不同城市绿地类型对PM2.5、PM10以及TSP的消减效应研究*

桂 艳 王海洋 陈 红 林立揩 GUI Yan, WANG Haiyang, CHEN Hong, LIN Likai

0 引言

城市绿地系统（urban green space system）是由城市中不同类型的绿化用地构成的一个完整系统[1]，承担着非常丰富和重要的城市功能，如景观美化、改善环境、承担城市公共活动等[2]。然而，随着城镇化的进一步发展，城市问题越来越突出，尤其是生态恶化、温室效应[3]等日益严重，对于城市绿地的研究也从空间规划[4]、分类体系[5]等方面的研究转向海绵城市建设[6]、生态系统建设等新的领域。同时，国内外新的研究方法与技术也为城市绿地系统的量化研究提供了更加精准和科学的途径[7-11]。根据《城市绿地分类标准》（CJJ/T85-2017），将城市绿地划分为公园绿地（G1）、防护绿地（G2）、广场用地（G3）、附属绿地（XG）和区域绿地（EG）五个大类，本文将以此作为依据选取研究区域内的典型城市绿地。

随着快速城市化的推进，工业化给人们带来便利的同时，也造成了严重的环境污染，其中空气颗粒物就是其中之一。城市中比较常见的空气颗粒物来源为燃煤烟尘、冶金工业、汽车尾气、物料转运、建筑施工以及地面扬尘[12]。按动力学直径可将空气颗粒物分为总悬浮颗粒物（TSP）、可吸入颗粒（PM10）和可入肺颗粒物（PM2.5、PM1）[13-14]。总悬浮颗粒物（TSP）的动力学直径小于100μm；可吸入颗粒（PM10）的空气动力学直径小于或等于10μm，是能被人直接吸入呼吸道的以颗粒形式分散在空气中的污染物质，也称粗颗粒物；可入肺颗粒物（PM2.5）的空气动力学直径小于或等于2.5μm，可吸入人的肺部[15]，危害人类健康。随着我国城市化和工业化进程的加快，城市的空气颗粒物污染越来越严重，而可吸入颗粒物（PM10）和可入肺颗粒物（PM2.5）成为了我国城市空气的首要污染物[16-18]。

城市绿地系统具有广泛的地域分布和城市中最大的植物规模，越来越多的学者开始关注城市绿地对空气颗粒物的消减作用。目前，对于城市绿地植物要素的研究已经非常普遍，尤其是在树种的选择[16-18]、植物群落结构[20-21]、植物配置模式[22]、植物叶片结构[23]等方面的研究已经非常完善。此外，在城市绿地布局[24]、城市绿地规模和形态[25]等方面也有一定的研究成果。随着城镇化的持续推进，户外公共空间空气环境的改善对于提高居民生活质量的作用也显得越来越重要。因此，有必要在已有研究的基础上，进一步深入研究绿地率、植物群落结构等要素在不同城市绿地类型中的作用机制，比较分析不同城市绿地类型在消减空气颗粒物方面的特点，为城市绿地系统规划和居民户外公共活动提供更加科学的指导，尤其是可为城市绿地空间的植物配置、设施设计、活动规划等提供更加精准的科学依据。

1 研究区域

本文选择重庆市沙坪坝区作为研究区域，由于重庆独特的山水环境，导致了多雾、冬季降雨少，易出现空气逆温等问题，从而导致空气颗粒物的湿沉降减弱，静风不利于污染物扩散等环境污染因素。加之沙坪坝区高度的城市化和工业化水平，PM10和PM2.5浓度都严重超标（表1），亟需对其空气颗粒物的消减途径进行研究。

表1 重庆沙坪坝区PM10、PM2.5日均质量浓度值统计[26]Tab.1 statistics of daily mass concentration of PM10 and PM2.5 in Shapingba District, Chongqing Municipality

2 研究对象

本文选取了沙坪坝区的公园绿地（G1）、广场用地（G3）、附属绿地（XG）三个大类的绿地类型作为研究对象，由于防护绿地（G2）和区域绿地（EG）比较独立，且很少承担城市公共活动功能，不宜进入，故不纳入本次研究（表2）。

3 研究方法

3.1 样方设置

样方大小为20 m×20 m，为了让样方边缘和内部都能测到空气颗粒物浓度，样方设置5个监测点，如图 2所示，A、B为对角线端点，C、D为样方另外一条对角线的1/4等分点处，E为样方对角线交点，以A、B、C、D、E五个点为群落样方监测点，测量空气颗粒物浓度（图1）。

图1 样方设置Fig.1 quadrat set

3.2 实验设计

3.2.1城市绿地消减空气颗粒物浓度日变化特征

为了研究城市绿地对空气颗粒物的消减机制而设计本实验，样地位置位于重庆大学B区，距三峡广场商圈污染源2 km。设置两个样方，分别位于大学门口（靠近城市主干道）、校园内部（靠近生活区），每个样方都选取附近无植被覆盖非绿地作为对照点（图2）。研究表明[26]，重庆市冬季12月污染物浓度最高，夏季7月污染物浓度最低，因此本实验选择2019年8月和12月晴天来监测空气颗粒物浓度，并避开大风、大雪、霜雪、雾、霾等天气，最后确定为8月5日和12月21日，检测时间从7:00—19:00共12小时，每小时记录一次空气中TSP、PM10、PM2.5的浓度。

3.2.2不同城市绿地类型对空气颗粒物的消减效应研究

分别选取沙坪坝区不同的城市绿地类型，设置一定数量的样方进行测试（表2）。本实验周期为一年，测量春、夏、秋、冬4个季节，对样地空气颗粒物浓度进行12个月的连续监测，分别由3组实验人员同一时间分别监测，每天分早、中、晚监测3次，每个月份分上旬、中旬、下旬监测3天，每个季节监测3次（表3）。

表2 绿地类型及相应案例地Tab.2 types of green space and corresponding cases

表 3 测量时间及天气状况Tab.3 measure time and weather conditions

3.3 测量仪器

主要采用英国Turnkey仪器有限公司制造的手持式DUSTMATE 粉尘检测仪，分辨率为0.1 ug/m3,测量范围为0～6 000 ug/m3，采样速率为600 cc/min，可以监测空气颗粒物TSP、PM10、PM2.5、PM1的浓度。

3.4 实验方法

在实验样地的样方中按照图2中的A、B、C、D、E 5个监测点进行监测，每个监测点需距地面1.5 m处，与人眼位置平行，每个监测点监测5 min，等待屏幕显示平均数值则记录空气颗粒物浓度（TSP、PM10、PM2.5）数据；另外1组实验人员监测对照点中心区域的空气颗粒物浓度值，每个样方用时在30 min内完成。

图2 公园绿地对空气颗粒物的消减效应年变化分析Fig.2 analysis of annual variation of the subtractive effect of park green space on airborne particulate matter

3.5 数据处理

首先，在不同监测日或者不同监测时段，颗粒物浓度大小具有差异性，若使用平均浓度表示绿地颗粒物浓度变化规律时，极可能受颗粒物浓度较大的监测数据影响，因此将颗粒物浓度进行标准化后，以其标准化浓度表示颗粒物在绿地的浓度变化规律[27]。某监测点颗粒物浓度的极差标准化公式如下：

其中：X*为某粒径颗粒物的标准化浓度，X为该监测点在特定时间段内（小时或日，根据分析需要而确定）某粒径颗粒物的实测浓度，Xmin为5个监测点在特定时间段内（小时、日）某粒径颗粒物的最小浓度，Xmax为5个监测点在特定时间段内（小时、日）某粒径颗粒物最大浓度，单位为ug/m3。

其次，通过绿地样方实验点与对照点颗粒物浓度的减少比例，即削减率（Q）来衡量植物群落的滞尘效应大小[28]，削减率的计算公式如下：

式中：Q为绿地样方削减率；V1为对照点空气颗粒物浓度，单位为ug/m3；V2为绿地样方空气颗粒物浓度，单位为ug/m3。

4 结果与分析

4.1 城市绿地消减空气颗粒物浓度日变化特征

从图3中可以看出，总体而言，城市绿地对于不同粒径的空气颗粒物都有显著的消减作用。其中，冬季对TSP、PM10、PM2.5的日平均消减率分别为11.90%、5.85%和6.70%，夏季分别为27.53%、30.78%和17.38%，由此可见在冬季和夏季，对TSP的消减效应最高，而对PM2.5的消减作用则更小。此外，夏季的消减效率明显要高于冬季。究其原因，是因为冬季植物落叶后，叶片的吸附作用和吸尘作用都大大降低，然而冬季又是重庆市空气颗粒物容易堆积的季节，因此针对重庆市的城市绿地应种植常绿植物为主。

图3 夏季和冬季，校园绿地对空气颗粒物消减效应日变化分析Fig.3 diurnal variation analysis of the effect of campus green space on air particulate reduction in summer and winter

从总体上来看，TSP、PM10、PM2.5空气颗粒物浓度日变化呈“双峰双谷”特征，峰值分别出现在9：30—11：30和17:30—18:30，谷值出现在15:00—16:00,和19：00—20：00。究其原因，是因为在7：00—9：00出现第一个上班高峰，汽车尾气、道路扬尘、工厂排放、燃烧排放等污染源增多，使各粒径空气颗粒物浓度逐渐上升，因而颗粒物浓度峰值出现在9：30—11：30，在10：00左右达到最高浓度，随着空气颗粒物浓度逐渐稳定，绿地中植物的消减作用加强，浓度又逐渐下降；傍晚以后，由于下班高峰的出现，植物气孔关闭，吸尘作用减弱，空气颗粒物浓度又逐渐上升，因而颗粒物浓度日变化便形成了“双峰双谷”特征。特殊的，空气颗粒物浓度在下午变得较低，主要是因为该时段车流量较少，污染来源减少，并且植物的生物作用加强，强化了对空气颗粒物的吸收作用。

根据以上分析，城市绿地对空气颗粒物有显著的消减作用，并根据植物的物理和生物特性分别具有减尘、滞尘、吸尘、降尘和阻尘五大作用[29]。因此在城市绿地设计中应尽可能多的增加植被覆盖，减少硬质地面，起到消减来源的作用；并且应该在活动场地外围种植高大，叶面积指数高的植物以起到滞尘和阻尘的作用；在场地内部应种植叶片气孔密度高且生物作用强的植物以起到吸尘的作用。此外，在城市绿地中的活动应避开早高峰和晚高峰时段，以下午时段为宜。

4.2 不同城市绿地类型对空气颗粒物的消减效应

4.2.1公园绿地

公园绿地在城市绿地系统中具有最集中、最大的绿地面积，是调节改善城市环境的“主力”。从公园绿地的年变化分析中（图3）不难看出，公园绿地内不同粒径空气颗粒物浓度其季节均值表现为冬季最高，春季秋季次之，春季略高于秋季，夏季最低。由此可见，在重庆这种静风山城，冬季容易形成空气颗粒物堆积，加之冬季植物活动减弱，因此空气颗粒物浓度显著上升。基于上述分析，重庆市最佳的户外活动季节为夏季，但是这与重庆夏季酷热，不适于户外活动相互矛盾，因此在公园绿地规划设计中应重点关注夏季户外公共活动空间舒适性的营造，以引导居民在夏季空气质量更好的时间段参与户外活动。

4.2.2广场用地

广场用地是以游憩、纪念、集会和避险等功能为主的城市公共活动场地，与城市公园共同构成了城市主要的公共活动空间，是市民户外活动的主要场所，具有重要的研究意义。虽然广场用地以硬质为主，但是绿地比例也需要大于或等于35%，其对空气颗粒物的消减作用也具有独特性。

从图4中可以发现，广场用地内不同粒径空气颗粒物浓度其季节表现同公园绿地的变化趋势基本一致，但是其消减率较公园绿地大幅度下降，进一步印证了植物对于空气颗粒物具有显著的消减效应。

图4 广场用地对空气颗粒物的消减效应年变化分析Fig.4 analysis of annual variation of the subtractive effect of square land on airborne particulate matter

广场用地作为大规模城市活动的载体，其环境质量至关重要。就目前而言，广场用地中空气颗粒物的消减效果仍差强人意，因此需要进一步提高广场的绿化覆盖率，尽量减少硬质铺装，减少来源，增加消减，控制空气中不同粒径颗粒物的浓度。

4.2.3附属绿地

附属绿地是城市绿地系统中分布最广泛的一种类型，虽然其规模不如公园绿地和广场用地，但是大量的分布也能够对城市空气颗粒物的消减起到重要作用。根据沙坪坝区附属绿地特点，本研究选择校园绿地、居住区绿地和工业区绿地三种附属绿地类型进行分析，分别研究不同绿地类型中空气颗粒物的年变化特征。

4.2.3.1 校园绿地

沙坪坝区作为重庆市的教育资源集中区，集中了重庆市大部分的高校，且大学城已成规模，因此，对于校园绿地的研究非常有必要。校园绿地相对比较封闭，使用人群以学生和教师为主。

从图5中可以发现，其季节变化趋势与前者类似，并且也具有较高的消减率。这是由于校园绿地中同样具有较高的绿化覆盖率，并且远离城市道路、工业区、商业区等污染源，空气颗粒物浓度较低。由此可见，校园绿地也是调节和改善城市空气质量的重要组成部分。可以预见，随着沙坪坝区大学城的进一步完善，更多校园绿地的建设，会对该区域的空气质量起到很好的调控作用。

图5 校园绿地对空气颗粒物的消减效应年变化分析Fig.5 analysis on the annual variation of the reduction effect of campus green space on airborne particulate matter

4.2.3.2 居住区绿地

居住区是城市生活的基本单元，居住区内部或多或少都会有不同规模的绿地，同样也构成了城市绿地系统的组成单元。居住区绿地与人的生活更加紧密，因此其对空气颗粒物的改善作用尤为关键。

研究表明，居住区绿地中的空气颗粒物年变化趋势与前者相同，冬季最高，夏季最低，同时也具有较高的消减效果。由此可见，居住区绿地也是改善空气颗粒物浓度的主角，且具有更加直接的利好性，因此应该注重居住区绿地的规划与控制，充分利用废弃空间转换为绿地，增强其调节能力（图6）。

图6 居住区绿地对空气颗粒物的消减效应年变化分析Fig.6 analysis on annual variation of subtractive effect of residential green space on airborne particulate matter

4.2.3.3 工业区绿地

工业区是空气颗粒物重要的来源之一，对工业区绿地的研究有助于在源头控制空气颗粒物的扩散，对于整个城市而言具有非常重要的意义。

工业区绿地对于大颗粒物具有一定的消减作用，但是对于小颗粒物的消减则不太理想，根据实地调研结果分析，工业区产生大量的烟尘等大颗粒物会被植被叶片吸附并沉积，进而堵塞植物毛孔，影响植物对于小颗粒物的吸收作用，在冬季甚至比对着地的PM2.5浓度还要高。因此在工业区绿地规划设计中要考虑植物的自净功能，选择叶片毛孔较大的植物作为主要的选择，并根据距离污染源的距离分片，分段种植，确保植物的自我更新不受影响，以尽可能多的发挥植物的滞尘和吸尘效果，防止污染物扩散（图7）。

图7 工业区绿地对空气颗粒物的消减效应年变化分析Fig.7 analysis on annual variation of the subtractive effect of industrial green space on airborne particulate matter

4.2.3.4 不同类型城市绿地对空气颗粒物消减作用对比分析

根据上述分析可知，不同类型的城市绿地在消减空气颗粒物上均有不同程度的作用，并且呈现出相同的趋势，即冬季空气颗粒物浓度最高，消减作用最小，夏季空气颗粒物浓度最低，而秋季的消减作用最大。为了更加直观的体现不同城市绿地类型的消减作用差异，研究对不同城市绿地在不同季节，对不同粒径空气颗粒物的消减作用进行了对比分析。

研究表明，对于不同粒径的空气颗粒物的消减作用中，公园绿地和居住区绿地效率最高，校园绿地次之，广场用地和工业绿地的效率最低，我们可以从中得到以下结论：第一，沙坪坝区广场用地和工业绿地未充发挥其在改善空气质量中的作用，应该增加植物种植，并改良工业绿地中植物的类型；第二，公园绿地和居住区绿地作为改善空气质量的核心，应该在城市建设中予以重视，合理规划布局，保证其绿地面积；第三，校园绿地由于其在沙坪坝区的广泛分布，虽然消减作用有限，但是数量众多也使其成为改良空气质量的关键要素，因此在校园规划设计中应尽可能保证足够的绿地规模，合理规划校园在城市中的布局，以更加高效的发挥其作用（图8）。

图8 不同类型城市绿地对空气颗粒物的消减效应年变化对比分析Fig.8 comparative analysis of the annual variation of the subtractive effect of different types of urban green space on air particles

进一步整理每种绿地类型与其对照地的空气颗粒物浓度值，并计算其均值和标准差，得出每种绿地类型的消减率。根据方差分析，不同绿地类型对TSP、PM10和PM2.5的消减率显著性均为0.000，F值为63.69，F crit 值为7.71，F＞F crit，表明不同绿地类型对TSP、PM10、PM2.5的削减率具有显著差异（图9）。

图9 不同类型城市绿地对空气颗粒物的消减率分析Fig.9 analysis on the reduction rate of air particles in different types of urban green space

总体而言，各类型绿地对总悬浮颗粒物TSP的消减率高于对可吸入颗粒物PM10、细颗粒物PM2.5，即城市绿地在吸附粗颗粒物效应上要强于细颗粒物。这是因为细颗粒物粒径较小，受重力、湿沉降弱于粗颗粒物，在空气中随风向、气流悬浮，因而绿地对细颗粒物的消减作用相对较弱。

5 结论

根据以上分析，可得到如下结论：第一，城市绿地对于改善城市空气质量，消减空气颗粒物，尤其是大颗粒物方面具有显著效果；第二，绿地中的绿化覆盖率决定了其对空气颗粒物的消减效应，并主要通过减、滞、吸、降、阻五种方式实现其功能；第三，公园绿地和居住区绿地等绿地面积大的斑块是改善城市空气质量的中坚力量，而广场用地和工业区绿地的相应功能还有待提升。

城市绿地系统是城市公共空间的重要组成部分，也是城市设计和景观设计的主要对象，研究城市绿地系统对空气颗粒物的消减作用对于景观设计的科学性具有非常重要的意义。相较于风景园林与微气候的关系[30]，空气颗粒物与风景园林之间也存在着紧密的联系，具体体现在以下几个方面：第一，城市绿地中的植物覆盖率与其调节效率紧密相关，因此在设计中应对相应区域的污染状况进行科学评判，以选择合适的植物覆盖率，一方面要满足改善空气颗粒物的需求，另一方面避免造成资源的浪费；第二，城市绿地中的植物群落结构不仅与审美相关，也与空气颗粒物的改善效率有关，不同的植物对于不同粒径的空气颗粒物消减效果不尽相同，因此有必要根据特定地区的空气颗粒物组成选择合适的植物群落结构；第三，人群活动是景观设计的核心内容，通过对特定场地的空气颗粒物浓度变化规律研究，可以科学的制定人群的适宜活动时间段，并通过景观设计进行诱导，使得城市户外活动更加健康，景观的社会效益得到充分彰显；第四，通过不同绿地类型的对比表面，绿地面积越大的斑块由于植物数量多且结构更为丰富（常绿与落叶搭配），更能适应季节变化，在一年中对不同粒径的空气颗粒物均具有明显的消减作用。因此在城市绿地规划中应合理布局大尺度绿地斑块，并丰富不同绿地的植物群落结构设计，使不同绿地类型在城市中均发挥最大作用。

随着城镇化的加快，越来越多的乡村地区转变为城市[31]，也就意味着更多的硬质地面和更少的绿地，如何利用有效的空间实现高效的空气质量调节必将是当下以及未来风景园林的重要研究方向和设计师们的奋斗目标，本研究以沙坪坝区为例窥视风景园林与空气颗粒物消减的关系只是该类研究的冰川一角，期待更多的学者关注风景园林在改善空气质量方面的积极作用，为风景园林设计开创一个全新的视角。

图表来源：

图1-9：作者绘制

表1：摘自沈艳艳, 潘力旌, 肖楚. 重庆沙坪坝区颗粒物污染特征分析[J]. 环境影响评价,2017, 39(4): 85-87.

表2-3：作者绘制