不同植被結(jié)構(gòu)校園綠地對(duì)空氣顆粒物濃度影響研究

路 琛 張 祥 邱 玲 高 天 聶 帥

近年來，空氣顆粒物污染問題波及亞洲大部分城市，引發(fā)人們的廣泛關(guān)注[1-2]。空氣顆粒物質(zhì)會(huì)降低大氣中的能見度，改變其輻射特性[3]，進(jìn)而改變城市的熱環(huán)境。同時(shí)，空氣顆粒物質(zhì)中PM2.5、PM10會(huì)進(jìn)入人體呼吸道從而嚴(yán)重威脅人類健康[4]。影響空氣顆粒物濃度的因素復(fù)雜且多樣，天氣條件、城市工業(yè)、樹種的特征、植物的群體水平和物候等均可對(duì)其產(chǎn)生影響[5-13]。目前國內(nèi)外對(duì)綠地與空氣顆粒物關(guān)系的研究多以植物的物理或生理特性，或簡(jiǎn)單的綠地分類形式作為研究對(duì)象，缺乏對(duì)于綠地長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)性和整體性的研究，這在一定程度上，忽視了植物結(jié)構(gòu)形成不同群落的效應(yīng)。植物往往通過停著、附著和黏附3種方式對(duì)空氣顆粒物濃度產(chǎn)生影響[14-15]，這3種方式共同進(jìn)行，尤其是在植物群落中共同作用，對(duì)空氣顆粒物濃度產(chǎn)生影響[16-18]。有研究表明，不同綠地類型均有顯著消減空氣顆粒物的作用，尤其是闊葉喬-灌-草結(jié)構(gòu)對(duì)PM2.5濃度削減最明顯[19]，也有研究認(rèn)為喬灌草組成的復(fù)合綠化結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)滯留更多的空氣顆粒物[20-21]?？偠灾壳跋到y(tǒng)開展植被結(jié)構(gòu)對(duì)空氣顆粒物影響的研究較少，而且研究結(jié)論不一致。

因此，本研究通過連續(xù)監(jiān)測(cè)一年寶雞文理學(xué)院不同植被結(jié)構(gòu)綠地內(nèi)的空氣顆粒物總量(TSP)、PM10、PM2.5的濃度以及風(fēng)速、溫度和濕度，綜合分析影響空氣顆粒物濃度的因素以及不同植被結(jié)構(gòu)的綠地對(duì)空氣顆粒物濃度的削減作用，以期為改善以空氣質(zhì)量為導(dǎo)向的風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與參考。

1 研究區(qū)域概況

寶雞古稱陳倉，是陜西省最西部的一座城市，屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，南臨秦嶺、北靠?jī)绍?，渭河穿城而過。本試驗(yàn)選擇寶雞文理學(xué)院東校區(qū)的校園綠地作為研究對(duì)象，校區(qū)總面積46hm2，綠地面積22hm2，地形平坦，植被豐富，群落層次多樣，生態(tài)穩(wěn)定性較強(qiáng)，且受人為因素影響較小。相較于其他公共綠地而言該綠地面積大、類型豐富、人為活動(dòng)典型且相對(duì)固定。

2 研究方法

2.1 樣地綠地植被結(jié)構(gòu)分類系統(tǒng)的建立

本研究將按照植被結(jié)構(gòu)的橫向結(jié)構(gòu)、豎向結(jié)構(gòu)和植被型組3個(gè)維度進(jìn)行綠地類型劃分，制成植被結(jié)構(gòu)分類表(表1)。橫向結(jié)構(gòu)是指在水平投影面上，植被要素中個(gè)體的分布方式和整體的空間布局。豎向結(jié)構(gòu)指植被要素中不同高度的喬木層、灌木層、草本層、地被層在垂直方向上的組合形式。植被型組指建群種生活型相似因而群落外貌相似的植物聯(lián)合，包括闊葉、針葉和混交形式[20]。

依據(jù)上述分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合校園實(shí)地特征，篩選出10個(gè)植被結(jié)構(gòu)明顯且人流干預(yù)較少的綠地為觀測(cè)樣地，確定出5種植被結(jié)構(gòu)類型(即半閉-混交-多層、半閉-闊葉-單層、半閉-混交-單層、半閉-闊葉-多層、開敞-灌木)的校園綠地作為研究對(duì)象(圖1)，各植被結(jié)構(gòu)內(nèi)主要植物種類如表2所示。并設(shè)置校園廣場(chǎng)硬質(zhì)鋪裝的廣場(chǎng)區(qū)域作為對(duì)照組。

2.2 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)

在樣地的中心區(qū)域選擇測(cè)量點(diǎn)的成年人呼吸高度處(h=1.5m)，使用粉塵測(cè)量?jī)x(Met One 831)測(cè)量樣地內(nèi)的PM2.5、PM10和TSP的濃度，使用手持式自動(dòng)氣象站(FC-36025)測(cè)量該樣地的溫度、濕度、風(fēng)速。監(jiān)測(cè)日期為2017年4月至2018年3月，在每個(gè)月上中下旬各選取天氣晴朗且微風(fēng)或無風(fēng)的天氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間為8：00—18：00，每2h為一時(shí)段，按樣地順序重復(fù)進(jìn)行5輪測(cè)量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

圖1 樣本區(qū)域分布示意圖(底圖引自Google Earth)

利用手持式GPS儀(Garmin GPSmap 629sc)，結(jié)合寶雞市衛(wèi)星圖片及ArcGIS 10.2軟件對(duì)樣地面積進(jìn)行測(cè)量。對(duì)監(jiān)測(cè)記錄的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入與整理，生成Excel數(shù)據(jù)表后，通過IBM SPSS Statistics 24軟件對(duì)PM2.5、PM10及TSP濃度與監(jiān)測(cè)日期、時(shí)間、氣象因素、樣地面積、植被結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

對(duì)全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得出樣地面積分別為0.3～2.4hm2不等的10塊樣地，全年溫度變化范圍為-2.5～43.4℃，濕度變化范圍為19.7～84.8RH，風(fēng)速變化范圍為0～2.2m/s(表3)。在SPSS軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所監(jiān)測(cè)的變量均不符合正態(tài)分布(表4)，故對(duì)數(shù)據(jù)采用肯德爾相關(guān)性和斯皮爾曼相關(guān)性分析檢驗(yàn)(表5)，發(fā)現(xiàn)日期、測(cè)定時(shí)間、溫度、濕度、風(fēng)速對(duì)PM2.5、PM10和TSP濃度均有極顯著的相關(guān)性(P<0.01)，而植被結(jié)構(gòu)、樣地面積與其無顯著相關(guān)(P>0.05)。

表1 植被結(jié)構(gòu)分類表

表2 各植被結(jié)構(gòu)主要植被種類

3.1 日期與時(shí)間對(duì)空氣顆粒物濃度的影響分析

監(jiān)測(cè)期內(nèi)，PM2.5濃度的年平均值為70.081μg/m3，PM10濃度的年平均值為262.23μg/m3，TSP 濃度的平均值為467.93μg/m3。PM2.5、PM10和TSP濃度隨日期的變化趨勢(shì)一致，在7月份到達(dá)最低點(diǎn)，在12月達(dá)到峰值(圖2)。

3.2 氣象因素對(duì)空氣顆粒物濃度的影響分析

由表5可以得出，當(dāng)風(fēng)速在0～2.2m/s，溫度在-2.5～43.4℃內(nèi)變化時(shí)空氣顆粒物濃度與風(fēng)速和溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與圖3和圖4所擬合結(jié)果一致；濕度在19.7～84.8RH內(nèi)，空氣顆粒物濃度與濕度呈顯著正相關(guān)，而圖5擬合結(jié)果與分析結(jié)果相悖，其原因是寶雞地區(qū)濕度隨季節(jié)變化顯著，故對(duì)各月份的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合(圖6)，發(fā)現(xiàn)除6月份濕度與PM10和TSP的擬合結(jié)果不一致外，其余結(jié)果均呈現(xiàn)空氣顆粒物濃度隨濕度的增加而增加的趨勢(shì)。

3.3 植被結(jié)構(gòu)對(duì)空氣顆粒物濃度的影響分析

通過全年數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，不同植被結(jié)構(gòu)的綠地(半閉-混交-多層、半閉-闊葉-單層、半閉-混交-單層、半閉-闊葉-多層、開敞-灌木)與空氣顆粒物濃度不存在顯著相關(guān)性(表5)。但對(duì)不同植被結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣顆粒物年平均濃度統(tǒng)計(jì)(表6)可以看出硬質(zhì)廣場(chǎng)內(nèi)的空氣顆粒物濃度為最低，開敞灌木結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣顆粒物濃度最高。考慮到植被的垂直結(jié)構(gòu)對(duì)空氣顆粒物的影響，我們將含有喬木的4種半閉植被結(jié)構(gòu)類型內(nèi)的空氣顆粒物濃度相對(duì)比發(fā)現(xiàn)：半閉-闊葉-單層結(jié)構(gòu)內(nèi)的PM2.5和PM10的濃度最低，半閉-混交-多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的TSP濃度最低；半閉-混交-多層內(nèi)PM2.5的濃度最高，半閉-混交-單層內(nèi)PM10和TSP的濃度最高。

圖2 空氣顆粒物濃度隨日期變化關(guān)系

圖3 溫度與空氣顆粒物濃度的關(guān)系

圖4 風(fēng)速與空氣顆粒物濃度的關(guān)系

圖5 濕度與空氣顆粒物濃度的關(guān)系

表3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)描述統(tǒng)計(jì)

表4 正態(tài)性檢驗(yàn)

由于植被生長(zhǎng)受季節(jié)的影響較大，所以對(duì)不同季節(jié)(4個(gè)季度)各樣地內(nèi)的空氣顆粒物濃度統(tǒng)計(jì)(表7)發(fā)現(xiàn)：硬質(zhì)廣場(chǎng)內(nèi)的空氣顆粒物濃度均為最低，開敞灌木結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣顆粒物濃度最高。對(duì)比4種含有喬木的綠地類型可以得出半閉-混交-多層內(nèi)PM2.5的濃度高；在第一第四季度，半閉-闊葉-單層結(jié)構(gòu)內(nèi)的PM2.5、PM10和TSP的濃度均為最低，半閉-混交-單層內(nèi)PM10和TSP的濃度最高，且各植被結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣顆粒物濃度差異明顯；在第二、第三季度，半閉-混交-單層結(jié)構(gòu)內(nèi)PM2.5濃度為最低，半閉-闊葉-單層結(jié)構(gòu)內(nèi)的PM10和TSP的濃度均為最高，但該段時(shí)間內(nèi)的各植被結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣顆粒物濃度差異較小，不同植被結(jié)構(gòu)對(duì)空氣顆粒物的影響差異不顯著。在有喬木層的植被結(jié)構(gòu)中，由于植物在不同季節(jié)的生長(zhǎng)狀況不同，導(dǎo)致植被對(duì)空氣顆粒物濃度滯留能力產(chǎn)生季節(jié)性變化。總體表現(xiàn)為混交林在秋冬季節(jié)對(duì)空氣顆粒物濃度的滯留作用強(qiáng)，闊葉林在春夏季節(jié)對(duì)空氣顆粒物濃度的滯留作用強(qiáng)。

4 結(jié)論與討論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)日期和時(shí)間對(duì)PM2.5、PM10和TSP濃度有極顯著性影響。一年內(nèi)空氣顆粒物濃度冬季最高，夏季最低，這與Fan Zhang[22]等人的結(jié)論一致。造成這種現(xiàn)象的原因是多樣的，冬季北方地區(qū)燃燒化石燃料釋放的廢棄物，為空氣顆粒物的增長(zhǎng)提供直接或間接的條件，加之北方地區(qū)植被凋零、枝葉脫落，這為空氣顆粒物的形成和擴(kuò)散提供了便利，同時(shí)，冬季降水減少、溫度降低，不利于空氣顆粒物的沉降。這些人為因素與自然變化共同決定了冬季空氣顆粒物濃度的升高。

徐寧等[23-24]的研究表明，風(fēng)速對(duì)空氣顆粒物濃度影響因地域環(huán)境等不同差異較大。本次實(shí)驗(yàn)中選取了無風(fēng)或微風(fēng)條件下的天氣(風(fēng)速均值為0.29m/s)，在風(fēng)速對(duì)空氣顆粒物濃度影響的結(jié)論有一定的人為因素干擾，但也說明在微風(fēng)條件下，寶雞地區(qū)風(fēng)速的增大對(duì)空氣顆粒物濃度有一定的削減作用。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)濕度與空氣顆粒物濃度呈正相關(guān)，但在6月份濕度與PM10和TSP濃度擬合呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，通過調(diào)查實(shí)驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)，6月份實(shí)地監(jiān)測(cè)時(shí)綠地內(nèi)進(jìn)行過噴灌作業(yè)，噴灌使顆粒物沉降，從而導(dǎo)致擬合結(jié)果不一致的情況，也驗(yàn)證了空氣顆粒物濃度與濕度呈顯著正相關(guān)的結(jié)論的準(zhǔn)確性。

本次研究所選樣地規(guī)模較小，綠地面積在0.3～2.4hm2，將綠地面積與對(duì)空氣顆粒物濃度通過多個(gè)模型的擬合，結(jié)果均顯示兩者無明顯相關(guān)性。即本次實(shí)驗(yàn)植被面積對(duì)空氣顆粒物濃度影響不顯著。而李新宇等[16]的研究顯示斑塊綠地面積越大，對(duì)空氣顆粒物濃度影響越大。

圖6-1 各月PM2.5濃度隨濕度變化關(guān)系圖

圖6-2 各月PM10濃度隨濕度變化關(guān)系圖

圖6-3 各月TSP濃度隨濕度變化關(guān)系圖

本次實(shí)驗(yàn)的5種類型綠地內(nèi)的空氣顆粒物濃度與硬質(zhì)的廣場(chǎng)內(nèi)的空氣顆粒物濃度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，綠地內(nèi)的PM2.5、PM10、TSP濃度的平均值都較硬質(zhì)廣場(chǎng)高。說明在綠地面積為0.3～2.4hm2區(qū)間內(nèi)，植物群落對(duì)空氣顆粒物濃度的影響不是直接降解，而是有一定的滯留作用，這與李新宇等的結(jié)論是一致的。Setyan A[25]的研究表明植被產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)等有助于空氣顆粒物的形成。造成這一現(xiàn)象的原因可能是廣場(chǎng)的下墊面鋪裝受太陽照射后溫度較綠地高，加之沒有植被對(duì)氣流的阻擋，氣流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，使得空氣顆粒物擴(kuò)散速率加快。這也是綠地范圍內(nèi)的空氣顆粒物濃度較高可能的原因之一。開敞灌木對(duì)3種空氣顆粒物滯留能力高于含有喬木層的植被結(jié)構(gòu)，由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)高度為距地面1.5m處，位于喬木層下方，灌木層的上方空間，喬木植株的葉片等可以吸附一定的空氣顆粒物，使得喬木層下方空間的空氣顆粒物濃度減小。這與于璐[26]的結(jié)論一致。此外，季節(jié)變化影響植被結(jié)構(gòu)對(duì)空氣顆粒物的滯留能力，如春夏季植物蒸騰作用旺盛，綠地內(nèi)溫度低，濕度大不利于氣流擴(kuò)散，使得春夏季闊葉林內(nèi)滯留的空氣顆粒物濃度高；秋冬季闊葉植物落葉，生命活動(dòng)減弱，內(nèi)部氣流受到的阻擋少，空氣顆粒物擴(kuò)散快，而針葉植物在秋冬季仍有樹葉的阻擋，空氣顆粒物擴(kuò)散相對(duì)慢。今后的綠地設(shè)計(jì)中可以利用植物群落對(duì)空氣顆粒物的阻滯作用設(shè)計(jì)“防護(hù)林帶”。同時(shí)，針對(duì)不同植被結(jié)構(gòu)對(duì)空氣顆粒物的滯留作用，尤其是PM2.5，可將人的休憩活動(dòng)區(qū)盡量避免設(shè)計(jì)在開敞灌木和半閉-混交-多層結(jié)構(gòu)的綠地內(nèi)。這為以提高空氣質(zhì)量為導(dǎo)向的景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒意義。

綜上所述，可得出以下3點(diǎn)結(jié)論。

1)監(jiān)測(cè)日期和時(shí)間對(duì)PM2.5、PM10和TSP濃度有極顯著性影響。在一年內(nèi)，PM2.5、PM10和TSP濃度在7月份到達(dá)最低點(diǎn)，在12月達(dá)到峰值，12月到次年3月持續(xù)降低。

2)在晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)的條件下，溫度、濕度和風(fēng)速對(duì)空氣顆粒物濃度均有極顯著影響，當(dāng)風(fēng)速為0～2.2m/s時(shí)，溫度變化范圍為-2.5～43.4℃，PM2.5、PM10和TSP的濃度與溫度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)；濕度在19.7～84.8RH區(qū)間內(nèi)3種空氣顆粒物濃度與濕度呈正相關(guān)。在同樣的氣象條件下，空氣顆粒物對(duì)于氣象因素變化的響應(yīng)：TSP>PM10>PM2.5。

表5 空氣顆粒物濃度影響因素相關(guān)性分析

表6 不同植被結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣顆粒物年平均濃度

表7 不同植被結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣顆粒物濃度各季度平均值

3)綠地面積在0.3～2.4hm2內(nèi)，綠地面積與PM2.5、PM10、TSP濃度沒有明顯的相關(guān)性。5種不同植被結(jié)構(gòu)類型(半閉-混交-多層、半閉-闊葉-單層、半閉-混交-單層、半閉-闊葉-多層、開敞-灌木)的綠地，與PM2.5、PM10和TSP濃度的相關(guān)性不顯著。但綠地對(duì)空氣顆粒物均有一定滯留能力，綠地內(nèi)空氣顆粒物濃度要大于硬質(zhì)鋪裝。在實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)的綠地結(jié)構(gòu)中，對(duì)空氣顆粒物濃度滯留能力最大的是開敞灌木結(jié)構(gòu)。其中在含有喬木層的結(jié)構(gòu)中，對(duì)PM2.5滯留能力最大的是半閉-混交-多層，對(duì)PM10和TSP滯留能力最大的是半閉-混交-單層。

注：文中圖片均由作者繪制。