居住区不同植物群落对细颗粒物浓度的影响

王刚，易慧琳，戴伟，杨文丽，谭广文

(广州普邦园林股份有限公司，广东 广州 510600)

近年来，城市化在快速发展的同时也带来了一系列城市环境问题，其中空气污染问题对人们的生活产生直接影响。大气颗粒物，特别是细颗粒物(PM2.5)污染，直接对人体健康产生危害，会诱发心血管疾病、呼吸道疾病、肺部疾病等[1-2]。居住区绿地是居民日常活动的场所，是最贴近人们生活的自然环境，因此，居住区绿地微气候的改善有利于提升居民的生活质量[3]。

植物是城市绿化中唯一有生命的元素，在满足景观要求的同时，还发挥重要的生态效益。研究表明，园林植物可以通过叶片附着、滞留、黏附等形式消减空气中的颗粒物，且具有降低温度和形成小气候的作用，而降低环境温度可以减少颗粒物气溶胶的形成，从而间接改善环境PM2.5质量[1,4]。李新宇等[5]、陈博等[6]研究了植物配置方式对大气PM2.5的调控作用；陈小平等[7]对园林植物吸附细颗粒物的机制进行了研究；傅凡等[8]对公园内秋季不同位置的温、湿度和PM2.5浓度变化，以及温、湿度与PM2.5之间的关系进行了研究。这些研究为明确城市绿化对调控区域小气候的作用提供了参考。本文选取广州市光大花园二期居住区为研究对象，分析居住区内5个植物群落的植物组成及气象因子对空气中PM2.5浓度分布的影响，旨在为广州湿热地区的居住区优化植物景观配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广州市地处亚热带沿海，属海洋性亚热带季风气候，夏季长、霜期短，温暖多雨。全年平均气温20～22 ℃，一年中最热的月份是7月，月平均气温达28.7 ℃；最冷月为1月，月平均气温在9～16 ℃。一年之中，4—6月为雨季，7—9月天气受台风影响较大。广州市区年降水量约为1 720 mm。因当地植物资源丰富，全年雨量充沛，利于植物生长，广州素有“花城”之称。

1.2 样地及植物群落选择

通过对广州市居住区的全面踏勘，遵循区域分布、植物群落类型，以及适生性等原则，初步分析后选取具有代表性的居住区——广州市海珠区光大花园二期小区作为研究对象。在小区内共设置5个测试点，均为居住区典型植物群落测试点：测试点P1为下沉活动平台，群落结构为乔灌草，具体组成为大王椰子+火焰木+大叶榕—散尾葵+棕竹+红花檵木+朱缨花+假连翘—翠芦莉+花叶冷水花+沿阶草+花叶艳山姜；测试点P2为树阵广场，群落结构为乔，具体组成为大王椰子；测试点P3为林荫栈道，群落结构为乔灌草，具体组成为白兰+杧果+红花羊蹄甲+桂花—苏铁+扶桑+叶子花+鹅掌柴+朱蕉—吉祥草+吊竹梅+海芋+蜘蛛兰；测试点P4为中庭活动空间，群落结构为乔灌草，具体组成为白兰+荷花玉兰+红花羊蹄甲+鸡蛋花+桂花—黄金榕+假连翘+米仔兰+福建茶+凤凰竹—合果芋+沿阶草+海芋；测试点P5为入口林荫大道，群落结构为乔灌草，具体组成为细叶榕+散尾葵+罗汉松+桂花—米仔兰+棕竹+灰莉+狗牙花—鸢尾+春羽+冷水花+翠芦莉。分别测定植物群落周围的大气PM2.5浓度。

1.3 研究方法

选择晴朗天气在5处测试点开展监测。对植物群落进行统计分析，主要包括植物组成及群落郁闭度。利用美国莱特浩斯手持式PM2.5测试仪器，采用多点同步数据监测的方法测定PM2.5浓度，监测的时间段为7:00—20:00，每小时测定1次，每次连续读取3个数据，取平均值，每个数据的采样时间为60 s，采样高度距离地面1.5 m。于2018年8—9月完成采样，共采集3次，分别为8月12日、8月24日和9月3日。

1.4 数据处理

运用Excel 2010 和SPSS 18.0软件对所有数据进行整理与分析。

2 结果与分析

2.1 PM2.5浓度日变化特征

不同测试点的PM2.5浓度日变化如图1所示。日常时间段内(7:00—20:00)，PM2.5的浓度变化趋势呈现波浪式，出现早、中、晚3个高峰，具体变化趋势为：7:00—8：00逐渐上升，并在8:00左右到达第一个峰值，在12:00—13:00到达第二个峰值，然后逐渐下降，在15:00左右到达一天中的最低值，随后逐渐上升，在20:00达到监测时段的峰值。根据国家标准GB 3095—2012《环境空气质量标准》：PM2.5浓度在0～35 μg·m-3，空气质量等级为优；PM2.5浓度在35～75 μg·m-3，空气质量等级为良。从监测的PM2.5浓度日变化看出，白天居住区PM2.5浓度值都在35 μg·m-3以内，空气质量都为优，到了晚上20:00左右，PM2.5浓度值大于35 μg·m-3，空气质量属于良。

图1 各测试点的PM2.5浓度日变化

一天之中的早、晚时段出现PM2.5浓度峰值，与早、晚时段上、下班车流高峰有关，汽车尾气的排放量增加，导致空气中PM2.5浓度上升。同时，该时间段气温、风速较低，空气湿度较大，在这种情况下，空气中的细微颗粒较难扩散和运输。白天随着气温升高和湿度下降，空气对流增强，空气中的细微颗粒开始出现大规模的扩散和运输，使PM2.5浓度逐渐降低。因此，早晚峰值大于中午峰值，并在15:00点左右PM2.5浓度值降到一天之中的最低水平。

2.2 不同植物群落的PM2.5浓度

取5个测试点的PM2.5浓度平均值进行比较，以反映不同植物群落对PM2.5浓度的影响，结果如图2所示，从数值上来看，P1>P2>P3>P5>P4。结合图1、图2，以及各测试点的实际情况做如下分析。测试点P1为下沉活动广场，植物群落为复层结构，以大王椰子、火焰木、大叶榕为上层结构，中层种植散尾葵，地被有红背桂、棕竹、翠芦莉等，群落组合空间较通透，郁闭度在65%，地被覆盖率为90%，四周较为封闭，受外界温度和光照的影响较小，无风环境导致扩散条件差，空间内PM2.5较易集聚[2]，早、晚PM2.5浓度值较高，经过中午时段的高温和低湿条件，在16:00左右降到一天中的最低值。P2为树阵广场，为单一群落结构，植物是大王椰子，空间开阔，郁闭度为20%，因植物单一，且下垫面为硬质铺装，PM2.5浓度受温度和风速影响波动较大，在15:00左右PM2.5浓度值降到一天中的最低值。P3为林荫栈道，属典型的乔灌草结构，利用植物营造的林下空间，郁闭度较高，较适合居民休闲散步，其中上层为白兰、杧果，中层为红花羊蹄甲、桂花等，地被有叶子花、鹅掌柴、朱蕉、吉祥草、吊竹梅等，地被覆盖率为85%，郁闭度为90%，该群落结构显著增加了林内湿度，降低林内风速，不利于细颗粒物的扩散。P4为中庭活动空间，东西北为建筑，北面建筑一楼为架空层，形成南北通透空间，绿化以植物组团为主，以观赏植物外形为主，上层为白兰、荷花玉兰，中层为红花羊蹄甲、鸡蛋花、桂花，下层为黄金榕、假连翘、米仔兰、福建茶等，地被有合果芋、沿阶草，地被覆盖率为50%。该点的PM2.5浓度均值最低，主要是因为测试点位于林缘，PM2.5浓度值受温度、相对湿度、风速的影响较大。P5为入口林荫大道，空间较为封闭，上层为原有古树小叶榕，冠幅丰满，形成较为封闭的林下空间，郁闭度为85%，林下点缀散尾葵和罗汉松等植物，地被有鸢尾、冷水花、翠芦莉等，地被覆盖率为60%，在14:00时PM2.5浓度值降到一天中的最低值。

图2 光大花园二期各测试点PM2.5浓度均值

研究表明，以乔木为主的复层结构绿地能够有效降低空气中可吸入颗粒物的浓度，这与植物叶片本身的特性有关，同时，植物群落、植物种类和郁闭度也发挥一定的作用[9]。复层结构的植物群落对空气中PM2.5浓度的调节效果明显优于单一群落结构，尤其是以乔灌草为主的复层结构且郁闭度在75%～85%的植物群落效果较明显。

2.3 气候因子与PM2.5浓度变化的关系

居住区内5处测试点的PM2.5浓度与温度、风速和相对湿度的关系如图3～5所示。从图3和图4可以看出，PM2.5浓度与温度和风速呈负相关关系，且相关性均达到显著水平。一天之中，随着温度升高，大气的水平和垂直运动加剧，有利于PM2.5的运输扩散。当气温在22～28 ℃时，PM2.5浓度持续下降，当气温超过28 ℃，PM2.5浓度值趋于稳定。

图3 PM2.5浓度与温度的关系

图4 PM2.5浓度与风速的关系

由图5可知，随着相对湿度增加，PM2.5浓度也先随之增加，但当增加到一定值后趋于下降。当相对湿度在40%～65%时，相对应地，PM2.5浓度逐渐增加；但当相对湿度大于66%时，PM2.5浓度趋于下降。

研究表明，绿地具有降低温度和形成小气候的作用[10-12]，温度和风速都会对植物的蒸腾作用产生影响，植物通过蒸腾作用可以增加空气湿度，在一定范围内，更大的空气相对湿度可以加速空气中细颗粒物的沉降。

图5 PM2.5浓度与相对湿度的关系

3 小结与讨论

对光大花园居住区日常时间段内典型植物群落PM2.5浓度变化进行比较分析，测试点的PM2.5浓度在22.88～38.18 μg·m-3，符合国家城市绿化地区不超过75 μg·m-3的标准，空气质量属于优良。一天中PM2.5浓度呈波状变化，出现3个峰值，且大小为晚上高峰>早上高峰>中午高峰，在15:00左右PM2.5浓度降到最低。这可能是因为居住区被道路环绕，会受到早晚上下班高峰期车流的影响，同时也受到植物生理活动周期变化的影响[1]，使得白天PM2.5浓度呈现出峰谷变化。

研究表明，PM2.5浓度受空间环境影响较大[13-14]。虽然同一居住区内的PM2.5浓度日变化值总体趋势相近，但不同植物群落配置的组合空间，其PM2.5浓度具体变化也不相同。下沉活动平台四周围合，且林间郁闭度高，扩散条件差，空间内细颗粒物易于积聚，因而其PM2.5浓度比其他测试点要高；树阵广场是测试点中相对开阔的空间，且群落郁闭度较低，但其紧接主入口，距离道路较近，受到早晚高峰车辆影响，部分时段PM2.5浓度较高。中庭活动空间的南北走向会形成穿堂风，在风力的作用下可以加速细微颗粒物的扩散。林荫栈道和入口林荫大道，群落郁闭度较高，植物种植较密，林下湿度较高，通风不畅，不利于细微颗粒物的扩散。以上结果说明，居住区绿地对PM2.5浓度具有调节作用，不同群落结构特征对PM2.5的消减具有不同影响。复层结构的植物群落明显优于单一群落结构，尤其是以乔灌草为主的复层结构，且郁闭度在75%～85%的群落效果较明显。

分析PM2.5浓度与气象因子的相关性可知，PM2.5浓度与温度和风速呈显著负相关关系。PM2.5浓度随相对湿度增加先增加，但当相对湿度为65%以上时，PM2.5浓度又呈下降趋势。

总体来看，在湿热地区居住区配置植物群落时需要考虑植物群落上层空间的通透性和郁闭度，以及地被的覆盖度，并根据周边建筑的围合情况以利于风向疏导配置乔木。通过植物群落配置组合的优化可改变微环境中的温湿度和风速，进而改善微环境中的细颗粒物浓度和分布。