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绿化植物降温的原理是什么?

fietzfotos / CC0

树叶先生,景观设计专业 现就职地产公司|专栏:园林杂货铺 地产研究院

这个问题提的很有研究价值,足够做一篇硕士论文。正好我在研究生期间的论文课题有部分内容涉及到植物的降温增湿作用,可以与知友们分享。

首先补充一下这个问题:绿色植物不单能够降温,还可以增湿,同时树冠对阳光的直接遮挡可以显著的降低树下及周边空间的黑球温度 Tg生理等效温度(PET: physiological equivalent temperature),总的来说就是可以改善人的热舒适性(冬暖夏凉)。

这里简单说下什么是黑球温度和生理等效温度。

黑球温度:在辐射热环境中人或物体受辐射热和对流热综合作用时,以温度表示出来的实际感觉温度。
生理等效温度:在某特定环境条件下,人体皮肤温度和体内温度与典型室内环境实现等量热状态得到的相应空气温度。

说人话版本:就是一种可以更加准确描述你身体感觉到温度的指标(包括你穿上衣服之后的准确感受)。

因为在室外热舒适性评价标准中,由于室外活动的多样性显著增加,个体代谢水平差异大、衣着不同等,使得室外热舒适性评价工作十分困难。

目前,热舒适性的评价标准以生理等效温度(PET)模型为主,它综合了空气温湿度、风速、太阳辐射还有你的穿着和运动等,最为准确,应用广泛,且被国内外学者的研究证明了其科学性。

以前经常看到在夏天明明没那么热才 30 多℃,怎么我们感觉就那么热,肯定又是在隐瞒数据,为了稳定环境,于是乎开始脑补一场阴谋大戏,苦了辟谣跑断腿。

以后看到气象预报不要再说它不准了,只是参考标准不一样。它预报的不是生理等效温度,而是空气温度。

放在百叶箱中测得的流动空气温度,夏天只显示 30+℃,已经很高了,准确的很,老铁,没毛病!

关于黑球温度和生理等效温度的由来中间经历了好多的发展故事,要从人体热舒适性的评价指标开始讲,可以讲一篇论文的长度了,有缘下次吧~

---------------- 开始回答问题 ----------------

我们再回来这个问题,那么就可以优化为:绿色植物可以改善周边环境热舒适性的原理是什么?

回答这个问题可以从两个方面入手:植物树冠的遮阴作用蒸散作用

题主也已经提到了蒸散作用,其实植物树冠的遮阴作用才是实现降温最重要的手段。

就好比植物是一台“空调”,蒸散作用只是按了加湿键,而遮阴作用相当于开了制冷!是方向性的作用!

夏天不开制冷,只开加湿,那这条命要被空调收回去了。

一、植物的遮阴作用

植物的遮阴作用主要是通过树冠来实现,所以和树形的关系就最明显。

树形分很多种:塔形、圆锥形、卵圆形、伞形、扁球形等等。

举几个栗子,可以看下图片感受下。

可以很直观的看出来,伞形的树遮阴效果肯定最好。

但是光看树形还不够。

如果比作一把遮阳伞,树型只是伞架,没有伞布,只有伞架也是白搭!

那么就开始到叶片了,它能够直接遮挡和吸收大部分的太阳直接辐射热。

当然叶片的质地不同也决定了这是一把“黑胶遮阳伞”还是一把用来挡太阳的“雨伞”。

早在 1995 年,Brown 和 Gillespie[1]就发现,单层植物叶片可以吸收 80%并反射 10%可见光的入射辐射,因而仅仅透过剩余的 10%;同时,其还可以吸收 20%和反射 50%的红外光,而仅透过 30%。

如果植物的叶片层数越多,将对太阳辐射起到更好的拦截作用,以降低到达树冠下的太阳辐射。

对于正常生长的整株树木,依据其叶片密度,叶片的类型与布局,大致可以有效拦截 80-90%的太阳辐射[2] 。

王丹妮在清华大学的试验中发现,树木对热环境的影响主要通过遮阴实现的,树叶繁茂的树冠遮荫作用非常明显,阳光透过率不足 15%[3] 。

渐渐的大家也开始发现需要有一个指标来描述树冠里面叶片到底有多密,才能找到叶片“密度”与遮阴效果之间的数量关系。

于是叶面积指数(leaf area index LAI)就登场了。

叶面积指数:是指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数。

不明白也没关系,反正叶面积指数越高,你就能感觉头上全部绿油油的,一点缝都不剩。

有学者就开始用叶面积指数 LAI,来探究它与植物遮阴的关系。

赵敬源发现,行道树在街道中能够发挥作用,对 LAI 是有要求的,不是谁都能发挥作用的。当 LAI=1 和无绿化时街道中的热环境不仅没有比无绿化时好转,反而还有所恶化。

这是因为树木的存在对街谷内气流速度造成阻碍,稀疏的叶片所带来的遮阳效果还抵不上其带来的不良影响,造成局部热环境质量反而有所降低

所以只有当叶面积指数≥3的时候,其才能对热环境产生较大影响[4]。

在清楚叶片数量作为“遮阳伞”布的重要性之后,伞布的质地就开始成为下一步被研究的重点了。

对于叶片不同质地的遮阴效果比较,Heisle 在 1986 年就想到了。他找到一棵种植在建筑南面的中等尺度的糖槭,发现在枝叶繁茂时可以有效降低建筑南墙 80%的太阳辐射,落叶后可以降低太阳辐射约 40%;而一棵同等尺度的二球悬铃木的遮阴作用就稍低于糖槭[5]。

吴家兵学者就对银杏、银中杨、垂柳、垂榆、梓树和京桃 6 种行道树树冠及其单叶对紫外辐射的屏蔽效应进行测定,得到绿叶屏蔽紫外辐射的效果要好于黄叶。

6 个树种均表现出良好的紫外辐射屏蔽功能,67%以上的紫外辐射被屏蔽,屏蔽效应大小依次为:京桃>垂榆>梓树>银杏>垂柳>银中杨[6]。

看来“遮阳伞”还是绿色的好。

二、植物的蒸散作用

蒸散作用是绿地产生降温效应的另一个主要原因,主要包括地表水分的蒸发与植物体内水分的蒸腾。

对于植物而言,其通过根系从土壤中吸收的水分通过植物叶片以水蒸气状态散失到大气中。

在白天,植物吸收的大部分太阳辐射都能以蒸腾作用的方式转化为潜热,进而增加周围环境的湿度,水汽蒸发,自然降低了空气温度。

按下“加湿键”,植物用自己的力量把地里的水抽出来帮我们加湿。

由于植被的蒸散作用和土壤的蒸发作用,使得植被近地面的气温比以不透水表面为主的建筑区域的气温要低,从而形成“绿洲效应”(Phenomenon of oases)。

林品仪学者在台湾,利用 Penman-Monteith equation 推算植物蒸散作用时所需的热量,并借由计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称 CFD)的模拟方式,在无风和有风的城市环境中,针对街道不同的铺面材质与绿带设置的变化模拟形成的风场特性及温度和空气中热含量变化影响的情况。

模拟结果得出,种植植物对于城市降温具有显著的影响:有风环境下草地铺面的温度相较无风之柏油马路温度下降 6℃;种植乔木则使温度下降约 7.04℃[7]。

同样,叶片的材质不同也会影响“遮阳伞”的性能发挥。

莫健彬学者在上海对植物改善热环境的研究中得到,植物叶片的质地也会影响植物的蒸腾作用强弱,纸质革质叶片,能够加速植物的蒸腾作用,对周边范围热环境的改善效果更佳[8]。

因为不同材质下叶片分布的气孔数目不同,而且与叶面积指数 LAI 的大小、叶片的大小也有密切的关系,以及植物自身呼吸和蒸腾作用的强弱等也有关。

邵永昌学者在对上海的几种常用园林植物在夏季蒸腾作用与降温增湿的研究中发现:悬铃木、香樟、枫香、枫杨等叶面积指数较大的植物比女贞、银杏、石楠等叶面积指数小植物在降温增湿方面的能力更优[9]。

所以说 LAI 越高,不仅遮阴效果好,蒸散作用也直线上升啊。

三、综合发挥作用

当植物开始工作,同时开启遮阴和蒸散作用,“制冷”和“加湿”功能同时打开,就可以显著的降低夏季高温时段的气温。

综合作用的结果会使得我们的体感温度,也就是前文提到的黑球温度以及生理等效温度变的非常适宜。

学者在对广州名园余荫山房热环境的调查研究中就发现:树荫下和凉亭内,由于接受太阳辐射较小,因此相应地黑球温度较低且变化范围很小;其余测点暴露在阳光直射下,受光照影响,太阳辐射一天内的浮动范围较大,因此黑球温度也较高[10]。

在香港对不同树种在街道内的热环境情况进行研究时,有学者分析了金风铃(Handroanthus chrysotrichus)、蓝花楹(Jacaranda mimosaefolia)、芒果(Mangifera indica)、长叶松(Pinus palustris)等在内的 12 种植物:结果显示芒果由于冠幅大、叶面积指数高以及伞形树形,其 PET 最佳,较对照点相比,街道内可以降低 12℃-16℃,单株植物可以减少 12.5℃-14.5℃[11]。

植物默默为我们奉献了这么多,又打伞又降温增湿的,所以善待我们的地球卫士。

在历史的沧海一粟中,我们可能什么都不是,而植物却坐看云卷云舒上亿年,为我们营造出现在舒适的生活家园。

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[1] Brown R. D., Gillespie T J. Microclimatic Landscape Design. Wiley, New York. (1995)

[2] Kotzen, Benz. An investigation of shade under six different tree species of the Negev desert towards their potential use for enhancing micro-climatic conditions in landscape architectural development, Journal of Arid Environments. 55.2 (2003) 231-274.

[3] 王丹妮. 绿色植物对建筑热环境影响的实验研究[D]. 北京: 清华大学, 1999.

[4] 赵敬源. 城市街谷夏季热环境及控制机理研究[D]. 西安: 长安大学, 2007.

[5] Heisler G M. Effects of individual trees on the solar radiation climate of small buildings[J]. Urban Ecology, 1986, 9(3-4): 337-359.

[6] 吴家兵, 孙雨, 李荣平, 等. 沈阳市 6 种行道树对紫外辐射屏蔽效应的研究[J]. 辽宁林业科技, 2011(4): 1-3.

[7] 林品儀. 都市綠帶其蒸散作用在都市微氣候中對熱環境影響之研究[D]. 臺北: 臺北科技大學, 2011.

[8] 莫健彬,王丽勉,秦俊,等.上海地区常见园林植物蒸腾降温增湿能力的研究[J].安徽农业科学,2007,35(30):9506-9507.

[9] 邵永昌,张金池,孙永涛,等.上海主要绿化树种夏季蒸腾特性与降温增湿功能比较[J].中国水土保持科学,2015,13(6):83-90.

[10] 薛思寒, 冯嘉成, 肖毅强. 传统岭南庭园微气候实测与分析——以余荫山房为例[J]. 南方建筑, 2015(6): 38-43.

[11] ABREU-HARBICH L V D, LABAKI L C, MATZARAKIS A. Effect of tree planting design and tree species on human thermal comfort in the tropics[J]. Landscape & Urban Planning, 2015, 138: 99-109.