武汉园林绿地调控PM2.5效果研究

2022-06-16史红文刘淑超邓永成李苗孙巧峰

安徽农业科学 2022年11期

史红文刘淑超邓永成李苗孙巧峰

摘要 [目的]研究城市園林绿地对大气中PM2.5的调控效果和作用机理。[方法]选择武汉市4块城市园林绿地为监测点，通过对3块（蛇山绿地、科普公园、青山公园）绿地内外PM2.5瞬时浓度的监测，分析不同时刻、不同季节、不同距离园林绿地消减PM2.5的效果。对2块城市园林绿地（蛇山绿地、湖北大学）进行群落结构调查、PM2.5累积浓度测定及成分解析，分析园林绿地群落结构特征与调控PM2.5之间的关系、绿地内外PM2.5累积浓度特征、武汉城区PM2.5的主要成分。[结果]在白天不同时刻，园林绿地对PM2.5都具有消减作用，除蛇山绿地，科普公园和青山公园在11：00消减调控最强。园林绿地在不同季节对消减PM2.5具有显著效果，蛇山绿地和科普公园秋季优于春夏季，青山公园无季节性差异。在不同距离上，园林绿地在35～45 m对PM2.5调控效果显著。园林绿地面积和群落特征对调控PM2.5有较大的影响，群落面积较大、结构完整、郁闭度高的群落对大气中的PM2.5调控能力较高。蛇山绿地道路PM2.5累积浓度高于绿地内部，湖北大学绿地内外PM2.5累积浓度呈随机性，无规律性。蛇山绿地和湖北大学绿地PM2.5主要成分为有机碳、无机碳、水溶性离子、金属元素，绿地内外各种成分比例差异较小。[结论]园林绿地对大气PM2.5的消减率受到大气PM2.5浓度、季节、时段以及距离PM2.5源的远近等多种因素的影响。

关键词园林绿地;调控;PM2.5;武汉

中图分类号 S731.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2022）11-0101-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.026

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on PM2.5 Control Effect of Green Space in Wuhan

SHI Hong-wen， LIU Shu-chao， DENG Yong-cheng et al

（Wuhan Institute of Landscape Architecture， Wuhan， Hubei 430081）

Abstract [Objective]To study the control effect and mechanism of urban green space on PM2.5 in atmosphere. [Method]We selected four urban green spaces in Wuhan as monitoring points.Through monitoring the instantaneous concentration of PM2.5 inside and outside three green spaces （Snake Mountain green space， Kepu Park， Qingshan Park ）， the effect of reducing PM2.5 in different times， seasons and distances was analyzed.The community structure of two urban green spaces （Snake Mountain green space and Hubei University） was investigated， the PM2.5 cumulative concentration was measured and the composition was analyzed. The relationship between the community structure characteristics of landscape green space and the regulation of PM2.5， the characteristics of PM2.5 cumulative concentration inside and outside the green space， and the main components of PM2.5 in Wuhan were analyzed. [Result]The results showed that at different times of the day， green space has a reduction effect on PM2.5， in addition to Snake Mountain gree space， Kepu Park and Qingshan Park have the strongest reduction control at 11：00. Green space has a significant reduction effect on PM2.5 in different seasons，Snake Mountain Green Space and Kepu Park in autumn excelled in spring-summer， and there is no seasonal difference in Qingshan Park. At different distances， garden green space in 35-45 m on PM2.5 control effect was significant. The area and community characteristics of green space have great influence on the control of PM2.5， and the community with large area， complete structure and high canopy density has higher control ability on PM2.5 in the atmosphere. The cumulative concentration of PM2.5 outside the green space was higher than that inside the Snake Mountain Green Space， and the cumulative concentration of PM2.5 inside and outside the green space of Hubei University was random and irregular. The main components of PM2.5 in Snake Mountain Green Space and Hubei University green space were organic carbon， inorganic carbon， water-soluble ions and metal elements， there was little difference in the proportion of various components inside and outside the green space. [Conclusion]It can be found from the above that the reduction rate of green space on atmospheric PM2.5 was affected by many factors such as atmospheric PM2.5 concentration， season， time period and distance from PM2.5 source.

Key words Green space;Control;PM2.5;Wuhan

近年来，随着城市的快速发展，大气环境问题成为社会关注的热点，尤其以细颗粒物（PM2.5）为首要污染物的大气复合污染问题日益凸现[1]。细颗粒物不仅污染空气环境[2]，还损害人们的身体健康[3]。根据武汉市生态环境局发布的《2019年武汉市生态环境状况公报》显示，2019年武汉细颗粒物（PM2.5）平均浓度为45 μg/m3，超过国家《环境空气质量标准》二级标准（35 μg/m3）的128%，因此改善空气质量及缓解大气污染状况尤为紧迫。同时，大量研究表明园林绿地对大气中PM2.5有消减作用[4-7]，通常植物通过吸附和吸收作用调控大气PM2.5[8-9]，因此，园林绿地是有效缓解城市大气污染PM2.5问题的重要措施[10]。通过研究武汉园林绿地调控PM2.5的效果和作用机理，旨在了解不同类型的园林绿地对PM2.5的调控效果，以期为园林绿地植物群落配置构建和改造提升提供借鉴，为指导城市园林绿地建设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 武汉市自然气候特征及园林绿化概况

武汉市气候属北亚热带季风性湿润气候，雨量充沛，日照充足，四季分明，年平均气温15.8～17.5 ℃，年降水量约1 100 mm，年无霜期约240 d，年日照总时数约2 000 h，地带性植被为常绿落叶阔叶混交林。

近年来，武汉市城市園林事业得到快速发展。截至2020年，全市建成区绿化覆盖率42.07%，绿地率37.05%，人均公园绿地面积14.04 m2，逐渐形成了布局合理、类型多样、植物丰富的城市园林绿地系统格局。

1.2 PM2.5瞬时浓度测定方法

2015—2018年，每个季节选择3 d晴天或多云无风的天气对园林科普公园、蛇山绿地（蛇山南坡）、青山公园，用手持式PC-3A激光可吸入粉尘连续测试仪测定空气PM2.5瞬时浓度。具体方法：以路边为对照点，选取距离对照点5、15、25、35和45 m的绿地为监测点;从09：00开始，每隔2 h同时测定各点空气PM2.5瞬时浓度值，每次测定重复2次，取平均值，最后以春秋季节对照点监测数据的平均值来表示武汉城区空气PM2.5浓度的日变化，用群落中不同点位的PM2.5瞬时浓度值表示园林绿地中PM2.5浓度值的日变化。

1.3 绿地对PM2.5消减率计算方法

园林绿地PM2.5消减率（ P ）计算方法参考文献[11]，具体公式为

P=C0-CiC0×100%

式中，C0 为对照点PM2.5浓度; Ci 为绿地内某个位置的PM2.5浓度。

1.4 PM2.5累积浓度测定及成分解析方法

选择蛇山绿地和湖北大学校园绿地作为PM2.5累积浓度的研究地点。具体方法：在绿地群落内设置空气取样器（天虹牌TH-150型大气采样器），对绿地内的空气PM2.5进行连续取样，取样器离道路25.0 m，离地高度1.5 m，每次取样时间为7 h，同时在道路边设置对照点，同步取样。

每次采样结束，将滤膜封装好并标记，带回实验室;然后对滤膜上的PM2.5进行浓度测定和成分解析。分析的指标有PM2.5累积浓度、有机碳（OC）、无机碳（EC）、水溶性离子（SO42-、NO3-、NH4+、K+和Na+）及金属元素（Ca、Fe、Cu、Zn和Pb），测定方法参考文献[12]。

1.5 园林绿地群落特征研究方法

为研究园林绿地群落特征对其调控PM2.5的作用，选择湖北大学校园内的绿地和蛇山绿地开展群落特征研究。具体方法：在2块绿地内分别设置3～5个10 m×10 m的样方，对高度在3 m以上的乔木进行每木检尺，记录树种名并测量树木的高度、胸径以及冠幅面积等指标，记录灌木和地被植物，并测定其种类、地径、株数及盖度等指标（野草除外），群落郁闭度采用树冠投影法测定，最后计算平均值。选取乔木平均密度（ Q m）、乔木平均高度（ Q h）、乔木平均胸径（ Q d）、灌木平均密度（ G m）、灌木平均高度（ G h）和群落郁闭度（ A ）指标作为群落结构特征参数。

2 结果与分析

2.1 园林绿地消减PM2.5效果

在蛇山、科普公园和青山公园的240个监测数据中（包含不同季节、不同距离和不同时刻）， P 值为负值的有41个，占比17.08%，为正值的有172个，占比71.67%，为0的有27个，占比11.25%，具体分布见表1～3。 P 值为正值表明园林绿地起到了调控PM2.5的作用， P 值为负值表明绿地内的PM2.5浓度高于道路，未能发挥消减作用，可能原因是绿地内气流不畅导致PM2.5沉淀，难以扩散;另外，靠近林缘的地方也是市民游玩和外部干扰较多的地方，也增加了PM2.5的来源。

在白天的不同时刻，总体上，3块绿地在不同季节和不同位点都具有一定消减PM2.5的作用，相对而言11：00时，园林绿地具有较强的消减调控PM2.5的作用。如青山公园在11：00和13：00的 P 值为正值的比例均在90%及以上，表明青山公园在这2个时刻发挥了显著的消减PM2.5的生态功能;但科普公园在13：00时 P 值为负值的比例（40%）高于正值的比例（35%），表明园林绿地仅具有一定的调控消减PM2.5的生态功能，且调控机理较为复杂。

在不同季节，3个绿地都发挥了较为显著的消减PM2.5的生态功能，蛇山绿地和青山公园绿地调控PM2.5的实际效果要高于科普公园，在不同季节之间没有明显的差异;从 P 值为正值的比例来看，蛇山绿地和科普公园绿地均是秋季消减PM2.5效果最高，春夏季相对较差;青山公园则是4个季节较为均衡，以夏季最高。

2.2 园林绿地群落特征

蛇山绿地东西长3 000 m（大东门至黄鹤楼公园），南北宽400 m，面积超过100 000 m2。绿地植被为常绿落叶阔叶混交林，乔灌草结构合理，人为干扰较少。群落乔木层平均高度为15.89 m，平均密度为0.19株/m2，平均胸径为29.65 cm;灌木层平均高度为1.22 m，平均密度为0.07株/m2;群落郁闭度为0.8～0.9 m。植物种类主要有悬铃木（ Platanus acerifolia）、女贞（Ligustrum lucidum）、桂花（Osmanthus fragrans）、杜英（Elaeocarpus decipiens）、朴树（Celtis sinensis）等。

湖北大学校园绿地为资环学院前的小型块状绿地，面积约1 000 m2，植被类型为落叶阔叶林。群落乔木层平均高度为10.20 m，平均密度为0.16株/m2，平均胸径为15.72 cm;灌木层平均高度为1.10 m，平均密度为0.02株/m2;群落郁闭度为0.6～0.7 m。主要植物为日本晚樱（Cerasus serrulata）、马褂木（Liriodendron chinense）、紫叶李（Prunus ceraifera cv. Pissardii）和白玉兰（Magnolia denudata ）等;群落结构较为简单（表4）。

2.3 绿地内外PM2.5累积浓度特征

由表5可知，蛇山绿地道路PM2.5累积浓度均高于绿地。2016年4、8月、2017年12月、2018年10、12月5次取样中，绿地内外PM2.5累积浓度差值分别为4.95、55.98、1.43、7.35和11.88 μg/m3，对应的减少率分别为3.51%、52.22%、1.53%、5.52%和8.59%。

湖北大学校园道路与绿地的PM2.5累积浓度呈现高低交替出现的现象，随机性强，没有规律性。2016年5—6、8—10月5次取样中，道路与绿地PM2.5累积浓度差分别为-21.87、-26.39、2.70、-3.61和15.71 μg/m3;对应的减少率分别为-30.96%、-38.84%、5.82%、-7.19%和29.15%（表5）。

2.4 PM2.5成分解析

综合蛇山绿地和湖北大学校园绿地内外（绿地、道路）PM2.5成分解析数据，武汉城区PM2.5主要成分包括有机碳、无机碳、水溶性离子、金属元素等，虽然绿地内外PM2.5累积浓度有一定差异，但各种成分的比例差异较小。蛇山绿地内外各成分重量比例排序为水溶性离子>有机碳>其他成分>无机碳>金属元素;湖北大学校园道路和绿地PM2.5主要成分排序为水溶性离子>有机碳>金属元素>无机碳>其他成分（图1、2）。

由表6可知，蛇山绿地道路PM2.5成分中有机碳的比例为18.77%～35.18%，均值为27.66%;无机碳的比例为10.65%～12.11%，均值为11.34%;水溶性离子的比例为20.57%～35.09%，均值为29.48%;金属元素的比例为5.88%～8.43%，均值为7.03%;其他成分的比例为16.95%～33.17%，均值为24.62%。绿地内PM2.5成分中有机碳的比例为18.45%～33.96%，均值为27.98%;无机碳的比例为9.67%～11.66%，均值为10.70%;水溶性离子的比例为17.34%～36.62%，均值为29.23%;金属元素的比例为5.78%～6.42%，均值为6.21%;其他成分的比例为16.46%～35.48%，均值为25.88%。

湖北大学校园道路PM2.5成分中有机碳的比例为26.54%～35.85%，均值为33.05%;無机碳的比例为11.78%～15.75%，均值为13.35%;水溶性离子的比例为30.77%～38.43%，均值为35.92%;金属元素的比例为9.25%～19.28%，均值为12.37%;其他成分的比例为2.26%～10.65%，均值为5.43%。绿地内PM2.5成分中有机碳的比例为28.38%～35.71%，均值为33.48%;无机碳的比例为11.83%～15.43%，均值为13.21%;水溶性离子的比例为31.61%～38.43%，均值为34.78%;金属元素的比例为8.88%～18.28%，均值为12.28%;其他成分的比例为3.08%～11.40%，均值为6.25%。

PM2.5各成分在道路和绿地的比例各有高低，但差异并不显著。湖北大学取样点不论是道路还是绿地，有机碳、无机碳、水溶性离子和金属元素的比例均高于蛇山绿地，其他成分低于蛇山绿地，反映了PM2.5成分时空变化的复杂性。

3 结论与讨论

该研究阐述了园林绿地调控PM2.5的实际效果和作用机理，园林绿地对大气PM2.5的调控功能主要通过叶片吸附[13-14]和林冠的阻滞作用来实现，而绿地面积和群落特征对绿地调控大气PM2.5的实际效果有较大影响。如蛇山绿地体现出显著的消减调控PM2.5的功能，且规律性强，表明较大的绿地面积、完整的结构以及较高的群落郁闭度有利于提高绿地调控PM2.5功能，这与戴菲等[15]的研究结论一致。

该研究结果表明，园林绿地对大气PM2.5的消减率（ P ）受到大气PM2.5浓度、季节、时间段以及距离PM2.5源远近等多种因素的影响[16-17]。在一定条件下， P 值为负，但进一步统计分析发现，在夏秋季节每天中午时段以及距离绿地道路大于35 m的绿地内， P 值总体为正值，表明园林绿地对大气PM2.5具有消减调控作用，这与王琴等[10]的研究结论一致。

PM2.5监测的时间尺度对研究结论具有较大的影响，如在极小时间尺度上PM2.5浓度（瞬时浓度，1～2 min）具有较大的随机性，一个随机发生的事件（如车辆通过）都会影响其数值大小，难以反映园林绿地调控PM2.5的实际效果。相较而言，在相对长的时间尺度上的PM2.5浓度（7 h累积浓度）反映PM2.5的累积效应，能更客观地揭示园林绿地消减PM2.5的实际效果。

通过对绿地内外PM2.5的成分进行解析，发现园林绿地对PM2.5的不同成分没有选择性的调控消减作用，园林绿地调控PM2.5的主要方式在于林冠阻拦，这与张凯等[18]的研究结论一致。

由于PM2.5具有来源广泛、成分复杂以及时空变化不确定性高等特征，对研究园林绿地对其调控作用影响较大，但该研究考虑了季节、时刻、时间尺度和绿地结构差异等多种因素，研究结论具有较强的科学意义。

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