王昕，張娜,2?，樂榮武，鄭瀟柔,3

(1 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 101408； 2 燕山地球關(guān)鍵帶與地表通量觀測研究站，北京 101408；3 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院空間信息研究中心，廣東 深圳 518055)

近年來，隨著全球氣候變化和快速城市化進(jìn)程，很多城市高溫天氣現(xiàn)象的出現(xiàn)日益頻繁。根據(jù)北京市近40年氣溫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：7月和8月的平均氣溫和平均最高氣溫均呈逐年上升趨勢；7月最高氣溫超過38 ℃和8月最高氣溫超過36 ℃的年份分別占22.5%和17.5%。高溫天氣會嚴(yán)重影響人們正常的工作和生活，增加人們中暑的幾率，以及與熱相關(guān)疾病的發(fā)病率和死亡率[1-4]。因此，熱環(huán)境的變化成為影響城市環(huán)境質(zhì)量的重要因素，受到眾多學(xué)者和社會公眾的高度關(guān)注[5-6]。

城市下墊面以硬化地表和建筑物為主，這是城市氣溫較高、濕度較低的重要原因。綠地作為斑塊分布于硬化基質(zhì)中，其面積雖小，但因其具有明顯的降溫增濕作用，可在一定程度上緩解大范圍熱環(huán)境帶來的負(fù)效應(yīng)[7-9]，對人們的生活和健康產(chǎn)生積極影響[10]。而城市河岸帶是一類特殊的城市用地，其中的綠地和水體均可在調(diào)節(jié)小氣候方面發(fā)揮作用[11-12]。盡管國內(nèi)外對城市綠地的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)研究較多，但對城市河岸帶的相關(guān)研究還很少。

國內(nèi)外學(xué)者對城市下墊面組成的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)做了大量研究，包括下墊面類型、綠地的垂直配置結(jié)構(gòu)和植物數(shù)量。通過比較不同下墊面類型發(fā)現(xiàn)，綠地(包括河岸植被)和水體具有較好的降溫增濕效果[12-17]。一些研究發(fā)現(xiàn)，河岸植被的垂直結(jié)構(gòu)會顯著影響小氣候[18-19]，復(fù)層喬-草型和喬-灌-草型綠地的降溫效果比單層結(jié)構(gòu)綠地更為明顯[20-22]，其中，草地的降溫效果不顯著[22]。對于植物數(shù)量的影響，較多研究探討植被覆蓋度的溫濕效應(yīng)[18, 23-27]，但對植物高度和喬木葉生物量的溫濕效應(yīng)研究還較少。而且，大多數(shù)研究考慮的是綠地斑塊本身植被組成的溫濕效應(yīng)，而對鄰近斑塊組成的溫濕效應(yīng)研究還較少。除斑塊組成，一些研究探討綠地斑塊的面積[28-29]、周長[30]和形狀[31-32]這些空間構(gòu)型特征對小氣候的影響。然而，綠地斑塊的空間位置、其鄰域或周邊其他下墊面類型(如道路和河流)的位置和數(shù)量對綠地斑塊產(chǎn)生的小氣候效應(yīng)研究還較少，而對河岸帶植被的相關(guān)研究則更少。

在小氣候指標(biāo)與斑塊指數(shù)關(guān)系的研究上，目前主要考慮的是單個(gè)斑塊指數(shù)的影響。但我們研究發(fā)現(xiàn)，由于兩者的復(fù)雜非線性關(guān)系，某些情況下，小氣候指標(biāo)與某單個(gè)斑塊指數(shù)的關(guān)系并不顯著，但這并不能表明該指數(shù)一定對小氣候沒有影響，因?yàn)樵撝笖?shù)與其他指數(shù)組合而成的新指數(shù)對小氣候的影響可能非常顯著。但目前研究對組合指數(shù)的考慮很少。另外，大多數(shù)研究從區(qū)域或景觀尺度上探討城市綠地、公園在不同季節(jié)、不同氣候條件下的降溫增濕效應(yīng)，通過連續(xù)測量8—18時(shí)不同時(shí)刻的小氣候指標(biāo)[33]，研究日均降溫增濕幅度[24, 34-36]；而在斑塊尺度上，分別對一天中早晨、中午、傍晚不同時(shí)刻綠地的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)的研究還很少。

研究區(qū)位于北京市西郊的蓮石湖公園，包括恢復(fù)通水之后的永定河河道和河岸帶。岸邊種植了一定數(shù)量的喬木、灌木和草本植物，形成從護(hù)坡到河漫灘的有層次的綠化帶[37]；同時(shí)，修建了貫穿整個(gè)河岸帶的硬化道路。該公園一經(jīng)建成即成為人們(尤其是附近居民)進(jìn)行休閑娛樂和文化活動的重要場所。然而，在整個(gè)公園中，并不是任何時(shí)刻、任何位置均適于人們休閑或活動。在夏季的早晨、中午和傍晚，人們在哪些空間位置上感覺小氣候更為舒適，而哪些空間位置又不適于長時(shí)間駐足？河岸帶景觀建設(shè)者所設(shè)計(jì)的不同類型植被斑塊的哪些組成或空間分布特征可對不同時(shí)刻的小氣候有重要的調(diào)節(jié)作用，從而有效緩解夏季酷暑帶來的不適感？不同斑塊特征對不同小氣候指標(biāo)均有不同程度的影響，但對哪個(gè)小氣候指標(biāo)的影響會更大？周圍其他類型斑塊的組成和空間布局是否也對植被斑塊的小氣候有影響，主要通過影響哪個(gè)小氣候指標(biāo)影響人們的舒適感？

針對這些問題，本研究在對河岸帶斑塊進(jìn)行劃分的基礎(chǔ)上，提出一些斑塊指數(shù)，以量化植被斑塊及其鄰近斑塊的植被組成(包括類型、垂直結(jié)構(gòu)、植物數(shù)量)、植被斑塊與其周圍異質(zhì)斑塊(道路和河流)的空間分布關(guān)系；并探討斑塊組成及斑塊之間的空間關(guān)系是如何影響不同時(shí)刻的小氣候的。研究結(jié)果有助于提出合理的植被建設(shè)方案，以改善河岸帶景觀的小氣候調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

永定河全長約747 km，其中北京段約170 km，流經(jīng)門頭溝區(qū)、石景山區(qū)、豐臺區(qū)、房山區(qū)和大興區(qū)。研究區(qū)位于近郊石景山區(qū)西部和門頭溝區(qū)東部的門城湖—蓮石湖段。門城湖區(qū)段位于門頭溝區(qū)，河段全長5.24 km，平均寬度294 m，總面積172 hm2，其中水體面積占39.0%[38]。蓮石湖區(qū)段位于石景山區(qū)，河段全長5.8 km，平均寬度376 m，總面積226 hm2，其中水體面積占46.5%[39]。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥；年平均氣溫為10～12 ℃，年平均降水量約500～700 mm，降雨主要集中在6—8月份(圖1(a)，1(b))。

20世紀(jì)中后期，永定河成為北京地區(qū)的主要泄洪河流之一；但由于忽視了它的其他生態(tài)功能，結(jié)果造成一系列環(huán)境問題[40]。2009年以來，隨著“四湖一線”生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，蓮石湖和門城湖的河道和護(hù)岸得以修復(fù)[41]，并建設(shè)親水樂園區(qū)和運(yùn)動健身區(qū)[38]。2011年修復(fù)完成之后，成為開放的城市河岸帶公園(圖1(c))。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

1.2 河岸帶斑塊的識別

基于2013年9月18日的WorldView-2遙感影像(空間分辨率0.5 m×0.5 m)，使用ArcGIS軟件對研究區(qū)斑塊進(jìn)行目視解譯，最后得到369個(gè)植被斑塊，47個(gè)道路(混凝土、瀝青和塑膠)斑塊，39個(gè)人工設(shè)施斑塊，以及76個(gè)水體斑塊。然后通過實(shí)地調(diào)查對所有斑塊的具體信息進(jìn)行逐一核實(shí)和校正。

根據(jù)植被垂直配置結(jié)構(gòu)，將河岸帶植被斑塊分為8大類：草本類、灌木類、喬木類、草灌類、草喬類、灌喬類、草灌喬類、混合類；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分，如草喬類包括草闊類、草針類和草闊針類，喬木類包括闊葉類、針葉類、闊針類等。

1.3 小氣候指標(biāo)的測定

于2017年8月，選擇相鄰的晴天或少云天，分別在7—9時(shí)、12—14時(shí)、17—19時(shí)3個(gè)時(shí)段內(nèi)，測定每個(gè)斑塊內(nèi)部的小氣候。用便攜式氣象儀Kestrel 4000，每間隔10 s自動記錄一次氣溫、相對濕度和風(fēng)速；用MI-210紅外溫度儀，每間隔30 s手動測定一次地表溫度；測量高度均為1 m。對每個(gè)斑塊，根據(jù)其大小，測定3～36個(gè)不等的樣點(diǎn)，樣點(diǎn)均勻分布于整個(gè)斑塊。

要比較不同植被斑塊的小氣候，需要確保不同植被斑塊小氣候指標(biāo)的測定時(shí)間一致，由此排除時(shí)間差對小氣候的影響。為了避免在早晨、中午和傍晚2 h內(nèi)因測定時(shí)間的先后而造成的溫濕度差異，在測定每個(gè)植被斑塊內(nèi)的小氣候指標(biāo)的同時(shí)，也測定鄰近水泥道路的相應(yīng)指標(biāo)。水泥道路本身的理化特征完全相同，故可認(rèn)為，不同時(shí)刻不同段道路小氣候的差異主要源于時(shí)間差，而與不同段道路的下墊面特征無關(guān)。因此，我們用2 h內(nèi)鄰近道路小氣候指標(biāo)的變動系數(shù)來校正這2 h內(nèi)因測定時(shí)間差異而造成的植被斑塊之間的小氣候差異，以確保不同斑塊小氣候的可比性，探討影響植被斑塊內(nèi)部小氣候的斑塊特征因素。本研究最終將7—9時(shí)、12—14時(shí)和17—19時(shí)3個(gè)時(shí)段內(nèi)的小氣候分別校正到7時(shí)、12時(shí)和17時(shí)，并分別代表早晨、中午和傍晚的小氣候狀況。

1.4 斑塊指數(shù)

選取3類可能對植被斑塊的小氣候有較大影響的指數(shù)。其中，中心斑塊的植被組成指數(shù)主要反映中心斑塊的植被類型和植物數(shù)量或生長狀況，包括植被垂直配置類型，草灌層覆蓋度和高度，喬冠層密度、高度、胸徑、葉生物量、冠幅等。與中心斑塊鄰近的斑塊的植被組成指數(shù)主要反映緩沖區(qū)內(nèi)鄰近斑塊的植被類型和植物數(shù)量或生長狀況，包括鄰近草灌層面積比例、喬冠層面積比例等。中心斑塊與其周圍斑塊的空間分布指數(shù)主要量化緩沖區(qū)內(nèi)非植被斑塊的面積比例或中心斑塊與周圍斑塊的空間距離，包括距河距離、鄰近道路面積比例(表1)。這里，中心斑塊指植被斑塊，鄰近斑塊指中心斑塊周圍20 m寬度緩沖區(qū)內(nèi)的斑塊(包括道路)。

表1 中心植被斑塊及其鄰近斑塊指數(shù)Table 1 Indexes for central vegetation patches and their adjacent patches

在測定斑塊內(nèi)小氣候指標(biāo)的同時(shí)測定植被斑塊指數(shù)。在每個(gè)植被斑塊內(nèi)部，隨機(jī)選取3～5個(gè)1 m×1 m大小的樣方，測定草本植物高度和覆蓋度、低矮灌木(如砂地柏(Sabinavulgaris))高度和覆蓋度。對于較高灌木(如連翹(Forsythiasuspensa))，隨機(jī)選取3～5個(gè)4 m×4 m樣方，測定高度和覆蓋度。對于喬木，隨機(jī)選取代表不同生長狀況的3～5株喬木，測定從樹干中心到樹冠邊緣的距離，獲得冠幅半徑及喬冠層面積。使用Vertex Ⅳ超聲波測高測距儀測定選取喬木的高度，同時(shí)測定胸徑；利用華北地區(qū)常見樹種的異速生長模型[41-43]，通過喬木高度和胸徑估算喬木葉生物量。植被斑塊的指數(shù)值為該斑塊內(nèi)多個(gè)樣方的平均值。

2 統(tǒng)計(jì)分析

鑒于統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量的要求，本文選取數(shù)量較大的3類植被斑塊：草闊類(39個(gè))、草本植物類(37個(gè))和灌木類(23個(gè))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

對不同時(shí)刻草闊、草本植物和灌木斑塊，以及道路(40個(gè))的LST、TP和RH進(jìn)行兩兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，以揭示不同類型植被斑塊之間，以及它們與道路之間的小氣候指標(biāo)的差異顯著性。

對每類斑塊，設(shè)表1中斑塊指數(shù)為解釋變量(自變量)，分別設(shè)早晨、中午和傍晚時(shí)相應(yīng)斑塊內(nèi)部的小氣候指標(biāo)為響應(yīng)變量(因變量)，使用CANOCO 5軟件進(jìn)行冗余度分析(RDA)，探討斑塊小氣候與斑塊指數(shù)的關(guān)系。

為進(jìn)一步定量描述小氣候與斑塊指數(shù)的關(guān)系，將表1中各指數(shù)及不同指數(shù)的組合構(gòu)成的新指數(shù)共同作為自變量，使用SPSS 23軟件，進(jìn)行逐步回歸分析，分別獲得3類植被斑塊小氣候指標(biāo)與單指數(shù)和組合指數(shù)的定量關(guān)系。可根據(jù)回歸關(guān)系式獲得斑塊指數(shù)變化之后小氣候指標(biāo)的改變量。例如，要得到草闊斑塊指數(shù)A變化之后LST的改變量，可能會考慮兩種不同的情形。第1種情形中，回歸關(guān)系式中自變量為單個(gè)斑塊指數(shù)A，而無其他指數(shù)。這時(shí)，以研究區(qū)內(nèi)草闊斑塊指數(shù)A的實(shí)際平均值為基準(zhǔn)，可直接獲得指數(shù)A變化Δ之后對LST的影響。第2種情形中，回歸關(guān)系式中自變量為由不同斑塊指數(shù)乘積或加和所構(gòu)成的組合指數(shù)(如A×B)。這時(shí)，仍然以指數(shù)A的實(shí)際平均值為基準(zhǔn)，并假設(shè)指數(shù)B的一系列值(參考指數(shù)B的實(shí)際值(但不一定受限于實(shí)際范圍)確定)；用回歸關(guān)系式計(jì)算得到估計(jì)的一系列平均值LST1i；計(jì)算當(dāng)指數(shù)B的一系列值不變，而僅指數(shù)A變化Δ之后的一系列LST2i；計(jì)算LST降低或增加的百分比，即|LST2i-LST1i|/LST1i× 100%，獲得A變化之后LST的變化范圍。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型斑塊小氣候的比較

對不同類型斑塊的小氣候?qū)崪y數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。結(jié)果表明，夏季白天不同時(shí)刻植被斑塊的TP顯著低于道路，RH顯著高于道路(p<0.05)；植被斑塊的LST極顯著低于道路(p<0.000 01)；其中，中午時(shí)差異最大?？偟膩碚f，草闊斑塊的LST和TP較草本植物斑塊和灌木斑塊低，而RH較高，中午時(shí)差異最大；但t檢驗(yàn)結(jié)果表明，3類植被斑塊不同時(shí)刻的LST、TP和RH均無顯著差異(圖2)。然而，由于不同類型植被斑塊的組成特征不盡相同，我們在分析小氣候與斑塊特征的關(guān)系時(shí)，對不同類型植被斑塊分別考慮。

圖2 不同類型斑塊不同時(shí)刻小氣候指標(biāo)的比較Fig.2 Comparison of microclimate indexes among different types of patches in the morning, at noon, and at dusk

3.2 小氣候指標(biāo)與斑塊指數(shù)的相關(guān)性

研究區(qū)內(nèi)99個(gè)斑塊中，草闊斑塊的平均喬冠層密度和草本植物覆蓋度分別為(44.88±25.13)%和(74.17±23.70)%；草本植物斑塊的平均草本植物覆蓋度為(76.66±23.90)%；灌木斑塊的平均灌木覆蓋度為(81.97±13.98)%。草闊、草本植物和灌木斑塊中心離河邊平均距離分別為(62.65±25.70)、(49.93±28.19)和(61.92±31.92) m，最近距離分別為9.33、6.86和13.07 m。在草闊、草本植物和灌木斑塊周邊20 m的緩沖區(qū)內(nèi)，道路所占的面積比例平均約為12%～13%，最大道路比例分別為42.00%、26.40%和25.14%。

RDA結(jié)果表明(圖3)，所選斑塊指數(shù)對草闊斑塊、草本植物斑塊和灌木斑塊3個(gè)小氣候指標(biāo)變化的解釋量分別可達(dá)55.3%～60.4%、33.7%～45.6%和50.3%～73.8%(p<0.05)。由RDA排序圖中黑色箭頭的長度可見，對不同類型的斑塊，早晨時(shí)RH受斑塊指數(shù)的總體影響均最大；中午時(shí)LST所受影響最大，或與TP和RH所受影響差異不大(中午時(shí)的灌木斑塊)；不同時(shí)刻TP所受影響最小，或與LST和RH所受影響差異不大(傍晚時(shí)的草本斑塊和中午時(shí)的灌木斑塊)。

圖3 小氣候指標(biāo)與斑塊指數(shù)關(guān)系的冗余度分析結(jié)果Fig.3 Redundancy analysis results for relationships between microclimate indexes and patch indexes

3.3 草闊斑塊

根據(jù)RDA排序圖中小氣候指標(biāo)與斑塊指數(shù)的夾角大小可知，草闊斑塊及其鄰域的喬木數(shù)量和生長狀況對斑塊內(nèi)部夏季白天的LST、TP和RH均有較大影響；草本植物的影響與喬木差異不顯著，但草本植物對傍晚TP和RH的影響不大。道路對中午和傍晚LST、早晨TP和RH的影響較大(圖3(a)、3(b)和3(c)，表2)。

表2 小氣候指標(biāo)與斑塊指數(shù)的冗余度分析結(jié)果Table 2 Redundancy analysis results for relationships between microclimate indexes and patch indexes

逐步回歸分析結(jié)果表明，影響草闊斑塊LST的單指數(shù)主要是鄰域草本植物面積(PAHC)，影響TP和RH的是鄰域喬木面積(PATC或RATACPA)。盡管大多數(shù)單指數(shù)對小氣候的影響不顯著，但有些單指數(shù)之間的交互作用可能對小氣候有顯著影響。例如，與草闊斑塊及其鄰域草本植物相關(guān)的單指數(shù)對傍晚TP和RH的影響不大(RDA結(jié)果)，但草闊斑塊草本植物與喬木數(shù)量和生長狀況的交互作用(如DTCCP-THCP-HCCP-HHCP)對RH影響極顯著，鄰域草本植物與鄰域灌木或喬木面積的交互作用(如PAHC-PASC和PAHC-PATC)對TP和RH 影響顯著。不僅道路面積(PAR)，而且道路面積與鄰域植被覆蓋的交互作用(如RAHACPA-RASACPA-RATACPA-PARr(PAR的倒數(shù)))對小氣候的影響也很顯著(表3)。

在其他指數(shù)保持不變的情況下，草闊斑塊HCCP每增加10%，中午LST降低1.19%～2.74%； PATC和PAHC每增加10%，中午LST最大分別降低8.26%和10.72%。RATACPA每增加1，中午TP降低11.63%～21.92%，中午RH增加11.12%～20.17%(與平均值相比增加的百分比，下同)。PAR每增加10%，中午LST增加4.82%～6.00%，早晨TP最大增加22.32%，早晨RH最大降低13.79%(表3)。例如，草闊斑塊19和10(這些斑塊僅為舉例說明某些斑塊指數(shù)對小氣候指標(biāo)的影響，未在圖1(c)中注明其具體位置)的絕大多數(shù)指數(shù)十分接近，斑塊10 的LST、TP分別比斑塊19低1.60 ℃和0.69 ℃，RH高約3.80%，這與斑塊10的PAHC和HCCP分別比斑塊19高約34.56%和0.10 m有關(guān)。

3.4 草本斑塊

根據(jù)RDA排序圖中小氣候指標(biāo)與斑塊指數(shù)的夾角大小可知，草本植物斑塊及其鄰域的草本植物數(shù)量和生長狀況對斑塊內(nèi)部夏季白天不同時(shí)刻的LST、TP和RH大多有較大影響；鄰域喬木對LST的影響較小，但對TP和RH的影響很大，尤其傍晚時(shí)影響最大。道路面積對白天不同時(shí)刻LST、早晨TP和RH的影響較大。距河距離(NDR)對中午TP和RH影響最大(圖3(d)、3(e)和3(f)，表2)。

逐步回歸分析結(jié)果表明，影響草本植物斑塊LST的單指數(shù)是斑塊草本植物生長狀況(HHCP)；影響TP和RH的分別是鄰域喬木和草本植物面積(PATC和RAHACPA)。這些對小氣候影響顯著的單指數(shù)與其他指數(shù)之間的交互作用對小氣候的影響也很顯著，如HCCP-HHCP，HHCP-PAHC，PASC-PATC，HCCP-PAHC-PASC-PATC，RAHACPA- RASACPA-RATACPA-PARr。同時(shí)，盡管有些單指數(shù)對小氣候的影響不顯著，但它們之間的交互作用可能對小氣候有顯著影響。例如，與鄰域喬木和鄰域灌木相關(guān)的單指數(shù)對LST的影響不大(RDA結(jié)果)，但鄰域喬木與鄰域灌木面積的交互作用(如PASC-PATC)對LST影響顯著。不僅道路面積，道路面積與斑塊草本植物數(shù)量和生長狀況或鄰域植被覆蓋的加和(如HCCP-HHCP與PAR)或交互作用(如RAHACPA-RASACPA-RATACPA-PARr)對小氣候的影響也很顯著。除中午單個(gè)NDR指數(shù)的影響，NDR與斑塊草本植物數(shù)量和生長狀況或鄰域植被覆蓋的交互作用(如HCCP-HHCP-PAHC-PASC-PATC-PAR-NDRr(NDR的倒數(shù))和PAHC-PASC-PATC-NDR)對傍晚時(shí)的TP和RH也有顯著影響(表3)。

表3 小氣候指標(biāo)與斑塊指數(shù)之間的回歸關(guān)系Table 3 Regression relationships between microclimate indexes and patch indexes

對草本植物斑塊，在其他指數(shù)保持不變的情況下，HHCP每增加0.1 m，中午LST最大降低5.11%；PAHC和PATC每增加10%，中午LST最大分別降低33.61%和44.98%；RATACPA、RASACPA和RAHACPA每增加1，傍晚LST最大分別降低36.89%、29.74%和30.86%。PATC每增加10%，傍晚RH最大增加23.63%，TP降低1.38%～1.57%。PAR每增加10%，中午LST增加9.38%～11.73%，傍晚LST最大增加27.67%；NDR每降低10 m，中午RH增加7.21%～9.32%(表3)。例如，草本斑塊623和621的絕大多數(shù)指數(shù)十分接近，斑塊623的LST和TP分別比斑塊621低約2.39 ℃和0.71 ℃，RH高約3.43%，這與斑塊623的PAHC和PATC分別比斑塊621高約4.91%和4.37%有關(guān)。

3.5 灌木斑塊

根據(jù)RDA排序圖中小氣候指標(biāo)與斑塊指數(shù)的夾角大小可知，灌木斑塊或其鄰域灌木數(shù)量或生長狀況對斑塊內(nèi)部夏季白天的LST、TP和RH總是有較大影響。除此之外，鄰域草本植物和喬木對早晨LST、TP和RH，以及中午LST，也均有較大影響。道路對中午和傍晚LST、早晨和傍晚TP和RH的影響較大。距河距離對中午TP和RH有影響(圖3(h)、3(i)和3(g)，表2)。

逐步回歸結(jié)果表明，影響灌木斑塊LST、TP和RH的單指數(shù)是斑塊或鄰域灌木覆蓋(SCCP和PASC)。對TP和RH影響顯著的單指數(shù)與其他指數(shù)之間的交互作用對小氣候的影響也很顯著，如SCCP-SHCP，SCCP-SHCP-RASACPA-PASC，PAHC-PASC，PASC-PATC。從中也可見，盡管有些單指數(shù)(如PAHC和PATC)對中午和傍晚TP和RH的影響不顯著(RDA結(jié)果)，但它們與鄰域灌木覆蓋的交互作用(如PAHC-PASC，PASC-PATC)對中午和傍晚TP和RH的影響顯著。距河距離對中午TP和RH均有影響；距河距離與灌木斑塊及其鄰域植物數(shù)量和生長狀況的交互作用(SCCP-SHCP-PAHC-PASC-PATC-PARr-NDRr)對早晨的TP也有顯著影響(表3)。

對于灌木斑塊，在其他指數(shù)保持不變的情況下，SCCP每增加10%，中午和傍晚的TP最大降低約2.50%，中午RH最大增加10.82%。PASC或PAHC每增加10%，中午TP最大降低約4.50%。RASACPA每增加1，傍晚RH最大增加6.42%。NDR每降低10 m，中午RH增加1.77%～2.01%(表3)。例如，灌木類斑塊613和619的絕大多數(shù)指數(shù)十分接近，斑塊613的LST和TP分別比斑塊619低約0.17 ℃和0.42 ℃，RH高約2.28%，這與斑塊613的NDR比619小約17.22 m有關(guān)。

4 討論

4.1 影響植被斑塊小氣候的因素

研究結(jié)果表明，3類植被斑塊內(nèi)部無論是喬木-草本植物、草本植物，還是灌木，其植物數(shù)量和生長狀況對夏季白天不同時(shí)刻的LST、TP和RH大多有較大影響。盡管從整個(gè)地球表面來看，森林使地球大氣的溫度降低還是升高尚存在巨大的爭議[44]，但本研究表明，植被對地面以上1 m高度范圍內(nèi)的小氣候具有明顯的降溫增濕效應(yīng)。與喬木和灌木相比，草本植物具有較高的反射率；并且覆蓋率越大，反射率越強(qiáng)；闊葉樹和針葉樹的反射率較草本植物低，但對太陽輻射的吸收更強(qiáng)[45-46]。植物冠層通過吸收和反射太陽輻射，降低地面可接收的輻射量，從而降低LST或TP。除去吸收和反射的太陽輻射，到達(dá)葉表面的輻射一部分透過葉表面到達(dá)地面；其他的穿過枝葉空隙到達(dá)地面。增大植被覆蓋度或冠層密度，可降低冠層下光照地面的面積比例，減少冠層下地面可接收的太陽輻射，降低LST[45]。葉片通過蒸騰作用將細(xì)胞中的水分散失到大氣的過程中需要消耗能量，從而可在增加葉片周圍RH的同時(shí)，降低TP。

斑塊內(nèi)部的小氣候也受到鄰域喬木、灌木和草本植物覆蓋面積的影響。然而，對不同類型植被斑塊內(nèi)部不同時(shí)刻的不同小氣候指標(biāo)，其受鄰域植物的影響不盡相同。例如，早晨或傍晚時(shí)，TP和RH受鄰域喬木的影響較LST更大；而中午時(shí)，草闊和灌木斑塊LST受鄰域喬木的影響較TP和RH更大，且草本植物斑塊LST受斑塊內(nèi)植被(而不是鄰域植物)的影響更大。LST對太陽輻射變化的反應(yīng)比TP更快，中午時(shí)太陽輻射最強(qiáng)，地面通過吸收太陽短波輻射使LST急劇升高，其變化幅度超過TP。如果在斑塊鄰域內(nèi)有較多的喬木，則鄰域氣溫較低，斑塊內(nèi)外可能形成較大溫差，從而產(chǎn)生空氣流動；而較冷空氣從鄰域進(jìn)入斑塊會發(fā)生下沉運(yùn)動，對LST產(chǎn)生較大影響[47-48]。同時(shí)，地面在吸收熱量之后，可通過長波輻射將部分熱量返回大氣；近地面大氣對太陽短波輻射的直接吸收很少，主要吸收來自地面的長波輻射、感熱和潛熱釋放，因此，TP對太陽輻射變化的反應(yīng)更慢，且主要發(fā)生在以長波輻射為主的早晨和傍晚。中午高溫時(shí)植物氣孔大多關(guān)閉，蒸騰作用很弱或者停止，RH受植被的影響減弱。另外，草本植物斑塊的LST略高于草闊和灌木斑塊，中午時(shí)與鄰域喬木更易形成較大溫差，從而降低草本植物斑塊內(nèi)的LST；但這種影響不及斑塊內(nèi)高覆被草本植物較高的反射率對LST的降低效應(yīng)。

本文選取的空間分布指數(shù)包括道路面積比例和距河距離。夏季白天道路與相鄰植被斑塊的小氣候差異大多極顯著。與植被下墊面相比，瀝青或混凝土道路具有更低的反射率和更高的輻射吸收率，因此，白天道路的LST和TP高于相鄰的植被斑塊，而RH則較低。但道路對相鄰植被斑塊內(nèi)不同小氣候指標(biāo)的影響不盡相同，LST所受影響較TP和RH更大，尤其是夏季中午和傍晚時(shí)。道路的熱容量較低，夏季中午及其之后的強(qiáng)輻射使道路LST上升劇烈，道路地表成為一個(gè)明顯熱源，并通過空氣的平流影響相鄰斑塊的LST[46]。

河流對草本和灌木斑塊中午的TP和RH有較大影響。距河距離每縮短10 m，RH最大增加9.32%，TP最大降低0.89%。水體的熱容量較大，吸收相同的輻射量，溫度變化較慢，且溫度較低。中午時(shí)，氣溫比較高，河水蒸發(fā)可帶走一部分熱量，從而降低氣溫、增加濕度。同時(shí)，河水易流動，熱傳導(dǎo)快，與周圍區(qū)域可進(jìn)行水分和熱量的交換，因此，越靠近河流，TP越低，RH越高[17]。另外，與有高大喬木的草闊斑塊相比，草本植物和灌木斑塊上空較為空曠，無高大喬木遮攔，來自附近河流的大氣擴(kuò)散所受阻礙較小，從而可對TP和RH產(chǎn)生較大影響。

植被斑塊的小氣候不僅受到植被覆蓋、植物數(shù)量和生長狀況、道路面積和距河距離相關(guān)的單指數(shù)的影響，還受到這些單指數(shù)之間的組合的影響。在很多情況下，后者的影響甚至更大。例如，對草闊斑塊TP和RH，盡管PAHC單指數(shù)對其影響不大，但PAHC與PATC交互作用的影響卻顯著；盡管PATC單指數(shù)對其影響也顯著，但其顯著性不及PAHC與PATC的組合指數(shù)。由于影響小氣候的因素非常復(fù)雜，很難說小氣候是受某個(gè)單因素的影響；相反，不同因素之間的交互作用或加和作用才應(yīng)成為影響小氣候變化的主要方面。因此，如果某個(gè)單因素對小氣候的影響不顯著，可能并不能得出該因素不影響小氣候的結(jié)論，因?yàn)樵撘蛩乜赡芘c其他因素以某種非線性的形式共同影響小氣候。

4.2 生態(tài)修復(fù)或規(guī)劃建議

目前的研究區(qū)是經(jīng)過人工修復(fù)后的城市河岸帶生態(tài)公園，其中的修復(fù)工程建設(shè)多是基于工程技術(shù)人員的主觀認(rèn)識，缺少一定的生態(tài)學(xué)依據(jù)。而本文的研究結(jié)果可為將來城市河岸帶或其他綠地的生態(tài)修復(fù)或規(guī)劃提供一些科學(xué)依據(jù)。例如，本研究從定性和定量兩方面均證明，當(dāng)人們身處的環(huán)境周圍喬木較多(LST較低)，或者遠(yuǎn)離道路(LST較低)、親近河流(TP較低，RH較高)時(shí)，可有效提高人們的小氣候舒適感，特別是中午酷暑時(shí)。據(jù)此，可以通過采取一些直接措施(如改變植物覆蓋、道路面積、距河距離)，改變單個(gè)小氣候指標(biāo)，從而改變綜合的小氣候舒適感。

除直接措施外，從本研究結(jié)果也可獲得一些生態(tài)修復(fù)或規(guī)劃建議。例如，1)構(gòu)造多層復(fù)雜植被垂直結(jié)構(gòu)更有利于降低LST和TP，提高RH。2)改善某處的小氣候不僅要將目光集中于該處，也需同時(shí)關(guān)注其周邊一定范圍內(nèi)對小氣候可能產(chǎn)生影響的植被或道路覆蓋。例如，草闊斑塊周邊種植喬木更有利于降低中午的TP，提高RH。3)鑒于小氣候更多受不同因素的綜合交互影響，若受客觀條件的限制，無法增加某處的植物數(shù)量或面積、改善植物的長勢，要提高此處的小氣候舒適感，可通過改變其他植被或非植被因素來實(shí)現(xiàn)，或考慮周邊影響。例如，草本植物高度較低時(shí)，可適當(dāng)增大其種植密度。

特別地，本研究的定量結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境植被類型和數(shù)量的精準(zhǔn)配置提供重要的依據(jù)。例如，可精準(zhǔn)地計(jì)算出要滿足某處氣溫降低多少度的目標(biāo)，需使植被面積、植株密度和高度等植被特征，以及周邊植被和非植被特征指數(shù)增加或降低多少。這種精準(zhǔn)作業(yè)可提高目前城市環(huán)境管理的效率，也可為未來數(shù)字化智慧城市的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本研究選取3類斑塊指數(shù)，量化植被斑塊及其周邊斑塊的組成和空間分布，探討在夏季早晨、中午和傍晚不同時(shí)刻影響草闊、草本植物和灌木斑塊小氣候的斑塊特征因素。研究結(jié)果表明，與道路相比，植被斑塊在白天不同時(shí)刻能顯著地降低LST和TP，增大RH，改善植被斑塊的小氣候；但不同類型植被斑塊之間的差異不顯著。夏季白天大多數(shù)時(shí)刻植被斑塊的LST、TP和RH會受到斑塊自身及其鄰近斑塊特征的共同影響，但不同時(shí)刻不同小氣候指標(biāo)受到的影響也存在差異。中午時(shí)，鄰域喬木和道路對LST影響較大，河流通過影響TP和RH進(jìn)而影響小氣候舒適感。植被斑塊的小氣候不僅受到植物數(shù)量和生長狀況、道路面積和距河距離相關(guān)單指數(shù)的影響，更受到不同單指數(shù)之間的交互或加和作用的影響。