校园3种植被类型对春季空气PM2.5含量的影响

刘彦春，靳聪丽，王雨薇，邱备民，吴文凯

(河南大学 生命科学学院，河南 开封 475004)

0 引言

随着工业化进程的不断推进，空气质量不断恶化，空气污染已经成为影响人类身心健康的重要因素[1-2]。尤其是自2012年以来，中国雾霾天气出现的频率和强度显著增加，使得以颗粒物污染为主的环境问题受到更为广泛的关注[3-5]。细颗粒物(particulate matter ≤2.5 μm,PM2.5)是指空气动力学当量直径小于或等于2.5 μm的颗粒物，由于其独特的物理性质，已成为人类呼吸系统疾病的主要诱因[6-7]。高校校园因人口密集和植被景观丰富等显著特征而成为一种特殊的功能型组织。与所在城市相比，校园通常具有更高的植被覆盖率，对于改善局部空气质量、提高师生学习和生活质量具有重要意义。已有研究证实，高校校园植被在生态系统服务功能维持[8]、土壤动物群落组成[9]和局部小气候调节[10]等方面具有重要作用，也有部分研究关注了校园不同植被类型对空气质量的影响[11-12]。然而，校园内不同植被类型在调控空气质量方面的差异是否与天气状况有关，目前还不清楚。本文以中原地区的河南大学金明校区为研究区域，选择校园内相毗邻的3种不同植被类型，在两种不同的天气状况(阴天和晴天)下，定点连续监测每种植被类型内的空气质量，以评价不同天气状况对空气质量的影响，这对于理解校园植被类型与局部空气质量之间的关系具有重要意义。

1 研究方法

1.1 试验布置

在河南大学金明校区内，选择裸地、针叶植被和阔叶植被3种典型的植被类型。裸地：在校园内选择一块水泥地，面积约40 m×85 m。针叶植被：在水泥地附近，有一片面积约38 m×115 m的圆柏(Sabinachinensis(L.) Ant.)林。圆柏林的植株密度为2 m×3 m，圆柏平均高度(6.6 ± 1.3) m。阔叶植被：毗邻裸地与针叶植被有一片面积约62 m×75 m的毛白杨(PopulustomentosaCarr)林。毛白杨林的植株密度为2.5 m×3.5 m，毛白杨的平均高度(7.5 ±1.6) m、平均胸径(8.3 ± 1.5) cm。3种植被类型距离公路的直线距离均在10 m以上。在每种植被类型内，分别设置3个观测点，彼此间距约10 m，共计9个观测点。

1.2 试验测定

使用高150 cm的三脚架和德耳斯DES-8空气监测仪器(无锡德耳斯环境监测有限公司生产)各9套，分别放在每个观测点上。该仪器可同步监测空气PM2.5含量、空气温度和空气相对湿度等指标。在2018年春季(3—5月份)选择两种不同天气状况(阴天：3月3日，4月15日和5月18日；晴天：3月10日，4月28日和5月19日)，进行空气质量监测，每天从上午8：00持续到晚上20：00，每小时监测1次。测定时将三脚架高度调整到150 cm，将空气监测仪器固定到三脚架顶部，监测前10 min打开仪器，等仪器稳定后，记录各指标的数据。

1.3 数据分析

首先，将每种植被类型的3个观测点同一时刻的测定值取平均，作为该植被类型某时刻的均值；其次，将同一天气状况下的3次试验测定(如阴天：3月3日，4月15日和5月18日)按不同时刻平均，从而得到每种植被类型春季不同时刻的平均值。将每天13个小时的测定数值进行平均得到日均值。采用重复测量的方差分析检验植被类型和天气状况对空气温度、空气相对湿度和PM2.5含量的影响。利用单因素方差分析检验各空气指标的日均值在不同植被类型与天气条件下的差异。采用简单线性相关分析检验空气温度和空气相对湿度对空气PM2.5含量的影响。统计分析在SPSS 19.0软件中完成，图表制作在Sigmaplot 13.0软件中完成。

2 试验结果

2.1 植被类型对空气温度和空气相对湿度的影响

空气温度和空气相对湿度的日间平均值，均受到植被类型、天气状况及测定时间的综合影响。不同天气状况下3种植被类型对空气指标日均值的影响见表1。如表1所示，阴天状况下，裸地空气温度(10.54 ℃)显著低于针叶植被(11.44 ℃)与阔叶植被(11.31 ℃)；晴天状况下，针叶植被的空气温度(14.74 ℃)则显著低于裸地(16.67 ℃)和阔叶植被(16.97 ℃)(P< 0.05)。此外，晴天状况下，3种植被类型的空气温度均显著高于阴天状况下的空气温度(P< 0.05)。不同植被类型对空气相对湿度的影响也因天气状况而异。阴天状况下，阔叶植被的空气相对湿度(49.21%)显著低于裸地(53.62%)；晴天状况下，阔叶植被和裸地的空气相对湿度(37.56%和37.52%)显著低于针叶植被(42.51%)(P<0.05)。与空气温度相反，阴天状况下，3种植被类型的空气相对湿度显著高于晴天状况下的空气相对湿度(P< 0.05)。

表1 不同天气状况下3种植被类型对空气指标日均值的影响

注：表中数据为均值±标准误差。同一列中不同小写字母表示不同植被类型之间差异显著(P<0.05)，同一行中不同大写字母表示不同天气状况之间差异显著(P< 0.05)。

空气温度和空气相对湿度均具有明显的日动态变化。3种植被类型空气温度和空气相对湿度在不同天气状况下的日动态变化见图1。3种植被类型对阴天状况下空气温度的日动态变化无显著影响，均在上午8：00时，达到最低值(裸地7.7 ℃，针叶植被8.3 ℃， 阔叶植被6.0 ℃)，裸地和针叶植被均在下午16：00达到最高值(14.7 ℃和14.0 ℃)，而阔叶植被在下午15：00达到最高值(14.0 ℃ )，如图1a所示。晴天状况下，3种植被类型对空气温度日动态变化的影响也不显著，均在上午8：00达到最低值(裸地11.0 ℃，针叶植被8.0 ℃，阔叶植被9.3 ℃)，而与阴天状况不同，最高温度的出现时刻较早，裸地和阔叶植被的最高温度出现在上午11：00(20.7 ℃和21.7 ℃)，而针叶植被的最高温度出现在中午12：00(18.3 ℃)，如图1b所示。空气相对湿度表现出显著的日动态变化，阴天状况下，3种植被类型的空气相对湿度均在上午8：00达到最大值(裸地60.7%，针叶植被66.3%,阔叶植被66.7%)，而3种植被类型的空气相对湿度最低值出现时刻不同，阔叶植被出现最早，在下午13：00(40.7%)，裸地次之，出现在下午16：00(46.7%)，针叶植被出现最晚，在下午17：00(45.3%)，如图1c所示。在晴天状况下，3种植被类型空气相对湿度最高值也均出现在上午8：00(裸地55.3%，针叶植被62.0%，阔叶植被63.7%)，裸地和针叶植被的空气相对湿度最低值均出现在下午14：00(31.7%和35.0%)，阔叶植被的最低值出现在下午15：00(29.7%)，如图1d所示。

(a) 阴天状况空气温度日动态变化 (b) 晴天状况空气温度日动态变化

(c) 阴天状况空气相对湿度日动态变化 (d) 晴天状况空气相对湿度日动态变化

图1 3种植被类型空气温度和空气相对湿度在不同天气状况下的日动态变化

2.2 植被类型对空气PM2.5含量的影响

空气PM2.5含量因植被类型和天气状况而异。如表1所示，在阴天状况下，针叶植被PM2.5含量最高(70.56 μg·m-3)，显著高于阔叶植被(36.23 μg·m-3)和裸地(24.62 μg·m-3)；此外，阔叶植被的空气PM2.5含量也显著高于裸地(P<0.05)。在晴天状况下，针叶植被的空气PM2.5含量(24.67 μg·m-3)显著低于阔叶植被(51.95 μg·m-3)和裸地(70.62 μg·m-3)，并且阔叶植被也显著低于裸地(P<0.05)。晴天状况下，裸地和阔叶植被的空气PM2.5含量显著高于阴天状况，而针叶植被则低于阴天状况下的空气PM2.5含量(P<0.05)。

空气PM2.5含量表现出显著的日动态变化。3种植被类型空气PM2.5含量在不同天气状况下的日动态变化见图2。在阴天状况下，空气PM2.5含量表现出早晨和傍晚高，而在中午较低的U型变化(见图2a)。3种植被类型的空气PM2.5含量的最大值分别出现在上午9：00(裸地)、上午8：00(针叶植被)和上午9：00(阔叶植被)，最小值则出现在中午12：00(裸地)、下午15：00(针叶植被)和中午12：00(阔叶植被)。晴天状况下，3种植被类型的空气PM2.5含量的日动态变化较为平稳，最小值较为一致地出现在晚上20：00，最大值分别出现在下午15：00(裸地)、傍晚18：00(针叶植被)和上午11：00(阔叶植被)(见图2b)。

(a) 阴天状况空气PM2.5含量日动态变化(b) 晴天状况空气PM2.5含量日动态变化

图2 3种植被类型空气PM2.5含量在不同天气状况下的日动态变化

2.3 不同植被类型空气PM2.5含量与空气温度和空气相对湿度的关系

不同天气状况下空气PM2.5含量与空气温度和空气相对湿度的关系见图3。利用简单线性相关分析可知，在阴天状况下，3种植被类型的空气PM2.5含量与空气温度呈负相关(见图3a)，而与空气相对湿度呈正相关(见图3b)。在晴天状况下，裸地和阔叶植被的空气PM2.5含量与空气温度呈正相关(见图3c)，而与空气相对湿度呈负相关(见图3d)，针叶植被的空气PM2.5含量与空气温度和空气相对湿度均无显著关系。

(a) 阴天状况PM2.5含量与空气温度的关系 (b) 阴天状况PM2.5含量与空气相对湿度的关系

(c) 晴天状况PM2.5含量与空气温度的关系 (d) 晴天状况PM2.5含量与空气相对湿度的关系

图3 不同天气状况下空气PM2.5含量与空气温度和空气相对湿度的关系

3 讨论

3.1 不同植被类型空气PM2.5含量差异因天气状况而异

本研究发现：校园不同植被类型对空气质量的影响是不同的,这与文献[11]的研究结论相一致。然而与文献[11]报道不同的是，本文认为，空气PM2.5含量在针叶植被与阔叶植被之间存在显著差异。文献[13]研究表明：以针叶树为主的绿地内春季PM10的含量略高于阔叶植被，但其并未区分不同天气状况。本研究发现植被类型对空气PM2.5含量的影响因天气状况差异而表现出截然不同的效应。阴天状况下，针叶植被内PM2.5的含量最高，而在晴天状况下则最低。这种相反的结果可能与针叶植被特殊的叶片和代谢特征有关[14]。首先，本文中的针叶植被是柏科的圆柏，该树种四季常青，叶片及枝条可分泌油性的树脂，在阴天无太阳辐射的情况下，油性树脂分泌的数量及黏性低于晴天太阳辐射的情况[15]，因此，阴天时圆柏叶片对PM2.5的吸滞能力偏弱；其次，圆柏树具有稠密的结构，地面40 cm以上就是树冠，颗粒物相比裸地与阔叶植被更易于积累，而不易随风扩散；再次，本研究监测时，阔叶植被还没有萌生叶片，而针叶植物的叶片则可进行光合作用，伴随着光合作用的气孔张开，有利于颗粒物的吸入。综上所述，校园内针叶植被对空气PM2.5含量的影响因天气状况而表现出不同效应。

3.2 空气PM2.5含量与空气温度和空气相对湿度的关系

本研究发现：在小时尺度上，3种植被的空气PM2.5含量与空气温度和空气相对湿度的关系，在阴天状况下与晴天状况下截然相反。阴天状况下，空气PM2.5含量与空气温度呈负相关，而与空气相对湿度呈正相关。首先，在阴天状况下气压较低，基本无风，空气相对湿度的增加导致空气中具有吸湿性的凝结核不断增加，因而会引起PM2.5含量的增加。其次，本研究中空气相对湿度最高且温度最低的时刻出现在上午8：00，此刻正是上班的高峰期，车流密集，也可能是引起PM2.5含量较高的原因。在晴天状况下，空气PM2.5含量则与空气温度呈正相关，而与空气相对湿度呈负相关。PM2.5通常是被吸附在植物叶片及枝条的表面，被吸附强度受到空气温度、空气相对湿度及太阳辐射的影响。晴天时太阳辐射较强，温度相对较高可导致吸附于叶片表面的颗粒物表面水汽减少，更易于被风带到空气中。

4 结论

通过对中原地区河南大学校园春季空气质量的监测，发现不同植被类型对春季空气PM2.5含量的影响受天气状况的调节。晴天状况下，针叶植被的空气PM2.5含量显著低于裸地与阔叶植被，然而在阴天状况下，针叶植被则具有较高的空气PM2.5含量。这种春季空气PM2.5含量与植被类型的关系因天气状况而异的响应格局，与不同植被类型构成物种的叶片形态及代谢过程有关。在校园植被配置过程中，要更加注重不同植被类型的合理搭配。