城市绿地的生态环境效应研究进展

　　摘要:工业化的快速发展和城市化进程的加剧，使得城市生态环境的破坏和污染愈来愈严重，加速了城市的“生态环境危机”。城市绿地能够通过植被的光合作用、吸收作用、隔离阻挡作用、蒸腾以及蒸散作用改善城市的生态环境。目前研究主要集中在降温、增湿、固碳释氧、降噪、抗污染、生物多样性保护等6个方面。关于城区绿地对6种生态环境要素的改善程度、影响范围、机理问题以及不同植被种类生态环境效应的差异情况等，国内外学者都进行了大量详细的研究。基于传统实地观测数据进行城市绿地的生态环境效应研究是目前主要使用的研究方法，部分学者开始使用遥感技术手段研究城区绿地的降温增湿效应。在总结和分析前人研究成果的基础上，从研究内容的不同着手，主要总结并系统评估了目前关于城市绿地6种生态环境效应的研究，为今后相关研究提供参考。

　　关键词:城市绿地;生态环境效应;降温;增湿;固碳释氧;降低噪声;抗污染;保护生物多样性

　　城市是人口、政治、经济、文化、宗教等高度密集的载体，是人类活动与自然环境高度复合的独特生态系统。城市生态系统具有开放性、依赖性、脆弱性等特点，极易受到人类活动的干扰和破坏，引起城市生态系统的失衡，导致城市“生态环境危机”的出现。近年来，快速的城市化进程使得大量的人造建筑取代了自然地表，极大的改变了城市的生态环境，影响人类的身体健康和生活环境。绿地是植被生长、占据、覆盖的地表和空间。城市绿地是指用以栽植树木花草、布置配套设施，并由绿色植物所覆盖，且赋以一定功能与用途的场地。城市绿地可以通过植物的蒸腾、蒸散、吸收、吸附、反射等功能，降低温度，增加湿度，固碳释氧，抗污染(吸收粉尘、Cl2、SO2、CO等)，降低噪音，保护生物多样性等。随着生态城市概念的提出、建设和发展，人们日益注意到城市绿地的生态意义(保护生物多样性)和环境价值(降温增湿、固碳释氧、抗污染、降噪)。目前研究城市绿地的生态环境效应已经成为景观生态学、城市园林生态学以及环境科学的热点。

　　国内外已有大量的学者进行了这方面的研究，研究范围较为广泛，内容颇有深度。国外学者的研究主要针对城市绿地的降温效应、固碳释氧、降低噪声、生物多样性效应等方面，关于绿地抗污染效应的研究非常少。

　　国内学者蔺银鼎、李建龙、张琪如、李延明等对城市绿地的降温增湿、固碳释氧、降低噪声、抗污染、生物多样性效应等几方面都进行了比较详细的研究，成果显著。从研究方法上看，绝大部分研究都是基于传统实地观测方法进行的，一般是使用环境参数测量仪(如温湿度测量仪、O2、CO2、SO2、Cl2测量仪、噪声测量仪等)，对多个采样点进行同步采样，进而研究绿地特征参数与绿地生态环境效应的关系，揭示不同采样点绿地类型的生态环境效应的差异。由于遥感技术在同一时间获取较大范围地表参数比传统的实地采样具有先天的优势，且近年来遥感反演地表参数的技术已经相对成熟，为研究较大范围近地表参数分布规律提供了有利的技术支持，因此，定量遥感技术逐渐成为研究城市绿地生态环境效应的另一种新工具。该文总结了国内外现有城市绿地生态环境效应的研究，分析目前研究的重点和难点，为以后进一步研究提供参考依据。

　　1、降温效应

　　20世纪50年代以来，全球气候逐渐变暖，城市温度持续增长，较半个世纪前增长了大约0．5—5．5℃。国外关于城市绿地降温的研究较早，早在1971年Federer发现，城市植被可以通过光合作用、蒸腾作用以及蒸散作用降低温度、增加湿度，能有效的缓解城市“热岛效应”。Bernatzky研究表明，一块山毛榉木林能够蒸发掉其受辐射能量的83．8%，一小块城市绿地的降温效果可以达到3—3．5℃，可见，蒸发是绿地系统降温的主要原因之一。Jauregui分别在干燥季节(4月份)和潮湿季节(7月份)对墨西哥的Chapultepec公园进行了研究，发现城市绿地的降温温差在干燥季节达到4℃，而在潮湿季节只有1℃，2个月份比周边环境温度平均降低约2—3℃，可见，空气湿度也是影响绿地降温程度的因素之一。Taha等考虑到白天和黑夜对城市绿地降温效应的影响，以及绿地内部和外部城市绿地降温效果的不同，对美国加利福尼亚州的城市绿地进行研究，发现，在绿地边缘内5m范围内，白天温度比周边环境低4．5℃左右，而夜间比周边环境仅低1℃;在绿地内部深处，白天温度比周边温度低约6℃左右，夜间低约3℃。Ca等对日本东京城区某公园草地在中午时刻的降温效应进行了研究，结果显示比周边外围1．2m处温度低约2℃，比闹市街区低达15—19℃，研究还发现0．6km2的公园绿地可降温1．5℃，绿地的降温效果和绿地的面积有着一定关系。Kawashima则对日本东京地区城区和市郊绿地进行了对比研究，结果显示，城区浓密植被覆盖绿地的降温效果要好于市郊浓密植被覆盖的绿地，而市郊稀疏植被覆盖绿地的降温效果要好于城区稀疏植被覆盖的绿地。国内学者蔺银鼎、李建龙、张琪如、李延明、史欣、杨志峰、赵深、刘新、冯义龙等分别对太原市、南京市、台北市、北京市、广州市、长沙市、合肥市、重庆市等绿地降温效应进行了类似的研究，在降温温差方面得到了比较相似的结果。基于以上研究发现，城市绿地的降温效应不仅在城区与市郊的大尺度空间上存在差异，而且在小尺度空间上(不同下垫面)也存在显著差异;不仅在大尺度时间(季节、月份)上存在差异，而且在小尺度时间(日、时、刻)上也存在较大差异。

　　部分学者对不同时间、不同下垫面、不同气候条件下城市绿地的降温效应进行了深入的研究，并分析了降温效应与相关影响因子之间的关系。国外学者主要注重研究不同季节、气候条件下的城市绿地降温效应的差异。Hamada等对日本中部名古屋的城区绿地降温季节性变化进行了研究，结果表明，夏季城区绿地的降温效果比冬季城区绿地的降温明显，城区绿地与周围环境的最大温差发生在7月份，达到1．9℃左右，最小温差发生在3月份，为－0．3℃，在每天16:00—19:00时间段以及晚上，降温效应与植被覆盖率有着更为明显的相关性。Alexandri等研究了不同气候条件下城市绿地降温效果的差异，发现干燥、高温的天气下城区绿地降温效果比较明显，潮湿低温的天气下绿地降温效果不明显，即太阳辐射和大气湿度是城区绿地降温的重要影响因素;绿地的几何形状、绿化量对绿地的降温效果也有很大影响，树木比较高大密集、绿化量比较大的绿地，其降温效果要明显于松散、绿化量小的绿地，而风速对于城区绿地的降温影响不明显。Chen和Wong研究发现叶面积指数(Leafareaindex，LAI)、绿地面积和绿地降温效应有着显著的正相关关系，叶面积指数越大、绿地面积越大，其降温效果越好。Shashua-Bar、Whitford等研究认为，树木的几何形状、特征、阴影面积、绿地比例等也对城区绿地的降温效果产生较大的影响。国内学者则比较注重研究不同下垫面下城市绿地的降温效应差异。蔺银鼎、武小钢、郝兴宇、王娟、梁娟等对太原市林地(杨树林)、复合绿地(或灌木林)、草地等3种植被类型的降温效应进行了十分详细的研究，结果表明，3种绿地结构在降温方面的优劣程度顺序依次为林地、复合绿地(或灌木林)、草地;植被叶片的蒸腾作用是绿地产生降温等生态效应的机理原因，垂直结构、绿地面积、绿地绿量、形状指数等是影响绿地降温效应的主要因素。蔺银鼎、梁娟等还发现生态场理论可以较好的描述城市不同空间结构绿地的生态效应及其差异，绿地面积、林分和生长量等绿地空间结构因子对绿地的生态场特征都有不同程度的影响。李建龙等对比了南京市区裸地、草地、水体、树荫的温度差异，发现空气温度在4种下垫面情况下，裸地＞草地＞水面＞树荫，证明林荫对城区的降温效果最好，水体次之，草地最差。李延明等等国内许多其他学者也纷纷进行了类似的研究，得到了类似的结论，进一步总结为太阳辐照量(地表温度)、空气湿度等因素的差异对绿地降温效应的影响;不同下垫面、树木形状、绿化率、绿化量、垂直结构等对城区绿地降温效应的影响，可以归纳为绿地面积、绿地形状(长宽比、高度、边界曲度、周长面积比)、叶面积指数、生物量等绿地因子对绿地降温效应的影响。因此，可以认为，太阳辐照量、空气湿度、绿地面积、绿地形状、叶面积指数、生物量等是影响城区绿地降温效应的主要因素。

　　国内外学者对城区绿地的降温范围与相关影响因子也进行了类似的研究。Jauregui等早在1990年对墨西哥Chapultepec公园进行了研究，发现该公园对周边环境的降温效应可以延伸到边界外2km，差不多等于该公园的宽度。Shashua-Bar等研究证明，宽度为60m的城区绿地其降温影响范围可达到100m左右。张琪如等对台北市61个公园进行了实地观测，发现面积较大的公园的降温效果比小面积的公园要明显，公园内部气温与周边采样点气温的温差与公园面积大小呈现非线性关系，影响范围接近于一个公园的宽度。

　　Hamada等研究发现夜间公园的降温效应影响范围可以达到200m，10月份起降温范围可以达到300m左右，公园边界外500m，公园的降温效应几乎消失殆尽。蔺银鼎等对小片区杨树林、灌木林和草坪的降温范围进行了研究，发现在14:00—15:30时间段，杨树林、灌木林和草坪的水平影响范围分别为14、12m和8m，垂直影响范围分别为7．5、3．5m和2．5m，可见绿地高度也是影响其降温范围的因素之一。总结可以发现，和绿地降温温差相似，太阳辐射量、空气湿度、绿地面积、绿地高度、生物量等，也是影响绿地降温范围的主要因素。目前大部分学者对于绿地降温距离的研究尚处于初级阶段，得出的结论仅仅是适应于单个研究区域，差异较大，绿地降温范围与相关影响因子的机理问题尚待进一步研究。

　　近年来，随着Quickbird、Worldview等高分辨率遥感影像技术的发展以及反演方法的不断成熟，定量遥感为研究中尺度、小范围地表温度分布规律提供了更加准确的遥感技术支持，基于定量遥感技术研究公园降温效应的研究将会越来越多。大量研究表明，植被指数(归一化植被指数NDVI，NormalizedDifferentialVegetationIndex;叶面积指数LAI，LeafAreaIndex;植被覆盖度VF，VegetationFraction;热红外植被指数TVX，Thermal-VegetationIndex)能有效的表征植被覆盖浓密程度，探索植被指数和近地表气温之间的关系是遥感研究公园降温效应的开始。Simon、Jeffrey、Goward、Weng和Price等研究表明，近地表气温和NDVI指数、LAI、生物量、VF、TVX呈明显负相关关系，浓密绿地的辐射地表温度比稀疏绿地低，稀疏绿地区辐射地表温度变化较大，浓密植被区域辐射地表温度变化较小，可见越是浓密植被覆盖的地区，其降温效果越稳定，而稀疏植被区域其降温效果受外界影响较大。Michael等使用AVHRR卫星遥感数据研究发现，绿地周边温度的变化与植被覆盖密度和时间有着很大的相关性，且表现出一定的滞后性。Cao等基于ASTER和IKONOS遥感数据对日本名古屋92个公园进行研究，结果表明城区绿地的降温效果与公园面积和季节有很大的关系，公园面积大小与公园降温效应存在着非线性正相关关系，绿地的降温强度主要取决于林地、灌木林以及绿地的形状。Cao等还基于公园植被形状指数(ParkVegetationandShapeIndex，PVSI)研究发现，PVSI和公园的降温效应存在着显著的正线性相关关系，在春季R2达到0．81，夏季达到0．78，秋季达到0．57，平方根误差分别为0．98、0．94、0．71℃。Imhoff等使用LandsatTM数据和MODIS影像，基于NDVI指数和LST之间的关系，对美国38个城区进行了研究，结果显示，夏季阔叶林和混交林比裸地平均低8℃左右，一般情况下，有植被覆盖地区比无植被覆盖地区在夏季低4．3℃，在冬季低3．0℃左右。Cheng等使用SPOT影像和NOAAAVHRR热红外影像研究发现，绿地内部水域附近的气温最低，比建筑区温度低3—4℃，其次是城区植被，比城市建筑区大约低0．8—2℃。

　　国内部分学者也开始使用定量遥感技术研究公园降温效应的研究。冯海霞、刘艳红、程好好等分别使用TM遥感影像研究了城区绿地的降温效应，结果显示，不同类型的绿地降温效果不同，森林对温度的调节作用明显大于其他植被类型，自然绿地的降温效果要明显好于人工绿地，同类型绿地在不同的季节降温作用也有明显差异，城区绿地的景观破碎化程度越严重、景观优势度越低和生物多样性越强，其降温效应越明显，城区绿地的结构、植被类型、景观格局、植被覆盖度、群落层片结构和生物量是影响绿地降温效应的显著因素。李延明等基于1987年至2001年北京城13a的遥感卫星影像数据研究发现，绿化覆盖率与热岛强度呈现显著的负相关关系，当绿化覆盖率达到30%时，热岛强度出现比较明显的减弱;绿化覆盖率大于50%，对热岛的缓解现象极其明显，每公顷绿地平均每天从周围环境中吸收8MJ的热量，相当于890台功率为1000W空调的作用。应天玉等研究表明，当绿地面积小于5hm2时，地表辐射温度主要受绿地覆盖率的影响，基本上不受绿地面积大小的影响;当绿地面积大于5hm2时，地表辐射温度主要受绿地面积与绿地覆盖率的共同影响。贾刘强和邱建基于LandsatETM+遥感数据研究了城区绿地的面积、周长和形状指数等与绿地降温范围和降温程度之间的关系，发现，绿地斑块对周边环境的降温范围及降温温差随着绿地面积、周长和形状指数的增大而增大，当绿地面积达到1．5—1．68hm2时，其对周边环境的降温范围和降温程度随绿地斑块面积增大的速度迅速减小。苏泳娴等基于TM遥感影像数据研究了广州市城区17个公园绿地对周边环境的降温效应，结果发现，公园周边与公园边界点的温差随着远离公园边界点距离的增加而增大，增长曲线是一条过原点的上升的三次多项式(R2均0．84);公园绿地面积、水体面积以及长宽比等因子共同影响着公园对周边环境的降温效应:绿化率较高(＞50%)、长宽比接近1的公园，平均降温影响范围和绿地面积的关系可以用一条上升的对数曲线拟合两者的关系;当绿地面积小于4246．1m2，公园的降温影响范围为0m，当公园绿地面积达到540000m2，公园的降温范围将不再随着公园绿地面积的增加而增加;绿化率较高(＞50%)、且公园长宽比≥2的公园，平均降温影响范围与公园绿地面积没有显著关系，且相比同等面积、长宽比较小的公园，具有较好的降温效果;水体面积比例较高的公园，降温效果一般高于水体面积比例较小的公园。

　　可见，基于定量遥感技术的城市绿地降温效应研究，研究结果是准确的、可靠的，而且遥感影像在同一时间内能够获取较大范围的地表温度数据，能够减少测量时间差异带来的误差，节省测量时间和人力资源。

　　2、增湿效应

　　国外学者Bernatzky早在1985年研究发现，城区绿地可以增加5%—10%的相对空气湿度。Huang等以及Shashua-Bar等研究了不同地表类型空气湿度的差异，发现植被地表覆盖区空气湿度明显高于非植被覆盖地区。Sevgi和Suleyman等对Erzurum市城区和市郊的绿地进行了为期10个月的研究，结果显示干旱城区的相对湿度比城区绿地的相对湿度小3．2%，比郊区绿地的相对湿度小3．4%，对比表明，城区绿地的增湿效果较郊区绿地而言较差(小0．2%)。李建龙等对南宁市林荫、林隙、林缘、近旁草地等4种下垫面类型的增湿效应进行研究，发现湿度的分布规律呈现林荫、林隙、林缘和近旁草地依次降低的趋势，说明林荫的增湿保湿效果最好，草地最差。刘娇妹等以不同覆盖率的乔-灌-草、乔-草复合型结构型绿地作为研究对象，以草坪作为对照，从水平和立体空间两个角度研究了绿地结构以及绿地覆盖率对绿地增湿效应的影响。结果表明，当覆盖率达到或高于60%时，复合型绿地才具有明显的增湿效果;乔-灌-草复合型绿地的增湿效应好于草坪，且其覆盖度越高，增湿空间越大，增湿效果越好。祝宁等则将乔-灌-草型绿地与灌-草型绿地进行了对比研究，发现由于乔木的覆盖度较大，乔-灌-草型结构绿地的增湿效应大于灌-草型绿地，且两种复合型绿地对周围环境的增湿效应在水平方向上近似一个生态效应场。吴菲等、郑芷青等、马秀梅、王艳霞、唐罗忠、刘新等人也得出了相同的研究结论。

　　部分学者对绿地增湿效应的原因进行了深入的研究。Sevgi和Suleyman等研究发现，绿地的增湿效应主要是源于植被冠层的作用。Insu等选择朝鲜城区特殊的鸟类绿地生境为研究对象，发现该绿地内部的相对空气湿度比绿地外部增加了5%，绝对湿度增加了0．2—1．5g/cm2，风向和风速对于绿地增湿效应有着较大的影响。我国学者蔺银鼎等对太原市城区林地(杨树林)、复合绿地(或灌木林)、草地等3种植被类型的增湿效应进行了十分详细的研究，结果表明，绿地垂直结构和绿地面积等因子对绿地边界增湿效应都有着不同程度的影响;和降温效应一样，在水平方向上，绿地增湿效应与绿地面积、绿量显著正相关，与绿地周长面积比值显著负相关;在垂直方向上，绿地增湿效应与绿量显著正相关;但是绿地的增湿效应与叶面积指数相关性不显著。蔺银鼎还认为，植物的叶面蒸腾也是绿地产生增湿效应的主要原因，绿地面积、林分和生长量等绿地空间结构因子都不同程度地影响着绿地的增湿生态场特征，利用生态场理论也能更好地描述城市不同空间结构绿地的增湿生态效应及其差异。赵深等以长沙市城区绿地为研究对象，研究不同生长发育植物、树冠郁闭度、植物覆盖率与城市绿地增湿效应的关系，结果发现，长势好的植物群落其增湿效应相对较好，郁闭度和绿地面积与绿地增湿效应呈显著正相关关系。

　　关于城市绿地增湿效应的研究，国外学者的研究工作主要集中在绿地内部结构与外部结构空气湿度的差异上，对比而言，国内的研究相对较深，范围也较广泛，不仅研究了不同单一下垫面情况下增湿效果的差异，也对比研究了复合型绿地的增湿效应，并初步分析了绿地增湿效应的相关影响因素:林地的增湿效应最好，灌木林次之，草地最差，复合林地比单一植被增湿效果较好;太阳辐照量、绿地面积、绿地形状、生物量以及绿地垂直结构等绿地特征参数是影响绿地增湿效应的主要因素。