夏季干旱半干旱城市公园不同植被配置环境效应评价研究

王 波，闫晓云，侯秀娟，李心愿，包红光

(内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

城市公园在改善生态环境中扮演着重要角色，其在城市绿地建设中起至关重要的作用，城市公园不同植被配置是城市公园的基本景观和重要组成部分，它能为人们提供优美舒适的休闲空间，缓解人们紧张的生活节奏。目前国内外关于城市公园绿地配置类型的研究多数是从人体舒适度[1-2]、温湿效应[3-4]、空气质量[5-6]、小气候[7-8]、绿地生态[8-9]等单方面进行展开。然而，对于城市公园不同植被配置多种因素综合性环境效应评价研究较少，且目前的研究多集中于北京及北京以南地区。呼和浩特市位于内蒙古中西部，属于典型的干旱半干旱城市，是内蒙古自治区政治、经济、文化中心。因此，本文选择呼和浩特市敕勒川公园中的5处具有代表性的植被配置作为研究对象，在夏季进行实地监测，探究不同植被配置的人体舒适度、空气颗粒物质量浓度、噪音及空气负离子质量浓度的日变化规律，为今后游人选择最佳游园时间及同类型气候条件地区的城市公园的植被配置提供科学理论依据，并根据现有城市公园的植物资源，如何加以利用构建一个合理完善的植被配置，进一步通过不同植被配置达到城市公园绿地环境效应最优化。

1 研究区概况

呼和浩特市位于内蒙古自治区中西部，属干旱半干旱区域气候，敕勒川公园位于呼和浩特市赛罕区(111°46′24″E,40°49′14″N)，绿地面积约33万m2，是周边居民晨练及休闲活动的主要场所之一。公园设施完善，布置大面积的植被，绿化植物达70余种，主要乔木树种有油松(Pinustabuliformis)、新疆杨(Populusalba)、白皮松(Pinusbungeana)、云杉(Piceaasperata)、国槐(Sophorajaponica)、栾树(Koelreuteriapaniculata)、白杜(Euonymusmaackii)、旱柳(Salixmatsudana)、五角枫(Acermono)、紫叶李(Prunuscerasifera)、榆树(Ulmuspumila)、白蜡(Fraxinuschinensis)；主要灌木树种有小叶黄杨(Buxussinica)、金叶榆(Ulmuspumila)、连翘(Forsythiasuspensa)、紫丁香(Syringaoblata)、红瑞木(Cornusalba)、珍珠梅(Sorbariakirilowii)；主要草本有草地早熟禾(Poapratensis)。

2 材料与方法

2.1 监测点选择

依据实地勘察分别选择乔草型(S1)、乔灌型(S2)、乔木型(S3)、灌草型(S4)、乔灌草型(S5)等不同植被配置，同时将敕勒川公园西侧入口广场设为对照点(CK)，对照点(CK)选择没有任何乔、灌、草覆盖，且无建筑物遮光影响的硬质铺装空地，不同植被配置及对照点(CK)监测空气温度、相对湿度、平均风速、空气颗粒物质量浓度、空气负离子质量浓度及噪音等监测指标(表1)。

表1 样地植被概况

2.2 数据监测方法

于2020年7-8月，参照中国环境监测网选取晴天，晴转多云为主的天气，共计10 d。监测时段7:00-19:00，每小时监测1次，每次进行3个重复，监测高度为人体呼吸高度1.3～1.5 m处。

2.3 人体舒适度监测

采用Kestrel 4500手持自动气象仪监测各点的平均温度、相对湿度及平均风速等气象因子，选用我国气象台所用的人体舒适度公式ICHB，全面考虑平均温度、平均风速、相对湿度3个极显著影响的指标进行描述，综合舒适度指标划分标准进行分析(表2)，舒适度指数计算公式如下：

表2 我国人体舒适度指数等级划分标准

式中：t为平均温度，℃；HR为相对湿度，%；v为平均风速，m/s。

2.4 空气颗粒物监测

采用Turnkey仪器公司生产的Dustmate粉尘监测仪监测TSP(总悬浮颗粒物)、PM10、PM2.5及PM1.04种空气颗粒物质量浓度，分辨率为0.001 μg/m3，测量范围为0～6 000 μg/m3，同时依据2012年我国最新发布的《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)(表3)，由于其暂时只有TSP、PM10、PM2.53种粒径空气颗粒物质量浓度的标准，对敕勒川公园内TSP、PM10、PM2.53种粒径空气颗粒物质量浓度进行评价。

表3 空气颗粒物日均质量浓度清洁度评价标准

2.5 空气负离子监测

采用AIC-1000空气负离子仪对空气负离子质量浓度进行监测，同时参考石强等[10]2002年在《中国环境科学》中提出的负离子质量浓度6级评级标准(表4)，对敕勒川公园内负离子质量浓度进行评价。

表4 6级空气负离子质量浓度评级标准

2.6 噪音监测

采用TES-1350A噪音仪监测，分辨率0.1 dB，监测范围35～130 dB，根据城市区域环境噪声标准(表5)，对公园内噪音进行评价。

表5 城市区域环境噪声标准(GB 3096-93)

2.7 数据处理

运用SPSS25.0与Origin2019软件对所得数据进行统计分析及图表制作。

3 结果与分析

3.1 温湿度变化规律

由图1可知，各监测点温度日变化呈现先上升，后下降的变化趋势。7:00为最低值，13:00出现最高值，与对照点(CK)相比公园内各监测点温度平均降低1.3 ℃，空气相对湿度增加10.7%；在监测时段内，公园内各监测点平均降温能力在7:00与10:00较好，13:00之后降温能力逐渐下降，18:00监测点平均温度与对照点(CK)相比降低1.1%。公园内各监测点日平均温度排序为S3>S5>S2>S4>S1>CK，这可能是由于叶片能遮挡大面积阳光，随着太阳逐渐上升，绿化覆盖度较小的对照点(CK)升温最快，相比之下植物覆盖密集区域升温缓慢。

各监测点空气湿度日变化趋势与温度有所差异，呈先下降，后上升的变化趋势，7:00为最高值，13:00-16:00出现最低值。各监测点与对照点(CK)相比增湿能力在7:00最好，相对湿度增加18%，而在12:00平均增湿能力表现不佳，仅增加7.4%。各监测点日平均湿度排序为S4>S3>S5>S2>S1>CK，S4平均湿度最高可能是由于其灌木密度大，土壤大部分被完全遮盖导致叶片与土壤水分蒸发较缓慢，因而平均湿度大于其他监测点。

3.2 人体舒适度日变化规律

由图2可知，各监测点ICHB值在60～70，人体感受度在Ⅵ范围内，整体趋势趋于平稳。7:00所有监测点人体感受度均为较舒适，人体感受度处于Ⅴ等级范围，8:00后各监测点ICHB值虽然有升高趋势，但整体上趋于平稳，除S4在17:00出现人体感受度为较热，说明不适合长时间逗留，人体感受度处于Ⅶ等级范围，其余监测点整体上表现为偏热，人体感受度均处于Ⅵ等级范围，这可能是由于温度逐渐升高，湿度呈下降趋势所导致[11-12]。对照点(CK)在7:00-12:00处于较舒适状态，人体感受度处于Ⅴ等级范围，这可能是由于上午温度相对偏低，开阔地带风速较大，说明该时段利于人们进行游憩活动，13:00-19:00对照点(CK)处于偏热状态，人体感受度处于Ⅵ等级范围，说明在无树木遮挡的情况下该时段不适合进行长时间活动。公园内各监测点在监测时段内平均舒适时长表现为S2>CK>S3>S1>S5>S4，S2平均舒适时间最长，达3.9 h，集中在7:00-10:00，S4平均舒适时间最短为2.1 h，建议在夏季尽量选择S2的区域进行游憩活动。

3.3 空气颗粒物质量浓度日变化规律

3.3.1 空气颗粒物质量浓度日变化 由图3可知，TSP与PM10质量浓度日变化呈现波动状态，7:00-8:00与18:00-19:00出现监测时段较高值，14:00出现监测时段内较低值；PM2.5与PM1.0质量浓度日变化表现出一定的协同性，监测数值变化幅度不大，7:00-8:00与11:00-12:00出现监测时段内较高值，14:00以后变化趋势平缓，17:00出现监测时段内最低值。监测时段内3种不同粒径空气颗粒物质量浓度均能达到环境空气质量Ⅰ级标准，说明在监测时段内空气质量优良，这可能是夏季太阳活动频繁，植物处于生理活动最佳且生长稳定的状态，吸附颗粒物的效果明显[13-16]，并且呼和浩特市多风的气候特征也利于空气颗粒物的消散，导致污染物质量浓度处于较低水平。

3.4 空气负离子日变化规律

由图4可知，各监测点空气负离子质量浓度变化大体呈“V”形，7:00-8:00与18:00-19:00出现2个高峰值，12:00-14:00出现最低值。空气负离子质量浓度日变化为212.7～763.3 ions·cm-3，7:00-11:00各监测点负离子质量浓度均大于对照点(CK)负离子质量浓度，说明上午阶段公园内空气负离子质量浓度明显高于对照点(CK)，但总体呈现下降趋势。究其原因，可能是由于温度升高，湿度降低，光合作用受到抑制，释放的负离子数减少[17-19]，15:00-19:00不同监测点空气负离子质量浓度为上升趋势，可能是由于温度降低，湿度增大，光合作用逐渐增强，负离子质量浓度上升[20-22]。

从监测时段公园内监测点空气负离子质量浓度浮动范围来看，7:00-11:00与14:00-19:00各监测点空气负离子质量浓度处于允许质量浓度水平，处于Ⅴ范围，表现为对人体健康有利水平，12:00-13:00空气负离子质量浓度处于临界质量浓度水平，处于Ⅵ范围，表现为对人体健康不利水平；7:00-15:00对照点(CK)空气负离子质量浓度处于临界质量浓度水平，处于Ⅵ范围，表现为对人体健康不利水平，16:00-19:00对照点(CK)空气负离子质量浓度达到允许质量浓度水平，处于Ⅴ范围，表现为对人体健康有利水平。从各监测点空气负离子质量浓度日均值来看，表现为S5>S1>S2>S4>S3>CK，说明复层及单层植被配置结构绿地均有利于空气负离子的产生。

3.5 噪音日变化规律

由图5可知，各监测点噪音日变化呈现“两端高，中间低”的变化趋势，7:00-9:00与18:00-19:00分别出现监测时段内较高值，13:00表现为最低值。究其原因，可能是由于周边居民活动时段以及上下班高峰期有关。根据城市区域环境噪声标准(GB 3096-93)，监测时段内S3达到Ⅱ类，其他监测点均达到Ⅰ类标准，8:00-9:00对照点(CK)噪音分贝达到Ⅳ类，其他监测时段均为到Ⅰ类标准，可能是由于居民在此处进行锻炼等休闲娱乐活动有关。各植被类型平均噪音表现为S3>CK>S2>S4>S5>S1，S3平均噪音分贝最高，可能是由于其植被配置简单，林下空间通透，对噪音的阻挡作用小，其余监测点平均噪音均小于对照点(CK)，这可能是由于植物叶片能反射和吸收声波，能有效降低噪音污染，说明公园内减噪能力整体上较好，适合开展日常活动。

3.6 不同表征因子相关性分析及主成分分析

3.6.1 相关性分析 由表6可知，通过对人体舒适度与其他因子的相关性分析，可以初步判断除平均温度、相对湿度、平均风速极显著影响人体舒适度外，TSP质量浓度、PM10质量浓度、噪音和气压也是显著影响人体舒适度的气象因子(P<0.05)。气压极显著影响人体舒适度(P<0.01)，究其原因，可能是由于气压极显著影响湿度，气压升高湿度增加，人体感受不佳，进而影响人体舒适度；气压与PM2.5质量浓度呈极显著正相关，与PM10、PM1.0呈显著正相关，说明监测时段气压不利于空气颗粒物的消散稀释，同时由于高气压下，气流从高压流向低压，气流为下沉气流，靠近地面的空气密度变大导致空气颗粒物的密度变大，颗粒物难以扩散从而导致其质量浓度上升；负离子质量浓度与平均温度及平均风速呈显著负相关(P<0.05)，可能是平均温度影响植物光合作用产生负离子，从而影响负离子的产生，平均风速越大越促进负离子消散，负离子质量浓度与小粒径颗粒物质量浓度呈负相关，可能是负离子小粒径颗粒物相吸附导致颗粒物质量浓度下降[20-21]；噪音与平均温度风速呈显著负相关，与相对湿度呈显著正相关。

表6 各因子间相关性

3.6.2 主成分分析 对人体舒适度指数、TSP质量浓度、PM10质量浓度等11个数据进行主成分分析，结果表明前3个主成分的累计贡献率为94.429%(表7)，故提取主成分并得出初始因子载荷表(表8)和各个主成分对应的特征值。计算11个生态因子的综合得分并进行排名，计算各主成分表达式：

表7 方差分解主成分提取

y1=0.120 94x1+0.039 58x2+0.231 77x3+0.314 90x4+0.365 03x5-0.334 24x6+0.426 17x7+0.308 30x8+0.038 70x9-0.419 13x10-0.363 71x11

(1)

y2=0.109 51x1+0.433 20x2+0.328 53x3+0.303 02x4+0.098 96x5+0.136 34x6-0.066 41x7-0.304 34x8+0.357 99x9-0.002 64x10+0.234 41x11

(2)

y3=0.736 37x1-0.011 22x2-0.028 06x3+0.088 99x4-0.003 21x5+0.431 30x6-0.123 46x7-0.064 31x8-0.435 31x9-0.206 83x10-0.103 42x11

(3)

式中：y1、y2、y3为主成分1、2、3得分；x1～x11分别为因子人体舒适度指数、TSP、PM10、PM2.5、PM1.0、平均温度、相对湿度、负离子质量浓度、噪音、平均风速及气压的原始数据标准值；根据主成分1、2、3初始特征值的方差贡献率计算综合得分，表达式为：y=0.470 01y1+0.332 79y2+0.141 50y3。

根据表8可知，第1主成分中，对公园绿地环境效应影响较大的为湿度、PM2.5、PM1.0，其中相对湿度的值最大，为第1主成分影响环境效应的主要因素；第2主成分中TPS、噪音、PM10较高，其中TSP的值最大，为第2主成分影响环境效应的主要因素；第3主成分中人体舒适度、平均温度、PM2.5较高，其中人体舒适度的值最大，为第3主成分影响环境效应的主要因素，这说明影响环境效应的主要因素为小气候及空气颗粒物质量浓度。主成分得分可综合反映各影响因素对环境效应的综合作用，从5个监测点及对照点(CK)的环境效应总得分排序中可以看出，S4综合得分最高，为1.61，环境效应最高；其次是S3、S5，综合得分分别为1.16和0.21，说明结构复杂、郁闭度高的植被配置类型环境效应高。

表8 初始因子成分矩阵

表9 主成分得分和综合得分

4 结论与讨论

通过对敕勒川公园不同植被配置夏季环境效应评价可知，与对照点(CK)相比公园内各监测点均有明显的降温增湿的作用，7:00-10:00公园内各监测点气候较舒适，处于V级别；监测时段内S5空气颗粒物及负离子日平均质量浓度最利于人体健康；监测时段内S1噪音分贝最低。总体来讲，S4的夏季环境效应最高，其次是S3、S5，说明层次复杂、郁闭度高的植被配置类型环境效应表现较高。

城市公园不同植被配置平均降温增湿能力在早上最好，这与大多学者研究结果基本保持一致[1-2,4]，其中S3高郁闭度降温增湿能力最好，这可能是由于监测点郁闭度大，叶片覆盖率高，温度上升缓慢并且植物于土壤的水分蒸发慢。不同配置类型的人体舒适度日变化呈先上升后下降的变化趋势，夏季S2舒适时间最长，S4舒适时间相对较短，这与大多学者的研究结果一致[1-2]。公园中的TSP与PM10质量浓度日变化趋势呈现波动状态，PM2.5与PM1.0质量浓度日变化趋势基本相同，空气颗粒物质量浓度基本为早晚高，这与部分学者研究结果相似[6,9,13]，这可能由于相对湿度较大不利于空气颗粒物的消散沉降，并且与早晚上下班人流高峰期有关。总体来讲，监测时段空气颗粒物质量浓度均达到国家Ⅰ级标准，这可能与呼和浩特市的干燥多风的自然气候和城市公园丰富的植被有关，利于空气颗粒物的消散。公园内的空气负离子质量浓度呈早晚出现峰值，乔灌配置类型相对有利于空气负离子质量浓度的增加改善空气质量，这与部分学者的研究结果相似[17-18,20]，但峰值的出现时间有所差异，这可能与监测时段和监测频率不同有关，监测时段公园内空气负离子质量浓度整体偏低，这可能与公园处于居住区附近，周围建筑物多人口较密集有关，导致空气负离子消耗较大。公园内噪音日变化呈现早晚高的趋势，这与大多学者的研究结果一致[1,3]，总体达到一类水平，S1噪音分贝最低，但S3平均噪音分贝明显高于其他监测点，这可能是由于配置类型单一，林下空间通透，声波在此高度阻挡少所导致。

目前，本研究只对敕勒川公园不同配置类型的人体舒适度、空气颗粒物、空气负离子、噪音在居民游憩时段进行监测研究，今后可对城市公园绿地环境效应昼夜变化规律及影响因素深入研究，为干旱半干旱地区城市公园绿地建设规划以及营造宜居环境提供科学理论依据。