不同氣象條件下北京市綠地植物群落對大氣顆粒物消減作用?

郭雅婷 李運遠 林辰松

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

隨著城市的快速發(fā)展,大氣顆粒物成為影響城市空氣質(zhì)量的首要污染物,其中,最主要的是總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)3類,對人們的正常生活和健康造成威脅[1]。盡管北京2020年空氣質(zhì)量較之前有較大改善,夏秋季基本消除PM2.5重污染[2],但由于北京地處華北平原北部,春季氣溫及相對濕度較低,大風(fēng)天氣較為頻繁[3],極易受外來沙塵和地面揚塵影響[4－5],且西部、北部和東北部三面環(huán)山,不利于污染物擴散,春季空氣污染仍較為嚴(yán)重,霧霾和揚塵天氣頻發(fā)。

我國學(xué)者從20世紀(jì)90年代開始研究植物對大氣顆粒物消減效應(yīng),主要集中于園林植物消減大氣顆粒物的作用機制[6－7]、不同植物個體消減大氣顆粒物的能力[8－10]、城市綠地滯塵時空變化規(guī)律[11]、不同植物群落結(jié)構(gòu)類型的綠地滯塵能力[12－13]等。另外,一些學(xué)者開始研究降雨及風(fēng)速等因素對植物滯塵能力的影響[14],但僅停留在對單種植物個體的研究,對不同植物群落結(jié)構(gòu)類型的研究相對較少。而各單株植物正是通過構(gòu)成群落才發(fā)揮更大的生態(tài)服務(wù)功能。因此,本文以北京市朝陽區(qū)為例,于2021年4—5月,選擇不同的天氣,對3種粒徑大氣顆粒物(TSP、PM10和PM2.5)質(zhì)量濃度進行監(jiān)測記錄,旨在了解春季不同氣象條件下,城市綠地不同植物群落結(jié)構(gòu)消減大氣顆粒物的能力,為今后城市綠地植物群落設(shè)計提供參考。

1 研究材料與方法

1.1 樣點選擇

通過調(diào)查走訪,選取5處建成時間較長、與人們生活較為密切的綠地和4種植物群落作為樣地。5處綠地包括朝陽公園、北小河公園(綜合公園)、姚家園公園(社區(qū)公園)、東壩郊野公園(郊野公園)和安立路綠化(道路與交通設(shè)施用地附屬綠地)。對選取的城市綠地進行植物群落現(xiàn)狀調(diào)研,在各綠地內(nèi)選取4個20 m×20 m的不同植物群落,確保最終所選樣點盡可能多地涵蓋植物群落類型(表1)。同時,在各綠地內(nèi)選取廣場裸地作為對照點,每個對照斑塊的面積均在400 m2以上。

表1 樣點選擇結(jié)果

1.2 氣象條件和監(jiān)測日期選擇

選擇春季出現(xiàn)頻率較高,對大氣顆粒物具有明顯集聚、擴散等效應(yīng)的3類典型氣象類型,即晴朗微風(fēng)、陰天霧霾、大風(fēng)揚塵開展樣地和對照地同步監(jiān)測。晴朗微風(fēng)天氣風(fēng)力為1~2級,能見度>10 km；陰天霧霾天氣風(fēng)力為1~2級,能見度為3~10 km；大風(fēng)揚塵天氣風(fēng)力為3~4級,能見度為1~10 km。監(jiān)測日期的選擇遵循各氣象類型不相鄰原則,以減小試驗誤差,保證數(shù)據(jù)可靠,故選擇的監(jiān)測時間為:“晴朗微風(fēng)”3天(3月22日、4月7日、4月13日),陰天霧霾3天(3月10日、3月14日、3月27日),“大風(fēng)揚塵”3天(4月15日、4月27日、5月6日)。

1.3 指標(biāo)測定和數(shù)據(jù)處理

一天中分3個時間段(8∶00－11∶30、11∶30－15∶00、15∶00－18∶00)對各試驗樣方及對照樣方的3種大氣顆粒物(TSP、PM2.5、PM10)濃度各進行一次測量。測量時,將2臺LD-6S多功能激光粉塵連續(xù)測試儀分別放置在試驗樣方和對照樣方的中心點處,保持1.5 m高度,每次測量儀器運行時間定為30 min,注意試驗樣方與對照樣方同時讀取數(shù)據(jù)；然后對相同氣象條件下每個監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值進行統(tǒng)計分析；最后通過計算樣點與對照點的大氣顆粒物減少比例得到該大氣顆粒物消減率,削減率可有效反映城市綠地植物群落凈化顆粒物的能力強弱[15],消減率計算公式如式(1):

式(1)中,Q為大氣顆粒物消減率,Vn為樣點處顆粒物濃度均值,Vn－1為對照點顆粒物濃度均值[16]。

所有數(shù)據(jù)運用Microsoft Excel 2003和SPSS26.0進行分析,采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(Least—Significant Difference,LSD)比較不同氣象條件下的顆粒物濃度差異,顯著性水平設(shè)定為α＝0.05；采用K均值聚類法對不同氣象條件下不同結(jié)構(gòu)群落對大氣顆粒物濃度削減率進行分類比較,不同氣象條件下群落對各大氣顆粒物消減率數(shù)據(jù)的K值由科學(xué)肘點法確定,結(jié)果均為3。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氣象條件下空氣中大氣顆粒物的變化

由表2可知,春季對照樣地TSP濃度為晴朗微風(fēng)<陰天霧霾<大風(fēng)揚塵,PM2.5和PM10濃度為晴朗微風(fēng)<大風(fēng)揚塵<陰天霧霾。由表3可知,LSD多重比較分析結(jié)果表明:PM10和PM2.5的濃度在陰天霧霾時顯著(P<0.05)高于晴朗微風(fēng)和大風(fēng)揚塵天氣,在晴朗微風(fēng)和大風(fēng)揚塵氣象條件下差異不顯著(P≥0.05)；TSP濃度在大風(fēng)揚塵和陰天霧霾時均顯著(P<0.05)高于晴朗微風(fēng)天氣,而在大風(fēng)揚塵和陰天霧霾天氣則差異不顯著(P≥0.05)。以上情況表明,春季TSP濃度是造成揚塵和霧霾的主要原因,而PM10和PM2.5僅對霧霾造成較大影響。

表2 春季不同氣象條件下對照樣地大氣顆粒物濃度 μg·m－3

表3 春季不同氣象條件下對照樣地大氣顆粒物濃度LSD多重比較

2.2 不同氣象條件下不同群落對大氣顆粒物的消減作用

2.2.1 晴朗微風(fēng)條件下不同群落對大氣顆粒物的消減作用

1)TSP消減能力。由表4和圖1可知:聚類中心為13.151%的a聚類組阻滯率最高,其聚類成員為三層喬灌草型群落(群落2、3、4、6、16、17、18、20)；聚類中心為9.147%的b聚類組阻滯率次之,其聚類成員為兩層喬灌型群落(群落10、11、12)；c聚類組阻滯率較低(4.840%),其聚類成員為單層喬木型群落(群落1、9、19)、單層草本群落(群落15)和兩層喬草型群落(群落5、7、8、13、14)。說明晴朗微風(fēng)天氣條件下,復(fù)層結(jié)構(gòu)植物群落對TSP消減能力高于單層結(jié)構(gòu)植物群落。

2)PM2.5和PM10消減能力。由表4和圖1可知:安立路綠化中的群落17、18、20的PM2.5和PM10阻滯率屬于b聚類組,明顯低于其他處于a聚類組的三層喬灌草群落；群落19的阻滯率屬于c聚類組,明顯低于其他位于b聚類組的單層群落。以上結(jié)果表明道路與交通設(shè)施用地附屬綠地的植物群落相比同結(jié)構(gòu)其他綠地的群落而言,對大氣顆粒物的消減能力較低。除此之外的其他群落,對PM2.5和PM10阻滯能力排序依次為:三層喬灌草型群落(a)>雙層喬灌型群落(b)>雙層闊葉喬草型群落(b)>單層喬木型群落(b)>雙層針葉喬草型群落(c)>單層草本型群落(c)(圖1)。

表4 晴朗微風(fēng)條件下各群落不同大氣顆粒物阻滯率及聚類分析結(jié)果

圖1 晴朗微風(fēng)條件下各群落不同大氣顆粒物阻滯率

2.2.2 陰天霧霾條件下不同群落對大氣顆粒物的消減作用

1)TSP消減作用。由表5和圖2可知,各結(jié)構(gòu)類型群落對TSP阻滯能力分類結(jié)果與晴朗微風(fēng)天氣條件下相同,但阻滯率相對較高。

2)PM2.5和PM10消減作用。各群落對PM2.5和PM10消減作用(表5、圖2)表明,單層草本型群落阻滯率最高,雙層闊葉喬草型群落和單層喬木型群落次之,雙層喬灌型群落、三層喬灌草型群落和雙層針葉喬草型群落阻滯率最低。

圖2 陰天霧霾條件下各群落不同大氣顆粒物阻滯率

2.2.3大風(fēng)揚塵條件下不同群落對大氣顆粒物的消減作用

1)TSP消減作用。由表6和圖3可知,大風(fēng)揚塵氣象條件下,不同結(jié)構(gòu)類型的綠地植物群落消減TSP能力自大至小依次為:雙層針葉喬草型群落(a)>單層草本型群落(a)>雙層闊葉喬草型群落(b)>三層喬灌草型群落(b)>單層喬木型群落(c)>雙層喬灌型群落(c)。

2)PM2.5和PM10消減作用。由表6和圖3可知,大風(fēng)揚塵氣象條件下,不同結(jié)構(gòu)類型的綠地植物群落消減PM2.5和PM10能力自大至小依次為:單層草本(c)>雙層針葉喬草(c)>雙層闊葉喬草(b)>單層喬木(b)>三層喬灌草(a)>雙層喬灌(a)。

表6 大風(fēng)揚塵條件下各群落不同大氣顆粒物阻滯率及聚類分析結(jié)果

圖3 大風(fēng)揚塵條件下各群落不同大氣顆粒物阻滯率

3 討論

晴朗微風(fēng)氣象條件下,復(fù)層結(jié)構(gòu)群落滯塵能力較高,原因可能是顆粒物在風(fēng)速較低時通常會通過自身重力進行沉降。喬灌草型群落經(jīng)過了喬木和灌木的2次阻滯,到測試高度時顆粒物濃度已經(jīng)相當(dāng)?shù)?因此喬灌草型群落表現(xiàn)出較高的阻滯率。對于PM2.5和PM10而言,道路與交通設(shè)施用地附屬綠地植物群落表現(xiàn)出較低的阻滯率,這可能是由于群落距離污染源較近,且春季干燥少雨,植物PM2.5和PM10阻滯能力在該段時間內(nèi)已趨近飽和,故表現(xiàn)出較低的滯塵能力。這與邵鋒、薛文川等[16－17]關(guān)于顆粒物濃度與污染源距離成反比的研究結(jié)果一致。

陰天霧霾氣象條件下,各結(jié)構(gòu)類型群落對TSP阻滯能力分類結(jié)果與晴朗微風(fēng)天氣條件下相同,這可能是因為陰天霧霾天氣中的較大濕度在風(fēng)力較弱時,對粒徑較大的TSP在空氣中的運動影響不大,因此各結(jié)構(gòu)類型群落表現(xiàn)出與晴朗微風(fēng)相同的阻滯能力。但由于陰天霧霾條件下,大氣中顆粒物含量本身較高,故各群落阻滯率均相對較高。復(fù)層結(jié)構(gòu)型群落對PM2.5和PM10阻滯能力反而低于單層草本結(jié)構(gòu)。其原因可能是雙層喬灌型群落和三層喬灌草型群落內(nèi)風(fēng)速較小,空氣流通性較差,細顆粒物沉降困難,不易在短時間內(nèi)被清除；而且群落內(nèi)的相對濕度高于對照點,靜穩(wěn)高濕的氣象條件有利于林內(nèi)細顆粒物的積聚[18],因此表現(xiàn)出較低的消減作用。雙層闊葉喬草、單層喬木及草本型群落由于群落內(nèi)部空氣流動性較好,有利于細顆粒物的擴散,擁有較好的消減作用。

大風(fēng)揚塵氣象條件下,無草本覆蓋的群落對TSP阻滯率較低,甚至出現(xiàn)負(fù)值,可能是因為當(dāng)風(fēng)速超過閾值時,地表及原本植物吸附的顆粒物會被風(fēng)再次帶入空中而使顆粒物質(zhì)量濃度增大。雙層針葉喬草型群落表現(xiàn)出對TSP較高的阻滯能力,其原因可能是針葉喬木體積較大,阻隔了攜帶顆粒物的大風(fēng)。單層草本群落對PM2.5和PM10的阻滯率最高,原因可能是草坪上通常沒有人活動,且沒有浮土。相較于喬灌草和喬灌型群落,通透性較好的雙層闊葉喬草與單層喬木結(jié)構(gòu)的群落表現(xiàn)出稍高的阻滯能力。

本研究在一定程度上可以指導(dǎo)城市綠地植物群落的構(gòu)建,如對于污染源在內(nèi)部的一些綠地,可以設(shè)計喬草等利于顆粒物消散的疏朗型群落結(jié)構(gòu),而對于污染源在外部的綠地,則應(yīng)采用喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)、針葉喬草結(jié)構(gòu)等阻擋污染物。北京春季多風(fēng)沙,草本不易養(yǎng)護,在經(jīng)濟條件有限的情況下,可以用樹皮等有機物覆蓋裸地,以減少二次揚塵。但是受試驗條件的局限,本文僅在較為宏觀層面進行探討,今后還需要進一步展開詳細研究,為城市綠地滯塵型植物群落構(gòu)建提供更堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1)春季不同氣象條件下大氣顆粒物濃度顯著不同,TSP在揚塵和霧霾天氣均具有較高濃度,而PM2.5和PM10僅在霧霾天氣具有明顯的高濃度。

2)春季道路與交通設(shè)施用地附屬綠地的PM2.5和PM10阻滯能力低于其他類型綠地。

3)晴朗微風(fēng)氣象條件下,復(fù)層結(jié)構(gòu)植物群落對各類顆粒物消減能力均高于單層結(jié)構(gòu)植物群落。

4)陰天霧霾氣象條件下,各結(jié)構(gòu)類型群落對TSP阻滯能力分類結(jié)果和在晴朗微風(fēng)天氣條件下相同,但整體阻滯能力高于晴朗微風(fēng)時。而復(fù)層結(jié)構(gòu)群落和單層草本型群落對PM2.5和PM10阻滯率與晴朗微風(fēng)天氣條件剛好相反。

5)大風(fēng)揚塵氣象條件下,沒有草本植物的群落對TSP的阻滯能力極低,有時甚至表現(xiàn)為負(fù)值。復(fù)層結(jié)構(gòu)的植物群落對大氣顆粒物的阻滯能力在大風(fēng)揚塵時反而表現(xiàn)較差。而能夠阻擋大風(fēng)的針葉喬草型群落和通透性好且無人活動的草本群落表現(xiàn)出較高的阻滯能力。