不同植物群落顆粒物濃度變化特征及擴散規律

胡夢玲，阿麗亞·拜都熱拉，2，彭小東，楊公新

（1.新疆農業大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.干旱區林業生態與產業技術重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

在全球氣候變化和城市化快速發展的背景下，大氣顆粒物污染帶來的一系列環境問題引起人們高度關注[1]，顆粒物是許多城市環境污染的首要污染物，不僅導致霧霾天氣頻發，還會引發人體呼吸道疾病等[2-3]。改善大氣顆粒物污染情況需要增加城市綠化量。有研究表明，植物能有效減輕顆粒物污染，不同植物配置結構對顆粒物濃度的削減作用有很大差異[4-5]，如何能在有限的城市空間里優化綠地植物群落結構，提高綠化水平，充分發揮綠地生態和景觀功能是研究的熱點問題。大氣顆粒物污染及植物對顆粒物濃度削減作用已經有一些研究成果[6-7]。但是，這些研究主要集中在綠地或者林帶內樹種的差異、顆粒物污染機制和影響因素等方面，而揭示植物群落結構在不同水平距離顆粒物濃度削減和擴散規律的研究尚不多見[8-10]。

烏魯木齊位于我國干旱區，空氣污染是影響人居環境質量的一個重要因素，烏魯木齊三面環山的特殊地形和氣象特征，十分不利于大氣污染物擴散。為了解決這一環境問題，在城市綠化結構配置優化方面需要對植物削減大氣顆粒物作用關系進行深入研究[11-14]。因此，本文選擇烏魯木齊市綠化結構中常見的7 種植物群落進行實地監測，比較不同植物群落顆粒物濃度變化，分析不同植物群落對顆粒物的削減效果。為進一步探討植物群落內部顆粒物濃度變化特征，選擇其中3 個削減作用較好的植物群落，監測內部不同距離顆粒物分布特征及溫、濕度，分析植物群落，不同水平距離顆粒物濃度變化及對大氣顆粒物削減率的差異性，為綠化建設和環境效應評價提供理論依據。

1 研究區域及研究方法

1.1 研究區域概況

烏魯木齊市位于東經86°38′～88°58′，北緯42°45′～44°08′之間，是世界上離海洋最遠的城市，位于中國西北干旱區，三面環山，地勢起伏懸殊，海拔680 ～920 m。烏魯木齊屬中溫帶大陸性干旱氣候，全年比較干燥，早晚溫差較大。試驗所選樣地為烏魯木齊市人民公園，位于烏魯木齊河灘公路西側，平均海拔800 m。

1.2 樣地選取

為了避免其它環境因素的干擾，樣地選擇在互相臨近的同一區域內，植物群落內樹種分布相同。每個植物群落規格為20 m×20 m，各植物群落相互獨立，距離水面等影響溫、濕度的因素環境較遠。本研究所有植物群落均在烏魯木齊人民公園和吐魯番沙漠公園內，人民公園植物群落編號為R1～R7，對照點用Rck 表示，植物群落內樹種有旱柳（Salix matsudana）、三刺皂角（Gleditsia triacanthos ）、白榆（Ulmus pumila）、新疆楊（Salix alba var.pyramidalis）、新疆小葉白蠟（Fraxinus sogdiana）、紅皮云杉（Picea koraiensis）、紫丁香（Syringa.oblata）、水蠟（Ligustrum obtusifolium）。植物群落基本特征見表1，另選擇一處無遮蔭的空曠地設置對照點。

表1 不同植物群落結構基本特征

1.3 測定方法

測定時間為2019年9～10月，每個月連續觀測5 d，選擇晴朗無風（風速≤2 m/s）的天氣，在距離地面1.5 m 處使用TH21E 型溫濕度記錄儀測定空氣溫度和相對濕度，每個測點重復觀測3 組氣象數據，取平均值代表此觀測類型的氣象特征[15]。

用BR-HOl-1210 空氣質量檢測儀監測空氣中PM10，PM2.5的質量濃度。每個植物群落中心位置設置3 個監測點，監測時段為北京時間10:00～20:00，整點監測1 次，每個樣點重復監測4 組數據。選擇三刺皂角-紫丁香群落、白榆-紫丁香群落、新疆小葉白蠟群落3 個植物群落設置不同水平距離的監測點，分別為0，10，20 m。

1.4 數據處理

采用SPSS 23.0 軟件進行數據處理，分析不同植物群落結構與對照之間的顆粒物濃度差異顯著性。為減少周邊環境等因素的影響，研究采用大氣顆粒物削減率來表示植物群落對顆粒物的削減作用，公式如下[16]：

式中：P 為大氣顆粒物削減率，%；Cck為對照點大氣顆粒物質量濃度，μg/m3；Cs為植物群落內部顆粒物質量濃度，μg/m3。

2 結果與分析

2.1 植物群落內PM10 濃度變化規律

（1）PM10濃度變化規律見圖1～圖2。由圖1 可知，夏季人民公園植物群落內PM10濃度呈早、晚低，午間高的變化趨勢，在觀測時間段內PM10濃度均在14:00 出現峰值，表明14:00 左右PM10污染最嚴重，人們室外活動時間應選擇上午或傍晚PM10污染程度較輕的時間段。由圖2 可知，秋季植物群落內PM10濃度較大，在13:00～16:00 之間出現峰值，其他時間變化趨勢較為平緩，PM10最低濃度值出現在18:00 和20:00。各植物群落之間出現PM10濃度峰值的時間不同，說明PM10濃度變化與植物群落內部環境影響有一定關系。

圖1 夏季植物群落PM10 濃度日變化特征

圖2 秋季植物群落PM10 濃度日變化特征

（2）植物群落對PM10的消減作用見圖3。由圖3 可知，不同植物群落均有削減作用，但削減效果有差別，夏季R6 對PM10削減效果最好，削減量為13.78 μg/m3，其次是R3 和R2，分別為12.58，12.00 μg/m3，R1 對PM10削減作用最弱，削減量為9.58 μg/m3。分析原因為群落內植物種類和配置的差異會導致對PM10削減作用不同，秋季R3 對PM10削減作用最大，削減量為10.06 μg/m3，R2 與R5 次之，削減量分別是9.39，9.03 μg/m3。夏季植物群落對PM10的削減率比秋季高，各植物群落在夏季對PM10的削減作用表現為R6>R3 >R2 >R5>R7>R4 >R1，秋季表現為R3>R2>R5>R4>R1>R6>R7。分析原因，由于植物在夏季為生長期，葉片蒸騰作用等生理活動較強，葉片對顆粒物的吸收與阻滯效果更好，秋季植物葉片生理活動下降，對顆粒物的削減效果降低。

圖3 植物群落對PM10 的削減作用

2.2 植物群落內PM2.5 濃度變化規律

（1）植物群落內PM2.5濃度變化規律見圖4～ 圖5。由圖4 可知，植物群落內PM2.5濃度在9:00～13:00和16:00～20:00 2 個時間段之間波動較小，在13:00～16:00 出現高峰，波動較明顯。各觀測點PM2.5濃度高峰出現在高溫時段，早、晚較低，與空氣溫度日變化趨勢相似，說明PM2.5濃度變化與溫度相關。由圖5 可知，秋季植物群落內PM2.5濃度呈先上升后下降再上升再下降的變化趨勢，R1 處PM2.5質量濃度在14:00 出現最大值為43.67 μg/m3，其他觀測點PM2.5濃度均在15:00 出現峰值。分析植物群落內PM2.5濃度在不同時間段擴散規律存在差異的原因，主要是受植物群落內部不同結構和人為活動的影響。

圖5 秋季植物群落PM2.5 濃度日變化特征

（2）各植物群落內PM2.5濃度比對照點低，表明植物群落對PM2.5存在削減效果，夏季植物群落對PM2.5的削減效果更明顯，結果見圖6。由圖6 可知，夏季R6 對PM2.5削減效果最好，削減量為11.36μg/m3，R1 對PM2.5的削減量最低，為8.03 μg/m3，各植物群落對PM2.5的削減作用表現為R6>R3>R2>R5 >R4>R7>R1。說明喬灌草群落結構比單層群落結構對PM2.5的削減效果更好。秋季R3 對PM2.5削減作用最大，削減量為10.22 μg/m3，R7 對PM2.5的削減作用最小，削減量為4.44 μg/m3，不同植物群落對PM2.5的削減作用表現為R3>R2>R5 >R4 >R1>R6>R7。不同植物群落對PM2.5的削減作用不僅受群落內樹種差異的影響，群落內部植物密度大，通風狀況差也會影響顆粒物的擴散，導致其在植物群落內積累。

圖6 植物群落PM2.5 削減作用

2.3 植物群落不同水平距離顆粒物濃度變化和擴散規律

植物群落不同水平距離顆粒物濃度及削減率見圖7。由圖7 可知，三刺皂角-紫丁香群落不同水平距離PM2.5，PM10質量濃度由大到小為：ρck>ρ0>ρ10>ρ20處的變化規律，20 m 處顆粒物削減作用最大，削減率為36%。三刺皂角-紫丁香群落顆粒物的擴散路徑是從濃度最高的群落邊緣向群落內移動，經過群落邊緣會有一部分附著在灌木或喬木葉片上，然后擴散到群落中間位置10 m 處，最后到20 m 處，在擴散過程中顆粒物不僅會附著在葉片上，也會沉降到草坪上。白榆-紫丁香群落不同水平距離PM2.5質量濃度由大到小為：ρck>ρ20>ρ10>ρ0，PM10質量濃度由大到小為：ρck>ρ10>ρ20>ρ0，10 m 處與20 m 處PM10濃度接近，對PM10削減作用由大到小為：0 m處>10 m 處>20 m 處。新疆小葉白蠟群落不同水平距離PM2.5，PM10的質量濃度由大到小為：ρ20>ρ10>ρck>ρ0，喬木群落0 m 處對顆粒物濃度削減作用較明顯，10 m 與20 m 處顆粒物濃度大于對照，出現群落內顆粒物累積現象，推斷可能是由于顆粒物受風或人類活動影響由群落邊緣向群落內部擴散，內部顆粒物濃度慢慢聚集，沒有及時沉降或擴散。

圖7 植物群落不同水平距離顆粒物質量濃度及削減率

2.4 植物群落PM2.5 濃度與不同水平距離及溫、濕度回歸分析

對不同植物群落內PM2.5濃度與植物群落不同水平距離、群落內溫度和相對濕度進行多元回歸分析，結果見表2。由表2 可知，三刺皂角-紫丁香群落10，20 m 處PM2.5濃度與群落內顆粒物濃度回歸系數不顯著，說明無顯著影響。新疆小葉白蠟群落顆粒物多元回歸模型擬合度最好，R2=0.924，P<0.01，其次是三刺皂角-紫丁香群落R2=0.867，P<0.01，白榆-紫丁香群落相關性最差。三刺皂角-紫丁香群落顆粒物與0 m 處PM2.5濃度、群落內溫度、相對濕度均存在顯著正相關關系；白榆-紫丁香群落、新疆小葉白蠟群落顆粒物濃度與10 m 處PM2.5濃度和群落內溫、濕度同樣是顯著正相關關系，且受群落內溫度和相對濕度影響更大。

表2 植物群落PM2.5 不同水平距離多元回歸分析

3 結論

（1）夏季，新疆小葉白蠟-水蠟群落對PM10和PM2.5的削減效果最好，削減量分別為13.78，11.36 μg/m3，其次是白榆-紫丁香群落和三刺皂角-紫丁香群落，旱柳群落削減效果最小。秋季，白榆-紫丁香群落對PM10和PM2.5的削減效果最好，削減量為10.06 μg/m3，其次是三刺皂角-紫丁香群落和新疆小葉白蠟群落，紅皮云杉群落削減作用最差。

（2）三刺皂角-紫丁香群落內顆粒物的擴散路徑是從濃度最高的群落邊緣向群落內移動，白榆-紫丁香群落與之有明顯差異，群落內部顆粒物濃度高于群落邊緣，向邊緣擴散，新疆小葉白蠟群落出現由邊緣向群落內部擴散，內部顆粒物濃度慢慢聚集的特征。

（3）對植物群落內PM2.5濃度與植物群落不同水平距離、群落內溫度和相對濕度進行多元回歸分析，三刺皂角-紫丁香群落顆粒物與0 m 處PM2.5濃度、群落內溫濕度均存在顯著正相關關系，白榆-紫丁香群落、新疆小葉白蠟群落內顆粒物濃度與10 m 處PM2.5濃度和群落內溫濕度同樣是顯著正相關關系。

4 展望

在我國干旱區常年干燥的情況下，植物帶來的生態環境效益顯得更加重要[17-18]。本研究中7 種植物群落樹種配置是烏魯木齊市常見的綠化配置結構，喬灌草群落能有效減少顆粒物污染，而喬木群落對顆粒物的削減作用較小，許多研究也表明喬灌草復合結構削減顆粒物的效果優于喬草群落和單一群落[19-20]。植物群落在不同季節對顆粒物均存在明顯不同的削減作用，在夏季，新疆小葉白蠟-水蠟群落對PM10和PM2.5的削減效果最好，秋季則是白榆-紫丁香群落對PM10和PM2.5的削減效果最好，說明植物群落中喬木和灌木配置能有效降低顆粒物污染，但不同植物群落對顆粒物的削減作用差異還受群落內樹種、冠層結構、郁閉度等因素影響[21-25]。本文研究了植物群落內不同水平距離濃度變化和顆粒物削減作用，發現喬灌草群落和喬木群落顆粒物濃度是由群落邊緣向群落內擴散，可以起到減輕群落周邊顆粒物污染的作用，在城市綠化中，最常見的就是喬灌草配置，因此建議在綠化建設中，可適當加寬綠化帶，加強顆粒物削減作用。