城市公園大氣顆粒物濃度的節(jié)假日特征

吳海堂 孫豐賓 晏海 邵鋒

1 樣地分布圖The distribution map of sample plots

2 杭州主城區(qū)監(jiān)測點分布圖The distribution map of monitoring points in Hangzhou main urban areas

工業(yè)化和城市化的迅猛發(fā)展，機動車保有量的持續(xù)增長，化石燃料（煤、石油、天然氣）消耗量的迅速增加都是引發(fā)大氣污染的主要原因[1-4]。大氣顆粒物是造成霧霾天氣的主要因子，PM2.5、PM10等顆粒物的吸濕性致使其易附著重金屬、水溶性離子和有機物，直接損害人體健康[5-7]。消光性能影響大氣能見度，甚至導(dǎo)致全球氣候的變化[8]。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究表明，大氣顆粒物有地域差異，如經(jīng)濟發(fā)達的京津冀、長三角、珠三角等地區(qū)的大氣顆粒物濃度是中國中西部地區(qū)的2～3倍，霧霾污染持續(xù)時間更長[9-12]。同一區(qū)域大氣顆粒物呈現(xiàn)季節(jié)變化，一般冬季濃度最高、夏季最低[13]。除特殊天氣外，PM10濃度夜間高于白天，有明顯晝夜變化[14]。Cleveland W.S.等[15]首次提出大氣顆粒物還存在周末效應(yīng)。有研究表明工作日與非工作日大氣顆粒物有明顯差異[16]。雷瑜等[17]對2009—2012年北京城區(qū)6種大氣污染物進行周末和節(jié)假日效應(yīng)研究后發(fā)現(xiàn)，除O3外其余5種大氣污染物濃度周末均低于工作日。沈利娟等[18]研究6種大氣污染物濃度的日變化規(guī)律是周末呈四峰型分布，工作日為明顯的雙峰型，污染物濃度出現(xiàn)峰值的時間是市民活動較頻繁時間段。楊志文、趙承美等[19-20]研究表明，春節(jié)期間顆粒物濃度呈高倍數(shù)增長。城市公園是市民節(jié)假日活動的主要載體，目前針對城市公園在節(jié)假日期間大氣顆粒物濃度變化研究較少。

謝朝武等[21]提出假日旅游高峰對生態(tài)環(huán)境有多層次的破壞。武苗苗等[22]研究表明，假日期間市民的出行規(guī)律與工作日相比存在較大差異，節(jié)假日期間集中出游，班車、出租車通行頻繁，導(dǎo)致空氣惡化嚴(yán)重。杭州統(tǒng)計年鑒表明，2016年杭州旅游總?cè)藬?shù)及總收入均創(chuàng)歷史新高[23]。因此，研究杭州節(jié)假日大氣顆粒物濃度變化特征具有重要的現(xiàn)實意義。本研究以杭州花港觀魚公園為對象，定量分析大氣顆粒物濃度與植物、游客游覽觀光活動及氣象因子的關(guān)系，為城市公園的規(guī)劃、建設(shè)和管理提供參考和依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 研究對象

花港觀魚公園位于杭州西湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)（30°14′45″N，120°8′30″E），占地約30hm2，周邊無明顯污染源。全園植物覆蓋率達80%，庇蔭區(qū)域為密林和疏林草地，不庇蔭區(qū)域主要是大草坪、道路和水面。以園內(nèi)道路為邊界，圍合形成的3個不同植物群落類型的綠地作為樣地，分別是雪松大草坪（以下稱草坪）、懸鈴木+合歡（以下稱純林）、香樟+楓香—桂花+山茶—南天竹+箬竹—吉祥草（以下稱密林）。根據(jù)植物密閉程度分為開敞、半開敞、密閉3種類型（圖1）。樣地內(nèi)植物種類豐富，共計34種，其中喬木23種，灌木7種，地被4種。草坪樣地有10科12屬13種，常綠與落葉植物數(shù)量比例約5∶1，以雪松+櫻花為主體的開敞型草坪空間面積約14 000m2，形成通透疏朗郁閉度低的群落結(jié)構(gòu)；純林樣地有7科8屬9種，常綠與落葉數(shù)量比例約1∶3，形成以高大喬木懸鈴木+合歡為主體的半開敞型林下空間，面積約2 200m2，郁閉度較高，灌木數(shù)量少，通透性好；以樟科、金縷梅科為骨干的密林樣地面積約3 500m2，樣地內(nèi)植物有16科20屬22種，常綠與落葉數(shù)量比例約2∶1，形成郁閉度高的密閉型植物群落[24]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

目前，杭州市主城區(qū)有10個空氣質(zhì)量監(jiān)測站點。筆者選取其中7個站點數(shù)據(jù)，分別是西湖區(qū)（臥龍橋站）、濱江區(qū)（濱江站）、蕭山區(qū)（城廂站）、江干區(qū)（下沙站）、下城區(qū)（朝暉五區(qū)站）、拱墅區(qū)（和睦小學(xué)站）和余杭區(qū)（臨平站），總體上反映了杭州市空氣質(zhì)量水平（圖2）。選取西湖區(qū)（臥龍橋站）為參照點，收集2018年元旦節(jié)前后環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測點實時發(fā)布的PM2.5和PM10數(shù)據(jù)。

樣地監(jiān)測點選址：在草坪樣地距離公園東西向主干道路約30m處及純林、密林樣地的幾何中心位置各布置一臺PM2.5濃度監(jiān)測儀，同時在園內(nèi)南北向主干道緊鄰魏盧的東側(cè)（基本點）距離路牙2m處布置PM2.5、PM10濃度監(jiān)測儀各一臺。儀器為LD—5C（B）微電腦激光粉塵儀，安置于離地約1.5m處。采樣時間是2017年12月25日—2018年1月13日，每天選市民集中出游段08：30—17：00進行數(shù)據(jù)連續(xù)采集（頻率為1次/min，k值為0.001）。為提高實驗準(zhǔn)確性，2018年元旦前后氣象因子監(jiān)測時避開雨天及其他極端天氣，同時通過多天連續(xù)監(jiān)測避免偶發(fā)情況產(chǎn)生（表1）。

2 杭州節(jié)假日大氣顆粒物濃度變化特征

2012年國家生態(tài)環(huán)境部修訂了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012），本次修訂的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)增加了細顆粒物監(jiān)測和臭氧8小時平均濃度限值[25]。筆者選取杭州西湖風(fēng)景區(qū)（臥龍橋站）為參照點，分析2018年元旦前后杭州主城各區(qū)PM2.5和PM10濃度變化規(guī)律。為確保數(shù)據(jù)的可靠性，增加了2017年元旦前后相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 2018年杭州元旦節(jié)前后氣象因子Tab.1 Meteorological factors around New Year’s Day in 2018 in Hangzhou

3 2017年和2018年杭州西湖區(qū)臥龍橋監(jiān)測點PM2.5和PM10濃度變化圖The diagram of PM2.5 and PM10 concentration changes in the monitoring point of Wolong Bridge in West Lake District,Hangzhou in 2017 and 2018

4 2018年杭州主城區(qū)監(jiān)測點PM2.5和PM10的濃度變化圖The diagram of PM2.5 and PM10 concentration changes in the monitoring points of Hangzhou main urban areas in 2018

2.1 參照點（臥龍橋站）節(jié)假日大氣顆粒物濃度變化特征

中國大氣顆粒物主要來自6類源：揚塵（土壤塵、道路塵、建筑塵）、燃煤、工業(yè)排放、機動車尾氣塵、物質(zhì)燃燒及SO2、NOX、VOCS氧化產(chǎn)生的二次顆粒物。杭州市大氣顆粒物主要來源是揚塵、機動車尾氣塵、硫酸鹽和煤煙[1,4]。2017年和2018年節(jié)日期間的大氣顆粒物濃度均高于節(jié)前和節(jié)后，呈現(xiàn)明顯的節(jié)假日效應(yīng)。節(jié)中的PM2.5和PM10平均濃度分別是 102±41.51μg · m-3、155±64.86μg · m-3，分別是非節(jié)日的1.6倍、1.7倍（圖3）。大氣顆粒物濃度在節(jié)前一天迅速升高，節(jié)后一天又快速降低。參照點位于西湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)，假日期間景區(qū)實行了嚴(yán)格的交通管制措施，顆粒物濃度升高是由于游人集中出游對地面塵土擾動強度加大引起的，節(jié)日期間游客量激增對西湖風(fēng)景區(qū)的環(huán)境影響較大。

2.2 主城區(qū)各監(jiān)測點節(jié)假日大氣顆粒物濃度變化特征

研究表明，杭州主城區(qū)有明顯節(jié)假日特征，其中余杭區(qū)受節(jié)日影響最大，PM10濃度變化最明顯，蕭山區(qū)、下城區(qū)次之，西湖區(qū)影響最?。▓D4）。余杭區(qū)、蕭山區(qū)是杭州對外交通樞紐中心，節(jié)日期間車流量加大，汽車尾氣排放量增加是顆粒物濃度升高的主要因素；下城區(qū)是杭州商貿(mào)服務(wù)中心，購物、餐飲、娛樂等活動增多導(dǎo)致顆粒物濃度升高；西湖區(qū)是杭州主要休閑游覽觀光中心，整體上節(jié)日和非節(jié)日顆粒物濃度均最低，表明空氣質(zhì)量最佳。西湖區(qū)依托西湖風(fēng)景區(qū)，風(fēng)景區(qū)面積49km2，約占西湖區(qū)總面積的1/5。綠蔭環(huán)抱、植被豐茂，植物對大氣顆粒物起到了很好的滯留、吸附作用。

3 花港觀魚公園節(jié)假日大氣顆粒物濃度變化特征及相關(guān)性分析

花港觀魚公園是杭州西湖十景之一，地處西湖蘇堤南段，西側(cè)距楊公堤、南山路機動車道較遠。公園內(nèi)部以步行為主，禁止機動車通行。在不考慮其他特殊外力因素影響下，大氣顆粒物主要來自主城區(qū)顆粒物的擴散及公園道路揚塵，道路揚塵主要來自公園游客游覽觀光活動（圖5）。

3.1 PM2.5濃度變化特征

花港觀魚公園元旦前、中、后PM2.5的 平 均 濃 度 分 別 為 91±13.68μg · m-3、165±22.28μg · m-3、26±4.31μg · m-3，節(jié)日與非節(jié)日差異顯著。這與楊志文等[19]研究結(jié)論相似。非節(jié)日期間（圖5-1、圖5-3）有波谷現(xiàn)象，波谷出現(xiàn)的時間一般在12：30—14：30，整體上振蕩波幅不大。節(jié)日期間（圖5-2）有明顯波峰，峰值在10：30、16：30附近，整體波動振幅較大，呈鋸齒狀。沈利娟等[18]研究嘉興春季顆粒物的周末效應(yīng)發(fā)現(xiàn)周末PM在11：00開始升高，并在15：00左右出現(xiàn)第一個峰值后16：00略微下降又開始升高。與本研究節(jié)日期間峰值出現(xiàn)的時間接近。由于冬季風(fēng)速較小、氣壓較低、降雨少、近地層大氣環(huán)境較穩(wěn)定，使顆粒物不易擴散，加之冬季采暖能源消耗增加，所以PM2.5濃度較高[13]。

3.2 PM10濃度變化特征

PM10濃度變化趨勢與PM2.5相似，非節(jié)日期間有波谷現(xiàn)象，節(jié)日期間有波峰現(xiàn)象。節(jié)日期間PM10的峰值出現(xiàn)在10：00附近，達到338μg · m-3；平均濃度從節(jié)前的 119±19.17μg · m-3躍升至 266±35.08μg · m-3，增長了約 1倍。PM10濃度波峰出現(xiàn)在9：30—14：00，公園內(nèi)引起PM10濃度上升的主因是揚塵（土壤塵、道路塵）。游客游覽觀光活動對道路塵土擾動，隨著擾動力度的增強濃度隨之升高，表明該時段是公園觀光接待高峰，游覽活動密集。圖中還呈現(xiàn)強烈鋸齒狀波動且無明顯規(guī)律，主要是游客入園游覽活動的密集性與觀光的隨機性對塵土的擾動強度不一，導(dǎo)致PM10濃度振蕩波幅較大。Saha U.等[26]對印度新年期間大氣顆粒物濃度變化研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)日與非節(jié)日差異明顯，節(jié)日期間的主要污染物是PM10。綜上表明PM10濃度與游客量相關(guān)性較大。

5 公園內(nèi)PM2.5和PM10濃度及比值分時圖The time-sharing diagram of concentration and ratio of PM2.5 and PM10 in the park

表2 大氣顆粒物濃度與游客量Spearman相關(guān)系數(shù)Tab.2 Spearman correlation coefficient between atmospheric particulates concentration and tourist volume

表3 大氣顆粒物濃度與氣象因子Spearman相關(guān)系數(shù)Tab.3 Spearman correlation coefficient between atmospheric particulates concentration and meteorological factors

3.3 PM2.5/PM10的相關(guān)性

圖5綠線的變化趨勢代表了PM2.5和PM10濃度的比值，主要反映節(jié)假日游客游覽觀光活動對不同粒徑大氣顆粒物貢獻率的占比。楊文濤等[27]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5和PM10之間不僅存在空間異質(zhì)，同時存在時間異質(zhì)，即比率會隨時空發(fā)生變化。節(jié)前PM2.5/PM10為0.6～1.1，節(jié)中0.5～0.7，節(jié)后 0.3～0.45。節(jié)前 10：00—12：00出現(xiàn)波峰時，達到最大值。節(jié)中振幅劇烈；節(jié)后持續(xù)降雨導(dǎo)致顆粒物濃度降低，波動較小，比值趨于平穩(wěn)。圖5-1顯示，12：00PM2.5/PM10達到峰值時，PM2.5和PM10濃度均呈下降趨勢，PM10下降速度大于PM2.5，午后游客數(shù)量減少，表明游客游覽觀光活動引起的道路揚塵擾動對PM10濃度升高的貢獻率更大。圖5-2亦表明節(jié)日期間中午觀光游客較多，PM10濃度較高，PM2.5/PM10則出現(xiàn)谷值。節(jié)后持續(xù)降雨，大氣顆粒物濃度低于國標(biāo)限值，無明顯波動。圖5-3中PM2.5和PM10的平均濃度分別為 26±4.31μg · m-3、65±5.38μg · m-3,分別比節(jié)前降低了約3/4、比節(jié)中降低了約4/5。表明節(jié)后降雨對PM2.5、PM10的清除效果明顯[28]。

3.4 大氣顆粒物濃度與游客量的相關(guān)性分析

節(jié)假日比非節(jié)假日游客量有明顯增加，節(jié)日期間游客量分布更加均衡、持續(xù)性較好，非節(jié)日期間游客量在午后至傍晚出現(xiàn)較大增長（圖6、7）。杭州西湖風(fēng)景名勝區(qū)統(tǒng)計局課題組對西湖風(fēng)景區(qū)游客量進行分層抽樣統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，游客量集中的時段是9：00—11：00、13：00—16：00，在 10：00、14：00 游客量達到峰值，許多旅游團按照曲院風(fēng)荷—坐船游湖—花港觀魚—靈隱—虎跑的線路來安排行程[29]。因此，增加更多游覽路線對游客進行分流非常有必要。

節(jié)日期間顆粒物濃度與游客量有顯著的相關(guān)性，當(dāng)非節(jié)日期間大氣顆粒物濃度較低時，相關(guān)性不顯著或呈負相關(guān)，表明顆粒物濃度與游客量之間的相關(guān)性有一定的閾值，該閾值為公園最大容量值或稱公園自我恢復(fù)平衡值，當(dāng)游客量在閾值以下時，公園可以依靠自身生態(tài)修復(fù)機制保持環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)平衡（表2）。節(jié)日期間PM10比PM2.5的相關(guān)系數(shù)高，這表明游客游覽觀光活動對PM10的貢獻率更大，與前文結(jié)論一致。

3.5 大氣顆粒物濃度與氣象因子的相關(guān)性分析

節(jié)前天氣持續(xù)晴朗，氣象因子與PM2.5、PM10均有顯著相關(guān)性；節(jié)后由于持續(xù)降雨，其相關(guān)性程度較低。氣象因子中，風(fēng)速對大氣顆粒物濃度的影響最大，當(dāng)風(fēng)速越大空氣形成的對流能更有效降低顆粒物濃度（表3）。溫度與大氣顆粒物濃度呈負相關(guān)關(guān)系，當(dāng)氣溫較高時，大氣垂直對流作用加劇，有利于顆粒物擴散。相對濕度與大氣顆粒物濃度呈正相關(guān)關(guān)系，顆粒物吸濕后質(zhì)量增加，加速顆粒物沉降。這與趙晨曦等[30]研究北京冬季PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度分別與氣溫、相對濕度呈正相關(guān)、與風(fēng)速呈負相關(guān)的結(jié)論基本一致。對比不同粒徑與氣象因子的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)PM10的相關(guān)系數(shù)高于PM2.5，氣象因子對較大顆粒物濃度的影響比細顆粒顯著。冬季總體上大氣顆粒物濃度較高，這與冬季近地溫層穩(wěn)定，氣壓差值較低不易形成對流等氣象條件有密切的關(guān)系[13]。

6 游客分時進園量占比分布The proportion of visitors entering the park in time-sharing

7 元旦節(jié)前后游客量變化趨勢Trend of tourist volume around New Year’s Day

表4 3種不同植物群落類型綠地PM2.5濃度與參照點的比較Tab.4 Comparison of PM2.5 concentration between the three pieces of green space with different plant communities and reference point

4 花港觀魚公園內(nèi)不同植物群落類型對PM2.5濃度的影響

密林的PM2.5濃度均值較高、方差值較低，草坪、純林均值較低、方差值偏高，而基本點方差值最高，節(jié)中可達到±17.62μ g · m-3（表4）。主要原因是密林群落內(nèi)植物覆蓋度、郁閉程度較高，空氣不易流通，使得PM2.5不易擴散，導(dǎo)致濃度較高[31-33]。另外，冬季植物呼吸減弱、氣孔關(guān)閉，植物滯塵能力降低也是重要原因。植物對大氣顆粒物有滯留、消減作用，能有效阻擋路沿灰塵，因而其離散程度較低?；军c設(shè)于路邊無植物遮擋，PM2.5濃度變化離散程度與游客觀光對塵土擾動相關(guān)性較高。謝朝武等[21]研究也發(fā)現(xiàn)游客觀光活動對公園有一定程度的影響。

由于PM2.5等粒徑小，沉降困難，植物葉片、枝干等暴露在空氣中的器官和某些特殊局部結(jié)構(gòu)對大氣顆粒物有消減、阻滯和吸收作用，不同植物及植物群落類型對大氣顆粒物滯留能力差異性較大[31-32]。從時間上看，花港觀魚公園內(nèi)3種不同植物群落類型的PM2.5濃度表現(xiàn)為：節(jié)中＞節(jié)前＞節(jié)后，節(jié)后PM2.5濃度大幅降低主要與氣象因子有關(guān)。從空間上看，同一時段內(nèi)PM2.5濃度排序為：密林＞純林＞草坪。楊貌等[31]研究春季北京6種典型綠地植物配置模式發(fā)現(xiàn)，復(fù)合配置模式比單一配置模式下大氣顆粒物濃度穩(wěn)定程度高，主要受植被郁閉度、疏透度以及配置種類的綜合影響，喬—草、灌木綠地配置對大氣顆粒物水平消減率最好。孫曉丹等[32]研究4種綠地結(jié)構(gòu)對顆粒物的消減率，結(jié)果表明，PM10表現(xiàn)為“喬—灌—草”＞“喬—灌”＞“灌—草”＞“喬—草”，而PM2.5和PM10表現(xiàn)為“喬—灌—草”＞“喬—灌”＞“喬—草”＞“灌—草”。綠地對PM2.5的消減有明顯作用，以喬灌草為主、郁閉度大的綠地對PM2.5具有較好的消減作用[34]。

5 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，人們有更多的機會和意愿參與旅游活動。本文作者研究了優(yōu)秀旅游城市的大氣顆粒物濃度節(jié)假日特征。結(jié)果表明，杭州有明顯的節(jié)假日效應(yīng)，節(jié)日期間PM2.5和PM10的濃度呈倍數(shù)增長，其中余杭區(qū)、蕭山區(qū)等重要的對外交通樞紐中心區(qū)域尤為突出。杭州大氣顆粒物濃度增長主要是節(jié)日機動車輛、客流的增長所致。西湖區(qū)是杭州休閑游覽觀光中心，西湖風(fēng)景區(qū)因節(jié)假日實行了嚴(yán)格的交通管制措施，整體上西湖區(qū)所受影響相對較低，空氣質(zhì)量較好。因此，政府管理部門可依據(jù)城市自身條件采取包括錯峰出游、分區(qū)域管理等措施來緩解生態(tài)環(huán)境壓力。

城市公園是市民戶外活動的重要載體。通過對花港觀魚公園研究表明，節(jié)日期間大氣顆粒物濃度分時波動振幅較大呈鋸齒狀，峰值出現(xiàn)在10：30、16：30附近。游客量與顆粒物濃度相關(guān)性顯著，非節(jié)日期間不存在明顯相關(guān)性。節(jié)日期間游客對路面塵土擾動是公園內(nèi)顆粒物濃度迅速升高的重要原因。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多旅游團線路行程多雷同，空間上高峰集聚現(xiàn)象明顯，為緩解旅游高峰期生態(tài)環(huán)境壓力，政府部門可出臺政策引導(dǎo)旅行社為游客提供多條游覽線路，減輕由于人群過度集中對城市公園生態(tài)環(huán)境造成的影響。

大氣顆粒物的滯留研究表明，目前更多的是借助自然界清除機制來緩解大氣污染壓力。本研究通過分析公園內(nèi)3種不同植物群落類型對PM2.5的滯留能力發(fā)現(xiàn)，節(jié)日期間PM2.5濃度為：密林＞純林＞草坪＞基本點，非節(jié)日期間：密林＞基本點＞純林＞草坪，相關(guān)研究亦有相似結(jié)論，再次證明公園游客量對大氣顆粒物貢獻度較大。密林能更好地滯留顆粒物，草坪空間更快擴散顆粒物。因此在公園植物景觀設(shè)計時，在園外圍需設(shè)置一定寬帶的密林群落，可對大氣顆粒物阻隔、滯留和吸附，而公園內(nèi)部需設(shè)計大量疏林、草坪空間，保證通透性，有利于園內(nèi)因游客觀光產(chǎn)生顆粒物的快速擴散。

致謝：

感謝杭州西湖風(fēng)景名勝區(qū)管委會（杭州市園文局）提供實驗場地及游客量數(shù)據(jù)；感謝杭州市臨安區(qū)氣象局提供氣象數(shù)據(jù)。

注釋：

文中所有圖片、表格均由作者繪制。