城市绿地植物群落与空气菌类粒度空间分异特征相关性研究——以北京奥林匹克森林公园为例

潘剑彬

朱丹莉

李树华

董 丽

城市绿地作为城市建成环境中的自然生态系统，具有固碳释氧、调湿降温、消减可致病微生物等多重功能，对于满足城市基本卫生需求、构建健康物理环境、提高城市居民生活质量，以及实现城市“绿色康养”功能等起到重要作用，因而受到来自人居环境学科和生态学等的广泛关注。城市公园绿地(G1)是城市建成区土地利用的类型之一，是集中成片的面状绿色开放空间，也是城市绿地文化和功能的主要载体，因其具有改善城市区域物理环境的功能而备受关注。作为自然地域和城市生态系统的重要组成之一，空气细菌、真菌孢子、放线菌和病毒等生物粒子对于自然界乃至城市的自然生态平衡和若干生命现象至关重要[1-3]。然而，根据当前相关领域的研究成果可知，在人类已知的1 200余种真菌和放线菌、4 000余种细菌中，绝大多数菌类的生物性与致病性尚不明确[4]。在此背景下，相关学者早在20世纪初就通过相关研究提出，无菌或少菌的清洁环境是有益于人群健康的，因此空气菌类成为评价城市空气环境质量的重要指标之一[5]。自然界中的森林区域和城市绿地的植物个体与群体能够通过多种(物理或生化的)作用向空气释放对人类健康有益的有机化合物，进而消减空气中的菌类粒度(粒度概念指大气中固态颗粒物的空间密度，是描述单位空间内物质数量的度量单位)。目前该领域研究主要关注不同地域城市、不同城市功能区中空气微生物(细菌、真菌和病原微生物)的时空分异特征。相关研究表明，中国北京、广州、兰州等不同城市的空气优势菌类(主要是真菌和细菌)种类、粒度分布和时空分异特征存在显著差异[6-10]；城市交通枢纽、绿地与道路、大学校园等不同区域的不同季节、不同功能空间(高校的教学区、景观区和运动区等)、建筑室内外区域的空气菌类种类和数量存在较大差异，同时人群密度及活动特征也能够影响其范围内的空气微生物粒度分布[11-16]。潘剑彬及其研究团队以北京奥林匹克森林公园绿地为例，自2005年(北京奥林匹克森林公园建成前期)至2020年持续动态监测绿地植物群落的微环境生态效益(例如消减空气菌类、降温增湿及负氧离子效益等)，在其团队的阶段性著述中，阐述了公园绿地区域的空气菌类粒度以季节、日变化为代表的时间变化规律[17-18](图1)。

图1 奥运森林公园绿地空气菌类培养

本文延续研究团队自2005年起的样地、试验样点，以及数据获取与分析方法，进行城市公园绿地菌类粒度分布规律的阐述，阐释绿地不同的植被类型、植物群落类型、植物群落结构与其空间范围内菌类粒度的空间相关性。为便于研究，将数据实测样方内的植物群落进行区分：依据群落类型将其划分为针叶林型(Coniferous Plant community，CP)、针阔叶混交型(Coniferous and Broadleaved mixed Plant community，CBP)、阔叶林型(Deciduous Broadleaf Plant community，DBP)、灌丛型(Shrub，S)和地被/草坪型(Grass/Ground cover，G)5种；依据植物群落结构将其划分为乔灌草型(Tree-Shrub-Grass，TSG)、乔灌型(Tree-Shrub，TS)、乔草型(Tree-Grass，TG)、灌草型(Shrub-Grass，SG)和地被/草坪型(Grass/Ground cover，G)5种。其中，TSG为复层群落结构(Multi-layer Plant Community，MPC)，TS、TG、SG为双层群落结构(Double-layer Plant Community，DPC)，G为单层群落结构(Single-Plant Community，SPC)。研究可为具有高效微环境效应的功能型绿地规划设计提供基础数据和科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

北京奥林匹克森林公园(以下简称“奥运森林公园”)绿地规划设计工作始于2003年11月，于2005年6月开工建设，是第29届夏季奥林匹克运动会(北京奥运会)的重要基础设施之一，也是该赛事馈赠给北京市民重要的“绿色遗产”。奥运森林公园横跨北五环路，南起科荟路，北至清河，东至安立路，西至林萃路。公园总占地面积680hm2，其中南园占地面积约380hm2，北园占地面积约300hm2。绿地植物种植以本土乔木、花灌木和草本植物为主，整体绿化覆盖率达95.61%。

1.2 研究方法

1.2.1 样点与对比样点设置

研究参照奥运森林公园施工过程中采用的相对坐标网格，以棋盘式取样法在园区范围内选定17处实测试验样点，其中保证具有3处以上典型植物群落类型和结构试验样点(为使实测数据具备统计学意义)[17]；并对其位置进行微调，原则上保证试验样点远离较大规模人群活动区域(道路、广场等)。2处试验对比样点分别位于奥运森林公园南门以南1km处的奥林匹克公园铺装广场(近地下商业区)和北四环路北侧铺装广场(近“鸟巢”国家体育场)，2处场地硬质铺装较多、人群活动密集、绿地面积和植物群落数量较少。

1.2.2 试验及数据分析方法

1)试验方法。

因空气真菌、细菌均属于固态颗粒物，故本试验采用离子计算法；空气菌类取样使用固体撞击式多功能空气微生物检测仪(JWL-ⅡB型)。试验样点所属的群落样方范围为30m×30m(群落优势种、郁闭度等重要信息所属的样方范围)。为排除气象因素干扰，实测时间均为晴朗、静风天气(实测季节典型天气状况)。取样采用TCG(蛋白胨-葡萄糖-牛肉膏)琼脂培养基，于植物生长季节(8月下旬—9月上旬)作为取样典型季节(因气象条件稳定、植被生长充分)，取样时间为8：00—17：00，每个样点于早晨(8：00—11：00)、中午(11：00—14：00)、下午(14：00—17：00)各取样3次；采样高度为1.5m，空气流速设定为20L·min-1，采样时间为3min。将上述(17+2)×3×3共171个取样培养基(含对比样点)进行编号处理，并在首次实测取样后的3d内选定气象条件类似的时间重复试验1次作为备用数据(主数据培养基被污染的情况下启用)。所有取样培养基样品(含主试验培养基与备用试验培养基)于实验室中25℃±1℃培养箱内培养72h后在显微镜下观察并计算真菌菌落数量；取样后培养基在36℃±1℃培养箱内培养48h后在显微镜下观察并计算细菌菌落数量[16-19]。

2)数据统计方法。

依国家环保总局2004年颁布的单位体积空气微生物粒度计算公式(适用于城市室内外环境质量研究)进行计算[20-21]：

式中，E为单位体积内空气含菌量(CFU·m-3)；N为培养皿中菌落平均数量(CFU)；A为空气流速(L·min-1)；T为采样时间(min)。

依据下列公式取典型群落类型结构试验样点的空气菌类粒度算术平均值：

表1 奥运森林公园绿地样点基本信息

3)数据分析方法。

试验数据分析使用SPSS软件进行ANOVA单因素(植物群落结构或类型)一元(真菌或细菌粒度)方差分析、双因素(植物群落结构和类型)一元方差分析，以及双因素多元(真菌和细菌粒度)方差分析。研究中，将植物群落结构和类型作为自变量，将菌类粒度视为因变量，显著性水平设置为а=0.05；以对照点空气菌类粒度平均值作为城市区域环境本底数据。

2 结果与分析

2.1 奥运森林公园绿地不同类型群落区域空气菌类粒度特征

2.1.1 公园绿地群落类型与空气真菌粒度的相关关系

由图2可知，常绿针叶林群落区域具有最低的真菌粒度(43CPU·m-3)，而落叶阔叶林群落区域和草坪/地被植物区域(170和160 CPU·m-3)的真菌粒度是前者的4倍，针阔叶混交林区域和灌丛区域的真菌粒度居中，分别为80和96CPU·m-3。此外，奥运森林公园绿地区域除常绿针叶林群落区域外的针阔叶混交林、阔叶林、灌丛及草本地被4种典型群落类型区域的空气真菌粒度均显著高于对比样点。

图2 奥运森林公园绿地不同群落类型空气真菌粒度

由方差分析结果可知，奥运森林公园绿地不同群落类型区域的空气真菌粒度差异显著(F0.05=0.045)。

2.1.2 公园绿地群落类型与空气细菌粒度的相关关系

由图3可知，灌丛植物区域具有最高的细菌粒度(208CPU·m-3)，而常绿针叶型群落区域具有最低的空气细菌粒度(77CPU·m-3)，前者是后者细菌粒度的近3倍。与此同时，针阔叶混交型、常绿阔叶型和草坪/地被植物型区域的空气细菌粒度较为接近(分别为89、125和114CPU·m-3)。此外，对比样点空气细菌粒度数据(331CPU·m-3)可知，公园绿地内所有群落类型区域实测试验样点空气细菌粒度数据均远远低于该数值。

图3 奥运森林公园绿地不同群落类型空气细菌粒度

2.2 奥运森林公园不同结构植物群落区域空气菌类粒度特征

2.2.1 公园绿地植物群落结构与空气真菌粒度的相关关系

由图4、5可知，在奥运森林公园绿地不同群落结构类型中，乔灌草复合植物群落结构、乔草结构、灌草及灌丛结构区域具有较高的真菌粒度(144、128和144CPU·m-3)，而乔灌结构、乔木结构区域则具有较低的真菌粒度(39、48CPU·m-3)。乔灌、乔草和灌草3种双层群落结构相比，灌草结构群落区域具有最高的真菌粒度(144CPU·m-3)，乔灌结构试验样点区域的真菌粒度(39CPU·m-3)显著低于乔草、灌草2种双层结构群落类型。在乔木、灌木和草本地被3种单层群落结构区域中，草本地被群落结构区域具有相对最高的真菌粒度(160CPU·m-3)，灌丛群落结构区域具有较高的真菌粒度(128CPU·m-3)，乔木群落结构区域具有最低的真菌粒度(48CPU·m-3)。

图4 奥运森林公园绿地不同群落结构组成区域空气真菌粒度

图5 奥运森林公园绿地不同群落结构区域空气真菌粒度

由方差分析结果可知，奥运森林公园绿地不同结构群落区域空气真菌粒度差异显著(F0.05=0.025)。

2.2.2 公园绿地植物群落结构与空气细菌粒度的相关关系

由图6、7可知，在不同的群落结构类型中，灌丛群落区域具有最高的空气细菌粒度(372CPU·m-3)，而乔灌草复合植物群落及乔木群落区域的细菌粒度数值接近且较低(分别为98和95CPU·m-3)；其他植物群落结构类型区域的空气细菌粒度差异不显著。在不同群落结构条件下，单层植物群落结构区域的空气细菌粒度最高(194CPU·m-3)，而乔灌草复层与双层植物群落结构区域的空气细菌粒度较为接近(分别为98和110CPU·m-3)。

图6 奥运森林公园绿地不同群落结构组成区域空气细菌粒度

图7 奥运森林公园绿地不同群落结构区域空气细菌粒度

3 结论与讨论

针对城市公园绿地植物群落类型的试验结果表明，常绿针叶型群落区域的真菌、细菌的粒度均较低，该结果与目前国内外已经广泛开展并得出的试验结果基本一致。相关研究认为，正在生长和已经死亡的植物体本身是空气真菌的最主要来源。但自然地域(森林)及城市环境(各类城市绿地)中的各类植物均能够通过自身分泌的芳香类物质抑制或直接杀灭空气菌类(实质上这是植物的一种自我保护机制)，这一功能以常绿针叶树种最为显著，而落叶阔叶树种则相对较低。另外，植物群落抑制其生活空间内真菌粒度的效率与其生长状态有显著相关关系，生长势较强的植物群落区域该功能显著，反之则不显著。若试验样点的落叶阔叶树绝大多数为新植，生长势尚未完全恢复(裸根移植)且种植密度较大，则可能导致群落内通风不畅，这是造成该群落类型区域真菌、细菌粒度较高的主要原因之一。灌丛、草坪及地被植物群落类型区域具有最高的真菌、细菌粒度，可能与这一植被类型的单位面积绿量少、生态效益有限有关。上述试验结果为城市绿地规划与设计及更新实践中各群落类型的功能认识和布局比例提供了一定的科学依据。

城市公园绿地植物群落结构的试验结果总体趋向于：植物群落结构层次越复杂，例如拥有较多林下植物层次的乔灌草复层植物群落，其群落区域中的空气真菌粒度越高，群落结构相对简单；没有或较少林下植物层次的单层乔木或灌木，其环境真菌粒度偏低。但空气细菌粒度与植物群落结构的空间负相关性，即相对复杂的乔灌草复合植物群落区域的细菌粒度最低，而相对简单的单层植物群落区域却有较高的细菌粒度，该结果在一定程度上印证了植物本身是空气真菌的一个重要来源，但同时对空气细菌的繁殖与生长具有抑制作用。已有研究认为，本着增加城市空间三维绿量的目的，强调在城市区域营建乔灌草复合的植物群落景观，但基于本试验结果，这一建议应该慎用，或者在营建乔灌草复层植物群落的同时增加群落区域的通风透光条件，促进该区域的空气真菌快速扩散，降低对城市人群(主要是亚健康人群及易感病性人群)健康的潜在不良影响(若城市绿地空气中含有较高粒度或较复杂类别的空气真菌，就在一定程度上增加了危险的致病源或传播疾病的媒介的可能性)。此外，在城市各类型的绿地中，为达到快速绿化效果而密植的植物群落，由于其内部空气不流通或林下残存较多的枯枝败叶，很有可能产生较多种类和数量的真菌，或为真菌的滋生创造条件。

基于上述试验结果，针对乔灌草复层植物群落与真菌、细菌粒度的“双刃剑”相关关系情形，建议在城市绿地的规划设计与更新优化实践中针对城市区域和建筑(群)环境特征及景观需求深入分析的基础上进行精细化、差异化的园林植物景观规划设计，以满足人们的景观需求并充分发挥每一种群落结构和类型的功能，从而真正做到“因地制宜”；常绿针叶型群落区域对所有的空气菌类都能起到显著的抑制作用，这一发现为功能性植物群落的建设提供了依据。此外，单层草坪及地被植物群落具有不显著的生态效益，因而在之后的绿地规划和建设中应该控制该植物群落类型的比例和数量。

城市绿地实现城市人居环境清洁健康并非新时代赋予城市绿地的新功能，不是最新的科学发现，也不是因为某个社会公众健康事件引发的新思考，而是城市绿地自诞生之日起即担负的使命。要实现这一目标，常识或经验可以借鉴，但必要的基础研究不可或缺。在研究过程中集成不同学科的成果，形成城市绿地的地域性、文化性及功能性植被规划设计科学依据，这既是风景园林作为询证设计的一个必要的基本过程，也有益于创建具有公共健康功能的城市人居环境。

本文研究属性为应用基础研究，目的是为健康城市人居环境绿地构建提供基础科学依据，但是在研究深度和广度上尚存在以下局限。

首先，该文所述采样过程时间跨度长达10余年，因采样设备和试验人员更迭等造成的原始数据误差不可避免；培养基中可能存在的选择性试剂并不适用于所有的空气菌类，仅有部分菌类在该类型培养基上有所显现，适用于绝大多数菌类的培养基种类还有待进一步研制。其次，数据分析过程中，由于专业所限，只能根据菌落基本特征进行表型鉴定，确认到菌类和数量，尚不能鉴定到属、种。此外，鉴于目前研究还不能做到多专业协同采样及鉴定，以及尚不能完全阐释各类空气菌类粒度的生物学特征和致病性，本文的研究假设只能是无菌或少菌的清洁环境是对人类有益的。

注：文中图片均由作者绘制或拍摄。