校園3種植被類型對(duì)春季空氣PM2.5含量的影響

劉彥春，靳聰麗，王雨薇，邱備民，吳文凱

(河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 開封 475004)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，空氣質(zhì)量不斷惡化，空氣污染已經(jīng)成為影響人類身心健康的重要因素[1-2]。尤其是自2012年以來，中國(guó)霧霾天氣出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度顯著增加，使得以顆粒物污染為主的環(huán)境問題受到更為廣泛的關(guān)注[3-5]。細(xì)顆粒物(particulate matter ≤2.5 μm,PM2.5)是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)，已成為人類呼吸系統(tǒng)疾病的主要誘因[6-7]。高校校園因人口密集和植被景觀豐富等顯著特征而成為一種特殊的功能型組織。與所在城市相比，校園通常具有更高的植被覆蓋率，對(duì)于改善局部空氣質(zhì)量、提高師生學(xué)習(xí)和生活質(zhì)量具有重要意義。已有研究證實(shí)，高校校園植被在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能維持[8]、土壤動(dòng)物群落組成[9]和局部小氣候調(diào)節(jié)[10]等方面具有重要作用，也有部分研究關(guān)注了校園不同植被類型對(duì)空氣質(zhì)量的影響[11-12]。然而，校園內(nèi)不同植被類型在調(diào)控空氣質(zhì)量方面的差異是否與天氣狀況有關(guān)，目前還不清楚。本文以中原地區(qū)的河南大學(xué)金明校區(qū)為研究區(qū)域，選擇校園內(nèi)相毗鄰的3種不同植被類型，在兩種不同的天氣狀況(陰天和晴天)下，定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)每種植被類型內(nèi)的空氣質(zhì)量，以評(píng)價(jià)不同天氣狀況對(duì)空氣質(zhì)量的影響，這對(duì)于理解校園植被類型與局部空氣質(zhì)量之間的關(guān)系具有重要意義。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)布置

在河南大學(xué)金明校區(qū)內(nèi)，選擇裸地、針葉植被和闊葉植被3種典型的植被類型。裸地：在校園內(nèi)選擇一塊水泥地，面積約40 m×85 m。針葉植被：在水泥地附近，有一片面積約38 m×115 m的圓柏(Sabinachinensis(L.) Ant.)林。圓柏林的植株密度為2 m×3 m，圓柏平均高度(6.6 ± 1.3) m。闊葉植被：毗鄰裸地與針葉植被有一片面積約62 m×75 m的毛白楊(PopulustomentosaCarr)林。毛白楊林的植株密度為2.5 m×3.5 m，毛白楊的平均高度(7.5 ±1.6) m、平均胸徑(8.3 ± 1.5) cm。3種植被類型距離公路的直線距離均在10 m以上。在每種植被類型內(nèi)，分別設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，彼此間距約10 m，共計(jì)9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)測(cè)定

使用高150 cm的三腳架和德耳斯DES-8空氣監(jiān)測(cè)儀器(無錫德耳斯環(huán)境監(jiān)測(cè)有限公司生產(chǎn))各9套，分別放在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上。該儀器可同步監(jiān)測(cè)空氣PM2.5含量、空氣溫度和空氣相對(duì)濕度等指標(biāo)。在2018年春季(3—5月份)選擇兩種不同天氣狀況(陰天：3月3日，4月15日和5月18日；晴天：3月10日，4月28日和5月19日)，進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，每天從上午8：00持續(xù)到晚上20：00，每小時(shí)監(jiān)測(cè)1次。測(cè)定時(shí)將三腳架高度調(diào)整到150 cm，將空氣監(jiān)測(cè)儀器固定到三腳架頂部，監(jiān)測(cè)前10 min打開儀器，等儀器穩(wěn)定后，記錄各指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先，將每種植被類型的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同一時(shí)刻的測(cè)定值取平均，作為該植被類型某時(shí)刻的均值；其次，將同一天氣狀況下的3次試驗(yàn)測(cè)定(如陰天：3月3日，4月15日和5月18日)按不同時(shí)刻平均，從而得到每種植被類型春季不同時(shí)刻的平均值。將每天13個(gè)小時(shí)的測(cè)定數(shù)值進(jìn)行平均得到日均值。采用重復(fù)測(cè)量的方差分析檢驗(yàn)植被類型和天氣狀況對(duì)空氣溫度、空氣相對(duì)濕度和PM2.5含量的影響。利用單因素方差分析檢驗(yàn)各空氣指標(biāo)的日均值在不同植被類型與天氣條件下的差異。采用簡(jiǎn)單線性相關(guān)分析檢驗(yàn)空氣溫度和空氣相對(duì)濕度對(duì)空氣PM2.5含量的影響。統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 19.0軟件中完成，圖表制作在Sigmaplot 13.0軟件中完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 植被類型對(duì)空氣溫度和空氣相對(duì)濕度的影響

空氣溫度和空氣相對(duì)濕度的日間平均值，均受到植被類型、天氣狀況及測(cè)定時(shí)間的綜合影響。不同天氣狀況下3種植被類型對(duì)空氣指標(biāo)日均值的影響見表1。如表1所示，陰天狀況下，裸地空氣溫度(10.54 ℃)顯著低于針葉植被(11.44 ℃)與闊葉植被(11.31 ℃)；晴天狀況下，針葉植被的空氣溫度(14.74 ℃)則顯著低于裸地(16.67 ℃)和闊葉植被(16.97 ℃)(P< 0.05)。此外，晴天狀況下，3種植被類型的空氣溫度均顯著高于陰天狀況下的空氣溫度(P< 0.05)。不同植被類型對(duì)空氣相對(duì)濕度的影響也因天氣狀況而異。陰天狀況下，闊葉植被的空氣相對(duì)濕度(49.21%)顯著低于裸地(53.62%)；晴天狀況下，闊葉植被和裸地的空氣相對(duì)濕度(37.56%和37.52%)顯著低于針葉植被(42.51%)(P<0.05)。與空氣溫度相反，陰天狀況下，3種植被類型的空氣相對(duì)濕度顯著高于晴天狀況下的空氣相對(duì)濕度(P< 0.05)。

表1 不同天氣狀況下3種植被類型對(duì)空氣指標(biāo)日均值的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。同一列中不同小寫字母表示不同植被類型之間差異顯著(P<0.05)，同一行中不同大寫字母表示不同天氣狀況之間差異顯著(P< 0.05)。

空氣溫度和空氣相對(duì)濕度均具有明顯的日動(dòng)態(tài)變化。3種植被類型空氣溫度和空氣相對(duì)濕度在不同天氣狀況下的日動(dòng)態(tài)變化見圖1。3種植被類型對(duì)陰天狀況下空氣溫度的日動(dòng)態(tài)變化無顯著影響，均在上午8：00時(shí)，達(dá)到最低值(裸地7.7 ℃，針葉植被8.3 ℃， 闊葉植被6.0 ℃)，裸地和針葉植被均在下午16：00達(dá)到最高值(14.7 ℃和14.0 ℃)，而闊葉植被在下午15：00達(dá)到最高值(14.0 ℃ )，如圖1a所示。晴天狀況下，3種植被類型對(duì)空氣溫度日動(dòng)態(tài)變化的影響也不顯著，均在上午8：00達(dá)到最低值(裸地11.0 ℃，針葉植被8.0 ℃，闊葉植被9.3 ℃)，而與陰天狀況不同，最高溫度的出現(xiàn)時(shí)刻較早，裸地和闊葉植被的最高溫度出現(xiàn)在上午11：00(20.7 ℃和21.7 ℃)，而針葉植被的最高溫度出現(xiàn)在中午12：00(18.3 ℃)，如圖1b所示。空氣相對(duì)濕度表現(xiàn)出顯著的日動(dòng)態(tài)變化，陰天狀況下，3種植被類型的空氣相對(duì)濕度均在上午8：00達(dá)到最大值(裸地60.7%，針葉植被66.3%,闊葉植被66.7%)，而3種植被類型的空氣相對(duì)濕度最低值出現(xiàn)時(shí)刻不同，闊葉植被出現(xiàn)最早，在下午13：00(40.7%)，裸地次之，出現(xiàn)在下午16：00(46.7%)，針葉植被出現(xiàn)最晚，在下午17：00(45.3%)，如圖1c所示。在晴天狀況下，3種植被類型空氣相對(duì)濕度最高值也均出現(xiàn)在上午8：00(裸地55.3%，針葉植被62.0%，闊葉植被63.7%)，裸地和針葉植被的空氣相對(duì)濕度最低值均出現(xiàn)在下午14：00(31.7%和35.0%)，闊葉植被的最低值出現(xiàn)在下午15：00(29.7%)，如圖1d所示。

(a) 陰天狀況空氣溫度日動(dòng)態(tài)變化 (b) 晴天狀況空氣溫度日動(dòng)態(tài)變化

(c) 陰天狀況空氣相對(duì)濕度日動(dòng)態(tài)變化 (d) 晴天狀況空氣相對(duì)濕度日動(dòng)態(tài)變化

圖1 3種植被類型空氣溫度和空氣相對(duì)濕度在不同天氣狀況下的日動(dòng)態(tài)變化

2.2 植被類型對(duì)空氣PM2.5含量的影響

空氣PM2.5含量因植被類型和天氣狀況而異。如表1所示，在陰天狀況下，針葉植被PM2.5含量最高(70.56 μg·m-3)，顯著高于闊葉植被(36.23 μg·m-3)和裸地(24.62 μg·m-3)；此外，闊葉植被的空氣PM2.5含量也顯著高于裸地(P<0.05)。在晴天狀況下，針葉植被的空氣PM2.5含量(24.67 μg·m-3)顯著低于闊葉植被(51.95 μg·m-3)和裸地(70.62 μg·m-3)，并且闊葉植被也顯著低于裸地(P<0.05)。晴天狀況下，裸地和闊葉植被的空氣PM2.5含量顯著高于陰天狀況，而針葉植被則低于陰天狀況下的空氣PM2.5含量(P<0.05)。

空氣PM2.5含量表現(xiàn)出顯著的日動(dòng)態(tài)變化。3種植被類型空氣PM2.5含量在不同天氣狀況下的日動(dòng)態(tài)變化見圖2。在陰天狀況下，空氣PM2.5含量表現(xiàn)出早晨和傍晚高，而在中午較低的U型變化(見圖2a)。3種植被類型的空氣PM2.5含量的最大值分別出現(xiàn)在上午9：00(裸地)、上午8：00(針葉植被)和上午9：00(闊葉植被)，最小值則出現(xiàn)在中午12：00(裸地)、下午15：00(針葉植被)和中午12：00(闊葉植被)。晴天狀況下，3種植被類型的空氣PM2.5含量的日動(dòng)態(tài)變化較為平穩(wěn)，最小值較為一致地出現(xiàn)在晚上20：00，最大值分別出現(xiàn)在下午15：00(裸地)、傍晚18：00(針葉植被)和上午11：00(闊葉植被)(見圖2b)。

(a) 陰天狀況空氣PM2.5含量日動(dòng)態(tài)變化(b) 晴天狀況空氣PM2.5含量日動(dòng)態(tài)變化

圖2 3種植被類型空氣PM2.5含量在不同天氣狀況下的日動(dòng)態(tài)變化

2.3 不同植被類型空氣PM2.5含量與空氣溫度和空氣相對(duì)濕度的關(guān)系

不同天氣狀況下空氣PM2.5含量與空氣溫度和空氣相對(duì)濕度的關(guān)系見圖3。利用簡(jiǎn)單線性相關(guān)分析可知，在陰天狀況下，3種植被類型的空氣PM2.5含量與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)(見圖3a)，而與空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)(見圖3b)。在晴天狀況下，裸地和闊葉植被的空氣PM2.5含量與空氣溫度呈正相關(guān)(見圖3c)，而與空氣相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)(見圖3d)，針葉植被的空氣PM2.5含量與空氣溫度和空氣相對(duì)濕度均無顯著關(guān)系。

(a) 陰天狀況PM2.5含量與空氣溫度的關(guān)系 (b) 陰天狀況PM2.5含量與空氣相對(duì)濕度的關(guān)系

(c) 晴天狀況PM2.5含量與空氣溫度的關(guān)系 (d) 晴天狀況PM2.5含量與空氣相對(duì)濕度的關(guān)系

圖3 不同天氣狀況下空氣PM2.5含量與空氣溫度和空氣相對(duì)濕度的關(guān)系

3 討論

3.1 不同植被類型空氣PM2.5含量差異因天氣狀況而異

本研究發(fā)現(xiàn)：校園不同植被類型對(duì)空氣質(zhì)量的影響是不同的,這與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)論相一致。然而與文獻(xiàn)[11]報(bào)道不同的是，本文認(rèn)為，空氣PM2.5含量在針葉植被與闊葉植被之間存在顯著差異。文獻(xiàn)[13]研究表明：以針葉樹為主的綠地內(nèi)春季PM10的含量略高于闊葉植被，但其并未區(qū)分不同天氣狀況。本研究發(fā)現(xiàn)植被類型對(duì)空氣PM2.5含量的影響因天氣狀況差異而表現(xiàn)出截然不同的效應(yīng)。陰天狀況下，針葉植被內(nèi)PM2.5的含量最高，而在晴天狀況下則最低。這種相反的結(jié)果可能與針葉植被特殊的葉片和代謝特征有關(guān)[14]。首先，本文中的針葉植被是柏科的圓柏，該樹種四季常青，葉片及枝條可分泌油性的樹脂，在陰天無太陽(yáng)輻射的情況下，油性樹脂分泌的數(shù)量及黏性低于晴天太陽(yáng)輻射的情況[15]，因此，陰天時(shí)圓柏葉片對(duì)PM2.5的吸滯能力偏弱；其次，圓柏樹具有稠密的結(jié)構(gòu)，地面40 cm以上就是樹冠，顆粒物相比裸地與闊葉植被更易于積累，而不易隨風(fēng)擴(kuò)散；再次，本研究監(jiān)測(cè)時(shí)，闊葉植被還沒有萌生葉片，而針葉植物的葉片則可進(jìn)行光合作用，伴隨著光合作用的氣孔張開，有利于顆粒物的吸入。綜上所述，校園內(nèi)針葉植被對(duì)空氣PM2.5含量的影響因天氣狀況而表現(xiàn)出不同效應(yīng)。

3.2 空氣PM2.5含量與空氣溫度和空氣相對(duì)濕度的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)：在小時(shí)尺度上，3種植被的空氣PM2.5含量與空氣溫度和空氣相對(duì)濕度的關(guān)系，在陰天狀況下與晴天狀況下截然相反。陰天狀況下，空氣PM2.5含量與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)，而與空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)。首先，在陰天狀況下氣壓較低，基本無風(fēng)，空氣相對(duì)濕度的增加導(dǎo)致空氣中具有吸濕性的凝結(jié)核不斷增加，因而會(huì)引起PM2.5含量的增加。其次，本研究中空氣相對(duì)濕度最高且溫度最低的時(shí)刻出現(xiàn)在上午8：00，此刻正是上班的高峰期，車流密集，也可能是引起PM2.5含量較高的原因。在晴天狀況下，空氣PM2.5含量則與空氣溫度呈正相關(guān)，而與空氣相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。PM2.5通常是被吸附在植物葉片及枝條的表面，被吸附強(qiáng)度受到空氣溫度、空氣相對(duì)濕度及太陽(yáng)輻射的影響。晴天時(shí)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，溫度相對(duì)較高可導(dǎo)致吸附于葉片表面的顆粒物表面水汽減少，更易于被風(fēng)帶到空氣中。

4 結(jié)論

通過對(duì)中原地區(qū)河南大學(xué)校園春季空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同植被類型對(duì)春季空氣PM2.5含量的影響受天氣狀況的調(diào)節(jié)。晴天狀況下，針葉植被的空氣PM2.5含量顯著低于裸地與闊葉植被，然而在陰天狀況下，針葉植被則具有較高的空氣PM2.5含量。這種春季空氣PM2.5含量與植被類型的關(guān)系因天氣狀況而異的響應(yīng)格局，與不同植被類型構(gòu)成物種的葉片形態(tài)及代謝過程有關(guān)。在校園植被配置過程中，要更加注重不同植被類型的合理搭配。