居住區(qū)不同植物群落對(duì)細(xì)顆粒物濃度的影響

王剛，易慧琳，戴偉，楊文麗，譚廣文

(廣州普邦園林股份有限公司，廣東 廣州 510600)

近年來(lái)，城市化在快速發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了一系列城市環(huán)境問(wèn)題，其中空氣污染問(wèn)題對(duì)人們的生活產(chǎn)生直接影響。大氣顆粒物，特別是細(xì)顆粒物(PM2.5)污染，直接對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，會(huì)誘發(fā)心血管疾病、呼吸道疾病、肺部疾病等[1-2]。居住區(qū)綠地是居民日常活動(dòng)的場(chǎng)所，是最貼近人們生活的自然環(huán)境，因此，居住區(qū)綠地微氣候的改善有利于提升居民的生活質(zhì)量[3]。

植物是城市綠化中唯一有生命的元素，在滿足景觀要求的同時(shí)，還發(fā)揮重要的生態(tài)效益。研究表明，園林植物可以通過(guò)葉片附著、滯留、黏附等形式消減空氣中的顆粒物，且具有降低溫度和形成小氣候的作用，而降低環(huán)境溫度可以減少顆粒物氣溶膠的形成，從而間接改善環(huán)境PM2.5質(zhì)量[1,4]。李新宇等[5]、陳博等[6]研究了植物配置方式對(duì)大氣PM2.5的調(diào)控作用；陳小平等[7]對(duì)園林植物吸附細(xì)顆粒物的機(jī)制進(jìn)行了研究；傅凡等[8]對(duì)公園內(nèi)秋季不同位置的溫、濕度和PM2.5濃度變化，以及溫、濕度與PM2.5之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。這些研究為明確城市綠化對(duì)調(diào)控區(qū)域小氣候的作用提供了參考。本文選取廣州市光大花園二期居住區(qū)為研究對(duì)象，分析居住區(qū)內(nèi)5個(gè)植物群落的植物組成及氣象因子對(duì)空氣中PM2.5濃度分布的影響，旨在為廣州濕熱地區(qū)的居住區(qū)優(yōu)化植物景觀配置提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣州市地處亞熱帶沿海，屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季長(zhǎng)、霜期短，溫暖多雨。全年平均氣溫20～22 ℃，一年中最熱的月份是7月，月平均氣溫達(dá)28.7 ℃；最冷月為1月，月平均氣溫在9～16 ℃。一年之中，4—6月為雨季，7—9月天氣受臺(tái)風(fēng)影響較大。廣州市區(qū)年降水量約為1 720 mm。因當(dāng)?shù)刂参镔Y源豐富，全年雨量充沛，利于植物生長(zhǎng)，廣州素有“花城”之稱(chēng)。

1.2 樣地及植物群落選擇

通過(guò)對(duì)廣州市居住區(qū)的全面踏勘，遵循區(qū)域分布、植物群落類(lèi)型，以及適生性等原則，初步分析后選取具有代表性的居住區(qū)——廣州市海珠區(qū)光大花園二期小區(qū)作為研究對(duì)象。在小區(qū)內(nèi)共設(shè)置5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，均為居住區(qū)典型植物群落測(cè)試點(diǎn)：測(cè)試點(diǎn)P1為下沉活動(dòng)平臺(tái)，群落結(jié)構(gòu)為喬灌草，具體組成為大王椰子+火焰木+大葉榕—散尾葵+棕竹+紅花檵木+朱纓花+假連翹—翠蘆莉+花葉冷水花+沿階草+花葉艷山姜；測(cè)試點(diǎn)P2為樹(shù)陣廣場(chǎng)，群落結(jié)構(gòu)為喬，具體組成為大王椰子；測(cè)試點(diǎn)P3為林蔭棧道，群落結(jié)構(gòu)為喬灌草，具體組成為白蘭+杧果+紅花羊蹄甲+桂花—蘇鐵+扶桑+葉子花+鵝掌柴+朱蕉—吉祥草+吊竹梅+海芋+蜘蛛蘭；測(cè)試點(diǎn)P4為中庭活動(dòng)空間，群落結(jié)構(gòu)為喬灌草，具體組成為白蘭+荷花玉蘭+紅花羊蹄甲+雞蛋花+桂花—黃金榕+假連翹+米仔蘭+福建茶+鳳凰竹—合果芋+沿階草+海芋；測(cè)試點(diǎn)P5為入口林蔭大道，群落結(jié)構(gòu)為喬灌草，具體組成為細(xì)葉榕+散尾葵+羅漢松+桂花—米仔蘭+棕竹+灰莉+狗牙花—鳶尾+春羽+冷水花+翠蘆莉。分別測(cè)定植物群落周?chē)拇髿釶M2.5濃度。

1.3 研究方法

選擇晴朗天氣在5處測(cè)試點(diǎn)開(kāi)展監(jiān)測(cè)。對(duì)植物群落進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要包括植物組成及群落郁閉度。利用美國(guó)萊特浩斯手持式PM2.5測(cè)試儀器，采用多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的方法測(cè)定PM2.5濃度，監(jiān)測(cè)的時(shí)間段為7:00—20:00，每小時(shí)測(cè)定1次，每次連續(xù)讀取3個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值，每個(gè)數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間為60 s，采樣高度距離地面1.5 m。于2018年8—9月完成采樣，共采集3次，分別為8月12日、8月24日和9月3日。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010 和SPSS 18.0軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM2.5濃度日變化特征

不同測(cè)試點(diǎn)的PM2.5濃度日變化如圖1所示。日常時(shí)間段內(nèi)(7:00—20:00)，PM2.5的濃度變化趨勢(shì)呈現(xiàn)波浪式，出現(xiàn)早、中、晚3個(gè)高峰，具體變化趨勢(shì)為：7:00—8：00逐漸上升，并在8:00左右到達(dá)第一個(gè)峰值，在12:00—13:00到達(dá)第二個(gè)峰值，然后逐漸下降，在15:00左右到達(dá)一天中的最低值，隨后逐漸上升，在20:00達(dá)到監(jiān)測(cè)時(shí)段的峰值。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》：PM2.5濃度在0～35 μg·m-3，空氣質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)；PM2.5濃度在35～75 μg·m-3，空氣質(zhì)量等級(jí)為良。從監(jiān)測(cè)的PM2.5濃度日變化看出，白天居住區(qū)PM2.5濃度值都在35 μg·m-3以內(nèi)，空氣質(zhì)量都為優(yōu)，到了晚上20:00左右，PM2.5濃度值大于35 μg·m-3，空氣質(zhì)量屬于良。

圖1 各測(cè)試點(diǎn)的PM2.5濃度日變化

一天之中的早、晚時(shí)段出現(xiàn)PM2.5濃度峰值，與早、晚時(shí)段上、下班車(chē)流高峰有關(guān)，汽車(chē)尾氣的排放量增加，導(dǎo)致空氣中PM2.5濃度上升。同時(shí)，該時(shí)間段氣溫、風(fēng)速較低，空氣濕度較大，在這種情況下，空氣中的細(xì)微顆粒較難擴(kuò)散和運(yùn)輸。白天隨著氣溫升高和濕度下降，空氣對(duì)流增強(qiáng)，空氣中的細(xì)微顆粒開(kāi)始出現(xiàn)大規(guī)模的擴(kuò)散和運(yùn)輸，使PM2.5濃度逐漸降低。因此，早晚峰值大于中午峰值，并在15:00點(diǎn)左右PM2.5濃度值降到一天之中的最低水平。

2.2 不同植物群落的PM2.5濃度

取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的PM2.5濃度平均值進(jìn)行比較，以反映不同植物群落對(duì)PM2.5濃度的影響，結(jié)果如圖2所示，從數(shù)值上來(lái)看，P1>P2>P3>P5>P4。結(jié)合圖1、圖2，以及各測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際情況做如下分析。測(cè)試點(diǎn)P1為下沉活動(dòng)廣場(chǎng)，植物群落為復(fù)層結(jié)構(gòu)，以大王椰子、火焰木、大葉榕為上層結(jié)構(gòu)，中層種植散尾葵，地被有紅背桂、棕竹、翠蘆莉等，群落組合空間較通透，郁閉度在65%，地被覆蓋率為90%，四周較為封閉，受外界溫度和光照的影響較小，無(wú)風(fēng)環(huán)境導(dǎo)致擴(kuò)散條件差，空間內(nèi)PM2.5較易集聚[2]，早、晚PM2.5濃度值較高，經(jīng)過(guò)中午時(shí)段的高溫和低濕條件，在16:00左右降到一天中的最低值。P2為樹(shù)陣廣場(chǎng)，為單一群落結(jié)構(gòu)，植物是大王椰子，空間開(kāi)闊，郁閉度為20%，因植物單一，且下墊面為硬質(zhì)鋪裝，PM2.5濃度受溫度和風(fēng)速影響波動(dòng)較大，在15:00左右PM2.5濃度值降到一天中的最低值。P3為林蔭棧道，屬典型的喬灌草結(jié)構(gòu)，利用植物營(yíng)造的林下空間，郁閉度較高，較適合居民休閑散步，其中上層為白蘭、杧果，中層為紅花羊蹄甲、桂花等，地被有葉子花、鵝掌柴、朱蕉、吉祥草、吊竹梅等，地被覆蓋率為85%，郁閉度為90%，該群落結(jié)構(gòu)顯著增加了林內(nèi)濕度，降低林內(nèi)風(fēng)速，不利于細(xì)顆粒物的擴(kuò)散。P4為中庭活動(dòng)空間，東西北為建筑，北面建筑一樓為架空層，形成南北通透空間，綠化以植物組團(tuán)為主，以觀賞植物外形為主，上層為白蘭、荷花玉蘭，中層為紅花羊蹄甲、雞蛋花、桂花，下層為黃金榕、假連翹、米仔蘭、福建茶等，地被有合果芋、沿階草，地被覆蓋率為50%。該點(diǎn)的PM2.5濃度均值最低，主要是因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)位于林緣，PM2.5濃度值受溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速的影響較大。P5為入口林蔭大道，空間較為封閉，上層為原有古樹(shù)小葉榕，冠幅豐滿，形成較為封閉的林下空間，郁閉度為85%，林下點(diǎn)綴散尾葵和羅漢松等植物，地被有鳶尾、冷水花、翠蘆莉等，地被覆蓋率為60%，在14:00時(shí)PM2.5濃度值降到一天中的最低值。

圖2 光大花園二期各測(cè)試點(diǎn)PM2.5濃度均值

研究表明，以喬木為主的復(fù)層結(jié)構(gòu)綠地能夠有效降低空氣中可吸入顆粒物的濃度，這與植物葉片本身的特性有關(guān)，同時(shí)，植物群落、植物種類(lèi)和郁閉度也發(fā)揮一定的作用[9]。復(fù)層結(jié)構(gòu)的植物群落對(duì)空氣中PM2.5濃度的調(diào)節(jié)效果明顯優(yōu)于單一群落結(jié)構(gòu)，尤其是以喬灌草為主的復(fù)層結(jié)構(gòu)且郁閉度在75%～85%的植物群落效果較明顯。

2.3 氣候因子與PM2.5濃度變化的關(guān)系

居住區(qū)內(nèi)5處測(cè)試點(diǎn)的PM2.5濃度與溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度的關(guān)系如圖3～5所示。從圖3和圖4可以看出，PM2.5濃度與溫度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性均達(dá)到顯著水平。一天之中，隨著溫度升高，大氣的水平和垂直運(yùn)動(dòng)加劇，有利于PM2.5的運(yùn)輸擴(kuò)散。當(dāng)氣溫在22～28 ℃時(shí)，PM2.5濃度持續(xù)下降，當(dāng)氣溫超過(guò)28 ℃，PM2.5濃度值趨于穩(wěn)定。

圖3 PM2.5濃度與溫度的關(guān)系

圖4 PM2.5濃度與風(fēng)速的關(guān)系

由圖5可知，隨著相對(duì)濕度增加，PM2.5濃度也先隨之增加，但當(dāng)增加到一定值后趨于下降。當(dāng)相對(duì)濕度在40%～65%時(shí)，相對(duì)應(yīng)地，PM2.5濃度逐漸增加；但當(dāng)相對(duì)濕度大于66%時(shí)，PM2.5濃度趨于下降。

研究表明，綠地具有降低溫度和形成小氣候的作用[10-12]，溫度和風(fēng)速都會(huì)對(duì)植物的蒸騰作用產(chǎn)生影響，植物通過(guò)蒸騰作用可以增加空氣濕度，在一定范圍內(nèi)，更大的空氣相對(duì)濕度可以加速空氣中細(xì)顆粒物的沉降。

圖5 PM2.5濃度與相對(duì)濕度的關(guān)系

3 小結(jié)與討論

對(duì)光大花園居住區(qū)日常時(shí)間段內(nèi)典型植物群落PM2.5濃度變化進(jìn)行比較分析，測(cè)試點(diǎn)的PM2.5濃度在22.88～38.18 μg·m-3，符合國(guó)家城市綠化地區(qū)不超過(guò)75 μg·m-3的標(biāo)準(zhǔn)，空氣質(zhì)量屬于優(yōu)良。一天中PM2.5濃度呈波狀變化，出現(xiàn)3個(gè)峰值，且大小為晚上高峰>早上高峰>中午高峰，在15:00左右PM2.5濃度降到最低。這可能是因?yàn)榫幼^(qū)被道路環(huán)繞，會(huì)受到早晚上下班高峰期車(chē)流的影響，同時(shí)也受到植物生理活動(dòng)周期變化的影響[1]，使得白天PM2.5濃度呈現(xiàn)出峰谷變化。

研究表明，PM2.5濃度受空間環(huán)境影響較大[13-14]。雖然同一居住區(qū)內(nèi)的PM2.5濃度日變化值總體趨勢(shì)相近，但不同植物群落配置的組合空間，其PM2.5濃度具體變化也不相同。下沉活動(dòng)平臺(tái)四周?chē)?，且林間郁閉度高，擴(kuò)散條件差，空間內(nèi)細(xì)顆粒物易于積聚，因而其PM2.5濃度比其他測(cè)試點(diǎn)要高；樹(shù)陣廣場(chǎng)是測(cè)試點(diǎn)中相對(duì)開(kāi)闊的空間，且群落郁閉度較低，但其緊接主入口，距離道路較近，受到早晚高峰車(chē)輛影響，部分時(shí)段PM2.5濃度較高。中庭活動(dòng)空間的南北走向會(huì)形成穿堂風(fēng)，在風(fēng)力的作用下可以加速細(xì)微顆粒物的擴(kuò)散。林蔭棧道和入口林蔭大道，群落郁閉度較高，植物種植較密，林下濕度較高，通風(fēng)不暢，不利于細(xì)微顆粒物的擴(kuò)散。以上結(jié)果說(shuō)明，居住區(qū)綠地對(duì)PM2.5濃度具有調(diào)節(jié)作用，不同群落結(jié)構(gòu)特征對(duì)PM2.5的消減具有不同影響。復(fù)層結(jié)構(gòu)的植物群落明顯優(yōu)于單一群落結(jié)構(gòu)，尤其是以喬灌草為主的復(fù)層結(jié)構(gòu)，且郁閉度在75%～85%的群落效果較明顯。

分析PM2.5濃度與氣象因子的相關(guān)性可知，PM2.5濃度與溫度和風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。PM2.5濃度隨相對(duì)濕度增加先增加，但當(dāng)相對(duì)濕度為65%以上時(shí)，PM2.5濃度又呈下降趨勢(shì)。

總體來(lái)看，在濕熱地區(qū)居住區(qū)配置植物群落時(shí)需要考慮植物群落上層空間的通透性和郁閉度，以及地被的覆蓋度，并根據(jù)周邊建筑的圍合情況以利于風(fēng)向疏導(dǎo)配置喬木。通過(guò)植物群落配置組合的優(yōu)化可改變微環(huán)境中的溫濕度和風(fēng)速，進(jìn)而改善微環(huán)境中的細(xì)顆粒物濃度和分布。