石家莊市空氣花粉散布規(guī)律及與氣候因子的關系

李 英，李月叢，呂素青，許清海

(河北師范大學資源與環(huán)境科學學院，河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設重點實驗室，石家莊 050024)

孢粉作為古環(huán)境研究的代用指標，在恢復古氣候、古植被方面具有不可替代的作用。現(xiàn)代花粉研究是利用孢粉資料重建古氣候古植被的基礎，對正確解釋化石花粉譜具有重要意義?？諝饣ǚ圩鳛楝F(xiàn)代花粉研究的重要組成部分［1］，是認識花粉傳播和散布規(guī)律、探究花粉與植被定量關系的重要前提和基礎［2］，同時也是預報農作物產量、評估大氣環(huán)境的方法和指標之一［3］。

關于空氣花粉國內外已有較多研究，如花粉產量與花粉散布特征［4－6］、致敏花粉調查［7－8］、空氣花粉濃度預報［9－10］、空氣花粉與氣 候 因子之間的關系［11－14］以及特殊天氣對空氣花粉的影響［15－16］、空氣花粉估算方法［17－18］、花粉散布規(guī)律分析模型［19－21］等方面。目前有關河北省石家莊市空氣花粉散布規(guī)律及與氣候關系研究資料不多，僅王剛生等［22］、宗惠軍等［23］對20世紀80年代空氣致敏花粉進行過簡單研究，之后未見類似報道。時過20a，石家莊市的綠化植物種類已經改變，因而研究現(xiàn)在空氣花粉組成狀況，不僅對了解花粉與植被和氣候定量關系，而且對了解本區(qū)主要空氣花粉類型意義重大。

本文以石家莊市為研究區(qū)，通過分析2007—2009年收集的空氣花粉樣品，試圖揭示本區(qū)域空氣花粉散布規(guī)律，探討不同季節(jié)影響不同植物類型花粉通量的氣候因子，確定空氣花粉與氣候的定量關系，為重建本地區(qū)古氣候、古植被及正確解釋化石孢粉組合提供現(xiàn)代過程依據，同時也為本地區(qū)花粉過敏癥的預防提供參考。

1 研究區(qū)概況

石家莊市地處河北省中南部，位于北緯37°27'—38°47'，東經 113°30'—115°20'之間，平均海拔77.9 m。地貌單元屬太行山山前沖洪積平原［24］。本區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季變化明顯，年平均氣溫11—14℃，年平均降水量450—550 mm，降水季節(jié)差異明顯，主要集中于夏季［24］。自然植被區(qū)劃屬于暖溫帶落葉闊葉林［25］。

采樣點位于石家莊市區(qū)東部原河北師范大學東校區(qū)(38°2'17″N，114°31'57″E)內，院內主要木本植物有毛白楊(Populus tomentosa)、油松(Pinus tabuliformis)、胡桃(Juglans regia)、法桐(Platanus orientalis)、雪松(Cedrus deodara)、白蠟(Fraxinus chinensis)、臭椿(Ailanthus altissima)等。草本植物主要為雜草禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)及三葉草(Trifolium)等。

石家莊市區(qū)常見植物除以上提及的類型外，還包括大葉黃楊(Buxus megistophylla)、國槐(Sophora japonica)、側柏(Platycladus orientalis)、丁香(Syringa oblata)、海 棠 (Malus spectabilis)、櫻 花 (Prunus serrulata)、金葉女貞(Ligustrum vicaryi)、紫葉小檗(Berberis thunbergii)、月季(Rosa chinensis)、檜柏(Sabina chinensis)、泡桐(Paulownia fortunei)、龍爪槐(Sophora japonica)、玉蘭(Magnolia denudate)、垂柳(Salix babylonica)、碧桃(Prunus persica)等［26］。

市區(qū)周邊多為栽培植被，主要種植小麥(Triticum aestivum)、玉 米 (Zeamays)、高 粱(Sorghum vulgare)、棉花(Gossypium hirsutum)等［27］;市區(qū)西部近山區(qū)保留有少量自然植被，在海拔1500 m以上生長有華北落葉松(Larix principis rupprechtii)、紅樺(Betula albo-sinensis)、白樺(Betula platyphylla)、毛榛(Corylus mandshurica)等;海拔800—1500 m生長油松、蒙古櫟(Quercus mongolica)等;海拔800 m以下主要為槐(Sophora spp.)、酸棗(Ziziphus spp.)、荊條(Vitex negundo)等［26］。

2 研究方法

2.1 野外樣品采集

空氣花粉采用Tauber型花粉捕捉器收集。捕捉器高30 cm，開口直徑5.2 cm，放置在一個四周開闊的建筑物樓頂(距地面約10 m)，設置2個平行取樣點。自2007年3月6日到2009年3月4日，平均每15 d收放1次，共回收樣品86個。

2.2 實驗室處理和統(tǒng)計鑒定

花粉提取處理采用常規(guī)的HCl－NaOH－HF處理方法［16］，化學處理前每個樣品加入1粒石松孢子片(27637±563粒/片)，以計算花粉通量。

花粉統(tǒng)計鑒定在400倍日本Olympus BX－51光學生物顯微鏡下進行，每個樣品鑒定統(tǒng)計花粉400粒以上或直至樣品全部鑒定完?；ǚ坭b定主要參考《中國植物花粉形態(tài)》［28］、《內蒙古草地現(xiàn)代植物花粉形態(tài)》［29］以及河北師范大學現(xiàn)代花粉標本及圖版，以確保鑒定的準確性。

2.3 花粉百分比和通量計算方法

由于放置的2個收集器的花粉組合和花粉通量相近，故取其平均值，兩年共計有43組數據?；ǚ郯俜直群屯坑嬎惴椒ㄈ缦?

式中，A為花粉百分比，M1為某一類型花粉數量，M2為同一樣品鑒定出的花粉總數。式中，Φ為花粉通量(?！m－2·a－1)，N為某一類型花粉數量;I1為加入的石松孢子數;I2為鑒定的石松孢子數;S為花粉捕捉器開口面積。

為與本研究樣品收集時間相對應，對公式進行以下變形［16，32］:式中，B為花粉通量(?！m－2·15d－1);T為樣品收集天數(因樣品收集天數不一致，為統(tǒng)一時間單位除以15)。

2.4 氣象數據收集

本研究氣象數據來自于中國氣象科學數據共享服務網［33］，收集了2007—2009年石家莊市的氣溫、降水量、相對濕度、風速、水汽壓等氣象因子的日數據。分析時按照樣品收集時間間隔，計算降水量的累加值，及其他因子的平均值。

2.5 數據處理

孢粉百分比圖和通量圖采用Tilia軟件(version 1.7.16)繪制，并在CorelDRAW軟件(version 12.0)中修改潤色。利用PC－ORD軟件(version 5.0)對數據進行多重響應置換過程分析(multi－response permutation procedures，MRPP)，在 CANOCO 軟件(version 4.5)進行典范對應分析(canonical correspondence analysis，CCA)，在 SPSS 軟件(version 17.0)中進行Spearman相關性分析。

3 研究結果

3.1 花粉百分比的基本特征及年際差異

86個樣品共鑒定出孢粉類型82個。其中，喬木花粉類型26個，以楊屬(Populus)(0—93.6%，平均8.7%)、胡桃屬(Juglans)(0—55.1%，平均 7.8%)、懸鈴木屬(Platanus)(0—44.5%，平均 4.6%)、松屬(Pinus)(0—50%，平均 5.6%)、櫟屬(Quercus)(0—18.5%，平均2.1%)等為主;灌木花粉類型12個，以薔薇科(Rosaceae)(0—40.3%，平均3.0%)、虎榛子屬(Ostryopsis)(0—16.2%，平均 0.9%)、胡頹子屬(Elaeagnus)(0—5.7%，平均0.6%)等為主;草本花粉類型40個，以蒿屬(Artemisia)(0.2%—72.8%，平均22.2%)、藜科(Chenopodiaceae)(0.2%—61.4%，平均13.4%)、蕁麻+葎草屬(Urtica+Humulus)(0—38.1%，平均5.8%)、農作物禾本科(Cereals)(0—51.5%，平均 5.1%)、雜草禾本科(Poaceae)(0—12.7%，平均3.8%)、菊科(Compositae)(0—16.4%，平均 2.9%)、葡萄科(Vitaceae)(0—12.9%，平均2.0%)、豆科(Leguminosae)(0—32.7%，平均 1.8%)等為主;蕨類孢子類型4個，含量較低，最高不超過20%(圖1)。

圖1 石家莊2007—2009年不同月份空氣花粉百分比圖Fig.1 The airborne pollen percentages in different months from 2007 to2009 in Shijiazhang

兩年中不同類型花粉百分比峰值及出現(xiàn)時間存在差異。2008—2009年與 2007—2008年相比，楊屬、胡桃屬、藜科和蕁麻+葎草屬百分比峰值略有下降，其他則均有不同程度增加(表1)。松屬與蕁麻+葎草屬花粉百分比峰值出現(xiàn)時間較前一年推遲半個月，胡桃屬、懸鈴木屬和農作物禾本科與前一年出現(xiàn)時間一致，其他均提前半月至1月。

表1 2007—2008年及2008—2009年主要花粉類型百分比和通量峰值及出現(xiàn)時間Table 1 The peak values of percentage and influx and appearing time of major pollen taxa in Shijiazhang

3.2 花粉通量變化的基本特征

3.2.1 不同季節(jié)花粉通量變化特征

2007—2009兩年中，木本花粉主要出現(xiàn)于春季的3—5月;草本花粉全年均有出現(xiàn)，以夏末秋初的8—9月數量最多(圖2)。2007—2008年與2008—2009年春季花粉總通量分別達4469和6288粒·cm－2·15d－1，主要以木本植物花粉為主，但不同喬木類型花粉通量峰值出現(xiàn)時間存在差異。初春(3—4月)主要為楊屬，仲春(4—5月)主要為胡桃屬和懸鈴木屬，晚春(5—6月)主要為松屬、樺木屬和櫟屬。春季灌木花粉也出現(xiàn)年度峰值，2007—2008年與2008—2009年分別達105和695?！m－2·15d－1，以薔薇科、虎榛子屬和胡頹子屬花粉為主。

夏季花粉通量明顯低于春季。2007—2008年與2008—2009年分別為2149和922?！m－2·15d－1。主要以草本植物花粉為主，但不同草本類型花粉通量峰值出現(xiàn)時間也有差別，5月底至7月初以農作物禾本科為主;7月底至8月底以蒿屬、藜科和蕁麻+葎草屬為主。

秋初花粉通量較高，之后迅速降低。2007—2008年與2008—2009年秋季花粉總通量分別為777和1206粒·cm－2·15d－1，主要為草本植物花粉，類型以蒿屬、藜科和蕁麻+葎草屬為主，木本花粉進一步減少。

冬季花粉通量全年最低，2007—2008年與2008—2009年冬季花粉總通量分別為302和159粒·cm－2·15d－1。花粉類型以蒿屬和藜科為主。

兩年不同季節(jié)總花粉通量對比顯示，2008—2009年總通量略高于2007—2008年，春季、秋季也表現(xiàn)為2008—2009年高于2007—2008年，但夏季、冬季則低于前一年。

圖2 石家莊2007—2009年不同月份空氣花粉通量圖Fig.2 Airborne pollen influxes in different months from 2007 to 2009 in Shijiazhang

3.2.2 花粉通量年際差異

2008—2009年較2007—2008年多數花粉類型通量均有所降低(圖2)，但胡桃屬和懸鈴木屬花粉顯著增加，花粉通量是上一年的近兩倍。除櫟屬(提前半月)、蒿屬(推遲半月)、蕁麻+葎草屬(推遲半月)外，兩年中主要花粉類型的通量峰值出現(xiàn)時間基本與前一年同期(表1)。兩年花粉通量對比結果還顯示(圖3)，春季和夏末秋初是兩個花粉通量高峰期。2007—2008年總花粉通量為 7898?！m－2·15d－1，該年春季出現(xiàn)兩個峰值，第1個峰值出現(xiàn)在4月初，為1189?！m－2·15d－1，以胡桃屬和懸鈴木屬為主，第 2個峰值出現(xiàn)在 5月初，為 1740?！m－2·15d－1，以松屬和櫟屬為主;夏末秋初的峰期出現(xiàn)在8月底，峰值為962粒·cm－2·15d－1，以蒿屬、蕁麻+葎草屬和藜科為主。2008—2009年與2007—2008年相比，花粉總通量略有增高，為8646?！m－2·15d－1。但該年春季峰期僅出現(xiàn)在4月初，為2755粒·cm－2·15d－1，同樣以胡桃屬和懸鈴木屬為主，而在5月雖仍以松屬和櫟屬為主，但通量較低，不形成明顯峰值;該年夏末秋初的峰值出現(xiàn)時間略晚于前一年(9月初)，總通量也低于前一年(662?！m－2·15d－1)，但主要花粉類型與前一年一致。

圖3 石家莊2007—2008年與2008—2009年不同季節(jié)花粉總通量對比Fig.3 Airborne pollen total influxes in different seasons from 2007 to 2009 in Shijiazhang

4 討論

4.1 空氣花粉組合與植被的關系

空氣花粉來自于植物，并受到一定環(huán)境因素的影響?？諝怄叻劢M合可以反映植物的花期，如春季出現(xiàn)的喬木花粉高峰期與夏末秋初出現(xiàn)的草本花粉高峰期均與植物花期相對應(圖3)。此外，空氣孢粉組合還受到區(qū)域植被的影響［34－35］。根據植被分布情況，松屬、楊屬、胡桃屬、懸鈴木屬、薔薇科、蒿屬、藜科、雜草禾本科、菊科、豆科和葡萄科等49個科屬在采樣點周圍有分布，為當地花粉，占總鑒定類型的59.8%，但在花粉組合中，占花粉總數的80%以上，說明當地花粉是周圍植被的真實反映;農作物禾本科、蕁麻+葎草屬、樺木屬、櫟屬、虎榛子屬和胡頹子屬等33個科屬在采樣點周圍未見分布，為區(qū)域花粉，占總鑒定類型的40.2%，但在花粉組合中，占花粉總數的20%以下，其中農作物禾本科和蕁麻+葎草屬等草本植物多見于市區(qū)周邊農田，樺木屬、櫟屬和虎榛子屬等木本植物多見于西部山區(qū)，顯示花粉組合主要受當地植被影響，但來自太行山等地的區(qū)域花粉對空氣花粉組合有一定影響。

早在20世紀80年代，就有學者對石家莊市空氣花粉散布規(guī)律進行調查研究。王剛生等［22］和宗惠 軍 等［23］分 別 對 1985—1986、1986—1987 與1988—1989年石家莊市空氣花粉組成進行了調查研究，均指出石家莊空氣花粉出現(xiàn)春秋兩個高峰。其中1985—1986年空氣花粉含量較高的類型依次為:楊屬(17.18%)、蒿屬(12.87%)、禾本科(10.01%)、柳屬(Salix)(7.96%)、大麻+葎草屬(Cannabis+Humulus)(7.5%)、藜科(6.85%)、松屬(4.95%)、槐屬(Sophora)(4.2%)、苔草屬(Carex)(3.6%)、梧桐屬(Firmiana)(3.15%)，主要致敏花粉為蒿屬、禾本科、藜科植物花粉［22］。而目前石家莊市城市綠化植被已有較大改變，法國梧桐、薔薇科等多種喬灌木等成為市區(qū)主要綠化樹種，楊樹、柳樹等比例明顯降低。本研究顯示，按石家莊市2007—2009兩年空氣花粉通量由高到低排序，前10位依次為:胡桃屬(17.87%)、懸鈴木屬(13.67%)、蒿屬(13.29%)、楊屬(10.86%)、藜科(6.68%)、薔薇科(5.75%)、蕁麻+葎草屬(5.02%)、松屬(3.88%)、櫟屬(3.70%)、農作物禾本科(2.39%)。相較于20a前，胡桃屬、懸鈴木屬花粉排序明顯前移且含量增加，楊屬、禾本科排位后移且含量下降，柳屬、槐屬含量降低，移出前10位，蒿屬、藜科、松屬基本持平。這與采樣點周圍植被的差異有關，但更主要的原因是綠化植物種類的改變。其中含量較高的懸鈴木屬、蒿屬、藜科均為高致敏花粉類型［36－37］，其峰期分別出現(xiàn)在 4—5月與7—9月，因此在這些月份花粉過敏癥患者應引起足夠重視，較少外出或外出時采取必要防護措施。

4.2 空氣花粉組合與氣候因子的關系

為更好理解氣候因子對花粉組合的影響，根據空氣花粉百分含量與出現(xiàn)頻率，本文選取了18個主要花粉類型(占總百分含量的94.67%)，采用多響應置換過程分析方法(MRPP)探討了主要花粉類型百分比與通量對不同季節(jié)不同氣候因子的響應程度［38］。結果表明，石家莊市不同季節(jié)空氣花粉百分比與通量變化存在顯著差異(P＜0.0001)。

為進一步探究主要類型花粉百分含量的受控氣候因子，應用典范對應分析(CCA)研究兩者的相互關系［39］。結果顯示(表2)，花粉百分含量主要受風速和相對濕度影響(與風速呈顯著正相關，與相對濕度呈顯著負相關)，其次與氣溫、水汽壓有一定的正相關性，與降水量相關度不大。經蒙特卡羅(Monte Carlo)檢驗表明只有風速(P=0.002)、水汽壓(P=0.006)與主要花粉類型百分含量存在顯著相關，氣溫(P=0.468)、降水量(P=0.928)、相對濕度(P=0.582)均未通過檢驗。因此本文選取風速、水汽壓與主要花粉類型百分含量作T－值雙序圖［40］(圖4)，結果表明松屬、櫟屬、樺木屬、胡桃屬、懸鈴木屬、胡頹子屬、虎榛子屬均與風速呈顯著正相關，顯示木本空氣花粉組成受風速影響更為顯著。蒿屬、藜科、蕁麻+葎草屬、菊科等草本植物均與風速呈顯著負相關，其中藜科、蕁麻+葎草屬還與水汽壓呈顯著正相關;菊科、胡桃屬與水汽壓呈顯著負相關;其他類型對風速、水汽壓的響應不顯著。2008—2009年度花粉通量略高于2007—2008年度的主要原因可能就與該年平均風速(1.5 m/s)略高于上一年(1.4 m/s)有關。此外，風速也是導致2007年春季花粉通量雙峰值、2008年單峰值的主要原因之一。2007年5月平均風速(1.9 m/s)明顯高于2008年同期(1.7 m/s)，較低的風速不利于該時段開花的松屬和櫟屬的花粉傳播，使得其數量較少，峰值不明顯。

表2 石家莊2007—2009年空氣花粉百分比組合CCA分析結果Table 2 CCA analysis results of air pollen percentage from 2007 to 2009 in Shijiazhang

圖4 石家莊2007—2009年主要花粉類型與風速、水汽壓的T-value雙序圖Fig.4 T-value biplot of main pollen types and wind speed aqueousvapor pressure from 2007 to 2009 in Shijiazhang

為探討不同季節(jié)不同花粉類型其受控氣候因子，為此對石家莊市兩年的主要花粉類型通量與不同季節(jié)氣候因子進行了Spearman相關性分析，結果見表3。

早春花期的楊屬只與水汽壓呈負相關;仲春花期的胡桃屬和懸鈴木屬與5種氣候因子均無顯著相關關系。高祺等［41］在研究氣候變暖對石家莊春季物候的影響中提出，早春、仲春植物物候與2—4月氣溫相關性最大，晚春物候與春季氣溫相關性最大。為此，做了2008年2—4月份氣溫與春季喬木花粉通量的相關分析，發(fā)現(xiàn)胡桃屬和懸鈴木屬與2—4月份氣溫、水汽壓呈顯著正相關。2008—2009年度2—4月水汽壓明顯高于上一年同期(高3.5 hPa)，可能是該年胡桃屬和懸鈴木屬花粉通量較高的主要原因。晚春花期的松屬、櫟屬、虎榛子屬與氣溫、水汽壓呈正相關。2008—2009年度晚春較低的溫度(低2.1℃)可能是松屬和櫟屬花粉含量較低，且該年此時段喬木花粉峰值不明顯的重要原因。此外，草本植物中的雜草禾本科、農作物禾本科與春季氣溫、風速也呈正相關，與呂素青等［37］對黃土高原空氣花粉研究結果相似。

夏季空氣花粉含量降低，草本植物花粉通量與氣候因子關系不顯著，僅蕁麻+葎草屬與風速呈負相關。木本植物花粉通量反而受氣候因子控制明顯，其中松屬、櫟屬、胡桃屬和虎榛子屬均與相對濕度呈負相關，胡桃屬、薔薇科和虎榛子屬還與水汽壓呈負相關，與前人研究結果一致［42－43］。2008—2009 年夏季氣溫低(低0.8℃)、降水量多(多272.1 mm)、相對濕度高(高2.8%)，不利于花粉散布以及夏末秋初開花植物花粉囊的開裂［42］，這可能是導致2008—2009年度夏季花粉通量低于上一年且夏末秋初花粉通量峰期推后、峰值降低的主要原因。

秋季空氣花粉中的草本植物花粉類型，如雜草禾本科、農作物禾本科、蒿屬、藜科、蕁麻+葎草屬均與氣溫、水汽壓呈正相關。雜草禾本科和蕁麻+葎草屬還與降水量呈正相關。前人［44－45］對北京地區(qū)秋季空氣花粉研究認為，秋季花粉通量主要與平均氣溫、水汽壓、相對濕度、降水量呈正相關，與風速呈負相關。但本研究顯示秋季花粉通量與相對濕度、風速相關不明顯，可能與研究時段石家莊市秋季相對濕度變化不明顯、風速較低有關。2008—2009年秋季花粉總通量略高于2007—2008年與氣候因子的影響密切相關，從兩年的氣象條件對比看出，該年秋季氣溫高(高0.7℃)、水汽壓高(高0.1 hPa)，這可能是造成這種現(xiàn)象的原因。

由于冬季空氣中花粉含量低，主要花粉類型通量與冬季氣象因子相關性均較差。

表3 石家莊2007—2009年主要花粉類型不同季節(jié)花粉通量與對應時段氣候因子的相關分析Table 3 The correlation between the main pollen taxa influxes and the climate factors in different seasons from 2007 to 2009

續(xù)表

5 結論

(1)石家莊市空氣花粉組成受植物花期影響明顯，花粉通量存在明顯的季節(jié)差異，春季和夏末秋初分別出現(xiàn)以喬木花粉為主和以草本花粉為主的兩個高峰期?？諝饣ǚ劢M成中，當地花粉占花粉總數80%以上，區(qū)域花粉占20%以下。

(2)石家莊市空氣花粉類型年際差異不大，但不同月份主要花粉類型存在差異。初春主要為楊屬，仲春主要為胡桃屬和懸鈴木屬，晚春主要為松屬、樺木屬、櫟屬，春末夏初主要為農作物禾本科，夏末秋初至次年春季伊始主要為蒿屬、藜科、蕁麻+葎草屬。

(3)隨城市綠化樹種的改變，石家莊市主要空氣花粉類型的排序較20a前發(fā)生一定變化，排在前10位的依次為:胡桃屬、懸鈴木屬、蒿屬、楊屬、藜科、蕁麻+葎草屬、松屬、櫟屬、農作物禾本科。其中懸鈴木屬、藜科等高致敏花粉類型排序明顯提前，蒿屬持平，花粉過敏癥患者在其花期或通量較高時期應早作防范。

(4)全年空氣花粉組合受風速與水汽壓影響明顯。其中多數喬木花粉與風速呈顯著正相關;蒿屬、藜科等常見草本花粉與風速呈顯著負相關。豆科、藜科、蕁麻+葎草屬與水汽壓呈顯著正相關;菊科、胡桃屬與水汽壓呈顯著負相關。

(5)不同季節(jié)花粉通量與氣候因子的相關分析顯示，胡桃屬、懸鈴木屬花粉與當年2—4月氣溫、水汽壓呈正相關;松屬、櫟屬花粉與春季氣溫、水汽壓呈正相關。雜草禾本科、農作物禾本科與春季氣溫、風速呈正相關。夏季木本植物花粉與相對濕度、水汽壓呈負相關。秋季草本植物花粉與氣溫、水汽壓呈正相關。冬季花粉通量與氣候因子相關性不顯著。

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