城市公園不同活動空間PM2.5濃度的不均勻分布特征研究

徐 歡 李 紅 (韓)姜泰昊

隨著城市化進程的加速推進，中國中東部地區(qū)城市的環(huán)境污染日益嚴重，尤其是以細顆粒物PM2.5為主的霧霾天氣已占其全年天數(shù)的1/3以上，成為影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量和居民身體健康的主要因素。PM2.5是指環(huán)境中空氣動力學(xué)當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，富含有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，長期暴露在高濃度PM2.5環(huán)境中，會引發(fā)各種呼吸系統(tǒng)和心血管疾病，甚至增加居民早亡風(fēng)險[1]。城市公園具有豐富的游憩活動空間，是城市居民利用最頻繁的綠地類型，在緩解PM2.5污染和滿足城市居民休閑健身方面發(fā)揮著重要作用。在PM2.5為主的污染天氣中，輕中度污染(150μg/m3＞PM2.5＞75μg/m3)天氣所占比例在70%以上。而且重度污染(PM2.5＞150μg/m3)天氣條件下，公園綠地對PM2.5的消減作用不明顯[2-3]，城市居民應(yīng)盡量減少外出活動。因此，在輕中度污染天氣下，城市公園內(nèi)哪種活動空間中PM2.5濃度值較低，具體在什么時間、在哪種活動空間中進行活動最適宜是值得研究的重要問題。

現(xiàn)階段對PM2.5的研究主要集中于組成成分[4]、特性[5]、來源解析[6]和濃度模擬預(yù)測[7]。同時，綠地植物對PM2.5的阻滯吸附作用[8]及健康效益評估也已有較多研究[9]。在城市微小尺度上，由于受到建筑布局、綠地形式和植物群落結(jié)構(gòu)的影響，PM2.5的濃度分布體現(xiàn)出越接近地面越不均勻的特征。吳正旺等通過調(diào)查得出建筑布局與綠地形式的不同組合會影響PM2.5的濃度分布[10]；王國玉等分析發(fā)現(xiàn)不同的綠地植物配置模式對PM2.5的消減作用有較大影響[2]；George等和吳正旺等通過實驗得出建筑布局不同的居住區(qū)存在PM2.5分布的不均勻現(xiàn)象，PM2.5濃度值差別可達2～10倍[11-12]；文一章等通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)杭州市下沙區(qū)不同位置的5條道路存在不均勻分布現(xiàn)象，差別范圍在1.1～2.1倍[13]；趙越和金荷仙通過研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的植物群落中PM10差別最大達5倍[14]；趙松婷等通過實驗得出公園綠地內(nèi)PM2.5濃度低于道路與建筑室內(nèi)，綠地配置模式會影響對大氣PM2.5濃度的消減能力[15]；陳凡濤等認為城市不對稱街谷內(nèi)PM2.5濃度存在不均勻分布特點，大體呈“S”型曲線變化[16]。以上研究成果，主要集中在城市道路和居住區(qū)建筑空間內(nèi)的PM2.5濃度分布特征以及綠地植物對PM2.5的消減能力，至今還未見對城市公園不同游憩活動空間中PM2.5不均勻分布特征的相關(guān)研究。

因此，本文以徐州市云龍公園為例，選取公園內(nèi)6處典型的游憩活動空間，在輕中度污染條件下對各空間的PM2.5濃度進行同步監(jiān)測，分析城市公園內(nèi)PM2.5濃度的時空不均勻分布特征，為城市公園游憩空間設(shè)計和指導(dǎo)市民合理選擇活動時間地點提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

徐州市位于中國華北平原的東南部(1 1 6°2 2′～1 1 8°4 0′E,33°43′～34°58′N), 屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫14℃，日照時數(shù)2 221h，年均降水量857mm，降水多集中在夏季，靜風(fēng)頻率年平均達20%。云龍公園位于徐州市泉山區(qū)，東臨云龍山，1958年建成，面積約25hm2，其中水域面積為8hm2，是規(guī)模較大的城市綜合性公園(圖1)，年接待游客量170萬人次。

1.2 研究方法

選取云龍公園中6處典型的游憩活動空間，分別是露天廣場(A1)、林蔭道(A2)、親水平臺(A3)、濱水亭廊(A4)、紫藤花架(A5)、大草坪(A6)(圖1)。6個監(jiān)測點周邊的主要環(huán)境特征以及與主干道的距離關(guān)系如表1所示。其中，A3和A4的視野較開闊，郁閉度較低，A2和A5空間較為封閉，郁閉度較高；A6距離主干道路最近，A5位于公園的中心，距離主干道最遠。

根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ 633—2012)，在2016年4月選取輕中度污染天氣(150μg/m3＞PM2.5＞75μg/m3)進行連續(xù)觀測，采用CW-HAT200S高精度手持式PM2.5檢測儀測定各空間PM2.5的質(zhì)量濃度，測量數(shù)據(jù)由6個小組同時采集，測定時間為7：00—20：00，每小時測定一次，每次連續(xù)讀取3個數(shù)據(jù)，取平均值作為改點的濃度數(shù)值，每個數(shù)據(jù)的采樣時間為60s，采樣高度與成人呼吸高度基本一致，距離地面1.5m。采樣同時使用HT-8500多功能環(huán)境測量儀測量該點的溫濕度和風(fēng)速，測量儀器在使用前統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)校準(±5%)。對觀測試驗中采集的數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 19.0分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5濃度的不均勻分布總體特征

圖1 云龍公園衛(wèi)星平面圖及監(jiān)測點位置(根據(jù)搜狗地圖后期加工繪制)

表1 6處典型空間的主要環(huán)境特征

圖2 各試驗點的PM2.5濃度均值

圖3 PM2.5濃度最大值和最小值的比值

圖4 PM2.5濃度的日均變化特征和回歸模擬曲線

公園內(nèi)各活動空間試驗點的PM2.5濃度均值如圖2所示。露天廣場的PM2.5濃度均值最高為130.6μg/m3，其次為大草坪(128.4μg/m3)、親水平臺(119.4μg/m3)、濱水亭廊(107.5μg/m3)、林蔭道(93.2μg/m3)、紫藤花架(89.6μg/m3)。濃度均值的最大差別為1.46倍。相同時間點不同活動空間的PM2.5濃度最大值和最小值差別為1.35～1.65倍，9：00露天廣場的PM2.5濃度值是紫藤花架的1.65倍，15：00大草坪的PM2.5濃度值是紫藤花架的1.35倍(圖3)。一天中大草坪19：00的PM2.5濃度均值最高為148.6μg/m3，紫藤花架7：00的PM2.5濃度均值最低為83.8μg/m3，差別為1.77倍。

2.2 PM2.5濃度的日均變化特征

公園內(nèi)6處活動空間PM2.5濃度值的日均變化特征和回歸模擬曲線如圖4所示。從PM2.5濃度變化趨勢看，露天廣場、林蔭道、紫藤花架和大草坪4個實驗點PM2.5的濃度變化趨勢呈現(xiàn)波浪式，出現(xiàn)3次峰值2次谷值。其中，露天廣場和大草坪的PM2.5濃度早晚峰值大于中午峰值，具體變化趨勢是：7：00—9：00 PM2.5濃度逐漸上升，9：00達到峰值后迅速下降，至11：00下降至谷值，然后小幅升高，到14：00之后開始下降，16：00降至最低值，之后再逐步上升，至19：00升至全天的最高值。這是因為這2處試驗點空間郁閉度較低，周邊植物種類單一，比較空曠，早中晚受到上班高峰期汽車尾氣的影響，PM2.5濃度值較大，早晚氣溫低、空氣濕度大，中午由于溫度升高濕度降低以及光照的影響導(dǎo)致早晚峰值大于中午峰值。

林蔭道和紫藤花架的PM2.5濃度變化趨勢呈現(xiàn)階梯式上升，即早晨峰值＜中午峰值＜晚上峰值，具體變化趨勢是：7：00—9：00 PM2.5濃度逐漸上升，9：00達到峰值后迅速下降，11：00下降至一天的最低值，然后逐步升高至14：00形成第二次峰值，之后開始下降，16：00—19：00上升到全天的最高值。這是因為試驗點的郁閉度較高，無風(fēng)環(huán)境導(dǎo)致擴散條件差，空間內(nèi)PM2.5易于積聚[17]，同時受外界溫濕度和光照的影響較小，PM2.5濃度值呈階梯式增加，最后達到較高水平。

親水平臺和濱水亭廊實驗點PM2.5的濃度變化趨勢呈現(xiàn)M型，出現(xiàn)2次峰值和1次谷值，晚上峰值高于早晨峰值。具體變化趨勢是：7：00—9：00 PM2.5濃度逐漸上升，9：00達到峰值后迅速下降，至13：00下降至谷值，然后逐步上升，至19：00上升到全天的最高值。這是由于試驗點靠近水面，中午太陽光照增強，氣溫升高，近地空氣濕度大，而當濕度過高時，以水溶性離子為主要成分的細顆粒物更容易吸收大量水分使粒徑增大，發(fā)生重力沉降[18]，從而使13：00的PM2.5濃度值最低。

表2 不同空間PM2.5濃度與主要環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

圖5 PM2.5濃度與溫度的相關(guān)關(guān)系

圖6 PM2.5濃度與相對濕度的相關(guān)關(guān)系

圖7 PM2.5濃度與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系

圖8 PM2.5濃度與相對濕度的多項式回歸擬合

從PM2.5濃度極值的出現(xiàn)時間看，露天廣場和大草坪的最低值出現(xiàn)在16：00，林蔭道和紫藤花架的最低值出現(xiàn)在11：00，親水平臺和濱水亭廊的最低值出現(xiàn)在13：00，6處實驗點的最高值均出現(xiàn)在19：00。由結(jié)果可知，在輕中度污染(150μg/m3＞PM2.5＞75μg/m3)天氣下，在露天廣場和大草坪的最佳活動時間為16：00左右；在林蔭道和紫藤花架的最佳活動時間為11：00左右；在親水平臺和濱水亭廊的最佳活動時間為13：00左右。

2.3 影響公園各空間PM2.5濃度的環(huán)境因素分析

公園內(nèi)6處活動空間PM2.5濃度值與溫度、相對濕度和風(fēng)速的總體相關(guān)關(guān)系如圖5～7所示。PM2.5濃度值與溫度和風(fēng)速呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為R=-.358和R=-.717(P＜ .01)；與相對濕度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=.340(P＜ .01)。這說明隨著溫度升高和風(fēng)速的增大，PM2.5濃度呈現(xiàn)下降趨勢；相反隨著相對濕度的增大，PM2.5濃度呈現(xiàn)上升趨勢。根據(jù)PM2.5濃度的日變化特征分析得知，相對濕度與PM2.5濃度的正相關(guān)性存在一定閾值，當超過一定濕度范圍時，PM2.5濃度隨相對濕度的增大逐漸下降。為了得到由正相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)為負相關(guān)關(guān)系時對應(yīng)的濕度閾值，將PM2.5濃度與相對濕度進行多項式回歸擬合，結(jié)果如圖8所示，當相對濕度＜66%時，兩者是正相關(guān)關(guān)系，當相對濕度＞66%時，兩者呈負相關(guān)關(guān)系。

不同活動空間內(nèi)PM2.5濃度與主要環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)如表2所示。親水平臺和濱水亭廊與溫度呈顯著的負相關(guān)(P＜ .05)，而其余活動空間與溫度的關(guān)系不顯著。露天廣場、林蔭道、紫藤花架和大草坪都與相對濕度呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)(P＜ .01)，而親水平臺和濱水亭廊與相對濕度呈現(xiàn)極顯著的負相關(guān)(P＜ .01)。除林蔭道和紫藤花架外，其余活動空間都與風(fēng)速呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)(P＜ .05)，這說明活動空間的郁閉度對PM2.5和風(fēng)速的關(guān)系有較大的影響。

2.4 討論

本研究中相同時間點不同活動空間的PM2.5濃度最大值和最小值差別為1.35～1.65倍，一天中最大差別為1.77倍，這與吳正旺[13]、文一章[14]等人對微小尺度上PM2.5不均勻分布的研究結(jié)果(1.1～2.1倍)一致，因為城市公園中的空間阻隔主要以植物、地形為主，豎向高度上不如居住區(qū)建筑和道路沿街建筑，所以濃度差別值倍數(shù)略低于居住區(qū)和城市道路。林蔭道和紫藤花架試驗點的PM2.5濃度總體均值低于其他活動空間，這主要是因為這2種空間結(jié)構(gòu)的郁閉度較高，分別由針葉常綠喬木和小闊葉藤本植物構(gòu)成。這2類植物的葉面積相對較大，枝葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使空間內(nèi)的濕度較高，阻滯PM2.5的作用明顯，空氣質(zhì)量總體優(yōu)于其他空間。所以在輕中度污染天氣下，居民最好選擇郁閉度高、周邊植物茂盛的空間活動，盡量避免去露天廣場、大草坪等開敞空間。

不同活動空間的PM2.5濃度日均變化趨勢不同，露天廣場和大草坪的變化趨勢呈現(xiàn)波浪式，林蔭道和紫藤花架的變化趨勢呈現(xiàn)階梯式上升，親水平臺和濱水亭廊的變化趨勢呈現(xiàn)M型，這與李新宇[19]、王月容[20]、王曉磊[21]、陳凡濤[15]等人的“雙峰單谷”“N型”“S型”研究結(jié)果基本一致，都有峰谷值的變化，本次研究中有4個試驗點的日變化曲線擬合出現(xiàn)3次峰值，這可能與采取每小時監(jiān)測的方法有關(guān)，也可能與有的試驗點距離道路較近，受到早中晚高峰期汽車尾氣的影響較大，同時周邊植物生理活動旺盛能夠不斷阻滯吸附PM2.5[22]，使白天PM2.5濃度變化趨勢出現(xiàn)2次谷值。

一些研究表明，PM2.5濃度值往往受公園環(huán)境的較大影響，公園間存在差異，而同一公園內(nèi)的PM2.5濃度值消減作用相近。但從本研究中的觀測數(shù)據(jù)來看，同一公園內(nèi)也存在差異，A1和A6的PM2.5濃度均值分別為130.6μg/m3和128.4μg/m3，而A5的濃度均值為89.6μg/m3。這可能因為A1和A6周圍郁閉度不高，與主干道距離較近，受機動車尾氣影響較大。也可能與云龍公園的面積較大有關(guān)，王曉磊等的研究表明，當公園綠地半徑大于55m時，可以維持正凈化效應(yīng)，緩解PM2.5污染[23]。

也有研究表明，城市公園林蔭間的PM2.5濃度值往往高于曠地。而本研究的觀測數(shù)據(jù)中，林蔭道的濃度均值(93.2μg/m3)要低于露天廣場(130.6μg/m3)和大草坪(128.4μg/m3)等曠地。這主要是因為本研究選取在輕中度污染天氣下進行的，在這種天氣下較復(fù)雜的綠地結(jié)構(gòu)對PM2.5污染的消減起到積極作用[2]。而在重度污染條件下，可能是因為林蔭間的郁閉度較高，擴散條件差，空間內(nèi)PM2.5更易于積聚，從而比曠地的濃度值要高。具體原因還有待進一步深入研究。

6處試驗點的PM2.5濃度值與溫度和風(fēng)速呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，與相對濕度總體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這與王曉磊等[21]、吳志萍等[24]的研究結(jié)果一致。同時已有研究指出PM2.5濃度與濕度的正相關(guān)性存在一定閾值[21]，但未做進一步研究，本研究通過對PM2.5濃度與相對濕度進行多項式回歸擬合曲線，得到相對濕度的閾值為66%，即相對濕度超過66%時與PM2.5濃度呈現(xiàn)負相關(guān)。

由于監(jiān)測條件的限制，本研究只挑選了6處公園活動空間進行監(jiān)測，另外，不同活動空間的PM2.5濃度除了與溫濕度和風(fēng)速有關(guān)系外，還受光照強度、空氣負離子濃度、植物種植密度、樹種組成等因素的影響，今后有待于進一步對更多公園活動空間和影響因素進行研究。

3 結(jié)論

本文通過選取徐州市云龍公園內(nèi)6處典型的游憩活動空間，同步監(jiān)測各空間的PM2.5濃度及環(huán)境影響因子，對輕中度污染天氣下城市公園內(nèi)PM2.5濃度的時空不均勻分布特征及環(huán)境影響因素進行研究。主要研究結(jié)果簡要概括如下。

公園內(nèi)露天廣場的PM2.5濃度均值最高為130.6μg/m3，其次為大草坪(128.4μg/m3)、親水平臺(119.4μg/m3)、濱水亭廊(107.5μg/m3)、林蔭道(93.2μg/m3)、紫藤花架(89.6μg/m3)。濃度均值的最大差別為1.46倍。相同時間點不同活動空間的PM2.5濃度最大值和最小值差別為1.35～1.65倍，一天中不同時間段各空間的最大差別為1.77倍。

不同活動空間的PM2.5濃度日均變化趨勢不同，露天廣場和大草坪的變化趨勢呈現(xiàn)波浪式，林蔭道和紫藤花架的變化趨勢呈現(xiàn)階梯式上升，親水平臺和濱水亭廊的變化趨勢呈現(xiàn)M型。露天廣場和大草坪的PM2.5濃度最低值出現(xiàn)在16：00，林蔭道和紫藤花架的最低值出現(xiàn)在11：00，親水平臺和濱水亭廊的最低值出現(xiàn)在13：00，6處實驗點的PM2.5濃度最高值均出現(xiàn)在19：00。

公園內(nèi)6處活動空間PM2.5濃度值與溫度和風(fēng)速呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為R=-.358和R=-.717，與相對濕度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=.340。通過多項式回歸擬合曲線可知，PM2.5濃度與相對濕度的正相關(guān)性存在一定閾值，當相對濕度＞66%時，兩者呈負相關(guān)關(guān)系。

研究結(jié)果為城市公園游憩空間的規(guī)劃布局和指導(dǎo)市民合理選擇活動時間地點提供參考依據(jù)。本研究只挑選了6處公園活動空間進行監(jiān)測，僅對PM2.5濃度與溫濕度和風(fēng)速的關(guān)系進行了研究，未涉及光照強度、空氣負離子濃度等影響因素的監(jiān)測，今后有待于進一步深入研究。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。