不同結構綠地細顆粒物變化及其與氣象因子的關系

徐 寧，劉艷秋，李佰林，蘇 欣，周蘊薇

（1. 東北林業大學 園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 江西環境工程職業學院，江西 贛州 341000）

近年來，受城市化和工業發展的影響，城市顆粒物排放源增多，大氣顆粒物污染已經成為影響城市居民健康、生活的重大問題[1]。在大氣顆粒物中，細顆粒物PM1.0和PM2.5粒徑小、比表面積較大，吸附能力強，易富集重金屬、細菌和病毒等多種有毒有害物質危害人類健康[2]。城市綠地在美化、改善城市環境等方面發揮著重要的作用，因此合理應用植物綠化城市，近年來成為國內外學者的研究熱點[3-4]。

目前，國內外有關植物滯留大氣細顆粒物的研究多集中于機理分析、植物選擇以及動態變化等方面[5-7]，而對細顆粒物受綠地空間結構和氣象因子的影響等相關研究較少。選取黑龍江省森林植物園內6塊樣地，分析研究不同結構綠地PM1.0，PM2.52種細顆粒物變化規律以及與氣象因子的關系，以期為黑龍江省森林植物園的群落配置和綠地結構改造提供理論依據，為游人選擇合適的時間開展森林游憩活動提供參考。

1 實驗方法及內容

1.1 研究區概況

黑龍江省哈爾濱市為中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.6℃，最高月平均氣溫23.6℃，最低月平均氣溫-15.8℃，年降水量423 mm。春、秋季短，為過渡季節，夏季溫熱多雨，冬季嚴寒干燥。是我國北方的高能耗、高污染的重工業城市，空氣污染具有典型的冬、春季高，夏、秋季低的季節變化特征。黑龍江省森林植物園位于哈爾濱市香坊區，45°45′ N，126°16′ E，占地面積136 hm2，是中國地處市區的國家級森林公園之一。

1.2 樣點設置

通過現場勘查，在黑龍江省森林植物園內選取植物生長狀況良好、面積相似但植物群落結構差異性較大的喬-灌-草、喬-草、灌-草、草地4類結構6塊樣地（表1）。在各樣地內部距離樣地邊緣50 m以上設置3個1.5 m高的觀測點，各觀測點之間相距10 m。同時，將位于園內的硬質鋪裝廣場作為對照（CK）樣地。

表1 不同樣地的基本特征Table 1 Information of sample plots

1.3 實驗方法

1.3.1 PM1.0，PM2.5濃度測定 在2016年7月，避開降雨、大霧、大風、霾等特殊天氣，選擇5個晴天進行實驗。觀測時間為8:00-18:00，每隔2 h進行同步監測。以每個樣地的3個觀測點作為重復，使用TSI-AM510（SIDEPAKTM公司）測定各觀測點PM1.0，PM2.5質量濃度[8]。本文中所描述的2種細顆粒物指代PM1.0，PM2.5。

1.3.2 綠地空間冠層結構表征因子的測定 本研究參照秦仲等[9]實驗方法，以樣地內喬灌木的郁閉度和葉面積指數作為各植物群落冠層結構狀況的表征因子。喬灌木的葉面積指數參照張明麗等[10]實驗方法，采用LAI-2000植物冠層儀（LI-COR公司）測定。郁閉度參照殷杉等[11]實驗方法，以樣地的兩對角線上樹冠覆蓋的總長度與兩對角線的總長之比計算所得。

1.3.3 氣象因子的測定 參照郭建超等[12]實驗方法，采用KESTREL-4500小型氣象站（NIELSEN-KELLERMAN公司）同步監測各樣地內空氣溫度、相對濕度、風速以及大氣壓等主要氣象因子變化。為了科學比較和評價城市森林公園對PM2.5的凈化效果，在分析過程中采用《環境空氣質量標準》（GB3059-2012）為依據，并與哈爾濱市7月PM2.5濃度背景值相比較。

1.4 數據分析

運用Excel 2003和SPSS 20.0對樣本數據進行整理和處理。

2 結果與分析

2.1 不同結構綠地2種細顆粒物質量濃度日均值比較

圖1所示，各綠地日平均PM1.0質量濃度都顯著低于對照，且與對照相比差異顯著（P＜0.05）。其中，以樣地5 的PM1.0質量濃度日均值最低，與對照相比降低了57.6%。樣地2相比于其它結構綠地削減空氣中PM1.0能力最差，與對照相比僅降低了48.5%。其它樣地內PM1.0質量濃度日均值大小為樣地4＞樣地1＞樣地3＞樣地6，與對照樣地相比分別降低了51.7%，53.4%，53.8%，57.1%，即使各綠地對降低PM1.0濃度具有較強效果，但各綠地間并未形成差異顯著性（P＞ 0.05）。

圖1 各樣地PM1.0質量濃度日均值Figure 1 Daily mean mass concentration of PM1.0 in each plot（mean ± SD）

圖2 各樣地PM2.5質量濃度日均值Figure 2 Daily mean mass concentration of PM2.5 in each plot（mean ± SD）

圖2顯示，各樣地日均PM2.5質量濃度雖低于我國環境空氣二類地區濃度標準，但高于我國自然保護區、風景名勝區等一類地區的濃度標準。這主要是因為植物群落雖對微氣候環境具有改善功能，但局部環境也受哈爾濱整個城市的污染影響。與對照樣地相比，各結構綠地對PM2.5降低值均在20 ug·m-3左右，改善效果較為明顯，但各結構綠地與對照樣地間并未表現出差異顯著性（P＞0.05）。在各綠地中，樣地1日均PM2.5質量濃度最低，樣地2最高。其它綠地內日均PM2.5質量濃度大小為樣地5＞樣地4＞樣地3＞樣地6，與對照相比濃度分別降低29.7%，30.5%，31.8%，32.6%，通過多重比較分析可知，各結構綠地之間差異并不顯著（P＞0.05）。

為進一步明確樣地內部細顆粒物質量濃度與綠地空間結構各要素之間的關聯性及關聯程度，采用統計分析方法對其進行相關性分析。通過相關性分析表（表2）可知，各樣地內部PM1.0和PM2.5質量濃度均與葉面積指數和郁閉度呈負相關關系，但相關性并不顯著。

表2 綠地結構特征與PM1.0 和PM2.5日均質量濃度之間的相關系數Table 2 Correlation coefficient between stand structure and average daily mass concentration of PM1.0 and PM2.5

2.2 不同結構綠地2種細顆粒物質量濃度日變化規律

由圖3和圖4可知，8:00-18:00 觀測時段內，各樣地內2種細顆粒物質量濃度日變化規律整體相似，峰值集中出現在8:00-10:00，谷值出現在14:00-16:00。

由圖4所示，參照我國居住區、工業區和農村地區等二類地區PM2.5質量濃度標準，8:00對照和樣地3內PM2.5質量濃度均不達標，超標率分別為15.2%，4.1%。隨著PM2.5質量濃度下降，12:00后各樣地PM2.5基本能夠達到二類地區標準，但觀測時段內大部分時間不能達到自然保護區等一類地區PM2.5質量濃度限值標準。

圖3 各樣地PM1.0質量濃度日變化Figure 3 Diurnal change of mass concentration of PM1.0 in different plots（mean ± SD）

圖4 各樣地PM2.5質量濃度日變化Figure 4 Diurnal change of mass concentration of PM2.5 in different plots（mean ± SD）

2.3 主要氣象因子與2種細顆粒物質量濃度的相關關系

2.3.1 相對濕度與2種細顆粒物質量濃度的相關關系 圖5和圖6所示，當空氣濕度小于75%時，各樣地中PM1.0與PM2.5質量濃度整體隨著空氣濕度的增大而升高。表3所示，除樣地1外，其余樣地2種細顆粒物質量濃度與相對濕度均呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）正相關。

表3 不同粒徑顆粒物濃度與氣象因子的相關系數Table 3 Correlation coefficients of mass concentration of PM1.0 and PM2.5 and meteorological factors

圖5 不同濕度范圍內PM1.0濃度變化Figure 5 The change of PM1.0 at different range of relative humidity

圖6 不同濕度范圍內PM2.5濃度變化Figure 6 The change of PM2.5 at different range of relative humidity

2.3.2 氣溫與2種細顆粒物質量濃度的相關關系 圖7和圖8所示，當氣溫在23 ～ 29℃時，各樣地中PM1.0與PM2.5質量濃度與氣溫并無統一變化趨勢。除樣地4、樣地3和樣地6外，其余樣地2種細顆粒物質量濃度均隨著氣溫的升高而降低。在29 ～ 33℃時，各樣地中PM1.0與PM2.5質量濃度整體均隨著氣溫的升高而降低。由表3可知，各樣地內 2種細顆粒物質量濃度均與氣溫呈負相關關系。其中樣地 1 PM1.0與日平均氣溫呈顯著負相關（P＜0.05），樣地2和樣地5的2種細顆粒物質量濃度均與氣溫呈極顯著負相關（P＜0.01）。

圖7 不同氣溫范圍內PM1.0濃度變化Figure 7 The change of PM1.0 at different range of temperature

圖8 不同氣溫范圍內PM2.5濃度變化Figure 8 The change of PM2.5 at different range of temperature

2.3.3 風速與2種細顆粒物質量濃度的相關關系 圖9和圖10所示，當風速小于1.1 m·s-1時，大部分樣地中2種細顆粒物質量濃度整體隨著風速的增大而降低。但當風速上升至1.1 m·s-1之后，部分樣地的2種細顆粒物質量濃度隨風速的增大而增大。由表3可知，除樣地3外其余樣地中PM2.5質量濃度與風速呈負相關關系，其中樣地2內2種細顆粒物質量濃度與日平均風速度呈極顯著負相關（P＜0.05）。

圖9 不同風速范圍內PM1.0濃度變化Figure 9 The change of PM1.0 at different range of wind speed

圖10 不同風速范圍內PM2.5濃度變化Figure 10 The change of PM2.5 at different range of wind speed

2.3.4 氣壓與2種細顆粒物質量濃度的相關關系 圖11和圖12所示，當大氣壓小于993 hPa時，各樣地中2種細顆粒物質量濃度隨大氣壓變化趨勢大體一致，即隨著氣壓的增大而升高。當氣壓升至989 hPa后，部分樣地中2種細顆粒物質量濃度隨溫度的變化速率改變較為明顯。由表3可知，除對照樣地、樣地1和樣地5外，其余樣地內2種細顆粒物質量濃度均與氣壓整體呈正相關關系。其中樣地3、樣地4和樣地6的日平均大氣壓與2種細顆粒物質量濃度呈顯著（P＜0.05）或極顯著正相關（P＜0.01）。

圖11 不同氣壓范圍內PM1.0濃度變化Figure 11 The change of PM1.0 at different range of air pressure

圖12 不同氣壓范圍內PM2.5濃度變化Figure 12 The change of PM2.5 at different range of air pressure

3 結論與討論

公園綠地對空氣細顆粒物具有一定的滯留作用[13]，研究發現植物群落的滯塵作用與其葉面積指數和郁閉度等結構因子呈正相關關系，與李新宇等研究結果相似[14]。這是因為植物群落的生態效益主要是依靠葉片來完成，因此單位綠地葉面積指數及郁閉度作為影響綠地冠層結構的基本要素通常用于衡量園林綠地生態功能的大小[15]。但不同結構綠地與2種細顆粒物質量濃度相關性并不顯著，各群落結構細顆粒物濃度均值大小為喬-灌-草綠地＞喬-草綠地＞草地＞灌-草綠地。這與汪結明等[16,17]對不同植物群落內部細顆粒物質量濃度測定發現喬-灌-草結構綠地對細顆粒物削減最為明顯的結果存在差異。造成這一差異的原因可能是，哈爾濱市7月份空氣濕度較高，同時喬-灌-草復合群落垂直結構植物層次最豐富，空氣流通性較差，綠地內細顆粒物易聚集且難以擴散。因此，群落結構相對單一，空氣通透性較好的灌-草和草地削減細顆粒物的能力較強[18]。在喬-草結構綠地中，雖然以白樺為主的闊葉林（樣地4）葉面積指數及郁閉度均大于以落葉松為主的針葉林（樣地3），但樣地3削減細顆粒物的能力強于樣地 4。其原因可能是落葉松能分泌植物油脂等物質，有利于吸附空氣中的細顆粒物[19]，而白樺葉表紋飾細密且較淺，吸附細顆粒物的能力較差[20]。

植物群落的滯塵效應不僅與植物種類及群落結構有關，還受溫度、相對濕度、風速、大氣壓等小氣象因子的影響[21]。研究發現2種細顆粒物質量濃度與溫度、風速呈負相關，與相對濕度、大氣壓呈正相關。本研究所選樣地中溫度、風速、氣壓與2種細顆粒物質量濃度關系表現為：當氣溫在25 ～ 29℃之間時，部分樣地中2種細顆粒物質量濃度隨溫度的變化速率改變較為明顯；當風速升至1.1 m·s-1之后，部分樣地中2種細顆粒物質量濃度改變為隨風速的增大而增大；當氣壓升至989 hPa后，部分樣地中的2種細顆粒物質量濃度隨溫度的變化速率改變較為明顯。這些結果表明氣象因子與細顆粒物質量濃度的關系存在一定的閾值，與古琳等[22]對夏季空氣顆粒物隨小氣候變化規律的研究結果相似。

城市綠地生態效應在小尺度時間上存在差異[23]，研究表明黑龍江省森林植物園不同樣地中2種細顆粒物質量濃度整體表現為上午高、下午低的特點。高峰值集中在8:00-10:00，低谷值出現在14:00-16:00，這與王成、吳志評等人研究結果類似[7,24]。因此，從大氣細顆粒物污染情況來選擇游園時間，避免8:00-10:00游憩或者運動。此外，公園可根據各氣象因子與空氣細顆粒物濃度的相關關系，選擇合適的氣象因素作為預報園內大氣細顆粒物質量濃度的依據，以指導游人進行游園活動。本文群落結構最豐富的喬-灌-草綠地削減細顆粒物的能力較差，一方面由于喬-灌-草復合綠地群落空氣流通相對較弱，細顆粒物擴散較慢; 另一方面與復合綠地群落內濕度較大有關。因此通過適時疏伐改善相關群落內部的通風情況，提高綠地的滯塵能力。在植物選配時，適度增加滯留細顆粒物能力較強的樹種比例，如落葉松等針葉樹種分泌植物油脂，對空氣中細顆粒物具有較強吸附力。此外，王會霞等[25]研究發現植物葉片微形態結構越密集、深淺差別越大、葉表面絨毛數量越多，越有利于滯留大氣顆粒物。因此在北方公園綠地盡量搭配水曲柳、榆葉梅Amygdalus triloba、東北連翹Forsythia mandschurica等葉片粗糙、具絨毛或溝壑密集的植物[26]。同時，設計公園植物群落時，還應注意調整群落結構，選擇分枝點高、適應性強、疏透性好的喬木。城市綠地滯塵效應不僅在大尺度時間（季節）上存在差異，同時也受環境空氣質量條件的制約[27,28]。本研究夏季城市森林公園內不同結構綠地細顆粒物變化特征，且分析了氣象因子與細顆粒物的關系，其它季節、空間的大氣細顆粒物動態變化以及空氣細顆粒物與其它污染物和氣象因素的交互作用將成為今后的研究重點[29]。

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