公園綠地和廣場空氣顆粒物濃度對比及影響因素研究

王 森 李恩正 薛登高 邱 玲 高 天

WANG Sen LI Enzheng XUE Denggao QIU Lin* GAO Tian*

（西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，楊凌 712100）

( College Of Landscape Architecture And Art, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi, China, 712100 )

大氣污染是中國城市環(huán)境面臨的嚴(yán)峻問題之一，場地尺度的污染防治面臨巨大壓力。一些研究認(rèn)為城市綠地對改善空氣質(zhì)量具有重要作用，然而也有部分研究提出了質(zhì)疑，認(rèn)為綠地植被加劇了空氣污染。鑒于結(jié)論的不一致性，選擇西安地區(qū)公園綠地丹楓園和緊鄰的開敞廣場作為研究對象，開展對比分析，采用更高的時間分辨率,對距道路不同水平距離的顆粒物濃度和氣象因子進(jìn)行為期一周的連續(xù)監(jiān)測，分析其時空變化規(guī)律和影響因素。結(jié)果表明：（1）溫度、氣壓、濕度和風(fēng)速對PM2.5和PM10濃度均有顯著影響，濕度和風(fēng)速對顆粒物的影響存在閾值，濕度閾值為70%，風(fēng)速閾值為1.8 m·s-1，顆粒物濃度隨著濕度和風(fēng)速的增大而升高，濕度和風(fēng)速超過閾值時，顆粒物濃度逐漸降低，但廣場風(fēng)速超過閾值時，廣場PM10濃度繼續(xù)升高。（2）顆粒物濃度日變化呈“峰谷型”，6點(diǎn)至8點(diǎn)，19點(diǎn)至24點(diǎn)顆粒物濃度較高，樣地內(nèi)顆粒物濃度隨水平距離增加而升高，綠地內(nèi)顆粒物濃度低于廣場。10點(diǎn)至18點(diǎn)顆粒物濃度較低，顆粒物濃度隨距離增加而降低，綠地內(nèi)顆粒物濃度高于廣場。（3）對比硬質(zhì)廣場，綠地能有效削弱顆粒物濃度峰值和PM10濃度。結(jié)果表明綠地主要通過影響綠地風(fēng)速和濕度等氣象因子，調(diào)控顆粒物的擴(kuò)散和沉降，可以有效阻滯和清除顆粒物，特別是粗顆粒物。研究結(jié)果能為以改善空氣質(zhì)量為目標(biāo)的公園綠地設(shè)計提供理論依據(jù)。

公園綠地；顆粒物；時間變化；空間分布；氣象因子

頻發(fā)的霧霾事件，使人們對空氣污染的關(guān)注與認(rèn)識不斷提高?？諝馕廴緦θ梭w產(chǎn)生危害，主要在于影響心腦血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)而增加死亡率，污染的空氣嚴(yán)重影響人們的生活和健康[1]。2021年3月全國兩會表決通過的“十四五”規(guī)劃也再次強(qiáng)調(diào)“持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，深入開展污染防治行動，堅持源頭防治、綜合施策”[2]。目前防治污染相關(guān)研究主要有兩方面：（1）來源解析，控制排放源，減少顆粒物的產(chǎn)生[3]，現(xiàn)有研究表明城市空氣污染的主要來源是道路交通[4]；（2）尋找可以通過吸收、滯留、控制傳播等機(jī)制降低大氣顆粒物濃度的路徑[5-7]。公園綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅發(fā)揮緩解熱島效應(yīng)、保護(hù)生物多樣性、心理減壓等作用[8]，也被認(rèn)為是消減大氣顆粒物，改善空氣質(zhì)量的有效路徑。

目前公園綠地滯塵的研究主要圍繞不同植物群落的滯塵能力和影響因素。有些學(xué)者認(rèn)為喬灌草復(fù)合型綠地滯塵能力強(qiáng)，綠地內(nèi)顆粒物濃度低于無植被覆蓋的對照點(diǎn)[9]，也有部分學(xué)者的研究結(jié)果相反，路琛等[10]基于融入植被結(jié)構(gòu)因子的生態(tài)單元制圖分類系統(tǒng)，從綠地橫向結(jié)構(gòu)、樹種組成，豎向結(jié)構(gòu)三個維度對綠地進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)所有植被結(jié)構(gòu)類型的綠地顆粒物濃度均高于硬質(zhì)鋪裝。上述研究結(jié)果的不一致，主要原因是將研究樣地視為污染物均勻分布的環(huán)境進(jìn)行對比，忽視了植物群落與對照點(diǎn)相對污染源的空間位置差異。此外，綠地削減顆粒物的能力還與時間氣象因素顯著相關(guān)[11]。氣象條件的周期變化是影響顆粒物濃度周期變化非常重要的因素[12]?，F(xiàn)有結(jié)果較多的分析氣象等因素與顆粒物濃度的相關(guān)性，缺少氣象因子具體取值大小對顆粒物濃度影響作用的定量研究?，F(xiàn)有研究采樣時間通常為白天[13]，采樣時間不連續(xù)，時間分辨率不足以觀察空氣顆粒物和氣象因子更細(xì)的時間變化規(guī)律和空間特征。

因此，本研究選擇西安地區(qū)丹楓園和緊鄰的硬質(zhì)廣場作為研究對象，開展對比研究，采用更高的時間分辨率進(jìn)行為期一周的連續(xù)實地監(jiān)測，監(jiān)測樣地距道路不同水平距離處的顆粒物空間分布特征和時間變化規(guī)律。同時依據(jù)群落結(jié)構(gòu)特征將樣地綠地細(xì)分為閉合綠地和半開敞綠地兩種典型植物群落，探究群落結(jié)構(gòu)對調(diào)控顆粒物的影響，以期為改善空氣質(zhì)量為目標(biāo)的公園綠地規(guī)劃設(shè)計提供參考與借鑒。

1 研究區(qū)概況

陜西省西安市位于東經(jīng)107°24′—109°29′和北緯33°25′—34°27′之間，北臨渭河和黃土高原，南鄰秦嶺，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，受大陸性季風(fēng)氣候影響，冷暖干濕四季分明，年平均氣溫13～13.7℃，年降水量522.4～719.5 mm。研究選擇樣地丹楓園和硬質(zhì)廣場（會展中心廣場），丹楓園面積2.42 hm2，廣場面積1.83 hm2，廣場緊鄰綠地，綠地和廣場面積大小相近，與污染源空間位置相對一致，并且周圍無工廠、建筑工地等其他污染源。廣場空間為硬質(zhì)鋪裝，無其他遮擋，綠地樹種豐富，對比差異顯著，具有典型性和代表性。春季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，樣地南側(cè)神果路為雙向四車道，神果路交通排放和揚(yáng)塵為主要污染源，丹楓園和廣場中間是南北向會展路，會展路為內(nèi)部小路，很少有機(jī)動車輛通過，因此沿著垂直神果路方向設(shè)置6條70 m監(jiān)測樣帶，為消除會展路產(chǎn)生的微弱影響，樣帶1、2、3與樣帶4、5、6距會展路保持一致間距，每條樣帶共15個監(jiān)測點(diǎn)，每個監(jiān)測點(diǎn)之間間隔5 m（圖1）。樣帶1、2、3布置在空曠硬質(zhì)廣場，樣帶4、5、6布置在綠地，綠地主要樹種為雪松（Cedrus deodara）、國槐（Styphnolobium japonicum）、枇杷（Eriobotrya japonica）、紫葉李（Prunus cerasifera f.atropurpure）。綠地依據(jù)郁閉度大小進(jìn)行細(xì)分，樣帶4和樣帶5平均郁閉度為0.872，為閉合綠地，樣帶6平均郁閉度為0.202，為半開敞綠地。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.1 Distribution of monitoring points

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 實地監(jiān)測

研究使用手持式粉塵測量儀（Metone831，美國）和便攜式自動氣象站（kestrel5500，美國）對樣地PM2.5和PM10濃度及氣象因子（溫度、相對濕度、氣壓、風(fēng)速）進(jìn)行同步監(jiān)測，監(jiān)測前對儀器進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)。Metone 831粉塵測量儀采用激光原理對空氣中不同粒徑的顆粒物進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分和計數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)取樣持續(xù)時間為1 min，6 s進(jìn)行一次采樣，標(biāo)準(zhǔn)模式下每分鐘采樣10次，最后結(jié)果為10次的平均值，量程為0～1 000 ug·m-3，分辨率為0.1 ug·m-3。Kestrel5500手持氣象儀溫度的測量范圍為-29～70℃，分辨率為0.1℃，相對濕度的測量范圍為0～100%，分辨率為0.1，氣壓的測量范圍為300～1 100 hpa，分辨率為0.1 hpa，風(fēng)速的測量范圍為0～60 m·s-1，分辨率為0.1 m·s-1。采樣于2021年3月13-17日進(jìn)行，采樣期間無降雨天氣，24小時連續(xù)監(jiān)測，每1 h采集一次數(shù)據(jù)，每天共采集24次，每次采樣6名測試組員同時對6條樣帶進(jìn)行同步監(jiān)測，每臺設(shè)備在同一樣帶監(jiān)測點(diǎn)1到監(jiān)測點(diǎn)15循環(huán)使用，每條樣帶采樣時間不超過20 min。測定高度為人的呼吸高度（距地面1.5 m）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Office Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入與整理，基于SPSS Statistics 26采用方差分析模型檢驗樣地類型和距離、氣象因子和時間對顆粒物濃度的影響，由此得到顆粒物濃度變化的影響因素，并進(jìn)一步分析顆粒物濃度與樣地類型、距離、時間氣象因子的關(guān)系。計算監(jiān)測期內(nèi)三種樣地類型PM2.5和PM10濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；在分析空氣顆粒物濃度與氣象因子的關(guān)系時，采用局部加權(quán)回歸（Loess）擬合方法對污染物濃度和氣象因子進(jìn)行擬合。用R、Origin將結(jié)果制作為可視化圖。

3 結(jié)果與分析

綠地和廣場空間監(jiān)測期內(nèi)，PM2.5的變化范圍為142～448 ug·m-3，PM10的變化范圍為164～722 ug·m-3，溫度的變化范圍為6.9～25.2℃，濕度的變化范圍為40.6%～100%，氣壓的變化范圍為954.3～970.6 hpa，風(fēng)速的變化范圍為0～3.9 m·s-1。方差分析結(jié)果顯示樣地類型、距離、日期、時間和氣象因子均對PM2.5和PM10濃度有顯著影響（表1）。

表1 兩種顆粒物濃度影響因素方差分析結(jié)果Tab.1 ANOVA results for the effect on PM2.5 and PM10 concentration

3.1 綠地和廣場的PM2.5和PM10濃度日變化對比

兩種顆粒物濃度在綠地和硬質(zhì)廣場的日變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)早晚高中午低“峰谷型”特點(diǎn)，夜間顆粒物濃度持續(xù)降低，5點(diǎn)顆粒物濃度最低（圖2）。顆粒物濃度出現(xiàn)早晚峰值主要原因有通勤時間段內(nèi)，交通排放增加導(dǎo)致環(huán)境污染物濃度升高；晚間高污染物濃度持續(xù)時間較長，很可能是因為晚間大氣邊界層下降，氣流不活躍，不利于交通排放擴(kuò)散，污染物形成累積[14]。對比硬質(zhì)廣場，不同時間段內(nèi)綠地削減顆粒物的能力有明顯差異，白天10點(diǎn)至17點(diǎn)時間段內(nèi)，顆粒物濃度總體較低，綠地內(nèi)顆粒物濃度高于廣場，6點(diǎn)至8點(diǎn)、18點(diǎn)至次日凌晨4點(diǎn)，顆粒物濃度總體較高，綠地內(nèi)顆粒物濃度低于廣場。

圖2 綠地與廣場中PM2.5和PM10濃度的日變化Fig.2 Diurnal variation of PM2.5 and PM10 concentration in green space and square

3.2 氣象因子對綠地和廣場PM2.5和PM10濃度的影響

風(fēng)速、氣壓、溫度對PM2.5和PM10均有極顯著影響（P＜0.01），濕度對PM2.5也有極顯著影響（P＜0.01），對PM10具有顯著影響（P＜0.05）。擬合結(jié)果如圖3所示：（1）當(dāng)溫度取值大小為18℃，氣壓取值大小為958 hpa，濕度小于62%，風(fēng)速小于0.5 m·s-1接近于0點(diǎn)（黑色豎向參考線），擬合曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，顆粒物濃度較高或呈降低趨勢，根據(jù)氣象因子日變化（圖4）可知，以上氣象因子取值大小對應(yīng)時間為18點(diǎn)、19點(diǎn)前后，晚高峰造成顆粒物濃度較高，需要排除此因素對擬合曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的干擾。（2）當(dāng)風(fēng)速取值大小超過1.8 m·s-1（紫色豎向參考線），廣場PM2.5、綠地PM10、綠地PM2.5濃度隨著風(fēng)速增大而減小，但PM10濃度隨著風(fēng)速增大而升高。（3）當(dāng)濕度取值大小為70%附近，廣場PM10濃度隨濕度增加呈顯著下降趨勢，其他顆粒物濃度與濕度擬合曲線斜率減小。

圖3 氣象因子對PM2.5和PM10的影響Fig.3 Relationship between meteorological factors and particulate matter

3.3 樣地類型對PM2.5和PM10濃度的影響

PM10濃度在三種樣地具有顯著差異（圖5），三種樣地PM10濃度大小排序為：半開敞綠地＞廣場＞閉合綠地。PM2.5濃度在半開敞綠地與閉合綠地和廣場具有顯著差異，閉合綠地和廣場不具有顯著差異，三種樣地PM2.5濃度大小排序為：半開敞綠地＞閉合綠地＞廣場。對比三種空間顆粒物濃度標(biāo)準(zhǔn)差，廣場PM10、PM2.5標(biāo)準(zhǔn)差最大，表明廣場顆粒物濃度的峰值最大，閉合綠地顆粒物濃度峰值最小。

圖5 樣地類型對PM2.5和PM10的影響Fig.5 Differences particulate matter concentration with different plot

3.4 不同水平距離PM2.5和PM10濃度

不同水平距離處PM2.5和PM10濃度具有顯著差異（P＜0.05），樣地內(nèi)PM2.5和PM10濃度隨距離變化升高或降低的趨勢一致（圖6）。閉合綠地內(nèi)顆粒物濃度不同水平距離分布變化趨勢顯著，1點(diǎn)至9點(diǎn)時間段內(nèi)，PM2.5和PM10濃度隨著距離增加而升高；10點(diǎn)至18點(diǎn)時間段內(nèi)，PM2.5和PM10濃度在0～70 m內(nèi)均隨著距離增加而降低；19點(diǎn)至24點(diǎn)時間段內(nèi)，PM2.5濃度隨距離增加而升高，PM10濃度無明顯升高或降低趨勢。

圖6 不同水平距離PM2.5和PM10濃度變化Fig.6 Particulate matter concentration gradient distribution of different distance levels

4 討論與結(jié)論

4.1 顆粒物濃度日變化和氣象因子的影響

不同時間段內(nèi)綠地削減顆粒物的能力有明顯差異，在6點(diǎn)至8點(diǎn)，18點(diǎn)至次日4點(diǎn)，此時段為交通排放活躍之后的時段，外源性顆粒物濃度較高，綠地內(nèi)顆粒物濃度明顯低于廣場，綠地的存在阻滯或減緩了顆粒物向綠地內(nèi)部的擴(kuò)散。但在10點(diǎn)至17點(diǎn)時間段內(nèi)，此時段內(nèi)交通排放較少，氣溫逐漸升高，氣流活動活躍，有利于顆粒物擴(kuò)散，因此此時段顆粒物濃度維持一天中較低水平，綠地植被導(dǎo)致綠地內(nèi)氣流活動強(qiáng)度低于廣場，吸滯在葉片表面的顆粒物也容易產(chǎn)生再懸浮，從而使綠地內(nèi)顆粒物濃度高于廣場[15]。PM2.5和PM10濃度隨著濕度升高而逐漸升高，濕度的升高促進(jìn)顆粒物的凝聚和成核，導(dǎo)致顆粒物濃度升高，但當(dāng)相對濕度達(dá)到閾值（閾值為70%），夜間（22點(diǎn)至次日8點(diǎn)）濕度均高于70%，濕沉降量增加，夜間顆粒物濃度持續(xù)降低[16]。當(dāng)廣場風(fēng)速達(dá)到1.8 m·s-1，增加了地面揚(yáng)塵，已沉降的PM10顆粒被風(fēng)吹起發(fā)生再懸浮，導(dǎo)致廣場PM10濃度逐漸升高。氣壓的變化主要反映大氣邊界層的高低，從而影響顆粒物的濃度，隨著溫度的升高，地表大氣活動活躍，樣地內(nèi)湍流活動增強(qiáng)，有利于顆粒物的擴(kuò)散[17]。包紅光等[18]研究表明，顆粒物濃度與氣象因子顯著相關(guān)，且顆粒物粒徑越小，相關(guān)性越顯著，但相關(guān)性存在一定閾值，閾值大小學(xué)者們還在界定和研究。擬合結(jié)果產(chǎn)生的閾值充分說明采用更高的時間分辨率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，對觀察顆粒物更細(xì)的變化以及與氣象因素的關(guān)系非常重要。白天綠地調(diào)控顆粒物的主導(dǎo)氣象因子是風(fēng)，綠地植被具有阻滯顆粒物進(jìn)入綠地內(nèi)部或阻滯顆粒物向外部擴(kuò)散雙重作用，夜間綠地調(diào)控顆粒物濃度的主導(dǎo)氣象因子是濕度，綠地內(nèi)具有較高的濕度和清除顆粒物的效率。

4.2 不同水平距離和植被結(jié)構(gòu)對顆粒物的影響

在10點(diǎn)至18點(diǎn)時段內(nèi)，溫度升高，湍流活動增強(qiáng)，風(fēng)速也逐漸升高，有利于顆粒物的擴(kuò)散，此時段內(nèi)交通排放量小，環(huán)境污染物濃度處在較低水平，綠地和廣場空間內(nèi)部具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力，交通排放對空間內(nèi)部影響小，對靠近道路邊界影響較大，因此時段內(nèi)顆粒物濃度內(nèi)部低于靠近道路邊界。這與李新宇等[21]研究結(jié)果一致。在6點(diǎn)至8點(diǎn)，18點(diǎn)至20點(diǎn)時段內(nèi)，由于早晚高峰交通排放迅速增大，氣溫低風(fēng)速小，植被生長活動不活躍，不利于顆粒物的擴(kuò)散和吸收，顆粒物在樣地內(nèi)部均逐漸形成累積，因此此時段離道路距離越遠(yuǎn)，顆粒物濃度越高，但閉合綠地內(nèi)顆粒物濃度總體顯著低于半開敞綠地和廣場，閉合綠地對顆粒物的阻滯作用明顯。邵建明等[22]研究也發(fā)現(xiàn)綠地內(nèi)顆粒物濃度在離林緣50 m處開始逐漸上升。包紅光等[23]研究夏季海淀公園不同水平距離顆粒物濃度變化，在上午9點(diǎn)，0～160 m范圍內(nèi)，樣地內(nèi)顆粒物濃度均有升高，11點(diǎn)至13點(diǎn)綠地對顆粒物削減作用顯著；閉合綠地植被空隙較小，形成比廣場更為穩(wěn)定的局部環(huán)境，可以有效阻滯外源性顆粒物快速擴(kuò)散至綠地內(nèi)部，同時閉合綠地葉面積總量大，不同層次的枝葉更容易再次截獲懸浮的顆粒物[9]，吸滯的粉塵更多。半開敞綠地阻滯外源性顆粒物進(jìn)入的能力弱于閉合綠地，同時對比廣場，顆粒物擴(kuò)散稀釋能力弱于廣場，因此半開敞綠地內(nèi)顆粒物濃度均較高。閉合綠地削減PM10濃度的強(qiáng)于PM2.5濃度，PM10具有較大的粒徑，更容易被植物枝葉吸附和發(fā)生沉降，沉降到土壤中也不易發(fā)生再懸浮[19]。楊貌等[20]也發(fā)現(xiàn)植物削減PM10作用強(qiáng)于PM2.5。綜上所述，綠地內(nèi)部削減顆粒物的正負(fù)效應(yīng)與污染源排放強(qiáng)度和氣象因子有關(guān)，早晚高峰時段，綠地內(nèi)部顆粒物濃度高于外部；其他時段，綠地內(nèi)部低于外部，閉合綠地內(nèi)顆粒物濃度顯著低于半開敞綠地和廣場，閉合綠地對外源性顆粒物具有較好的削減作用。

4.3 結(jié)論

（1）顆粒物濃度日變化受到氣象因子日變化和污染源的綜合影響，10點(diǎn)至18點(diǎn)時段內(nèi)，風(fēng)速是影響顆粒物濃度的主導(dǎo)氣象因子，綠地阻滯了顆粒物的擴(kuò)散，導(dǎo)致綠地內(nèi)顆粒物濃度高于廣場，風(fēng)速超過1.8 m·s-1，顆粒物濃度降低；凌晨1點(diǎn)至5點(diǎn)，濕度是影響顆粒物濃度的主導(dǎo)氣象因子，濕度超出閾值70%，可以有效清除顆粒物，顆粒物濃度持續(xù)降低。（2）對比硬質(zhì)廣場，綠地內(nèi)顆粒物濃度值的變化幅度更小，綠地對交通排放具有較強(qiáng)的緩沖效應(yīng)。（3）交通排放活躍的時段內(nèi)，顆粒物濃度隨距離增加而升高，在綠地內(nèi)部形成累積；交通排放較低的時段內(nèi)，顆粒物濃度隨距離增加而降低。

綜上所述，綠地植被通過改變局部的氣象因子，風(fēng)速、濕度、溫度和氣壓等條件，可以有效對顆粒物的濃度進(jìn)行調(diào)控，依據(jù)上述研究結(jié)果，實踐中可以積極探索通過增加環(huán)境空氣濕度，建立智慧增濕設(shè)施，在交通排放較強(qiáng)的時段內(nèi)增加綠地內(nèi)濕度，改善空氣質(zhì)量。在公園綠地靠近道路一側(cè)建立郁閉度較高的密林防護(hù)，阻滯顆粒物向綠地內(nèi)部擴(kuò)散。在綠地內(nèi)部建立疏林空間或者開敞草坪，有利于內(nèi)部顆粒物向外擴(kuò)散，且靠近道路交通一側(cè)不宜設(shè)計休閑步道或者建立運(yùn)動場所。