基于隶属函数值法的城市公园绿地生态环境效应研究

闫晓云， 石玮琦

(内蒙古农业大学 林学院， 内蒙古自治区 呼和浩特 010010)

0 引言

随着城市化发展，我国生态环境发生了诸多变化。作为空气污染的罪魁祸首，大气颗粒物传播速度快、来源较广、持续性及扩散能力很强，严重影响了空气质量的提升[1]。空气负离子对环境的增益作用主要体现在其能够清洁空气并有效调节微气候。随着热岛效应愈演愈烈，学者们开始探究城市绿地与生态环境质量之间的关系，积极寻求缓解热岛效应，提高居民体感舒适度的方法。研究证实了城市绿地植物具有降低周围环境温度、增加湿度、释放空气负离子、降低大气颗粒物浓度、提高人体舒适度等功能。因此，城市绿地的各种生态功能逐步受到重视。20世纪90年代，陈自新等[2]以城市绿地为依托率先开展研究，以北京典型城市绿地园林植物为研究对象，结合定量的方法，探究了城市绿地的各种功能，如降低温度、增加湿度、吸收热量等。近年来，学者将研究重点放在城市公园绿地植物滞尘[3-4]、降温增湿[5-7]、生态保健[8-9]等生态环境效应上，从大气颗粒物[10-13]、空气负离子[14-15]、人体热舒适度[16-17]等角度开展研究，目前已形成较为全面的理论体系。但是，上述研究多着眼于评价特定单项生态指标，缺乏对多项生态指标的整体评价。本文以温度、相对湿度、风速等气象因子，大气颗粒物(airborne particulate matter,AMP)，空气负离子(negative air ion,NAI)和人体舒适度(comfort human degree,CHD)为评价指标，通过监测呼和浩特市树木园生态环境因子，采用主成分分析法与隶属函数值法，综合对各植物群落类型绿地的生态环境效应进行评价。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呼和浩特市树木园(40°42′N，111°42′E)位于内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区，兼有林木种质资源保存、观赏游憩、科研教学等功能。海拔1 056 m，占地面积22 hm2，属温带大陆性气候，年平均气温5.8 ℃，年降雨量300～450 mm。园内共500余种植物，分属53科，122属，包括针叶树种、阔叶树种、沙生植物等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地筛选

于2021年7月进行实地调研，遵循植物群落类型均一、生长状况良好等原则，选取5块样地(S1—S5)为研究对象，各样地间距离为100～160 m，在样地中选择面积为20 m×20 m的植物群落作为样方。记录样地内的树种名称，测定胸径、树高等数据(见表1)，以树木园内硬质广场(S6)作为对照点，各植物群落中心点为监测点。

表1 呼和浩特树木园样地概况Tab. 1 Overview of the Hohhot arboretum plots

1.2.2 生态环境因子监测

2021年8月，选择晴朗微风的天气，连续5 d开展实地监测。监测时间为早晨8:00至晚上18:00，以2 h为间隔，每天监测6次，对树木园内共6处样地的气象因子、大气颗粒物浓度(CAPM)、空气负离子浓度(CNAI)和人体舒适度(ICHB)进行同步监测。采样高度距地面约1.5 m。采用Kestrel NK 4500便携式气象仪，对各植物群落的气象因子进行测定，重复3次并取均值。采用美国Turnkey Dustmate粉尘监测仪测定各样地总悬浮颗粒物(total suspendal partical,TSP)、PM10、PM2.5和PM1浓度，待仪器读数稳定后，分别从东南西北4个方向读取数据，每个方向重复3次，最终取均值。采用美国AIC空气离子测试器监测各样地NAI浓度，测定前需先归零，测定方法与APM相同。

1.2.3 指标计算与评价

以GB 3095—2012《环境空气质量标准》[18]、森林环境空气负离子浓度分级评价标准[19]和中国气象局制定的人体舒适度等级划分标准作为评价标准。人体舒适度指数ICHB计算公式如下：

ICHB=(1.8t+32)-

(1)

式中:t表示平均温度,℃;Hr表示相对湿度,%;v表示平均风速,m/s。

1.2.4 不同植物群落生态环境效应研究

采用模糊综合评判中的隶属函数值法，对不同植物群落的生态环境效应进行评价。隶属函数值计算公式如下：

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

(2)

如果该指标为负向指标，计算公式为：

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(3)

其中：U(Xi)表示i样地的生态环境效应隶属函数值，Xi表示i样地某指标测定值，Xmax和Xmin分别表示样地某指标的最大值和最小值。以所选样地各指标隶属函数值的均值作为判定该样地生态环境效应优劣的标准，均值越大，该样地的生态环境效应越好。

1.2.5 数据处理

运用Microsoft Excel统计、分析监测数据；采用Origin2019绘制相关图表；利用SPSS25.0进行相关性分析(皮尔逊相关性检验)及主成分分析；运用隶属函数值法计算综合生态环境效应隶属函数值。

2 结果与分析

2.1 不同植物群落气象因子日变化特征

2.1.1 温度

由图1可知，一天内各植物群落温度变化趋势相近，先上升后缓慢下降，温度最高峰值出现在16:00左右，8:00左右最低。各样地日平均温度明显低于对照点，降温率为3.34%(样地S2)～5.05%(样地S1)。这可能与样地S2植物群落结构简单、郁闭度低、遮阴效果差、蒸腾作用弱有关，最终导致样地内温度升高。

2.1.2 相对湿度

由图1可知，各植物群落相对湿度在8:00左右达到峰值，16:00左右最低。日平均相对湿度变化趋势基本一致，变化曲线呈“V”型。各植物群落日平均相对湿度明显高于对照点，增湿率为1.82%(样地S2)～12.18%(样地S1)。这主要是因为样地S1郁闭度大于样地S2，空气对流减弱，蒸腾作用更明显，植物冠层内水汽扩散受到影响，速率降低，增湿率升高。

2.1.3 风速

由图1可知，各植物群落风速变化趋势不同，一天内，风速多于12:00达到峰值，早晚风速最低。样地S2风速变化曲线波动最大，S4波动极小。大部分样地日平均风速低于对照点，证明绿地内树木、树冠、枝叶具有一定遮挡、减弱风速的作用。样地S2风速高于对照点，推测是绿地内郁闭度相对较小，树木遮挡作用弱，导致空气对流加强。

图1 不同植物群落气象因子日变化Fig. 1 Diurnal variation of meteorological factors in different plant communities

2.2 不同植物群落CAPM日变化特征及评价

5种植物群落CTSP和CPM10日变化趋势相近(图2)。一天中先下降再上升，8:00达到浓度峰值，14:00—16:00浓度最低。CPM2.5和CPM1日变化趋势相同，一天内先下降，后缓慢上升，峰值出现在8:00，谷值出现在16:00。样地S2、S5能够降低CAPM，而其余样地内CAPM高于对照点。

图2 不同植物群落CAPM日变化Fig. 2 Diurnal variation of CAPM in different plant communities

依据环境空气质量标准(GB 3095-2012)，树木园5种植物群落CAPM均达到国家二级环境空气质量标准(以下简称一、二级标准)。其中，日平均CTSP均达到二级标准。8:00左右污染最严重，超标率达0.68%～43.78%，对照点超标率为3.43%，其余时间均达到一级标准。相较于PM10和PM2.5，CTSP达到一级标准的时间延长了4～6 h。日平均CPM10均达到二级标准。一天内仅14:00—16:00达到一级标准，其余时间植物群落超标率为2.92%～82.94%，对照点超标率为1.8%～59.72%。仅样地S2和S5内日平均CPM2.5达到一级标准，其余样地达到二级标准。14:00—18:00，所有样地CPM2.5达到一级标准。8:00—12:00，植物群落超标率为4.8%～56.63%，对照点超标率为13.94%～45.67%。上述结果表明，一天内上午APM污染更加严重，三种颗粒物污染程度由低到高依次为：TSP

2.3 不同植物群落CNAI日变化特征及评价

日平均CNAI变化范围是673.82±153.17～759.86±135.33 个/cm3，均高于对照点，见图3。

图3 不同植物群落ICHB与CNAI日变化Fig. 3 Diurnal variation of ICHB与CNAI in different plant communities

由图3可知，CNAI随着时间推移，先缓慢下降，后上升，变化曲线呈“U”字形。浓度最高峰值出现在8:00和18:00，12:00左右最低。方差分析结果表明，除样地S2，其他植物群落CNAI与对照点差异显著(P<0.05)。

根据NAI浓度分级评价标准，夏季5种植物群落类型中，日平均CNAI均处于Ⅴ级。一天内8:00—16:00各样地的CNAI达到Ⅴ级。18:00左右，大部分样地的CNAI处于V级，仅样地S1和S4达到Ⅳ级，即“中等”水平。对照点10:00—14:00CNAI处于Ⅵ级，保健效果差；其余时间处于V级，保健效果一般。植物群落保健效果优于对照点，一天内可延长保健时间约6 h。

2.4 不同植物群落ICHB日变化特征及评价

从图3可以看出，各样地ICHB变化趋势相近，变化曲线呈倒“V”型。早晨8:00体感舒适度最佳，12:00和16:00左右感到不舒适，其他时间体感较舒适。日平均ICHB变化范围为71.77±2.73～73.19±2.54。不同植物群落日平均ICHB明显低于对照点，即公园绿地能够有效地提升ICHB，改善率最高为1.94%。

根据人体舒适度等级划分标准，可知树木园日平均ICHB处于Ⅵ级，即“微热”范围。8:00左右，所有样地ICHB处于“舒适”范围。10:00左右，部分样地ICHB处于“舒适”范围，其余样地ICHB处于“微热”范围。10:00后，各样地ICHB持续上升，大多数样地ICHB处于“微热”范围，极少数样地令人感到不舒适。16:00—18:00，ICHB缓慢下降，大部分样地处于“微热”范围。因此，10:00—16:00，不建议在树木园内开展娱乐活动。一天内，各样地的体感舒适时间持续8.5～10 h，与对照相比，体感舒适时间延长了1.5 h左右。

2.5 不同植物群落与各生态环境因子间的关系

利用SPSS对各样地生态环境因子进行相关性分析(见表2)。结果表明：(1)CNAI与风速呈极显著负相关(P<0.01)。这可能是因为8:00后光照强度逐渐增加，风速也逐渐增大，当风速过大时，植物光合作用变弱，导致CNAI浓度降低。(2)ICHB与温度呈极显著正相关(P<0.01)，与风速呈显著正相关(P<0.05)，与相对湿度呈极显著负相关(P<0.01)。ICHB不仅与上述气象因子相关性显著，还与APM、气压呈极显著负相关(P<0.01)。(3)CAPM与温度呈极显著负相关(P<0.01)，与相对湿度呈极显著正相关(P<0.01)。这可能是因为早晨8:00光照弱，气温最低，相对湿度最大，风速较小，营造了APM难以扩散的环境，使其反而聚集增多，达到峰值。8:00后，环境温度不断升高，风速增大，空气对流加快，创造了易于APM扩散的条件。到了晚上18:00，光照弱，植物光合作用不强，气温缓慢降低，相对湿度变大，风速降低，致使APM浓度升高[20]。CAPM与气压呈极显著正相关(P<0.01)，是因为气压升高，中心区域的空气不断下降，风力减弱，APM难以向上方扩散，浓度升高[21]。气压对ICHB的影响为：气压升高，大多为稳定天气，人感到轻松、舒适；气压降低时，大多为阴雨天气，会令人感到压抑、沉闷[22]。

表2 不同植物群落各生态环境因子的相关系数Tab. 2 Correlation coefficients of ecological environmental factors of different plant communities

2.6 不同植物群落类型绿地生态环境效应评价指标主成分分析

选取10个生态环境效应评价指标，进行主成分分析,见表3。从表3可以看出，前两个主成分的累积贡献率为90.95%，较为全面地解释了各样地生态环境效应的总体信息。因此，将前两个主成分作为评价植物群落生态环境效应的综合指标。结合表3、表4可知，主成分1(CTSP)的特征值为7.457，包含了CPM1、CPM2.5、气压、CPM10、相对湿度、CTSP、温度和ICHB等8个指标。其中，温度和ICHB与绿地生态环境效应呈负相关，其余各项指标呈正相关。主成分2(CPM10)的特征值为1.638，包含了CNAI、风速等2个指标。CNAI与绿地生态环境效应呈负相关，风速与之呈正相关。

表3 总方差解释表Tab. 3 Interpretation table of total variance

表4 旋转后的成分矩阵表Tab. 4 Table of components matrix after rotation

2.7 不同植物群落类型绿地生态环境效应评价

以隶属函数值为依据(见表5)，对树木园内植物群落生态环境效应进行排序。不同植物群落生态环境效应隶属函数值的大小依次为：ECMF>DBLMF>CK>DS>ECF>EDMF。样地S1综合生态环境效应最佳，最适宜夏季休闲娱乐，样地S5最差。

表5 不同植物群落生态环境效应隶属函数值Tab. 5 Membership function values of ecological environment effects of different plant communities

3 讨论

夏季树木园内不同植物群落降温增湿的能力存在差异。这与杨荣[23]等的研究结果相近。本研究发现，夏季树木园内不同植物群落降温能力依次为：ECMF>DBLMF>DS>EDMF>ECF>CK。增湿能力依次为：ECMF>DS>DBLMF>EDMF>ECF>CK。这与林荫[24]、夏繁茂[25]等的研究结果不同。综上，目前何种公园绿地植物群落配置温湿效应最佳尚未定论。

夏季树木园内不同植物群落ICHB依次为：ECF

多项研究表明，城市绿地园林植物冠层可降低风速，其叶片、树皮可吸附颗粒物，从而消减大气中的颗粒物[27]。但本研究发现，不同植物群落消减APM的能力依次为：EDMF>ECF>CK，其余三个样地日平均CAPM反而高于对照点。这可能是因为城市公园绿地消减APM存在“绿化效益最佳阈值区”，当郁闭度和林分密度过大，反而能够聚集APM[28]。研究表明，在消减APM能力方面，复杂的植物群落一般优于简单的植物群落。样地S5内CAPM最小。这与刘双芳等[29]的结论一致。从样地内植物配置来讲，样地S5植物群落结构比S2更加复杂，植物平均高度更低，为颗粒物的扩散创造了条件。样地S4内CAPM最高，可能是因为针叶树种比落叶树种更能分泌油脂等物质，能更有效地吸附颗粒物。一般来讲，针叶混交林消减APM的能力优于针叶纯林。但本研究发现，常绿针叶混交林内CAPM高于对照点。这可能与样地S1的位置有关。样地S1靠近周边单位入口，受到外界环境的影响，外源输入颗粒物较多，致使CAPM升高。

不同植物群落类型绿地释放CNAI存在一定差异，大部分植物群落释放CNAI显著高于对照点。不同植物群落释放CNAI依次为：ECMF>DS>DBLMF>EDMF>ECF>CK。样地S1内CNAI最高，高于其他样地0.86%～56.63%。这可能是因为样地中树木生长状况良好，郁闭度较低，以曲率半径较小的针叶树种为骨干树种，更容易发生光电效应，因此促进了NAI的释放。这与徐兰等[30]的结论一致。样地S2虽同为针叶树种，释放CNAI却最低。推测是因为样地S2温度最高，风速较大，导致植物光合作用较弱。而潘剑彬等[31]认为落叶阔叶林释放CNAI最高，常绿针叶林最低。冯燕珠等[32]则通过研究指出，不同植被配置释放CNAI均大于对照点。其中，常绿阔叶林释放CNAI最高，灌木丛最低。以上结果差异与研究样地结构、类型不无关系，研究地域、方法、时间和气象条件的差异也会导致CNAI差异。

4 结论

呼和浩特市树木园内部分植物群落的生态环境效应优于无植被覆盖的对照点。样地S1的生态环境效应最佳。因此，在今后城市公园绿地规划设计中，尽量选用杜松、侧柏等乡土树种，建议游人选择上午9:00—10:00、下午16:00后到树木园游憩娱乐。

通过对多个生态环境因子的综合评价，深入探究了不同植物群落类型生态环境效应的差异，为城市公园绿地树种选择、植被结构优化及建设管理提供了理论依据。游人可以根据树木园夏季生态环境效应的优劣,合理安排出行时间及游览区域。但研究工作仍存在以下问题：(1)生态环境效应受到植物群落配置方式的显著影响，但生态环境效应影响因子还包括下垫面类型、植物冠层结构特征、SO2和O3含量等。今后可尝试将上述因子纳入综合评价体系，完善城市公园绿地生态环境效应评价系统。(2)研究应补充除夏季外其他季节的相关数据，以探究树木园不同植物群落类型生态环境效应的季变化、年变化规律。