基于公共健康视角的城市公园颗粒物时空分布及影响因素研究

2021-06-16王祖星

中国园林 2021年5期

王祖星

靳焕

张京生

雷雅凯*

2020年初新型冠状病毒肺炎疫情暴发，作为新型冠状病毒传播方式之一的气溶胶传播，被社会各界广泛关注。气溶胶是固体或液体微粒分散并悬浮于气体介质中形成的胶体分散系统。病毒或细菌与干燥的固体颗粒和液体颗粒相连而在空气中悬浮形成病毒或生物气溶胶[1-2]。可吸入颗粒物是一种气溶胶颗粒，也是空气污染的主要污染物，直接或间接地危害着人体健康[3-4]。一般常见的可吸入颗粒物有PM1、PM2.5、PM10。PM1、PM2.5和PM10分别指空气动力学当量直径小于1、2.5、10μm的颗粒物，均是大气颗粒污染物的重要组成部分[5]。相关报道和研究指出，PM2.5可以穿透肺部，造成肺部和心血管疾病，且与空气污染相关的呼吸系统及心脏疾病的危险性在升高[6-7]。处于低浓度颗粒物水平城市的居民平均寿命比处于高颗粒物浓度城市中的居民的寿命延长2个标准差，随着可吸入颗粒物浓度水平的升高，呼吸系统及心脑血管相关疾病的死亡率、入院率随之升高[8-9]，研究发现，可吸入颗粒物有可能是SARS病毒的载体，可吸入颗粒物与SARS病例有高度相关性[10-11]。病毒颗粒混合物为5μm，在3m的高度，可在空气中悬浮67min[2]，同时高浓度的可吸入颗粒物吸附更多的细菌和病毒，可能损伤人体黏膜，有利于病原体侵入人体，增加健康风险[12-13]。城市公园作为城市绿地系统的组成部分，是居民使用最频繁的室外公共空间。尤其是综合公园，其面积较大，空间类型多样，能够满足城市居民多样的活动需求，对城市居民的身心健康起着积极作用。因而研究城市公园中不同园林空间的可吸入颗粒物浓度的时空分布差异对于市民公共健康来说显得尤为重要。

目前对于颗粒物的研究主要集中在其来源及组分特征、时间动态及空间分布特征、城市绿地与颗粒物之间的相关性等[14]。对于城市中小尺度场地中颗粒物的研究，主要集中在植物对颗粒物的吸附阻滞效应、气象因素与颗粒物浓度的相关性等[15-18]。城市绿地不同的植物群落结构对PM2.5具有不同的阻滞和吸附效应[19]。赵越等通过调查滨水区域不同植物群落得出，对于PM2.5的阻滞和吸附作用，乔灌草＞乔草＞灌草＞草坪[20]；赵松婷等发现，不同树种间植物滞尘能力存在差异，其中雪松是绦柳的43倍以上，小叶黄杨的是紫荆的28倍以上[21-22]；丁文等通过调查道路绿地发现，与空气温度呈负相关，与相对湿度呈正相关，与风速无显著相关关系[23]；Liu Jiakai等的研究表明，水体环境与林地环境的颗粒物浓度存在差别，是由于水体蒸发造成通风环境和温湿度的变化，影响PM2.5的扩散和沉降[24-25]；王誉洁等研究发现居住区不同绿地的PM2.5浓度不同，但日变化趋势一致。

综上可见，当前的研究集中在道路和居住区中，缺乏对城市公园多样的园林空间中颗粒物的分布特征和风速、温度、相对湿度及景观构成与颗粒物的关系的研究。并且大多研究只关注PM2.5，而亚微米颗粒物PM1，由于粒径更小，比表面积更大，更易吸附或产生对人体健康有毒有害的污染[26]，以及PM10有随高度递减的特征，因而近地面富集更高浓度的PM10[27]，在小尺度城市公园中的分布特征却缺乏研究。本研究以郑州市人民公园为例，将公园空间按照特征划分为5类(露天广场、草坪、半室内空间、林下空间、滨水空间)，通过实地测试不同类型园林空间的小气候指标(空气温度、相对湿度、风速)和空间景观要素特征[下垫面材质、植被围合情况、植物群落结构、叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)和天空可视因子(Sky View Factor，SVF)]，以及同步监测PM1、PM2.5、PM10的浓度和观察园林空间内人群的主要活动方式。对比5类园林空间不同时间段的3种颗粒物浓度差异，探究不同颗粒物浓度的空间分布差异和时间变化规律，找出益于居民健康的最佳活动时间和空间，以及颗粒物浓度与小气候指标和园林空间中景观要素的关系。从公共健康视角，探究针对性的策略对城市公园园林空间进行合理规划设计，从而调节公园园林空间的局地空气质量和小气候，为未来以公共健康为导向的城市公园的建设提供理论依据与方法，以及为城市居民更加合理地使用城市公园提供科学参考。

1 研究概况与方法

1.1 实验场地概况

郑州市是河南省省会，位于河南省中部偏北，东经112°42′～114°14′，北纬34°16′～34°58′，北临黄河，西依嵩山，东南为广阔的黄淮平原，属温带大陆季风气候，全年平均气温15.6℃，全年平均降雨量542.15mm，无霜期209d，全年日照时间约1 869.7h。实验监测样区取自郑州人民公园，人民公园位于郑州市中心，人口聚集，商业发达。1952年正式开放，公园面积30.14hm2，其中水面3.37hm2，绿化面积25.41hm2，是市区内大型综合性公园。以代表性和可行性为原则，以及参考刘滨谊等的研究和公园的实际建设情况，将公园园林空间分为露天广场、草坪、半室内空间、林下空间、滨水空间，其中半室内空间包括廊架、亭子等[28-29]。为使研究更具有普适性，通过实地考察和无人机正射影像，从人民公园5类典型的园林空间中各选择3个监测样区(图1、2)，每个样区选取2～3个样点。其中A1、A2、A3为露天广场，B1、B2、B3为草坪，C1、C2、C3为半室内空间，D1、D2、D3为林下空间，E1、E2、E3为滨水空间，样区基本信息如表1所示。

表1 样区基本信息

图1 样区实景

图2 人民公园区位及无人机正射影像

1.2 数据来源与预处理

1)大气颗粒物、气象因子和相关环境数据。

于2019年10月与11月初选取空气质量良好的日期进行监测(表2)，采用Dustmate粉尘监测仪监测各样点PM1、PM2.5、PM10的质量浓度，采样高度距离地面1.5m，由于公园样点较多且内样区内人群密集，为避免影响人群活动进而对实验结果造成影响，故采取动态采集的方法测量数据。测定时间为8：00—18：00，每2h按照设计路线匀速往返一次，每个样点数据采样时间为60s，各个样点求取往返平均值。同时使用KestrelNK 5000便携式气象仪测量各个样点的空气温度、相对湿度和风速，测量仪器使用前统一进行数据校准。在同一天，采用CI-110冠层分析仪测量各个样点的LAI和SVF，同时观察人群活动方式。

表2 实验日期郑州市历史气象数据

2)无人机正射影像数据。

选取DJI Phantom 4 RTK无人机进行低空摄影测量飞行相对航高100m，旁向重叠率70%，航向重叠率80%。后期数据处理选用Bently公司的Context Capture Center软件，将无人机倾斜摄影的影像进行处理，得到空间分辨率为27mm×27mm的高精度正射影像，基于影像数据判读，并结合实地调查，确定研究区园林空间的类型及本实验样区、样点的分布。

1.3 数据分析

对采集到的数据使用Microsoft Excel 2016整理。采用SPSS 22.0和Rstudio，对5类空间之间的3种颗粒物浓度和气象因子进行方差分析和多重比较，对相同空间的3种颗粒物浓度与气象因子进行相关性分析与显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 颗粒物浓度时空分布特征

2.1.1 颗粒物浓度空间分布特征

5类空间之间3种颗粒物浓度单因素方差分析，10：00—12：00对于PM1、PM2.5浓度均值，F值均大于临界值，P＜0.05。其他时间3种颗粒物浓度均值，F均小于临界值，P＞0.05。由图3(B、C、D)可知，8：00—10：00草坪的3种颗粒物浓度均值显著低于其他空间(P＜0.05)；10：00—12：00草坪、林下空间和滨水空间PM1、PM2.5均值显著低于露天广场和滨水空间(P＜0.05)；12：00—14：00草坪的PM1、PM2.5浓度均值显著低于其他空间(P＜0.05)。

2.1.2 颗粒物浓度时间分布特征

相同空间中，3种颗粒物浓度均值不同时间之间方差分析结果均为F大于临界值，P＜0.05。相同空间中的3种颗粒物浓度日变化趋势如图4所示，5类园林空间的3种颗粒物浓度日均变化，均呈U字形，由8：00—10：00的峰顶，逐渐降低，14：00—16：00到达峰谷，然后升高达到峰顶。由图3(G)可知，全部样区在8：00—10：00时段3中颗粒物浓度显著高于其他时段，14：00—16：00时段3种颗粒物浓度均值显著低于其他时段(P＜0.05)。由图3(I、J、K、L)可知，草坪在14：00—16：00，PM1、PM2.5浓度均值显著低于其他时段(P＜0.05)；半室内、林下、滨水空间在14：00—16：00，3种颗粒物浓度显著低于其他时段(P＜0.05)。

图3 公园5类园林空间3种颗粒物时空分布方差分析

图4 不同空间内3种颗粒物浓度日均变化趋势

2.2 影响公园不同园林空间颗粒物浓度的气象因子分析

根据方差分析，不同空间之间温度、相对湿度没有显著差异，风速有显著差异(表3)；公园内相同园林空间PM1、PM2.5、PM10浓度值与空气温度、相对湿度和风速的相关关系如图5所示。5类园林空间中PM1、PM2.5、PM10浓度均与温度呈显著负相关，与相对湿度呈显著正相关。这说明随着温度升高，3种颗粒物浓度呈现下降趋势；相反随着相对湿度的增大，3种颗粒物浓度呈现上升趋势。但5类活动空间中PM1、PM2.5、PM10浓度均与风速的关系不显著。

表3 5类园林空间风速方差分析

不同空间中相对湿度与空气温度均呈显著负相关；不同空间中空气温度与相对湿度、风速均呈显著负相关；其中露天广场中，风速与相对湿度呈显著负相关。

2.3 不同园林空间景观特征对颗粒物浓度空间分布影响分析

各样区下垫面材质、周边的围合情况、植物群落结构、LAI、SVF、人群活动方式如表1、4，样区及周边环境如图6所示。本研究中，8：00—10：00草坪的3种颗粒物浓度均值、12：00—14：00草坪的PM1、PM2.5浓度均值均显著低于其他空间。主要是因为草坪的下垫面为草坪植物而其他空间均为硬质铺装，以及草坪上人群活动少且人群多为较安静的活动方式[30]，有着较少的二次扬尘。另外草坪有着较高的SVF，能够有效地将空间内颗粒物进行扩散，且周边有着丰富层次的植物围合可有效阻滞和吸附空间内的颗粒物。10：00—12：00露天广场中3种颗粒物浓度均值显著高于草坪、半室内空间和林下空间，主要是因为露天广场这种类型空间下垫面材质为硬质铺装、人群的活动方式多为广场舞等剧烈活动，容易造成二次扬尘，并且LAI指数较低，周围缺少丰富层次的植物群落围合[31]，使空间内的颗粒物无法高效附着在植物叶片上。

图5 不同类型园林空间温湿度及风速与不同颗粒物浓度相关性检验[注：＊表示相关性在0.05层上显著(双尾)；＊＊表示相关性在0.01层上显著(双尾)；＊＊＊表示相关性在0.001层上显著(双尾)]

图6 样区及周边环境

表4 样区叶面积指数(LAI)、天空可视因子(SVF)、人群活动方式

3 讨论

本研究中对5种不同类型的园林空间3种颗粒物浓度进行方差分析和多重比较，P值均大于0.05，表明不同类型园林空间的3种颗粒物均没有显著差异。这与吴志平的研究一致[32]，与闫姗姗的研究结果，不同空间的PM2.5浓度有显著差异不一致[29]。原因可能是人民公园处于市中心，场地内人群密集，居民的活动如跳舞、抽烟等可能造成二次扬尘，对不同种类空间的颗粒物浓度造成影响，以及本研究每种绿地选取3个样区之间的天空可视因子、叶面积指数等有差异，可能导致不同空间的颗粒物浓度总体均值差异减小。

5类空间的PM2.5浓度值与温度呈负相关关系，与相对湿度呈正相关关系，这与闫姗姗[29]、徐欢等[33]的研究结果基本一致。公园各空间中空气温度与相对湿度、风速呈显著负相关关系，这与刘滨谊5类空间的3种颗粒物浓度日均变化值均呈“U”形变化趋势，与徐欢[33]、赵松婷[34]等的“双峰单谷”基本一致，均为“两端高，中间低”的波动形式。同时相关研究并未将PM1和PM10作为研究对象，本研究通过对PM1和PM10的数据监测，对相关研究进行补充，即PM1和PM10浓度在不同空间和不同时间分布的差异上与PM2.5浓度值的分布差异基本一致。

监测到的PM2.5、PM10浓度均高于郑州当日的平均水平(表2)，与以往研究结果和大众认知，城市绿地具有净化空气的作用不同。推测是由于人民公园紧靠城市主干道，以及公园中人员密集，居民活动造成的大量二次扬尘所致。建议在公园人员密集的区域，定时洒水甚至安装空气净化设备并且实时监测公示人流量提醒居民，避免因人流量过大而造成的二次扬尘，以及设计空间时应注重空间的形态改善空间风环境来清除扬尘[35-36]，从而为居民提供高质量、更加健康的公共空间。

由研究可知，从空气质量角度，8：00—10：00、12：00—14：00适宜选择草坪活动；10：00—12：00避免在露天广场和滨水空间活动；并且居民应避开颗粒物浓度的高峰时段，选择在颗粒物浓度较低的14：00—16：00进行户外活动。另外，公园的规划设计师和管理者可以通过相关措施改善热环境和湿环境，以及调整下垫面类型、植物的搭配模式来降低颗粒物浓度，提高空气质量。在公园的管理中建议安装空气质量监测设备，甚至是病毒及细菌的监测设备，使居民更加了解公园环境，从而合理地调整活动时间和空间，能够更加正确地“使用”公园。