城市森林对城市热环境的多尺度调节作用研究

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随着城市化、工业化及气候变暖进程的加剧,城市热环境逐渐恶化,已成为21世纪城市面临的主要生态环境问题之一,而城市森林在改善城市热环境中发挥着重要的作用。因此研究城市森林特性与热环境之间的关系,对于合理构建城市森林进而改善城市热环境及降低热岛效应具有重要的意义。本研究综合应用遥感、实地测量的方法,针对长春市城市森林,从样地(群落结构)、斑块(斑块特征)、样区(空间格局)三个尺度层面展开研究,对影响城市森林热环境效应的各因素进行研究,通过系统地分析影响城市森林热环境效应的各因素,明确了长春城市森林特征,揭示了城市森林在热环境调节中的作用。初步结论如下:(1)长春城市森林特征:长春市四环内城市森林覆盖率33.08%,树木数量高达603.49万株,城市绿地建设整体水平较好。然而,城市森林规模在各类型及各城区之间差异很大,并具有明显的城乡梯度特征即由郊区到城中心逐渐降低。城市森林树木径级偏小,以中,幼龄树木为主;叶面积指数、基部断面积及郁闭度都普遍偏低且分布不均。长春城市森林斑块以0-0.5hm2面积大小的斑块为主,景观破碎化严重,缺乏大型斑块的城市森林支持,且斑块之间的连接度也较低,城市森林的景观格局有待优化。(2)城市森林群落结构与热环境效应关系:城市森林群落结构与其热环境效应呈现出显著的相关性:在地温层面上,与其它群落结构指标相比,郁闭度、叶面积指数、基部断面积三个群落结构指标对其热环境效应的影响最为显著。与地温相比,在气温层面上城市森林群落结构与其热环境效应的相关性有所降低,但其变化趋势却基本相同,且郁闭度、叶面积指数仍然是影响热环境效应的两个最重要群落结构指标。其中,郁闭度与热环境效应呈线性正相关,而叶面积指数与热环境效应呈非线性正相关;叶面积指数在热环境调节中存在一定的安全阈值为0.22,叶面积指数调节热环境最大的效率区间为0.22-1.8。(3)城市森林斑块特性与热环境效应关系:城市森林斑块特性在热环境调节中发挥着重要的作用,主要表现为:城市森林斑块大小(面积、周长)与斑块内温度呈现为非线性负相关。城市森林斑块大小(面积、周长)与斑块冷岛强度、对周围温度的影响范围呈现为非线性正相关,符合对数模型规律,城市森林斑块面积对其热环境效应作用的最大效率区间为2.8ha-25ha。城市森林形状指数与热环境效应(冷岛强度、对周围温度的影响范围)之间的关系表现为显著负相关,用对数模型可以进行较好的拟合,在给定的城市森林斑块面积的情况下可以通过调节斑块形状提高其热环境效应,其形状指数越小即其形状越接近于圆形,其热环境效应(冷岛强度、对周围温度的影响范围)越大。(4)城市森林空间格局与温度之间关系:城市森林空间格局在热环境调节中也起着非常重要的作用,主要表现为:斑块密度、斑块景观指数、破碎度与温度呈显著正相关,而最大斑块指数、聚集度、连接度与温度呈负相关。此外,城市森林空间格局与温度之间的关系随着作用空间尺度的增加其相关性逐渐增强。因此,在较大的空间尺度上,城市森林空间格局降低温度的效率较大,城市森林空间格局的调控应在城市城区尺度等大尺度上进行。此外,城市森林空间格局与温度之间的关系随着研究区覆盖度的变化而变化。二者的相关性在研究区覆盖度为20-40%的情景下表现为最大。因此,在城市森林规模即覆盖度为20-40%时,通过优化城市森林空间格局从而降低温度的效果最好。基于上述研究结果,本文提出基于热环境改善的城市森林规划策略-采用不同尺度分类指导的系统优化策略:首先在大尺度上(城市、城区)调控斑块之间的空间分布状态尤其是在覆盖度为20-40%的区域(如增加聚集度、连接度,降低破碎度、景观形状指数等),其次在中等尺度上调控具体的斑块(不同的斑块大小分类指导),最后针对斑块内部的森林群落结构进行调控(主要是郁闭度及叶面积指数<1.8)。本项研究加深对城市森林热环境效应及调节热环境作用的理解,不仅对有限的城市森林合理的规划布局具有重要的参考意义,而且可以对具体的城市森林群落结构调整及系统的管理具有重要的实践作用,如城市森林植物的优化配置,从而为进一步的构建长春城市森林进而最大限度的提高在应对城市热岛效应方面的潜力。
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