相对湿度
Table 4摇 Atmospheric temperature and relative humidity in HEEGT belts of the studied areas
样地
Sample plot
气温
Atmospheric temperature / 益
空气湿度
Atmospheric moisture / %
沥青人工地表 Asphalt surface 30.84依1.18b 55.47依3.70b
混凝土人工地表 Concrete surface 29.40依1.19a 70.40依9.04a
2.2摇 不同质地人工地表对比邻绿地土壤温度和含水量水平影响的日变化特征
本研究在一日内 3个时间段,即 7:00、14:00 和 20:00,对土壤温度和含水量在试验梯度样带上的日变化
145摇 2期 摇 摇 摇 马生丽摇 等:北京城区人工构筑物对比邻绿地土壤温度和含水量的影响 摇
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图 2摇 不同质地(沥青和混凝土)人工地表试验梯度样带上绿地土壤温度和含水量变化
Fig.2摇 Changes in soil temperature and volumetric water content (VWC) along the HEEGT belts under different conditions of artificial
surface (asphalt and concrete)
特征进行了观测(图 3),各时间段试验梯度样带上距地面 1 m处气温和相对湿度见表 5。 在两种样地上,各时
段总体趋势相同,即从 a点到 A点,土壤含水量波动性上升,并且由温度和水分梯度公式可知随 D的增加,T忆
和 W忆均减小。
在样地试验梯度样带上的各观测点,土壤温度 14:00 最高,且 a 点 14:00 土壤温度为(29.89依1.03) 益,
7:00最低,为(28.4依1.86) 益。 不同时间段上试验梯度样带上各观测点的统计分析发现,a 和据 a 点 10 cm处
土壤温度 14:00和 20:00差异不显著,其他各观测点在不同时间段差异极显著(P<0.01)。 各点土壤含水量
14:00最低,且 a点 14:00 土壤含水量为(26.3依2.4)%,20:00 最高,为(28.9依3.8)%。 各观测点 14:00 和
20:00差异极显著(P<0.01)。 20:00温度较 7:00高,但含水量也较高,这一结果也表明人工地表的热传输过
程决定了土壤的温度,并影响比邻绿地水分变化。
表 5摇 夏季 1 d内不同时间段气温和相对湿度
Table 5摇 Atmospheric diurnal temperature and relative humidity within one day in summer time
时间 Time 气温 Atmospheric temperature / 益 空气湿度 Atmospheric moisture / %
摇 7:00 28.40依1.86ab 57.63依4.93a
14:00 28.72依0.63a 74.74依7.92b
20:00 28.17依0.61b 67.56依2.89c
图 3摇 夏季不同质地人工地表试验梯度样带上绿地土壤温度和含水量日变化特征
Fig.3摇 Diurnal variations of soil temperature and VWC along the HEEGT belts under different conditions of artificial surface (asphalt and
concrete) in summer time
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2.3摇 不同质地人工地表对比邻绿地土壤温度和含水量水平影响的季节变化特征
北京夏(平均气温>28 益)、秋(平均气温 28—10 益)、冬(平均气温<10 益) [17] 3个季节土壤温度和含水
量在试验梯度样带上的变化特征见图 4。 夏、秋两个季节土壤温度变化特征为:从 a点到 A点逐渐降低,土壤含
水量波动性上升,并且由温度和水分梯度公式可知随 D的增加,T忆和 W忆均减小。 冬季在试验梯度样带上土壤温
度和含水量的梯度变化不明显,统计检验差异不显著。 但受城市绿地灌溉、构筑物热效应减弱等因素的影响,含
水量变化会出现相反趋势,如表 6测定数据显示出远离 a点土壤含水量降低,土壤温度仍然是降低趋势。
图 4摇 不同质地人工地表试验梯度样带上绿地土壤温度和含水量季节变化特征
Fig.4摇 Seasonal variations of soil temperature and VWC along the HEEGT belts under different conditions of artificial surface (asphalt and
concrete)
表 6摇 秋季不同几何形态人工地表样地试验梯度样带上绿地土壤温度和含水量的变化
Table 6摇 Changes in soil temperature and Volumetric Water Content (VWC) along the HEEGT belts for different types of geometrical shapes of
artificial surfaces in autumn time
形态 Form
土壤温度 Soil temperature / 益
0 50cm 100cm 150cm 200cm
面状人工地表 Planar artificial surface 25.20依1.14a 23.15依0.50b 22.58依0.48c 22.34依0.39c 22.11依0.29c
带状人工地表 Linear artificial surface 21.83依1.01a 21.14依0.73b 21.44依0.76ac 20.88依0.53b 21.08依0.78bc
体状人工构筑物 Building or infrastructures 29.17依1.28a 25.97依1.10b 25.42依0.40c 24.96依0.56d 24.65依0.42d
形态
Form
土壤含水量 Soil volumetric water content / %
0 50cm 100cm 150cm 200cm
面状人工地表 Planar artificial surface 15.0依2.5a 19.0依2.5b 21.0依3.8c 24.0依109c 21.8依2.0c
带状人工地表 Linear artificial surface 9.4依1.8a 17.5依1.3b 18.8依3.1c 18.9依1.3c 17.6依2.1b
体状人工构筑物 Building or infrastructures 18.3依2.7a 18.4依1.9a 16.9依1.1b 10.2依2.5c 9.7依2.4c
摇 摇 小写字母表示样地试验梯度样带上各观测点之间在 0.05水平差异显著
2.4摇 不同几何形态人工地表对比邻绿地土壤温度和含水量的水平影响范围
在面状、带状、体状等 3种典型人工地表样地上,试验梯度样带上绿地土壤温度和含水量变化随着距 a 点
距离的加大,土壤温度均呈降低趋势;并且由温度梯度公式可知,随 D的增加,T忆减小;土壤含水量则呈增加趋
势,中间略有波动,并且由水分梯度公式可知,随 D的增加,W忆减小。 试验梯度样带上各观测点采用方差分析
并结合多重比较分析,其结果见表 5。 从表 5可知,面状人工地表比邻绿地土壤温度在 100 cm 之后没有显著
差异,带状人工地表比邻绿地土壤温度在 50 cm 之后差异不显著,体状人工构筑物比邻绿地土壤温度在
150 cm之后差异不显著。 在试验梯度样带上,T忆减小,而不同季节的土壤温度梯度差异反映了气温的不同影
响,。 统计分析发现,在气温低于 5 益时,人工地表比邻绿地的梯度样带上土壤温度趋于稳定不变,统计上没
有显著差异。 可见,不同季节人工构筑物对比邻绿地土壤温度的影响范围是不同的。
345摇 2期 摇 摇 摇 马生丽摇 等:北京城区人工构筑物对比邻绿地土壤温度和含水量的影响 摇
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3摇 讨论与结论
3.1摇 讨论
3.1.1摇 城市构筑物影响下的土壤温度
影响土壤温度的因素有很多,如太阳辐射、大气温度、风速、坡度、降水、遮阴、蒸(发)散和土壤性质
等[18鄄19]。 而在城市环境下,由于人工搬运、填土、改性等物理或化学活动,土壤理化性质发生改变,土壤导热
状况(储热、传热)增强[20],土壤表层导热属性发生改变,增加了地表储热和感热[19]。 另一方面,由于城市地
上、地下构筑物(如城市楼房、道路、广场、停车场等的建设)在地表或地下形成不同质地、不同结构的人工表
层或构筑物层。 随着城市的发展,这些人工构筑物或人工地表的空间分布越加广泛并逐渐连接起来;同时,城
市绿地或裸地等自然地表不仅减少,而且趋于破碎化[21]。 这些都直接或间接改变了土壤温度,连通的人工构
筑物也进一步阻断并改变了土壤与大气的元素与能量交换,而且还部分或完全阻断了土壤与大气的水分交
换,也影响了土壤通过蒸散对地表层土壤以及近地表层气温和相对湿度的调节。
有研究表明,城市环境下热量和水分的传导路径之一是垂直方向传输[6鄄7],Halverson 和 Heisler 的研究指
出,人工表面增加了 60 cm剖面范围内的土壤温度和热交换速率[22]。 Graves 和 Dana 的研究表明,美国印第
安纳州拉斐特城行道树下 5—50 cm的土壤温度比乡村没有铺装面的树下相同深度的土壤温度高达 7 益 [13],
邹丽敏[3]也指出相同气温条件下,街路地表和土壤温度增加。 而这种热量传导及其导致的土壤温度升高路
径在水平方向上也存在[7]。 本研究也发现,土壤温度在 a 点处最高,距离 a 点越远则逐渐降低。 其他相关的
研究结果也表明,邻近沥青地表的土壤温度比绿地土壤温度要高[7,23]。 同时人工构筑物具有相对高的储热能
力[6],如本研究发现,a点土壤温度较高的现象在夜间仍然明显(a点与其他观测点存在显著性差异,P<0.05)
存在,而且夜间 a点温度仅比 14::00降低 0.37 益。 a 点高温现象在早晨并不明显,正如 Halverson 和 Heisler
指出的那样,各种人工构筑物在气温较低时对土壤表层和深层温度没有影响[22],本研究也发现,在平均气温
低于 5 益时,试验梯度样带上也没有显著的温度梯度。
不同质地的人工构筑物对土壤温度的影响也存在差异,本研究可见,沥青人工地表比邻绿地的土壤温度
要比混凝土的高,这与前人研究结果一致。 Halverson and Heisler 等指出,土壤温度受各种人工构筑物影响较
大,其中,人工构筑物以沥青为最大[20],沥青地表相对于混凝土来说,对热能的反射率更低和储存能力更
高[6],因此,它能吸收和储存更多的热能,使得土壤温度比其他高反射人工构筑物下面的土壤温度高。
3.1.2摇 城市构筑物影响下的土壤水分
土壤水分会以潜热和感热的方式,通过地气交换来调节局地的气温和湿度变化;同时由于水的比热较大,
土壤含水量越大则土壤温度变化幅度越小。 较高的地温或气温又会导致蒸散的增加进而降低土壤含水
量[24]。 人工构筑物除了使气温升高,也使得土壤温度增高、土壤蒸散增大。 本研究发现,样地试验梯度样带
上 a点地温最高并且 a点土壤含水量最低。 Asaeda and Ca指出,土壤水分蒸散是裸露地表温度比铺装面低的
主要原因[25],因而,在远离 a点的观测点,土壤温度降低,含水量会小幅度增加。 但土壤含水量在试验梯度样
带上的变化没有温度变化那样明显。 城市绿地经常性的人工或自动灌水,加上城市人工微地形的差异,造成
土壤含水量不均匀分布。 我们的研究样地上,梯度样带上观测点的土壤水分也出现不均匀或不稳定变化趋
势。 此外,由于植物根系的分布也是不均匀的,使其对土壤水分的吸收利用不同,也会造成土壤含水量的差
异。 城市土壤理化特征也会影响土壤含水量的变化,城市化过程中新形成的土壤,其理化性质和成土作用由
人类主导[26],进而影响土壤保水、持水能力,造成含水量的差异。 具体可从两方面来理解:(1)土壤成分的差
异性会造成各观测点土壤含水量不同,例如,城市土壤基质一般是人造的或者被城市活动所改变,如砖块、砂
浆、混泥土、矿渣或者灰分等[27]。 因而人造基质的粗骨料含量比自然土要高,进而造成各观测点土壤吸持水
分能力的差异。 (2)土壤结构的不同造成各观测点土壤含水量的不同。 比如城市中土壤通常伴随着压实处
理,而压实会造成土壤物理性质的改变[20],如结构体破坏、总孔隙度减少、孔隙连续性被切断、方向改变、容重
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增加、入渗能力降低、导水率降低等,从而影响水分的渗透与储存能力[27鄄28]。
3.1.3摇 人工构筑物对土壤温度及水分的影响范围
人工构筑物吸收辐射、储存热量同时传导热量,其影响也有一定的垂直和水平空间范围。 由图 2、图 3 和
表 5可以看出,在 50 cm以内土壤温度有逐渐下降的规律,并且其变化幅度会随距 a点距离的增加而减小,并
逐渐趋于稳定;在 150 cm之后会有高低跳跃现象,且之后观测点的土壤含水量差异不显著,见表 5。 Asaeda
and Ca的研究指出,在裸露地表 20 cm深处的土壤温度日变化小于 1 益,并据此假定在 20 cm处热量传导为
0,而对于混凝土和沥青为 30 cm[23]。 Swaid and Hoffman研究表明,裸露地表、混凝土、沥青覆盖分别在 14、18、
17 cm之下土壤温度基本稳定[29]。 因为混凝土导热系数大约为沥青的两倍,因此,混凝土表面净热流可迅速
向下层传递,而沥青表面的净热流则用来加热表层[25]。 Sarah等首次提出,夏季在沥青地表的停车场,距沥青
边界 1 m范围内根际温度超过根系耐受的最高温(40 益) [7]。 因此,本研究发现人工构筑物在水平方向上的
热传导范围在一天 24h尺度上大概在 0—100 cm范围之内,与土壤垂直剖面的热量传导相比,水平方向上热
量的传导更远,而且会随着人工构筑物质地、构筑物分布格局以及气温、太阳辐射等气象条件的季节性变化而
不同。 我们的研究还发现,在气温高于 30 益条件下建筑体对比邻绿地土壤温度的影响范围更远。 同时,相关
研究也指出,沥青构筑物会增加夏季土壤最高温度,但对冬季土壤最低温没有影响[22];研究也发现,在气温小
于 5 益而高于 0 益时这种影响趋势不明显。 对于低于 0 益的气温条件下构筑物的影响有待进一步试验分析。
而且在试验中我们发现,人工地表宽度小于一定值时,其比邻绿地土壤温度和含水量的变化规律会发生变化,
而其变化规律有待进一步通过试验进行论证。
3.2摇 主要结论
(1)在城区夏、秋季节,人工构筑物对比邻绿地土壤 5 cm处温度的水平影响随离构筑物距离的增加而降
低,并且一天中的早、中、晚时段都存在,但早晨构筑物对土壤温度升高的影响不明显。 而相对于土壤温度的
变化,土壤含水量变化随离构筑物距离增加而趋于减小,但变化的稳定趋势相对较弱,存在一定的波动现象。
在平均气温低于 5 益时,人工构筑物对比邻绿地土壤温度影响不显著。
(2)在城区夏、秋季节,人工构筑物对比邻绿地土壤 5 cm 处温度和含水量变化的水平影响范围在一天
24h尺度上大约在 0—100 cm范围内,其中,人工面状构筑物(人工地表)的水平影响幅度大约在 0—50 cm,而
建筑物体的影响幅度在 0—1m,同时,它受人工构筑物的质地、分布格局、城市气象因素以及绿地群落构成与
结构、人工管理方式等的影响而变化。
(3)人工构筑物鄄绿地试验梯度样带上,土壤温度和水分与离 a 点距离均呈现幂函数定量关系,即沥青样
地 T = 0.7708(579.4957-0.9984D) 0.5843,W= 0郾 1970(0.0505+0.1347D) 0.2262;混凝土样地 T = 0.7615(583.7027
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