石家庄市空气花粉散布规律及与气候因子的关系

李 英，李月丛，吕素青，许清海

(河北师范大学资源与环境科学学院，河北省环境演变与生态建设重点实验室，石家庄 050024)

孢粉作为古环境研究的代用指标，在恢复古气候、古植被方面具有不可替代的作用。现代花粉研究是利用孢粉资料重建古气候古植被的基础，对正确解释化石花粉谱具有重要意义。空气花粉作为现代花粉研究的重要组成部分［1］，是认识花粉传播和散布规律、探究花粉与植被定量关系的重要前提和基础［2］，同时也是预报农作物产量、评估大气环境的方法和指标之一［3］。

关于空气花粉国内外已有较多研究，如花粉产量与花粉散布特征［4－6］、致敏花粉调查［7－8］、空气花粉浓度预报［9－10］、空气花粉与气 候 因子之间的关系［11－14］以及特殊天气对空气花粉的影响［15－16］、空气花粉估算方法［17－18］、花粉散布规律分析模型［19－21］等方面。目前有关河北省石家庄市空气花粉散布规律及与气候关系研究资料不多，仅王刚生等［22］、宗惠军等［23］对20世纪80年代空气致敏花粉进行过简单研究，之后未见类似报道。时过20a，石家庄市的绿化植物种类已经改变，因而研究现在空气花粉组成状况，不仅对了解花粉与植被和气候定量关系，而且对了解本区主要空气花粉类型意义重大。

本文以石家庄市为研究区，通过分析2007—2009年收集的空气花粉样品，试图揭示本区域空气花粉散布规律，探讨不同季节影响不同植物类型花粉通量的气候因子，确定空气花粉与气候的定量关系，为重建本地区古气候、古植被及正确解释化石孢粉组合提供现代过程依据，同时也为本地区花粉过敏症的预防提供参考。

1 研究区概况

石家庄市地处河北省中南部，位于北纬37°27'—38°47'，东经 113°30'—115°20'之间，平均海拔77.9 m。地貌单元属太行山山前冲洪积平原［24］。本区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季变化明显，年平均气温11—14℃，年平均降水量450—550 mm，降水季节差异明显，主要集中于夏季［24］。自然植被区划属于暖温带落叶阔叶林［25］。

采样点位于石家庄市区东部原河北师范大学东校区(38°2'17″N，114°31'57″E)内，院内主要木本植物有毛白杨(Populus tomentosa)、油松(Pinus tabuliformis)、胡桃(Juglans regia)、法桐(Platanus orientalis)、雪松(Cedrus deodara)、白蜡(Fraxinus chinensis)、臭椿(Ailanthus altissima)等。草本植物主要为杂草禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)及三叶草(Trifolium)等。

石家庄市区常见植物除以上提及的类型外，还包括大叶黄杨(Buxus megistophylla)、国槐(Sophora japonica)、侧柏(Platycladus orientalis)、丁香(Syringa oblata)、海 棠 (Malus spectabilis)、樱 花 (Prunus serrulata)、金叶女贞(Ligustrum vicaryi)、紫叶小檗(Berberis thunbergii)、月季(Rosa chinensis)、桧柏(Sabina chinensis)、泡桐(Paulownia fortunei)、龙爪槐(Sophora japonica)、玉兰(Magnolia denudate)、垂柳(Salix babylonica)、碧桃(Prunus persica)等［26］。

市区周边多为栽培植被，主要种植小麦(Triticum aestivum)、玉 米 (Zeamays)、高 粱(Sorghum vulgare)、棉花(Gossypium hirsutum)等［27］;市区西部近山区保留有少量自然植被，在海拔1500 m以上生长有华北落叶松(Larix principis rupprechtii)、红桦(Betula albo-sinensis)、白桦(Betula platyphylla)、毛榛(Corylus mandshurica)等;海拔800—1500 m生长油松、蒙古栎(Quercus mongolica)等;海拔800 m以下主要为槐(Sophora spp.)、酸枣(Ziziphus spp.)、荆条(Vitex negundo)等［26］。

2 研究方法

2.1 野外样品采集

空气花粉采用Tauber型花粉捕捉器收集。捕捉器高30 cm，开口直径5.2 cm，放置在一个四周开阔的建筑物楼顶(距地面约10 m)，设置2个平行取样点。自2007年3月6日到2009年3月4日，平均每15 d收放1次，共回收样品86个。

2.2 实验室处理和统计鉴定

花粉提取处理采用常规的HCl－NaOH－HF处理方法［16］，化学处理前每个样品加入1粒石松孢子片(27637±563粒/片)，以计算花粉通量。

花粉统计鉴定在400倍日本Olympus BX－51光学生物显微镜下进行，每个样品鉴定统计花粉400粒以上或直至样品全部鉴定完。花粉鉴定主要参考《中国植物花粉形态》［28］、《内蒙古草地现代植物花粉形态》［29］以及河北师范大学现代花粉标本及图版，以确保鉴定的准确性。

2.3 花粉百分比和通量计算方法

由于放置的2个收集器的花粉组合和花粉通量相近，故取其平均值，两年共计有43组数据。花粉百分比和通量计算方法如下:

式中，A为花粉百分比，M1为某一类型花粉数量，M2为同一样品鉴定出的花粉总数。式中，Φ为花粉通量(粒·cm－2·a－1)，N为某一类型花粉数量;I1为加入的石松孢子数;I2为鉴定的石松孢子数;S为花粉捕捉器开口面积。

为与本研究样品收集时间相对应，对公式进行以下变形［16，32］:式中，B为花粉通量(粒·cm－2·15d－1);T为样品收集天数(因样品收集天数不一致，为统一时间单位除以15)。

2.4 气象数据收集

本研究气象数据来自于中国气象科学数据共享服务网［33］，收集了2007—2009年石家庄市的气温、降水量、相对湿度、风速、水汽压等气象因子的日数据。分析时按照样品收集时间间隔，计算降水量的累加值，及其他因子的平均值。

2.5 数据处理

孢粉百分比图和通量图采用Tilia软件(version 1.7.16)绘制，并在CorelDRAW软件(version 12.0)中修改润色。利用PC－ORD软件(version 5.0)对数据进行多重响应置换过程分析(multi－response permutation procedures，MRPP)，在 CANOCO 软件(version 4.5)进行典范对应分析(canonical correspondence analysis，CCA)，在 SPSS 软件(version 17.0)中进行Spearman相关性分析。

3 研究结果

3.1 花粉百分比的基本特征及年际差异

86个样品共鉴定出孢粉类型82个。其中，乔木花粉类型26个，以杨属(Populus)(0—93.6%，平均8.7%)、胡桃属(Juglans)(0—55.1%，平均 7.8%)、悬铃木属(Platanus)(0—44.5%，平均 4.6%)、松属(Pinus)(0—50%，平均 5.6%)、栎属(Quercus)(0—18.5%，平均2.1%)等为主;灌木花粉类型12个，以蔷薇科(Rosaceae)(0—40.3%，平均3.0%)、虎榛子属(Ostryopsis)(0—16.2%，平均 0.9%)、胡颓子属(Elaeagnus)(0—5.7%，平均0.6%)等为主;草本花粉类型40个，以蒿属(Artemisia)(0.2%—72.8%，平均22.2%)、藜科(Chenopodiaceae)(0.2%—61.4%，平均13.4%)、荨麻+葎草属(Urtica+Humulus)(0—38.1%，平均5.8%)、农作物禾本科(Cereals)(0—51.5%，平均 5.1%)、杂草禾本科(Poaceae)(0—12.7%，平均3.8%)、菊科(Compositae)(0—16.4%，平均 2.9%)、葡萄科(Vitaceae)(0—12.9%，平均2.0%)、豆科(Leguminosae)(0—32.7%，平均 1.8%)等为主;蕨类孢子类型4个，含量较低，最高不超过20%(图1)。

图1 石家庄2007—2009年不同月份空气花粉百分比图Fig.1 The airborne pollen percentages in different months from 2007 to2009 in Shijiazhang

两年中不同类型花粉百分比峰值及出现时间存在差异。2008—2009年与 2007—2008年相比，杨属、胡桃属、藜科和荨麻+葎草属百分比峰值略有下降，其他则均有不同程度增加(表1)。松属与荨麻+葎草属花粉百分比峰值出现时间较前一年推迟半个月，胡桃属、悬铃木属和农作物禾本科与前一年出现时间一致，其他均提前半月至1月。

表1 2007—2008年及2008—2009年主要花粉类型百分比和通量峰值及出现时间Table 1 The peak values of percentage and influx and appearing time of major pollen taxa in Shijiazhang

3.2 花粉通量变化的基本特征

3.2.1 不同季节花粉通量变化特征

2007—2009两年中，木本花粉主要出现于春季的3—5月;草本花粉全年均有出现，以夏末秋初的8—9月数量最多(图2)。2007—2008年与2008—2009年春季花粉总通量分别达4469和6288粒·cm－2·15d－1，主要以木本植物花粉为主，但不同乔木类型花粉通量峰值出现时间存在差异。初春(3—4月)主要为杨属，仲春(4—5月)主要为胡桃属和悬铃木属，晚春(5—6月)主要为松属、桦木属和栎属。春季灌木花粉也出现年度峰值，2007—2008年与2008—2009年分别达105和695粒·cm－2·15d－1，以蔷薇科、虎榛子属和胡颓子属花粉为主。

夏季花粉通量明显低于春季。2007—2008年与2008—2009年分别为2149和922粒·cm－2·15d－1。主要以草本植物花粉为主，但不同草本类型花粉通量峰值出现时间也有差别，5月底至7月初以农作物禾本科为主;7月底至8月底以蒿属、藜科和荨麻+葎草属为主。

秋初花粉通量较高，之后迅速降低。2007—2008年与2008—2009年秋季花粉总通量分别为777和1206粒·cm－2·15d－1，主要为草本植物花粉，类型以蒿属、藜科和荨麻+葎草属为主，木本花粉进一步减少。

冬季花粉通量全年最低，2007—2008年与2008—2009年冬季花粉总通量分别为302和159粒·cm－2·15d－1。花粉类型以蒿属和藜科为主。

两年不同季节总花粉通量对比显示，2008—2009年总通量略高于2007—2008年，春季、秋季也表现为2008—2009年高于2007—2008年，但夏季、冬季则低于前一年。

图2 石家庄2007—2009年不同月份空气花粉通量图Fig.2 Airborne pollen influxes in different months from 2007 to 2009 in Shijiazhang

3.2.2 花粉通量年际差异

2008—2009年较2007—2008年多数花粉类型通量均有所降低(图2)，但胡桃属和悬铃木属花粉显著增加，花粉通量是上一年的近两倍。除栎属(提前半月)、蒿属(推迟半月)、荨麻+葎草属(推迟半月)外，两年中主要花粉类型的通量峰值出现时间基本与前一年同期(表1)。两年花粉通量对比结果还显示(图3)，春季和夏末秋初是两个花粉通量高峰期。2007—2008年总花粉通量为 7898粒·cm－2·15d－1，该年春季出现两个峰值，第1个峰值出现在4月初，为1189粒·cm－2·15d－1，以胡桃属和悬铃木属为主，第 2个峰值出现在 5月初，为 1740粒·cm－2·15d－1，以松属和栎属为主;夏末秋初的峰期出现在8月底，峰值为962粒·cm－2·15d－1，以蒿属、荨麻+葎草属和藜科为主。2008—2009年与2007—2008年相比，花粉总通量略有增高，为8646粒·cm－2·15d－1。但该年春季峰期仅出现在4月初，为2755粒·cm－2·15d－1，同样以胡桃属和悬铃木属为主，而在5月虽仍以松属和栎属为主，但通量较低，不形成明显峰值;该年夏末秋初的峰值出现时间略晚于前一年(9月初)，总通量也低于前一年(662粒·cm－2·15d－1)，但主要花粉类型与前一年一致。

图3 石家庄2007—2008年与2008—2009年不同季节花粉总通量对比Fig.3 Airborne pollen total influxes in different seasons from 2007 to 2009 in Shijiazhang

4 讨论

4.1 空气花粉组合与植被的关系

空气花粉来自于植物，并受到一定环境因素的影响。空气孢粉组合可以反映植物的花期，如春季出现的乔木花粉高峰期与夏末秋初出现的草本花粉高峰期均与植物花期相对应(图3)。此外，空气孢粉组合还受到区域植被的影响［34－35］。根据植被分布情况，松属、杨属、胡桃属、悬铃木属、蔷薇科、蒿属、藜科、杂草禾本科、菊科、豆科和葡萄科等49个科属在采样点周围有分布，为当地花粉，占总鉴定类型的59.8%，但在花粉组合中，占花粉总数的80%以上，说明当地花粉是周围植被的真实反映;农作物禾本科、荨麻+葎草属、桦木属、栎属、虎榛子属和胡颓子属等33个科属在采样点周围未见分布，为区域花粉，占总鉴定类型的40.2%，但在花粉组合中，占花粉总数的20%以下，其中农作物禾本科和荨麻+葎草属等草本植物多见于市区周边农田，桦木属、栎属和虎榛子属等木本植物多见于西部山区，显示花粉组合主要受当地植被影响，但来自太行山等地的区域花粉对空气花粉组合有一定影响。

早在20世纪80年代，就有学者对石家庄市空气花粉散布规律进行调查研究。王刚生等［22］和宗惠 军 等［23］分 别 对 1985—1986、1986—1987 与1988—1989年石家庄市空气花粉组成进行了调查研究，均指出石家庄空气花粉出现春秋两个高峰。其中1985—1986年空气花粉含量较高的类型依次为:杨属(17.18%)、蒿属(12.87%)、禾本科(10.01%)、柳属(Salix)(7.96%)、大麻+葎草属(Cannabis+Humulus)(7.5%)、藜科(6.85%)、松属(4.95%)、槐属(Sophora)(4.2%)、苔草属(Carex)(3.6%)、梧桐属(Firmiana)(3.15%)，主要致敏花粉为蒿属、禾本科、藜科植物花粉［22］。而目前石家庄市城市绿化植被已有较大改变，法国梧桐、蔷薇科等多种乔灌木等成为市区主要绿化树种，杨树、柳树等比例明显降低。本研究显示，按石家庄市2007—2009两年空气花粉通量由高到低排序，前10位依次为:胡桃属(17.87%)、悬铃木属(13.67%)、蒿属(13.29%)、杨属(10.86%)、藜科(6.68%)、蔷薇科(5.75%)、荨麻+葎草属(5.02%)、松属(3.88%)、栎属(3.70%)、农作物禾本科(2.39%)。相较于20a前，胡桃属、悬铃木属花粉排序明显前移且含量增加，杨属、禾本科排位后移且含量下降，柳属、槐属含量降低，移出前10位，蒿属、藜科、松属基本持平。这与采样点周围植被的差异有关，但更主要的原因是绿化植物种类的改变。其中含量较高的悬铃木属、蒿属、藜科均为高致敏花粉类型［36－37］，其峰期分别出现在 4—5月与7—9月，因此在这些月份花粉过敏症患者应引起足够重视，较少外出或外出时采取必要防护措施。

4.2 空气花粉组合与气候因子的关系

为更好理解气候因子对花粉组合的影响，根据空气花粉百分含量与出现频率，本文选取了18个主要花粉类型(占总百分含量的94.67%)，采用多响应置换过程分析方法(MRPP)探讨了主要花粉类型百分比与通量对不同季节不同气候因子的响应程度［38］。结果表明，石家庄市不同季节空气花粉百分比与通量变化存在显著差异(P＜0.0001)。

为进一步探究主要类型花粉百分含量的受控气候因子，应用典范对应分析(CCA)研究两者的相互关系［39］。结果显示(表2)，花粉百分含量主要受风速和相对湿度影响(与风速呈显著正相关，与相对湿度呈显著负相关)，其次与气温、水汽压有一定的正相关性，与降水量相关度不大。经蒙特卡罗(Monte Carlo)检验表明只有风速(P=0.002)、水汽压(P=0.006)与主要花粉类型百分含量存在显著相关，气温(P=0.468)、降水量(P=0.928)、相对湿度(P=0.582)均未通过检验。因此本文选取风速、水汽压与主要花粉类型百分含量作T－值双序图［40］(图4)，结果表明松属、栎属、桦木属、胡桃属、悬铃木属、胡颓子属、虎榛子属均与风速呈显著正相关，显示木本空气花粉组成受风速影响更为显著。蒿属、藜科、荨麻+葎草属、菊科等草本植物均与风速呈显著负相关，其中藜科、荨麻+葎草属还与水汽压呈显著正相关;菊科、胡桃属与水汽压呈显著负相关;其他类型对风速、水汽压的响应不显著。2008—2009年度花粉通量略高于2007—2008年度的主要原因可能就与该年平均风速(1.5 m/s)略高于上一年(1.4 m/s)有关。此外，风速也是导致2007年春季花粉通量双峰值、2008年单峰值的主要原因之一。2007年5月平均风速(1.9 m/s)明显高于2008年同期(1.7 m/s)，较低的风速不利于该时段开花的松属和栎属的花粉传播，使得其数量较少，峰值不明显。

表2 石家庄2007—2009年空气花粉百分比组合CCA分析结果Table 2 CCA analysis results of air pollen percentage from 2007 to 2009 in Shijiazhang

图4 石家庄2007—2009年主要花粉类型与风速、水汽压的T-value双序图Fig.4 T-value biplot of main pollen types and wind speed aqueousvapor pressure from 2007 to 2009 in Shijiazhang

为探讨不同季节不同花粉类型其受控气候因子，为此对石家庄市两年的主要花粉类型通量与不同季节气候因子进行了Spearman相关性分析，结果见表3。

早春花期的杨属只与水汽压呈负相关;仲春花期的胡桃属和悬铃木属与5种气候因子均无显著相关关系。高祺等［41］在研究气候变暖对石家庄春季物候的影响中提出，早春、仲春植物物候与2—4月气温相关性最大，晚春物候与春季气温相关性最大。为此，做了2008年2—4月份气温与春季乔木花粉通量的相关分析，发现胡桃属和悬铃木属与2—4月份气温、水汽压呈显著正相关。2008—2009年度2—4月水汽压明显高于上一年同期(高3.5 hPa)，可能是该年胡桃属和悬铃木属花粉通量较高的主要原因。晚春花期的松属、栎属、虎榛子属与气温、水汽压呈正相关。2008—2009年度晚春较低的温度(低2.1℃)可能是松属和栎属花粉含量较低，且该年此时段乔木花粉峰值不明显的重要原因。此外，草本植物中的杂草禾本科、农作物禾本科与春季气温、风速也呈正相关，与吕素青等［37］对黄土高原空气花粉研究结果相似。

夏季空气花粉含量降低，草本植物花粉通量与气候因子关系不显著，仅荨麻+葎草属与风速呈负相关。木本植物花粉通量反而受气候因子控制明显，其中松属、栎属、胡桃属和虎榛子属均与相对湿度呈负相关，胡桃属、蔷薇科和虎榛子属还与水汽压呈负相关，与前人研究结果一致［42－43］。2008—2009 年夏季气温低(低0.8℃)、降水量多(多272.1 mm)、相对湿度高(高2.8%)，不利于花粉散布以及夏末秋初开花植物花粉囊的开裂［42］，这可能是导致2008—2009年度夏季花粉通量低于上一年且夏末秋初花粉通量峰期推后、峰值降低的主要原因。

秋季空气花粉中的草本植物花粉类型，如杂草禾本科、农作物禾本科、蒿属、藜科、荨麻+葎草属均与气温、水汽压呈正相关。杂草禾本科和荨麻+葎草属还与降水量呈正相关。前人［44－45］对北京地区秋季空气花粉研究认为，秋季花粉通量主要与平均气温、水汽压、相对湿度、降水量呈正相关，与风速呈负相关。但本研究显示秋季花粉通量与相对湿度、风速相关不明显，可能与研究时段石家庄市秋季相对湿度变化不明显、风速较低有关。2008—2009年秋季花粉总通量略高于2007—2008年与气候因子的影响密切相关，从两年的气象条件对比看出，该年秋季气温高(高0.7℃)、水汽压高(高0.1 hPa)，这可能是造成这种现象的原因。

由于冬季空气中花粉含量低，主要花粉类型通量与冬季气象因子相关性均较差。

表3 石家庄2007—2009年主要花粉类型不同季节花粉通量与对应时段气候因子的相关分析Table 3 The correlation between the main pollen taxa influxes and the climate factors in different seasons from 2007 to 2009

续表

5 结论

(1)石家庄市空气花粉组成受植物花期影响明显，花粉通量存在明显的季节差异，春季和夏末秋初分别出现以乔木花粉为主和以草本花粉为主的两个高峰期。空气花粉组成中，当地花粉占花粉总数80%以上，区域花粉占20%以下。

(2)石家庄市空气花粉类型年际差异不大，但不同月份主要花粉类型存在差异。初春主要为杨属，仲春主要为胡桃属和悬铃木属，晚春主要为松属、桦木属、栎属，春末夏初主要为农作物禾本科，夏末秋初至次年春季伊始主要为蒿属、藜科、荨麻+葎草属。

(3)随城市绿化树种的改变，石家庄市主要空气花粉类型的排序较20a前发生一定变化，排在前10位的依次为:胡桃属、悬铃木属、蒿属、杨属、藜科、荨麻+葎草属、松属、栎属、农作物禾本科。其中悬铃木属、藜科等高致敏花粉类型排序明显提前，蒿属持平，花粉过敏症患者在其花期或通量较高时期应早作防范。

(4)全年空气花粉组合受风速与水汽压影响明显。其中多数乔木花粉与风速呈显著正相关;蒿属、藜科等常见草本花粉与风速呈显著负相关。豆科、藜科、荨麻+葎草属与水汽压呈显著正相关;菊科、胡桃属与水汽压呈显著负相关。

(5)不同季节花粉通量与气候因子的相关分析显示，胡桃属、悬铃木属花粉与当年2—4月气温、水汽压呈正相关;松属、栎属花粉与春季气温、水汽压呈正相关。杂草禾本科、农作物禾本科与春季气温、风速呈正相关。夏季木本植物花粉与相对湿度、水汽压呈负相关。秋季草本植物花粉与气温、水汽压呈正相关。冬季花粉通量与气候因子相关性不显著。

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