夏季干旱半干旱城市公園不同植被配置環(huán)境效應(yīng)評價研究

王 波，閆曉云，侯秀娟，李心愿，包紅光

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

城市公園在改善生態(tài)環(huán)境中扮演著重要角色，其在城市綠地建設(shè)中起至關(guān)重要的作用，城市公園不同植被配置是城市公園的基本景觀和重要組成部分，它能為人們提供優(yōu)美舒適的休閑空間，緩解人們緊張的生活節(jié)奏。目前國內(nèi)外關(guān)于城市公園綠地配置類型的研究多數(shù)是從人體舒適度[1-2]、溫濕效應(yīng)[3-4]、空氣質(zhì)量[5-6]、小氣候[7-8]、綠地生態(tài)[8-9]等單方面進(jìn)行展開。然而，對于城市公園不同植被配置多種因素綜合性環(huán)境效應(yīng)評價研究較少，且目前的研究多集中于北京及北京以南地區(qū)。呼和浩特市位于內(nèi)蒙古中西部，屬于典型的干旱半干旱城市，是內(nèi)蒙古自治區(qū)政治、經(jīng)濟、文化中心。因此，本文選擇呼和浩特市敕勒川公園中的5處具有代表性的植被配置作為研究對象，在夏季進(jìn)行實地監(jiān)測，探究不同植被配置的人體舒適度、空氣顆粒物質(zhì)量濃度、噪音及空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度的日變化規(guī)律，為今后游人選擇最佳游園時間及同類型氣候條件地區(qū)的城市公園的植被配置提供科學(xué)理論依據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)有城市公園的植物資源，如何加以利用構(gòu)建一個合理完善的植被配置，進(jìn)一步通過不同植被配置達(dá)到城市公園綠地環(huán)境效應(yīng)最優(yōu)化。

1 研究區(qū)概況

呼和浩特市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部，屬干旱半干旱區(qū)域氣候，敕勒川公園位于呼和浩特市賽罕區(qū)(111°46′24″E,40°49′14″N)，綠地面積約33萬m2，是周邊居民晨練及休閑活動的主要場所之一。公園設(shè)施完善，布置大面積的植被，綠化植物達(dá)70余種，主要喬木樹種有油松(Pinustabuliformis)、新疆楊(Populusalba)、白皮松(Pinusbungeana)、云杉(Piceaasperata)、國槐(Sophorajaponica)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、白杜(Euonymusmaackii)、旱柳(Salixmatsudana)、五角楓(Acermono)、紫葉李(Prunuscerasifera)、榆樹(Ulmuspumila)、白蠟(Fraxinuschinensis)；主要灌木樹種有小葉黃楊(Buxussinica)、金葉榆(Ulmuspumila)、連翹(Forsythiasuspensa)、紫丁香(Syringaoblata)、紅瑞木(Cornusalba)、珍珠梅(Sorbariakirilowii)；主要草本有草地早熟禾(Poapratensis)。

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測點選擇

依據(jù)實地勘察分別選擇喬草型(S1)、喬灌型(S2)、喬木型(S3)、灌草型(S4)、喬灌草型(S5)等不同植被配置，同時將敕勒川公園西側(cè)入口廣場設(shè)為對照點(CK)，對照點(CK)選擇沒有任何喬、灌、草覆蓋，且無建筑物遮光影響的硬質(zhì)鋪裝空地，不同植被配置及對照點(CK)監(jiān)測空氣溫度、相對濕度、平均風(fēng)速、空氣顆粒物質(zhì)量濃度、空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度及噪音等監(jiān)測指標(biāo)(表1)。

表1 樣地植被概況

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測方法

于2020年7-8月，參照中國環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)選取晴天，晴轉(zhuǎn)多云為主的天氣，共計10 d。監(jiān)測時段7:00-19:00，每小時監(jiān)測1次，每次進(jìn)行3個重復(fù)，監(jiān)測高度為人體呼吸高度1.3～1.5 m處。

2.3 人體舒適度監(jiān)測

采用Kestrel 4500手持自動氣象儀監(jiān)測各點的平均溫度、相對濕度及平均風(fēng)速等氣象因子，選用我國氣象臺所用的人體舒適度公式ICHB，全面考慮平均溫度、平均風(fēng)速、相對濕度3個極顯著影響的指標(biāo)進(jìn)行描述，綜合舒適度指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析(表2)，舒適度指數(shù)計算公式如下：

表2 我國人體舒適度指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

式中：t為平均溫度，℃；HR為相對濕度，%；v為平均風(fēng)速，m/s。

2.4 空氣顆粒物監(jiān)測

采用Turnkey儀器公司生產(chǎn)的Dustmate粉塵監(jiān)測儀監(jiān)測TSP(總懸浮顆粒物)、PM10、PM2.5及PM1.04種空氣顆粒物質(zhì)量濃度，分辨率為0.001 μg/m3，測量范圍為0～6 000 μg/m3，同時依據(jù)2012年我國最新發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)(表3)，由于其暫時只有TSP、PM10、PM2.53種粒徑空氣顆粒物質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)，對敕勒川公園內(nèi)TSP、PM10、PM2.53種粒徑空氣顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行評價。

表3 空氣顆粒物日均質(zhì)量濃度清潔度評價標(biāo)準(zhǔn)

2.5 空氣負(fù)離子監(jiān)測

采用AIC-1000空氣負(fù)離子儀對空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測，同時參考石強等[10]2002年在《中國環(huán)境科學(xué)》中提出的負(fù)離子質(zhì)量濃度6級評級標(biāo)準(zhǔn)(表4)，對敕勒川公園內(nèi)負(fù)離子質(zhì)量濃度進(jìn)行評價。

表4 6級空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度評級標(biāo)準(zhǔn)

2.6 噪音監(jiān)測

采用TES-1350A噪音儀監(jiān)測，分辨率0.1 dB，監(jiān)測范圍35～130 dB，根據(jù)城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)(表5)，對公園內(nèi)噪音進(jìn)行評價。

表5 城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)(GB 3096-93)

2.7 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS25.0與Origin2019軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析及圖表制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫濕度變化規(guī)律

由圖1可知，各監(jiān)測點溫度日變化呈現(xiàn)先上升，后下降的變化趨勢。7:00為最低值，13:00出現(xiàn)最高值，與對照點(CK)相比公園內(nèi)各監(jiān)測點溫度平均降低1.3 ℃，空氣相對濕度增加10.7%；在監(jiān)測時段內(nèi)，公園內(nèi)各監(jiān)測點平均降溫能力在7:00與10:00較好，13:00之后降溫能力逐漸下降，18:00監(jiān)測點平均溫度與對照點(CK)相比降低1.1%。公園內(nèi)各監(jiān)測點日平均溫度排序為S3>S5>S2>S4>S1>CK，這可能是由于葉片能遮擋大面積陽光，隨著太陽逐漸上升，綠化覆蓋度較小的對照點(CK)升溫最快，相比之下植物覆蓋密集區(qū)域升溫緩慢。

各監(jiān)測點空氣濕度日變化趨勢與溫度有所差異，呈先下降，后上升的變化趨勢，7:00為最高值，13:00-16:00出現(xiàn)最低值。各監(jiān)測點與對照點(CK)相比增濕能力在7:00最好，相對濕度增加18%，而在12:00平均增濕能力表現(xiàn)不佳，僅增加7.4%。各監(jiān)測點日平均濕度排序為S4>S3>S5>S2>S1>CK，S4平均濕度最高可能是由于其灌木密度大，土壤大部分被完全遮蓋導(dǎo)致葉片與土壤水分蒸發(fā)較緩慢，因而平均濕度大于其他監(jiān)測點。

3.2 人體舒適度日變化規(guī)律

由圖2可知，各監(jiān)測點ICHB值在60～70，人體感受度在Ⅵ范圍內(nèi)，整體趨勢趨于平穩(wěn)。7:00所有監(jiān)測點人體感受度均為較舒適，人體感受度處于Ⅴ等級范圍，8:00后各監(jiān)測點ICHB值雖然有升高趨勢，但整體上趨于平穩(wěn)，除S4在17:00出現(xiàn)人體感受度為較熱，說明不適合長時間逗留，人體感受度處于Ⅶ等級范圍，其余監(jiān)測點整體上表現(xiàn)為偏熱，人體感受度均處于Ⅵ等級范圍，這可能是由于溫度逐漸升高，濕度呈下降趨勢所導(dǎo)致[11-12]。對照點(CK)在7:00-12:00處于較舒適狀態(tài)，人體感受度處于Ⅴ等級范圍，這可能是由于上午溫度相對偏低，開闊地帶風(fēng)速較大，說明該時段利于人們進(jìn)行游憩活動，13:00-19:00對照點(CK)處于偏熱狀態(tài)，人體感受度處于Ⅵ等級范圍，說明在無樹木遮擋的情況下該時段不適合進(jìn)行長時間活動。公園內(nèi)各監(jiān)測點在監(jiān)測時段內(nèi)平均舒適時長表現(xiàn)為S2>CK>S3>S1>S5>S4，S2平均舒適時間最長，達(dá)3.9 h，集中在7:00-10:00，S4平均舒適時間最短為2.1 h，建議在夏季盡量選擇S2的區(qū)域進(jìn)行游憩活動。

3.3 空氣顆粒物質(zhì)量濃度日變化規(guī)律

3.3.1 空氣顆粒物質(zhì)量濃度日變化 由圖3可知，TSP與PM10質(zhì)量濃度日變化呈現(xiàn)波動狀態(tài)，7:00-8:00與18:00-19:00出現(xiàn)監(jiān)測時段較高值，14:00出現(xiàn)監(jiān)測時段內(nèi)較低值；PM2.5與PM1.0質(zhì)量濃度日變化表現(xiàn)出一定的協(xié)同性，監(jiān)測數(shù)值變化幅度不大，7:00-8:00與11:00-12:00出現(xiàn)監(jiān)測時段內(nèi)較高值，14:00以后變化趨勢平緩，17:00出現(xiàn)監(jiān)測時段內(nèi)最低值。監(jiān)測時段內(nèi)3種不同粒徑空氣顆粒物質(zhì)量濃度均能達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，說明在監(jiān)測時段內(nèi)空氣質(zhì)量優(yōu)良，這可能是夏季太陽活動頻繁，植物處于生理活動最佳且生長穩(wěn)定的狀態(tài)，吸附顆粒物的效果明顯[13-16]，并且呼和浩特市多風(fēng)的氣候特征也利于空氣顆粒物的消散，導(dǎo)致污染物質(zhì)量濃度處于較低水平。

3.4 空氣負(fù)離子日變化規(guī)律

由圖4可知，各監(jiān)測點空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度變化大體呈“V”形，7:00-8:00與18:00-19:00出現(xiàn)2個高峰值，12:00-14:00出現(xiàn)最低值?？諝庳?fù)離子質(zhì)量濃度日變化為212.7～763.3 ions·cm-3，7:00-11:00各監(jiān)測點負(fù)離子質(zhì)量濃度均大于對照點(CK)負(fù)離子質(zhì)量濃度，說明上午階段公園內(nèi)空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度明顯高于對照點(CK)，但總體呈現(xiàn)下降趨勢。究其原因，可能是由于溫度升高，濕度降低，光合作用受到抑制，釋放的負(fù)離子數(shù)減少[17-19]，15:00-19:00不同監(jiān)測點空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度為上升趨勢，可能是由于溫度降低，濕度增大，光合作用逐漸增強，負(fù)離子質(zhì)量濃度上升[20-22]。

從監(jiān)測時段公園內(nèi)監(jiān)測點空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度浮動范圍來看，7:00-11:00與14:00-19:00各監(jiān)測點空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度處于允許質(zhì)量濃度水平，處于Ⅴ范圍，表現(xiàn)為對人體健康有利水平，12:00-13:00空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度處于臨界質(zhì)量濃度水平，處于Ⅵ范圍，表現(xiàn)為對人體健康不利水平；7:00-15:00對照點(CK)空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度處于臨界質(zhì)量濃度水平，處于Ⅵ范圍，表現(xiàn)為對人體健康不利水平，16:00-19:00對照點(CK)空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度達(dá)到允許質(zhì)量濃度水平，處于Ⅴ范圍，表現(xiàn)為對人體健康有利水平。從各監(jiān)測點空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度日均值來看，表現(xiàn)為S5>S1>S2>S4>S3>CK，說明復(fù)層及單層植被配置結(jié)構(gòu)綠地均有利于空氣負(fù)離子的產(chǎn)生。

3.5 噪音日變化規(guī)律

由圖5可知，各監(jiān)測點噪音日變化呈現(xiàn)“兩端高，中間低”的變化趨勢，7:00-9:00與18:00-19:00分別出現(xiàn)監(jiān)測時段內(nèi)較高值，13:00表現(xiàn)為最低值。究其原因，可能是由于周邊居民活動時段以及上下班高峰期有關(guān)。根據(jù)城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)(GB 3096-93)，監(jiān)測時段內(nèi)S3達(dá)到Ⅱ類，其他監(jiān)測點均達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，8:00-9:00對照點(CK)噪音分貝達(dá)到Ⅳ類，其他監(jiān)測時段均為到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，可能是由于居民在此處進(jìn)行鍛煉等休閑娛樂活動有關(guān)。各植被類型平均噪音表現(xiàn)為S3>CK>S2>S4>S5>S1，S3平均噪音分貝最高，可能是由于其植被配置簡單，林下空間通透，對噪音的阻擋作用小，其余監(jiān)測點平均噪音均小于對照點(CK)，這可能是由于植物葉片能反射和吸收聲波，能有效降低噪音污染，說明公園內(nèi)減噪能力整體上較好，適合開展日?；顒?。

3.6 不同表征因子相關(guān)性分析及主成分分析

3.6.1 相關(guān)性分析 由表6可知，通過對人體舒適度與其他因子的相關(guān)性分析，可以初步判斷除平均溫度、相對濕度、平均風(fēng)速極顯著影響人體舒適度外，TSP質(zhì)量濃度、PM10質(zhì)量濃度、噪音和氣壓也是顯著影響人體舒適度的氣象因子(P<0.05)。氣壓極顯著影響人體舒適度(P<0.01)，究其原因，可能是由于氣壓極顯著影響濕度，氣壓升高濕度增加，人體感受不佳，進(jìn)而影響人體舒適度；氣壓與PM2.5質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān)，與PM10、PM1.0呈顯著正相關(guān)，說明監(jiān)測時段氣壓不利于空氣顆粒物的消散稀釋，同時由于高氣壓下，氣流從高壓流向低壓，氣流為下沉氣流，靠近地面的空氣密度變大導(dǎo)致空氣顆粒物的密度變大，顆粒物難以擴散從而導(dǎo)致其質(zhì)量濃度上升；負(fù)離子質(zhì)量濃度與平均溫度及平均風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，可能是平均溫度影響植物光合作用產(chǎn)生負(fù)離子，從而影響負(fù)離子的產(chǎn)生，平均風(fēng)速越大越促進(jìn)負(fù)離子消散，負(fù)離子質(zhì)量濃度與小粒徑顆粒物質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，可能是負(fù)離子小粒徑顆粒物相吸附導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量濃度下降[20-21]；噪音與平均溫度風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，與相對濕度呈顯著正相關(guān)。

表6 各因子間相關(guān)性

3.6.2 主成分分析 對人體舒適度指數(shù)、TSP質(zhì)量濃度、PM10質(zhì)量濃度等11個數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率為94.429%(表7)，故提取主成分并得出初始因子載荷表(表8)和各個主成分對應(yīng)的特征值。計算11個生態(tài)因子的綜合得分并進(jìn)行排名，計算各主成分表達(dá)式：

表7 方差分解主成分提取

y1=0.120 94x1+0.039 58x2+0.231 77x3+0.314 90x4+0.365 03x5-0.334 24x6+0.426 17x7+0.308 30x8+0.038 70x9-0.419 13x10-0.363 71x11

(1)

y2=0.109 51x1+0.433 20x2+0.328 53x3+0.303 02x4+0.098 96x5+0.136 34x6-0.066 41x7-0.304 34x8+0.357 99x9-0.002 64x10+0.234 41x11

(2)

y3=0.736 37x1-0.011 22x2-0.028 06x3+0.088 99x4-0.003 21x5+0.431 30x6-0.123 46x7-0.064 31x8-0.435 31x9-0.206 83x10-0.103 42x11

(3)

式中：y1、y2、y3為主成分1、2、3得分；x1～x11分別為因子人體舒適度指數(shù)、TSP、PM10、PM2.5、PM1.0、平均溫度、相對濕度、負(fù)離子質(zhì)量濃度、噪音、平均風(fēng)速及氣壓的原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值；根據(jù)主成分1、2、3初始特征值的方差貢獻(xiàn)率計算綜合得分，表達(dá)式為：y=0.470 01y1+0.332 79y2+0.141 50y3。

根據(jù)表8可知，第1主成分中，對公園綠地環(huán)境效應(yīng)影響較大的為濕度、PM2.5、PM1.0，其中相對濕度的值最大，為第1主成分影響環(huán)境效應(yīng)的主要因素；第2主成分中TPS、噪音、PM10較高，其中TSP的值最大，為第2主成分影響環(huán)境效應(yīng)的主要因素；第3主成分中人體舒適度、平均溫度、PM2.5較高，其中人體舒適度的值最大，為第3主成分影響環(huán)境效應(yīng)的主要因素，這說明影響環(huán)境效應(yīng)的主要因素為小氣候及空氣顆粒物質(zhì)量濃度。主成分得分可綜合反映各影響因素對環(huán)境效應(yīng)的綜合作用，從5個監(jiān)測點及對照點(CK)的環(huán)境效應(yīng)總得分排序中可以看出，S4綜合得分最高，為1.61，環(huán)境效應(yīng)最高；其次是S3、S5，綜合得分分別為1.16和0.21，說明結(jié)構(gòu)復(fù)雜、郁閉度高的植被配置類型環(huán)境效應(yīng)高。

表8 初始因子成分矩陣

表9 主成分得分和綜合得分

4 結(jié)論與討論

通過對敕勒川公園不同植被配置夏季環(huán)境效應(yīng)評價可知，與對照點(CK)相比公園內(nèi)各監(jiān)測點均有明顯的降溫增濕的作用，7:00-10:00公園內(nèi)各監(jiān)測點氣候較舒適，處于V級別；監(jiān)測時段內(nèi)S5空氣顆粒物及負(fù)離子日平均質(zhì)量濃度最利于人體健康；監(jiān)測時段內(nèi)S1噪音分貝最低?？傮w來講，S4的夏季環(huán)境效應(yīng)最高，其次是S3、S5，說明層次復(fù)雜、郁閉度高的植被配置類型環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)較高。

城市公園不同植被配置平均降溫增濕能力在早上最好，這與大多學(xué)者研究結(jié)果基本保持一致[1-2,4]，其中S3高郁閉度降溫增濕能力最好，這可能是由于監(jiān)測點郁閉度大，葉片覆蓋率高，溫度上升緩慢并且植物于土壤的水分蒸發(fā)慢。不同配置類型的人體舒適度日變化呈先上升后下降的變化趨勢，夏季S2舒適時間最長，S4舒適時間相對較短，這與大多學(xué)者的研究結(jié)果一致[1-2]。公園中的TSP與PM10質(zhì)量濃度日變化趨勢呈現(xiàn)波動狀態(tài)，PM2.5與PM1.0質(zhì)量濃度日變化趨勢基本相同，空氣顆粒物質(zhì)量濃度基本為早晚高，這與部分學(xué)者研究結(jié)果相似[6,9,13]，這可能由于相對濕度較大不利于空氣顆粒物的消散沉降，并且與早晚上下班人流高峰期有關(guān)?？傮w來講，監(jiān)測時段空氣顆粒物質(zhì)量濃度均達(dá)到國家Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，這可能與呼和浩特市的干燥多風(fēng)的自然氣候和城市公園豐富的植被有關(guān)，利于空氣顆粒物的消散。公園內(nèi)的空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度呈早晚出現(xiàn)峰值，喬灌配置類型相對有利于空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度的增加改善空氣質(zhì)量，這與部分學(xué)者的研究結(jié)果相似[17-18,20]，但峰值的出現(xiàn)時間有所差異，這可能與監(jiān)測時段和監(jiān)測頻率不同有關(guān)，監(jiān)測時段公園內(nèi)空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度整體偏低，這可能與公園處于居住區(qū)附近，周圍建筑物多人口較密集有關(guān)，導(dǎo)致空氣負(fù)離子消耗較大。公園內(nèi)噪音日變化呈現(xiàn)早晚高的趨勢，這與大多學(xué)者的研究結(jié)果一致[1,3]，總體達(dá)到一類水平，S1噪音分貝最低，但S3平均噪音分貝明顯高于其他監(jiān)測點，這可能是由于配置類型單一，林下空間通透，聲波在此高度阻擋少所導(dǎo)致。

目前，本研究只對敕勒川公園不同配置類型的人體舒適度、空氣顆粒物、空氣負(fù)離子、噪音在居民游憩時段進(jìn)行監(jiān)測研究，今后可對城市公園綠地環(huán)境效應(yīng)晝夜變化規(guī)律及影響因素深入研究，為干旱半干旱地區(qū)城市公園綠地建設(shè)規(guī)劃以及營造宜居環(huán)境提供科學(xué)理論依據(jù)。