不同植被結構對空氣質量的調控功能

劉雙芳，張維康，韓靜波，王兵 ，牛香 *

1.沈陽農業大學林學院，遼寧 沈陽 110866；2.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，北京 100091；3.國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室，北京 100091；4.江西大崗山森林生態系統國家野外科學觀測研究站，江西 新余 338033

隨著城市化和工業化的快速發展，空氣環境質量日益下降（Yang et al.，2015；Ming et al.，2017；易心鈺等，2017）。空氣污染成為世界各國面臨的重要環境問題，對發展中國家的影響尤為嚴重。中國作為最大的發展中國家，2013年至今，以PM2.5和PM10為主要污染物的復合型霧霾長時間、大范圍的在中國多個地區集中連片爆發（張生玲等，2017）。根據《2018年中國生態環境狀況公報》可知，全國338個地級以上城市，64.2%城市環境空氣質量超標。沈陽是中國東北地區的重要工業城市，城市環境問題也日益嚴峻。據《2018沈陽市環境質量公報》顯示，沈陽市主要污染物為PM2.5和PM10，其中PM2.5的年均濃度為41 μg·m-3，超過國家標準（35 μg·m-3）20%，PM10的年均濃度為75 μg·m-3，超過國家標準（70 μg·m-3）的10%，空氣輕度污染及以上的天數共80 d，空氣污染治理問題刻不容緩。

大氣顆粒物是造成大氣污染的首要污染物，它具有懸浮時間長，傳播距離遠等特點，能引起呼吸道感染、心肺系統和癌癥等疾病，降低預期壽命（Kim et al.，2013；Oliveira et al.，2013；Nowak et al.，2014）。與之相反，空氣負離子具有殺菌、降塵和清潔空氣等功效，被譽為“空氣維生素和生長素”（王薇等，2013）。目前空氣負離子濃度已成為衡量一個地區空氣質量好壞的重要指標之一（黃向華等，2013）。因此，減少顆粒物污染、控制顆粒物濃度和提高空氣負離子的濃度成為城市空氣質量提升的關鍵。

綠地中植物可以通過葉片尖端放電、光電效應和光合生理過程等產生負離子，是增加空氣負離子濃度的重要來源之一（王薇等，2013）。植物葉表面粗糙、多絨毛、溝狀組織和分泌液等特征還能夠吸附空氣中的顆粒物（房瑤瑤等，2015；Ryan et al.，2016）。同時，植物群落可以增加周圍空氣的濕度，加大地表粗糙度，降低風速，從而提高大氣顆粒物的沉降速率（呂鈴鑰等，2016；Jeanjean et al.，2017）。因此城市綠地可以有效地消減大氣顆粒物濃度，提高空氣負離子的濃度，進而提升城市空氣質量。隨著城市園林綠化的迅速發展和人們對環境改善的迫切需求，學者們開始關注城市綠地對改善城市空氣質量的重要作用。馮鵬飛等（2015）研究發現不同植被類型空氣負離子日平均濃度表現為闊葉林＞針闊葉混交林＞針葉林＞灌木林＞無植被覆蓋開闊地；李新宇等（2016）探討了不同公園綠地植物配置對大氣PM2.5濃度的削減作用，結果認為喬-草配置型綠地消減能力最佳，純草坪綠地最差；佘欣璐等（2020）研究認為不同綠色空間內林地滯留PM2.5能力最強，遠高于草地和農田；Nowak et al.（2013）研究了美國10個城市的樹木對PM2.5的影響，結果表明樹木通過攔截顆粒物提高了城市整體的空氣環境質量；Bottalico et al.（2017）研究發現不同類型的植物群落滯留的大氣顆粒物的濃度存在很大差異。然而，這些研究主要是針對各種功能指標的單項評價，而城市環境質量的提升需要綠地內多因子相互作用，目前有關不同植被結構的大氣顆粒物與空氣負離子濃度之間的關系以及影響因素的研究較少，還存在很多不足。

本文以沈陽市東陵公園8種不同的植被結構為研究對象，在全面了解不同植被結構特征的基礎上，通過定點監測不同植被結構群落內大氣顆粒物濃度、空氣負離子濃度和氣象因子，詳細探討不同植被結構對空氣質量的調控能力及其影響因素，從而為優化城市綠地景觀結構和改善城市空氣質量提供一定的借鑒。

1 研究區概況

沈陽市東陵公園位于沈陽市東部（圖1），占地面積約557.3 hm2。植被覆蓋率85%以上，主要植物有油松（Pinus tabuliformis）、云杉（Piceaasperata）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、稠李（Padus avium）、水榆花楸（Sorbus alnifolia）、鼠李（Rhamnus davurica）、大葉樸（Celtis koraiensis）、桃葉衛矛（Euonymus bungeanus）、榆葉梅（Amygdalus triloba）、萱草（Hemerocallis fulva）、玉簪（Hosta plantaginea）等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

圖1 沈陽市東陵公園樣點位置示意圖Fig.1 The location of Dongling Park in Shenyang

通過實地勘測選取了8塊20 m×20 m的不同植被結構類型樣地，每塊樣地記錄喬木樹種名稱、多度，并進行每木檢尺，測定胸徑和樹高；記錄灌木和草本樹種名稱、多度、蓋度和高度等（如表1所示）。并計算出每個樣方的重要值和Simpson多樣性指數。選取公園入口廣場作為對照點，并將觀測期間沈陽市的PM10和PM2.5質量濃度作為背景參照值。

2.2 空氣質量因子和氣象因子監測

實驗日期為2019年7—9月，每月選取3 d（晴天、微風或無風），對東陵公園內9塊樣地進行監測，監測時間段為07:00—19:00，每隔3 h監測1次，每次監測6 min。采用手持式粉塵儀（DUSTMATE，英國）分別監測PM2.5和PM10濃度，使用手持式負離子儀（KEC900+，日本）測定空氣負離子濃度，同時用手持式自動氣象儀（LA-8000A，中國）同步記錄大氣溫度、相對濕度、風速和光照強度。采樣高度均距地表1.5 m。為科學比較和評價東陵公園不同植被結構的綠地環境空氣質量，以中華人民共和國生態環境部（原中華人民共和國環境保護部）發布實施的《環境空氣質量標準》（GB3095—2012）中PM2.5和PM10質量濃度日均值標準作為衡量顆粒物污染程度的依據。

2.3 植物群落結構特征指標計算

選取喬木層郁閉度、喬木平均高度、常綠樹種數量占比和Simpson多樣性指數作為植物群落結構特征指標。喬木層郁閉度測定以樹冠投影法作為依據，Simpson多樣性指數的計算是以重要值為基礎，主要反映了群落的穩定性和豐富程度。相關計算公式如下：

表1 東陵公園樣地概況Table 1 The basic information of plots in Dongling Park

式中，CA為郁閉度；SC為群落樹冠投影總面積；ST為群落面積；HA為常綠樹種數量占比；HZ為群落內植株高度總和；N為植株總數量；PC為常綠樹種數量占比；NC為常綠樹種數量；D為Simpson多樣性指數；Pi為第i物種的重要值；S為物種數。

2.4 數據處理

運用Microsoft Excel 2007和SPSS 23.0對實驗數據進行統計分析和圖表處理，不同植被結構對大氣顆粒物和空氣負離子濃度的影響研究采用ANOVA單因素方差與Duncan新復極差法結合對組間差異進行比較，結果用“平均值±標準誤差”表示；大氣顆粒物和空氣負離子濃度以及與不同影響因子之間的關系采用Pearson相關性分析。

3 結果與分析

3.1 不同植被結構對大氣顆粒物質量濃度的影響

由圖2可知，大氣顆粒物PM2.5和PM10濃度日變化趨勢基本一致，整體呈現先下降后緩慢上升的趨勢，且上午高、下午低。在不同植被結構大氣顆粒物的日變化中，濃度最高值時間出現在07:00—10:00，且S1內PM2.5和PM10濃度最高，分別為(147.10±50.52)、(169.47±52.05) μg·m-3。在13:00—16:00，S4、S5、S6、S7、S8內PM2.5和PM10濃度最低。總體而言，13:00—16:00這個時間段更適合游客開展休閑游憩。

不同植被結構內大氣顆粒物濃度如表2所示，PM2.5和PM10日平均質量濃度變化范圍分別為28.95—48.63 μg·m-3和45.21—68.55 μg·m-3。其中，平均濃度在S1中為最高，分別為 (48.63±18.05)μg·m-3和 (68.55±20.64) μg·m-3。S3最低，分別為(28.95± 8.91) μg·m-3和 (45.21±10.38) μg·m-3。另外，與CK相比，S3和S4內PM2.5和PM10濃度表現為降低，S1、S2、S5、S6、S7和S8內PM2.5和PM10濃度表現為升高。從方差分析結果看出，各樣地之間大氣顆粒物濃度差異性不顯著（P＞0.05）。

表2 不同植被結構大氣顆粒物質量濃度對比Table 2 The comparison of air particulate matter concentration in different vegetation structures

圖2 不同植被結構大氣顆粒物濃度日變化特征Fig.2 Diurnal variation of air particulate concentration in different vegetation structures

參照中國《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012），各樣地的PM2.5和PM10濃度日均值都達到二類環境功能區質量要求（75、150 μg·m-3）。其中S3和S4內PM2.5和PM10濃度達到了一類環境功能區質量要求（35、50 μg·m-3）。同時發現S3、S4、S5和S8內PM2.5和PM10濃度均低于沈陽市PM2.5和PM10背景值濃度（37、55 μg·m-3）。因此，S3和S4內PM2.5和PM10濃度達到了自然風景區的空氣質量要求，處于清潔水平；S1、S2、S5、S6、S7和S8內PM2.5和PM10濃度未達到自然風景區的空氣質量要求。

3.2 不同植被結構對空氣負離子濃度的影響

圖3所示為東陵公園不同植被結構內空氣負離子濃度日均值分析結果，可以看出8塊綠地內負離子濃度均明顯高于對照組，主要原因是植被能吸收空氣中的污染物、凈化空氣，同時植物光合作用也能產生大量的空氣負離子。

由圖3可知，8塊不同植被結構內空氣負離子日均質量濃度范圍為446.21—1 007.50 ion·cm-3。空氣負離子日平均濃度在S7最高，為 (1 007.50±53.10) ion·cm-3。S1內空氣負離子濃度最低，為(446.21± 34.91) ion·cm-3。方差分析結果表明，不同植被結構內空氣負離子濃度有顯著差異（P＜0.05）。

3.3 大氣顆粒物與空氣負離子濃度的關系

圖3 不同植被結構綠地內空氣負離子濃度差異性分析Fig.3 Difference analysis of air anion concentrations in green space of different vegetation structures

表3 不同植被結構內大氣顆粒物濃度和負離子濃度的相關性Table 3 Correlation between particulate matter and negative air ion concentration in different vegetation structures

為詳細探究大氣顆粒物和空氣負離子濃度之間的關系，對不同植被結構內大氣顆粒物和空氣負離子濃度的日變化進行相關性分析，結果如表3所示。不同植被結構綠地內空氣負離子與大氣顆粒物PM2.5和PM10濃度呈均極負顯著相關關系（P＜0.01）。其中，S2和S4內空氣負離子濃度與PM2.5和PM10濃度相關性大于其他樣地。總體而言，PM10濃度與空氣負離子濃度的相關性大于PM2.5濃度與空氣負離子濃度的相關性。

3.4 影響大氣顆粒物和負離子濃度的因素分析

由表4可知，不同植被結構內大氣顆粒物濃度與喬木層郁閉度呈極顯著正相關（P＜0.01），與灌木多樣性呈顯著負相關（P＜0.05）。空氣負離子濃度與喬木層郁閉度呈正顯著相關（P＜0.05）。大氣顆粒物和空氣負離子濃度均與喬木平均高度、喬木多樣性和草本多樣性呈正相關，與常綠樹種數量占比呈負相關，但均不顯著。

表4 不同影響因子與大氣顆粒物濃度和空氣負離子濃度的相關關系Table 4 The correlation between different impact factors and air particulate concentration and air negative ion concentration

大氣顆粒物和空氣負離子濃度均與相對濕度呈正顯著相關（P＜0.05），與溫度呈負顯著相關（P＜0.05）。此外，大氣顆粒物濃度還與光照呈負顯著相關（P＜0.05），空氣負離子濃度與光照強度呈正相關，但不顯著。大氣顆粒物和負離子濃度與風速均不相關。

4 討論

城市綠地通過植被覆蓋可以減少PM2.5和PM10來源，同時茂密的樹冠層可以降低風速，促進PM2.5和PM10的沉降，另外植物的葉片、樹枝和樹皮等都可以附著和黏附顆粒物，從而調控大氣顆粒物的濃度（王華等，2013）。魯紹偉等（2017）研究發現植被區PM10質量濃度低于非植被區；Tallis et al.（2011）對倫敦城市森林的研究結果表明植被每年削減PM10量為852—2 121 t，以上研究均證實了綠地具有削減顆粒物濃度的功能。然而，本研究結果出現綠地中大氣顆粒物的濃度高于對照點的現象。分析原因可能是城市綠地植被凈化大氣顆粒物在一定空間范圍內比較顯著，當達到一定閾值后將不再明顯，不同植被結構會形成較穩定的“森林內環境”（王曉磊等，2014）。低溫、高濕和相對靜風的環境，容易導致林內逆溫層的產生，顆粒物出現易累積和消散慢的特點（王成等，2014）。此外，劉立民等（2000）研究認為地域相對綠量與空氣污染物之間存在綠化效益最佳閾值區。不同植被結構內綠量存在差異。在綠量增加初期，污染物濃度下降較快，當綠量達到一定值后，下降速度明顯減緩；當綠量繼續增加，達到一個較高的的量值時，污染物濃度下降開始不明顯，就會出現上述現象。Liu et al.（2015）、王軼浩等（2016）研究結果也證實了此現象存在的可能性。

不同的植被結構調控大氣顆粒物的能力大小不同。一般而言，具有喬-灌-草復層結構的植物群落調控大氣顆粒物的能力高于結構單一的群落，即綠地的垂直結構越復雜，大氣顆粒物濃度越低。王國玉等（2014）研究認為，復層混交的喬-灌-草配置結構消減顆粒物能力強；汪結明等（2016）對不同園林綠地類型研究發現滯塵能力大小為喬灌草＞喬草＞草坪。本研究結果顯示，S1內PM2.5和PM10濃度最高，S3內最低。分析原因認為，首先與植被結構不同有關。S3植被結構復雜，綠量大且優勢樹種為針葉樹，針葉樹種氣孔排列緊密，氣孔密度比闊葉樹種大，表面粗糙度高于闊葉樹種，而且能夠分泌油脂，降低空氣中顆粒物的濃度高于以闊葉樹為優勢樹種的植被結構（張維康等，2015）。此外S3林內喬木層郁閉度小且喬木平均高度低，易于顆粒物的擴散。而S1植被結構單一，喬木層郁閉度大，復雜的林冠層導致風速降低，濕度增加，顆粒物濃度高。其次與所處位置有關。調查發現S1靠近郊野公園入口處，機動車流量和人流量大，導致外源顆粒物輸入林內濃度高，并且S1處于地勢較低的陰坡，空氣對流運動較弱，不利于林內顆粒物向外擴散。S3主要受人流量影響，輸入林內的外源顆粒物少。然而劉宇等（2017）、張斌斌等（2019）研究認為，多層復合結構的喬-灌-草顆粒物濃度高于單層結構。植物密度高、枝下高偏低，使得林內陰濕，通風條件不好，不利于顆粒物的輸送和擴散（李新宇等，2016）。這些研究結果出現差異的原因除了受不同的綠地結構、綠地類型的影響外，研究地域、研究方法、研究時間以及林木疏密程度、空氣流通狀況和氣象條件等因素的不同也會影響大氣顆粒物的濃度。顆粒物與綠地結構的關系復雜，具體的影響顆粒物濃度變化的原因還需要深入研究探討。對東陵公園不同植被結構建議應采取適時疏伐和整枝，加強林下改造、拓展林下空間以及合理調整植被結構等措施，進一步提高對顆粒物的調控功能。

不同植被結構內空氣負離子濃度不同。植被結構越復雜，空氣負離子含量越高（阿拉坦圖雅等，2010）。王薇（2014）研究發現，喬-灌-草結構產生的空氣負離子濃度比其他植被結構類型高。本研究發現S7內空氣負離子濃度最高，S1內空氣負離子濃度最低。分析原因認為，主要是S7植被結構復雜，喬木層郁閉度大，植被綠量大產生空氣的空氣負離子多。此外與樣地位置也有關。S7位于龍尾湖附近，水是重要的空氣離子源，可以作為載體提高周邊空氣負離子的濃度（王薇，2014）。而S1周圍人車流量大，污染源多，導致負離子濃度低。

本研究發現相對濕度與大氣顆粒物和負離子濃度相關性較強，均呈正顯著相關。主要是高濕度的環境有利于大氣顆粒物在水汽上附著，使得顆粒物質量濃度增加。此外，濕度大的天氣也容易出現逆溫現象，形成霧罩，更加抑制顆粒物的擴散（趙晨曦，2014）。相對濕度越高，空氣負離子的濃度會顯著增加，這與曹建新等（2017）研究結果一致。林內大氣顆粒物和空氣負離子濃度的變化不僅會受到氣象因子的影響，如相對濕度、溫度和光照等，同時還受到不同植被結構特征的影響。研究發現喬木郁閉度對大氣顆粒物和空氣負離子濃度的影響最為顯著。對于大氣顆粒物來說，喬木郁閉度越大，顆粒物濃度越高，這與杜萬光等（2018）研究結果一致。分析原因認為是喬木郁閉度大，茂密的冠層降低風速，形成低溫高濕的環境，顆粒物無法擴散導致濃度升高。而對于空氣負離子來說，當喬木郁閉度過大時，陽光會無法透過樹冠層照射到地被層植物葉片上，導致葉片無法進行光電反應（王薇，2014），此外，林內風速低，不利于產生負離子。本研究結果與其不一致，這可能是喬木郁閉度對空氣負離子的影響有一定的閾值，具體的原因還需要深入探討。另外，本研究結果發現灌木多樣性與顆粒物濃度呈負顯著相關。分析原因認為可能是灌木相對低矮，距離地面近，能更有效地吸附顆粒物，而喬木距地面較高，顆粒物在擴散過程中會受葉片阻擋而減速，部分沉降到較低的灌木上（謝濱澤等，2014）。因此，灌木多樣性越豐富，其綠量增加，吸收大氣顆粒物能力增加，導致濃度降低。

本研究結果表明，大氣顆粒物與負離子濃度呈負顯著相關，主要原因是植被能夠通過“尖端放電”和“光電效應”等機制產生空氣負離子，同時也能通過撞擊攔截、靜電吸引、分泌粘性物質黏著等途徑消減大氣顆粒物，從而使兩者呈現負相關（郭二果等，2013）。Ling et al.（2010）也指出，空氣負離子能夠降低空氣中顆粒物的濃度，主要是由于大氣顆粒物可與空氣負離子通過碰撞、吸附等作用，使空氣負離子變成重離子而沉落，從而使負離子濃度損失減少。

5 結論

（1）不同植被結構對顆粒物濃度的調控存在著消減和集聚效應，其中喬-灌-草配置的復合型結構綠地調控顆粒物能力強。PM2.5和PM10日平均濃度在S1（稠李+萱草）均為最高，分別是 (48.63±18.05)μg·m-3和 (68.55±20.64) μg·m-3。S3（云杉+榆葉梅+牛筋草）最低，分別是(28.95±8.91) μg·m-3和(45.21±10.38) μg·m-3。PM2.5和PM10日平均濃度變化濃度范圍分別為 (28.95—48.63) μg·m-3和(45.21—68.55) μg·m-3。

（2）8塊樣地內空氣負離子濃度均高于對照組。不同植被結構中空氣負離子日平均濃度在S7（油松+桃葉衛矛+玉簪）最高，為 (1 007.50±53.10)ion·cm-3。S1（稠李+萱草）內空氣負離子濃度最低，為 (446.21±34.91) ion·cm-3。空氣負離子日平均濃度范圍446.21—1 007.50 ion·cm-3。

（3）喬木層郁閉度、空氣相對濕度和溫度是影響空氣質量的主要因子。其中大氣顆粒物（PM2.5和PM10）和空氣負離子濃度與喬木層郁閉度和相對濕度呈正顯著相關；而其與溫度呈負顯著相關。此外，大氣顆粒物（PM2.5和PM10）濃度與空氣負離子濃度呈負顯著相關。