寒地校園植物群落對大氣細(xì)顆粒物濃度的消減作用

劉 暢,胡尚春,唐立娜

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 哈爾濱 150040

隨著我國城市的發(fā)展,人為活動給城市生態(tài)環(huán)境帶來諸多問題,尤其是近年來凸顯的城市大氣污染問題。在全球范圍內(nèi),顆粒物一直是大多數(shù)城市空氣污染的主要指標(biāo)之一,也是中國大多數(shù)城市的首要污染物[1]。PM2.5是指空氣中直徑≤2.5 μm的細(xì)顆粒,也稱細(xì)顆粒物[2]。PM2.5的濃度值越高,就代表環(huán)境的空氣質(zhì)量越差。為此,世界各國及有關(guān)國際組織將PM2.5的濃度值作為對衡量環(huán)境空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。因此有效地控制大氣細(xì)顆粒物污染是改善城市生態(tài)環(huán)境的必要舉措。已有研究結(jié)果表明,由于植物能夠通過吸附和滯留懸浮在空氣中的顆粒物,從而降低空氣中的顆粒物濃度[5-7]。不同植物群落對對改善空氣中PM2.5等顆粒物的能力不同[8-10]。因此城市綠地是生物降解PM2.5的可行途徑[11-12]。

目前國內(nèi)外學(xué)者圍繞PM2.5的組成來源[13-16],濃度變化規(guī)律[17-18]已經(jīng)做了大量的研究,這些研究大多數(shù)以“城市”為單元的大尺度空間范圍內(nèi),而以校園為對象的小空間范圍內(nèi)的PM2.5濃度特征研究則較為鮮有。校園綠地空間不同于一般的城市綠地,它的使用者具有特殊性,他們對綠地的使用率較高和使用周期較長,而且他們更關(guān)注周圍環(huán)境的細(xì)微變化。因此,了解校園植物群落PM2.5濃度變化特征,可以指導(dǎo)使用者特別是學(xué)生的空間活動,同時為決策者制定提升校園生態(tài)環(huán)境的相關(guān)政策提供參考。

1 實驗方法及內(nèi)容

1.1 研究區(qū)概述

寒地城市是分布在北半球一個特殊的城市群體,典型代表有哈爾濱、呼和浩特、長春和沈陽。其冬季漫長,1月平均氣溫在-18℃以下。在寒地城市可以通過觀察植物生長狀況和群落結(jié)構(gòu)的變化來感知大自然四季的變化。

哈爾濱屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬長夏短,四季分明,冬季1月平均氣溫約為-19℃; 夏季7月平均氣溫約為23℃。全年平均降水量569.1 mm,降水主要集中在6—9月,夏季約占全年降水量60%。

東北林業(yè)大學(xué)位于哈爾濱市香坊區(qū),東經(jīng)125°42′—130°10′、北緯44°4′—46°40′,處于寒地城市,校園內(nèi)植物種類豐富,群落結(jié)構(gòu)完整,形成具有季節(jié)性的植物景觀,屬于典型的寒地校園植物群落[19]。

1.2 樣點設(shè)置

本研究選取東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)具有代表性且周邊干擾性較小的五處植物群落作為樣地(圖1)。樣地1以喬草為主,郁閉度較高,樣地4以灌草為主,這兩個樣地植物群落結(jié)構(gòu)比較簡單,植物種類也比較單一。樣地2和樣地3是以喬灌草結(jié)合為主,植物種類比較豐富,植物群落也比較完整。樣地5是空曠的場地,作為對照組。

圖1 研究樣地

1.3 實驗方法和儀器

數(shù)據(jù)采集時間為2017年10月,2018年4月和6月,此時間段植物正處于生長季。按照春夏秋季節(jié)劃分,各選出代表性的3 d(為避免環(huán)境變化等因素可能帶來的誤差,一般選定晴好且無風(fēng)或微風(fēng)的連續(xù)3 d)對東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)5處樣地進(jìn)行數(shù)據(jù)測定,以樣地5為參照。每天從8:00—18:00在每個樣地置測點一處,每次間隔2 h對溫度、濕度、PM2.5和PM10進(jìn)行測定。

測定方法為：每個樣地東西南北中各選一點在距離地面1.5 m處測試其溫度、濕度、PM2.5和PM10,記錄5次取其平均值作為此時間段內(nèi)樣點數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)測定結(jié)束后,對數(shù)據(jù)進(jìn)行列表記錄。

實驗儀器采用博世(BOSCH)cube空氣質(zhì)量檢測儀,這個儀器可以較為快速精準(zhǔn)檢測 PM2.5,該儀器的測量參數(shù)是顆粒物測量范圍：0.3—1.0 μm；1.0—2.5 μm；2.5—10 μm。同時采用華儀MS6300多功能環(huán)境檢測儀來對小氣候溫度和濕度進(jìn)行測量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 2003和SPSS 23.0對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和處理,得出不同植物群落PM2.5濃度時間變化,以及PM2.5濃度變化與溫度和濕度等氣候因素的關(guān)聯(lián)程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物群落PM2.5濃度季節(jié)變化規(guī)律

不同樣地PM2.5濃度隨季節(jié)變化的趨勢基本相同,PM2.5濃度值夏季<春季<秋季(圖2)。秋季PM2.5濃度較高,可能與寒地秋季開始供暖有關(guān),大量使用燃料會提高空氣中的PM2.5濃度值,從而嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量[20]。與夏季不同的是,春季和秋季各群落PM2.5濃度值接近,且對照組(樣地5)的PM2.5濃度值并不是最高的,這可能由于PM2.5濃度值過高已經(jīng)超出植物的調(diào)節(jié)范圍,而樣地5較開闊,空氣流動性較好,有助于顆粒物在空氣中擴(kuò)散[21]。夏季校園PM2.5濃度較低,空氣質(zhì)量較好。

圖2 PM2.5濃度的季節(jié)變化圖

2.2 不同植物群落PM2.5濃度日變化規(guī)律

為避免春秋季節(jié)寒地受供暖等人為因素的干擾,選取夏季2018年6月9日—2018年6月11日三天進(jìn)行監(jiān)測,探究5種樣地的PM2.5濃度日變化差異。不同樣地PM2.5濃度日變化的曲線基本以同位相波動(圖3),早晚偏高,8:00以后逐漸降低,10:00左右達(dá)到最低值,隨后又逐漸升高。

圖3 PM2.5濃度的日變化圖

樣地2和樣地3的PM2.5濃度變化規(guī)律相似且濃度值相對其他樣地較低,這可能是由于它們的植物群落結(jié)構(gòu)相似有關(guān),群落的植物類型豐富且喬灌草搭配方式合理。樣地1和樣地4的PM2.5濃度值偏高,這可能與其群落的植物類型較單一有關(guān)。樣地5作為對照組,PM2.5的濃度值遠(yuǎn)高于其他植物群落,說明植物能夠一定程度上降低小環(huán)境的PM2.5濃度,但不同植物群落對小環(huán)境的PM2.5濃度的日變化均有不同程度的影響。

2.3 植物群落對PM2.5濃度的影響

植物可以改善環(huán)境空氣質(zhì)量,這已成為人們的共識,為了解不同植物群落對降低細(xì)顆粒物濃度方面是否有差異,以植物群落較完整的夏季為例,對5處樣地進(jìn)行比較。由圖3可以看出,樣地為植物群落的PM2.5濃度明顯低于空地,層次為喬灌草3層的植物群落樣地2和樣地3低于喬草和灌草樣地,但其PM2.5濃度下降不顯著。因此對5組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析得表1,由表1可知喬草、喬灌草和灌草3種群落類型P值為0.226>0.05,說明3種群落類型間PM2.5濃度變化差異不顯著,表明植物能夠降低環(huán)境中PM2.5濃度,但與植物群落層次關(guān)系不顯著。

表1 3種植物群落類型PM2.5濃度的比較

2.4 不同植物群落對顆粒物濃度的消減影響

春秋季節(jié)容易受到供暖等人為因素的干擾,夏季植物生長旺盛,群落結(jié)構(gòu)比較完整因此選取2018年6月9日—2018年6月11日三天監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

不同植物群落對顆粒物濃度消減百分率的計算公式如下[22]：

式中,Cs是對照組(樣地5)的顆粒物濃度,Cm是不同類型植物群落的顆粒物濃度。

三種植物群落對顆粒物濃度的消減率略有差異(表2),層次為喬灌草3層的植物群落對顆粒物濃度的消減效果最佳,PM2.5消減率為30.30%,PM10消減率為26.52%。層次為喬草和灌草的植物群落相對較低,PM2.5消減率分別為14.30%和7.77%,PM10消減率分別為13.60%和7.72%。由此可以看出,提升植物群落的豐富度有助于提升其消減顆粒物濃度的能力,并且植物群落對PM2.5的消減效果優(yōu)于PM10。

表2 3種植物群落類型對顆粒物濃度的消減率/%

2.5 環(huán)境因子對PM2.5濃度變化的影響

環(huán)境因子對顆粒物在空氣中的擴(kuò)散有較大的影響[23-24],為了探究環(huán)境中環(huán)境因子特別是溫度和濕度對校園植物群落PM2.5濃度變化的影響,以樣地2為例。該樣地植物群落較完整,且層次為喬灌草3層的植物群落,樹木高低錯落,景觀優(yōu)美。監(jiān)測采樣的時間為夏季2018年6月9—11日。

2.5.1溫度對PM2.5濃度變化的影響

溫度變化是人們最容易感知到的。將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與PM2.5進(jìn)行相關(guān)性分析(圖4)。PM2.5隨溫度的升高是降低的趨勢,兩者之間存在著一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中y代表PM2.5顆粒物濃度,x代表溫度,R2=0.6436,其相關(guān)性較高。樣地2在8:00—10:00時間段溫度是最高的,對應(yīng)的PM2.5濃度是一天中最低的。因此PM2.5與溫度基本上為負(fù)相關(guān)關(guān)系,原因可能是溫度較高時,空氣對流和亂流旺盛,有助于顆粒物在空氣中的擴(kuò)散,最終導(dǎo)致PM2.5濃度會相應(yīng)降低。

圖4 PM2.5顆粒物濃度與溫度的變化關(guān)系

2.5.2空氣相對濕度對PM2.5濃度變化的影響

哈爾濱的降雨主要集中在夏季,夏季空氣相對濕度較大。濕度是影響空氣中PM2.5濃度的一個重要指標(biāo)[25]。PM2.5與空氣相對濕度存在一定的正相關(guān)關(guān)系(圖5),PM2.5濃度隨著空氣濕度的增大而增加,其中y代表PM2.5顆粒物濃度,x代表空氣相對濕度,R2= 0.6344,其相關(guān)性較高。其原因可能是因為空氣相對濕度較大,會使空氣中的水蒸氣含量增加。漂浮在空氣中的細(xì)顆粒物會與水蒸氣凝結(jié)形成霧,這會增加顆粒物的重量,從而顆粒物聚集在大氣層中阻礙空氣流通,最終導(dǎo)致空氣中PM2.5濃度增加。

圖5 PM2.5顆粒物濃度與空氣濕度的變化關(guān)系

2.5.3環(huán)境因子對PM2.5濃度變化的綜合影響

考慮到空氣中的PM2.5濃度的影響因素是復(fù)合多樣的,因此采用回歸分析的方法探究環(huán)境因子(溫度和相對濕度)對PM2.5濃度變化的綜合影響。溫度和相對濕度與PM2.5濃度的相關(guān)性較強,溫度與PM2.5濃度存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系,相對濕度與PM2.5濃度存在一定正相關(guān)關(guān)系。因此得到模型：

y=-1.683×Ta+1.426×RH+6.589R2= 0.814P<0.01

Ta代表空氣溫度(℃),RH代表相對濕度(%),y代表PM2.5濃度(μg/m3)

3 結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)受寒地供暖等人為因素的影響東北林業(yè)大學(xué)校園PM2.5濃度春秋季偏高,夏季PM2.5濃度相對較低,空氣質(zhì)量較好。校園中PM2.5日變化呈“雙峰單谷”的分布狀態(tài),即“早晚高,白天低”這與王開燕等人的研究結(jié)果相似[26]。由于早晚校園PM2.5濃度較高,因此建議師生可以在10:00左右進(jìn)行戶外活動[4]。

吳志萍等[27]在對清華大學(xué)6種類型綠地PM2.5濃度變化規(guī)律的研究中指出,層次合理和植被豐富的植物群落能夠起到凈化空氣的作用。本研究中喬灌草搭配良好的樣地2和樣地3相對于植被較單一的樣地1和樣地4的PM2.5濃度值較低,但是差異不顯著?？盏刂械腜M2.5濃度要明顯高于植物群落。但是當(dāng)PM2.5濃度過高時,由于空地開闊,空氣流動性較好,相對于層次豐富郁閉度較高的植物群落,其PM2.5濃度較低[21]。因此校園在提升植物豐富度的同時,應(yīng)營造合理的植物層,充分考慮植被的體量和數(shù)量等因素。

本文比較了校園不同植物群落對PM2.5濃度的消減率,發(fā)現(xiàn)3種類型植物群落對PM2.5濃度的消減率略有差異,層次為喬灌草3層的植物群落對PM2.5濃度的消減效果最佳,這與陳自新等[28]、張新獻(xiàn)等[29]的研究結(jié)果相似,因此說明層次合理的綠地配置模式對PM2.5的消減作用明顯。同時比較了不同植物群落對PM2.5和PM10濃度消減率的影響,發(fā)現(xiàn)植物群落對PM2.5的消減效果優(yōu)于PM10。

趙晨曦等[30]對北京各縣市的PM2.5濃度特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),PM2.5濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)、與相對濕度呈正相關(guān),其中相對濕度對顆粒物的影響最大。本文通過探究校園植物群落PM2.5濃度受環(huán)境因子的影響中發(fā)現(xiàn),PM2.5濃度與溫度呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系,R2值為0.6436,PM2.5濃度隨溫度的上升而有所下降。PM2.5濃度與空氣相對濕度呈正相關(guān)關(guān)系,R2值為 0.6344,PM2.5濃度隨著空氣相對濕度的增加而增加。在探究環(huán)境因子對PM2.5濃度變化的綜合影響中,溫度與PM2.5濃度存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系,相對濕度與PM2.5濃度存在一定正相關(guān)關(guān)系。因此建議,師生在校園空氣濕度較大,天氣悶熱的狀況下不要進(jìn)行戶外活動。

因此在優(yōu)化校園環(huán)境和改善空氣質(zhì)量中,應(yīng)將校園小氣候要素與植物群落層次結(jié)合起來通過調(diào)節(jié)種植密度,合理選擇植物的種類(如鳳蘭等顆粒物吸附能力較強的植物[31]對)和搭配方式(如考慮喬木株高,冠形和葉形等可能影響空間郁閉度的因素),從而實現(xiàn)植物消減大氣中PM2.5濃度和改善空氣質(zhì)量的生態(tài)效益。校園的空氣質(zhì)量對師生們的生活至關(guān)重要,本文是對位于寒地城市的校園PM2.5濃度變化進(jìn)行研究,未來應(yīng)加強對其他代表性區(qū)域校園的PM2.5濃度變化特征進(jìn)行定量研究,從而能夠更全面地探究降低空氣中細(xì)顆粒物濃度的措施。