城市綠地春季潛在花粉污染風(fēng)險評估*

周江鴻 夏 菲 車少臣 李新宇 李 潔 劉育儉 張 卉 葉彩華 尤煥苓

1 北京市園林綠化科學(xué)研究院 北京 100102 2 北京市頤和園管理處 北京 100091 3 北京市天壇公園管理處 北京 100061 4 北京市氣象服務(wù)中心 北京 100089

園林植物是城市中有生命的綠色生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著改善城市生態(tài)環(huán)境、維護(hù)公眾健康和優(yōu)化人居環(huán)境等重要功能，然而有些植物的花粉卻含有特殊的抗原蛋白，能夠誘發(fā)人體的過敏性反應(yīng)(俗稱花粉癥)[1-3]，在許多國家已經(jīng)成為一種季節(jié)性流行病，嚴(yán)重危害人體健康[4-5]，因此許多研究者建議將致敏花粉作為一種植物源性空氣污染物進(jìn)行治理[6-7]?；ǚ畚廴驹u價是花粉污染研究的重要內(nèi)容，也是正確認(rèn)識和處理花粉污染問題的前提條件。廖鳳林[8]提出了致敏花粉種類含量評價法、空氣花粉污染指數(shù)評價法和花粉癥發(fā)病率評價法，前兩種方法均是基于已建成綠地的逐日空氣花粉監(jiān)測數(shù)據(jù)，而第3種方法則是基于醫(yī)院門診數(shù)據(jù)或市民的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)。但是這3種方法均無法在規(guī)劃設(shè)計階段對新建綠地的潛在花粉污染風(fēng)險進(jìn)行評估。

影響空氣中花粉含量的因素包括植被因素、地理因素和氣候因素等[9-10]，其中植被因素是決定性因素，特別是產(chǎn)生氣傳致敏花粉的高大喬木，其生長緩慢、生命周期長，一旦種植，幾十年甚至幾百年都不會改變，對空氣中花粉含量的影響是穩(wěn)定的、持久的。因此，加強園林綠地規(guī)劃設(shè)計方案的審核把關(guān)，強化源頭管控，嚴(yán)格限制在城市新建綠地中大量使用致敏花粉源樹木，才能逐步解決花粉過敏的問題，但如何根據(jù)園林綠地規(guī)劃設(shè)計方案中的植被組成情況對花粉污染風(fēng)險進(jìn)行評估尚未見報道。

本研究利用6臺孢子捕捉儀連續(xù)3年(2019—2021年)對北京市3個主城區(qū)空氣中的花粉種類和濃度進(jìn)行監(jiān)測，分析不同樹種的種植密度與其最大日花粉濃度之間的關(guān)系，建立根據(jù)綠地植被組成對其潛在的花粉污染風(fēng)險進(jìn)行評估的數(shù)學(xué)模型，對于建設(shè)和諧宜居的城市綠地環(huán)境具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 花粉樣品采集

本研 究 針 對 柏 科(Cupressaceae)、榆 科(Ulmaceae)、楊屬(Populus)、柳屬(Salix)、白蠟屬(Fraxinus)、銀杏科(Ginkgoaceae)、松科(Pinaceae)和?？?Moraceae)8類風(fēng)媒花喬木，使用英國Burkard公司生產(chǎn)的HIRST型孢子捕捉儀進(jìn)行花粉樣品采集；分別在頤和園(海淀區(qū))、天壇公園(東城區(qū))和北京市園林綠化科學(xué)研究院(朝陽區(qū))的不同位置各設(shè)置2臺HIRST型孢子捕捉儀，于2019—2021年連續(xù)3年對春季空氣中的逐日花粉濃度和種類進(jìn)行監(jiān)測，采用Cressington 108auto離子濺射儀和Phenom ProX臺式掃描電鏡進(jìn)行樣品制備和觀察[11]。

1.2 花粉濃度計算

HIRST型孢子捕捉儀進(jìn)氣孔長14 mm，寬2 mm，每小時轉(zhuǎn)動2 mm，每小時采樣區(qū)域面積為28 mm2；計算每立方米空氣中花粉總濃度的公式為:

式(1)中，N為空氣中花粉總濃度，A為每平方毫米計數(shù)點內(nèi)的花粉個數(shù)[11-12]。

在5 KV電壓、250倍放大倍數(shù)下，每視野面積約為1 mm2，統(tǒng)計1 mm2視野內(nèi)的花粉數(shù)目，每小時采樣區(qū)域統(tǒng)計3個視野，以一天中所有測量值的平均值作為當(dāng)日花粉總濃度。每視野內(nèi)選取10?；ǚ?，放大至6000倍左右，測量其大小，觀測其形狀、極面和赤道面的表面紋飾、萌發(fā)溝或萌發(fā)孔的數(shù)量及形態(tài)，參照《中國木本植物花粉電鏡掃描圖志》和《北京常見植物花粉圖鑒》等[13-16]確定花粉種類。由于同科或同屬不同樹種的花粉形態(tài)具有很高的相似性，種類鑒定時將其歸為一類，如將所有柏科樹木花粉歸為柏樹花粉、將所有松科樹木花粉歸為松樹花粉、將所有楊屬樹木花粉歸為楊樹花粉，計算當(dāng)日每類花粉所占的比例，再結(jié)合空氣中日花粉總濃度，最后得到某類樹木的日花粉濃度。計算公式如下:

1.3 花粉污染風(fēng)險評估

以某類花粉濃度最高的一天作為該類樹木的盛花期，以該日的花粉濃度對其花粉污染風(fēng)險進(jìn)行評價?？諝庵袠淠净ǚ蹪舛戎饕c采樣點附近的樹木種類和種植密度有關(guān)，但也受氣象因子(如溫度、光照、降雨、風(fēng)力和風(fēng)向等)的影響。為了消除這些氣象因素的影響，本研究采用連續(xù)3年3個研究區(qū)域6臺孢子捕捉儀所獲取的8類風(fēng)媒花喬木花粉濃度數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行回歸分析。統(tǒng)計各研究區(qū)域內(nèi)不同樹種的數(shù)量，根據(jù)各區(qū)域的面積計算各樹種的種植密度(株·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用IBM SPSS Statistics 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以某類樹木的最大日花粉濃度為因變量(Y)，以該類樹木的種植密度為自變量(X)，選擇“輸入(強迫引入)”方法進(jìn)行線性回歸分析，建立評價模型，再根據(jù)該類樹木的種植密度對其在盛花期可能產(chǎn)生的最大花粉污染風(fēng)險進(jìn)行定量評估。

樹木氣傳花粉濃度(污染風(fēng)險)等級的劃分參照美國國家過敏癥研究總署的樹木花粉濃度劃分標(biāo)準(zhǔn)[17](表1)。

表1 樹木氣傳花粉濃度(污染風(fēng)險)等級

2 結(jié)果與分析

2.1 2019—2021年春季不同樹木的最大日花粉濃度

由表2可知:2019—2021年3—4月，頤和園的?？啤乜坪土鴮贅淠镜淖畲笕栈ǚ蹪舛绕骄捣謩e為1205.51、436.34、205.44?！-3，屬于高濃度等級；楊屬、白蠟屬、銀杏科和松科樹木的最大日花粉濃度平均值在15～89?！-3，屬于中濃度等級；榆科樹木最大日花粉濃度平均值低于14?！-3，屬于低濃度等級。

2019—2021年3 —4月，天壇公園的柏科樹木的最大日花粉濃度平均值為1249.43?！-3，其中2019年和2020年柏樹最大日花粉濃度均超過1500?！-3，達(dá)到極高濃度等級；?？茦淠咀畲笕栈ǚ蹪舛绕骄禐?8.67?！-3，屬于高濃度等級；其余樹木的最大日花粉濃度平均值均在15～89粒·m-3，屬于中濃度等級(表2)。

2019—2021年3 —4月，北京市園林綠化科學(xué)研究院的柳屬、桑科樹木和銀杏的最大日花粉濃度平均值分別為238.48?！-3、104.75?！-3和90.21粒·m-3，屬于高濃度等級；其余樹木的最大日花粉濃度平均值均在15～89?！-3，屬于中濃度等級(表2)。

2.2 各研究區(qū)域不同樹木的種植密度

頤和園是我國現(xiàn)存最大的古典皇家園林，全園總面積290 hm2，現(xiàn)有常綠喬木10種，2.2萬株；落葉喬木82種，1.3萬株。萬壽山前山以側(cè)柏和圓柏為主，后山則以松樹為主；昆明湖沿岸種植了大量桃樹和柳樹[18]。由表3可知:頤和園中柏樹的種植密度最高，為47.03株·hm-2；其次是柳樹，為12.19株·hm-2；第3是松樹，為11.68·hm-2；楊樹和榆科樹木的種植密度均為2.61株·hm-2；?？茦淠尽紫灪豌y杏的種植密度分別為1.40、0.66、0.23株·hm-2(表3)。

表3 3個研究區(qū)域產(chǎn)生氣傳花粉樹種的種植密度株·hm-2

天壇公園是我國保存最為完整的祭壇園林，全園總面積273 hm2。為了從整體上營造靜謐、肅穆、莊重的祭祀氛圍，自明清時期壇域內(nèi)便廣泛種植柏樹和松樹，樹木總數(shù)達(dá)5.6萬余株，其中側(cè)柏1.1萬株、檜柏2.0萬株、松樹0.4萬株[19]。從表3可知，天壇公園8類喬木樹種種植密度為柏樹＞松樹＞銀杏＞楊樹＞柳樹＞榆科＞白蠟＞?？啤?/p>

北京市園林綠化科學(xué)研究院總面積14.16 hm2，設(shè)有城市綠地生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)觀測研究站，包含6種典型植物配置群落。8類喬木樹種中銀杏的種植密度最大，為9.82株·hm-2；其次是松樹，為9.75株·hm-2；榆科樹木的種植密度最小，為0.14株·hm-2(表3)。

2.3 不同樹木種植密度與最大日花粉濃度的回歸分析

根據(jù)8類樹木最大日花粉濃度與種植密度的回歸方程(表4)，當(dāng)柏科、榆科、楊屬、柳屬、白蠟屬、銀杏科、松科和?？茦淠镜姆N植密度分別超過8.28、15.35、7.00、2.63、0.86、9.77、41.00、0.28株·hm-2時，各類樹木的最大日花粉濃度就可能超過90?！-3，達(dá)到高污染風(fēng)險等級；當(dāng)柏科、榆科、楊屬、柳屬、白蠟屬、銀杏科、松科和?？茦淠镜姆N植密度分別超過143.08、256.79、118.64、44.82、14.40、172.21、706.09、4.73株·hm-2時，各類樹木的最大日花粉濃度就可能超過1500?！-3，達(dá)到極高污染風(fēng)險等級。

表4 不同樹木最大日花粉濃度(Y)與種植密度(X)的線性回歸方程

北京地區(qū)榆科、柏科和楊屬樹木的花期重疊，盛花期均在3月15—25日，但新建綠地中很少有榆科樹木栽植，因而此階段的花粉污染風(fēng)險評估只需考慮柏科和楊屬樹木，其花粉污染風(fēng)險評估模型為:Y＝4.99＋10.46X1＋12.63X2(X1＝柏樹種植密度、X2＝楊樹種植密度，P＜0.05)，當(dāng)柏樹和楊樹的種植密度分別小于4.06株·hm-2和3.37株·hm-2，就能將3月15—25日期間的最大日花粉濃度控制在中低污染風(fēng)險等級。

盛花期在3月25—31日的只有柳樹，其花粉污染風(fēng)險評估模型為:Y＝2.22＋33.42X(X＝柳樹種植密度，P＜0.05)。

白蠟和銀杏的盛花期均在4月1—15日，其花粉污染風(fēng)險評估模型為:Y＝5.49＋104.14X1＋8.68X2(X1＝白蠟種植密度、X2＝銀杏種植密度，P＜0.05)，當(dāng)白蠟和銀杏的種植密度分別小于0.41株·hm-2和4.87株·hm-2，就能將4月1—15日期間的最大日花粉濃度控制在中低污染風(fēng)險等級。

松科和桑科樹木的花期重疊，盛花期均在4月15—30日，但新建綠地中很少有?？茦淠驹灾玻浠ǚ畚廴撅L(fēng)險評估模型為:Y＝3.08＋2.12 X(X＝松樹種植密度，P＜0.05)。

3 討論

花粉污染程度與空氣中花粉種類和濃度密切相關(guān)，其主要影響因素是綠地的植被組成。不同樹種開花量不同、同一樹種不同植株開花量不同、同一植株不同年份開花量也不同。春季開花的風(fēng)媒花樹木的花期較短，一般在7～10天左右，且要經(jīng)歷始花期、盛花期和未花期，其中盛花期產(chǎn)生的花粉數(shù)量最多，對過敏人群的影響最大；其花粉粒較小，一般直徑在10～30 μm，一個花藥中的花粉量約有數(shù)千粒以上[20-22]。因此，要準(zhǔn)確測算一株風(fēng)媒花樹木所產(chǎn)生花粉的數(shù)量是難以實現(xiàn)的，但根據(jù)不同樹種的種植密度和空氣中最大花粉濃度，對各樹種在盛花期時單株可產(chǎn)生的最大花粉濃度進(jìn)行估算是可行的。因此，利用本研究結(jié)果能夠僅根據(jù)新建綠地的樹種組成對其潛在花粉污染風(fēng)險進(jìn)行評估。

隨著北京城市綠化率的不斷提高，空氣中花粉濃度和種類研究很難排除研究區(qū)域外樹木花粉的影響。研究表明，雖然氣傳花粉的水平飛散距離很遠(yuǎn)，但在距離開花植物50 m以外濃度會急劇下降[5]。本研究的3個采樣點中，頤和園和天壇公園面積均超過200 hm2，公園中心區(qū)域空氣中的花粉濃度受周邊綠地影響較小。因此，利用本研究結(jié)果進(jìn)行花粉污染風(fēng)險評估時，綠地面積在100 hm2以上才能有效避免評估結(jié)果受到周邊綠地的影響。

北京城市綠化建設(shè)所應(yīng)用的喬木集中在少數(shù)常用樹種，10大綠化骨干喬木中側(cè)柏、圓柏、楊樹、柳樹、油松、銀杏和白蠟的栽植數(shù)量約占喬木總量的40%左右[23-25]，說明花粉致敏樹種的種類和數(shù)量較多，分布較廣。為了最大程度地減少致敏花粉對市民工作和生活的影響，全面提升城市綠地服務(wù)群眾的能力和水平，城市綠化建設(shè)要堅持以人為本，把適地適樹、生態(tài)文明、安全保健等科學(xué)觀念融入樹種選擇和配置過程中[26]；加強對綠地規(guī)劃設(shè)計方案的審核把關(guān)，強化源頭管控，在人員活動密集場所，如居民區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、廣場等，盡量減少白蠟、楊樹、柳樹和柏樹的栽植數(shù)量；適度增加松樹的使用量，滿足冬季對常綠樹種的需求；同時多使用蟲媒花喬木樹種，如糠椴、楸樹、文冠果、稠李、絲棉木和毛梾木等，不僅可以滿足人們春季踏青賞花的需求，也能為蜜蜂和天敵昆蟲提供食物，提高城市綠地的生物多樣性指數(shù)，從而增加城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促進(jìn)城市林業(yè)健康發(fā)展。

4 結(jié)論

種植密度與最大日花粉濃度間的回歸系數(shù)可以反映樹木單株所產(chǎn)生花粉量的大小，北京地區(qū)8類風(fēng)媒花喬木單株最大日花粉量的大小順序為:?？疲景紫瀸伲玖鴮伲緱顚伲景乜疲俱y杏科＞榆科＞松科。

不同樹木的盛花期不同，花粉污染風(fēng)險評估應(yīng)分不同階段進(jìn)行，盛花期重疊的不同樹木對空氣中花粉濃度的影響具有加和效應(yīng)。新建綠地中柏樹、楊樹、柳樹、白蠟、銀杏和松樹的種植密度 分 別 小 于4.06、3.37、2.63、0.41、4.87、41.00株·hm-2時，可以將該時段的最大日花粉濃度控制在中低污染風(fēng)險等級。