基于城市绿地滞尘模型的上海市绿色空间滞留PM2.5功能评估

佘欣璐,高吉喜,张 彪

1 中国人民大学, 北京 100872 2 生态环境部卫星环境应用中心, 北京 100094 3 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101

近年来随着城市化进程加快,城市空气污染已成为严重环境问题。其中PM2.5因其粒径小、质量小、滞留时间长,是雾霾天气形成的最主要因素,也与呼吸道和免疫系统疾病有着直接联系[1]。比如,Franklin等[2]发现,大气中PM2.5含量每升高10 μg/m3,全因死亡率、呼吸道疾病死亡率和中风死亡率分别提高1.21%、1.78%和1.03%。因此,减少与控制空气中PM2.5浓度已成为城市生态环境质量提升的关键。植物叶片多绒毛、黏性汁液、粗糙突起等结构特征促使其能吸附空气中悬浮颗粒物,而植物群落能降低植被附近风速、增加空气湿度,进一步增强植被对颗粒物的滞留作用,因此城市绿地对大气颗粒物有一定的吸滞功能[3- 7]。在植物叶片或植株尺度上,邱媛等[8]采用生物量估算和实测相结合的方法,测算了广东省惠州市4种主要绿化乔木的滞尘量；Hwang等[9]通过气室实验对比,得出了针叶树拦截PM2.5的能力远大于阔叶树的结论；Popek等[10]发现,不同树种对大气颗粒物的吸附能力相差10—20倍；谢滨泽等[4]、杨佳和王会霞[7]均探究了白蜡、大叶黄杨、榆树、悬铃木等常见树种的滞尘能力与其叶面微形态结构的关系；赵松婷等[11]采用采样电镜分析,研究了北京市29种园林植物滞留空气污染物的能力；Xu等[12]采用清洗称重法确定了17种北京城市绿化树木的颗粒物滞留能力。另外,在城市或区域尺度构建模型评估绿地滞留颗粒物功能的研究也日益增多。比如,Tallis等[13]基于UFORE模型估算伦敦城市树冠层每年可移除852—2121 t的PM10；Nowak等[14]构建城市树木滞尘模型测算发现美国10个城市的树木移除PM2.5量在4.7—64.5 t之间；Selmi等[15]则利用i-Tree Eco模型量化测算法国斯特拉斯堡(Strasbourg)城市树木年可削减12 t的PM2.5—10和5 t的PM2.5；基于Nowak等[14]的城市树木滞尘模型,刘文平和宇振荣[16]构建了城市绿地滞尘模型,并应用于北京市海淀区绿色空间的PM2.5滞尘服务模拟。

上海是我国长三角的特大型城市和全国经济最发达地区,近40年来经历了快速城市化过程,大气颗粒物污染问题突出[17]。积极发挥上海城市绿地的滞尘功能具有重要的现实意义。江畅等[18]测定发现,上海市典型绿化植物(香樟、二球悬铃木、龙柏和水杉)均对扬尘中Fe+有明显吸附作用,且龙柏和悬铃木在滞尘过程中对特定离子出现专属吸附特性。贺坤等[19]分析了上海市8种攀缘植物的滞尘效应,发现其滞尘能力与叶面特征有关,叶片滞尘量与周边环境关系密切。不过,上海市域绿色植被滞尘功能的时空差异评估研究不足,制约着城市生态空间规划与建设管理成效。随着上海生态文明建设与全球城市建设目标的确立,完善城乡生态网络空间体系、提升城市生态安全与服务功能成为上海生态化转型的重点举措[20]。为此,该文采用城市绿地滞尘模型,评估分析上海市绿色空间对PM2.5的滞留功能及其时空差异,为上海市生态空间优化与国土空间治理提供参考依据。

1 研究区概况

上海市地处长江三角洲东南缘(30°40′—31°53′ N,120°51′—122°12′ E)、长江和钱塘江入海汇合处。全境除西南部有少数剥蚀残丘外,均为坦荡低平的长江三角洲平原,平均海拔4 m左右。上海市属于亚热带季风气候,2017年平均气温17.7℃,日照时间1809.2 h,降水量达1388.8 mm,降雨日达124 d。2017年上海市行政区总面积6340.50 km2,分为浦东新区、黄浦区、徐汇区等16区(图1),年末常住人口2419.70万人,人口密度达到3816人/km2,其中黄浦区、虹口区、杨浦区、普陀区等人口密度均超2万人/ km2[21]。

上海市地跨北亚热带和中亚热带,植被以常绿阔叶林与常绿落叶阔叶混交林为主。近年来,上海城市绿化建设加速,2017年森林覆盖率达到16.2%,建成区绿化覆盖率达到38.8%,人均公园绿地面积达到8 m2/人[22]。

2017年上海市环境空气质量指数(AQI)优良天数为275 d,全年90个污染日中,首要污染物为细颗粒物(PM2.5)的有23 d。2017年上海市环境空气中细颗粒物(PM2.5)浓度为39 mg/m3,超出国家环境空气质量二级标准4 mg/m3,较基准年2013年下降了37.1%[23]。

2 研究方法

2.1 绿色空间识别

城市绿色空间是以土壤为基质、以植被为主体、以人类干扰为特征、且与微生物和动物群落协同共生的人工生态系统[24]。本文将上海市绿色空间界定为林地、草地和农田组成的绿色开敞空间,由中国资源卫星应用中心陆地观测卫星数据平台的高分辨率遥感影像解译获得,涉及高分2号卫星影像数据38、39景。首先利用ENVI软件完成正射校正、辐射定标、图像融合和大气校正等处理过程,生成配准后高分影像(2 m分辨率)；然后以上海市行政边界为范围,采用人工目视解译的方法,将土地覆被类型分为农田、林地、草地、湿地与建设区,完成分幅矢量化的单元网格解译,最终生成上海市土地覆被解译数据成果(图2)。

图1 上海市行政区划图Fig.1 Zones maps in Shanghai

图2 2017年上海市土地覆被及绿色空间分布图Fig.2 Land covers and urban green spaces of Shanghai in 2017

2.2 绿地滞尘模型

绿色植被吸滞PM2.5的功能受多种因素影响。Nowak等[14]在测算美国10个案例城市的树木移除PM2.5功能时,提出了一个由污染物浓度和污染物沉降到叶表面速率共同表征的植被滞尘模型,分别通过计算案例城市的总叶面积、叶表面PM2.5沉降速率与再悬浮率,并结合大气中PM2.5浓度确定林木移除PM2.5量。考虑到颗粒物沉降到叶表面的速率与风速、滞尘返还率密切相关,刘文平等[16]构建了由污染物浓度、叶面积、叶表面污染物沉降速率与返还率以及滞尘时间共同影响的城市绿地滞尘模型,有助于定量评估城市绿地滞尘功能的空间差异。该文重点关注上海市域绿色植被滞尘功能的时空差异,因此应用该绿地滞尘模型,结合上海市降水、风速等气象数据与空气质量监测数据,估算分析绿色空间滞留PM2.5的数量及其差异,计算公式为：

YPM=V×d×LAI×c×(1-r)×T

式中,YPM为单位面积绿色空间滞留PM2.5量(μg/m2),V为PM2.5沉降到叶表面的速率(m/h),d为PM2.5日均浓度(μg/m3)；LAI为绿色空间的叶面积指数；c为绿色空间的植被覆盖度(%)；r为植被滞尘时向空气中的返还率(%)；T为滞尘时间(h)。

2.3 模型参数计算

城市绿地滞尘模型包含空气污染物浓度、污染物沉降速率、滞尘返还率、叶面积指数、植被覆盖度等参数。本研究中各参数的计算与获取途径如下：(1)PM2.5浓度从上海市生态环境局获得,为上海市不同监测站点的空气颗粒物监测数据,并统计得到宝山区、崇明区、奉贤区等16区的月均浓度；(2)植被叶表面PM2.5沉降速率V参考自章旭毅等[25]对上海市PM2.5的干沉降速率测定结果,植被滞尘返还率r取自Nowak等[14]不同风速下的返还率表,其中,上海市日均风速由国家气象科学数据共享服务网获得；(3)叶面积指数LAI采用赵燕佩等[26]建立的上海市生态用地植被覆盖度与LAI的回归关系模型计算,绿色空间植被覆盖度由归一化植被指数(NDVI)反演得到[27],其中,上海市春夏秋冬四季NDVI分别由2017年4月2日、8月24日、11月4日和2月13日的遥感影像反演得到；(4)由于降雨事件对植被滞尘过程有明显影响,该研究以日降雨量15 mm作为判断滞尘周期的依据[28],即日降雨达到或超过15 mm时,则计上一次滞尘过程结束,且降雨后第二天重新开始滞尘。此外,植被滞尘存在最大限度,即达到最大限度后滞尘量不再增加[29- 32],该文假设在没有降雨事件发生时,取上述研究的平均值21 d作为滞尘饱和时间T。

本研究中模型检验主要采用上海市徐汇区和闵行区10个样点植被滞尘能力实测值[33]。首先基于采样点位置确定各样地混合像元组分类型,然后根据样点植被滞尘能力与上海市降尘中PM2.5比例[34]测算出滞留PM2.5能力,并基于土地覆被解译数据利用面积比例加权计算出各样地栅格的PM2.5滞留能力,最后与模拟估算的各样点PM2.5滞留能力进行对比验证,线性回归结果达到0.75,满足本文分析要求。

3 结果分析

评估结果表明,2017年上海市绿色空间面积3354 km2,可滞留PM2.5总量约为3533 t,约合单位面积绿色空间滞留PM2.510.5 kg hm-2a-1。

3.1 不同类型滞尘差异

2017年上海市绿色空间面积约为3354 km2,包括720 km2林地、337 km2草地与2297 km2农田。可见,上海市绿色空间组成以农田为主,其面积约占绿色空间总面积的68%。受绿色空间面积的影响,上海市农田植被可滞留PM2.5约1888.42 t/a,占到绿色空间滞留PM2.5总量的53.45%；林地植被年滞留PM2.5约1370.80 t,草地植被可滞留PM2.5约273.68 t/a,分别占到绿色空间滞留PM2.5总量的38.80%和7.75%。不过,单位面积绿色空间滞留PM2.5的平均值为10.5 kg hm-2a-1,且不同类型绿色空间差异较大(表1)。其中,林地植被滞留PM2.5能力最高,年滞留PM2.5均值为20.24 kg/hm2,而草地和农田植被滞留PM2.5能力分别达到9.11 kg/hm2和8.68 kg/hm2,均不及林地植被滞留PM2.5能力的一半(图3),这主要与绿色空间的植被组成特征有关。

3.2 不同季节滞尘差异

城市绿地吸滞大气颗粒物的作用主要依赖于植物叶片,上海市植被以常绿阔叶林与常绿落叶阔叶混交林为主,因此上海市绿色空间基本全年发挥滞留PM2.5功能。评估结果表明,绿色空间日滞尘量受季节影响显著(P<0.05)。2017年6—9月上海市绿色空间滞留PM2.5作用明显,10—12月、4—6月以及1—2月绿色空间滞留PM2.5的功能较低,而2—4月滞留PM2.5能力最低(图4),原因是此阶段有效降雨事件(日降雨≥15 mm)较少,已达滞尘限度的植被叶片不能重新开始滞尘。可见,2017年上海市绿色空间滞留PM2.5能力存在明显季节差异(表2)。夏季绿色空间对PM2.5的滞留能力最高,为27.25 t/d；春季和秋季绿色空间滞留PM2.5能力分别为11.70 t/d和11.09 t/d,冬季季末与早春阶段绿色空间的滞尘能力最弱,约为2 t/d。根据上海市环境状况公报数据,2017年上海市PM2.5年均浓度为39 mg/m3,其中,10月份平均浓度最低(24 mg/m3),12月份平均浓度最高(54 mg/m3),因此,上海市绿色空间滞留PM2.5的功能供给与滞尘功能需求存在一定程度的错位,这与植被生长周期与污染物排放时间有一定关系。

表1 不同类型绿色空间滞留PM2.5能力的统计检验

图3 不同类别城市绿色空间滞留PM2.5功能Fig.3 PM2.5 retention function of different types of urban green spaces

图4 上海市绿色空间2017年单日滞留PM2.5量Fig.4 The daily amount of PM2.5 removal provided by Shanghai′s green spaces in 2017

表2 不同季节绿色空间滞留PM2.5能力的统计检验

Table 2 Variance test of PM2.5absorption capacity of green space in different seasons

季节 Season样本数 Sample size/个平均值 Mean/(t/d)最小值 Minimum/(t/d)最大值 Maximum/(t/d)变异系数 Variable coefficient春季 Spring5011.702.4018.350.16夏季 Summer7027.257.2046.300.12秋季 Fall6311.092.4025.000.20冬季 Winter397.781.9913.480.24

3.3 不同植被盖度的差异

植被覆盖状况对城市绿色空间滞留PM2.5的功能有明显影响。总体来看,上海市林地、草地和农田吸收PM2.5的能力均随植被盖度增加而增大,但增加幅度存在明显差异(图5)。林地植被盖度在0.6—0.8之间时,单位面积滞留PM2.5的能力为22.87 kg/hm2,约为植被盖度0.4—0.6时吸收能力(13.94 kg/hm2)的两倍。高植被覆盖(>0.8)绿色空间年均滞留16.37 kg/hm2的PM2.5,中度植被覆盖的绿色空间单位面积可滞留7.43 kg的PM2.5,而低植被覆盖的区域仅能滞留4.33 kg/hm2(表3)。从滞留总量来看,高植被盖度的绿色空间滞留1567 t PM2.5,其次为较高植被盖度的绿色空间,年滞留PM2.51253 t,低覆盖和较低覆盖的绿色空间分别滞留62 t和190 t PM2.5,因此,上海市植被盖度0.6以上的绿色空间可提供80%的PM2.5吸收量。

图5 不同植被盖度城市绿色空间滞留PM2.5功能Fig.5 PM2.5 retention function of urban green space with different vegetation coverage

表3 不同植被盖度的绿色空间滞留PM2.5能力的统计检验

Table 3 variance test of PM2.5absorption capacity of greenbelt with different vegetation coverage

植被覆盖度 Vegetation coverage样本数 Sample size/个平均值Mean/(kg/hm2)最小值Minimum/(kg/hm2)最大值 Maximum/(kg/hm2)变异系数Variable coefficient<0.2(低覆盖 Lowest)114752.420.0127.290.690.2—0.4(较低覆盖 Low)196664.330.4329.970.400.4—0.6(中覆盖 Middle)253087.431.6037.040.270.6—0.8(较高覆盖 High)4314413.003.5971.810.20>0.8(高覆盖 Highest)4250816.376.2968.370.17

3.4 不同区域滞尘差异

2017年崇明区的绿色空间滞尘总量1283.31 t,占到上海市绿色空间滞留PM2.5总量的37.23%,是上海市绿色空间滞尘功能的最大供给区域。原因主要是该地区农田面积大,绿色植被密集,人工建设表面少。浦东新区、青浦区、金山区和松江区的绿色空间分别提供了13.68%、10.54%、9.83%和9.25%的PM2.5滞留量,是上海市绿色空间滞尘功能的重要供给区域。奉贤区、嘉定区,闵行区和宝山区的绿色空间可分别滞留291.13 t、191.55 t、95.57 t和70.20 t的PM2.5,其贡献率均占到市域绿色空间滞留PM2.5总量的2%—8%,是上海市绿色空间滞尘功能的次要供给区域。而虹口区、黄浦区、静安区、普陀区、杨浦区和长宁区均供给不足1%的滞留PM2.5总量,为绿色空间滞尘功能的较低供给区域(图6)。从单位面积绿地滞留PM2.5的能力来看,长宁区最高,绿色空间滞留PM2.5可达17.55 kg/hm2,其次为杨浦区、普陀区、青浦区、崇明区,其绿色空间滞留PM2.5能力均大于12.00 kg/hm2,而静安区、徐汇区、浦东新区等地绿色空间滞留PM2.5能力较低,均小于10.00 kg/hm2(表4)。因此,2017年上海市绿色空间滞留PM2.5功能总体呈现为中心城区低、周边高的态势(图7),这主要与上海市绿色空间的区域分布特征有关。

图6 2017年上海市各区绿色空间滞留PM2.5功能Fig.6 The PM2.5 removal provided by every regional green spaces of Shanghai in 2017

表4 不同区县绿色空间滞留PM2.5能力的统计检验

Table 4 Variance test of PM2.5absorption capacity of greenbelt in different districts and counties

行政区划 District样本数 Sample size/个平均值Mean/(kg/hm2)最小值Minimum/(kg/hm2)最大值 Maximum/(kg/hm2)变异系数Variable coefficient杨浦区 19814.680.0236.640.21虹口区 2510.680.9626.460.27静安区 669.041.6132.540.29普陀区 16514.430.6336.710.21长宁区 11917.550.3640.300.18徐汇区 1109.480.1338.240.32黄浦区 3311.250.9136.120.27闵行区 383310.580.0163.280.28宝山区 275911.290.0241.270.26嘉定区 781611.280.0148.410.25浦东新区253798.310.0154.640.31金山区 1517610.190.0143.540.25松江区 1223611.750.0166.240.24青浦区 1299413.170.0171.810.24奉贤区158358.220.0159.820.32崇明区 4534912.730.0153.060.21

图7 2017年上海市绿色空间滞留PM2.5能力分布Fig.7 The spatial distribution of PM2.5removal capacity by Shanghai′s green spaces in 2017

4 讨论与结论

4.1 讨论

城市绿色空间对大气颗粒物有一定程度的吸收滞留作用,规划建设绿色空间并积极发挥其滞尘功能也是降低空气污染、改善环境质量的绿色生态措施。该文基于区域绿地滞尘模型,并结合上海市绿地、气象与空气环境特征,评估分析了2017年上海市绿色空间滞留PM2.5的功能及差异。该研究发现,上海市单位面积林地可滞留PM2.520.2 kg/hm2,稍低于肖玉等[35]基于NDVI与干沉降模型测算的北京城市绿地可削减PM2.522.71 kg/hm2—33.36 kg/hm2的结果,原因在于上海市环境空气中颗粒物浓度背景值远低于京津冀地区。此外,该研究发现上海市绿色空间夏季滞留PM2.5的能力最大,秋季、春季和冬季滞留PM2.5能力依次降低,这与刘文平等[16]在北京市海淀区的研究结果相似。

由于城市内部污染物排放与绿色植被分布格局的不同,定量揭示城市绿色空间滞留PM2.5的区域差异有助于针对性指导城市绿地规划设计。该研究证实,上海市绿色空间滞留PM2.5功能总体呈现为中心城区低、周边高的态势,而上海市人口空间分布格局正好相反,为此,重点优化中心城区的绿地结构与格局、提升与利用绿色空间的滞尘功能具有重要的现实意义。不过,近40年的快速城市化过程,使得上海市中心城区已无大面积建设绿地的潜力,而大部分桥柱攀缘植物的滞尘功能明显,且秋季高于春季[19],因此,大量增加立体绿化有助于解决上海市春秋季节绿色空间滞尘功能不足的问题。同时,上海市空气颗粒物排放来源复杂,应注重利用绿化植被本身的滞尘特性针对性净化滞留大气颗粒物,比如在金属冶炼工业密集分布区可多种植龙柏作为滞尘植物,在化工业聚集区种植悬铃木作滞尘植物,在建筑工地等扬尘产生源则可将各树种组合种植以形成群落丰富的绿色空间[18]。

不过该研究也存在一些不足。首先不同绿色空间类型以及不同树种的颗粒物沉降速率差别很大,虽然该研究采用上海市日均风速和他人研究实测数据[25],但是高度复杂外界环境因素变化可能造成沉降速率差异进而产生较大误差。其次,该文重点关注了上海市农田、林地与草地植被滞留PM2.5的功能,事实上城市湿地也具有削减大气细颗粒物PM2.5的作用[36]。此外,该研究中的绿色空间叶面积指数(LAI)是基于上海地区模型模拟的结果[26],与上海市绿色空间LAI真实值存在一定误差。以上不足均需要未来开展更多的实证研究加以验证与完善。不过,城市绿色空间滞尘功能研究尚处于初步阶段,该研究有助于揭示超大城市绿色空间滞尘功能的时空差异,可为上海市生态空间优化与国土空间治理提供参考依据。

4.2 结论

该研究评估发现,2017年上海市绿色空间面积3354 km2,可滞留PM2.5约3500 t,合计单位面积可滞留PM2.510.5 kg hm-2a-1。其中,林地滞留PM2.5能力最强,远高于草地和农田。不过,夏季绿色空间的滞留PM2.5功能最为有效,然后依次为秋季、春季和冬季。林地草地和农田吸收PM2.5的能力随植被盖度增加而明显提高。除崇明岛外,上海市绿色空间吸滞PM2.5功能呈现出中心低、周边高的区域差异。为此,建议上海市重点优化中心城区的绿地结构与格局,增加立体绿化与栽植高滞尘树种,提升与利用绿色空间的滞尘功能。