第三章园林植物与城市能量环境城市 能量 环境 主要 包括 光， 温度 ，风 ，噪 声等 。光 是地 球上 所有 生物 得以 生存 和繁 衍的 最基 本的能量源泉，地球上几乎所有生命活动所必需的能量都直接或间接地来源于太阳光。植物通过光合作用，将太阳辐射能转变为化学能，贮藏在合成的有机物质中，除供给自身需要外，还提供给其他异养生物，为地球上几乎一切生物提供了生长、发育和繁殖的能源。地表吸收的绝大部分太阳辐射能直接转变成热能，其中一部分用于水分蒸发，其余部分用来增加地球表面的温度。因此，太阳辐射是构成热量、水分和有机物质分布状况的能量源泉，为地球上的生物得以生存和繁衍创造了必要条件。光照条件随着不同的地理位置和不同的时间而发生变化，在城市地区更有其特殊性，植物长期适应不同光照条件而形成相应的适应类型。第一节城市光环境一、光的性质光是太阳的辐射能以电磁波的形式投射到地球表面上的辐射。太阳辐射波长的范围很广，它能从零到无穷大，但主要波长范围是 150—4000nm ，绝大部分能量集中在此范围内，占太阳辐射总能量的 99．5％。太阳辐射能按波长顺序排列称为太阳辐射光谱。根据人眼所能感受到的光谱段，光可分为可见光和不可见光两部分。可见光谱段的波长为 380 一 760nm，也就是人眼能看见的白光，可见光谱又分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光。红光波长为 630—760nm，橙光为 600 一630nm ， 黄 光 为 580—600nm ， 绿 光 为 490—580nm ， 蓝 光 为 440—490nm ， 紫 光 为 380 ～440nm。波长大于 760nm 和小于 380nm 的太阳辐射，都是人眼看不见的光，即不可见光。波长大于 760nm 的光谱段叫红外光，可借助热的感受来察觉这种光的存在，地表热量基本上是由这部分太阳辐射能所产生的，其波长越大，增热效应也越大。波长小于 380nm 的光谱段叫紫外光，其中波长短于290nm 的部分被大气圈上层(乎流层 )的臭氧层吸收，所以紫外光部分真正射到地面上的多为波长在290～380nm 的光波。在全部太阳辐射中，红外光区占 50％～60％，紫外光部分约占 1％，其余的可见光部分为 39％一 49％。太阳辐射通过大气层而投射到地球表面上的波段主要为 290～3000nm，其中 被 植 物 色 素 吸 收 具 有 生 理 活 性 的 波 段 称 为 光 合 有 效 辐 射 (photo synthetically activeradiation，PAR)，为 380～740nm，这个波段与可见光的波段基本相符。可见光中对植物生理活动具有最大活性的是红橙光，其次是蓝紫光。植物对绿光吸收量最少，绿光多被叶子透射和反射，所以植物叶片多为绿色。在短波中，290—380nm 波长的紫外光能抑制茎的延伸，促进花青素的形成，而小于 290nm 波长的紫外光对生物有很强的杀伤作用，不过这部分光多被高空臭氧层所吸收。长波中的红外光不能引发植物的生化反应，但具有增热效应。所以，太阳辐射中各种不同波长的光对植物具有不同的光化学活性及刺激作用。光通过大气层后，一部分被反射，一部分被大气层吸收，只有一部分投射到地球表面。大气中水汽、CO2、02、O3、尘埃对太阳辐射吸收较多。水汽主要吸收红外线和红光， C02 主要吸收红外线和长波辐射，O3 主要吸收紫外线。云层、空气分子、尘埃、云雾滴等质点对太阳辐射具有反射作用和散射作用。因此到达地面的光随时随地在发生着变化。二、光的变化(一)大气中光的变化光照强度一般用能量单位 J.em-2.rain-1或 pmol.m-2.s-1来表示，测量某一生境的光照强度时，也可用照度单位勒克斯(1x)，主要指可见光部分。在地球大气层上界，垂直于太阳光的平面上所接受的太阳辐射强度是恒定的，为 8.12J.crn-2.min-1，这一数值称为太阳常数(solar constant)。太阳光通过大气层后，由于被反射、散射和被气体、水蒸气、尘埃微粒所吸收，其强度和光谱组成都发生了显著减弱和变化。在北半球投射到地面的太阳辐射强度平均为大气层上界平均强 度的 47％，其中直接辐射为24％，散射和漫射辐射为 23％。(二)地表的光照变化太阳光通过大气层到达地表，由于地理位置、海拔、地形和太阳高度角的差异，光照状况在不同地区以及不同时间都有差异，进而影响着地表的水热状况。光照强度随纬度的增加而减弱，这是因为纬度越低，太阳高度角越大，太阳光通过大气层的距离越短，地表光照强度就越大。在赤道，太阳直射光的射程最短，光照最强；随着纬度增加，太阳高度角变小，光照强度相应减弱。例如，热带荒漠地区年光照强度为 8．37X105·cm-2；而在北极地区，年光照强度不足 2．93X105J·cm-2，在中纬度地区年光照强度约为 5．02X105J·cm-2。在春分时，太阳辐射量在北纬 40*处比赤道附近约低 30％。光照强度还随海拔的升高而增强，这是因为随着海拔升高，大气层厚度相对减小，空气密度减小，大气 透 明 度 增 加 。 如 在 海 拔 1000m 的 山地可 获得 全 部 太 阳 辐 射 能 的 70 ％ ， 而 在 海 平 面上 只能 获 得 50％。坡向也影响光照强度。在坡地上，太阳光线的入射角随坡向和坡度而变化。在北半球纬度 30O以北的地区，太阳的位置偏南，南坡所接受到的光照比平地多，北坡则较平地少。这是由于在南坡上太阳的入射角较大，照射时间较长，北坡则相反，而且这种差异随坡度的增加而增加。在时间变化上，一年中以夏季光照强度最大，冬季最弱，一天中以中午光照强度最大，早晚最弱。日照长度反映每天太阳光的照射时数，即所谓的昼长。在北半球，夏半年(春分到秋分)昼长夜短，以夏至的昼最长，夜最短；冬半年(秋分到春分)则昼短夜长，以冬至的昼最短，夜最长。日照长度的季节变化随纬度而不同，在赤道附近，终年昼夜相等；随纬度增加，冬半年昼越短，夜越长；在两极地则出现极昼、极夜现象，即夏季全是白天，冬季全是黑夜。(三)树冠与植物群落中的光照变化照射在植物叶片上的太阳光有 70％左右为叶片所吸收，20％左右被叶面反射出去，通过叶片透射下来的光较少，一般为 10％左右。叶片吸收、反射和透射光的能力因叶片的厚薄、构造和绿色的深浅以及叶表面的性状不同而异。一般地说，中生形态的叶透过太阳辐射 10％左右，非常薄的叶片可透过 40％以上，厚而坚硬的叶片可能完全不透光，但对光的反射却相对较大，密被毛的叶片能增加反射量。太阳辐射波段不同，叶片对其反射、吸收和透射的程度不同。在红外光区，叶片反射垂直入射光的70％左右。在可见光区，叶片对红橙光和蓝紫光的吸收率最高，为 80％～95％，而反射较少，为 3％～10％。绿色叶片对绿光吸收较少，反射较多，为 10％-20％。在紫外光区，只有少量的光被反射，一般不超过 3％，大部分紫外光被叶片表皮所截留。一般地说，反射最大的波段透过也最强，即红外光和绿光的透过最强，所以在林冠下以红绿光的阴影占优势。在树冠中，叶片相互重叠并彼此遮阴，从树冠表面到树冠内部光强度逐步递减，因此，在一棵树的树冠内，各个叶片接受的光照强度是不同的，这取决于叶片所处位置以及与入射光的角度 的阳光，春季树木发叶后林地上可照射到 20％～40％的阳光，但在夏季盛叶期林冠郁闭后，透到林地的光照可能在10％以下。对常绿林而言，则一年四季透到林内的光照强度较少并且变化不大。太阳辐射透过林冠层时，光合有效辐射 (PAR)大部分被林冠所吸收，因此，群落内 PAR 比群落外少得多。针对群落内的光照特点，在配置植物时，上层应选阳性喜光的树种，下层应选耐阴性较强或阴性植物。三、城市光照条件在城市地区，空气中悬浮颗粒物较多，凝结核随之增多，因而较易形成低云，同时建筑物的摩擦阻碍效应容易激起机械湍流，在湿润气候条件下也有利于低云的发展。因此，城市的低云量、雾、阴天日数都比郊区多，而晴天日数、日照时数则一般比郊区少。城市地区云雾增多，空气污染严重，使得城市大气混浊度增加，从而到达地面的太阳直接辐射减少，散射增多，而且愈近市区中心，这种辐射量的变化愈大 (图 3—2)。周淑贞等对上海市多年太阳辐射情况进行调查分析，发现随着上海市区的扩大和工业的发展，太阳直接辐射量逐年减少。如 1958—1970 年太阳直接辐射量年均为 82．45W·m-2；1971—1980 年为 69．81W·m-2，下降 15．3％；1981—1985 年为 57 99W·iTl-2，下降 16．9％，而同期散射辐射量相应增加。由于城市建筑物的高低、方向、大小以及街道宽窄和方向不同，使城市局部地区太阳辐射的分布很不均匀，即使同一条街道的两侧也会出现很大的差异。一般东西向街道北侧接受的太阳辐射远比南侧多，而南北向的街道两侧接受的光照与遮光状况基本相同。街道狭窄指数 (即建筑物高度 H 与街道宽度 D 之比 N＝H／D)对街道光照条件有很大影响，建筑物愈高，街道愈窄，街道狭窄指数愈高，街道所接受到的太阳辐射愈弱。 周 淑 贞 等 调查西安市北墙在街道 狭 窄 指 数 N ＝1 ／2 的 情 况下， 6 月 可 照 时 间 为169．1l，约为南墙的 80%；当 N＝3／1 时，可照时间为 79，7h，约为南墙的 40％。建筑物的遮光作用与观测地点所处纬度及观察季节密切相关，一般高纬度地区太阳高度角较小，建筑物遮光的作用相对较大。据测定，在建筑物的北侧，夏至正午时，阴影边缘在相当建筑物高度 0．4 倍的地方，每天遮光 0～4h；春分和秋分在建筑物高度 0．9 倍的地方，每天遮光 4h 以上；冬至时阴影范围扩大，正午时阴影边缘相当于建筑物高度的 2．2 倍，每天遮光时间更长。由于建筑物遮光，园林植物的生长发育会受到相应的影响，特别是在建筑物附近生长的树木，接受到的太阳辐射量不同，极易形成偏冠，使树冠朝向街心方向生长。四、光污染光污染(light po11ution)是指环境中光辐射超过各种生物正常生命活动所能承受的指数，从而影响人类和其他生物正常生存和发展的现象。光污染是我国城市地区呈上升趋势的一种环境污染，近些年开始受到重视。光污染一般可以分为人造白昼污染、白亮污染和彩光污染三种。(一)人造白昼污染 随着人类社会的进步和照明科技的发展，城市夜景照明等室外照明也得到了很大的发展，但同时也加大了夜空的亮度，产生了被称做人造白昼的现象，由此带来的对人和生物的危害称为人造白昼污染。它形成的原因主要是地面产生的人工光在尘埃、水蒸气或其他悬浮粒子的反射或散射作用下进人大气层，导致城市上空发亮。天空亮度的增加加大了天文观测的背景亮度，天空等级越来越小，能看到的星星数量越来越少，从而使天文观测工作受到影响。我国紫金山天文台也受到了城市人造白昼污染的严重困扰。人造白昼的人工光会影响人体正常的生物钟，并通过扰乱人体正常的激素产生量来影响人体健康。如褪黑素主要在夜间由大脑分泌，它有调节人体生物钟和抑制雌激素分泌的作用。夜晚亮光的照射会减少人体内褪黑素的分泌，从而导致人体雌性激素以及与雌性激素有关疾病的增加。人造白昼的人工光对生物圈内的其他生物也会造成潜在的和长期的影响。人造白昼影响昆虫在夜间的正常繁殖过程，许多依靠昆虫授粉的植物也将受到不同程度的影响。直射向天空的光线可能使鸟类迷失方向，而以星星为指南的候鸟可能因为人造白昼而失去目标。植物体的生长发育常受到每日光照长短的控制，人造白昼会影响植物正常的光周期反应。(二)白亮污染白亮污染主要由强烈人工光和玻璃幕墙反射光、聚焦光产生，如常见的眩光污染就属此类。建筑物上的玻璃幕墙反射的太阳光或汽车前灯强光突然照在高速行驶的汽车内，会使司机在刹那间头晕目眩，看不清路面情况，分不清红绿灯信号，辨不清前方来车，容易发生交通事故，因此在高速公路分车带上必须有 1m 多高的绿篱或挡光板。茶色玻璃中含有放射性金属元素钴，它将太阳光反射到人体上，时间较长容易使人受放射性污染，从而破坏人体的造血功能，引发疾病。因此，在城市地区和交通干线两侧，建筑玻璃幕墙应该慎重处理，根据周围环境确定好适宜的方向、角度和面积大小等。为了减少白亮污染，可加强城市地区绿化特别是立体绿化，利用大自然的绿色植物砌墙，建设“生态墙”，从而减少和改善白亮污染，保护视觉健康。（三)彩光污染各种黑光灯、荧光灯、霓虹灯、灯箱广告等是主要的彩光污染源。研究表明，彩光污染不仅有损人的生理功能，还会影响心理健康。黑光灯所产生的紫外线强度大大高于太阳光中的紫外线，且对人体有害影响持续时间长。紫外线能伤害眼角膜，过度照射紫外线还可能损害人体的免疫系统，导致多种皮肤病。长期在黑光灯照射下生活，可诱发流鼻血、脱牙、白内障，甚至导致白血病和其他癌变。闪烁彩光灯常损伤人的视觉功能。并使人的体温、血压升高，心跳、呼吸加快。荧光灯可降低人体钙的吸收能力，使人神经衰弱，发生性欲减退、月经不调等身体疾病。研究还证实蓝光和绿光在夜间对人体危害尤为严重。日光灯缺乏红光波段，且光谱不连贯，不符合人们的生理要求，对人的健康也有害。英国剑桥大学博士威尔士所做的研究表明，日光灯是引起人偏头疼的主要原因。城市管理者要立足生态环境的协调统一，对广告牌和霓虹灯加以控制和科学管理，注意减少大功率强光源，并加强园林绿化工作，多植树、栽花、种草和增加水面，以改善城市光环境。