不同气象条件下北京市绿地植物群落对大气颗粒物消减作用∗

郭雅婷 李运远 林辰松

北京林业大学园林学院 北京 100083

随着城市的快速发展,大气颗粒物成为影响城市空气质量的首要污染物,其中,最主要的是总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)3类,对人们的正常生活和健康造成威胁[1]。尽管北京2020年空气质量较之前有较大改善,夏秋季基本消除PM2.5重污染[2],但由于北京地处华北平原北部,春季气温及相对湿度较低,大风天气较为频繁[3],极易受外来沙尘和地面扬尘影响[4－5],且西部、北部和东北部三面环山,不利于污染物扩散,春季空气污染仍较为严重,雾霾和扬尘天气频发。

我国学者从20世纪90年代开始研究植物对大气颗粒物消减效应,主要集中于园林植物消减大气颗粒物的作用机制[6－7]、不同植物个体消减大气颗粒物的能力[8－10]、城市绿地滞尘时空变化规律[11]、不同植物群落结构类型的绿地滞尘能力[12－13]等。另外,一些学者开始研究降雨及风速等因素对植物滞尘能力的影响[14],但仅停留在对单种植物个体的研究,对不同植物群落结构类型的研究相对较少。而各单株植物正是通过构成群落才发挥更大的生态服务功能。因此,本文以北京市朝阳区为例,于2021年4—5月,选择不同的天气,对3种粒径大气颗粒物(TSP、PM10和PM2.5)质量浓度进行监测记录,旨在了解春季不同气象条件下,城市绿地不同植物群落结构消减大气颗粒物的能力,为今后城市绿地植物群落设计提供参考。

1 研究材料与方法

1.1 样点选择

通过调查走访,选取5处建成时间较长、与人们生活较为密切的绿地和4种植物群落作为样地。5处绿地包括朝阳公园、北小河公园(综合公园)、姚家园公园(社区公园)、东坝郊野公园(郊野公园)和安立路绿化(道路与交通设施用地附属绿地)。对选取的城市绿地进行植物群落现状调研,在各绿地内选取4个20 m×20 m的不同植物群落,确保最终所选样点尽可能多地涵盖植物群落类型(表1)。同时,在各绿地内选取广场裸地作为对照点,每个对照斑块的面积均在400 m2以上。

表1 样点选择结果

1.2 气象条件和监测日期选择

选择春季出现频率较高,对大气颗粒物具有明显集聚、扩散等效应的3类典型气象类型,即晴朗微风、阴天雾霾、大风扬尘开展样地和对照地同步监测。晴朗微风天气风力为1~2级,能见度>10 km；阴天雾霾天气风力为1~2级,能见度为3~10 km；大风扬尘天气风力为3~4级,能见度为1~10 km。监测日期的选择遵循各气象类型不相邻原则,以减小试验误差,保证数据可靠,故选择的监测时间为:“晴朗微风”3天(3月22日、4月7日、4月13日),阴天雾霾3天(3月10日、3月14日、3月27日),“大风扬尘”3天(4月15日、4月27日、5月6日)。

1.3 指标测定和数据处理

一天中分3个时间段(8∶00－11∶30、11∶30－15∶00、15∶00－18∶00)对各试验样方及对照样方的3种大气颗粒物(TSP、PM2.5、PM10)浓度各进行一次测量。测量时,将2台LD-6S多功能激光粉尘连续测试仪分别放置在试验样方和对照样方的中心点处,保持1.5 m高度,每次测量仪器运行时间定为30 min,注意试验样方与对照样方同时读取数据；然后对相同气象条件下每个监测点监测数据的平均值进行统计分析；最后通过计算样点与对照点的大气颗粒物减少比例得到该大气颗粒物消减率,削减率可有效反映城市绿地植物群落净化颗粒物的能力强弱[15],消减率计算公式如式(1):

式(1)中,Q为大气颗粒物消减率,Vn为样点处颗粒物浓度均值,Vn－1为对照点颗粒物浓度均值[16]。

所有数据运用Microsoft Excel 2003和SPSS26.0进行分析,采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小显著差异法(Least—Significant Difference,LSD)比较不同气象条件下的颗粒物浓度差异,显著性水平设定为α＝0.05；采用K均值聚类法对不同气象条件下不同结构群落对大气颗粒物浓度削减率进行分类比较,不同气象条件下群落对各大气颗粒物消减率数据的K值由科学肘点法确定,结果均为3。

2 结果与分析

2.1 不同气象条件下空气中大气颗粒物的变化

由表2可知,春季对照样地TSP浓度为晴朗微风<阴天雾霾<大风扬尘,PM2.5和PM10浓度为晴朗微风<大风扬尘<阴天雾霾。由表3可知,LSD多重比较分析结果表明:PM10和PM2.5的浓度在阴天雾霾时显著(P<0.05)高于晴朗微风和大风扬尘天气,在晴朗微风和大风扬尘气象条件下差异不显著(P≥0.05)；TSP浓度在大风扬尘和阴天雾霾时均显著(P<0.05)高于晴朗微风天气,而在大风扬尘和阴天雾霾天气则差异不显著(P≥0.05)。以上情况表明,春季TSP浓度是造成扬尘和雾霾的主要原因,而PM10和PM2.5仅对雾霾造成较大影响。

表2 春季不同气象条件下对照样地大气颗粒物浓度 μg·m－3

表3 春季不同气象条件下对照样地大气颗粒物浓度LSD多重比较

2.2 不同气象条件下不同群落对大气颗粒物的消减作用

2.2.1 晴朗微风条件下不同群落对大气颗粒物的消减作用

1)TSP消减能力。由表4和图1可知:聚类中心为13.151%的a聚类组阻滞率最高,其聚类成员为三层乔灌草型群落(群落2、3、4、6、16、17、18、20)；聚类中心为9.147%的b聚类组阻滞率次之,其聚类成员为两层乔灌型群落(群落10、11、12)；c聚类组阻滞率较低(4.840%),其聚类成员为单层乔木型群落(群落1、9、19)、单层草本群落(群落15)和两层乔草型群落(群落5、7、8、13、14)。说明晴朗微风天气条件下,复层结构植物群落对TSP消减能力高于单层结构植物群落。

2)PM2.5和PM10消减能力。由表4和图1可知:安立路绿化中的群落17、18、20的PM2.5和PM10阻滞率属于b聚类组,明显低于其他处于a聚类组的三层乔灌草群落；群落19的阻滞率属于c聚类组,明显低于其他位于b聚类组的单层群落。以上结果表明道路与交通设施用地附属绿地的植物群落相比同结构其他绿地的群落而言,对大气颗粒物的消减能力较低。除此之外的其他群落,对PM2.5和PM10阻滞能力排序依次为:三层乔灌草型群落(a)>双层乔灌型群落(b)>双层阔叶乔草型群落(b)>单层乔木型群落(b)>双层针叶乔草型群落(c)>单层草本型群落(c)(图1)。

表4 晴朗微风条件下各群落不同大气颗粒物阻滞率及聚类分析结果

图1 晴朗微风条件下各群落不同大气颗粒物阻滞率

2.2.2 阴天雾霾条件下不同群落对大气颗粒物的消减作用

1)TSP消减作用。由表5和图2可知,各结构类型群落对TSP阻滞能力分类结果与晴朗微风天气条件下相同,但阻滞率相对较高。

2)PM2.5和PM10消减作用。各群落对PM2.5和PM10消减作用(表5、图2)表明,单层草本型群落阻滞率最高,双层阔叶乔草型群落和单层乔木型群落次之,双层乔灌型群落、三层乔灌草型群落和双层针叶乔草型群落阻滞率最低。

图2 阴天雾霾条件下各群落不同大气颗粒物阻滞率

2.2.3大风扬尘条件下不同群落对大气颗粒物的消减作用

1)TSP消减作用。由表6和图3可知,大风扬尘气象条件下,不同结构类型的绿地植物群落消减TSP能力自大至小依次为:双层针叶乔草型群落(a)>单层草本型群落(a)>双层阔叶乔草型群落(b)>三层乔灌草型群落(b)>单层乔木型群落(c)>双层乔灌型群落(c)。

2)PM2.5和PM10消减作用。由表6和图3可知,大风扬尘气象条件下,不同结构类型的绿地植物群落消减PM2.5和PM10能力自大至小依次为:单层草本(c)>双层针叶乔草(c)>双层阔叶乔草(b)>单层乔木(b)>三层乔灌草(a)>双层乔灌(a)。

表6 大风扬尘条件下各群落不同大气颗粒物阻滞率及聚类分析结果

图3 大风扬尘条件下各群落不同大气颗粒物阻滞率

3 讨论

晴朗微风气象条件下,复层结构群落滞尘能力较高,原因可能是颗粒物在风速较低时通常会通过自身重力进行沉降。乔灌草型群落经过了乔木和灌木的2次阻滞,到测试高度时颗粒物浓度已经相当低,因此乔灌草型群落表现出较高的阻滞率。对于PM2.5和PM10而言,道路与交通设施用地附属绿地植物群落表现出较低的阻滞率,这可能是由于群落距离污染源较近,且春季干燥少雨,植物PM2.5和PM10阻滞能力在该段时间内已趋近饱和,故表现出较低的滞尘能力。这与邵锋、薛文川等[16－17]关于颗粒物浓度与污染源距离成反比的研究结果一致。

阴天雾霾气象条件下,各结构类型群落对TSP阻滞能力分类结果与晴朗微风天气条件下相同,这可能是因为阴天雾霾天气中的较大湿度在风力较弱时,对粒径较大的TSP在空气中的运动影响不大,因此各结构类型群落表现出与晴朗微风相同的阻滞能力。但由于阴天雾霾条件下,大气中颗粒物含量本身较高,故各群落阻滞率均相对较高。复层结构型群落对PM2.5和PM10阻滞能力反而低于单层草本结构。其原因可能是双层乔灌型群落和三层乔灌草型群落内风速较小,空气流通性较差,细颗粒物沉降困难,不易在短时间内被清除；而且群落内的相对湿度高于对照点,静稳高湿的气象条件有利于林内细颗粒物的积聚[18],因此表现出较低的消减作用。双层阔叶乔草、单层乔木及草本型群落由于群落内部空气流动性较好,有利于细颗粒物的扩散,拥有较好的消减作用。

大风扬尘气象条件下,无草本覆盖的群落对TSP阻滞率较低,甚至出现负值,可能是因为当风速超过阈值时,地表及原本植物吸附的颗粒物会被风再次带入空中而使颗粒物质量浓度增大。双层针叶乔草型群落表现出对TSP较高的阻滞能力,其原因可能是针叶乔木体积较大,阻隔了携带颗粒物的大风。单层草本群落对PM2.5和PM10的阻滞率最高,原因可能是草坪上通常没有人活动,且没有浮土。相较于乔灌草和乔灌型群落,通透性较好的双层阔叶乔草与单层乔木结构的群落表现出稍高的阻滞能力。

本研究在一定程度上可以指导城市绿地植物群落的构建,如对于污染源在内部的一些绿地,可以设计乔草等利于颗粒物消散的疏朗型群落结构,而对于污染源在外部的绿地,则应采用乔灌草复层结构、针叶乔草结构等阻挡污染物。北京春季多风沙,草本不易养护,在经济条件有限的情况下,可以用树皮等有机物覆盖裸地,以减少二次扬尘。但是受试验条件的局限,本文仅在较为宏观层面进行探讨,今后还需要进一步展开详细研究,为城市绿地滞尘型植物群落构建提供更坚实的基础。

4 结论

1)春季不同气象条件下大气颗粒物浓度显著不同,TSP在扬尘和雾霾天气均具有较高浓度,而PM2.5和PM10仅在雾霾天气具有明显的高浓度。

2)春季道路与交通设施用地附属绿地的PM2.5和PM10阻滞能力低于其他类型绿地。

3)晴朗微风气象条件下,复层结构植物群落对各类颗粒物消减能力均高于单层结构植物群落。

4)阴天雾霾气象条件下,各结构类型群落对TSP阻滞能力分类结果和在晴朗微风天气条件下相同,但整体阻滞能力高于晴朗微风时。而复层结构群落和单层草本型群落对PM2.5和PM10阻滞率与晴朗微风天气条件刚好相反。

5)大风扬尘气象条件下,没有草本植物的群落对TSP的阻滞能力极低,有时甚至表现为负值。复层结构的植物群落对大气颗粒物的阻滞能力在大风扬尘时反而表现较差。而能够阻挡大风的针叶乔草型群落和通透性好且无人活动的草本群落表现出较高的阻滞能力。