城市树木生长季建筑形态变化与水分限制对气候调节服务的显著影响机制研究

本研究针对城市树木在生长季中建筑形态动态变化及水分限制对微气候调节功能的影响机制展开深入探究。通过控制实验比较了水分充足(WW)与水分限制(WR)条件下观赏苹果树的建筑参数(LAI、PEA、冠层体积)与气候服务指标(UTCI、Tmrt)，发现树木通过冠层投影面积扩大和体积增加增强遮荫效应，水分限制通过抑制茎干生长和加速落叶减少辐射拦截。研究为城市绿化树种选择和水资源管理提供了重要理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，城市热岛效应日益显著，高温热浪对公共健康构成严重威胁。联合国数据显示，到2050年全球城市人口将再增加25亿，这使得如何通过城市绿化改善热环境成为重要课题。树木作为天然的"城市空调"，通过遮荫和蒸腾作用调节微气候，但其服务效能受季节变化和水分条件的影响机制尚不明确。特别是在干旱频发的背景下，树木如何通过建筑形态的可塑性维持气候调节功能，成为城市规划者和生态学家共同关注的科学问题。

法国Angers大学的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表了一项创新性研究，通过在1:5缩比街道峡谷中培育两排观赏苹果树（Malus Coccinella? 'Courtarou'），设置水分充足(WW)和水分限制(WR)对比实验，结合激光扫描(LiDAR)、微气候监测和建筑形态量化等方法，系统分析了生长季内树木建筑形态变化与气候服务的关联机制。

研究采用四项关键技术：1) 使用相位式地面激光扫描仪(FARO 3D Focus x130)获取冠层三维点云数据，计算投影面积(PEA)和体积；2) 通过电容探头(EC-5)连续监测土壤体积含水量(VWC)，结合Scholander压力室测定叶片(Ψ_leaf)和茎干水势(Ψ_stem)；3) 应用四分量辐射计(CNR4)和黑球温度计量化辐射平衡与平均辐射温度(T_mrt)；4) 基于通用热气候指数(UTCI)模型评估人体热舒适度，所有数据均在太阳能正午时段(11:00-13:00 UTC)采集于42个晴天。

3.1 树木水分状态
通过树干微变化监测发现，水分限制8周后WR树木的径向生长几乎停滞，茎干水势(-3.39 MPa)显著低于WW树木(-0.41 MPa)，证实成功建立了中度水分限制模型。

3.2 冠层尺度建筑特征
激光扫描显示WW树木的冠层投影面积(PEA)在生长季末恢复至修剪前水平(10.3 m²)，而WR树木仅6.4 m²。叶面积指数(LAI)在WR条件下从2.4降至1.3 m²/m²，导致冠层孔隙度增加5个百分点。

3.3 器官尺度建筑特征
形态学测量揭示水分限制使新生轴(G2)长度局限在1.3 cm(WW为17 cm)，单叶面积仅3 cm²(WW为21 cm²)。数字成像显示WR树木老叶(G1)倾角增加30°，增强垂直方向遮光。

3.4 蒸腾与光拦截
WR树木蒸腾量在限制初期骤降67%，后期接近零；而短波辐射拦截率(r ratio)仅从93%降至87.5%，证实遮荫对维持气候服务的主导作用。

3.5 热舒适度特征
在街道中心位置，WR树木的UTCI改善值比WW低2.7°C，主要源于T_mrt差异(3.0°C)。东侧因冠层扩展受限，WW树木的UTCI改善值比WR高4.2°C。

这项研究首次量化了城市树木建筑形态季节性变化对气候服务的贡献率，揭示出三个重要规律：1) 当LAI>1.8 m²/m²时，遮荫效应可维持87%以上的辐射拦截；2) 水分限制通过抑制新生轴发育和加速老叶脱落降低LAI，但垂直叶片的自我调节可部分补偿功能损失；3) 冠层空间扩展(PEA和体积)能增强侧向遮荫，这对狭窄街道的热环境改善尤为关键。这些发现为气候变化背景下的城市树种选择提供了新标准——应优先考虑具有建筑可塑性的物种，在干旱条件下仍能通过形态调整维持遮荫功能。研究建立的"建筑形态-微气候"响应模型，为城市绿地系统的精准灌溉和可持续管理提供了理论框架。