干旱半干旱地區(qū)城市公園綠地空氣負離子濃度特征及影響因素1)

包紅光 閆曉云 王波 侯秀娟 賈雨龍 秦嘉澤

(內蒙古農業(yè)大學,呼和浩特,010010) (北京市通州區(qū)園林綠化局) (國家植物園)

空氣負離子(NAI)具有很強的清潔空氣、降塵、殺菌的作用,由于它們具有增強人體免疫系統(tǒng)和輔助治療多種疾病的功能,被稱為“空氣維生素”[1-2]。已有研究表明,形成負離子的反應機制主要可以概括為電離作用、勒納德效應、植物的尖端放電和光電效應等[3-5]。近年來,城市空氣質量成為人們關注的焦點,空氣負離子濃度(NAIC)是評價城市空氣質量和城市居民周邊環(huán)境對健康影響的重要指標之一[6-7]。目前,對于空氣負離子的研究涉及比較廣泛,研究內容較多集中在空氣負離子濃度空間和季節(jié)分布規(guī)律[8-9],以及溫度、濕度、風、天氣、植被、水等自然因素所產生的影響[10-11],同時,在醫(yī)療[12]、旅游業(yè)[13]等方面也有涉及。有研究指出,城市公園綠地不僅可以滿足休閑放松的環(huán)境需求[14-16],緩解城市居民的生活壓力[17],合理的建設城市公園綠地還可以增加空氣負離子濃度,改善周邊環(huán)境污染。

針對空氣負離子的研究主要集中在林地[18]、森林公園[19]或城市森林[20],空氣負離子發(fā)生過程及影響機制是目前許多學者關注的熱點問題[21-22],較多研究采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法探討空氣負離子濃度與各種環(huán)境因素之間的相關性[23-24]。此外,空氣負離子在空氣中存在時間短,形成和消亡的過程復雜多變,具有多種環(huán)境因子促進和抑制整個過程的特點[21,25],所以空氣中,空氣負離子具有波動性強和不穩(wěn)定等變化特點,致使空氣負離子與環(huán)境因子的相關性研究存在很多爭議和不確定性[26-27]。因此,在區(qū)域環(huán)境條件內,在城市公園綠地對空氣負離子和各種環(huán)境因素進行監(jiān)測。依據不同結構綠地條件探討空氣負離子濃度變化趨勢,并通過主成分分析對不同季節(jié)影響空氣負離子濃度因素的重要性進行排序,解釋影響空氣負離子濃度的關鍵因素,同時在區(qū)域環(huán)境條件實地監(jiān)測空氣負離子濃度的數據,可以豐富凈化空氣、調節(jié)城市小氣候、森林康養(yǎng)實踐等應用基礎研究。

1 研究區(qū)概況

選擇呼和浩特市敕勒川公園為實地監(jiān)測區(qū)域,總設計面積約為33 hm2,是周邊城市居民休閑活動的主要場所之一。公園位于市區(qū)二環(huán)內,市區(qū)地理坐標為110°46′～112°10′E,40°51′～41°8′N,平均海拔1 050 m,屬于干旱半干旱區(qū)域,年均降水量僅350 mm,主要集中在7—8月,春季干燥多風,夏季高溫,秋季降溫迅速,冬季寒冷。

2 研究方法

監(jiān)測點設置:在2020年6月對敕勒川公園全面踏查的基礎上,依據城市公園綠地植物群落特征差異及代表性,分別在公園內選擇不同結構綠地,分別為喬草型、喬灌型、喬木型、灌草型、喬灌草型。為避免水體和游客對空氣負離子濃度產生影響,選取不同結構綠地時,周邊避免出現水體、交通主要干道及休息區(qū),對照區(qū)(CK)選擇緊鄰公園內水域、無遮光影響的硬質鋪裝空地。本底調查時,每種結構綠地設置3組重復,喬木樣方為20 m×20 m的正方形,在其四角分別設置灌木、草本樣方,灌木樣方為5 m×5 m,草本樣方為1 m×1 m。

表1 不同結構綠地主要植物概況表

監(jiān)測時間:于2020—2021年,參照并依據中國環(huán)境監(jiān)測網及城市區(qū)域天氣預報,每個季節(jié)選取晴天、晴間多云為主的天氣各10 d,監(jiān)測時段為07:00—19:00,每小時監(jiān)測1次,不同結構綠地按照三角形選擇3個不同監(jiān)測點,每個監(jiān)測點進行3個重復,監(jiān)測高度為人體呼吸高度1.3～1.5 m處,不同結構綠地采取同步監(jiān)測的方式進行數據采集。

監(jiān)測指標:使用美國照明(ALP)公司生產的AIC-1000型便攜式空氣負離子監(jiān)測儀(分辨率為10個/cm3,測量范圍為10.000～1.999×106個/cm3)對空氣正、負離子濃度進行監(jiān)測,觀測高度為距離地面1.3～1.5 m處,每個觀測點開機并做歸零調整后,觀察空氣正、負離子讀數,記錄數據停頓1～2 s的數值。同時,分別使用英國Turnkey公司生產的Dustmate型手持粉塵儀(分辨率為0.1 μg/m3,測量范圍為0～6 000 μg/m3)監(jiān)測PM10(粒徑≤10 μm)、PM2.5(粒徑≤2.5 μm)質量濃度。使用美國NK公司生產的Krestal 4500手持氣象站監(jiān)測平均風速(分辨率為0.1 m/s,測量范圍為0.6～60.0 m/s)、相對濕度(分辨率為0.1%,測量范圍為0～100%)、平均溫度(分辨率為0.1 ℃,測量范圍為-29～70 ℃)、大氣壓強(分辨率為0.1 hPa,測量范圍為750～1 100 hPa)。使用我國優(yōu)利德公司(UNI-T)生產的UT352聲級計監(jiān)測噪聲(分辨率為0.1 dB,測量范圍為30～130 dB)。

空氣負離子濃度數據處理方法:本研究采用雙因素方差分析和最小顯著差異(LSD,p<0.05)檢驗,對空氣負離子濃度在結構、季節(jié)之間的差異性進行多重比較。采用因子分析法得出影響空氣負離子濃度的因子負荷,以評估影響空氣負離子濃度的主要因素。所有統(tǒng)計分析均采用IBM SPSS Statistics22.0、Excel 2016、Origin 2019b軟件進行數據處理。

空氣清潔度(IC)評價方法:運用安培空氣清潔度評價指數法對不同結構綠地的空氣負離子清潔度進行評價?？諝馇鍧嵍仍u價指數計算公式為:IC=(n-/1 000)×(1/q),式中,IC為空氣清潔度評價指數,n-為空氣負離子濃度、n+為空氣正離子濃度,q為單極性系數,q=n+/n-,是空氣正負離子濃度的比值?？諝馇鍧嵍仍u價標準參照鐘林生等[28]所采用的評價標準(表2)。

表2 空氣清潔度評價標準

3 結果與分析

3.1 不同季節(jié)不同結構綠地空氣負離子濃度日變化

春季不同結構綠地空氣負離子濃度呈“早晚高,中午低”的變化特征,喬草型在13:00、16:00時段出現較低值,喬灌型、灌草型低谷時段分別為13:00、17:00,喬木型低谷時段集中在12:00—18:00,喬灌草型在14:00、19:00出現低谷,對照區(qū)(CK)則在11:00、15:00出現高值,呈“雙峰”變化特征。夏季空氣負離子濃度呈較為明顯的“V”型變化特征,不同結構綠地07:00—09:00、18:00—19:00出現較高值,11:00—13:00出現低谷,對照區(qū)(CK)則在07:00—08:00出現較低值,14:00開始逐步升高,17:00出現監(jiān)測時段內最高值,對照區(qū)(CK)、喬灌草型分別出現較低值、較高值的時段較多。秋季、冬季不同結構綠地空氣負離子濃度呈交替變化規(guī)律,并未表現出明顯的日變化特征,秋季喬草型、灌草型分別出現較低值、較高值的時段較多,冬季喬木型、灌草型分別出現較低值、較高值的時段較多,對照區(qū)(CK)在秋季、冬季12:00出現最低值,19:00出現最高值,不同結構綠地間并未表現出明顯的差異性(表3)。

3.2 空氣負離子濃度隨季節(jié)和綠地結構的變化

同一季節(jié)不同綠地結構空氣負離子濃度差異:從同一季節(jié)不同結構綠地空氣負離子濃度均值(表4)可知,春、夏、秋、冬四季中空氣負離子最高的分別為喬灌草型、喬灌草型、灌草型、喬草型,最低的分別為喬木型、喬草型、喬木型、喬木型。同一季節(jié)不同結構綠地、對照區(qū)(CK)空氣負離子濃度均值雖有高低差異,但均未表現出顯著差異,且均值相對穩(wěn)定。

表4 四季中各結構綠地空氣負離子濃度

同一結構綠地不同季節(jié)空氣負離子濃度差異:從同一結構綠地不同季節(jié)空氣負離子濃度均值(表4)可知,除灌草型、對照區(qū)(CK)空氣負離子濃度秋季高于夏季外,其余結構綠地夏季均高于秋季;同一結構綠地空氣負離子濃度均值夏季、秋季較春季、冬季高,冬季高于春季,說明夏季、秋季公園綠地內不同結構綠地空氣負離子濃度較高。不同顯著性水平差異結果可見,喬草型、喬灌型、喬木型春季與夏、秋季,灌草型、喬灌草型春、冬季與夏、秋季,對照區(qū)(CK)秋季與春、冬季差異顯著(p<0.05);喬草型春季與夏、秋季,喬灌型春、冬季與夏季,喬木型春季與夏季,灌草型、喬灌草型春季與夏、秋季,對照區(qū)(CK)春季與秋季差異極顯著(p<0.01)。

3.3 空氣清潔度評價指數變化特征及評價

空氣清潔度評價指數日變化及評價:由表5可知,四季中不同時刻各結構綠地的清潔度分別為,春季07:00喬木型為最清潔(A),喬灌型為清潔(B),17:00喬灌型為清潔(B),08:00、09:00、18:00喬灌草型為清潔(B),19:00喬草型、喬灌型為清潔(B),其余時段不同結構綠地為中等至重度污染(C～E3);對照區(qū)(CK),除18:00為清潔(B)外,其余時段介于中等至重度污染(C～E3)。夏季不同結構綠地07:00—09:00、19:00介于最清潔至中等(A～C),10:00—11:00介于中等至容許(C～D),18:00介于最清潔至容許(A～D),其余時段除13:00喬灌草型和17:00喬灌型為最清潔(A)外,其余不同結構綠地介于清潔至中度污染(B～E2),變化幅度較大;對照區(qū)(CK)在16:00—19:00介于清潔至中等(B～C),其余時段介于容許至輕污染(D～E1)。秋季不同結構綠地07:00介于最清潔至中等(A～C),08:00、09:00、18:00、19:00介于最清潔至容許(A～D),11:00—17:00介于最清潔至中度污染(A～E2),其中13:00喬灌草型,17:00喬草型、喬灌型,18:00灌草型、喬灌草型表現為最清潔(A);對照區(qū)(CK)在11:00、16:00—17:00為清潔(B),18:00為中等(C),其余時段為容許至中度污染(D～E2)。冬季不同結構綠地07:00、08:00介于最清潔至中等(A～C),其余時段不同結構綠地介于清潔至中度污染(B～E2),其中,12:00灌草型、17:00喬灌型為清潔(B);對照區(qū)(CK)介于清潔至中度污染(B～E2),15:00為清潔(B)。

表5 四季中各結構綠地不同時刻空氣清潔度評價指數

空氣清潔度評價指數季節(jié)變化及評價:由表6可知,春季各結構綠地清潔度等級為中等至輕污染(C～E1),喬灌草型、喬草型空氣清潔度評價指數分別為最高、最低值;夏季各結構綠地清潔度等級為清潔至中等(B～C),喬灌草型、喬木型空氣清潔度評價指數分別為最高、最低值;秋季各結構綠地清潔度等級為清潔至中等(B～C),喬灌草型、喬木型空氣清潔度評價指數分別為最高、最低值;冬季各結構綠地清潔度等級為中等至容許(C～D),灌草型空氣清潔度評價指數表現最高,喬灌型、喬灌草型表現最低。不同季節(jié)對照區(qū)(CK)清潔度等級為容許(D),說明夏季、秋季空氣清潔度等級較好。方差分析可知,春季、夏季、秋季復雜結構綠地(喬灌草、喬灌型)顯著高于簡單結構綠地(喬草型、灌草型、喬木型),冬季差異不顯著;不同季節(jié)同一結構綠地差異表明,夏季、秋季顯著高于春季或冬季,不同季節(jié)對照區(qū)(CK)差異不顯著。

表6 空氣清潔度評價指數季節(jié)均值比較

3.4 空氣負離子濃度影響因素分析

不同季節(jié)和綠地結構對空氣負離子濃度的影響:雙因素方差結果顯示,綠地結構、季節(jié)均對空氣負離子濃度呈顯著性影響(p<0.05),存在主效應,說明綠地結構、季節(jié)分別對空氣負離子濃度產生直接影響,而綠地結構×季節(jié)則對空氣負離子濃度無顯著影響。

依據主成分分析的空氣負離子濃度影響因素分析:不同季節(jié)各變量間通過KMO檢驗(KMO值>0.6)和巴特利特球形檢驗(p<0.05),表明具有較強相關性,主成分分析有效,說明原有變量適合做主成分分析。依據初始因子載荷表和篩選特征值對季節(jié)主成分個數進行篩選,結果表明,春、夏、秋、冬前3個主成分的累計貢獻率分別為91.13%、83.13%、92.33%、81.63%,表明所對應的3個主成分可以反映原始指標所提供的絕大部分信息。

由表7可知,根據各主成分因子載荷系數從大到小排序結果,春季第一主成分為相對濕度、PM2.5、PM10,第二主成分為風速、氣壓、PM2.5,第三主成分為噪聲;夏季第一主成分為相對濕度、氣壓、PM10,第二主成分為PM2.5、風速、氣壓,第三主成分為PM10;秋季第一主成分為PM10、PM2.5、相對濕度,第二主成分為風速、氣壓、溫度,第三主成分為噪聲;冬季第一主成分為PM10、相對濕度、PM2.5,第二主成分為風速、氣壓、PM10,第三主成分為風速?？傮w來說,雖然不同季節(jié)影響空氣負離子濃度的主成分表現略有不同,但相對濕度、PM10、PM2.5是影響空氣負離子濃度的主要因素,表現為正相關且影響較大。

表7 各主成分因子載荷矩陣

4 討論

不同結構綠地夏季、秋季空氣負離子濃度表現出較高的變化特征。由于夏秋季節(jié)正值公園內植被生長旺盛時期,植物光合作用強,同時,短波紫外線對葉片表面產生光電效應,可以提高植物的生物電位,進而增加空氣負離子濃度[4,29-30],最終導致夏秋季節(jié)不同結構綠地空氣負離子濃度表現較高;再者,夏秋季節(jié)監(jiān)測時段污染程度較低,對空氣負離子的影響較小;另外,夏秋季節(jié)下雨、雷電等天氣變化過程均有利于產生空氣負離子[31]。冬季空氣負離子濃度較低,由于冬季寒冷,光周期短,光照強度弱,大部分葉子脫落,降低了植物光合作用,從而空氣負離子濃度較低[8]。這與部分學者得出冬季空氣負離子濃度較高的結論相互矛盾,說明不同環(huán)境空氣負離子濃度的季節(jié)變化特征表現出一定的差異性[32-33]。本研究中的不同季節(jié),空氣負離子濃度日變化在07:00—09:00、11:00—14:00分別出現監(jiān)測時段的高值、低值。

本研究發(fā)現,不同結構綠地,除夏季為喬草型空氣負離子濃度最低外,其余季節(jié)均為喬木型空氣負離子濃度最低,說明簡單結構綠地空氣負離子均值低于復雜結構綠地,表明空氣負離子濃度與植被結構密切相關[8,33-36]。究其原因,由于復雜結構綠地有更多的葉片生物量,植物釋放的揮發(fā)性物質也可以促進空氣電離并產生空氣負離子,再者,因空氣負離子有壽命短的特點,長距離的遷移表現出一定的自限性,所以,適當數量的樹種結構空氣負離子濃度高于單一樹種結構或者空曠地[37-38]。

Li et al.[39]研究發(fā)現,相對于溫度和相對濕度,很難確定顆粒物是影響空氣負離子濃度的關鍵因素,相關性也較難確定;也有研究認為,空氣負離子濃度與相對濕度、PM10、PM2.5呈負相關,即空氣負離子濃度隨著相對濕度、PM10、PM2.5升高而下降[23]。以上學者的研究結果與本研究結果有所不同,本研究發(fā)現,相對濕度、PM10、PM2.5是主成分分析出的最重要變量,且在不同季節(jié)均表現為正相關,可見,本研究過程中,以上3個指標是共同影響空氣負離子濃度的因素,其中,相對濕度為最關鍵的影響因素,這主要與勒納德效應相關,空氣中的水分作為空氣負離子的生產源,同時可以減少空氣中的正離子,故濕度越高,空氣負離子濃度也就越高[40];監(jiān)測時段以晴天、晴間多云為主,PM10、PM2.5濃度較低,達到環(huán)境空氣質量I級標準,從而,顆粒物對不同結構綠地空氣負離子吸附和減弱過程的影響有限[38]。另外發(fā)現,對照區(qū)(CK)位于公園內靜態(tài)水域旁邊,由于靜態(tài)水不能及時吸附水域周邊的PM10、PM2.5,導致空氣負離子被顆粒物稀釋而降低,并且靜態(tài)水體對負離子濃度的影響較弱,只有高速流動的水體,才能使得水分子裂解產生負離子,因而,不同季節(jié)對照區(qū)(CK)空氣負離子濃度總體上表現較低[19,41-42]。

綜上所述,由于自然條件中,各影響因素與空氣負離子濃度水平具有交互復合作用,所以很多學者對空氣負離子濃度與氣象因素的研究結果各不相同。本研究發(fā)現,監(jiān)測過程中,出現空氣負離子數值不穩(wěn)定或變異系數過大的情況,影響空氣負離子數據的客觀性,所以誤差較小、數據穩(wěn)定的設備是目前所需;再者,由于城市公園綠地周邊緊鄰城市道路,空氣污染物與空氣負離子相互影響,尤其在配置結構不合理,受到環(huán)境指標制約的情況,城市公園綠地會出現空氣質量下降現象。因此,從城市公園綠地建設規(guī)劃過程中,了解不同綠地結構和周邊景觀降低污染物濃度,提高空氣負離子濃度調節(jié)服務尤為重要。鑒于考慮到地理位置、天氣條件、氣象因素、林分類型、植被結構等多種因素影響空氣負離子濃度水平,所以研究者需要更長期、更深入并且更加系統(tǒng)全面地對空氣負離子變化特征及影響因素進行監(jiān)測和分析。因此,建議城市公園綠地規(guī)劃設計時,應考慮到不同結構綠地與水體同時可以發(fā)揮有利于形成空氣負離子的作用,在改善城市公園綠地內部環(huán)境質量與提升空氣負離子濃度之間尋找一個最佳的配置模式。

5 結論

不同結構綠地,空氣負離子濃度日變化春季呈“早晚高、中午低”,夏季呈“V”型變化特征,秋季、冬季無明顯變化特征,對照區(qū)(CK)則與對應季節(jié)日變化略有差異。同一季節(jié),復雜結構綠地空氣負離子均值高于簡單結構綠地;不同結構綠地之間、不同結構綠地與對照區(qū)(CK)之間,空氣負離子濃度均值差異不顯著;夏季、秋季,同一結構綠地空氣負離子濃度均值顯著高于其他兩季。空氣清潔度評價指數與空氣負離子濃度日變化特征相似,不同季節(jié)不同結構綠地空氣清潔度評價指數基本高于對照區(qū)(CK),其中,夏季、秋季,不同結構綠地空氣清潔度評價指數表現較好。綠地結構、季節(jié)對空氣負離子濃度表現為主效應,影響顯著,綠地結構×季節(jié)對空氣負離子濃度交互作用不顯著。不同季節(jié),相對濕度、PM10、PM2.5是影響空氣負離子濃度的主要因素。