北京市海淀區典型植物群落內PM10濃度變化?

許 冬 胡 楠 李運遠

北京林業大學園林學院 北京 100083

自從?大氣污染防治行動計劃?[1]制定并實施以來,以北京、天津、河北為代表的重點區域污染物減排活動成果顯著,污染物排放量整體呈現下降趨勢[2]。然而,受西、北環山的特殊地勢,以及秋冬季易發生的靜穩天氣等自然因素影響,北京地區大氣擴散能力較弱,且易造成污染物堆積的現象[3],多次出現大范圍持續性重污染事件[4]。同時,秋季為北京市空氣顆粒物污染的多發季節,該季節內北京市民和外地游客進行各種游憩活動相對頻繁[5],以粉塵為主的可吸入顆粒物會對居民及游客健康造成一定影響[6－7]。

城市綠地作為城市生態環境的重要構成部分,在改善空氣質量方面具有重要作用[8],植物群落是構成城市綠地的基本單位和要素,是城市綠地生態系統的基礎,綠地消減空氣污染物的特點與城市綠地群落結構具有明顯相關性[9]。選擇合適的植物群落結構以及樹種是緩解城市大氣粉塵污染、提高城市空氣質量的重要手段。

截至目前,國內外學者主要通過植物群落內顆粒物濃度時空變化[10－11]、不同植物群落顆粒物濃度對照測定[12－13]、環境因子與植物群落顆粒物濃度相關性分析[14－15]等方式進行植物群落滯塵效益方面的研究,研究成果豐富。研究內容主要聚焦于3個方面:1)植物滯塵機理,著重從停著、附著與黏著3個方面探究不同植物群落及植物個體滯塵方式的異同[16－19]；2)植物滯塵能力差異,主要通過對植物個體與植物群落滯塵能力的差異性比較 探索提升滯塵效益的植物搭配模式[20－22]；3)植物滯塵影響因素,主要從植物自身特征、季節、空間環境及氣象等方面探究環境因子對植物個體或植物群落滯塵能力的影響[23－25]。

目前國內學者大多圍繞植物個體滯塵能力展開研究,且結論存在差異。植物群落滯塵研究多聚焦于單一公園用地、道路綠地或居住區綠地[26－28],以及在相同所屬環境下不同植物群落滯塵效益差別[29－30],而較少從城市區域角度出發,將多個同一類型用地劃為整體探究其相同植物群落特征下的植物群落顆粒物濃度差異。本文以PM10為出發點,從受到城市地理環境影響的公園用地入手,探究不同公園用地下植物群落PM10濃度變化差異。

1 研究方法

1.1 樣地選取

北京市海淀區位于華北平原北部邊緣地帶。根據海淀分區規劃(國土空間規劃2017—2035年)中綠地系統規劃[31]對公園用地的界定,利用Google Earth進行樣地選取,確保樣地自然環境條件相近、周邊無其他污染源或熱源干擾,且具有一定可達性,最終選取北京市植物園、中國科學院植物研究所植物園、頤和園、圓明園和東升八家郊野公園5個研究地。

為最大限度避免和消除其他干擾因素,保證實驗條件的一致性和可比性,通過網格系統取樣法選取研究地內部植物群落樣方。根據研究地尺度大小,沿正南正北方向設置網格并取其交點,利用Google Earth顯示交點坐標位置并進行實地調研。實地調研過程中對網格內部植物群落及其周邊物理環境條件進行評估,選擇遠離水體、地形平坦、人為活動干擾較少的植物群落,且植物群落內部植物均為北京市綠化配置常見規格、長勢良好、無特大古樹或過小幼樹、無病蟲害干擾等[32]。在每個研究地內人工選取4個植物群落實驗樣方(20 m×20 m),并在實驗樣方100 m距離內選擇無植物覆蓋的廣場作為對照樣方[33],其中植物群落實驗樣方結構分別為喬灌草型、喬灌型、喬草型及草坪型,除草坪型外,其他群落結構均為常綠落葉混交型,盡量確保不同公園下同類型植物群落結構特征相似(表1)。

表1 不同結構下植物群落配置模式樣方表

1.2 數據采集

植物群落結構及配置模式數據采集以現場觀察、測量記錄的方式進行,觀測樣方植物群落結構模式及樹種組成；利用測距儀測量每一類喬木、灌木平均高度、枝下高、胸徑、冠幅、株數及形態；通過觀測與皮尺測量結合的方式采集地被植物覆蓋面積以及平均高度,并以樣點法拍攝樣地照片及周圍環境。

使用多功能激光粉塵儀(LD-6S,北京市綠林創新數碼科技有限公司)采集滯塵數據,該儀器采用光散射法檢測原理進行泵吸式采樣,通過內置直徑為40 mm濾膜采樣裝置收集粉塵樣品進行重量測定后,運用內置評估軟件進行粉塵質量濃度換算,并根據濾膜樣品分析顆粒物成分。將2臺粉塵儀分別架設在實驗樣方及對照樣方中心點1.5 m的高度上同時進行測量,設定一次數據采集時長為1 min,設置測量精度(K值)為0.001。測量前校準儀器,測量過程中盡量避免儀器抖動以及周邊人為干擾。預實驗后,選擇晴朗無風(風速小于2 m·s－1)天氣、氣候因素影響低的時段進行測定。在進行滯塵測量的同時,使用溫濕度計記錄儀(LM-8010,深圳市恩慈電子有限公司)測定當日溫濕度、風速、風向。數據采集時間為2021年10月10－20日,每天8∶00－17∶00分5個時間段(8∶00－9∶00、10∶00－11∶00、12∶00－13∶00、14∶00－15∶00、16∶00－17∶00)進行測量。以PM10濃度為測定指標,對每個測量點測量3次后計算平均值作為樣本數據。

1.3 數據處理

利用AutoCAD 2020畫出樣方植物群落實測平面圖；利用Excel 2020對各項數據進行匯總整合,計算樣方植物蓋度、林下植物蓋度、針葉闊葉蓋度比等群落特征；利用圖像抽取法處理圖像數據計算群落郁閉度,最終核查植物群落特征相似度。

利用Excel 2020對滯塵數據進行整理；應用SPSS 16.0進行相關性分析。通過滯塵率(Q)衡量不同結構和配置模式的植物群落滯塵能力強弱,滯塵率計算公式如式(1):

式(1)中:Q為植物群落樣方滯塵率；V1為對照點顆粒物濃度平均值(mg·m－3)；V2為試驗點顆粒物濃度平均值(mg·m－3)。

2 結果與分析

2.1 PM10濃度時空分布特征

2.1.1 PM10濃度空間分布特征

不同研究地位置與西、北環山的距離由遠到近為:東升八家郊野公園>圓明園>頤和園>中國科學院植物研究所植物園>北京植物園。5個研究地內相同結構植物群落的PM10濃度具有差異,一定程度上可以反映山體距離因素對植物群落PM10濃度的影響。由回歸分析可知,山體距離因素與植物群落內PM10濃度具有正相關關系,即與山體距離越遠,植物群落空氣中PM10濃度越高(圖2)。

圖2 不同研究地植物群落PM10濃度圖

不同結構的植物群落內PM10濃度與山體距離擬合程度排序為:喬灌>喬灌草>喬草>草坪。喬灌型及喬灌草型植物群落PM10濃度與研究地距離因素呈明顯正相關(回歸方程為y＝0.013 8x喬灌＋0.388 8,r2＝0.748 2及y＝0.010 8x喬灌草＋0.415 6,r2＝0.740 6),這可能是因為喬灌型及喬灌草型植物群落整體通透度低,植物在1.5 m高度附近生長密集,導致顆粒物進入植物群落內部后無法快速排出,顆粒物濃度在一定程度上受地理環境的影響。喬草型植物群落PM10濃度與研究地距離因素呈弱正相關(回歸方程y＝0.009 6x喬草＋0.368 6,r2＝0.637 3),而草坪基本不受山體距離因素的影響(回歸方程為y＝0.003x草坪＋0.384 8,r2＝0.099 5),這可能是由于喬草型及草坪型結構單一、通透度高,相較于城市地理環境,更易受到周遭小氣候干擾。

2.1.2 PM10濃度日變化規律

不同研究地PM10濃度日變化的曲線基本為同位相波動(圖3),整體趨勢為早晨PM10濃度偏高,中午達到谷值,隨后又逐漸升高。由圖3可知,北京市植物園與中國科學院植物研究所植物園內不同植物群落結構下PM10濃度日變化量較小,且4種植物群落結構內部顆粒物濃度差異性低。這可能是由于北京市植物園與中國科學院植物研究所植物園距離西、北環山距離較近,且公園本身海拔相對較高,日氣溫變化幅度低,城市熱氣流對植物群落影響較小等綜合因素所造成的。

圖3 不同研究地植物群落PM10濃度日變化圖

2.2 不同植物群落對PM10的消減率

從圖4可以看出,4種植物群落對PM10濃度消減率略有差異,其中,草坪型植物群落的消減效果最佳,平均消減率為16.73%；其次為喬灌草和喬草型植物群落,平均消減率分別為14.53%和13.35%；PM10消減率最低的是喬灌型植物群落,為6.39%。原因可能是秋季植物群落處在動態變化中,葉片在掉落過程中產生二次揚塵,而草坪型植物群落具有較少動態變化,且植物群落結構通透性高,在周邊無穩定污染源的情況下能快速排走場地內顆粒物,表現出顆粒物消減率高的特征。

圖4 不同植物群落顆粒物消減率圖

但由于草坪內部PM10濃度本身較低,與對照組露天廣場PM10濃度有較大差異,其表現出PM10消減率最高的結果并不能完全代表該群落結構本身的滯塵能力。而喬灌草群落結構內部顆粒物濃度較高,但其仍具有較高的減塵效果,一定程度表明喬灌草3層群落具有較強的滯塵能力。

2.3 環境因子與植物群落內PM10濃度的相關性

2.3.1 溫度對PM10濃度影響

溫度可以影響植物光合作用效率,加強植物群落對顆粒物的消減作用,減少植物群落內空氣中顆粒物濃度[4]。將北京市植物園與東升八家郊野公園的溫度與相應時段的PM10濃度進行相關性分析,結果(圖5)表明,這2個公園的PM10濃度均隨著溫度的升高而降低,呈現出負相關的關系,其中北京市植物園PM10濃度與溫度的相關性較低,東升八家郊野公園PM10濃度與溫度的相關性較高。

圖5 溫度與PM10濃度變化關系(y代表PM10濃度；x代表溫度)

通過對北京市植物園與東升八家郊野公園的數據進行比較分析,結果發現,東升八家郊野公園植物群落內部PM10濃度更易受到溫度變化影響,原因可能是東升八家郊野公園整體海拔相對較低,城市熱島效應與地面輻射影響較大,受大氣對流干擾嚴重[34],垂直湍流對植物群落內顆粒物擴散量有較大影響,從而使PM10濃度與溫度顯現出較強的相關性。

2.3.2 空氣相對濕度對PM10濃度影響

濕度在一定范圍內可以使植物葉表面顆粒物吸附能力產生變化,從而影響植物群落內顆粒物濃度變化[10]。將北京市植物園與東升八家郊野公園的濕度與相應PM10數據進行相關性分析,結果(圖6)表明,這2個公園的PM10濃度都隨著濕度的升高而升高,呈現出正相關的關系,其中北京市植物園PM10濃度與空氣相對濕度的相關性較低,東升八家郊野公園PM10濃度與空氣相對濕度的相關性更高。

圖6 濕度與PM10濃度變化關系(y代表PM10濃度，x代表空氣相對濕度)

通過對比發現,濕度與北京市植物園和東升八家郊野公園植物群落PM10濃度整體相關性較低,原因可能是濕度的增加有利于植物對顆粒物的吸附作用,同時又能造成植物葉面表面顆粒物的脫落,呈現出雙向的影響作用[10]。但整體而言,濕度對東升八家郊野公園植物群落PM10濃度影響更大,這可能是由于東升八家郊野公園濕度差更大,更易與空氣中顆粒物產生凝結關系,增加顆粒物重量,最終導致空氣中顆粒物濃度變化。

3 討論

植物群落內顆粒物濃度變化是多維因子協同作用的結果[8],本研究結果表明,植物群落與山體距離越遠,內部PM10濃度越高,這可能是因為PM10受到城市弱氣流和城市熱島效應的影響,最終導致PM10在低海拔城市核心地帶聚集,這與以往北京市空氣污染特征類研究結果相符[2－4]。公園內植物群落PM10濃度日變化呈現“U型”分布狀態,表現出早晚高、白天低的趨勢,俞琳琳[28]等對綠地內顆粒物濃度日變化特征的研究也表現出同樣規律,出現該規律的原因可能是早晨及傍晚氣溫較低,空氣濕度大,在低溫及高濕的狀態下顆粒物容易聚集增多,不利于輸送及擴散；而午后時間段與之相反,光照較強導致溫度升高、濕度降低,從而使顆粒物擴散速度加快。另外,此次研究結果表明草坪型的植物群落對PM10消減效果最佳,這與部分學者的研究結果存在差異[9],原因可能為秋季植物群落處在動態變化中,草坪型結構可避免葉片掉落過程中產生二次揚塵,并在風力影響下快速疏散顆粒物；其他群落結構顆粒物消減能力比較結果為:喬灌草型>喬草型>喬灌型,這與李新宇[30]等人研究結果一致。

國內外大量研究表明,城市綠地植物群落有助于改善城市空氣質量,塑造高品質的生活環境[8－11],本文研究地選址考慮了西、北環山地理條件影響,從城市環境入手探究植物群落內PM10濃度變化與地理環境因素關系,以及不同地理位置關系下的植物群落滯塵效益。雖然西、北環山地勢易減緩風力,造成顆粒物堆積,但也易使山間河口風速增大[35],因此在城市更新規劃設計中,可通過通風廊道規劃及植物群落結構設計使顆粒物快速疏散,同時應合理考慮綠地配置模式,考慮地理條件、小氣候特征及城市生活環境,利用微地形等方式營造小氣候條件,發揮顆粒物消減效益最大化。

4 結論

1)受北京西、北環山的特殊地勢和靜穩天氣等自然因素的影響,海淀區山體距離與PM10濃度空間分布具有一定正相關關系。5個公園內植物群落PM10濃度日變化趨勢相同,呈現出“U型”分布狀態,具體表現為上午及下午PM10濃度相對較高,中午PM10濃度水平相對較低。

2)通過比較公園內不同植物群落對PM10的消減率可知,喬灌草、喬灌、喬草及草坪型植物群落的消減率不同,草坪型的植物群落消減效果最佳,其他群落結構顆粒物消減能力比較結果為:喬灌草型>喬草型>喬灌型。

3)環境因子中的溫度和濕度影響植物群落內PM10濃度,其中PM10濃度與溫度呈一定負相關關系,與相對濕度呈正相關關系,且溫濕度對與山體距離更遠的公園影響更大。