植物形態對歷史街區空間夏季熱舒適度的調節機理研究

丘楚俊，吳健宇，許梓明，林煒昊，李小梅

（湛江科技學院，廣東湛江 524000）

歷史街區是一個城市乃至一個國家發展歷程的縮影，同時蘊含豐富的歷史文化，隨著旅游業的發展，歷史街區不僅是原有居民的生活場所，還是外來游客參觀游玩的一個名勝景點。在當今經濟社會高速發展背景下，環境污染、極端氣候、人居因素、城市發展等問題凸顯，歷史街區原有狀態已跟不上時代的步伐，宜居、宜游的功能下降。如何改善、提高、進一步發展歷史街區是一個值得深思的問題。近年來，國內外對改善熱舒適度的研究有所增多，例如樹木不同的形態特征會形成不同的樹下成蔭效果，對人體熱感覺變化也有一定影響[1]。雖然樹下成蔭能有效降低生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)，但不同樹種及種植模式對改善人體熱舒適的效果有一定區別[2]。張錚在研究植物形態對比實測微氣候因子數據中得出樹冠這一形態特征對微氣候具有顯著影響[3]。晏海研究城市公園綠地的微氣候因子中發現樹木冠層的葉面積指數、冠層覆蓋度、天空可視因子對微氣候改善有明顯效果[4]。有樹下成蔭與無樹下成蔭會導致城市的生物氣候條件、平均輻射溫度(Mean Radiant Temperature，Tmrt)和生物氣象熱指數有一定的區別[5]。植物在改善道路周圍的微氣候、提升街道空間熱環境、降低空氣溫度、增加空氣濕度、減弱太陽和地面輻射、改善通風等方面有著不可替代的作用[6-8]。因此，研究植物形態與熱舒適度調節的關系，對改善、提高、發展歷史街區有著重要意義。本文以湛江市為例，實測具有代表意義的歷史街區的微氣候因子數據及植物形態特征，并進行相關性分析。

1 研究方法

1.1 研究對象

以廣東省湛江市赤坎老街為研究場地，以民主路、中山路為核心，東、南至南橋河，西至躍進路、九二一路，北至北橋河，整體范圍較大，并且有著較為完整的歷史老街道、傳統民居，以及富有特色的南洋風格騎樓群和歐陸格調建筑群。

1.2 測點選擇

根據湛江市粵西的地理位置，受北部灣城市群影響輻射，屬于邊緣熱帶濕潤地區，夏長冬短。通過天氣預報選擇夏季高溫晴朗（2022 年9 月18—20 日）天氣3 d 的9:00—17:00，每間隔2 h 定點進行測量。最后整理數據取其平均值。

通過前期實地調研，依據赤坎老街原有特色，可將街道空間劃分為傳統商業型歷史街區、文化娛樂型歷史街區兩類，各類選取2 個點，并在空曠廣場設置對照點，共5 個點進行測定，即婦幼保健院門前小公園、步行街、水仙廟、古玩文化城及空曠廣場。測點位置及其基本情況詳見表1。

表1 赤坎老街各測點位置及其基本情況

1.3 主要調查內容

研究植物形態對赤坎老街不同街道空間的小氣候調節影響，對5 個具有代表性的測點進行微氣候因子測定，表2 為測試儀器及參數詳情。通過手持太陽能功率計距地150 cm 處測量各測點太陽輻射；手持多功能風速計距地150 cm 處測量各測點的溫度、濕度、風速；通過測距望遠鏡測量植物樹高、冠幅、樹冠距地距離；通過魚眼鏡頭獲取冠層密度。

表2 測量儀器及其測量參數

選用生理等效溫度作為人體熱舒適度的評價指標，定義為給定環境下的生理平衡溫度，其值等于典型室內環境下達到室外同等熱狀態時所對應的氣溫[9-10]。談建國等在2001 年對PET 影響人體熱舒適度的因素進一步完善[11]；鄭有飛等在此基礎上將PET與南京熱舒適感的概率分布、氣象參數等進行了關聯性研究[12]。所以，PET 是目前比較科學、合理量化微氣候的一種方法。本研究利用RayMan pro 3.1 模型導入各街道空間所觀測的空氣溫度、相對濕度、風速和太陽輻射強度，同時設定夏季服裝熱阻系數、人體性別、年齡、身高、體重、新陳代謝率和街區地理位置等信息，用于計算各測點空間生理等效溫度PET。表3 為雷曼模型數據錄入內容及其具體參數。

最后對所測量數據進行歸納總結分析，為改善歷史街區環境提供指導性建議與思路。

2 結果與分析

2.1 微氣候因子實測結果

2.1.1 溫度

圖1 數據表明，4 個測點的氣溫在30.0～35.5 ℃，對照點氣溫在33.7～36.3 ℃，整體溫度曲線基本呈先上升后下降的趨勢。其中溫度峰值均在11:00 處，分別 為A 點34.7 ℃，B 點35.5 ℃，C 點35.2 ℃，D 點35.0 ℃，對照點36.3 ℃。與對照點相比，A 點最高可降溫3.2 ℃，最低可降溫1.2 ℃，日平均氣溫降低1.84 ℃；B 點最高可降溫1.6 ℃，最低可降溫0.8 ℃，日平均氣溫降低1.12 ℃；C點最高可降溫1.1 ℃，最低可降溫0.5 ℃，日平均氣溫降低0.66 ℃；D點最高可降溫2.3 ℃，最低可降溫0.8 ℃，日平均氣溫降低1.38 ℃。因此不同植物對溫度的調節作用有所區別，整體上植物使日平均氣溫降低1.5 ℃左右。

圖1 實測點日溫度圖

2.1.2 濕度

圖2 數據表明，4 個測點的相對濕度在58.8%～77.7%，對照點濕度在58.1%～72.6%，整體濕度曲線呈“W”型的趨勢。其中相對濕度峰值均在9:00 處，分別為A 點77.7%，B 點74.5%，C 點72.7%，D 點76.8%，對照點72.6%。與對照點相比，A 點濕度最高增加8.4 個百分點，最低增加3.8 個百分點，日平均濕度增加6.4個百分點；B點濕度最高增加4.3個百分點，最低增加0.5 個百分點，日平均濕度增加1.72 個百分點；C 點濕度最高增加6.4 個百分點，最低增加0.1 個百分點，日平均濕度增加1.84 個百分點；D 點濕度最高增加7.7 個百分點，最低增加濕度2.9 個百分點，日平均濕度增加4.64個百分點。不同植物對濕度的調節作用有所區別，整體上植物使日平均濕度增加4個百分點。

圖2 實測點日濕度圖

2.1.3 風速

圖3數據表明，A點、C點、D點風速均為0 m·s-1；B 點風速在0～1.2 m·s-1，平均風速為0.24 m·s-1；對照點風速在0～1.4 m·s-1，平均風速為0.52 m·s-1，對照點比4 個測點的風速都大。植物的通風效應分為夏季的導風效應和冬季的擋風效應。夏季導風效應調節機制，樹冠阻礙或改變風的大小和方向，而在樹冠下，風可以順利穿過。此外，樹冠吸收部分太陽輻射作為生理活動能量來源、阻擋太陽輻射投射，樹陰處的空氣溫度會比沒有樹陰的地方低，空氣會從溫度高的無樹陰處流向溫度低的樹陰處，形成局部空氣微循環[13]。測量時間為夏季，應具有導風效應提高風速的效果，從測量結果可得出赤坎老街的植物配置還未能起到該效果。測量結果反映出全天各測點基本無風，不能排除存在選定的測量日期剛好無風的情況，亦存在建筑布局不合理導致風速減小的可能。

圖3 實測點日風速圖

2.1.4 太陽輻射

圖4 數據表明，太陽輻射曲線基本呈先上升后下降的趨勢，其中峰值都在11:00 處，是太陽輻射最強的時間段，最低值處在15:00—17:00。A 點太陽輻射最大值為63.9 W·m-2，最小值為22.7 W·m-2；B 點太陽輻射最大值為82.3 W·m-2，最小值為39.0 W·m-2；C 點太陽輻射最大值為70.5 W·m-2，最小值為35.3 W·m-2；D點太陽輻射最大值為42.4 W·m-2，最小值為21.2 W·m-2；對照點太陽輻射最大值為548.2 W·m-2，最小值為86.6 w·m-2。

圖4 實測點日太陽輻射圖

通過布魯諾[14]的計算方程式可以算出行道樹對太陽輻射的衰減效果：

式（1）中，AT為太陽輻射的衰減百分比，Ssun表示日照下日均太陽輻射的總值，Ssh表示樹蔭下日均太陽輻射的總值。

A 點日均太陽輻射衰減效果為86.9%，B點日均太陽輻射衰減效果為80.2%，C 點日均太陽輻射衰減效果為81.3%，D 點日均太陽輻射衰減效果為90.0%。表明植物對太陽輻射的衰減效果顯著，且不同植物對太陽輻射的衰減作用有所區別。

2.2 生理等效溫度與微氣候因子的相關分析

計算各測點空間生理等效溫度，分別得出A 點為28.6 ℃，B 點 為29.6 ℃，C 點 為29.9 ℃，D 點 為29.1 ℃，E點為38.4 ℃（見圖5）。A、B、C、D點的生理等效溫度都低于對照點E，其中A點的降溫效果最為明顯，達9.8 ℃。說明微氣候因子在一定范圍內形成的局部氣象條件也會影響人體的熱舒適度。采用SPSS軟件進行微氣候因子與生理等效溫度的相關性分析。

圖5 生理等效溫度圖

由表4 可知，溫度、濕度、風速、太陽輻射與生理等效溫度之間均呈極顯著相關，相關系數分別為0.873、-0.711、0.905、0.999，其中溫度、風速、太陽輻射與生理等效溫度之間呈極顯著正相關，濕度與生理等效溫度之間呈極顯著負相關。當環境溫度升高時，人體需要采取調節措施來保持體溫平衡，進而提高生理等效溫度。當人體暴露在高太陽輻射的環境中時，會吸收額外的熱量，增加體溫負荷，導致較高的等效生理溫度。而高濕度會影響人體的蒸發散熱效率，提高生理等效溫度。風速可以影響蒸發散熱，較大的風速有助于加速蒸發，有利于降低生理等效溫度。但本研究結果呈現相反趨勢，可能是因為該地區高溫高輻射的環境特征影響導致人體采取了不同的適應性調節措施。

表4 微氣候因子與生理等效溫度的相關性分析

2.3 植物形態特征與微氣候因子、生理等效溫度的相關性分析

樹木的高度、冠幅、冠層密度、冠幅距地距離等要素合稱為樹木的形態特征。植物的光合作用、蒸騰作用等一系列的化學反應和生長發育的生理變化都會對環境產生一定影響。樹木遮陰能有效降低生理等效溫度，改善人體熱舒適性，而且不同樹種及種植搭配產生的效果存在差異[2]。采用SPSS 軟件對喬木的形態特征與微氣候因子、生理等效溫度進行相關性分析。

2.3.1 樹高

由表5 可知，樹高與溫度、太陽輻射的相關系數分別為-0.305、-0.234，表明樹高與溫度、太陽輻射呈顯著負相關；樹高與濕度、風速的相關系數接近于0，相關性不顯著。就樹高而言，若短時間內通過植物調節微氣候，選擇速生樹種優于實生樹種，因為相同生長時間下速生樹種的樹高要高于實生樹種，微氣候調節能力更強，而且同一樹種成年樹木比幼年樹木的微氣候調節能力要強。

表5 植物形態特征與微氣候因子的相關性分析

2.3.2 冠幅

由表5 可知，冠幅與溫度、濕度、風速、太陽輻射之間的相關性均達極顯著水平，其中冠幅與溫度、太陽輻射之間呈極顯著負相關，與濕度、風速之間呈極顯著正相關。就冠幅而言，在同等冠層密度情況下冠幅越大，遮蔭覆蓋率越高，調節微氣候的能力越強；短時間內調節微氣候應是速生樹種優于實生樹種，因為相同生長時間下速生樹種的冠幅大于實生樹種，但不能忽視樹種成樹后的一般形態。

2.3.3 冠幅距地距離

由表5 可知，樹冠距地距離與溫度的相關系數為0.529，呈極顯著正相關；與風速的相關系數為-0.316，呈極顯著負相關；樹冠距地距離與濕度、太陽輻射的相關性不顯著。就冠幅距地距離而言，樹冠距地高度越低，對風速的影響越大，對微氣候的調節能力越強。

2.3.4 冠層密度

由表5 可知，冠層密度與濕度、風速之間呈極顯著正相關，與溫度呈極顯著負相關，與太陽輻射呈顯著負相關。實測點代表樹種魚眼示意圖、形態特征示意分別見圖6、圖7。4 個測點中，A 點小葉榕冠層密度為76.2%，B 點山楝冠層密度為76.58%，C 點非洲楝冠層密度為85.14%，D 點秋楓冠層密度為57.48%。就冠層密度而言，在同等冠幅情況下冠層密度越大，遮蔭覆蓋率越大，調節微氣候的能力越強。

圖6 實測點代表樹種魚眼示意圖

圖7 實測點代表樹種形態特征示意圖

2.3.5 生理等效溫度

由表6 可知，生理等效溫度與冠幅的相關系數為-0.339，呈極顯著負相關；生理等效溫度與樹高、樹冠距地距離、冠層密度的相關性不顯著。植物葉片可以吸收一部分太陽輻射，并將其轉化為生物質和進行蒸騰作用，從而增加周圍環境的濕度。植物冠幅大小反映植物覆蓋率的高低，可以提供陰涼和遮蔽的效果，隨著覆蓋率的增加可以減少反射和吸收的太陽輻射，減輕陽光直射對地表的照射，降低生理等效溫度。

表6 植物形態特征與生理等效溫度的相關性分析

綜上所述，溫度與樹高、冠幅、樹冠距地距離、冠層密度均有顯著相關關系，溫度隨著樹高、冠幅、冠層密度增大而減小，隨著樹冠距地距離增大而增大；濕度與冠幅、冠層密度有顯著相關關系，濕度隨著冠幅、冠層密度增大而增大；風速與冠幅、樹冠距地距離、冠層密度有顯著相關關系，風速隨著冠幅、冠層密度增大而增大，隨著樹冠距地距離增大而減??；太陽輻射與樹高、冠幅、冠層密度有顯著相關關系，隨著樹高、冠幅、冠層密度增大而減小。生理等效溫度與冠幅有顯著相關關系，冠幅越大，人體的生理等效溫度越低。此外，大冠幅植物通過蒸騰作用釋放水分，有助于增加環境濕度，進一步改善人體的熱舒適度。因此，針對不同街道的具體情況，應對微氣候因子所需改善的著重程度有所取舍，選擇不同的樹種進行種植布局從而達到功能最大化。

3 小結與討論

3.1 小結

1）從微氣候因子數據中得出，各歷史街道的樹木對夏季的微氣候具有明顯調節作用，不同樹種對微氣候因子的調節能力有一定區別。例如，A點小葉榕、D 點秋楓的降溫增濕、降低太陽輻射效果較B 點山楝、C點非洲楝要好。

2）相關性分析得出植物形態(樹高、冠幅、樹冠距地距離、冠層密度)與微氣候各因子存在一定的相關性；植物形態(樹高、冠幅、樹冠距地距離、冠層密度)與生理等效溫度亦存在一定的相關性。樹高、冠幅、冠層密度對溫度、濕度、太陽輻射影響顯著，樹木越高、冠幅越大、冠層密度越大，進而樹下的溫度越低，濕度越高，太陽輻射強度越低；樹冠距地距離越高，對風速影響越小，對微氣候調節的能力越差。植物冠幅與冠層密度越大，生理等效溫度越低。

3）綜合各方面因素考慮，在選擇樹種時，盡量選擇高大、冠幅大、冠層密度大、樹冠距地距離低的樹種，其降低生理等效溫度的效果更好，有利于創造宜居宜游的舒適環境。

3.2 討論

相關性分析表明，植物的形態特征對城市環境中的生理等效溫度具有一定的影響?？梢酝ㄟ^增加植被覆蓋、利用綠色基礎設施和城市林業等措施，以求改善城市微氣候環境，降低生理等效溫度，提升人體的舒適度和健康狀態。微氣候中的溫度、風速、風向、相對濕度、太陽輻射因素會影響生理等效溫度，準確了解和管理微氣候條件對保障舒適健康的環境非常重要，尤其是在城市設計和建筑規劃中。因此，在城市規劃設計中注重植物選擇、種植搭配是十分重要的，這些因素相互作用，綜合影響了人體對環境熱應激的適應能力和感知溫度。了解這些因素可以幫助我們更好地理解和管理熱應激環境，確保人體在舒適安全的環境條件下生活。

本文受限于理論與實驗條件，可能存在一定的局限性，如在實驗場地測量時并沒有達到理想狀態，實測過程中不可避免一些外界因素的干擾，會對實驗數據帶來影響，產生一定的誤差。