半岛平台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)。
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,为了稳定环境半岛平台,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~
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?
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!
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] 。
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。
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。
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。
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半岛平台、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]。
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。
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]。
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,纸质较革质叶片,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]。
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。
[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.
[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,王丽勉半岛平台,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.
这样的过程大概能让植物拥有每平米5瓦的效率来吸收太阳辐射。相比于太阳的辐射到地面的强度(温带地区约摸600瓦/平米)这当然不算降温上的大贡献。
反射,植物叶面吸收太阳光也同时意味着对其后面部分的遮挡,更重要的是,页面角质层有反射太阳光的效果,这在一定程度上也降低了下方辐射得热。
对流,叶面接受和反射太阳光在其表面部分势必产热,但是植物叶面的集合并不是铁板一块,相反拥有很多孔隙和层叠,这提供了空气渗透的机会,在气流运动下,部分叶片表面热量还来不及传递下来就被带走。
蒸发,植物的蒸腾作用牵引土中水源,通过叶片蒸发的水分也在水分液态转化成气态时需要大量的能量。故而降低了周边温度。
以上三条都在暗示不同的植物种类将带来不同的温度上的控制(角质层厚度,树叶覆盖率和疏密程度以及对于水的需求)。我没有不同绿化降温的数据,但是比照这三点应该对你在选择上有指导作用。
另外,绿化的使用不但可以当成对室内空间优秀的隔热措施,对于周边室外空间也同样有用。我用张课堂讲义的对照图:
绿化墙面的温度相比之前的裸墙面在迎光面下降了20°C,而行人感受到的温度的温度下降为34°C。
你说蒸腾,那你就简单理解为人类出汗吧,汗水蒸发,从液态到气态吸热不升温;同时液态水从植物内部温度较低的部分扩散到温度较高的植物表面,从空气吸收热量,水的比热容比空气大,因而升温少,达到降温。但这些的效果相当小啊。
(如果你被问到这一特性造成了哪种地理气候,答:温带海洋性气候,北纬30-60度大陆西海岸地区,代表城市:伦敦,西雅图。)
各种植物都有自己的最适温度,还有它们所能忍耐的最高和最低温度,同一种植物在不同的生长时期,对温度的要求也不一样。在冬季有一个耐寒力的问题,在夏季有一个耐热力的问题,这些都是影响园林植物栽培成败的重要因素。
植物生长发育的最适温度,以及能忍耐的最低温度、最高温度称为温度“三基点”。 由于园林植物种类不同,原产地气候条件不同,因此不同植物温度“三基点”就有很大差异。
如原产热带的植物,生长的基点温度较高,一般在18℃左右开始生长;而原产温带地区的植物,生长的基点温度较低,一般在10℃左右开始生长;原产亚热带地区的植物,基点温度介于二者之间,一般在15~16℃开始生长。
一般来说,园林绿化植物的最适生长温度为25℃左右,在最低温度到最适温度范围内,随着温度升高生长加快;而当超过最适温度后,随着温度升高生长速度反而下降。
2.不同生长发育时期对温度的要求同一种植物在不同的生长发育时期对温度的要求亦不同。
比如一年生花卉,种子发芽要求较高温度,而幼苗期要求温度较低,以后随着植株的生长发育,对温度的要求逐渐提高;二年生花卉,种子发芽要求温度偏低,幼苗期要求温度更低,以利于通过春化阶段,而开花结果期,则要求的温度稍高半岛平台。 园林植物的正常生长还需要一定的昼夜温差。
一般热带植物的昼夜温差为3~6℃,温带植物为5~7℃,而仙人掌类则为10℃以上半岛平台。昼夜温差也有一定范围,并非越大越好,否则不利于植物的生长。
3.不同植物花芽分化、发育对温度的要求植物种类不同,花芽分化、发育所要求的温度也不同。
许多在春季开花的花木如牡丹、丁香、榆叶梅、海棠、桃花、杜鹃、山茶、梅花和樱花等,一般于6~8月期间气温在25℃以上时进行花芽分化,入秋后,植物体经过冬季的低温越冬后在春季开花。 许多球根观赏植物的花芽分化也是在夏季较高温度下进行的。在夏季生长期进行花芽分化的有唐菖蒲、美人蕉、晚香玉等春植球根类植物;在夏季休眠期进行花芽分化的有水仙、郁金香、风信子等秋植球根类植物,这类植物进入夏季后,地上部分枯死,球根进入休眠状态,此时温度不宜过高,通常最适温度为17~18℃,超过20℃,花芽分化就会受到影响。
原产温带和寒带地区的园林植物以及高山花卉,多要求在20℃以下比较凉爽的气候条件下进行花芽分化。如八仙花和卡特兰属、石斛属的某些种类在13℃左右和短日照条件有利于花芽分化;许多秋播草花如金盏菊、雏菊、三色堇等,在春季花芽分化时要求温度较低。
温度对于分化后花芽的发育也有很大影响。有些植物花芽分化温度较高,而花芽发育则需一段低温时间,如一些春花类木本植物在冬季的低温下使花芽进一步发育。又如郁金香的球根,20℃左右处理20~25d能促进花芽分化,其后2~9℃处理50~60d,能促进花芽发育。
在植物生长发育过程中,突然的高温或低温,会使植物受到损伤,严重时会导致死亡。不同植物对低温的抵抗力不同,同一种植物不同的生长状态对低温的忍受能力也不相同。休眠种子的抗寒力最高,休眠植株的抗寒力也较高,而生长中的植株抗寒力明显下降,但是经过秋季和初冬冷凉气候的锻炼,可以增强植株忍受低温的能力。
植株的耐寒力除了与本身遗传因素有关外,在一定程度上是在外界环境条件作用下获得的。在生产中增强植物耐寒力是一项非常重要的工作,在温室中养护的花卉或在温床中培育的幼苗,在移出温室或移植露地前,必须采取措施逐渐降温,同时加强通风,以提高植物对低温的抵抗能力。在花卉植物的养护过程中增施磷、钾肥,少施氮肥,也是增强抗寒力的栽培措施之一。
高温可对园林植物造成伤害。当温度超过植物生长的最适温度时,便会导致植物生长速度下降,如继续升高,则会引起植物体失水甚至使植株死亡。不同种类的植物耐热能力不同,一般耐寒力强的植物其耐热力弱,而耐寒力弱的植物其耐热力较强
。一般当气温达35~40℃时,可导致很多植物生长缓慢甚至受到伤害。 为防止高温对植物造成伤害,应经常保持土壤湿润,以促进蒸腾作用的进行,降低植物体的温度。栽培管理实践中常采取灌溉、松土、叶面喷水、设置荫棚等措施来降低高温对植物的伤害。
由于植物原产地气候条件不同,所以耐寒力有很大差别。通常按耐寒力的强弱,将园林植物分为以下三类:
此类植物大多原产温带或寒带地区,主要有露地二年生花卉、部分宿根花卉、部分球根花卉等,这些植物抗寒力强,能耐-5~-10℃的低温,在我国北方大部分地区可露地生长。如二年生的三色堇、羽衣甘蓝、雏菊、金鱼草、金光菊等;宿根的蜀葵、玉簪、耧斗菜、荷兰菊、菊花等;球根的郁金香、风信子等;木本的碧桃、腊梅、牡丹等。
这类植物大多原产温带南端和亚热带北端地区,耐寒力介于耐寒性与不耐寒性植物之间,在北方冬季需要防寒越冬,在长江流域可安全越冬。常见种类有紫罗兰、金盏菊、鸢尾、石蒜、葱兰、石竹、福禄考等。
此类植物大多原产热带、亚热带地区,主要有一年生花卉、春植球根类花卉和不耐寒的多年生观赏植物即温室植物。
这类植物在生长期间要求的温度较高,不能忍受0℃以下温度,甚至在5℃或更高温度下即停止生长或受到伤害。 不耐寒的多年生草本或木本观赏植物,在北方不能露地越冬,需在温室内养护而被称为温室植物。温室植物的原产地不同,对越冬温度的要求也不同。温室植物又可分为以下三类:
(1)低温温室植物。大部分原产温带南部,为半耐寒性植物。生长期间如温度高于0℃,一般不会出现严重冻害,但要维持植株生长,温度最好保持在5℃以上。如报春、小苍兰、紫罗兰、瓜叶菊、倒挂金钟等。
(2)中温温室植物。此类植物大多原产亚热带及温度不高的热带地区,生长期间要求温度为8~15℃。如肾蕨、仙客来、橡皮树、龟背竹、棕竹等。
(3)高温温室植物。此类植物原产热带地区,生长期间要求温度在15℃以上,也可高达30℃左右。常见种类有王莲、热带兰、变叶木、龙血树等。
1 热量平衡: 树冠截获的净太阳辐射(吸收率0.7,反射率0.2)+长波辐射=同化存储的能量+显热+潜热
光合作用存储为化学能占的部分1-2%,一般可以忽略不计,所以树冠作为大叶模型截获的辐射能量转化为了显热和潜热
2 显热:树冠上表面的叶片储热有限(不像水体),温度非常高,加热了树冠上层空气温度(高于同高度空气温度),而中下层树冠储热的同时温度低。显热与叶气温差、对流速度成正比。相应的,透射率0.1,树冠下地表获取的辐射很少了,温度低
3 潜热:植物蒸腾散湿,伴随相变的汽化潜热,跟散湿量E直接相关,散湿量或者散湿效率与植物气孔阻力、空气阻力成反比,与水蒸气分压差和对流速度成正比
1针对短波辐射,植物可以反射和吸收,透射下去的短波辐射很少,站过树荫下面的懂的都懂。
2对流,树荫下的冷源会和周边热空气发生对流,但这个自然状态下很微弱,其实气流方面,能量是守恒的,植物更多是fraction衰减风速,你家阳台对面种三排水杉挡上试试。
3传导和对流,即植物蒸腾作用的水分显热和潜热交换,植物也表面气孔的热湿耦合,但这个不好说
总结下来主要还是吸收了辐射,树荫下的空气和地面没有热量温度就低了,但比单位体积水体效果应该差。