北京市海淀區(qū)典型植物群落內(nèi)PM10濃度變化?

許 冬 胡 楠 李運(yùn)遠(yuǎn)

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

自從?大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃?[1]制定并實(shí)施以來,以北京、天津、河北為代表的重點(diǎn)區(qū)域污染物減排活動(dòng)成果顯著,污染物排放量整體呈現(xiàn)下降趨勢[2]。然而,受西、北環(huán)山的特殊地勢,以及秋冬季易發(fā)生的靜穩(wěn)天氣等自然因素影響,北京地區(qū)大氣擴(kuò)散能力較弱,且易造成污染物堆積的現(xiàn)象[3],多次出現(xiàn)大范圍持續(xù)性重污染事件[4]。同時(shí),秋季為北京市空氣顆粒物污染的多發(fā)季節(jié),該季節(jié)內(nèi)北京市民和外地游客進(jìn)行各種游憩活動(dòng)相對頻繁[5],以粉塵為主的可吸入顆粒物會(huì)對居民及游客健康造成一定影響[6－7]。

城市綠地作為城市生態(tài)環(huán)境的重要構(gòu)成部分,在改善空氣質(zhì)量方面具有重要作用[8],植物群落是構(gòu)成城市綠地的基本單位和要素,是城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ),綠地消減空氣污染物的特點(diǎn)與城市綠地群落結(jié)構(gòu)具有明顯相關(guān)性[9]。選擇合適的植物群落結(jié)構(gòu)以及樹種是緩解城市大氣粉塵污染、提高城市空氣質(zhì)量的重要手段。

截至目前,國內(nèi)外學(xué)者主要通過植物群落內(nèi)顆粒物濃度時(shí)空變化[10－11]、不同植物群落顆粒物濃度對照測定[12－13]、環(huán)境因子與植物群落顆粒物濃度相關(guān)性分析[14－15]等方式進(jìn)行植物群落滯塵效益方面的研究,研究成果豐富。研究內(nèi)容主要聚焦于3個(gè)方面:1)植物滯塵機(jī)理,著重從停著、附著與黏著3個(gè)方面探究不同植物群落及植物個(gè)體滯塵方式的異同[16－19]；2)植物滯塵能力差異,主要通過對植物個(gè)體與植物群落滯塵能力的差異性比較 探索提升滯塵效益的植物搭配模式[20－22]；3)植物滯塵影響因素,主要從植物自身特征、季節(jié)、空間環(huán)境及氣象等方面探究環(huán)境因子對植物個(gè)體或植物群落滯塵能力的影響[23－25]。

目前國內(nèi)學(xué)者大多圍繞植物個(gè)體滯塵能力展開研究,且結(jié)論存在差異。植物群落滯塵研究多聚焦于單一公園用地、道路綠地或居住區(qū)綠地[26－28],以及在相同所屬環(huán)境下不同植物群落滯塵效益差別[29－30],而較少從城市區(qū)域角度出發(fā),將多個(gè)同一類型用地劃為整體探究其相同植物群落特征下的植物群落顆粒物濃度差異。本文以PM10為出發(fā)點(diǎn),從受到城市地理環(huán)境影響的公園用地入手,探究不同公園用地下植物群落PM10濃度變化差異。

1 研究方法

1.1 樣地選取

北京市海淀區(qū)位于華北平原北部邊緣地帶。根據(jù)海淀分區(qū)規(guī)劃(國土空間規(guī)劃2017—2035年)中綠地系統(tǒng)規(guī)劃[31]對公園用地的界定,利用Google Earth進(jìn)行樣地選取,確保樣地自然環(huán)境條件相近、周邊無其他污染源或熱源干擾,且具有一定可達(dá)性,最終選取北京市植物園、中國科學(xué)院植物研究所植物園、頤和園、圓明園和東升八家郊野公園5個(gè)研究地。

為最大限度避免和消除其他干擾因素,保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性和可比性,通過網(wǎng)格系統(tǒng)取樣法選取研究地內(nèi)部植物群落樣方。根據(jù)研究地尺度大小,沿正南正北方向設(shè)置網(wǎng)格并取其交點(diǎn),利用Google Earth顯示交點(diǎn)坐標(biāo)位置并進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。實(shí)地調(diào)研過程中對網(wǎng)格內(nèi)部植物群落及其周邊物理環(huán)境條件進(jìn)行評估,選擇遠(yuǎn)離水體、地形平坦、人為活動(dòng)干擾較少的植物群落,且植物群落內(nèi)部植物均為北京市綠化配置常見規(guī)格、長勢良好、無特大古樹或過小幼樹、無病蟲害干擾等[32]。在每個(gè)研究地內(nèi)人工選取4個(gè)植物群落實(shí)驗(yàn)樣方(20 m×20 m),并在實(shí)驗(yàn)樣方100 m距離內(nèi)選擇無植物覆蓋的廣場作為對照樣方[33],其中植物群落實(shí)驗(yàn)樣方結(jié)構(gòu)分別為喬灌草型、喬灌型、喬草型及草坪型,除草坪型外,其他群落結(jié)構(gòu)均為常綠落葉混交型,盡量確保不同公園下同類型植物群落結(jié)構(gòu)特征相似(表1)。

表1 不同結(jié)構(gòu)下植物群落配置模式樣方表

1.2 數(shù)據(jù)采集

植物群落結(jié)構(gòu)及配置模式數(shù)據(jù)采集以現(xiàn)場觀察、測量記錄的方式進(jìn)行,觀測樣方植物群落結(jié)構(gòu)模式及樹種組成；利用測距儀測量每一類喬木、灌木平均高度、枝下高、胸徑、冠幅、株數(shù)及形態(tài)；通過觀測與皮尺測量結(jié)合的方式采集地被植物覆蓋面積以及平均高度,并以樣點(diǎn)法拍攝樣地照片及周圍環(huán)境。

使用多功能激光粉塵儀(LD-6S,北京市綠林創(chuàng)新數(shù)碼科技有限公司)采集滯塵數(shù)據(jù),該儀器采用光散射法檢測原理進(jìn)行泵吸式采樣,通過內(nèi)置直徑為40 mm濾膜采樣裝置收集粉塵樣品進(jìn)行重量測定后,運(yùn)用內(nèi)置評估軟件進(jìn)行粉塵質(zhì)量濃度換算,并根據(jù)濾膜樣品分析顆粒物成分。將2臺粉塵儀分別架設(shè)在實(shí)驗(yàn)樣方及對照樣方中心點(diǎn)1.5 m的高度上同時(shí)進(jìn)行測量,設(shè)定一次數(shù)據(jù)采集時(shí)長為1 min,設(shè)置測量精度(K值)為0.001。測量前校準(zhǔn)儀器,測量過程中盡量避免儀器抖動(dòng)以及周邊人為干擾。預(yù)實(shí)驗(yàn)后,選擇晴朗無風(fēng)(風(fēng)速小于2 m·s－1)天氣、氣候因素影響低的時(shí)段進(jìn)行測定。在進(jìn)行滯塵測量的同時(shí),使用溫濕度計(jì)記錄儀(LM-8010,深圳市恩慈電子有限公司)測定當(dāng)日溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年10月10－20日,每天8∶00－17∶00分5個(gè)時(shí)間段(8∶00－9∶00、10∶00－11∶00、12∶00－13∶00、14∶00－15∶00、16∶00－17∶00)進(jìn)行測量。以PM10濃度為測定指標(biāo),對每個(gè)測量點(diǎn)測量3次后計(jì)算平均值作為樣本數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用AutoCAD 2020畫出樣方植物群落實(shí)測平面圖；利用Excel 2020對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整合,計(jì)算樣方植物蓋度、林下植物蓋度、針葉闊葉蓋度比等群落特征；利用圖像抽取法處理圖像數(shù)據(jù)計(jì)算群落郁閉度,最終核查植物群落特征相似度。

利用Excel 2020對滯塵數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；應(yīng)用SPSS 16.0進(jìn)行相關(guān)性分析。通過滯塵率(Q)衡量不同結(jié)構(gòu)和配置模式的植物群落滯塵能力強(qiáng)弱,滯塵率計(jì)算公式如式(1):

式(1)中:Q為植物群落樣方滯塵率；V1為對照點(diǎn)顆粒物濃度平均值(mg·m－3)；V2為試驗(yàn)點(diǎn)顆粒物濃度平均值(mg·m－3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM10濃度時(shí)空分布特征

2.1.1 PM10濃度空間分布特征

不同研究地位置與西、北環(huán)山的距離由遠(yuǎn)到近為:東升八家郊野公園>圓明園>頤和園>中國科學(xué)院植物研究所植物園>北京植物園。5個(gè)研究地內(nèi)相同結(jié)構(gòu)植物群落的PM10濃度具有差異,一定程度上可以反映山體距離因素對植物群落PM10濃度的影響。由回歸分析可知,山體距離因素與植物群落內(nèi)PM10濃度具有正相關(guān)關(guān)系,即與山體距離越遠(yuǎn),植物群落空氣中PM10濃度越高(圖2)。

圖2 不同研究地植物群落PM10濃度圖

不同結(jié)構(gòu)的植物群落內(nèi)PM10濃度與山體距離擬合程度排序?yàn)?喬灌>喬灌草>喬草>草坪。喬灌型及喬灌草型植物群落PM10濃度與研究地距離因素呈明顯正相關(guān)(回歸方程為y＝0.013 8x喬灌＋0.388 8,r2＝0.748 2及y＝0.010 8x喬灌草＋0.415 6,r2＝0.740 6),這可能是因?yàn)閱坦嘈图皢坦嗖菪椭参锶郝湔w通透度低,植物在1.5 m高度附近生長密集,導(dǎo)致顆粒物進(jìn)入植物群落內(nèi)部后無法快速排出,顆粒物濃度在一定程度上受地理環(huán)境的影響。喬草型植物群落PM10濃度與研究地距離因素呈弱正相關(guān)(回歸方程y＝0.009 6x喬草＋0.368 6,r2＝0.637 3),而草坪基本不受山體距離因素的影響(回歸方程為y＝0.003x草坪＋0.384 8,r2＝0.099 5),這可能是由于喬草型及草坪型結(jié)構(gòu)單一、通透度高,相較于城市地理環(huán)境,更易受到周遭小氣候干擾。

2.1.2 PM10濃度日變化規(guī)律

不同研究地PM10濃度日變化的曲線基本為同位相波動(dòng)(圖3),整體趨勢為早晨PM10濃度偏高,中午達(dá)到谷值,隨后又逐漸升高。由圖3可知,北京市植物園與中國科學(xué)院植物研究所植物園內(nèi)不同植物群落結(jié)構(gòu)下PM10濃度日變化量較小,且4種植物群落結(jié)構(gòu)內(nèi)部顆粒物濃度差異性低。這可能是由于北京市植物園與中國科學(xué)院植物研究所植物園距離西、北環(huán)山距離較近,且公園本身海拔相對較高,日氣溫變化幅度低,城市熱氣流對植物群落影響較小等綜合因素所造成的。

圖3 不同研究地植物群落PM10濃度日變化圖

2.2 不同植物群落對PM10的消減率

從圖4可以看出,4種植物群落對PM10濃度消減率略有差異,其中,草坪型植物群落的消減效果最佳,平均消減率為16.73%；其次為喬灌草和喬草型植物群落,平均消減率分別為14.53%和13.35%；PM10消減率最低的是喬灌型植物群落,為6.39%。原因可能是秋季植物群落處在動(dòng)態(tài)變化中,葉片在掉落過程中產(chǎn)生二次揚(yáng)塵,而草坪型植物群落具有較少動(dòng)態(tài)變化,且植物群落結(jié)構(gòu)通透性高,在周邊無穩(wěn)定污染源的情況下能快速排走場地內(nèi)顆粒物,表現(xiàn)出顆粒物消減率高的特征。

圖4 不同植物群落顆粒物消減率圖

但由于草坪內(nèi)部PM10濃度本身較低,與對照組露天廣場PM10濃度有較大差異,其表現(xiàn)出PM10消減率最高的結(jié)果并不能完全代表該群落結(jié)構(gòu)本身的滯塵能力。而喬灌草群落結(jié)構(gòu)內(nèi)部顆粒物濃度較高,但其仍具有較高的減塵效果,一定程度表明喬灌草3層群落具有較強(qiáng)的滯塵能力。

2.3 環(huán)境因子與植物群落內(nèi)PM10濃度的相關(guān)性

2.3.1 溫度對PM10濃度影響

溫度可以影響植物光合作用效率,加強(qiáng)植物群落對顆粒物的消減作用,減少植物群落內(nèi)空氣中顆粒物濃度[4]。將北京市植物園與東升八家郊野公園的溫度與相應(yīng)時(shí)段的PM10濃度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果(圖5)表明,這2個(gè)公園的PM10濃度均隨著溫度的升高而降低,呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系,其中北京市植物園PM10濃度與溫度的相關(guān)性較低,東升八家郊野公園PM10濃度與溫度的相關(guān)性較高。

圖5 溫度與PM10濃度變化關(guān)系(y代表PM10濃度；x代表溫度)

通過對北京市植物園與東升八家郊野公園的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),東升八家郊野公園植物群落內(nèi)部PM10濃度更易受到溫度變化影響,原因可能是東升八家郊野公園整體海拔相對較低,城市熱島效應(yīng)與地面輻射影響較大,受大氣對流干擾嚴(yán)重[34],垂直湍流對植物群落內(nèi)顆粒物擴(kuò)散量有較大影響,從而使PM10濃度與溫度顯現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。

2.3.2 空氣相對濕度對PM10濃度影響

濕度在一定范圍內(nèi)可以使植物葉表面顆粒物吸附能力產(chǎn)生變化,從而影響植物群落內(nèi)顆粒物濃度變化[10]。將北京市植物園與東升八家郊野公園的濕度與相應(yīng)PM10數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果(圖6)表明,這2個(gè)公園的PM10濃度都隨著濕度的升高而升高,呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系,其中北京市植物園PM10濃度與空氣相對濕度的相關(guān)性較低,東升八家郊野公園PM10濃度與空氣相對濕度的相關(guān)性更高。

圖6 濕度與PM10濃度變化關(guān)系(y代表PM10濃度，x代表空氣相對濕度)

通過對比發(fā)現(xiàn),濕度與北京市植物園和東升八家郊野公園植物群落PM10濃度整體相關(guān)性較低,原因可能是濕度的增加有利于植物對顆粒物的吸附作用,同時(shí)又能造成植物葉面表面顆粒物的脫落,呈現(xiàn)出雙向的影響作用[10]。但整體而言,濕度對東升八家郊野公園植物群落PM10濃度影響更大,這可能是由于東升八家郊野公園濕度差更大,更易與空氣中顆粒物產(chǎn)生凝結(jié)關(guān)系,增加顆粒物重量,最終導(dǎo)致空氣中顆粒物濃度變化。

3 討論

植物群落內(nèi)顆粒物濃度變化是多維因子協(xié)同作用的結(jié)果[8],本研究結(jié)果表明,植物群落與山體距離越遠(yuǎn),內(nèi)部PM10濃度越高,這可能是因?yàn)镻M10受到城市弱氣流和城市熱島效應(yīng)的影響,最終導(dǎo)致PM10在低海拔城市核心地帶聚集,這與以往北京市空氣污染特征類研究結(jié)果相符[2－4]。公園內(nèi)植物群落PM10濃度日變化呈現(xiàn)“U型”分布狀態(tài),表現(xiàn)出早晚高、白天低的趨勢,俞琳琳[28]等對綠地內(nèi)顆粒物濃度日變化特征的研究也表現(xiàn)出同樣規(guī)律,出現(xiàn)該規(guī)律的原因可能是早晨及傍晚氣溫較低,空氣濕度大,在低溫及高濕的狀態(tài)下顆粒物容易聚集增多,不利于輸送及擴(kuò)散；而午后時(shí)間段與之相反,光照較強(qiáng)導(dǎo)致溫度升高、濕度降低,從而使顆粒物擴(kuò)散速度加快。另外,此次研究結(jié)果表明草坪型的植物群落對PM10消減效果最佳,這與部分學(xué)者的研究結(jié)果存在差異[9],原因可能為秋季植物群落處在動(dòng)態(tài)變化中,草坪型結(jié)構(gòu)可避免葉片掉落過程中產(chǎn)生二次揚(yáng)塵,并在風(fēng)力影響下快速疏散顆粒物；其他群落結(jié)構(gòu)顆粒物消減能力比較結(jié)果為:喬灌草型>喬草型>喬灌型,這與李新宇[30]等人研究結(jié)果一致。

國內(nèi)外大量研究表明,城市綠地植物群落有助于改善城市空氣質(zhì)量,塑造高品質(zhì)的生活環(huán)境[8－11],本文研究地選址考慮了西、北環(huán)山地理?xiàng)l件影響,從城市環(huán)境入手探究植物群落內(nèi)PM10濃度變化與地理環(huán)境因素關(guān)系,以及不同地理位置關(guān)系下的植物群落滯塵效益。雖然西、北環(huán)山地勢易減緩風(fēng)力,造成顆粒物堆積,但也易使山間河口風(fēng)速增大[35],因此在城市更新規(guī)劃設(shè)計(jì)中,可通過通風(fēng)廊道規(guī)劃及植物群落結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使顆粒物快速疏散,同時(shí)應(yīng)合理考慮綠地配置模式,考慮地理?xiàng)l件、小氣候特征及城市生活環(huán)境,利用微地形等方式營造小氣候條件,發(fā)揮顆粒物消減效益最大化。

4 結(jié)論

1)受北京西、北環(huán)山的特殊地勢和靜穩(wěn)天氣等自然因素的影響,海淀區(qū)山體距離與PM10濃度空間分布具有一定正相關(guān)關(guān)系。5個(gè)公園內(nèi)植物群落PM10濃度日變化趨勢相同,呈現(xiàn)出“U型”分布狀態(tài),具體表現(xiàn)為上午及下午PM10濃度相對較高,中午PM10濃度水平相對較低。

2)通過比較公園內(nèi)不同植物群落對PM10的消減率可知,喬灌草、喬灌、喬草及草坪型植物群落的消減率不同,草坪型的植物群落消減效果最佳,其他群落結(jié)構(gòu)顆粒物消減能力比較結(jié)果為:喬灌草型>喬草型>喬灌型。

3)環(huán)境因子中的溫度和濕度影響植物群落內(nèi)PM10濃度,其中PM10濃度與溫度呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系,與相對濕度呈正相關(guān)關(guān)系,且溫濕度對與山體距離更遠(yuǎn)的公園影響更大。