孫華江，黃玉潔，江 波，李國(guó)慶

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；3.安吉縣自然資源和規(guī)劃局，浙江 安吉 313300）

近年來(lái)，由于城市的飛速地發(fā)展與擴(kuò)張，空氣環(huán)境持續(xù)惡化，大氣中的懸浮顆粒物已經(jīng)成為我國(guó)許多城市空氣中的首要污染物，其濃度達(dá)到一定限值后會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生一系列疾病[1]，尤其是空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑d≤2.5 μm 和d≤10 μm 的可吸入顆粒物PM2.5和PM10[2]。PM10易進(jìn)入呼吸道，對(duì)人體健康產(chǎn)生影響；而PM2.5可以穿過(guò)肺部存留在肺的深處，是對(duì)人體健康危害最大的污染物之一[3]?！董h(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）將PM10和PM2.5列為的空氣污染物的首要基本項(xiàng)目。因此，通過(guò)控制和消減PM2.5和PM10的污染來(lái)預(yù)防和減輕其對(duì)人體健康和城市空氣質(zhì)量的影響早就變成政府部門(mén)和專(zhuān)家學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

城市環(huán)境中，可吸入顆粒物PM2.5和PM10通常來(lái)自在未鋪的瀝青、水泥路面上行駛的機(jī)動(dòng)車(chē)、材料的破碎碾磨處理過(guò)程以及被風(fēng)揚(yáng)起的塵土[4]。近年來(lái)隨著機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的不斷增加，由車(chē)流產(chǎn)生的街塵污染也持續(xù)攀升，交通污染產(chǎn)生的細(xì)顆粒物PM2.5和PM10已經(jīng)嚴(yán)重危害交通干道和兩側(cè)街道的空氣質(zhì)量[5]，對(duì)人體健康和大氣能見(jiàn)度都有較大影響[6-7]。

在目前無(wú)法完全從污染源治理以解決環(huán)境問(wèn)題的形勢(shì)下，借助自然界的清除機(jī)制是緩解城市大氣污染壓力最有效的途徑之一。城市森林是市民游憩休閑的主要場(chǎng)所，也是城市中有生命形態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)施，在城市生態(tài)小環(huán)境的調(diào)控和空氣質(zhì)量的改善過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，城市綠化作為消減交通污染源的主要途徑，受到越來(lái)越廣泛的重視[8-9]，城市森林斑塊的營(yíng)造被認(rèn)為是有效緩解大氣顆粒物污染的重要措施。

目前有關(guān)綠地消減顆粒物污染的研究主要集中在城市綠化樹(shù)種的滯塵能力以及道路綠地的滯塵效率[10-12]等方面。研究顯示，芝加哥每年樹(shù)木從空氣中吸收的PM10能達(dá)到212 t，相當(dāng)于提高了4%的空氣質(zhì)量[13]。Nowak等研究發(fā)現(xiàn)，城市中的樹(shù)木與灌木每年能降低PM10約21.5×104t[14]。McDonald 等對(duì)英國(guó)的兩座城市West Midlands 和Glasgow 做了FRAME 模型預(yù)測(cè)，計(jì)算了城市森林對(duì)空氣中PM10的清除量，并預(yù)測(cè)了不同覆蓋率下森林對(duì)PM10的清除作用，發(fā)現(xiàn)城市森林的覆蓋率達(dá)到25%時(shí)，可使空氣中的PM10濃度降低2%～ 10%[15]。然而，很少有研究涉及城市綠地斑塊尺度對(duì)其降塵有效性的影響。在寸土寸金的城市，探究綠地斑塊消減顆粒物的有效寬度對(duì)于高效利用城市綠地消減交通污染具有重大意義，但是相關(guān)研究非常缺乏。因此，本研究通過(guò)對(duì)杭州植物園與交通道路距離梯度上的PM2.5和PM10濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其變化規(guī)律及影響因素，揭示不同半徑的城市綠地斑塊消減PM2.5及PM10的作用機(jī)理，探究城市減輕PM2.5和PM10濃度的最佳規(guī)劃空間尺度，以期為城市綠地的規(guī)劃和構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為城市大氣污染治理提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)地杭州植物園位于杭州市中心城區(qū)杭州市西湖景區(qū)西北側(cè)，周邊交通便利，植被覆蓋率高，是杭州市區(qū)城市綠地斑塊的典型代表。本研究選擇杭州植物園北門(mén)附近森林結(jié)構(gòu)較為統(tǒng)一的木犀專(zhuān)類(lèi)園為研究地點(diǎn)，面積約1 500 m2，其上層喬木以木犀Osmanthus fragrans，女貞Ligustrum lucidum等常綠喬木為主，樹(shù)高5.2～ 8.5 m，胸徑29～ 36 cm，喬木層郁閉度約為85%；下木層主要以構(gòu)樹(shù)Broussonetia papyrifera，杜鵑Rhododendron simsii等小喬木和灌木為主，株高1.5～ 2.5 m，下木層蓋度約為55%。林緣處緊鄰園外交通主干道玉古路，周邊無(wú)產(chǎn)生污染的工廠。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

以杭州植物園北門(mén)木犀專(zhuān)類(lèi)園林緣處為起點(diǎn)（緊鄰玉古路），向林內(nèi)垂直于道路方向每隔100 m 布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置0 m，100 m，200 m 三個(gè)水平梯度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本研究著重探究綠地植物對(duì)顆粒物的消減作用，根據(jù)長(zhǎng)江中下游植被的生長(zhǎng)特性，在植物生長(zhǎng)較為旺盛的春季和夏季進(jìn)行研究。選擇2018 年的4 月和5 月作為春季的數(shù)據(jù)采集期，7 月和8 月作為夏季的數(shù)據(jù)采集期。在采集期當(dāng)月選取連續(xù)10 d 無(wú)雨、天氣晴朗微風(fēng)的日子作為監(jiān)測(cè)日，于9：00-17：00 同時(shí)在每個(gè)樣點(diǎn)測(cè)試區(qū)對(duì)空氣顆粒物PM2.5和PM10的濃度以及相關(guān)氣候因子溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。測(cè)量使用的監(jiān)測(cè)儀器為深圳萬(wàn)儀公司生產(chǎn)的ONETEST-100 粉塵濃度監(jiān)測(cè)儀，捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)差為σ=（1.5±0.1）μm。氣候因子風(fēng)速、空氣溫度以及相對(duì)濕度采用臺(tái)灣Lutron 公司生產(chǎn)的SP-9201 風(fēng)速計(jì)同步監(jiān)測(cè)記錄。測(cè)量時(shí)，通過(guò)三腳架將儀器固定在距地面1.5 m 高處，儀器進(jìn)風(fēng)口朝向林分中心，測(cè)量人員與儀器保持3 m 距離。

1.3 綠地對(duì)顆粒物的消減作用計(jì)算

為了顯著表征綠地對(duì)PM2.5和PM10的消減作用，計(jì)算各梯度點(diǎn)在春夏兩個(gè)季節(jié)對(duì)PM2.5和PM10的消減效率[16]。消減效率（P）的計(jì)算公式為：

式中，Cs是道路邊0 m 測(cè)距處的顆粒物濃度，Cm是綠地中100 m，200 m 測(cè)距處的顆粒物濃度。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置圖Figure 1 Experimental site and monitoring points

1.4 數(shù)據(jù)分析

春季與夏季PM2.5和PM10濃度為三個(gè)梯度點(diǎn)的平均值，將不同梯度點(diǎn)上監(jiān)測(cè)值取平均值分析兩個(gè)季節(jié)綠地內(nèi)PM2.5和PM10的日變化特征，使用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA）、多重比較、T 檢驗(yàn)和相關(guān)分析，利用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)PM2.5 和PM10 的濃度水平

對(duì)2018 年春季和夏季杭州植物園實(shí)驗(yàn)點(diǎn)PM2.5和PM10的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1）。

從表1 中可看出，不同季節(jié)PM2.5和PM10的濃度差別較大，春季PM2.5的日平均濃度為62.32±23.50 μg·m-3，PM10日平均濃度為53.58±13.50 μg·m-3；夏季PM2.5的日平均濃度為10.48±4.35 μg·m-3，PM10的日平均濃度為11.77±5.12 μg·m-3；春季PM2.5和PM10的濃度分別是夏季的5.95 倍和4.55 倍。方差分析結(jié)果顯示，春季PM2.5和PM10濃度均極顯著高于夏季（P＜0.01）。另外，春季PM2.5/PM10的比值顯著高于夏季（P＜0.05）。說(shuō)明實(shí)驗(yàn)點(diǎn)春季主要以PM2.5污染為主，夏季以PM10污染較多。

2.2 不同季節(jié)PM2.5 和PM10 濃度的日變化特征

由圖2 可知，PM2.5和PM10濃度的日變化表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，春季兩種顆粒物濃度在9：00-17：00 的監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)都有較大幅的下降。最大值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)起始時(shí)9：00，其中PM2.5和PM10的最大值分別為89.85 μg·m-3和74.38 μg·m-3，最小值在17：00，PM2.5和PM10分別為42.56 μg·m-3和43.10 μg·m-3。夏季兩種顆粒物的日變化則較為平穩(wěn)，表現(xiàn)出早晚偏高的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的兩種顆粒物濃度的最大值和最小值分別出現(xiàn)在9：00 和14：00，其中PM2.5和PM10的最大值分別為15.3 μg·m-3和17.85 μg·m-3，最小值分別為為6.75 μg·m-3和7.35 μg·m-3，日間濃度變化量較春季小。從兩種粒徑的顆粒物濃度對(duì)比來(lái)看，春季PM2.5濃度顯著高于PM10濃度（P＜0.05），夏季PM2.5濃度顯著低于PM10濃度（P＜0.05），其中春季上午時(shí)段兩種顆粒物濃度間差異較大，但隨著時(shí)間推移逐漸降低，至17：00 左右兩種顆粒物濃度達(dá)到基本一致，二者之間差異不顯著（P＞0.05）。夏季PM10濃度在10：00之前和16：00 之后顯著高于PM2.5（P＜0.05），15：00 之后隨著時(shí)間推移差距增大。

2.3 PM2.5 和PM10 濃度在不同梯度上的日變化趨勢(shì)

從不同距離梯度上PM2.5和PM10濃度的對(duì)比來(lái)看（圖3），春季PM2.5濃度有較明顯的差別，濃度排序?yàn)椋?00 m＞0 m＞200 m。13：00 前100 m 處的PM2.5濃度明顯高于0 m 和200 m 點(diǎn)，之后三個(gè)梯度點(diǎn)間PM2.5濃度逐漸接近。春季PM10濃度為0 m＞100 m＞200 m。夏季PM2.5濃度在0 m 和100 m 相對(duì)接近，但均高于200 m；而PM10濃度則表現(xiàn)為0 m＞100 m＞200 m，符合距離傳播規(guī)律。

表1 不同季節(jié)PM2.5 和PM10 的質(zhì)量濃度Table 1 Mass concentration of PM10 and PM2.5 in different seasons

圖2 春季和夏季PM2.5 和PM10 濃度的日變化Figure 2 Diurnal variation of PM2.5 and PM10 mass concentration in spring and summer

圖3 3 個(gè)梯度點(diǎn)上不同季節(jié)PM2.5 和PM10 濃度的日變化Figure 3 PM2.5 and PM10 mass concentration variation in 3 different monitoring points in different seasons

2.4 不同水平梯度上PM2.5 和PM10 濃度的消減作用

分季節(jié)對(duì)綠地不同梯度PM2.5和PM10濃度的消減效率進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)（圖4，圖5），不同季節(jié)綠地各梯度對(duì)PM2.5和PM10濃度的消減效率不同。夏季綠地對(duì)PM2.5和PM10濃度的消減效率均顯著高于春季（P＜0.05）。且綠地對(duì)PM2.5和PM10的最高消減效率均出現(xiàn)在夏季200 m 梯度，分別為41%和39%。從不同梯度點(diǎn)來(lái)看，春季兩種顆粒物200 m 梯度點(diǎn)的消減效率均顯著高于100 m 梯度點(diǎn)（P＜0.05），其中PM2.5在100 m 上消減效率最低，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)均為負(fù)值（圖4），說(shuō)明春季PM2.5可能會(huì)在綠地100 m 梯度上產(chǎn)生一定蓄積。夏季PM2.5和PM10在200 m 梯度點(diǎn)的消減效率均極顯著高于100 m 梯度點(diǎn)（P＜0.01）（圖5）。從綠地消減效率的日變化趨勢(shì)來(lái)看，春季綠地100 m 和200 m 梯度點(diǎn)消減效率的日變化趨勢(shì)基本一致，在10：00-11：00 消減效率較高，15：00消減效率最低。夏季綠地200 m 和100 m 梯度點(diǎn)消減效率日間變化都較為平緩，15：00 左右消減效率較高。

圖4 春季不同梯度點(diǎn)上PM2.5 和PM10 濃度的消減百分率Figure 4 Removal percentage of PM2.5 and PM10 at different points in spring

圖5 夏季不同梯度點(diǎn)上PM2.5 和PM10 濃度的消減百分率Figure 5 Removal percentage of PM2.5 and PM10 at different points in summer

2.5 PM2.5 和PM10 濃度和氣候因子的相關(guān)分析

通過(guò)對(duì)春季和夏季監(jiān)測(cè)日的氣候因子進(jìn)行獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夏季的溫度、濕度、風(fēng)速均顯著高于春季（P＜0.05）（表2）。再將PM2.5和PM10濃度和同步監(jiān)測(cè)的氣候指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)，在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)PM2.5和PM10濃度一般與風(fēng)速和空氣溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與空氣相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)（表3，表4）。氣候因子中，溫度與PM2.5和PM10濃度的相關(guān)系數(shù)最大，說(shuō)明空氣溫度對(duì)兩種顆粒物的分布和傳播影響最明顯。

表2 不同季節(jié)監(jiān)測(cè)日環(huán)境氣候因子對(duì)比Table 2 Comparison on meteorological factors in different seasons

表3 PM2.5 濃度與氣候因子的相關(guān)分析Table 3 Correlation coefficients of PM2.5 and meteorological factors

表4 PM10 濃度與氣候因子的相關(guān)分析Table 4 Correlation coefficients of PM10 and meteorological factors

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 PM2.5和PM10濃度的季節(jié)變化 本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)春季的顆粒物濃度（PM2.5和PM10）顯著高于夏季（P＜0.05），夏季綠地對(duì)PM2.5和PM10濃度的凈化效率均顯著高于春季（P＜0.05）。這與吳國(guó)平在廣州、武漢、蘭州、重慶等四個(gè)城市設(shè)點(diǎn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)PM2.5在冬、春季最高，夏、秋季最低的結(jié)果相符[17]，也與徐敬等在北京舞蹈學(xué)院和中國(guó)氣象局培訓(xùn)中心的監(jiān)測(cè)結(jié)果PM2.5在夏季最低，其他三個(gè)季節(jié)相差不大的結(jié)果基本吻合[18]。夏季樹(shù)木處在生長(zhǎng)旺盛、葉量大、功能最強(qiáng)的時(shí)期，林分郁閉度也達(dá)到最大，使得夏季植物吸附滯留PM2.5和PM10濃度的能力更強(qiáng)。本文還將春季和夏季氣候因子的做了差異顯著性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夏季的空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、平均風(fēng)速顯著高于春季。夏季氣溫高、空氣濕度小、風(fēng)速大會(huì)使林中的空氣湍流運(yùn)動(dòng)更加劇烈和頻繁，更加有利于顆粒物的稀釋與擴(kuò)散，使顆粒物濃度降低[19]。因此，環(huán)境氣候條件也是致使夏季游憩林內(nèi)顆粒物濃度較低的重要因素。本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，春季林中的PM2.5濃度顯著高于PM10濃度（P＜0.05），而夏季PM10濃度則較高于PM2.5濃度。春季PM2.5/PM10的比值顯著高于夏季（P＜0.05）。根據(jù)兩種粒徑顆粒物與風(fēng)速的相關(guān)分析表明（表3，表4），PM2.5濃度與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)較PM10更大，說(shuō)明夏季較大的風(fēng)速對(duì)PM2.5在空氣中輸送擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響更加明顯，導(dǎo)致夏季林中PM2.5濃度更小。

3.1.2 PM2.5和PM10濃度的日變化 本研究觀測(cè)春夏兩個(gè)季節(jié)顆粒物濃度的日變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，春季兩種顆粒物濃度在監(jiān)測(cè)起始時(shí)9：00 開(kāi)始呈持續(xù)下降趨勢(shì)，至15：00 開(kāi)始保持穩(wěn)定緩慢回升。夏季兩種顆粒物的日間變化較為平穩(wěn)，也表現(xiàn)出早晚偏高的特點(diǎn)。城市環(huán)境中PM2.5和PM10濃度大小與交通[20-21]、工業(yè)和生活排放源[22]有關(guān)。本研究區(qū)域位于杭州植物園，緊鄰西湖風(fēng)景名勝區(qū)，試驗(yàn)地周邊居民區(qū)較少，也沒(méi)有產(chǎn)生污染的工業(yè)工廠。王華麗對(duì)杭州市公路交通流量監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，交通量24 h 日變化呈“M”型分布，夜間交通量少，白天交通量大，且上午、下午高峰期分別為8：00-10：00，16：00-18：00[29]。本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果中道路兩側(cè)的PM2.5和PM10濃度的日變化趨勢(shì)與車(chē)流量日變化趨勢(shì)一致，顆粒物濃度隨車(chē)流量的增大而增大。說(shuō)明PM2.5和PM10濃度的日變化特征與早晚高峰道路車(chē)流量變化有一定相關(guān)性。這與魯紹偉對(duì)北京的PM2.5和PM10的濃度水平與交通污染相關(guān)的結(jié)果一致[23]，也與戴思迪的研究揭示的城市道路交通的大氣顆粒物污染特征一致[24]。表明道路交通污染是城市大氣顆粒物的主要來(lái)源之一。另一方面，王成在北京西山的研究中發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物污染還受大氣層穩(wěn)定程度等氣象和天氣因素的影響。白天氣溫高，空氣濕度小，特別是午后左右氣溫達(dá)到最高，空氣濕度最低，一般風(fēng)速也比較大，大氣最不穩(wěn)定，相對(duì)頻繁的空氣湍流運(yùn)動(dòng)使顆粒物達(dá)到最低；相反早晚氣溫低，空氣濕度大，加上風(fēng)速較小，這種低溫、高濕和相對(duì)靜風(fēng)的穩(wěn)定氣象狀態(tài)不利于顆粒物的擴(kuò)散和輸送，使其聚集增多[25-26]。因此日間氣象因素的變化可能是導(dǎo)致大氣顆粒物濃度日變化的另一個(gè)主要原因。

3.1.3 不同梯度距離綠地對(duì)PM2.5和PM10濃度的消減作用 從本研究3 個(gè)梯度點(diǎn)上PM2.5和PM10的分布結(jié)果來(lái)看，不同于PM2.5在春季時(shí)100 m 梯度點(diǎn)上濃度最大，綠地內(nèi)PM10濃度在春季和夏季梯度的排序均為：0 m＞100 m＞200 m，更加符合距離傳播規(guī)律。胡敏在我國(guó)重要城市群的研究發(fā)現(xiàn)，PM10主要來(lái)自在未鋪瀝青、水泥的路面上行駛的機(jī)動(dòng)車(chē)以及被風(fēng)揚(yáng)起的塵土[27]，因此可以說(shuō)明PM10受預(yù)設(shè)污染源園外交通的影響更大。而PM2.5本身不是以重力沉降為主，可較長(zhǎng)時(shí)間地在空氣中懸浮和擴(kuò)散，因此受距離的制約影響較PM10濃度小。另一方面，當(dāng)大環(huán)境背景下PM2.5濃度較大時(shí)，外部持續(xù)的污染源輸入到林內(nèi)，樹(shù)木來(lái)不及完全滯納這些細(xì)顆粒物，其本身也難靠重力沉降，就會(huì)使得林內(nèi)PM2.5蓄積，濃度反而高于林外。

春季PM2.5在林內(nèi)100 m 梯度產(chǎn)生蓄積，而200 m 梯度PM2.5才顯著低于林外，夏季城市森林內(nèi)200 m 處的顆粒物濃度也明顯小于100 m 處，結(jié)合統(tǒng)計(jì)的氣象數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，夏季風(fēng)速較大，顯著高于春季，因此可能會(huì)導(dǎo)致顆粒物飄散傳播的距離變長(zhǎng)，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明林內(nèi)200 m 的消減效率明顯強(qiáng)于林內(nèi)100 m，說(shuō)明半徑不小于200 m 的城市森林能對(duì)PM2.5產(chǎn)生明顯的阻滯消減效果。張志丹等研究發(fā)現(xiàn)，城市森林的林緣至林內(nèi)每100 m葉表面細(xì)顆粒物減少5.2%，粗顆粒物減少4.0%，在林內(nèi)200～ 400 m 基本降至穩(wěn)定，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果基本吻合[28]。

3.2 結(jié)論

（1）城市森林內(nèi)春季PM2.5和PM10濃度均顯著高于夏季（P＜0.05），春季林內(nèi)以PM2.5污染為主，夏季以PM10污染較多。春季兩種顆粒物濃度日變化總體呈下降趨勢(shì)，從9：00 開(kāi)始持續(xù)下降至17：00 達(dá)到最低點(diǎn)。夏季表現(xiàn)出早晚偏高的特點(diǎn)，從9：00 持續(xù)下降至14：00 達(dá)到最低點(diǎn)，之后逐漸回升。

（2）夏季綠地對(duì)PM2.5和PM10濃度的消減效率顯著高于春季（P＜0.05）。PM10分布完全符合距離傳播規(guī)律，較PM2.5受馬路污染源的影響更大。200 m 梯度對(duì)PM2.5和PM10濃度的消減效率最高。