基于公共健康視角的城市公園顆粒物時(shí)空分布及影響因素研究

王祖星

靳 煥

張京生

雷雅凱*

2020年初新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)，作為新型冠狀病毒傳播方式之一的氣溶膠傳播，被社會(huì)各界廣泛關(guān)注。氣溶膠是固體或液體微粒分散并懸浮于氣體介質(zhì)中形成的膠體分散系統(tǒng)。病毒或細(xì)菌與干燥的固體顆粒和液體顆粒相連而在空氣中懸浮形成病毒或生物氣溶膠[1-2]?？晌腩w粒物是一種氣溶膠顆粒，也是空氣污染的主要污染物，直接或間接地危害著人體健康[3-4]。一般常見(jiàn)的可吸入顆粒物有PM1、PM2.5、PM10。PM1、PM2.5和PM10分別指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于1、2.5、10μm的顆粒物，均是大氣顆粒污染物的重要組成部分[5]。相關(guān)報(bào)道和研究指出，PM2.5可以穿透肺部，造成肺部和心血管疾病，且與空氣污染相關(guān)的呼吸系統(tǒng)及心臟疾病的危險(xiǎn)性在升高[6-7]。處于低濃度顆粒物水平城市的居民平均壽命比處于高顆粒物濃度城市中的居民的壽命延長(zhǎng)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，隨著可吸入顆粒物濃度水平的升高，呼吸系統(tǒng)及心腦血管相關(guān)疾病的死亡率、入院率隨之升高[8-9]，研究發(fā)現(xiàn)，可吸入顆粒物有可能是SARS病毒的載體，可吸入顆粒物與SARS病例有高度相關(guān)性[10-11]。病毒顆?；旌衔餅?μm，在3m的高度，可在空氣中懸浮67min[2]，同時(shí)高濃度的可吸入顆粒物吸附更多的細(xì)菌和病毒，可能損傷人體黏膜，有利于病原體侵入人體，增加健康風(fēng)險(xiǎn)[12-13]。城市公園作為城市綠地系統(tǒng)的組成部分，是居民使用最頻繁的室外公共空間。尤其是綜合公園，其面積較大，空間類型多樣，能夠滿足城市居民多樣的活動(dòng)需求，對(duì)城市居民的身心健康起著積極作用。因而研究城市公園中不同園林空間的可吸入顆粒物濃度的時(shí)空分布差異對(duì)于市民公共健康來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。

目前對(duì)于顆粒物的研究主要集中在其來(lái)源及組分特征、時(shí)間動(dòng)態(tài)及空間分布特征、城市綠地與顆粒物之間的相關(guān)性等[14]。對(duì)于城市中小尺度場(chǎng)地中顆粒物的研究，主要集中在植物對(duì)顆粒物的吸附阻滯效應(yīng)、氣象因素與顆粒物濃度的相關(guān)性等[15-18]。城市綠地不同的植物群落結(jié)構(gòu)對(duì)PM2.5具有不同的阻滯和吸附效應(yīng)[19]。趙越等通過(guò)調(diào)查濱水區(qū)域不同植物群落得出，對(duì)于PM2.5的阻滯和吸附作用，喬灌草＞喬草＞灌草＞草坪[20]；趙松婷等發(fā)現(xiàn)，不同樹(shù)種間植物滯塵能力存在差異，其中雪松是絳柳的43倍以上，小葉黃楊的是紫荊的28倍以上[21-22]；丁文等通過(guò)調(diào)查道路綠地發(fā)現(xiàn)，與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度呈正相關(guān)，與風(fēng)速無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系[23]；Liu Jiakai等的研究表明，水體環(huán)境與林地環(huán)境的顆粒物濃度存在差別，是由于水體蒸發(fā)造成通風(fēng)環(huán)境和溫濕度的變化，影響PM2.5的擴(kuò)散和沉降[24-25]；王譽(yù)潔等研究發(fā)現(xiàn)居住區(qū)不同綠地的PM2.5濃度不同，但日變化趨勢(shì)一致。

綜上可見(jiàn)，當(dāng)前的研究集中在道路和居住區(qū)中，缺乏對(duì)城市公園多樣的園林空間中顆粒物的分布特征和風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度及景觀構(gòu)成與顆粒物的關(guān)系的研究。并且大多研究只關(guān)注PM2.5，而亞微米顆粒物PM1，由于粒徑更小，比表面積更大，更易吸附或產(chǎn)生對(duì)人體健康有毒有害的污染[26]，以及PM10有隨高度遞減的特征，因而近地面富集更高濃度的PM10[27]，在小尺度城市公園中的分布特征卻缺乏研究。本研究以鄭州市人民公園為例，將公園空間按照特征劃分為5類(露天廣場(chǎng)、草坪、半室內(nèi)空間、林下空間、濱水空間)，通過(guò)實(shí)地測(cè)試不同類型園林空間的小氣候指標(biāo)(空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速)和空間景觀要素特征[下墊面材質(zhì)、植被圍合情況、植物群落結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)和天空可視因子(Sky View Factor，SVF)]，以及同步監(jiān)測(cè)PM1、PM2.5、PM10的濃度和觀察園林空間內(nèi)人群的主要活動(dòng)方式。對(duì)比5類園林空間不同時(shí)間段的3種顆粒物濃度差異，探究不同顆粒物濃度的空間分布差異和時(shí)間變化規(guī)律，找出益于居民健康的最佳活動(dòng)時(shí)間和空間，以及顆粒物濃度與小氣候指標(biāo)和園林空間中景觀要素的關(guān)系。從公共健康視角，探究針對(duì)性的策略對(duì)城市公園園林空間進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，從而調(diào)節(jié)公園園林空間的局地空氣質(zhì)量和小氣候，為未來(lái)以公共健康為導(dǎo)向的城市公園的建設(shè)提供理論依據(jù)與方法，以及為城市居民更加合理地使用城市公園提供科學(xué)參考。

1 研究概況與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地概況

鄭州市是河南省省會(huì)，位于河南省中部偏北，東經(jīng)112°42′～114°14′，北緯34°16′～34°58′，北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原，屬溫帶大陸季風(fēng)氣候，全年平均氣溫15.6℃，全年平均降雨量542.15mm，無(wú)霜期209d，全年日照時(shí)間約1 869.7h。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)樣區(qū)取自鄭州人民公園，人民公園位于鄭州市中心，人口聚集，商業(yè)發(fā)達(dá)。1952年正式開(kāi)放，公園面積30.14hm2，其中水面3.37hm2，綠化面積25.41hm2，是市區(qū)內(nèi)大型綜合性公園。以代表性和可行性為原則，以及參考劉濱誼等的研究和公園的實(shí)際建設(shè)情況，將公園園林空間分為露天廣場(chǎng)、草坪、半室內(nèi)空間、林下空間、濱水空間，其中半室內(nèi)空間包括廊架、亭子等[28-29]。為使研究更具有普適性，通過(guò)實(shí)地考察和無(wú)人機(jī)正射影像，從人民公園5類典型的園林空間中各選擇3個(gè)監(jiān)測(cè)樣區(qū)(圖1、2)，每個(gè)樣區(qū)選取2～3個(gè)樣點(diǎn)。其中A1、A2、A3為露天廣場(chǎng)，B1、B2、B3為草坪，C1、C2、C3為半室內(nèi)空間，D1、D2、D3為林下空間，E1、E2、E3為濱水空間，樣區(qū)基本信息如表1所示。

表1 樣區(qū)基本信息

圖1 樣區(qū)實(shí)景

圖2 人民公園區(qū)位及無(wú)人機(jī)正射影像

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

1)大氣顆粒物、氣象因子和相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)。

于2019年10月與11月初選取空氣質(zhì)量良好的日期進(jìn)行監(jiān)測(cè)(表2)，采用Dustmate粉塵監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)各樣點(diǎn)PM1、PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度，采樣高度距離地面1.5m，由于公園樣點(diǎn)較多且內(nèi)樣區(qū)內(nèi)人群密集，為避免影響人群活動(dòng)進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，故采取動(dòng)態(tài)采集的方法測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)定時(shí)間為8：00—18：00，每2h按照設(shè)計(jì)路線勻速往返一次，每個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為60s，各個(gè)樣點(diǎn)求取往返平均值。同時(shí)使用KestrelNK 5000便攜式氣象儀測(cè)量各個(gè)樣點(diǎn)的空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速，測(cè)量?jī)x器使用前統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。在同一天，采用CI-110冠層分析儀測(cè)量各個(gè)樣點(diǎn)的LAI和SVF，同時(shí)觀察人群活動(dòng)方式。

表2 實(shí)驗(yàn)日期鄭州市歷史氣象數(shù)據(jù)

2)無(wú)人機(jī)正射影像數(shù)據(jù)。

選取DJI Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空攝影測(cè)量飛行相對(duì)航高100m，旁向重疊率70%，航向重疊率80%。后期數(shù)據(jù)處理選用Bently公司的Context Capture Center軟件，將無(wú)人機(jī)傾斜攝影的影像進(jìn)行處理，得到空間分辨率為27mm×27mm的高精度正射影像，基于影像數(shù)據(jù)判讀，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，確定研究區(qū)園林空間的類型及本實(shí)驗(yàn)樣區(qū)、樣點(diǎn)的分布。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2016整理。采用SPSS 22.0和Rstudio，對(duì)5類空間之間的3種顆粒物濃度和氣象因子進(jìn)行方差分析和多重比較，對(duì)相同空間的3種顆粒物濃度與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析與顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物濃度時(shí)空分布特征

2.1.1 顆粒物濃度空間分布特征

5類空間之間3種顆粒物濃度單因素方差分析，10：00—12：00對(duì)于PM1、PM2.5濃度均值，F(xiàn)值均大于臨界值，P＜0.05。其他時(shí)間3種顆粒物濃度均值，F(xiàn)均小于臨界值，P＞0.05。由圖3(B、C、D)可知，8：00—10：00草坪的3種顆粒物濃度均值顯著低于其他空間(P＜0.05)；10：00—12：00草坪、林下空間和濱水空間PM1、PM2.5均值顯著低于露天廣場(chǎng)和濱水空間(P＜0.05)；12：00—14：00草坪的PM1、PM2.5濃度均值顯著低于其他空間(P＜0.05)。

2.1.2 顆粒物濃度時(shí)間分布特征

相同空間中，3種顆粒物濃度均值不同時(shí)間之間方差分析結(jié)果均為F大于臨界值，P＜0.05。相同空間中的3種顆粒物濃度日變化趨勢(shì)如圖4所示，5類園林空間的3種顆粒物濃度日均變化，均呈U字形，由8：00—10：00的峰頂，逐漸降低，14：00—16：00到達(dá)峰谷，然后升高達(dá)到峰頂。由圖3(G)可知，全部樣區(qū)在8：00—10：00時(shí)段3中顆粒物濃度顯著高于其他時(shí)段，14：00—16：00時(shí)段3種顆粒物濃度均值顯著低于其他時(shí)段(P＜0.05)。由圖3(I、J、K、L)可知，草坪在14：00—16：00，PM1、PM2.5濃度均值顯著低于其他時(shí)段(P＜0.05)；半室內(nèi)、林下、濱水空間在14：00—16：00，3種顆粒物濃度顯著低于其他時(shí)段(P＜0.05)。

圖3 公園5類園林空間3種顆粒物時(shí)空分布方差分析

圖4 不同空間內(nèi)3種顆粒物濃度日均變化趨勢(shì)

2.2 影響公園不同園林空間顆粒物濃度的氣象因子分析

根據(jù)方差分析，不同空間之間溫度、相對(duì)濕度沒(méi)有顯著差異，風(fēng)速有顯著差異(表3)；公園內(nèi)相同園林空間PM1、PM2.5、PM10濃度值與空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系如圖5所示。5類園林空間中PM1、PM2.5、PM10濃度均與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)。這說(shuō)明隨著溫度升高，3種顆粒物濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；相反隨著相對(duì)濕度的增大，3種顆粒物濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。但5類活動(dòng)空間中PM1、PM2.5、PM10濃度均與風(fēng)速的關(guān)系不顯著。

表3 5類園林空間風(fēng)速方差分析

不同空間中相對(duì)濕度與空氣溫度均呈顯著負(fù)相關(guān)；不同空間中空氣溫度與相對(duì)濕度、風(fēng)速均呈顯著負(fù)相關(guān)；其中露天廣場(chǎng)中，風(fēng)速與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。

2.3 不同園林空間景觀特征對(duì)顆粒物濃度空間分布影響分析

各樣區(qū)下墊面材質(zhì)、周邊的圍合情況、植物群落結(jié)構(gòu)、LAI、SVF、人群活動(dòng)方式如表1、4，樣區(qū)及周邊環(huán)境如圖6所示。本研究中，8：00—10：00草坪的3種顆粒物濃度均值、12：00—14：00草坪的PM1、PM2.5濃度均值均顯著低于其他空間。主要是因?yàn)椴萜旱南聣|面為草坪植物而其他空間均為硬質(zhì)鋪裝，以及草坪上人群活動(dòng)少且人群多為較安靜的活動(dòng)方式[30]，有著較少的二次揚(yáng)塵。另外草坪有著較高的SVF，能夠有效地將空間內(nèi)顆粒物進(jìn)行擴(kuò)散，且周邊有著豐富層次的植物圍合可有效阻滯和吸附空間內(nèi)的顆粒物。10：00—12：00露天廣場(chǎng)中3種顆粒物濃度均值顯著高于草坪、半室內(nèi)空間和林下空間，主要是因?yàn)槁短鞆V場(chǎng)這種類型空間下墊面材質(zhì)為硬質(zhì)鋪裝、人群的活動(dòng)方式多為廣場(chǎng)舞等劇烈活動(dòng)，容易造成二次揚(yáng)塵， 并且LAI指數(shù)較低，周?chē)鄙儇S富層次的植物群落圍合[31]，使空間內(nèi)的顆粒物無(wú)法高效附著在植物葉片上。

圖5 不同類型園林空間溫濕度及風(fēng)速與不同顆粒物濃度相關(guān)性檢驗(yàn)[注：＊表示相關(guān)性在0.05層上顯著(雙尾)；＊＊表示相關(guān)性在0.01層上顯著(雙尾)；＊＊＊表示相關(guān)性在0.001層上顯著(雙尾)]

圖6 樣區(qū)及周邊環(huán)境

表4 樣區(qū)葉面積指數(shù)(LAI)、天空可視因子(SVF)、人群活動(dòng)方式

3 討論

本研究中對(duì)5種不同類型的園林空間3種顆粒物濃度進(jìn)行方差分析和多重比較，P值均大于0.05，表明不同類型園林空間的3種顆粒物均沒(méi)有顯著差異。這與吳志平的研究一致[32]，與閆姍姍的研究結(jié)果，不同空間的PM2.5濃度有顯著差異不一致[29]。原因可能是人民公園處于市中心，場(chǎng)地內(nèi)人群密集，居民的活動(dòng)如跳舞、抽煙等可能造成二次揚(yáng)塵，對(duì)不同種類空間的顆粒物濃度造成影響，以及本研究每種綠地選取3個(gè)樣區(qū)之間的天空可視因子、葉面積指數(shù)等有差異，可能導(dǎo)致不同空間的顆粒物濃度總體均值差異減小。

5類空間的PM2.5濃度值與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈正相關(guān)關(guān)系，這與閆姍姍[29]、徐歡等[33]的研究結(jié)果基本一致。公園各空間中空氣溫度與相對(duì)濕度、風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與劉濱誼5類空間的3種顆粒物濃度日均變化值均呈“U”形變化趨勢(shì)，與徐歡[33]、趙松婷[34]等的“雙峰單谷”基本一致，均為“兩端高，中間低”的波動(dòng)形式。同時(shí)相關(guān)研究并未將PM1和PM10作為研究對(duì)象，本研究通過(guò)對(duì)PM1和PM10的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行補(bǔ)充，即PM1和PM10濃度在不同空間和不同時(shí)間分布的差異上與PM2.5濃度值的分布差異基本一致。

監(jiān)測(cè)到的PM2.5、PM10濃度均高于鄭州當(dāng)日的平均水平(表2)，與以往研究結(jié)果和大眾認(rèn)知，城市綠地具有凈化空氣的作用不同。推測(cè)是由于人民公園緊靠城市主干道，以及公園中人員密集，居民活動(dòng)造成的大量二次揚(yáng)塵所致。建議在公園人員密集的區(qū)域，定時(shí)灑水甚至安裝空氣凈化設(shè)備并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公示人流量提醒居民，避免因人流量過(guò)大而造成的二次揚(yáng)塵，以及設(shè)計(jì)空間時(shí)應(yīng)注重空間的形態(tài)改善空間風(fēng)環(huán)境來(lái)清除揚(yáng)塵[35-36]，從而為居民提供高質(zhì)量、更加健康的公共空間。

由研究可知，從空氣質(zhì)量角度，8：00—10：00、12：00—14：00適宜選擇草坪活動(dòng)；10：00—12：00避免在露天廣場(chǎng)和濱水空間活動(dòng)；并且居民應(yīng)避開(kāi)顆粒物濃度的高峰時(shí)段，選擇在顆粒物濃度較低的14：00—16：00進(jìn)行戶外活動(dòng)。另外，公園的規(guī)劃設(shè)計(jì)師和管理者可以通過(guò)相關(guān)措施改善熱環(huán)境和濕環(huán)境，以及調(diào)整下墊面類型、植物的搭配模式來(lái)降低顆粒物濃度，提高空氣質(zhì)量。在公園的管理中建議安裝空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，甚至是病毒及細(xì)菌的監(jiān)測(cè)設(shè)備，使居民更加了解公園環(huán)境，從而合理地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間和空間，能夠更加正確地“使用”公園。

4 結(jié)論

本文通過(guò)選取鄭州市人民公園內(nèi)5類共15處典型的園林空間，同步監(jiān)測(cè)各類空間的3種顆粒物濃度、葉面積指數(shù)(LAI)、天空可視因子(SVF)。對(duì)秋季輕中度污染天氣下城市公園3種顆粒物濃度的分布特征及其與氣象因子和環(huán)境特征進(jìn)行研究。主要研究結(jié)果簡(jiǎn)要概括如下。

1)在秋季，8：00—14：00草坪的PM1、PM2.5濃度均值顯著低于其他空間。不同時(shí)間中，公園全部樣區(qū)整體3種顆粒物均值在8：00—10：00顯著高于其他時(shí)間，在14：00—16：00顯著低于其他時(shí)間。3種顆粒物在不同類型空間和時(shí)間表現(xiàn)出不一樣的分布特征。

2)不同的園林空間PM1、PM2.5、PM10濃度在一天中隨時(shí)間發(fā)生變化，均從早到晚呈現(xiàn)“U”形變化趨勢(shì)。3類顆粒物濃度最低點(diǎn)均出現(xiàn)在14：00—16：00，最高點(diǎn)均出現(xiàn)在8：00—10：00。

3)公園內(nèi)5類園林空間PM1、PM2.5、PM10濃度值與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而與風(fēng)速?zèng)]有顯著相關(guān)關(guān)系。

4)一天中，部分時(shí)間內(nèi)，較高的SVF和周邊豐富的植物群落結(jié)構(gòu)，能夠加快顆粒物的擴(kuò)散和附著；草坪植物等下墊面類型和較為安靜的人群活動(dòng)方式有助于降低顆粒物濃度。

研究結(jié)果為城市公園的規(guī)劃設(shè)計(jì)和指導(dǎo)居民合理使用園林空間提供依據(jù)。在未來(lái)公園的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，除了景觀、文化等，風(fēng)景園林師應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步關(guān)注公園的健康價(jià)值[37-38]。在制定相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃設(shè)計(jì)的過(guò)程中，使公共衛(wèi)生領(lǐng)域的學(xué)者共同參與，探索改善公園空氣質(zhì)量等與公共健康相關(guān)的措施與方法。

注：文中圖片均由作者繪制。