城市绿地春季潜在花粉污染风险评估*

周江鸿 夏 菲 车少臣 李新宇 李 洁 刘育俭 张 卉 叶彩华 尤焕苓

1 北京市园林绿化科学研究院 北京 100102 2 北京市颐和园管理处 北京 100091 3 北京市天坛公园管理处 北京 100061 4 北京市气象服务中心 北京 100089

园林植物是城市中有生命的绿色生态基础设施，承担着改善城市生态环境、维护公众健康和优化人居环境等重要功能，然而有些植物的花粉却含有特殊的抗原蛋白，能够诱发人体的过敏性反应(俗称花粉症)[1-3]，在许多国家已经成为一种季节性流行病，严重危害人体健康[4-5]，因此许多研究者建议将致敏花粉作为一种植物源性空气污染物进行治理[6-7]。花粉污染评价是花粉污染研究的重要内容，也是正确认识和处理花粉污染问题的前提条件。廖凤林[8]提出了致敏花粉种类含量评价法、空气花粉污染指数评价法和花粉症发病率评价法，前两种方法均是基于已建成绿地的逐日空气花粉监测数据，而第3种方法则是基于医院门诊数据或市民的问卷调查数据。但是这3种方法均无法在规划设计阶段对新建绿地的潜在花粉污染风险进行评估。

影响空气中花粉含量的因素包括植被因素、地理因素和气候因素等[9-10]，其中植被因素是决定性因素，特别是产生气传致敏花粉的高大乔木，其生长缓慢、生命周期长，一旦种植，几十年甚至几百年都不会改变，对空气中花粉含量的影响是稳定的、持久的。因此，加强园林绿地规划设计方案的审核把关，强化源头管控，严格限制在城市新建绿地中大量使用致敏花粉源树木，才能逐步解决花粉过敏的问题，但如何根据园林绿地规划设计方案中的植被组成情况对花粉污染风险进行评估尚未见报道。

本研究利用6台孢子捕捉仪连续3年(2019—2021年)对北京市3个主城区空气中的花粉种类和浓度进行监测，分析不同树种的种植密度与其最大日花粉浓度之间的关系，建立根据绿地植被组成对其潜在的花粉污染风险进行评估的数学模型，对于建设和谐宜居的城市绿地环境具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 花粉样品采集

本研 究 针 对 柏 科(Cupressaceae)、榆 科(Ulmaceae)、杨属(Populus)、柳属(Salix)、白蜡属(Fraxinus)、银杏科(Ginkgoaceae)、松科(Pinaceae)和桑科(Moraceae)8类风媒花乔木，使用英国Burkard公司生产的HIRST型孢子捕捉仪进行花粉样品采集；分别在颐和园(海淀区)、天坛公园(东城区)和北京市园林绿化科学研究院(朝阳区)的不同位置各设置2台HIRST型孢子捕捉仪，于2019—2021年连续3年对春季空气中的逐日花粉浓度和种类进行监测，采用Cressington 108auto离子溅射仪和Phenom ProX台式扫描电镜进行样品制备和观察[11]。

1.2 花粉浓度计算

HIRST型孢子捕捉仪进气孔长14 mm，宽2 mm，每小时转动2 mm，每小时采样区域面积为28 mm2；计算每立方米空气中花粉总浓度的公式为:

式(1)中，N为空气中花粉总浓度，A为每平方毫米计数点内的花粉个数[11-12]。

在5 KV电压、250倍放大倍数下，每视野面积约为1 mm2，统计1 mm2视野内的花粉数目，每小时采样区域统计3个视野，以一天中所有测量值的平均值作为当日花粉总浓度。每视野内选取10粒花粉，放大至6000倍左右，测量其大小，观测其形状、极面和赤道面的表面纹饰、萌发沟或萌发孔的数量及形态，参照《中国木本植物花粉电镜扫描图志》和《北京常见植物花粉图鉴》等[13-16]确定花粉种类。由于同科或同属不同树种的花粉形态具有很高的相似性，种类鉴定时将其归为一类，如将所有柏科树木花粉归为柏树花粉、将所有松科树木花粉归为松树花粉、将所有杨属树木花粉归为杨树花粉，计算当日每类花粉所占的比例，再结合空气中日花粉总浓度，最后得到某类树木的日花粉浓度。计算公式如下:

1.3 花粉污染风险评估

以某类花粉浓度最高的一天作为该类树木的盛花期，以该日的花粉浓度对其花粉污染风险进行评价。空气中树木花粉浓度主要与采样点附近的树木种类和种植密度有关，但也受气象因子(如温度、光照、降雨、风力和风向等)的影响。为了消除这些气象因素的影响，本研究采用连续3年3个研究区域6台孢子捕捉仪所获取的8类风媒花乔木花粉浓度数据的平均值进行回归分析。统计各研究区域内不同树种的数量，根据各区域的面积计算各树种的种植密度(株·hm-2)。

1.4 数据分析

利用IBM SPSS Statistics 22.0软件进行数据统计分析，以某类树木的最大日花粉浓度为因变量(Y)，以该类树木的种植密度为自变量(X)，选择“输入(强迫引入)”方法进行线性回归分析，建立评价模型，再根据该类树木的种植密度对其在盛花期可能产生的最大花粉污染风险进行定量评估。

树木气传花粉浓度(污染风险)等级的划分参照美国国家过敏症研究总署的树木花粉浓度划分标准[17](表1)。

表1 树木气传花粉浓度(污染风险)等级

2 结果与分析

2.1 2019—2021年春季不同树木的最大日花粉浓度

由表2可知:2019—2021年3—4月，颐和园的桑科、柏科和柳属树木的最大日花粉浓度平均值分别为1205.51、436.34、205.44粒·m-3，属于高浓度等级；杨属、白蜡属、银杏科和松科树木的最大日花粉浓度平均值在15～89粒·m-3，属于中浓度等级；榆科树木最大日花粉浓度平均值低于14粒·m-3，属于低浓度等级。

2019—2021年3 —4月，天坛公园的柏科树木的最大日花粉浓度平均值为1249.43粒·m-3，其中2019年和2020年柏树最大日花粉浓度均超过1500粒·m-3，达到极高浓度等级；桑科树木最大日花粉浓度平均值为98.67粒·m-3，属于高浓度等级；其余树木的最大日花粉浓度平均值均在15～89粒·m-3，属于中浓度等级(表2)。

2019—2021年3 —4月，北京市园林绿化科学研究院的柳属、桑科树木和银杏的最大日花粉浓度平均值分别为238.48粒·m-3、104.75粒·m-3和90.21粒·m-3，属于高浓度等级；其余树木的最大日花粉浓度平均值均在15～89粒·m-3，属于中浓度等级(表2)。

2.2 各研究区域不同树木的种植密度

颐和园是我国现存最大的古典皇家园林，全园总面积290 hm2，现有常绿乔木10种，2.2万株；落叶乔木82种，1.3万株。万寿山前山以侧柏和圆柏为主，后山则以松树为主；昆明湖沿岸种植了大量桃树和柳树[18]。由表3可知:颐和园中柏树的种植密度最高，为47.03株·hm-2；其次是柳树，为12.19株·hm-2；第3是松树，为11.68·hm-2；杨树和榆科树木的种植密度均为2.61株·hm-2；桑科树木、白蜡和银杏的种植密度分别为1.40、0.66、0.23株·hm-2(表3)。

表3 3个研究区域产生气传花粉树种的种植密度株·hm-2

天坛公园是我国保存最为完整的祭坛园林，全园总面积273 hm2。为了从整体上营造静谧、肃穆、庄重的祭祀氛围，自明清时期坛域内便广泛种植柏树和松树，树木总数达5.6万余株，其中侧柏1.1万株、桧柏2.0万株、松树0.4万株[19]。从表3可知，天坛公园8类乔木树种种植密度为柏树＞松树＞银杏＞杨树＞柳树＞榆科＞白蜡＞桑科。

北京市园林绿化科学研究院总面积14.16 hm2，设有城市绿地生态系统科学观测研究站，包含6种典型植物配置群落。8类乔木树种中银杏的种植密度最大，为9.82株·hm-2；其次是松树，为9.75株·hm-2；榆科树木的种植密度最小，为0.14株·hm-2(表3)。

2.3 不同树木种植密度与最大日花粉浓度的回归分析

根据8类树木最大日花粉浓度与种植密度的回归方程(表4)，当柏科、榆科、杨属、柳属、白蜡属、银杏科、松科和桑科树木的种植密度分别超过8.28、15.35、7.00、2.63、0.86、9.77、41.00、0.28株·hm-2时，各类树木的最大日花粉浓度就可能超过90粒·m-3，达到高污染风险等级；当柏科、榆科、杨属、柳属、白蜡属、银杏科、松科和桑科树木的种植密度分别超过143.08、256.79、118.64、44.82、14.40、172.21、706.09、4.73株·hm-2时，各类树木的最大日花粉浓度就可能超过1500粒·m-3，达到极高污染风险等级。

表4 不同树木最大日花粉浓度(Y)与种植密度(X)的线性回归方程

北京地区榆科、柏科和杨属树木的花期重叠，盛花期均在3月15—25日，但新建绿地中很少有榆科树木栽植，因而此阶段的花粉污染风险评估只需考虑柏科和杨属树木，其花粉污染风险评估模型为:Y＝4.99＋10.46X1＋12.63X2(X1＝柏树种植密度、X2＝杨树种植密度，P＜0.05)，当柏树和杨树的种植密度分别小于4.06株·hm-2和3.37株·hm-2，就能将3月15—25日期间的最大日花粉浓度控制在中低污染风险等级。

盛花期在3月25—31日的只有柳树，其花粉污染风险评估模型为:Y＝2.22＋33.42X(X＝柳树种植密度，P＜0.05)。

白蜡和银杏的盛花期均在4月1—15日，其花粉污染风险评估模型为:Y＝5.49＋104.14X1＋8.68X2(X1＝白蜡种植密度、X2＝银杏种植密度，P＜0.05)，当白蜡和银杏的种植密度分别小于0.41株·hm-2和4.87株·hm-2，就能将4月1—15日期间的最大日花粉浓度控制在中低污染风险等级。

松科和桑科树木的花期重叠，盛花期均在4月15—30日，但新建绿地中很少有桑科树木栽植，其花粉污染风险评估模型为:Y＝3.08＋2.12 X(X＝松树种植密度，P＜0.05)。

3 讨论

花粉污染程度与空气中花粉种类和浓度密切相关，其主要影响因素是绿地的植被组成。不同树种开花量不同、同一树种不同植株开花量不同、同一植株不同年份开花量也不同。春季开花的风媒花树木的花期较短，一般在7～10天左右，且要经历始花期、盛花期和未花期，其中盛花期产生的花粉数量最多，对过敏人群的影响最大；其花粉粒较小，一般直径在10～30 μm，一个花药中的花粉量约有数千粒以上[20-22]。因此，要准确测算一株风媒花树木所产生花粉的数量是难以实现的，但根据不同树种的种植密度和空气中最大花粉浓度，对各树种在盛花期时单株可产生的最大花粉浓度进行估算是可行的。因此，利用本研究结果能够仅根据新建绿地的树种组成对其潜在花粉污染风险进行评估。

随着北京城市绿化率的不断提高，空气中花粉浓度和种类研究很难排除研究区域外树木花粉的影响。研究表明，虽然气传花粉的水平飞散距离很远，但在距离开花植物50 m以外浓度会急剧下降[5]。本研究的3个采样点中，颐和园和天坛公园面积均超过200 hm2，公园中心区域空气中的花粉浓度受周边绿地影响较小。因此，利用本研究结果进行花粉污染风险评估时，绿地面积在100 hm2以上才能有效避免评估结果受到周边绿地的影响。

北京城市绿化建设所应用的乔木集中在少数常用树种，10大绿化骨干乔木中侧柏、圆柏、杨树、柳树、油松、银杏和白蜡的栽植数量约占乔木总量的40%左右[23-25]，说明花粉致敏树种的种类和数量较多，分布较广。为了最大程度地减少致敏花粉对市民工作和生活的影响，全面提升城市绿地服务群众的能力和水平，城市绿化建设要坚持以人为本，把适地适树、生态文明、安全保健等科学观念融入树种选择和配置过程中[26]；加强对绿地规划设计方案的审核把关，强化源头管控，在人员活动密集场所，如居民区、学校、医院、广场等，尽量减少白蜡、杨树、柳树和柏树的栽植数量；适度增加松树的使用量，满足冬季对常绿树种的需求；同时多使用虫媒花乔木树种，如糠椴、楸树、文冠果、稠李、丝棉木和毛梾木等，不仅可以满足人们春季踏青赏花的需求，也能为蜜蜂和天敌昆虫提供食物，提高城市绿地的生物多样性指数，从而增加城市生态系统的稳定性，促进城市林业健康发展。

4 结论

种植密度与最大日花粉浓度间的回归系数可以反映树木单株所产生花粉量的大小，北京地区8类风媒花乔木单株最大日花粉量的大小顺序为:桑科＞白蜡属＞柳属＞杨属＞柏科＞银杏科＞榆科＞松科。

不同树木的盛花期不同，花粉污染风险评估应分不同阶段进行，盛花期重叠的不同树木对空气中花粉浓度的影响具有加和效应。新建绿地中柏树、杨树、柳树、白蜡、银杏和松树的种植密度 分 别 小 于4.06、3.37、2.63、0.41、4.87、41.00株·hm-2时，可以将该时段的最大日花粉浓度控制在中低污染风险等级。