2024, Vol. 44文章信息
- 孙睿霖, 王成, 张昶, 殷鲁秦
- SUN Ruilin, WANG Cheng, ZHANG Chang, YIN Luqin
- 基于人体健康的3种城市森林夏季林内紫外线辐射环境特征比较研究
- Comparing the summer ultraviolet radiation characteristics in the shade of 3 urban forests based on human health effects
- 生态学报. 2024, 44(4): 1491-1500
- Acta Ecologica Sinica. 2024, 44(4): 1491-1500
- http://dx.doi.org/10.20103/j.stxb.202212133581
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文章历史
- 收稿日期: 2022-12-13
- 网络出版日期: 2023-11-27
2. 国家林业和草原局林木培育重点实验室, 北京 100091;
3. 国家林业和草原局城市森林研究中心, 北京 100091
2. Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, National Forestry Administration, Beijing 100091, China;
3. Urban Forest Research Center, National Forestry and Grassland Administration, Beijing 100091, China
日光中以中波紫外线(UV-B)为主的紫外辐射(ultraviolet radiation, UV)穿透能力较强, 生物效应明显, 其对人体健康的影响具有两面性[1]：一方面, 会引起皮肤红斑效应, 造成皮肤色素沉着、晒伤, 过度暴露还会带来皮肤癌风险等危害；另一方面, 90%以上人体所需维生素D依赖于紫外线照射皮肤后合成[2], 照射不足会导致佝偻病等维生素D缺乏症状[3]。林木树冠能极大削减日光中的紫外辐射, 提供温和的紫外线照射环境, 这一特性受到国内外学者关注。在澳洲和北美等地区, 由于皮肤癌等紫外线引起的疾病高发, 围绕林下紫外线辐射特征及影响因素开展了大量研究。从分布来看, Parisi、Grant分别对独立木树荫测量发现, 越靠近树干, UV-A与UV-B的光通量密度较光合有效辐射(PAR)衰减得更快, 树荫下与林外的紫外线绝对辐照度比值随紫外线波长的增加而降低, UV-B与PAR比值也呈下降趋势[4—5], Parisi另一研究测算了不同季节桉树树荫下红斑紫外线在人体不同部位的暴露强度[6]；从绿化模式来看, Grant研究表明, 合理的树木栽植方式能够改善环境总体紫外线防护系数(UPF), 片林林荫最优, 而成排种植形式能够在树冠覆盖不足时提供高UPF值[7]；从树种和树冠结构对林下紫外辐射的影响来看, Ysasi比较了两株不同树木对红斑紫外线的遮挡能力, 当皮肤暴露面积低于27%时, 两种树木都能为人体提供有效屏障, 但相比枝叶较疏的松树, 枝叶较密的垂柳对红斑紫外线的屏蔽能力更强也更稳定[8]；Downs利用遮阴指数(SPI)和UPF对澳大利亚昆士兰州不同城市21株树木的树荫质量进行评价排序, 发现同一树种树冠对紫外线的遮蔽能力有随纬度升高而下降的趋势[9]；Sivarajah比较了64株16种树木树冠的紫外线遮蔽能力及其与树种和林冠特征的关系, 发现耐阴性较高的树种紫外线遮蔽能力更强, 树冠透明度和树冠半径与冠高之比是确定单株树木紫外线遮蔽能力的最佳预测因子[10]。这些研究既有通过实测, 也有依据Gao等人建立的冠层下UV-B辐射模型[11]获得林下紫外线数据。我国学者也研究分析了林冠对紫外线的屏蔽率及树种间差异[12—14], 戴忠炜认为, 林下UV-B辐射主要受林冠叶面积指数影响[15]；而郑思俊认为影响因素还包括群落高度和枝下高等冠层特征[16]。总体上, 国外对林内紫外辐射特征和机理的研究较为深入, 但多以独立木树荫为研究对象, 而国内均以光强为测量指标, 缺乏光谱层面的研究。同时, 国内外研究多关注紫外辐射不利的一面, 并以高紫外线屏蔽率更为有利为前提提出结论。实际上, 相比紫外辐射过量引起的红斑效应, 因紫外线照射不足造成的维生素D缺乏现象在我国更为普遍[17—19]。为了探究林下紫外线光强、光质和人体作用光谱等特征是否存在树种间差异, 本研究选取北京地区广泛应用的3种城市林荫树种, 对其林分夏季林下紫外线辐射状况进行了连续观测和实验分析, 以期为合理选择城市森林树种, 营造具有健康光环境的城市游憩林提供依据。
1 研究方法 1.1 研究区概况研究区位于北京通州区东郊森林公园(39°57′50″—40°17″N, 116°40′3″—48″E, 海拔20m), 该园是2013年建成的城市郊野公园。园内种植有数十种乡土树种, 林分主要为块状混交林, 种植密度均匀, 林下为自然地被, 代表了典型的北京平原区城市游憩林风貌。公园周边无高大建筑群, 园内地形开阔平坦。
1.2 样地林分特征研究树种选择近年来北京行道树和游憩林应用较多的3个乡土树种[20—21], 包括国槐(Sophora japonica, SJ)、栾树(Koelreuteria paniculata, KP)和元宝枫(Acer truncatum, AT), 各树种林分面积均超过8.5亩, 样方设置于远离林缘的林分内部, 大小为10m×10m, 林下为自然地被。不同于以往很多研究选择城区孤植树或单排种植行道树, 本研究各样方内冠层结构相对单一整齐, 林内具有相对独立的林下光环境(图 1), 减小了来自林缘、建筑和地面铺装对光环境的影响[22]。利用冠层分析仪(美国LI-COR, LAI-2200)测量林分叶面积指数(LAI)、无截取散射(DIFN)和平均叶倾角(MTA)等冠层结构指标, 还测量了样方内每株乔木的树高、冠高、冠幅、胸径和株间距。从表 1可以看出, 三种林分间树高、冠高和株间距差异不显著, 国槐林的胸径指标和元宝枫林的冠幅指标略高于另外两个林分；冠层结构上, 林分叶面积指数由高到低依次为栾树林、元宝枫林和国槐林, 叶面积指数越高, 截取散射越小；国槐林的平均叶倾角略高于另两个林分。
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| 图 1 利用全景相机拍摄的样方冠层影像 Fig. 1 Canopy image in plots taken with panoramic camera |
| 样地 Plots |
胸径 DBH/cm |
树高 H/m |
冠高 CH/m |
冠幅 CD/m |
行株距 RS/m |
叶面积指数 LAI |
无截取散射 DIFN |
平均叶倾角 MTA |
| SJ | 19.83±1.52a | 10.19±1.35a | 7.52±1.26a | 4.61±0.63b | 4.04±0.55a | 1.84 | 0.24 | 52.31 |
| KP | 16.24±1.99b | 10.73±1.36a | 7.68±0.24a | 4.53±0.65b | 4.47±.47a | 4.36 | 0.03 | 45.8 |
| AT | 17.18±1.42b | 9.86±1.59a | 7.8±1.28a | 6.55±1.53a | 4.72±1.17a | 3.01 | 0.1 | 45.66 |
| SJ：国槐林Sophora japonica；KP：栾树林Koelreuteria paniculata；AT：元宝枫林Acer truncatum；DBH：胸径Diameter at breast height；H：树高Tree hight；CH：冠高Crown hight；CD：冠幅Crown diameter；RS：行株距：Row spacing；LAI：叶面积指数；DIFN：无截取散射；MTA：平均叶倾角; 不同小写字母表示不同林分间差异显著(P＜0.05) | ||||||||
紫外线测量时间为2021年8月6日, 在晴朗天气, 根据居民日常户外活动规律, 从8:00至16:00, 每2小时对3种林分林内和开阔无遮挡对照点紫外线辐射进行一次观测, 各组指标控制在半小时内采集完毕。紫外光绝对辐照度采用安装了余弦校正器的微型光纤光谱仪(美国Ocean Optics, FLAME)进行采集。数据采集期间, 光纤探头向上置于操作员头顶上方距地面约1.7m位置, 操作员在10×10样方内匀速平稳走动, 路径覆盖样方范围, 获取途经各点的紫外线光谱数据, 每次能够采集各样方内光谱数据100个以上。研究波段范围划分为UV-B(280—315nm)、UV-A(316—400nm)和全UV(250—400nm)。
1.4 数据处理利用R、Excel、Origin等软件对光谱数据进行统计分析和作图。首先对光谱数据进行预处理, 使绝对辐照度值在波长上以1nm递进, 利用采样中位数进行统计描述和绘制光谱图。
1.4.1 紫外线辐射强度和光质特征分析对各波长上绝对辐照度测量值进行积分, 得到各紫外波段的总辐射强度。紫外总辐射强度的样方间比较使用Kruskal-Wallis非参数检验, 并用Dunn法进行多重比较。借鉴Parisi的遮荫比(Shade Ratio, SR)指标[8], 即林内辐射强度与天空辐射强度的比值, 反映林冠对紫外辐射的总体屏蔽能力及其在光谱上的分布。
紫外辐射引发人体皮肤红斑或促发维生素D合成的能力随波长改变。从国际照明委员会(Commission Internationale de l′Eclairage, CIE)制定的红斑效应和维生素D合成效应参照谱(图 2)可以看出, 紫外线维生素D合成效能在298nm处达到最高值, 而红斑作用效能从298nm处开始衰减, UV-B对这两种人体作用的贡献要大于UVA。因此, 对不同环境中UV-B在紫外总辐射强度中的占比UV-B/UV进行比较, 采用双因素方差分析和Scheffe检验。
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| 图 2 紫外红斑效应和维生素D合成效应加权参照谱 Fig. 2 Erythema action spectrum and the production of pre-vitamin D3 Action Spectrum |
通过对UV光谱进行上述两种人体效应参照谱加权[23—25], 形成不同环境中紫外红斑效应和维生素D合成效应谱。进一步将两个光谱进行积分, 获得红斑效应有效辐射强度(UVer)和VD合成有效辐射强度(UVVD)。用UVVD/UVer比值分析两种作用的变化和环境差异[26]。UVVD/UVer比值的均值间比较, 采用双因素方差分析, Scheffe检验。
2 结果与分析 2.1 林内紫外线辐射环境特征 2.1.1 林内紫外线辐射强度特征从图 3可以看出, 林外紫外线辐射强度呈单峰型, 正午达到峰值, 为2829.09μW/cm2, 比早晚时高1683.06μW/cm2, 增加了一倍多。林内紫外辐射强度日变化趋势与林外一致, 三种林分12:00紫外辐射强度分别为国槐林296.43μW/cm2、栾树林129.58μW/cm2、元宝枫林88.35μW/cm2, 比早晚平均紫外线强度提高了191.36μW/cm2、38.36μW/cm2和43.06μW/cm2。非参数检验显示, 同一时段不同林分间林内紫外线强度均存在极显著差异, 其中8:00(χ2=113.98, P＜0.001)、10:00(χ2=83.93, P＜0.001)、12:00(χ2=113.24, P＜0.001)、14:00(χ2=168.85, P＜0.001)、(χ2=174.5, P＜0.001)。
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| 图 3 不同样地紫外线绝对辐照度日变化 Fig. 3 Diurnal variation of UV absolute irradiance in different plots |
进一步将胸径、冠幅、叶面积指数、无截取散射和平均叶倾角5个具有显著差异的林分特征参数与林下紫外线绝对辐照度进行相关分析, 判断影响林内紫外辐射强度的主要影响因素。结果表明, 林内UV强度与胸径、无截取散射和平均叶倾角呈显著正相关关系, 与叶面积指数呈显著负相关关系(表 2)。可见林内UV辐射强度不仅受林外日光辐射变化影响, 也与冠层特征有较强的关联。
| 参数 Parameters |
紫外辐射 UV radiation |
胸径 DBH |
冠幅 CD |
叶面积指数 LAI |
无截取散射 DIFN |
平均叶倾角 MTA |
| 紫外辐射UV radiation | 1 | 0.77637** | -0.55189 | -0.62287* | 0.74408** | 0.85091** |
| P | — | 0.00298 | 0.06283 | 0.03051 | 0.00552 | 0.00045 |
| *：显著相关性P＜0.05；**：极显著相关性P＜0.01 | ||||||
遮荫比SR (Shade Ratio)是林内与林外UV辐射的比值, 该值反映林分对紫外辐射的屏蔽能力。各林分全天SR值在0.03—0.1不等(图 4), 其中国槐林全天SR平均为0.09, 栾树林为0.06, 元宝枫林为0.04。元宝枫在各时段的SR值均低于另外两个树种, 全天的波动幅度最小, 为0.02, 说明其对紫外辐射的屏蔽能力优于另外两个林分。
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| 图 4 不同树种紫外光强遮荫比SR值日变化 Fig. 4 Changes of Shade ratio (SR) in different tree shade |
对林内紫外光谱SR值进行平滑处理后, 获得该值随波长变化曲线(图 5), 进而了解林冠对不同波长紫外光的屏蔽效果。可以看出, SR在UV-B波段呈不规则变化, 且不同波长上的变化幅度较大, 而随着波长的增加, UV-A波段SR值趋于稳定。不同时段间主峰位置略有偏移, 但同一时段三种林分SR光谱分布曲线变化趋势基本一致, 主峰值位置有明显的一致性, 分别在265nm、285nm、293nm和301nm左右位置呈现波峰, 说明林冠对这些位置波长上紫外能量屏蔽能力较低。不同林分间存在个别SR峰谷值位置不一致的现象, 而这些异常值在同林分其他时段并无重复, 因此可认为是实测中产生的随机误差。
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| 图 5 不同样地内SR随波长变化曲线的比较 Fig. 5 Comparison of wavelength changing curves of SR in each plot 虚线示意位置一致的主波峰, 圆圈实线表示异常值 |
图 6显示了8:00、10:00和12:00紫外光谱能量分布情况。可以看出, 紫外光在UV-B波段能量较低, 增长缓慢, 300nm处的光谱曲线斜率为0.17；在接近UVA波段紫外光能量迅速增强, 315nm处斜率达1.07。在接近可见光的波段, 可以看到由太阳光谱暗线现象引起的若干明显的波谷。不同林分的紫外光谱曲线变化趋势和波峰、波谷的位置与林外基本一致, 辐射强度随天空日照增强或减弱, 但林内光谱变化幅度相对平缓, 说明林荫下光质分布更加均匀。
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| 图 6 8:00、10:00和12:00林内外UV光谱比较 Fig. 6 UV spectrum of different plots at 8:00, 10:00 and 12:00 |
对UV-B波段做进一步研究, 比较UV-B辐射在总UV辐射中占比(UV-B/UV)的差异。各样方内UV-B/UV呈正态分布, 通过双因素方差分析, 发现UV-B/UV在林内外和不同林分间(F=249.64, P＜0.05), 以及一天中不同时段间(F=187.74, P＜0.05)均有显著差异(图 7)。一天中, 林外UV-B/UV呈现午间高、早晚低的规律, 最大差值为0.006；林内UV-B/UV普遍高于林外, 且波动幅度较大, 在太阳高度角较大的10:00至14:00, UV-B/UV的变异性增强。总体上, 林内不同时段UV-B/UV值元宝枫林最高, 其次为栾树林, 国槐林最低；一天中UV-B/UV的最大差值为国槐林0.008、栾树林0.012和元宝枫林0.019。
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| 图 7 不同样方UV-B/UV日变化 Fig. 7 Changes in UV-B/UV for different plots 不同小写字母表示同时段不同样方间差异显著, 不同大写字母表示同样方不同时段的差异显著(P＜0.05) |
将紫外线各波长上的辐照度进行加权, 对紫外线的人体作用光谱特征进行分析。经过平滑处理, 图 8显示了12:00天空及林内的VD合成作用光谱和红斑作用光谱曲线。全日照下, VD作用光谱呈单峰形态, 在306nm处达到峰值；而林内的VD作用光谱在300nm前有较大波动, 三个林分均在288nm、295nm和304nm处有三处较明显的波谷, 同时峰值较全日照环境左移, 位于301nm、302nm处。全日照下的红斑作用光谱也接近单峰形态, 在297nm处为最高峰值；而各林分林下红斑作用光谱曲线呈现较明显的双峰形态, 均在284nm和299nm呈现峰值, 在290nm附近为谷值。其他时段的人体作用光谱曲线呈现相似的形态, 强度值随日光紫外辐射的强弱变化。
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| 图 8 12:00林内外紫外线人体作用光谱比较 Fig. 8 Human effects weighted UV spectrum in different plots at 12:00 |
对各时段加权光谱进行积分, 得到林内外各时段紫外线红斑效应和VD合成作用有效辐射强度(表 3)。一天中林内UVVD为林外的2.9%—15.06%, UVer为林外的2.32%—15.89%, 同一环境中的UVVD与UVer值接近。
| 时间 Time |
VD合成有效辐射UVVD VD production weighted irradiance |
红斑效应有效辐射UVer Erythemal weighted irradiance |
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| 天空 | SJ | KP | AT | 天空 | SJ | KP | AT | ||
| 8:00 | 8.57 | 1.29 | 0.84 | 0.65 | 8.87 | 1.41 | 0.91 | 0.72 | |
| 10:00 | 22.23 | 2.57 | 2.41 | 1.90 | 21.78 | 2.56 | 2.81 | 2.16 | |
| 12:00 | 28.29 | 3.39 | 1.47 | 1.25 | 26.60 | 3.22 | 1.26 | 1.24 | |
| 14:00 | 22.26 | 1.69 | 0.97 | 0.65 | 21.90 | 1.51 | 1.00 | 0.51 | |
| 16:00 | 8.82 | 0.84 | 0.97 | 0.50 | 9.59 | 0.99 | 1.12 | 0.59 | |
图 9显示了UVVD/UVer在不同时段和不同样地内的变化。对照点UVVD/UVer随太阳高度角升高而增加, 正午达到最高值1.06, 而各林分内该比值的变化波动较大, 无明显规律。一天中不同环境下UVVD/UVer在0.84—1.27间变化。全天UVVD/UVer平均值分别为国槐林0.99、栾树林0.95、元宝枫林0.98, 林外为1。对林内各样地UVVD/UVer进行双因素方差分析, 发现该值在不同林分间(F=2.49, P＞0.05)无显著差异, 但在不同时段(F=3.97, P＜0.01)具有显著差异。
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| 图 9 不同样方内UVVD/UVer日变化 Fig. 9 Changes in UVVD/UVer of different plots |
城市中的行道树、公园园林、社区绿化不光为城市居民提供宜人的小气候, 也营造了独特的光照环境。在炎炎夏日, 林冠能极大地减少太阳紫外辐射, 即便在正午时段, 林荫下的紫外辐射量仍能维持在较低水平[26]。本研究中3种片林对紫外辐射的削减量高达90%以上, 而根据Parisi、Grant等澳洲学者的测算, 孤立木树冠下紫外辐射削减量比例通常在50%左右, 即便是郁闭度较高、冠幅较大的独立树冠, 削减量也不会超过80%, 树干处阴影中的紫外辐射比树冠边缘处下降40%左右。可见, 相比孤立木或分散种植的绿化树木, 绿荫如盖的城市片林所营造的阴影更为均匀、覆盖面积更大, 因此具有更强的紫外线遮蔽能力。
通过相关性可知, 林内UV强度与胸径、无截取散射和平均叶倾角呈显著正相关关系, 与叶面积指数呈显著负相关关系。一般认为, 林冠密度越大, 林内辐射越低。林冠密度可由叶面积指数、无截取散射等参数反映。从冠层结构和辐射量数据对比可以看出, 叶面积指数较低、无截取散射最大的国槐林, 各时段林内紫外线辐射强度确实比其他林分更高。但3个林分中叶面积指数最高、无截取散射最小的栾树林, 在同一时段其林内紫外辐射强度并非最低, 反而是林冠密度略低的元宝枫林, 林内紫外辐射最小。根据齐亚东对30种美国常见阔叶树的研究, UV-B的屏蔽能力与叶片厚度有关[27]；Sivarajah的研究也显示, UV-B的屏蔽能力与树冠透明度等冠层结构因子有关。由此推测, 当冠层结构相近且林冠密度较大时, 不同树种叶片的薄厚或透光能力不同造成的林内紫外辐射强度差异得以显现。例如本研究中林冠密度较大的栾树林内紫外辐射强度略高于同时段元宝枫林, 是由于栾树有着更薄、更透光的叶片。
在光谱上, 不同林分内的紫外辐射光谱曲线变化趋势和波峰、波谷的位置基本一致, 说明不同树种对紫外光光质的改变没有明显差异。不同树种对UV-B波段不同波长的紫外辐射能量的屏蔽能力也具有一致性。各林分遮荫比在UV-A波段比UV-B波段更低且更稳定, 说明林冠对长波紫外线的屏蔽能力更强也更为均匀。UV-B与UV的比值也反映了林冠对UV-A和UV-B屏蔽能力的差异, 林内UV-B/UV普遍高于林外。但从辐射总量来看, 一是日光中UV-B辐射能量均远低于UV-A, 二是各林分内全天UV-B能量远低于林外, 林冠极大地削减和屏蔽了具有更强生物效应的UV-B, 因此, 与林内外UV-B总量的差异相比, 林内外UV-B/UV的细微差异恐怕不足以对人体产生明显的影响。
通过对环境UV辐射进行人体作用加权, 对UVer和UVVD两种作用光谱及作用强度进行分析, 发现二者能量差异很小, 其分异特征的实际意义可能不大, 但揭示了林冠对于日光紫外线人体作用光谱特征的改变。总体来看, 日光中红斑作用光谱的波形没有VD作用光谱陡峭, 说明紫外线红斑效应有效辐射波段更为宽泛、作用相对更均匀, 而林冠不仅降低了作用的强度, 也改变了人体作用光谱的分布, 特别是红斑效应光谱的分布。无论是林内还是全日照下, UVVD与UVer值接近, 林内外UVVD/UVer无显著差异, 计算值在1左右。而在McKenzie的研究中, 树荫下UVVD/UVer值略高于全日照下比值, 其计算比值接近2。这一差异可能是由于VD效应加权紫外线受臭氧环境和和太阳天顶角(SZA)影响很大, 导致其日变化、季节变化和地理变化比红斑效应加权紫外线更明显, 使不同实验地区的比值结果略有不同[28]。
综上, 北方城市建设林荫空间时, 在配置模式上, 应优先考虑营造林冠郁闭的小片林[29]；在树种选择上, 可考虑选用平均叶倾角小、叶面积指数大、叶片较厚的落叶树种[30—31], 以兼顾不同季节的紫外辐射强度变化以及人体需求。同时，由于林冠对紫外线较强的屏蔽能力，在养老机构、老龄化社区等场所，应避免树冠覆盖过密，造成老人等行动不便人群无法获得足够日照，导致维生素D缺乏。
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