胡夢玲，阿麗亞·拜都熱拉，2，彭小東，楊公新

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

在全球氣候變化和城市化快速發(fā)展的背景下，大氣顆粒物污染帶來的一系列環(huán)境問題引起人們高度關注[1]，顆粒物是許多城市環(huán)境污染的首要污染物，不僅導致霧霾天氣頻發(fā)，還會引發(fā)人體呼吸道疾病等[2-3]。改善大氣顆粒物污染情況需要增加城市綠化量。有研究表明，植物能有效減輕顆粒物污染，不同植物配置結(jié)構(gòu)對顆粒物濃度的削減作用有很大差異[4-5]，如何能在有限的城市空間里優(yōu)化綠地植物群落結(jié)構(gòu)，提高綠化水平，充分發(fā)揮綠地生態(tài)和景觀功能是研究的熱點問題。大氣顆粒物污染及植物對顆粒物濃度削減作用已經(jīng)有一些研究成果[6-7]。但是，這些研究主要集中在綠地或者林帶內(nèi)樹種的差異、顆粒物污染機制和影響因素等方面，而揭示植物群落結(jié)構(gòu)在不同水平距離顆粒物濃度削減和擴散規(guī)律的研究尚不多見[8-10]。

烏魯木齊位于我國干旱區(qū)，空氣污染是影響人居環(huán)境質(zhì)量的一個重要因素，烏魯木齊三面環(huán)山的特殊地形和氣象特征，十分不利于大氣污染物擴散。為了解決這一環(huán)境問題，在城市綠化結(jié)構(gòu)配置優(yōu)化方面需要對植物削減大氣顆粒物作用關系進行深入研究[11-14]。因此，本文選擇烏魯木齊市綠化結(jié)構(gòu)中常見的7 種植物群落進行實地監(jiān)測，比較不同植物群落顆粒物濃度變化，分析不同植物群落對顆粒物的削減效果。為進一步探討植物群落內(nèi)部顆粒物濃度變化特征，選擇其中3 個削減作用較好的植物群落，監(jiān)測內(nèi)部不同距離顆粒物分布特征及溫、濕度，分析植物群落，不同水平距離顆粒物濃度變化及對大氣顆粒物削減率的差異性，為綠化建設和環(huán)境效應評價提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

烏魯木齊市位于東經(jīng)86°38′～88°58′，北緯42°45′～44°08′之間，是世界上離海洋最遠的城市，位于中國西北干旱區(qū)，三面環(huán)山，地勢起伏懸殊，海拔680 ～920 m。烏魯木齊屬中溫帶大陸性干旱氣候，全年比較干燥，早晚溫差較大。試驗所選樣地為烏魯木齊市人民公園，位于烏魯木齊河灘公路西側(cè)，平均海拔800 m。

1.2 樣地選取

為了避免其它環(huán)境因素的干擾，樣地選擇在互相臨近的同一區(qū)域內(nèi)，植物群落內(nèi)樹種分布相同。每個植物群落規(guī)格為20 m×20 m，各植物群落相互獨立，距離水面等影響溫、濕度的因素環(huán)境較遠。本研究所有植物群落均在烏魯木齊人民公園和吐魯番沙漠公園內(nèi)，人民公園植物群落編號為R1～R7，對照點用Rck 表示，植物群落內(nèi)樹種有旱柳（Salix matsudana）、三刺皂角（Gleditsia triacanthos ）、白榆（Ulmus pumila）、新疆楊（Salix alba var.pyramidalis）、新疆小葉白蠟（Fraxinus sogdiana）、紅皮云杉（Picea koraiensis）、紫丁香（Syringa.oblata）、水蠟（Ligustrum obtusifolium）。植物群落基本特征見表1，另選擇一處無遮蔭的空曠地設置對照點。

表1 不同植物群落結(jié)構(gòu)基本特征

1.3 測定方法

測定時間為2019年9～10月，每個月連續(xù)觀測5 d，選擇晴朗無風（風速≤2 m/s）的天氣，在距離地面1.5 m 處使用TH21E 型溫濕度記錄儀測定空氣溫度和相對濕度，每個測點重復觀測3 組氣象數(shù)據(jù)，取平均值代表此觀測類型的氣象特征[15]。

用BR-HOl-1210 空氣質(zhì)量檢測儀監(jiān)測空氣中PM10，PM2.5的質(zhì)量濃度。每個植物群落中心位置設置3 個監(jiān)測點，監(jiān)測時段為北京時間10:00～20:00，整點監(jiān)測1 次，每個樣點重復監(jiān)測4 組數(shù)據(jù)。選擇三刺皂角-紫丁香群落、白榆-紫丁香群落、新疆小葉白蠟群落3 個植物群落設置不同水平距離的監(jiān)測點，分別為0，10，20 m。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理，分析不同植物群落結(jié)構(gòu)與對照之間的顆粒物濃度差異顯著性。為減少周邊環(huán)境等因素的影響，研究采用大氣顆粒物削減率來表示植物群落對顆粒物的削減作用，公式如下[16]：

式中：P 為大氣顆粒物削減率，%；Cck為對照點大氣顆粒物質(zhì)量濃度，μg/m3；Cs為植物群落內(nèi)部顆粒物質(zhì)量濃度，μg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落內(nèi)PM10 濃度變化規(guī)律

（1）PM10濃度變化規(guī)律見圖1～圖2。由圖1 可知，夏季人民公園植物群落內(nèi)PM10濃度呈早、晚低，午間高的變化趨勢，在觀測時間段內(nèi)PM10濃度均在14:00 出現(xiàn)峰值，表明14:00 左右PM10污染最嚴重，人們室外活動時間應選擇上午或傍晚PM10污染程度較輕的時間段。由圖2 可知，秋季植物群落內(nèi)PM10濃度較大，在13:00～16:00 之間出現(xiàn)峰值，其他時間變化趨勢較為平緩，PM10最低濃度值出現(xiàn)在18:00 和20:00。各植物群落之間出現(xiàn)PM10濃度峰值的時間不同，說明PM10濃度變化與植物群落內(nèi)部環(huán)境影響有一定關系。

圖1 夏季植物群落PM10 濃度日變化特征

圖2 秋季植物群落PM10 濃度日變化特征

（2）植物群落對PM10的消減作用見圖3。由圖3 可知，不同植物群落均有削減作用，但削減效果有差別，夏季R6 對PM10削減效果最好，削減量為13.78 μg/m3，其次是R3 和R2，分別為12.58，12.00 μg/m3，R1 對PM10削減作用最弱，削減量為9.58 μg/m3。分析原因為群落內(nèi)植物種類和配置的差異會導致對PM10削減作用不同，秋季R3 對PM10削減作用最大，削減量為10.06 μg/m3，R2 與R5 次之，削減量分別是9.39，9.03 μg/m3。夏季植物群落對PM10的削減率比秋季高，各植物群落在夏季對PM10的削減作用表現(xiàn)為R6>R3 >R2 >R5>R7>R4 >R1，秋季表現(xiàn)為R3>R2>R5>R4>R1>R6>R7。分析原因，由于植物在夏季為生長期，葉片蒸騰作用等生理活動較強，葉片對顆粒物的吸收與阻滯效果更好，秋季植物葉片生理活動下降，對顆粒物的削減效果降低。

圖3 植物群落對PM10 的削減作用

2.2 植物群落內(nèi)PM2.5 濃度變化規(guī)律

（1）植物群落內(nèi)PM2.5濃度變化規(guī)律見圖4～ 圖5。由圖4 可知，植物群落內(nèi)PM2.5濃度在9:00～13:00和16:00～20:00 2 個時間段之間波動較小，在13:00～16:00 出現(xiàn)高峰，波動較明顯。各觀測點PM2.5濃度高峰出現(xiàn)在高溫時段，早、晚較低，與空氣溫度日變化趨勢相似，說明PM2.5濃度變化與溫度相關。由圖5 可知，秋季植物群落內(nèi)PM2.5濃度呈先上升后下降再上升再下降的變化趨勢，R1 處PM2.5質(zhì)量濃度在14:00 出現(xiàn)最大值為43.67 μg/m3，其他觀測點PM2.5濃度均在15:00 出現(xiàn)峰值。分析植物群落內(nèi)PM2.5濃度在不同時間段擴散規(guī)律存在差異的原因，主要是受植物群落內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)和人為活動的影響。

圖5 秋季植物群落PM2.5 濃度日變化特征

（2）各植物群落內(nèi)PM2.5濃度比對照點低，表明植物群落對PM2.5存在削減效果，夏季植物群落對PM2.5的削減效果更明顯，結(jié)果見圖6。由圖6 可知，夏季R6 對PM2.5削減效果最好，削減量為11.36μg/m3，R1 對PM2.5的削減量最低，為8.03 μg/m3，各植物群落對PM2.5的削減作用表現(xiàn)為R6>R3>R2>R5 >R4>R7>R1。說明喬灌草群落結(jié)構(gòu)比單層群落結(jié)構(gòu)對PM2.5的削減效果更好。秋季R3 對PM2.5削減作用最大，削減量為10.22 μg/m3，R7 對PM2.5的削減作用最小，削減量為4.44 μg/m3，不同植物群落對PM2.5的削減作用表現(xiàn)為R3>R2>R5 >R4 >R1>R6>R7。不同植物群落對PM2.5的削減作用不僅受群落內(nèi)樹種差異的影響，群落內(nèi)部植物密度大，通風狀況差也會影響顆粒物的擴散，導致其在植物群落內(nèi)積累。

圖6 植物群落PM2.5 削減作用

2.3 植物群落不同水平距離顆粒物濃度變化和擴散規(guī)律

植物群落不同水平距離顆粒物濃度及削減率見圖7。由圖7 可知，三刺皂角-紫丁香群落不同水平距離PM2.5，PM10質(zhì)量濃度由大到小為：ρck>ρ0>ρ10>ρ20處的變化規(guī)律，20 m 處顆粒物削減作用最大，削減率為36%。三刺皂角-紫丁香群落顆粒物的擴散路徑是從濃度最高的群落邊緣向群落內(nèi)移動，經(jīng)過群落邊緣會有一部分附著在灌木或喬木葉片上，然后擴散到群落中間位置10 m 處，最后到20 m 處，在擴散過程中顆粒物不僅會附著在葉片上，也會沉降到草坪上。白榆-紫丁香群落不同水平距離PM2.5質(zhì)量濃度由大到小為：ρck>ρ20>ρ10>ρ0，PM10質(zhì)量濃度由大到小為：ρck>ρ10>ρ20>ρ0，10 m 處與20 m 處PM10濃度接近，對PM10削減作用由大到小為：0 m處>10 m 處>20 m 處。新疆小葉白蠟群落不同水平距離PM2.5，PM10的質(zhì)量濃度由大到小為：ρ20>ρ10>ρck>ρ0，喬木群落0 m 處對顆粒物濃度削減作用較明顯，10 m 與20 m 處顆粒物濃度大于對照，出現(xiàn)群落內(nèi)顆粒物累積現(xiàn)象，推斷可能是由于顆粒物受風或人類活動影響由群落邊緣向群落內(nèi)部擴散，內(nèi)部顆粒物濃度慢慢聚集，沒有及時沉降或擴散。

圖7 植物群落不同水平距離顆粒物質(zhì)量濃度及削減率

2.4 植物群落PM2.5 濃度與不同水平距離及溫、濕度回歸分析

對不同植物群落內(nèi)PM2.5濃度與植物群落不同水平距離、群落內(nèi)溫度和相對濕度進行多元回歸分析，結(jié)果見表2。由表2 可知，三刺皂角-紫丁香群落10，20 m 處PM2.5濃度與群落內(nèi)顆粒物濃度回歸系數(shù)不顯著，說明無顯著影響。新疆小葉白蠟群落顆粒物多元回歸模型擬合度最好，R2=0.924，P<0.01，其次是三刺皂角-紫丁香群落R2=0.867，P<0.01，白榆-紫丁香群落相關性最差。三刺皂角-紫丁香群落顆粒物與0 m 處PM2.5濃度、群落內(nèi)溫度、相對濕度均存在顯著正相關關系；白榆-紫丁香群落、新疆小葉白蠟群落顆粒物濃度與10 m 處PM2.5濃度和群落內(nèi)溫、濕度同樣是顯著正相關關系，且受群落內(nèi)溫度和相對濕度影響更大。

表2 植物群落PM2.5 不同水平距離多元回歸分析

3 結(jié)論

（1）夏季，新疆小葉白蠟-水蠟群落對PM10和PM2.5的削減效果最好，削減量分別為13.78，11.36 μg/m3，其次是白榆-紫丁香群落和三刺皂角-紫丁香群落，旱柳群落削減效果最小。秋季，白榆-紫丁香群落對PM10和PM2.5的削減效果最好，削減量為10.06 μg/m3，其次是三刺皂角-紫丁香群落和新疆小葉白蠟群落，紅皮云杉群落削減作用最差。

（2）三刺皂角-紫丁香群落內(nèi)顆粒物的擴散路徑是從濃度最高的群落邊緣向群落內(nèi)移動，白榆-紫丁香群落與之有明顯差異，群落內(nèi)部顆粒物濃度高于群落邊緣，向邊緣擴散，新疆小葉白蠟群落出現(xiàn)由邊緣向群落內(nèi)部擴散，內(nèi)部顆粒物濃度慢慢聚集的特征。

（3）對植物群落內(nèi)PM2.5濃度與植物群落不同水平距離、群落內(nèi)溫度和相對濕度進行多元回歸分析，三刺皂角-紫丁香群落顆粒物與0 m 處PM2.5濃度、群落內(nèi)溫濕度均存在顯著正相關關系，白榆-紫丁香群落、新疆小葉白蠟群落內(nèi)顆粒物濃度與10 m 處PM2.5濃度和群落內(nèi)溫濕度同樣是顯著正相關關系。

4 展望

在我國干旱區(qū)常年干燥的情況下，植物帶來的生態(tài)環(huán)境效益顯得更加重要[17-18]。本研究中7 種植物群落樹種配置是烏魯木齊市常見的綠化配置結(jié)構(gòu)，喬灌草群落能有效減少顆粒物污染，而喬木群落對顆粒物的削減作用較小，許多研究也表明喬灌草復合結(jié)構(gòu)削減顆粒物的效果優(yōu)于喬草群落和單一群落[19-20]。植物群落在不同季節(jié)對顆粒物均存在明顯不同的削減作用，在夏季，新疆小葉白蠟-水蠟群落對PM10和PM2.5的削減效果最好，秋季則是白榆-紫丁香群落對PM10和PM2.5的削減效果最好，說明植物群落中喬木和灌木配置能有效降低顆粒物污染，但不同植物群落對顆粒物的削減作用差異還受群落內(nèi)樹種、冠層結(jié)構(gòu)、郁閉度等因素影響[21-25]。本文研究了植物群落內(nèi)不同水平距離濃度變化和顆粒物削減作用，發(fā)現(xiàn)喬灌草群落和喬木群落顆粒物濃度是由群落邊緣向群落內(nèi)擴散，可以起到減輕群落周邊顆粒物污染的作用，在城市綠化中，最常見的就是喬灌草配置，因此建議在綠化建設中，可適當加寬綠化帶，加強顆粒物削減作用。