校園植物群落特征對滯塵能力及美景度的影響*

鄒 寧 李運遠 胡 楠

北京林業大學園林學院 北京 10083

我國大多數城市空氣質量主要受大氣顆粒物影響[1]， 大氣顆粒物污染對健康的影響已成為公眾及各國政府關注的焦點[2]。 可吸入顆粒物PM10是危害人體健康的主要因素[3-4]， 也是影響城市空氣質量的主要污染物之一[5]。 植物的葉面、 枝干等組織結構可以吸附滯留大氣顆粒物[6]。 合理的植物群落配置不僅美化環境， 還能更好地消減大氣顆粒物含量[7-8]。

校園綠地具有調節師生情緒的特殊功能[9-10]，植物群落配置需要同時考慮生態效益和景觀效益。目前有關植物群落滯塵能力的研究多數是以市區范圍[11-13]， 或 是 以 公 園 綠 地[14-15]、 道 路 綠地[16-18]為研究對象， 以校園綠地為對象的研究較少。 美景度評價法 (Scenic Beauty Estimation，SBE) 是目前最可靠合理并被廣泛應用的景觀質量評價方法[19-20]， 研究范圍涉及森林景觀[21]、 公園綠地[22]、 居住區綠地[23]、 校園綠地[24]等。 目前研究多關注校園綠地滯塵或景觀單方面的能力，但提升校園綠地綜合能力則會更好地指導師生活動， 因此， 校園綠地植物群落滯塵能力及美景度的綜合性研究非常必要。

北京林業大學人群承載量大， 師生多來自園林相關專業， 對校園綠地綜合效益的需求具有典型性。 校園內植物類型豐富、 數目繁多， 共有植物72科147 屬247 種， 高于國內校園植物平均水平， 校園綠地建設成果顯著[25-26]。 本文對北京林業大學綠地進行調查研究， 綜合評價植物群落對可吸入顆粒物PM10的阻滯能力及群落景觀美景度， 選出既有良好的滯塵能力又有較高美景度的綠地， 參考其植物配置方式， 為校園植物設計提供參考。

1 研究方法

1.1 樣地選取

選取北京林業大學內具有游憩功能、 使用頻率高、 面積大小相似、 相互獨立、 植物發育成熟、搭配結構豐富且各具特色的5 塊校園綠地作為樣地 (表1)， 樣地均與主車道相距較遠， 周邊環境條件較為一致。

表1 樣地特征

1.2 PM10濃度測定與分析

1.2.1 測定方法

在每塊樣地的綠地范圍內隨機選取均勻分布的5 個點為樣點， 選點向外擴充10 m × 10 m 作為樣方， 在非綠地的主樓前廣場選取一個對照樣點，共26 個樣點。 檢測時間為 2021 年 10 月與 11 月上旬， 此時段大氣顆粒物污染情況較嚴重， 植物長勢良好， 選擇天氣晴朗無風、 氣候條件一致的18 d 對北京林業大學校園內5 塊樣地及對照樣點進行數據測定。 8 ∶00-18 ∶00 每隔 2 h 共 5 個時間段 (8 ∶00-10 ∶00、 10 ∶00-12 ∶00、 12 ∶00-14 ∶00、 14 ∶00-16 ∶00、 16 ∶00-18 ∶00)， 在1 h 內完成所有樣點每個時間段的測量。 在每個樣點距離地面1.5 m 處， 用兩臺LD-6S 多功能激光粉塵儀 (北京市綠林創新數碼科技有限公司) 對PM10濃度進行測量， 測量前檢查校準儀器， 測量時與儀器保持一定距離并保持儀器平穩。 測量時選取風速較小時段 (風速小于2 m·s-1)， 每個樣點測量2 次取平均值作為此時間段內樣點數據。 測量后記錄PM10濃度數據， 以及樣方內植物群落特征(表 2)。

表2 樣方植物群落結構基本特征

1.2.2 濃度分析

用AutoCAD 2020 根據測量數據繪制平面圖，計算植物覆蓋度等群落特征。 運用Excel 軟件對數據進行整理分析， 相同時間段內的PM10濃度取多天檢測結果的平均值， 取每塊樣地內5 個樣方各時間段PM10濃度平均值作為該樣地的PM10濃度值，對比5 塊樣地及對照組的PM10濃度變化情況。

1.3 美景度評價與計算

1.3.1 評價方法

為了減少照片拍攝給景觀美學評價帶來的影響， 需限定拍攝方法[27]。 選擇 2021 年 10 月 11 日9 ∶00-11 ∶00 時晴朗天氣對 25 個植物群落樣方進行拍攝。 在1.5 m 的水平視線高度采用相同模式進行拍攝[28]， 攝像鏡頭為 1 200 萬像素主攝(26 mm、 f/1.8)。 盡量避免照片中出現非群落景觀因子， 選取能真實全面反映樣方景觀狀況的照片。 共拍攝100 張照片， 篩選出符合上述標準照片共25 張 (每個樣方1 張)， 對照片進行處理時，遮蓋非相關要素， 僅保留樣方植物群落景觀。

用處理后的照片制作網絡調查問卷， 評價者對照片進行評價打分， 評價等級設定為5 個等級，分別為極喜歡、 喜歡、 一般、 不喜歡、 極不喜歡，分值對應為 2 分、 1 分、 0 分、 -1 分、 -2 分。 最終回收有效問卷評分表64 份， 不同專業群體對景觀評價差別并不明顯[19，29]， 本文將不再區分不同人群的評價表。

1.3.2 美景度值計算

對64 名評價者的原始評分進行標準化計算，求每張照片標準化得分值的平均值， 得到該群落景觀的標準化 SBE 值。 標準化 SBE 值計算公式為[30]:

式 (1) 中:Zij是第j個評價人對第i張照片的標準化評分值；Rij是第j個評價人對第i張照片的評分；Rj是第j個評價人對所有照片的評分均值；Sj是第j個評價人對所有照片的評分標準差；Zi是第i張照片的景觀標準化評分值；Nj是總評價人數。

1.4 相關性分析

參考相關文獻研究并結合專家意見，確定與本研究相關的7 個群落特征要素(表3)，用SPSS 24.0將各個樣方的日均PM10濃度和美景度值剔除異常值后，結合各群落特征要素量值進行相關性分析。

表3 群落特征要素分解

2 結果與分析

2.1 植物群落PM10日濃度變化與美景度

由圖1 可知: 各樣地內的PM10濃度總體為先升高再降低的變化趨勢， 均在 14 ∶00-16 ∶00 達到峰值； 同時段內各樣方的PM10濃度差別不大，有樣地的PM10濃度均低于對照組， 說明植物群落對PM10有一定的阻滯作用， 所樣地C 和樣地D整體PM10濃度最低。 根據各樣地群落美景度的分析結果， 各群落美景度值排序為樣地C (0.295)＞樣地D (0.022) ＞樣地A (-0.033) ＞樣地B (-0.084) ＞樣地E (-0.189)。

圖1 樣地及對照組PM10濃度日變化

2.2 各群落特征要素與滯塵能力相關性

由圖2、表4 可知，樣方植物群落PM10濃度與常綠植物覆蓋度、色彩豐富度、結構層次豐富度顯著負相關，與喬灌木覆蓋度、喬木平均高度、植物種類豐富度沒有顯著相關性。 對PM10阻滯能力更強的樣地C和樣地D 的常綠植物覆蓋度多為10%～30%，樣地D有群落種植面積近80%的鋪地柏，植物種植密集豐富，群落結構多為喬灌草型，密集量多的枝條樹葉有效地阻滯了大氣顆粒物，這與喬灌草型三層群落結構滯塵能力最強[31-33]的研究結果相吻合。

表4 群落特征要素與PM10濃度相關性

圖2 群落特征要素與PM10濃度變化關系

2.3 各群落特征要素與美景度相關性

由圖3、表5 可知，樣方群落喬木灌木比、色彩豐富度、植物種類豐富度、結構層次豐富度均與SBE 美景度值呈極顯著正相關關系。 美景度最高的樣地C群落植物種類豐富，各樣方均有4～6 種植物，植物色彩豐富、季相性強，喬木灌木搭配的比例為0.6 ～3.5，群落均為喬灌草型結構，植物景觀配置豐富，層次清晰且色彩節奏感強，符合大眾審美。

圖3 群落特征要素與SBE 值變化關系

表5 群落特征要素與SBE 值相關性

2.4 群落PM10濃度與美景度相關性

將各樣方PM10濃度與SBE 美景度值進行雙變量相關性分析， 結果 (圖4、 表6) 表明， 樣方群落PM10濃度與SBE 美景度值呈顯著負相關關系。豐富的群落結構層次不僅可以提升滯塵效益， 也可在一定程度上提高群落的美學價值。

表6 群落特征要素與SBE 值相關性

圖4 PM10濃度與SBE 值變化關系

3 討論

PM10日濃度變化整體呈先升高再降低的趨勢，于 14 ∶00-16 ∶00 達到峰值， 這種變化趨勢與部分研究結果相符， 但峰值出現時段不同[34]， 原因可能為PM10來源于第一次排放污染， 受人為活動影響較大[35]， 日間人群活動頻繁， PM10濃度逐漸升高， 傍晚活動頻率降低， 濃度隨之下降。 本研究表明PM10濃度與常綠植物覆蓋度顯著負相關，而與喬木平均高度等特征因子無顯著相關性， 這與李新宇等[14]研究結果一致， 原因可能是不同樹種由于枝葉結構差異導致滯塵能力不同， 葉片表面有細微結構和濕潤的分泌物， 吸附能力較強，對樹種滯塵能力的影響較大[6，36-38]， 導致秋季尚未落葉的常綠植物在群落滯塵方面發揮巨大作用。色彩豐富度和PM10濃度的顯著負相關， 可能是色彩豐富與群落的植物種植豐富有關， 大量的枝條葉片可有效阻滯大氣顆粒物， 從而對試驗結果產生影響。 本研究表明喬灌草型群落結構對PM10的消減能力更好， 與陳自新等[32]的研究結果一致，原因可能是多層群落結構可以形成相對閉合的垂直空間結構， 群落內風速減小， 有效阻止了顆粒物的擴散活動， 導致監測到的顆粒物濃度低。

本研究表明美景度值與喬木灌木比正相關，可能原因是0.6～3.5 比值范圍內的喬灌木配比合理， 喬木枝干挺拔舒展、 冠型飽滿優美， 喬木在合理范圍內占比相對較高的群落在一定程度上提高了植物群落的觀賞價值。 SBE 值與結構層次豐富度、 色彩豐富度等極顯著正相關， 這與段敏杰等[28，39]研究結果相符， 究其原因: 一是植物色彩的豐富多樣最直接影響景觀節奏感， 從而增添植物景觀的趣味性； 二是植物種類多樣、 結構層次豐富的植物群落可增強群落的立體效果。 即植物種類多樣和結構層次豐富的植物群落的景觀構成更豐富， 提高了群落景觀結構的穩定性， 更具景觀價值。 群落SBE 美景度與PM10濃度與結構層次豐富度均顯著相關， 已有研究[39]表明豐富的結構層次對植物群落的美學效益和多項生態效益具有重要意義。 因此， 在校園綠地群落的規劃設計中，應多重視群落結構層次這一特征要素， 多應用多層結構植物群落。

考慮到校園綠地使用人群和功能上的特殊性，在設計時需對其生態及景觀效益進行綜合考慮。本研究綜合分析比較了樣地植物群落PM10阻滯能力和美景度， 并結合植物群落特征因子進行相關性分析， 得出最佳植物群落配置模式， 為校園綠地建設提供參考， 今后還需對校園綠地包含其他生態效益如微氣候調節等在內的綜合效益做進一步研究， 從而能夠更全面地探究提升綠地綜合效益的措施。

4 結論

本研究通過綜合對比校園內5 塊樣地群落的PM10阻滯能力和美景度可知: 1) 校園內各樣地群落PM10日濃度變化整體呈先升高再降低的趨勢， 且植物群落PM10濃度與常綠植物覆蓋度、 色彩豐富度、 結構層次豐富度負相關。 2) 流書播惠亭 (樣地C) 綠地對PM10的阻滯能力顯著， 群落景觀SBE 美景度也最高， 植物搭配方式多為喬灌草型群落結構， 校園綠地設計可參考其群落配置模式。 3) 群落喬木灌木比、 色彩豐富度、 植物種類豐富度、 結構層次豐富度是群落SBE 美景度的主要影響要素。 4) 群落SBE 美景度與PM10濃度顯著相關， 喬灌草型層次結構的植物群落有較強的滯塵能力和較高的美景度。