不同植物群落颗粒物浓度变化特征及扩散规律

胡梦玲，阿丽亚·拜都热拉，2，彭小东，杨公新

（1.新疆农业大学林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

0 引言

在全球气候变化和城市化快速发展的背景下，大气颗粒物污染带来的一系列环境问题引起人们高度关注[1]，颗粒物是许多城市环境污染的首要污染物，不仅导致雾霾天气频发，还会引发人体呼吸道疾病等[2-3]。改善大气颗粒物污染情况需要增加城市绿化量。有研究表明，植物能有效减轻颗粒物污染，不同植物配置结构对颗粒物浓度的削减作用有很大差异[4-5]，如何能在有限的城市空间里优化绿地植物群落结构，提高绿化水平，充分发挥绿地生态和景观功能是研究的热点问题。大气颗粒物污染及植物对颗粒物浓度削减作用已经有一些研究成果[6-7]。但是，这些研究主要集中在绿地或者林带内树种的差异、颗粒物污染机制和影响因素等方面，而揭示植物群落结构在不同水平距离颗粒物浓度削减和扩散规律的研究尚不多见[8-10]。

乌鲁木齐位于我国干旱区，空气污染是影响人居环境质量的一个重要因素，乌鲁木齐三面环山的特殊地形和气象特征，十分不利于大气污染物扩散。为了解决这一环境问题，在城市绿化结构配置优化方面需要对植物削减大气颗粒物作用关系进行深入研究[11-14]。因此，本文选择乌鲁木齐市绿化结构中常见的7 种植物群落进行实地监测，比较不同植物群落颗粒物浓度变化，分析不同植物群落对颗粒物的削减效果。为进一步探讨植物群落内部颗粒物浓度变化特征，选择其中3 个削减作用较好的植物群落，监测内部不同距离颗粒物分布特征及温、湿度，分析植物群落，不同水平距离颗粒物浓度变化及对大气颗粒物削减率的差异性，为绿化建设和环境效应评价提供理论依据。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区域概况

乌鲁木齐市位于东经86°38′～88°58′，北纬42°45′～44°08′之间，是世界上离海洋最远的城市，位于中国西北干旱区，三面环山，地势起伏悬殊，海拔680 ～920 m。乌鲁木齐属中温带大陆性干旱气候，全年比较干燥，早晚温差较大。试验所选样地为乌鲁木齐市人民公园，位于乌鲁木齐河滩公路西侧，平均海拔800 m。

1.2 样地选取

为了避免其它环境因素的干扰，样地选择在互相临近的同一区域内，植物群落内树种分布相同。每个植物群落规格为20 m×20 m，各植物群落相互独立，距离水面等影响温、湿度的因素环境较远。本研究所有植物群落均在乌鲁木齐人民公园和吐鲁番沙漠公园内，人民公园植物群落编号为R1～R7，对照点用Rck 表示，植物群落内树种有旱柳（Salix matsudana）、三刺皂角（Gleditsia triacanthos ）、白榆（Ulmus pumila）、新疆杨（Salix alba var.pyramidalis）、新疆小叶白蜡（Fraxinus sogdiana）、红皮云杉（Picea koraiensis）、紫丁香（Syringa.oblata）、水蜡（Ligustrum obtusifolium）。植物群落基本特征见表1，另选择一处无遮荫的空旷地设置对照点。

表1 不同植物群落结构基本特征

1.3 测定方法

测定时间为2019年9～10月，每个月连续观测5 d，选择晴朗无风（风速≤2 m/s）的天气，在距离地面1.5 m 处使用TH21E 型温湿度记录仪测定空气温度和相对湿度，每个测点重复观测3 组气象数据，取平均值代表此观测类型的气象特征[15]。

用BR-HOl-1210 空气质量检测仪监测空气中PM10，PM2.5的质量浓度。每个植物群落中心位置设置3 个监测点，监测时段为北京时间10:00～20:00，整点监测1 次，每个样点重复监测4 组数据。选择三刺皂角-紫丁香群落、白榆-紫丁香群落、新疆小叶白蜡群落3 个植物群落设置不同水平距离的监测点，分别为0，10，20 m。

1.4 数据处理

采用SPSS 23.0 软件进行数据处理，分析不同植物群落结构与对照之间的颗粒物浓度差异显著性。为减少周边环境等因素的影响，研究采用大气颗粒物削减率来表示植物群落对颗粒物的削减作用，公式如下[16]：

式中：P 为大气颗粒物削减率，%；Cck为对照点大气颗粒物质量浓度，μg/m3；Cs为植物群落内部颗粒物质量浓度，μg/m3。

2 结果与分析

2.1 植物群落内PM10 浓度变化规律

（1）PM10浓度变化规律见图1～图2。由图1 可知，夏季人民公园植物群落内PM10浓度呈早、晚低，午间高的变化趋势，在观测时间段内PM10浓度均在14:00 出现峰值，表明14:00 左右PM10污染最严重，人们室外活动时间应选择上午或傍晚PM10污染程度较轻的时间段。由图2 可知，秋季植物群落内PM10浓度较大，在13:00～16:00 之间出现峰值，其他时间变化趋势较为平缓，PM10最低浓度值出现在18:00 和20:00。各植物群落之间出现PM10浓度峰值的时间不同，说明PM10浓度变化与植物群落内部环境影响有一定关系。

图1 夏季植物群落PM10 浓度日变化特征

图2 秋季植物群落PM10 浓度日变化特征

（2）植物群落对PM10的消减作用见图3。由图3 可知，不同植物群落均有削减作用，但削减效果有差别，夏季R6 对PM10削减效果最好，削减量为13.78 μg/m3，其次是R3 和R2，分别为12.58，12.00 μg/m3，R1 对PM10削减作用最弱，削减量为9.58 μg/m3。分析原因为群落内植物种类和配置的差异会导致对PM10削减作用不同，秋季R3 对PM10削减作用最大，削减量为10.06 μg/m3，R2 与R5 次之，削减量分别是9.39，9.03 μg/m3。夏季植物群落对PM10的削减率比秋季高，各植物群落在夏季对PM10的削减作用表现为R6>R3 >R2 >R5>R7>R4 >R1，秋季表现为R3>R2>R5>R4>R1>R6>R7。分析原因，由于植物在夏季为生长期，叶片蒸腾作用等生理活动较强，叶片对颗粒物的吸收与阻滞效果更好，秋季植物叶片生理活动下降，对颗粒物的削减效果降低。

图3 植物群落对PM10 的削减作用

2.2 植物群落内PM2.5 浓度变化规律

（1）植物群落内PM2.5浓度变化规律见图4～ 图5。由图4 可知，植物群落内PM2.5浓度在9:00～13:00和16:00～20:00 2 个时间段之间波动较小，在13:00～16:00 出现高峰，波动较明显。各观测点PM2.5浓度高峰出现在高温时段，早、晚较低，与空气温度日变化趋势相似，说明PM2.5浓度变化与温度相关。由图5 可知，秋季植物群落内PM2.5浓度呈先上升后下降再上升再下降的变化趋势，R1 处PM2.5质量浓度在14:00 出现最大值为43.67 μg/m3，其他观测点PM2.5浓度均在15:00 出现峰值。分析植物群落内PM2.5浓度在不同时间段扩散规律存在差异的原因，主要是受植物群落内部不同结构和人为活动的影响。

图5 秋季植物群落PM2.5 浓度日变化特征

（2）各植物群落内PM2.5浓度比对照点低，表明植物群落对PM2.5存在削减效果，夏季植物群落对PM2.5的削减效果更明显，结果见图6。由图6 可知，夏季R6 对PM2.5削减效果最好，削减量为11.36μg/m3，R1 对PM2.5的削减量最低，为8.03 μg/m3，各植物群落对PM2.5的削减作用表现为R6>R3>R2>R5 >R4>R7>R1。说明乔灌草群落结构比单层群落结构对PM2.5的削减效果更好。秋季R3 对PM2.5削减作用最大，削减量为10.22 μg/m3，R7 对PM2.5的削减作用最小，削减量为4.44 μg/m3，不同植物群落对PM2.5的削减作用表现为R3>R2>R5 >R4 >R1>R6>R7。不同植物群落对PM2.5的削减作用不仅受群落内树种差异的影响，群落内部植物密度大，通风状况差也会影响颗粒物的扩散，导致其在植物群落内积累。

图6 植物群落PM2.5 削减作用

2.3 植物群落不同水平距离颗粒物浓度变化和扩散规律

植物群落不同水平距离颗粒物浓度及削减率见图7。由图7 可知，三刺皂角-紫丁香群落不同水平距离PM2.5，PM10质量浓度由大到小为：ρck>ρ0>ρ10>ρ20处的变化规律，20 m 处颗粒物削减作用最大，削减率为36%。三刺皂角-紫丁香群落颗粒物的扩散路径是从浓度最高的群落边缘向群落内移动，经过群落边缘会有一部分附着在灌木或乔木叶片上，然后扩散到群落中间位置10 m 处，最后到20 m 处，在扩散过程中颗粒物不仅会附着在叶片上，也会沉降到草坪上。白榆-紫丁香群落不同水平距离PM2.5质量浓度由大到小为：ρck>ρ20>ρ10>ρ0，PM10质量浓度由大到小为：ρck>ρ10>ρ20>ρ0，10 m 处与20 m 处PM10浓度接近，对PM10削减作用由大到小为：0 m处>10 m 处>20 m 处。新疆小叶白蜡群落不同水平距离PM2.5，PM10的质量浓度由大到小为：ρ20>ρ10>ρck>ρ0，乔木群落0 m 处对颗粒物浓度削减作用较明显，10 m 与20 m 处颗粒物浓度大于对照，出现群落内颗粒物累积现象，推断可能是由于颗粒物受风或人类活动影响由群落边缘向群落内部扩散，内部颗粒物浓度慢慢聚集，没有及时沉降或扩散。

图7 植物群落不同水平距离颗粒物质量浓度及削减率

2.4 植物群落PM2.5 浓度与不同水平距离及温、湿度回归分析

对不同植物群落内PM2.5浓度与植物群落不同水平距离、群落内温度和相对湿度进行多元回归分析，结果见表2。由表2 可知，三刺皂角-紫丁香群落10，20 m 处PM2.5浓度与群落内颗粒物浓度回归系数不显著，说明无显著影响。新疆小叶白蜡群落颗粒物多元回归模型拟合度最好，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-紫丁香群落相关性最差。三刺皂角-紫丁香群落颗粒物与0 m 处PM2.5浓度、群落内温度、相对湿度均存在显著正相关关系；白榆-紫丁香群落、新疆小叶白蜡群落颗粒物浓度与10 m 处PM2.5浓度和群落内温、湿度同样是显著正相关关系，且受群落内温度和相对湿度影响更大。

表2 植物群落PM2.5 不同水平距离多元回归分析

3 结论

（1）夏季，新疆小叶白蜡-水蜡群落对PM10和PM2.5的削减效果最好，削减量分别为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，旱柳群落削减效果最小。秋季，白榆-紫丁香群落对PM10和PM2.5的削减效果最好，削减量为10.06 μg/m3，其次是三刺皂角-紫丁香群落和新疆小叶白蜡群落，红皮云杉群落削减作用最差。

（2）三刺皂角-紫丁香群落内颗粒物的扩散路径是从浓度最高的群落边缘向群落内移动，白榆-紫丁香群落与之有明显差异，群落内部颗粒物浓度高于群落边缘，向边缘扩散，新疆小叶白蜡群落出现由边缘向群落内部扩散，内部颗粒物浓度慢慢聚集的特征。

（3）对植物群落内PM2.5浓度与植物群落不同水平距离、群落内温度和相对湿度进行多元回归分析，三刺皂角-紫丁香群落颗粒物与0 m 处PM2.5浓度、群落内温湿度均存在显著正相关关系，白榆-紫丁香群落、新疆小叶白蜡群落内颗粒物浓度与10 m 处PM2.5浓度和群落内温湿度同样是显著正相关关系。

4 展望

在我国干旱区常年干燥的情况下，植物带来的生态环境效益显得更加重要[17-18]。本研究中7 种植物群落树种配置是乌鲁木齐市常见的绿化配置结构，乔灌草群落能有效减少颗粒物污染，而乔木群落对颗粒物的削减作用较小，许多研究也表明乔灌草复合结构削减颗粒物的效果优于乔草群落和单一群落[19-20]。植物群落在不同季节对颗粒物均存在明显不同的削减作用，在夏季，新疆小叶白蜡-水蜡群落对PM10和PM2.5的削减效果最好，秋季则是白榆-紫丁香群落对PM10和PM2.5的削减效果最好，说明植物群落中乔木和灌木配置能有效降低颗粒物污染，但不同植物群落对颗粒物的削减作用差异还受群落内树种、冠层结构、郁闭度等因素影响[21-25]。本文研究了植物群落内不同水平距离浓度变化和颗粒物削减作用，发现乔灌草群落和乔木群落颗粒物浓度是由群落边缘向群落内扩散，可以起到减轻群落周边颗粒物污染的作用，在城市绿化中，最常见的就是乔灌草配置，因此建议在绿化建设中，可适当加宽绿化带，加强颗粒物削减作用。