城市公园不同活动空间PM2.5浓度的不均匀分布特征研究

徐 欢 李 红 (韩)姜泰昊

随着城市化进程的加速推进，中国中东部地区城市的环境污染日益严重，尤其是以细颗粒物PM2.5为主的雾霾天气已占其全年天数的1/3以上，成为影响城市大气环境质量和居民身体健康的主要因素。PM2.5是指环境中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，富含有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，长期暴露在高浓度PM2.5环境中，会引发各种呼吸系统和心血管疾病，甚至增加居民早亡风险[1]。城市公园具有丰富的游憩活动空间，是城市居民利用最频繁的绿地类型，在缓解PM2.5污染和满足城市居民休闲健身方面发挥着重要作用。在PM2.5为主的污染天气中，轻中度污染(150μg/m3＞PM2.5＞75μg/m3)天气所占比例在70%以上。而且重度污染(PM2.5＞150μg/m3)天气条件下，公园绿地对PM2.5的消减作用不明显[2-3]，城市居民应尽量减少外出活动。因此，在轻中度污染天气下，城市公园内哪种活动空间中PM2.5浓度值较低，具体在什么时间、在哪种活动空间中进行活动最适宜是值得研究的重要问题。

现阶段对PM2.5的研究主要集中于组成成分[4]、特性[5]、来源解析[6]和浓度模拟预测[7]。同时，绿地植物对PM2.5的阻滞吸附作用[8]及健康效益评估也已有较多研究[9]。在城市微小尺度上，由于受到建筑布局、绿地形式和植物群落结构的影响，PM2.5的浓度分布体现出越接近地面越不均匀的特征。吴正旺等通过调查得出建筑布局与绿地形式的不同组合会影响PM2.5的浓度分布[10]；王国玉等分析发现不同的绿地植物配置模式对PM2.5的消减作用有较大影响[2]；George等和吴正旺等通过实验得出建筑布局不同的居住区存在PM2.5分布的不均匀现象，PM2.5浓度值差别可达2～10倍[11-12]；文一章等通过监测发现杭州市下沙区不同位置的5条道路存在不均匀分布现象，差别范围在1.1～2.1倍[13]；赵越和金荷仙通过研究发现不同区域的植物群落中PM10差别最大达5倍[14]；赵松婷等通过实验得出公园绿地内PM2.5浓度低于道路与建筑室内，绿地配置模式会影响对大气PM2.5浓度的消减能力[15]；陈凡涛等认为城市不对称街谷内PM2.5浓度存在不均匀分布特点，大体呈“S”型曲线变化[16]。以上研究成果，主要集中在城市道路和居住区建筑空间内的PM2.5浓度分布特征以及绿地植物对PM2.5的消减能力，至今还未见对城市公园不同游憩活动空间中PM2.5不均匀分布特征的相关研究。

因此，本文以徐州市云龙公园为例，选取公园内6处典型的游憩活动空间，在轻中度污染条件下对各空间的PM2.5浓度进行同步监测，分析城市公园内PM2.5浓度的时空不均匀分布特征，为城市公园游憩空间设计和指导市民合理选择活动时间地点提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

徐州市位于中国华北平原的东南部(1 1 6°2 2′～1 1 8°4 0′E,33°43′～34°58′N), 属暖温带半湿润季风气候，年平均气温14℃，日照时数2 221h，年均降水量857mm，降水多集中在夏季，静风频率年平均达20%。云龙公园位于徐州市泉山区，东临云龙山，1958年建成，面积约25hm2，其中水域面积为8hm2，是规模较大的城市综合性公园(图1)，年接待游客量170万人次。

1.2 研究方法

选取云龙公园中6处典型的游憩活动空间，分别是露天广场(A1)、林荫道(A2)、亲水平台(A3)、滨水亭廊(A4)、紫藤花架(A5)、大草坪(A6)(图1)。6个监测点周边的主要环境特征以及与主干道的距离关系如表1所示。其中，A3和A4的视野较开阔，郁闭度较低，A2和A5空间较为封闭，郁闭度较高；A6距离主干道路最近，A5位于公园的中心，距离主干道最远。

根据环保部发布的环境空气质量指数技术规定(试行)(HJ 633—2012)，在2016年4月选取轻中度污染天气(150μg/m3＞PM2.5＞75μg/m3)进行连续观测，采用CW-HAT200S高精度手持式PM2.5检测仪测定各空间PM2.5的质量浓度，测量数据由6个小组同时采集，测定时间为7：00—20：00，每小时测定一次，每次连续读取3个数据，取平均值作为改点的浓度数值，每个数据的采样时间为60s，采样高度与成人呼吸高度基本一致，距离地面1.5m。采样同时使用HT-8500多功能环境测量仪测量该点的温湿度和风速，测量仪器在使用前统一进行数据校准(±5%)。对观测试验中采集的数据使用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 19.0分析处理。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5浓度的不均匀分布总体特征

图1 云龙公园卫星平面图及监测点位置(根据搜狗地图后期加工绘制)

表1 6处典型空间的主要环境特征

图2 各试验点的PM2.5浓度均值

图3 PM2.5浓度最大值和最小值的比值

图4 PM2.5浓度的日均变化特征和回归模拟曲线

公园内各活动空间试验点的PM2.5浓度均值如图2所示。露天广场的PM2.5浓度均值最高为130.6μg/m3，其次为大草坪(128.4μg/m3)、亲水平台(119.4μg/m3)、滨水亭廊(107.5μg/m3)、林荫道(93.2μg/m3)、紫藤花架(89.6μg/m3)。浓度均值的最大差别为1.46倍。相同时间点不同活动空间的PM2.5浓度最大值和最小值差别为1.35～1.65倍，9：00露天广场的PM2.5浓度值是紫藤花架的1.65倍，15：00大草坪的PM2.5浓度值是紫藤花架的1.35倍(图3)。一天中大草坪19：00的PM2.5浓度均值最高为148.6μg/m3，紫藤花架7：00的PM2.5浓度均值最低为83.8μg/m3，差别为1.77倍。

2.2 PM2.5浓度的日均变化特征

公园内6处活动空间PM2.5浓度值的日均变化特征和回归模拟曲线如图4所示。从PM2.5浓度变化趋势看，露天广场、林荫道、紫藤花架和大草坪4个实验点PM2.5的浓度变化趋势呈现波浪式，出现3次峰值2次谷值。其中，露天广场和大草坪的PM2.5浓度早晚峰值大于中午峰值，具体变化趋势是：7：00—9：00 PM2.5浓度逐渐上升，9：00达到峰值后迅速下降，至11：00下降至谷值，然后小幅升高，到14：00之后开始下降，16：00降至最低值，之后再逐步上升，至19：00升至全天的最高值。这是因为这2处试验点空间郁闭度较低，周边植物种类单一，比较空旷，早中晚受到上班高峰期汽车尾气的影响，PM2.5浓度值较大，早晚气温低、空气湿度大，中午由于温度升高湿度降低以及光照的影响导致早晚峰值大于中午峰值。

林荫道和紫藤花架的PM2.5浓度变化趋势呈现阶梯式上升，即早晨峰值＜中午峰值＜晚上峰值，具体变化趋势是：7：00—9：00 PM2.5浓度逐渐上升，9：00达到峰值后迅速下降，11：00下降至一天的最低值，然后逐步升高至14：00形成第二次峰值，之后开始下降，16：00—19：00上升到全天的最高值。这是因为试验点的郁闭度较高，无风环境导致扩散条件差，空间内PM2.5易于积聚[17]，同时受外界温湿度和光照的影响较小，PM2.5浓度值呈阶梯式增加，最后达到较高水平。

亲水平台和滨水亭廊实验点PM2.5的浓度变化趋势呈现M型，出现2次峰值和1次谷值，晚上峰值高于早晨峰值。具体变化趋势是：7：00—9：00 PM2.5浓度逐渐上升，9：00达到峰值后迅速下降，至13：00下降至谷值，然后逐步上升，至19：00上升到全天的最高值。这是由于试验点靠近水面，中午太阳光照增强，气温升高，近地空气湿度大，而当湿度过高时，以水溶性离子为主要成分的细颗粒物更容易吸收大量水分使粒径增大，发生重力沉降[18]，从而使13：00的PM2.5浓度值最低。

表2 不同空间PM2.5浓度与主要环境因子的相关系数

图5 PM2.5浓度与温度的相关关系

图6 PM2.5浓度与相对湿度的相关关系

图7 PM2.5浓度与风速的相关关系

图8 PM2.5浓度与相对湿度的多项式回归拟合

从PM2.5浓度极值的出现时间看，露天广场和大草坪的最低值出现在16：00，林荫道和紫藤花架的最低值出现在11：00，亲水平台和滨水亭廊的最低值出现在13：00，6处实验点的最高值均出现在19：00。由结果可知，在轻中度污染(150μg/m3＞PM2.5＞75μg/m3)天气下，在露天广场和大草坪的最佳活动时间为16：00左右；在林荫道和紫藤花架的最佳活动时间为11：00左右；在亲水平台和滨水亭廊的最佳活动时间为13：00左右。

2.3 影响公园各空间PM2.5浓度的环境因素分析

公园内6处活动空间PM2.5浓度值与温度、相对湿度和风速的总体相关关系如图5～7所示。PM2.5浓度值与温度和风速呈现负相关关系，相关系数分别为R=-.358和R=-.717(P＜ .01)；与相对湿度呈现正相关关系，相关系数R=.340(P＜ .01)。这说明随着温度升高和风速的增大，PM2.5浓度呈现下降趋势；相反随着相对湿度的增大，PM2.5浓度呈现上升趋势。根据PM2.5浓度的日变化特征分析得知，相对湿度与PM2.5浓度的正相关性存在一定阈值，当超过一定湿度范围时，PM2.5浓度随相对湿度的增大逐渐下降。为了得到由正相关关系转为负相关关系时对应的湿度阈值，将PM2.5浓度与相对湿度进行多项式回归拟合，结果如图8所示，当相对湿度＜66%时，两者是正相关关系，当相对湿度＞66%时，两者呈负相关关系。

不同活动空间内PM2.5浓度与主要环境因子的相关系数如表2所示。亲水平台和滨水亭廊与温度呈显著的负相关(P＜ .05)，而其余活动空间与温度的关系不显著。露天广场、林荫道、紫藤花架和大草坪都与相对湿度呈现极显著的正相关(P＜ .01)，而亲水平台和滨水亭廊与相对湿度呈现极显著的负相关(P＜ .01)。除林荫道和紫藤花架外，其余活动空间都与风速呈现显著的负相关(P＜ .05)，这说明活动空间的郁闭度对PM2.5和风速的关系有较大的影响。

2.4 讨论

本研究中相同时间点不同活动空间的PM2.5浓度最大值和最小值差别为1.35～1.65倍，一天中最大差别为1.77倍，这与吴正旺[13]、文一章[14]等人对微小尺度上PM2.5不均匀分布的研究结果(1.1～2.1倍)一致，因为城市公园中的空间阻隔主要以植物、地形为主，竖向高度上不如居住区建筑和道路沿街建筑，所以浓度差别值倍数略低于居住区和城市道路。林荫道和紫藤花架试验点的PM2.5浓度总体均值低于其他活动空间，这主要是因为这2种空间结构的郁闭度较高，分别由针叶常绿乔木和小阔叶藤本植物构成。这2类植物的叶面积相对较大，枝叶结构复杂，使空间内的湿度较高，阻滞PM2.5的作用明显，空气质量总体优于其他空间。所以在轻中度污染天气下，居民最好选择郁闭度高、周边植物茂盛的空间活动，尽量避免去露天广场、大草坪等开敞空间。

不同活动空间的PM2.5浓度日均变化趋势不同，露天广场和大草坪的变化趋势呈现波浪式，林荫道和紫藤花架的变化趋势呈现阶梯式上升，亲水平台和滨水亭廊的变化趋势呈现M型，这与李新宇[19]、王月容[20]、王晓磊[21]、陈凡涛[15]等人的“双峰单谷”“N型”“S型”研究结果基本一致，都有峰谷值的变化，本次研究中有4个试验点的日变化曲线拟合出现3次峰值，这可能与采取每小时监测的方法有关，也可能与有的试验点距离道路较近，受到早中晚高峰期汽车尾气的影响较大，同时周边植物生理活动旺盛能够不断阻滞吸附PM2.5[22]，使白天PM2.5浓度变化趋势出现2次谷值。

一些研究表明，PM2.5浓度值往往受公园环境的较大影响，公园间存在差异，而同一公园内的PM2.5浓度值消减作用相近。但从本研究中的观测数据来看，同一公园内也存在差异，A1和A6的PM2.5浓度均值分别为130.6μg/m3和128.4μg/m3，而A5的浓度均值为89.6μg/m3。这可能因为A1和A6周围郁闭度不高，与主干道距离较近，受机动车尾气影响较大。也可能与云龙公园的面积较大有关，王晓磊等的研究表明，当公园绿地半径大于55m时，可以维持正净化效应，缓解PM2.5污染[23]。

也有研究表明，城市公园林荫间的PM2.5浓度值往往高于旷地。而本研究的观测数据中，林荫道的浓度均值(93.2μg/m3)要低于露天广场(130.6μg/m3)和大草坪(128.4μg/m3)等旷地。这主要是因为本研究选取在轻中度污染天气下进行的，在这种天气下较复杂的绿地结构对PM2.5污染的消减起到积极作用[2]。而在重度污染条件下，可能是因为林荫间的郁闭度较高，扩散条件差，空间内PM2.5更易于积聚，从而比旷地的浓度值要高。具体原因还有待进一步深入研究。

6处试验点的PM2.5浓度值与温度和风速呈现负相关关系，与相对湿度总体呈现正相关关系，这与王晓磊等[21]、吴志萍等[24]的研究结果一致。同时已有研究指出PM2.5浓度与湿度的正相关性存在一定阈值[21]，但未做进一步研究，本研究通过对PM2.5浓度与相对湿度进行多项式回归拟合曲线，得到相对湿度的阈值为66%，即相对湿度超过66%时与PM2.5浓度呈现负相关。

由于监测条件的限制，本研究只挑选了6处公园活动空间进行监测，另外，不同活动空间的PM2.5浓度除了与温湿度和风速有关系外，还受光照强度、空气负离子浓度、植物种植密度、树种组成等因素的影响，今后有待于进一步对更多公园活动空间和影响因素进行研究。

3 结论

本文通过选取徐州市云龙公园内6处典型的游憩活动空间，同步监测各空间的PM2.5浓度及环境影响因子，对轻中度污染天气下城市公园内PM2.5浓度的时空不均匀分布特征及环境影响因素进行研究。主要研究结果简要概括如下。

公园内露天广场的PM2.5浓度均值最高为130.6μg/m3，其次为大草坪(128.4μg/m3)、亲水平台(119.4μg/m3)、滨水亭廊(107.5μg/m3)、林荫道(93.2μg/m3)、紫藤花架(89.6μg/m3)。浓度均值的最大差别为1.46倍。相同时间点不同活动空间的PM2.5浓度最大值和最小值差别为1.35～1.65倍，一天中不同时间段各空间的最大差别为1.77倍。

不同活动空间的PM2.5浓度日均变化趋势不同，露天广场和大草坪的变化趋势呈现波浪式，林荫道和紫藤花架的变化趋势呈现阶梯式上升，亲水平台和滨水亭廊的变化趋势呈现M型。露天广场和大草坪的PM2.5浓度最低值出现在16：00，林荫道和紫藤花架的最低值出现在11：00，亲水平台和滨水亭廊的最低值出现在13：00，6处实验点的PM2.5浓度最高值均出现在19：00。

公园内6处活动空间PM2.5浓度值与温度和风速呈现负相关关系，相关系数分别为R=-.358和R=-.717，与相对湿度呈现正相关关系，相关系数R=.340。通过多项式回归拟合曲线可知，PM2.5浓度与相对湿度的正相关性存在一定阈值，当相对湿度＞66%时，两者呈负相关关系。

研究结果为城市公园游憩空间的规划布局和指导市民合理选择活动时间地点提供参考依据。本研究只挑选了6处公园活动空间进行监测，仅对PM2.5浓度与温湿度和风速的关系进行了研究，未涉及光照强度、空气负离子浓度等影响因素的监测，今后有待于进一步深入研究。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。