不同城建綠地內PM2.5濃度季節(jié)變化及其與氣象因子的關系

黃芳，章銀柯，張?zhí)烊?，李曉璐，于慧，袁楚陽，莫莉，邵鋒

（1.浙江農(nóng)林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300；2.杭州植物園，浙江 杭州 310012；3.生態(tài)環(huán)境部 土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術中心，北京 100012）

隨著城市化進程的不斷加快、機動車保有量的持續(xù)增長以及石油、煤炭等化石燃料的大量燃燒，使得城市大氣環(huán)境日益惡化，PM2.5已成為空氣中主要的污染物之一[1-3]。高濃度的PM2.5會對太陽光形成強烈的散射和吸收作用，導致大氣能見度降低，從而形成霧霾。研究表明，PM2.5表面存在大量有毒物質，這些物質會對人的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等造成嚴重危害，引發(fā)肺炎、哮喘、冠心病、心律失常等病癥[4-7]。城建綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，在改善城市微氣候、凈化空氣和美化環(huán)境等方面均發(fā)揮著重要作用[8-10]。越來越多的學者對城建綠地與PM2.5濃度的關系開展了研究，如以城市某種類型綠地為研究對象，對該綠地不同空間的PM2.5濃度變化進行對比分析[11-12]，或探討各類城建綠地及功能區(qū)對PM2.5的消減效率等[13-15]。

杭州作為浙江省省會，空氣污染問題因城市的快速發(fā)展愈發(fā)嚴重。2006年，杭州主城區(qū)的 PM10平均濃度已超出我國大氣環(huán)境質量二級標準，而PM2.5平均濃度是美國大氣質量標準的4倍多[16]。2012年，杭州人口密集區(qū)域的PM2.5最大濃度達到21.2 μg·m-3· h-1[17]。由此可見，急需調動社會各方力量共同參與大氣顆粒物的治理。本文選取杭州市臨安區(qū)4種不同類型的城建綠地作為研究對象，監(jiān)測綠地內的PM2.5濃度，實時記錄氣象因子數(shù)據(jù)，研究不同類型城建綠地及氣象因子對PM2.5濃度的影響，以期為城建綠地規(guī)劃設計及建設提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇杭州市臨安區(qū)4種城建綠地作為試驗樣地，分別是居住區(qū)綠地（春天小區(qū)）、商業(yè)綠地（衣錦商業(yè)街）、公共服務設施綠地（浙江農(nóng)林大學東湖校區(qū)）和廣場綠地（五舟廣場）。除廣場綠地外，其余3個樣地植物配植均為華東地區(qū)常見的喬木-灌木-地被 3層結構的混交林，上層植物主要為玉蘭Magnolia denudata、銀杏Ginkgo biloba等落葉喬木，中層以金邊黃楊Euonymus japonicusvar.aurea-marginatus、紅花檵木Loropetalum chinensevar.rubrum等小灌木為主，下層為狗牙根Cynodon dactylon、麥冬Ophiopogon japonicus等地被植物。3個樣地的種植密度、郁閉度及成熟度等群落結構特征基本一致。

春天小區(qū)位于玲瓏山腳，綠地率為 42.5%[18]，小區(qū)四周被城市主干道圍合，交通便捷。試驗樣地選擇小區(qū)的3號樓與4號樓之間，四周均由高層建筑圍合，私密性高，面積約1 500 m2。衣錦商業(yè)街位于臨安區(qū)中心位置，人流及車流量大，商業(yè)活動主要有餐飲及零售，試驗樣地選在緊鄰浙江農(nóng)林大學衣錦校區(qū)南門處的公共區(qū)域，是商業(yè)街上行人休憩、停留的重要驛站之一，面積約1 800 m2，綠地率近40%。公共服務設施綠地選擇在浙江農(nóng)林大學東湖校區(qū)的學院樓4號樓南側，該樣地主要為師生提供一處活動、交流的空間，面積約1 600 m2，綠地率達50%。五舟廣場位于臨安區(qū)東北部，是一個重要的市民活動廣場，以硬質鋪裝為主，少量點綴孤植樹木，總面積為4 500 m2，綠地率約35%，見圖1。

圖1 樣地分布圖Figure 1 Distribution of sample plots

2 研究方法

2.1 PM2.5濃度及氣象因子監(jiān)測

在天氣晴朗微風條件下（要求雨后3～4 d），在4個樣地的幾何中心位置各布置1臺微電腦激光粉塵儀[型號為LD-5C（B）]監(jiān)測PM2.5濃度。各監(jiān)測點半徑3 m范圍內無高大植物遮擋。儀器架設高度為距離地面1.5 m處（與成人呼吸高度基本相同）。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率為1次·3 min-1，設置精度（k值）為0.001。試驗分別選在春季（2017年3月及4月）、夏季（2017年5月及8月）、秋季（2017年9月及11月）和冬季（2017年2月及2017年12月）進行（2017年1月、6月、7月和10月因連續(xù)降雨或極端高溫、低溫等原因未開展試驗）。在每月上、中、下旬各采樣1 d，每天連續(xù)監(jiān)測24 h（8:00-次日8:00），獲得480個數(shù)據(jù)，取其算數(shù)平均值作為PM2.5濃度值。在廣場綠地內設置1臺風速儀（型號為MS6252B），對溫度、相對濕度及風速等氣象因子數(shù)據(jù)進行同步監(jiān)測，儀器一端連接 1臺筆記本電腦，收集的數(shù)據(jù)通過電腦實時顯示并保存，數(shù)據(jù)采集頻率為 1次·min-1，儀器架設高度與粉塵儀一致。本試驗中，夜間監(jiān)測的 PM2.5濃度值變化不明顯，而白天的 PM2.5濃度變化較劇烈，能較好反映濃度變化規(guī)律，因此，本研究僅分析監(jiān)測當日白天（8:00-20:00）的PM2.5濃度變化。

2.2 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和整理、SPSS 23.0進行Spearman相關性分析，采用Origin 8.0作圖。

3 結果與分析

3.1 不同城建綠地內PM2.5濃度季節(jié)變化

由表1可知，同一城建綠地的PM2.5濃度在不同季節(jié)間差異均達到顯著水平（P<0.05），4種綠地的PM2.5濃度季節(jié)變化均表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季。春季，4種綠地的PM2.5濃度依次為商業(yè)綠地>居住區(qū)綠地>公共服務設施綠地>廣場綠地，其中，商業(yè)綠地的PM2.5濃度最高，是廣場綠地的1.45倍。夏季，各綠地的PM2.5濃度均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，但仍以商業(yè)綠地的 PM2.5濃度最高，居住區(qū)綠地次之，廣場綠地最低，商業(yè)綠地的PM2.5濃度是廣場綠地的1.6倍，與春季相比，夏季這2種綠地間的差異更大。秋季，商業(yè)綠地的PM2.5濃度與公共服務設施綠地間的差異最大，公共服務設施綠地與廣場綠地之間的差異相對較小，PM2.5濃度表現(xiàn)為商業(yè)綠地>居住區(qū)綠地>廣場綠地>公共服務設施綠地；總體上，各綠地的PM2.5濃度均明顯比春、夏兩季高，綠地的空氣質量普遍較差；與春、夏兩季不同的是秋季公共服務設施綠地的PM2.5濃度比廣場綠地的略低。冬季，4種綠地的PM2.5濃度逐漸升高，是夏季的2～3倍，其中，以商業(yè)綠地的PM2.5濃度最高，其次是居住區(qū)綠地、公共服務設施綠地和廣場綠地；冬季4種綠地的PM2.5濃度大小排序與春、夏兩季相同。

表1 不同城建綠地的PM2.5濃度季節(jié)差異分析Table 1 Analysis on seasonal variance of PM2.5 concentration in different urban green spaces

3.2 不同城建綠地內PM2.5濃度日變化

4個季節(jié)不同城建綠地的PM2.5濃度日變化如圖2所示。由圖2可知，春季，各綠地的PM2.5濃度均在9:00左右達到高峰值，其中，商業(yè)綠地的濃度最高，公共服務設施綠地的濃度最低。10:00后，各綠地的PM2.5濃度均開始下降。受上班人群流動的影響，13:30左右，居住區(qū)綠地和商業(yè)綠地的PM2.5濃度有所上升。16:00-20:00，4種綠地的PM2.5濃度均呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律。傍晚時段是人們的下班高峰期，有大量汽車尾氣排放和人為活動，這些都會引起PM2.5濃度的升高。夏季8:00-10:00，各綠地的PM2.5濃度均由高峰值開始急劇下降，降幅及變化規(guī)律基本一致。12:00左右，4種綠地的PM2.5濃度都有所增加。隨著氣溫的持續(xù)升高，在14:00左右，PM2.5濃度均出現(xiàn)最低值。17:00左右，商業(yè)綠地的PM2.5濃度再次出現(xiàn)一個小高峰。20:00后，由于夏季日夜溫差變化及夜間相對濕度的增加導致PM2.5濃度上升。秋季，4種綠地的PM2.5濃度在8:00-10:30均呈現(xiàn)上升趨勢。10:30-18:00，商業(yè)綠地、公共服務設施綠地和廣場綠地的PM2.5濃度變化劇烈，總體呈下降趨勢。由于傍晚時氣溫下降、夜間人員流動減少以及空氣相對濕度增大，18:00-20:00，各綠地的 PM2.5濃度較白天的低。冬季，受低溫影響，4種綠地的PM2.5濃度均呈現(xiàn)先降后升的變化規(guī)律。商業(yè)綠地位于交通繁忙地帶，因此，其PM2.5濃度遠高于廣場綠地的。各綠地的PM2.5濃度在12:00-14:00逐漸升高，在14:00達到小高峰后開始下降，12:00-16:00，居住區(qū)綠地因受到不穩(wěn)定氣流的影響，PM2.5濃度出現(xiàn)短暫急劇升高現(xiàn)象。17:00之后的下班高峰期，受汽車尾氣排放量增加、相對濕度增大等因素的影響，各綠地的PM2.5濃度再次上升。

圖2 4個季節(jié)不同城建綠地的PM2.5濃度日變化Figure 2 Daily variation of PM2.5 concentration in different urban green spaces in four seasons

3.3 氣象因子對綠地內PM2.5濃度的影響

氣象因子與 PM2.5濃度變化關系密切。劉大錳等[19]認為污染源排放和氣象因子是影響 PM10和PM2.5濃度變化的主要因素。Tai等[20]研究發(fā)現(xiàn)，高達 50%的 PM2.5濃度變化與溫度、相對濕度和降水存在關系。本研究以廣場綠地為參照點，利用Spearman分析氣象因子與PM2.5濃度的相關性，并通過線性擬合進一步明確其線性關系。由表 2可知，4個季節(jié)綠地內的 PM2.5濃度與溫度呈極顯著的相關性（P<0.01）、與相對濕度和風速都存在顯著的相關性（P<0.05），且氣象因子對PM2.5的影響隨季節(jié)不同產(chǎn)生差異。春、夏季處于梅雨期，相對濕度大，對PM2.5濃度的影響較大，而秋、冬季空氣相對濕度小，溫度為主要影響因素。

表2 PM2.5濃度與氣象因子的相關性分析Table 2 Correlation analysis on PM2.5 concentration and meteorological factors

3.3.1 溫度對PM2.5濃度的影響 當季溫度日均值與PM2.5日均濃度的線性擬合結果如圖3所示。由圖3可看出，隨著環(huán)境溫度的不斷升高，PM2.5濃度逐漸下降，溫度與PM2.5濃度呈現(xiàn)明顯的負相關線性關系。春、夏季高溫會加速空氣垂直方向的對流，有利于PM2.5的擴散，而秋、冬季溫度下降，容易形成逆溫層，空氣對流減緩，導致PM2.5無法有效疏散。

圖3 PM2.5濃度與溫度的相關性Figure 3 Correlation between PM2.5 concentration and temperature

3.3.2 相對濕度對PM2.5濃度的影響 如圖4所示，空氣中相對濕度越大，PM2.5濃度越高，反之則越低，兩者表現(xiàn)出較明顯的正相關線性關系。PM2.5具有吸濕性，當空氣中存在大量水分時，PM2.5會持續(xù)地吸濕增大，彼此間不斷碰撞凝結，受重力作用加速沉降，從而導致地表面PM2.5濃度升高。杭州臨安地區(qū)植被覆蓋率高，空氣相對濕度整體偏大，不利于PM2.5的擴散。

圖4 PM2.5濃度與相對濕度的相關性Figure 4 Correlation between PM2.5 concentration and relative humidity

圖5 PM2.5濃度與風速的相關性Figure 5 Correlation between PM2.5 concentration and wind speed

3.3.3 風速對PM2.5濃度的影響 圖5為日均風速與PM2.5日均濃度的線性關系圖。由圖可知，廣場綠地全年平均風速主要集中在0～2 m·s-1，夏季風速與PM2.5濃度之間存在弱正相關?？赡苁艿狡渌蛩氐母蓴_，在其他3個季節(jié)PM2.5濃度與風速呈現(xiàn)為負相關關系。以上情況表明，風速與PM2.5濃度之間相關性顯著，但不存在明顯的線性關系。

4 結語

4.1 討論

杭州臨安城建綠地內PM2.5濃度季節(jié)變化明顯，均表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季。杭州地區(qū)冬季寒冷，近地層大氣環(huán)境穩(wěn)定，大氣層對流作用弱，同時，該季節(jié)落葉植物葉片脫落，處于休眠期，植物對PM2.5的滯留能力明顯降低，因此，冬季PM2.5濃度遠高于夏季，這與其他學者的研究結論一致[21-24]。本研究表明，春、夏和冬季，4種綠地的PM2.5濃度變化規(guī)律一致，均為商業(yè)綠地>居住區(qū)綠地>公共服務設施綠地>廣場綠地；秋季，由于人為活動，導致廣場綠地的PM2.5濃度高于公共服務設施綠地，濃度排序為商業(yè)綠地>居住區(qū)綠地>廣場綠地>公共服務設施綠地。4個季節(jié)，商業(yè)綠地的PM2.5濃度均為最高，這可能與其周邊的餐飲活動及車流量較大有關[25-26]；廣場綠地空間開敞、通透性好，有利于 PM2.5的擴散和運輸，濃度較低。黃鸝鳴等[27]研究發(fā)現(xiàn)，南京市春、秋和冬季PM10和PM2.5污染程度均為交通干道旁>商貿飲食區(qū)>居民生活區(qū)。不同類型城建綠地空氣污染程度與該綠地的功能有直接關系。4種城建綠地的PM2.5濃度日變化與車流量日變化趨勢相似，說明PM2.5濃度變化與上下班高峰時汽車尾氣排放密切相關。人為活動和交通排放是大氣顆粒物污染的主要來源，對PM2.5濃度升高具有很大的貢獻[28-29]。本研究中氣象因子對 PM2.5的日變化影響也較大，這與胡敏等[30]的觀點一致，即一天內早晚溫度低、相對濕度大，導致PM2.5濃度偏高。綠地內的PM2.5濃度與溫度和相對濕度相關性顯著，這與許多學者的研究結論一致[31-33]。杭州臨安地區(qū)常年平均風速大多在0～2 m·s-1，PM2.5濃度與風速相關性較弱，線性關系不明顯[34]。當風力持續(xù)低于2級時，不利于PM2.5的擴散[35]。杜正等[36]則認為PM2.5和PM10質量濃度與風速均呈現(xiàn)負相關。

4.2 結論

各綠地內PM2.5濃度排序均為冬季>秋季>春季>夏季，其中，夏季和冬季的PM2.5濃度差異最大，而春季和秋季的相對較小。綠地內PM2.5濃度的日變化受人為活動和汽車尾氣排放影響較大，此外，氣象因子對PM2.5濃度變化有重要的影響，綠地內PM2.5濃度與溫度呈極顯著負相關（P<0.01）、與相對濕度呈顯著正相關（P<0.05）、與風速顯著相關（P<0.05）。春、夏和冬3個季節(jié)PM2.5濃度依次為商業(yè)綠地>居住區(qū)綠地>公共服務設施綠地>廣場綠地，秋季為商業(yè)綠地>居住區(qū)綠地>廣場綠地>公共服務設施綠地。公共服務設施綠地和廣場綠地空間布局結構更有利于PM2.5的擴散，這2種類型綠地在改善城市空氣質量、促進人體健康方面更具優(yōu)勢，而商業(yè)綠地應作為空氣污染重點治理和綠化建設區(qū)域。