城市热岛效应与高温事件频率上升,使得城市绿地和街头行道树的冷却潜力成为缓解城市热风险的重要手段。树木通过遮荫和蒸散作用将感热转化为潜热,从而降低周边的空气与辐射温度。然而,蒸散冷却(evaporative cooling)的效率高度依赖于土壤含水量。理解土壤水分、树木生理与城市空间形态如何共同影响行人热舒适,对于在水资源有限的背景下合理配置绿地、设计灌溉策略并制定应急适应方案具有直接实践价值。 从物理过程上看,树木的冷却途径主要包括遮荫效应和蒸散作用。遮荫通过拦截短波太阳辐射,减少地面和建筑表面的热吸收,从而直接降低平均辐射温度(mean radiant temperature)。
蒸散作用则由植物叶片气孔蒸腾、冠层截留水分蒸发以及土壤表面直接蒸发三部分组成。蒸散过程中,水分从液态转为气态吸收大量潜热,降低叶温和近地面空气温度。相比于遮荫,蒸散对空气湿度更敏感,其冷却幅度会随土壤含水量的变化而明显不同。 土壤含水量与蒸散冷却的关系并非线性可加。当土壤水分充足时,植物的蒸腾速率可以达到一个相对恒定的最大值(ETmax),此时蒸散主要受环境能量和气象条件限制。随着土壤水分下降到某一临界点(incipient stomatal closure),气孔开始部分或完全闭合,植物蒸腾受到抑制,蒸散冷却能力下降;再进一步干旱至永久萎蔫点,则叶片失水,应激明显,植物蒸散几乎停止,只有土壤表层残存的直接蒸发能够贡献少量冷却效果。
因此,在城市尺度上,能否维持土壤在支持植物正常蒸腾的水分范围,直接决定了绿地在热事件中能否发挥显著降温作用。 城市形态与风场也显著影响蒸散冷却的用途化。高密度建筑和窄街区限制通风与湿气扩散,使蒸散产生的冷湿气团难以被有效带走,从而降低蒸散对周边更广范围的空气降温贡献。相反,低密度与开放式的局地气候区更容易将冷却效应扩散,使行人更容易获益。研究还显示,树冠高度、冠幅与配置方式会改变遮荫面积、太阳辐射分布以及土壤蒸发条件,进而影响综合冷却效果。因此,空间设计与植被布局决定了同等水分投入下的冷却收益差异。
近期针对苏黎世的多尺度数值模拟研究,为土壤水分与城市树木冷却之间的关系提供了可操作的证据。研究采用气候-城市局地气候模型耦合方式,构建代表不同局地气候区(Local Climate Zones,LCZ)的简化街区模型,逐步改变树木覆盖、土壤相对含水量与天气情景(常年夏日与极端高温日),并以UTCI(Universal Thermal Climate Index)作为行人热舒适的量化指标。结果表明,在常年夏日条件下,通过增加树木覆盖并将土壤保持在接近田间持水量的高含水状态,可以在开放型中低层建筑区域产生"无热应激"的热舒适空间,主要贡献来自直接土壤蒸发与遮荫的共同作用。而在密集城市区,即便大规模种植并持续灌溉,达到无热应激的门槛也更困难。 该研究还揭示了一个关键结论:土壤处于完全灌溉并接近田间持水量时,直接土壤蒸发对近地面热舒适的贡献不可忽视。换言之,许多传统研究仅将蒸散冷却等同于树冠蒸腾,忽略了裸土或透气覆盖面在蒸发冷却中的作用,会低估总体冷却潜力。
模拟显示,在高水分情景下,遮荫与蒸散各自可以带来可比的UTCI降幅,合力显著改善行人热舒适。然而,在极端高温或热浪情景下,即使是大面积植树并持续灌溉,蒸散冷却也可能不足以消除热应激;这是因为高温会使叶温升高触发气孔关闭,限制蒸腾,同时空气的高饱和度削弱蒸发潜力。 城市管理者面临的现实问题是,维持土壤高含水量需要额外水资源投入。在模拟情景中,将土壤从永久萎蔫点补至植物能达到最大蒸腾的临界含水量,所需的每立方米土体水量显著;而进一步将土壤补至田间持水量则需要额外水量约为前者的一小部分。对于具体的土壤剖面与树种,维持田间持水量的日均灌溉量估算通常落在每平方米数升的范围。尽管总量看似不大,但城市尺度上累积水耗量仍然可观。
因此在供水紧张或追求可持续用水的背景下,如何平衡冷却效益与水资源管理成为核心策略问题。 在权衡用水与冷却效益时,需要考虑多重治理策略以提高水分利用效率与冷却回报。首先,优先在低密度开放区或公园内进行大面积树群种植,这些区域的冷却回报率更高且蒸散冷却更容易扩散为行人可感知的温度降低。其次,将树木成片种植以增加遮荫并减少地表辐射加热,有助于延缓土壤水分蒸发速率,从而降低灌溉频率。第三,采用智能灌溉系统,根据天气预报与土壤水分监测实现按需灌溉,在热浪来临前合理补水以保证关键时段的蒸散能力,而在降雨或非高温期减少人工补水以节约用水。 另一个需要注意的管理冲突是覆盖物(mulch)使用。
覆盖物能显著减少土壤水分蒸发、促进植物生长并维护土壤生物多样性,但在增强蒸散冷却需求时,覆盖物可能抑制直接土壤蒸发这一有益冷却来源。因此,城市绿地管理需在保育植物健康与短期热舒适之间找到平衡,可以考虑在热浪时段有选择性地减少覆盖层厚度或调整灌溉方式,使水分能够在冠下浅层蒸发,同时避免长期裸土引发的水土流失和扬尘问题。 树种选择与植栽管理也会影响蒸散冷却的可持续性。不同树种在耐旱性、气孔响应、冠层结构与叶片特征上差异显著。有些"冒险型"或称异水型(anisohydric)的植物在干旱条件下仍保持较高的蒸腾率,能在短期高温中继续提供冷却,但长期来看可能承受更高的水势损伤风险。选择本地适应性强、根系发育良好且冠幅适中、易形成成片遮荫的树种,结合合理的栽植空间,可以在降低维护成本的同时提高长期冷却绩效。
新栽植的幼树需要数年时间建立完整冠层与根系,才能发挥文献中所描述的最大冷却效果,因此城市绿化策略应兼顾短期植栽与长期树木群落发展。 尽管数值模拟提供了宝贵见解,但也必须认识到模型的不确定性与局限性。微气候模型对夜间热量存储、城市复杂建筑热惯性及局地水文过程的模拟仍存在偏差;模型参数化依赖于土壤类型、根深、灌溉深度与植物生理参数等,对不同城市或气候区的推广需谨慎。因此,城市推行相关策略时应结合实地监测,收集树下与周边的气温、相对湿度、风速和辐射数据,以校准模型并评估真实世界中的冷却效果。 面向未来,气候变化背景下极端高温事件更为频繁与强烈,单一绿化措施难以完全替代建筑适应措施与主动冷却策略。在规划层面,应将被动冷却(树荫与蒸散)、城市规划(通风廊道与地表材料)、以及应急响应(临时避暑点与公共冷却中心)结合起来,形成多层次、跨部门的热风险应对体系。
与此同时,应优先在社会脆弱群体集中的社区增加绿地供给与灌溉保障,以减少热暴露不平等带来的健康风险。 总之,土壤含水量是连接城市水循环与树木冷却功能的关键纽带。在资源有限的城市现实中,通过精准灌溉、合理树种与成片植栽、以及结合城市形态设计,可以让有限的水资源发挥出更大的热舒适改善效果。但在极端高温情景下,绿化本身的缓解能力存在上限,需要与一系列建筑与社会适应措施协同实施,才能有效保护城市居民免受热害侵扰。通过科学的监测、情景化模型与本地化管理实践,城市治理者可以优化水与绿地的综合配置,实现更加可持续的热环境改善与公共健康防护。 。
