夏季干旱半干旱城市公园绿地空气负离子与空气颗粒物变化特征
2022-11-29侯秀娟闫晓云李心愿包红光
侯秀娟,闫晓云,王 波,李心愿,包红光
(内蒙古农业大学林学院,内蒙古 呼和浩特 010010)
城市公园绿地是城市居民日常休闲生活必不可少的绿色空间,也是城市发展中重要的绿色基础设施,直接影响城市居民的幸福指数[1-2]。随着城镇化的快速发展,一系列的粉尘污染物导致我国北方地区空气颗粒物污染愈发严重[3-5]。目前,有关城市空气颗粒物的研究主要集中在来源分析[6]、成分解析[7]、危害评价[8]以及动态变化特征[9-10]等方面,其中以动态变化规律研究内容为主,包括不同类型及不同污染条件下城市绿地内空气颗粒物变化特征,以及典型城市森林内空气颗粒物时空变化等。研究表明,城市绿地对调控空气颗粒物方面表现为积极作用。
空气负离子也称负氧离子,具有杀菌、降尘、清洁空气等功效[11-12]。空气负离子所产生的保健作用早已成为林业研究者的共识,也是生理保健因子的主要核心指标之一[13-14]。蒙晋佳等[15]认为地面上的空气负离子主要来源于植物的尖端放电,Jiang等[16]表明植物在光合作用、其他生理过程或酶反应过程中会释放出空气负离子。城市公园绿地的不同植被结构环境在改善空气颗粒物的同时可以调控空气负离子[17]。因此,深入探究空气负离子与空气颗粒物浓度的变化特征及影响因素,有助于进一步了解空气负离子与空气颗粒物的交互作用。前期关于空气负离子与空气颗粒物方面的研究区域主要集中在北京或北京以南区域,并且主要是针对多个观测指标的单项评价,但对于城市公园绿地环境质量的提升,需要观测公园绿地内多项表征因子及交互作用。而关于典型北方干旱半干旱城市公园绿地不同植被结构环境空气负离子及空气颗粒物之间相互关系及影响因素的研究鲜有报道。基于此,本研究选择呼和浩特市敕勒川公园,观测不同植被结构对空气负离子及空气颗粒物浓度的影响,并对城市公园绿地内不同观测点空气负离子及空气颗粒物浓度的时空变化规律及相关性进行分析,以期为此类典型城市空气质量改善和城市公园绿地管理等提供观测数据和理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
敕勒川公园位于呼和浩特市东侧(111°40′E,40°51′N),是集水体、广场和植物景观为一体的综合性城市公园绿地,总设计面积33 hm2,公园绿地内植被种类丰富、生长良好。主要植被有榆树(Ulmuspumila)、新疆杨(Populusalbavar.pyramidalis)、国槐(Sophorajaponica)、云杉(Piceaasperata)、白杜(Euonymusmaackii)、五角枫(Acermono)、连翘(Forsythiasuspensa)、丁香(Syringaoblata)、紫叶李(Prunuscerasiferaf.atropurpurea),平均林龄11 a,草本主要为早熟禾(Poapratensis)。
1.2 研究方法
1.2.1 观测点设置及观测天气选择
选择能够代表敕勒川公园内部环境状况的5种典型植被结构设置观测点,分别为乔木型(M1)、乔灌型(M2)、乔草型(M3)、灌草型(M4)和乔灌草型(M5),将对照(CK)观测点设置在公园西侧入口处硬质铺装,每个观测点做相应本底调查,其中郁闭度以样线法进行测定,使用LI-3000C便携式叶面积仪观测叶面积指数。
通过对比分析呼和浩特市近年来的气象资料,从中选择对空气负离子与空气颗粒物聚集、扩散、消除等效应明显的典型天气,并综合考虑观测的可操作性,为避免特殊天气条件的影响(大风、降雨、中度及重度污染天气),于2020年7—8月选择晴天、晴间多云为主的10 d分析典型天气日变化。
1.2.2 指标观测及评价方法
观测点5种结构植被概况见表1,空气负离子及空气颗粒物浓度分级标准见表2。选择城市居民常规游憩的活动时间7:00—19:00,每隔1 h分别采用便携式AIC-1000检测仪和手持Dustmate粉尘仪,测定空气负离子浓度及4种不同粒径空气颗粒物[总悬浮颗粒物(TSP)、PM10、PM2.5和PM1.0)]浓度(质量浓度)。
表1 观测点5种结构植被基本情况
表2 空气负离子等级及空气颗粒物污染评价
采用Kestrel 4500手持自动气象仪同步测定距地面1.3~1.5 m高度处的风速、温度、相对湿度和露点温度等气象指标,试验仪器在使用前经过校正,排除仪器间的偏差,每个观测点进行3次读数作为重复。
参考石强等[18]制定的森林环境中空气负离子浓度分级标准及我国生态环境部发布实施的GB 3095—2012《环境空气质量标准》评价空气负离子浓度和空气颗粒物浓度(表2)。
1.3 数据处理
运用SPSS 25.0和Origin 2018对实验数据进行统计分析和图表处理,采用ANOVA单因素方差分析不同植被结构对空气负离子和空气颗粒物的影响,采用Pearson相关性分析空气负离子、空气颗粒物与不同影响因素间的关系。
2 结果与分析
2.1 公园绿地空气负离子变化特征
2.1.1 空气负离子浓度日变化特征及等级评价
观测点不同植被结构空气负离子浓度基本呈中午低、上下午高的“V”形变化特征(图1)。上午空气负离子浓度最高值出现在8:00—9:00,之后空气负离子浓度为迅速下降趋势,在11:00—14:00达观测时段内最小值,之后空气负离子浓度逐渐上升,下午最高值出现在18:00—19:00。比较而言,对照点空气负离子浓度变化趋势略有不同,8:00出现最低值,之后呈波动变化态势,19:00出现最高值。
公园内不同植被结构空气负离子浓度日变化曲线虽然趋势相同,但也表现出一定的差异:乔灌型、乔草型、灌草型和乔灌草型空气负离子浓度均在7:00后为缓慢上升趋势,乔木型在7:00—9:00时段空气负离子浓度处于波动变化,并没有出现持续上升趋势,但仍处于较高水平;不同植被结构空气负离子浓度在11:00—14:00达到观测时段内最低值,但达到最低值的时间有先后差异;之后空气负离子浓度呈波动上升趋势,乔灌型和乔草型在18:00出现下午时段最高值,乔木型、灌草型和乔灌草型19:00达下午时段最高值。
参照空气负离子浓度等级评价标准(表2)可知,乔木型和乔灌型在12:00—14:00、乔草型在12:00—13:00、灌草型在11:00—13:00、乔灌草型在11:00时空气负离子均处于Ⅵ级,说明该时段在以上监测点不适合周边城市居民开展休闲娱乐活动。7:00—11:00和14:00—17:00,公园内除对照点外其他不同植被结构空气负离子浓度评价等级均达到Ⅴ级,说明以上时段公园内空气负离子浓度为空气负离子允许环境浓度。
2.1.2 不同植被结构空气负离子浓度差异
夏季不同观测点空气负离子浓度均值最高为乔灌草型,最低为对照点,不同植被结构空气负离子浓度均值均高于对照点(图2)。
方差分析表明,乔灌草型空气负离子浓度显著高于对照点(P<0.05),除乔灌草型外其他植被结构与对照点空气负离子浓度差异不显著(P>0.05),说明观测时段内乔灌草型植被结构所产生的空气负离子浓度高于其他植被结构。
2.1.3 空气负离子浓度影响因素分析
对研究区空气负离子浓度与其影响因素进行分析(表3)可知,风速和温度与空气负离子浓度呈显著负相关(P<0.05),相对湿度与空气负离子浓度呈显著正相关(P<0.05),露点温度、郁闭度和叶面积指数与空气负离子浓度无显著相关关系(P>0.05)。说明风速、温度和相对湿度是影响公园内空气负离子浓度的主要影响因素。空气负离子浓度与PM1.0浓度呈显著负相关(P<0.05),与PM2.5浓度呈负相关,与TSP和PM10浓度呈正相关,但相关关系均未达到显著水平(P>0.05)。
表3 空气负离子浓度与影响因素之间的相关性
2.2 公园绿地空气颗粒物变化特征
2.2.1 空气颗粒物浓度日变化特征及污染评价
观测时段内研究区不同植被结构TSP和PM10浓度日变化整体上呈波动变化趋势(图3),最高值基本出现在7:00—8:00,最低值出现在14:00;不同植被结构PM2.5和PM1.0浓度日变化表现出一定的协同变化规律,呈“双峰双谷”变化特征。
整体上,观测点的PM2.5和PM1.0浓度于7:00开始逐渐上升,8:00达第1个峰值,之后下降,9:00—10:00至第1个波谷,随后急剧上升,11:00—13:00达第2个峰值,13:00—14:00急速下降,17:00—19:00达到波谷。不同植被结构内空气PM2.5、PM1.0浓度具体变化不同,乔灌型、乔草型、灌草型和乔灌草型PM2.5、PM1.0浓度在8:00上升至第1个峰值,乔木型PM2.5浓度虽在8:00上升至第1个峰值,但PM1.0浓度的第1个峰值出现在7:00;乔木型和乔灌草型PM2.5浓度在11:00到达最大值,乔灌型、乔草型和灌草型在1 h后到达最大值,表现出一定的延迟效应;之后浓度降低,乔灌型和乔草型在17:00达最小值,灌草型和乔灌草型在18:00达最小值,乔木型在19:00达最小值。
参照GB 3095—2012《环境空气质量标准》(表2)可知,公园内不同植被结构的TSP、PM10和PM2.5浓度在各观测时间的浓度均处于环境空气质量Ⅰ级标准,说明在观测时段公园内环境空气质量表现优良,可以为周边居民提供稳定清洁的公园内部空气环境,其中9:00—10:00、14:00—19:00时段出现低于环境空气质量Ⅰ级标准的空气颗粒物浓度值。
2.2.2 不同植被结构空气颗粒物浓度差异
夏季研究区对照点TSP浓度均值高于其他观测点,PM10和PM2.5浓度均值从大到小表现为乔木型>灌草型>对照点>乔灌草型>乔草型>乔灌型,PM1.0浓度均值表现为灌草型>乔木型>乔灌草型>乔灌型>对照点>乔草型(图4)。
总体来讲,不同植被结构内TSP浓度均值均低于对照点,部分植被结构内PM10和PM2.5浓度均值低于对照点,个别植被结构内PM1.0浓度均值低于对照点,说明不同植被结构对空气颗粒物浓度的调控存在着削减和集聚并存的效应,城市公园绿地对大粒径颗粒物浓度的阻滞效果相对较好。方差分析表明,乔木型PM10浓度显著高于乔灌型(P<0.05),其他植被结构间4种粒径空气颗粒物浓度差异均不显著(P>0.05),乔木型和乔灌型的TSP、PM2.5和PM1.0浓度差异亦不显著(P>0.05)。
2.2.3 空气颗粒物影响因素分析
对研究区空气颗粒物浓度与影响因素分析(表4)可知,风速与不同粒径空气颗粒物未表现出显著相关性(P>0.05),TSP、PM10与风速负相关,PM2.5、PM1.0与风速正相关,TSP、PM10与温度呈显著负相关(P<0.05),PM2.5、PM1.0与温度负相关,TSP、PM10与相对湿度显著正相关(P<0.05),PM2.5、PM1.0与相对湿度正相关,TSP、PM10与露点温度正相关,PM2.5、PM1.0与露点温度显著正相关(P<0.05),说明公园内影响可吸入颗粒物(TSP、PM10)的主要气象因子为温度和相对湿度。此外,不同粒径空气颗粒物与郁闭度、叶面积指数均呈正相关,但不显著。
表4 空气颗粒物质量浓度与影响因素之间的相关性
3 讨 论
不同植被结构内空气负离子浓度表现不同。王薇[19]发现,植物绿化丰富的环境空气负离子浓度较高,乔灌草复层结构比其他结构类型产生的空气负离子浓度高;朱春阳等[20]也表明乔灌草绿地绿量大,其负离子效应显著。本研究发现干旱半干旱城市公园绿地不同植被结构空气负离子浓度均值均高于对照点,且复层植被结构产生的负离子浓度要高于单层植被结构。主要原因是植被可以吸收或阻滞空气中的颗粒物,光合作用也可以产生大量的空气负离子,同时,复层植被结构拥有层次丰富的植物叶片,阳光能够先透过树冠层叶片后照射到地被层植物叶片上,而植物叶片可以在短波紫外线的作用下发生光电效应[21],从而产生更多的空气负离子,因此复层植被结构空气负离子浓度高于单层植被结构。
本研究中城市公园绿地不同植被结构空气负离子浓度日变化基本呈“V”形曲线。这与王薇等[22]和冯燕珠[23]的研究结果相似。另外,空气负离子与风速呈显著负相关,随着风速增大,空气的流动性加强,促进了空气负离子的迁移、碰撞和消散[24],导致空气负离子浓度降低。这与吴明作等[25]的研究结果不一致,可能是风速对空气负离子浓度的影响机制比较复杂所导致,其形成的原因有待进一步研究,此次研究中空气负离子浓度可能因风力抑制而降低。空气负离子与温度呈显著负相关,即随着温度的升高,空气负离子浓度逐渐降低,这与何平等[26]、关蓓蓓等[27]的研究结果一致,可能是由于温度升高加剧了颗粒物的扩散,在扩散的过程中一定程度吸附了空气负离子,因而降低了空气负离子浓度,同时观测时段内高温抑制了植物的光合作用,从而降低了空气负离子的产生[13]。空气负离子与相对湿度呈显著正相关,与多数学者的研究结果一致[27-28],一方面可能是水诱导的勒纳德效应可以促进空气负离子的产生[24];另一方面,水分子与植物叶片光合作用产生的氧气具有较强的亲和性,能够优先形成空气负离子[21]。空气负离子与PM2.5、PM1.0呈负相关,甚至与PM1.0呈显著负相关,与TSP、PM10呈正相关但不显著。刘双芳等[29]认为不同粒径空气颗粒物浓度与空气负离子浓度呈显著正相关,郭二果等[30]认为两者呈负相关,与本研究结果不一致,其原因有待进一步研究。但有研究表明,PM2.5等微尘本身是带正电荷的,彼此排斥,加之本身粒径细小,所以能长久悬浮在空中,空气负离子则是具备负电荷的离子,通过与空气中微小离子相结合发生沉降,进而净化空气[31]。综上所述,风速、温度、相对湿度对空气负离子浓度的影响占据主导地位,从而相关性比较明显,在外界众多因子的相互作用下,观测时段内不同粒径空气颗粒物浓度不一定是影响空气负离子浓度的相关因素。
城市公园绿地可以通过植被覆盖减少空气颗粒物来源,同时树冠层通过降低风速促进空气颗粒物的沉降,从而调控空气颗粒物浓度[32-33]。本研究发现,城市公园绿地不同植被结构对大粒径颗粒物阻滞效果相对较好,主要原因可能是由于空气中较大粒径的颗粒物能首先沉积在具有较低风速环境的叶片表面[34],导致绿地内的TSP浓度降低,小粒径颗粒物对微小的空气流动更敏感而很难沉积。Chen等[35]认为复杂的植被结构能产生恒定的空气流动从而阻止颗粒物的沉积或定向通风,而简单的植被结构能产生相对停滞的空气流动,有利于颗粒物的悬浮。刘双芳等[29]发现不同植被结构内空气颗粒物浓度与乔木层郁闭度呈极显著正相关,本研究通过分析郁闭度与日均空气颗粒物浓度之间的相关性,发现郁闭度与空气颗粒物浓度间呈不显著的正相关。因此本研究中乔木型的PM10和PM2.5浓度均值最高,可能是由于观测点郁闭度高、植被结构单一产生了相对停滞的空气流动和相对静风的环境,致使空气颗粒物悬浮而出现集聚效应和消散慢的特点,乔灌型的TSP、PM10和PM2.5浓度均值最低,可能是由于该观测点郁闭度低,且平均树高低于观测高度,能产生恒定的空气流动,致使空气颗粒物不易累积。因此在公园绿地规划中,疏密适当的植被对减少空气颗粒物浓度会有较大影响,这与大多数学者的研究结果基本一致[36-38]。
从不同粒径空气颗粒物日变化规律可知,夏季公园内不同植被结构空气颗粒物浓度最高值基本出现在早晨,最低值基本出现在下午,这与Nguyen等[39]、赵松婷等[40]的研究结果基本一致。早晨出现高值的原因可能是由于这段时间观测点周边的城市主干道交通流量大,颗粒物污染不断向公园内部输送所致。夏季公园内不同植被结构中可入肺颗粒物(PM2.5、PM1.0)的浓度变化幅度略小于可吸入颗粒物(TSP、PM10),这可能是因为粒径太小的颗粒物难以通过自身的重力沉降,通常只能在缩流作用下沉降,导致植物层次丰富但植被结构内可入肺颗粒物浓度并不低于对照点的情况出现[41]。不同植被结构TSP浓度均值均低于对照点,说明夏季公园内不同植被结构对TSP具有良好的阻滞效果,此外,因TSP相比较其他颗粒物容易受到活动人群影响的特点,加上树木的树枝和树叶都具有效拦截颗粒物的能力,致使对照点TSP浓度均值高于其他植被结构。根据研究,相对湿度与TSP和PM10浓度呈显著正相关,与PM2.5和PM1.0呈正相关,由于颗粒物表现为一定的吸湿性,它们的大小因水的吸收或排出而变化[42],而在观测时段早晨相对湿度表现较高的情况下,空气颗粒物中有机盐、硫氧化物和氮氧化物等成分容易被水吸收并结晶[43],最终导致颗粒物浓度高。观测时段内午后的持续高温使大气的垂直对流作用变强,布朗运动剧烈,空气颗粒物的重力沉降速率也变大[44],使空气颗粒物浓度降低。
本研究发现,城市公园绿地调控空气负离子浓度、空气颗粒物浓度机制的影响因素多,除两者之间存在一定的交互效应外,与气象因子也存在一定的相关性,但因只在一个季节、典型天气观测等限定条件影响,加之不同的研究地点及研究对象导致与前人的研究结果并不完全相符。今后的研究中应考虑更多的因素进行同步观测,以便得到更为准确的空气负离子及空气颗粒物的变化特征,使得实验结果更具有区域代表性。