閆曉云, 石瑋琦
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010010)
隨著城市化發(fā)展,我國(guó)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了諸多變化。作為空氣污染的罪魁禍?zhǔn)?,大氣顆粒物傳播速度快、來源較廣、持續(xù)性及擴(kuò)散能力很強(qiáng),嚴(yán)重影響了空氣質(zhì)量的提升[1]。空氣負(fù)離子對(duì)環(huán)境的增益作用主要體現(xiàn)在其能夠清潔空氣并有效調(diào)節(jié)微氣候。隨著熱島效應(yīng)愈演愈烈,學(xué)者們開始探究城市綠地與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系,積極尋求緩解熱島效應(yīng),提高居民體感舒適度的方法。研究證實(shí)了城市綠地植物具有降低周圍環(huán)境溫度、增加濕度、釋放空氣負(fù)離子、降低大氣顆粒物濃度、提高人體舒適度等功能。因此,城市綠地的各種生態(tài)功能逐步受到重視。20世紀(jì)90年代,陳自新等[2]以城市綠地為依托率先開展研究,以北京典型城市綠地園林植物為研究對(duì)象,結(jié)合定量的方法,探究了城市綠地的各種功能,如降低溫度、增加濕度、吸收熱量等。近年來,學(xué)者將研究重點(diǎn)放在城市公園綠地植物滯塵[3-4]、降溫增濕[5-7]、生態(tài)保健[8-9]等生態(tài)環(huán)境效應(yīng)上,從大氣顆粒物[10-13]、空氣負(fù)離子[14-15]、人體熱舒適度[16-17]等角度開展研究,目前已形成較為全面的理論體系。但是,上述研究多著眼于評(píng)價(jià)特定單項(xiàng)生態(tài)指標(biāo),缺乏對(duì)多項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)的整體評(píng)價(jià)。本文以溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象因子,大氣顆粒物(airborne particulate matter,AMP),空氣負(fù)離子(negative air ion,NAI)和人體舒適度(comfort human degree,CHD)為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過監(jiān)測(cè)呼和浩特市樹木園生態(tài)環(huán)境因子,采用主成分分析法與隸屬函數(shù)值法,綜合對(duì)各植物群落類型綠地的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
呼和浩特市樹木園(40°42′N,111°42′E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市賽罕區(qū),兼有林木種質(zhì)資源保存、觀賞游憩、科研教學(xué)等功能。海拔1 056 m,占地面積22 hm2,屬溫帶大陸性氣候,年平均氣溫5.8 ℃,年降雨量300~450 mm。園內(nèi)共500余種植物,分屬53科,122屬,包括針葉樹種、闊葉樹種、沙生植物等。
1.2.1 樣地篩選
于2021年7月進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,遵循植物群落類型均一、生長(zhǎng)狀況良好等原則,選取5塊樣地(S1—S5)為研究對(duì)象,各樣地間距離為100~160 m,在樣地中選擇面積為20 m×20 m的植物群落作為樣方。記錄樣地內(nèi)的樹種名稱,測(cè)定胸徑、樹高等數(shù)據(jù)(見表1),以樹木園內(nèi)硬質(zhì)廣場(chǎng)(S6)作為對(duì)照點(diǎn),各植物群落中心點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
表1 呼和浩特樹木園樣地概況Tab. 1 Overview of the Hohhot arboretum plots
1.2.2 生態(tài)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)
2021年8月,選擇晴朗微風(fēng)的天氣,連續(xù)5 d開展實(shí)地監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間為早晨8:00至晚上18:00,以2 h為間隔,每天監(jiān)測(cè)6次,對(duì)樹木園內(nèi)共6處樣地的氣象因子、大氣顆粒物濃度(CAPM)、空氣負(fù)離子濃度(CNAI)和人體舒適度(ICHB)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。采樣高度距地面約1.5 m。采用Kestrel NK 4500便攜式氣象儀,對(duì)各植物群落的氣象因子進(jìn)行測(cè)定,重復(fù)3次并取均值。采用美國(guó)Turnkey Dustmate粉塵監(jiān)測(cè)儀測(cè)定各樣地總懸浮顆粒物(total suspendal partical,TSP)、PM10、PM2.5和PM1濃度,待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后,分別從東南西北4個(gè)方向讀取數(shù)據(jù),每個(gè)方向重復(fù)3次,最終取均值。采用美國(guó)AIC空氣離子測(cè)試器監(jiān)測(cè)各樣地NAI濃度,測(cè)定前需先歸零,測(cè)定方法與APM相同。
1.2.3 指標(biāo)計(jì)算與評(píng)價(jià)
以GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18]、森林環(huán)境空氣負(fù)離子濃度分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]和中國(guó)氣象局制定的人體舒適度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。人體舒適度指數(shù)ICHB計(jì)算公式如下:
ICHB=(1.8t+32)-
(1)
式中:t表示平均溫度,℃;Hr表示相對(duì)濕度,%;v表示平均風(fēng)速,m/s。
1.2.4 不同植物群落生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究
采用模糊綜合評(píng)判中的隸屬函數(shù)值法,對(duì)不同植物群落的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值計(jì)算公式如下:
U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。
(2)
如果該指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo),計(jì)算公式為:
U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin),
(3)
其中:U(Xi)表示i樣地的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)隸屬函數(shù)值,Xi表示i樣地某指標(biāo)測(cè)定值,Xmax和Xmin分別表示樣地某指標(biāo)的最大值和最小值。以所選樣地各指標(biāo)隸屬函數(shù)值的均值作為判定該樣地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn),均值越大,該樣地的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)越好。
1.2.5 數(shù)據(jù)處理
運(yùn)用Microsoft Excel統(tǒng)計(jì)、分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);采用Origin2019繪制相關(guān)圖表;利用SPSS25.0進(jìn)行相關(guān)性分析(皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn))及主成分分析;運(yùn)用隸屬函數(shù)值法計(jì)算綜合生態(tài)環(huán)境效應(yīng)隸屬函數(shù)值。
2.1.1 溫度
由圖1可知,一天內(nèi)各植物群落溫度變化趨勢(shì)相近,先上升后緩慢下降,溫度最高峰值出現(xiàn)在16:00左右,8:00左右最低。各樣地日平均溫度明顯低于對(duì)照點(diǎn),降溫率為3.34%(樣地S2)~5.05%(樣地S1)。這可能與樣地S2植物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、郁閉度低、遮陰效果差、蒸騰作用弱有關(guān),最終導(dǎo)致樣地內(nèi)溫度升高。
2.1.2 相對(duì)濕度
由圖1可知,各植物群落相對(duì)濕度在8:00左右達(dá)到峰值,16:00左右最低。日平均相對(duì)濕度變化趨勢(shì)基本一致,變化曲線呈“V”型。各植物群落日平均相對(duì)濕度明顯高于對(duì)照點(diǎn),增濕率為1.82%(樣地S2)~12.18%(樣地S1)。這主要是因?yàn)闃拥豐1郁閉度大于樣地S2,空氣對(duì)流減弱,蒸騰作用更明顯,植物冠層內(nèi)水汽擴(kuò)散受到影響,速率降低,增濕率升高。
2.1.3 風(fēng)速
由圖1可知,各植物群落風(fēng)速變化趨勢(shì)不同,一天內(nèi),風(fēng)速多于12:00達(dá)到峰值,早晚風(fēng)速最低。樣地S2風(fēng)速變化曲線波動(dòng)最大,S4波動(dòng)極小。大部分樣地日平均風(fēng)速低于對(duì)照點(diǎn),證明綠地內(nèi)樹木、樹冠、枝葉具有一定遮擋、減弱風(fēng)速的作用。樣地S2風(fēng)速高于對(duì)照點(diǎn),推測(cè)是綠地內(nèi)郁閉度相對(duì)較小,樹木遮擋作用弱,導(dǎo)致空氣對(duì)流加強(qiáng)。
圖1 不同植物群落氣象因子日變化Fig. 1 Diurnal variation of meteorological factors in different plant communities
5種植物群落CTSP和CPM10日變化趨勢(shì)相近(圖2)。一天中先下降再上升,8:00達(dá)到濃度峰值,14:00—16:00濃度最低。CPM2.5和CPM1日變化趨勢(shì)相同,一天內(nèi)先下降,后緩慢上升,峰值出現(xiàn)在8:00,谷值出現(xiàn)在16:00。樣地S2、S5能夠降低CAPM,而其余樣地內(nèi)CAPM高于對(duì)照點(diǎn)。
圖2 不同植物群落CAPM日變化Fig. 2 Diurnal variation of CAPM in different plant communities
依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3095-2012),樹木園5種植物群落CAPM均達(dá)到國(guó)家二級(jí)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱一、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))。其中,日平均CTSP均達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。8:00左右污染最嚴(yán)重,超標(biāo)率達(dá)0.68%~43.78%,對(duì)照點(diǎn)超標(biāo)率為3.43%,其余時(shí)間均達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。相較于PM10和PM2.5,CTSP達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間延長(zhǎng)了4~6 h。日平均CPM10均達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。一天內(nèi)僅14:00—16:00達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其余時(shí)間植物群落超標(biāo)率為2.92%~82.94%,對(duì)照點(diǎn)超標(biāo)率為1.8%~59.72%。僅樣地S2和S5內(nèi)日平均CPM2.5達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其余樣地達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。14:00—18:00,所有樣地CPM2.5達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。8:00—12:00,植物群落超標(biāo)率為4.8%~56.63%,對(duì)照點(diǎn)超標(biāo)率為13.94%~45.67%。上述結(jié)果表明,一天內(nèi)上午APM污染更加嚴(yán)重,三種顆粒物污染程度由低到高依次為:TSP 日平均CNAI變化范圍是673.82±153.17~759.86±135.33 個(gè)/cm3,均高于對(duì)照點(diǎn),見圖3。 圖3 不同植物群落ICHB與CNAI日變化Fig. 3 Diurnal variation of ICHB與CNAI in different plant communities 由圖3可知,CNAI隨著時(shí)間推移,先緩慢下降,后上升,變化曲線呈“U”字形。濃度最高峰值出現(xiàn)在8:00和18:00,12:00左右最低。方差分析結(jié)果表明,除樣地S2,其他植物群落CNAI與對(duì)照點(diǎn)差異顯著(P<0.05)。 根據(jù)NAI濃度分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),夏季5種植物群落類型中,日平均CNAI均處于Ⅴ級(jí)。一天內(nèi)8:00—16:00各樣地的CNAI達(dá)到Ⅴ級(jí)。18:00左右,大部分樣地的CNAI處于V級(jí),僅樣地S1和S4達(dá)到Ⅳ級(jí),即“中等”水平。對(duì)照點(diǎn)10:00—14:00CNAI處于Ⅵ級(jí),保健效果差;其余時(shí)間處于V級(jí),保健效果一般。植物群落保健效果優(yōu)于對(duì)照點(diǎn),一天內(nèi)可延長(zhǎng)保健時(shí)間約6 h。 從圖3可以看出,各樣地ICHB變化趨勢(shì)相近,變化曲線呈倒“V”型。早晨8:00體感舒適度最佳,12:00和16:00左右感到不舒適,其他時(shí)間體感較舒適。日平均ICHB變化范圍為71.77±2.73~73.19±2.54。不同植物群落日平均ICHB明顯低于對(duì)照點(diǎn),即公園綠地能夠有效地提升ICHB,改善率最高為1.94%。 根據(jù)人體舒適度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),可知樹木園日平均ICHB處于Ⅵ級(jí),即“微熱”范圍。8:00左右,所有樣地ICHB處于“舒適”范圍。10:00左右,部分樣地ICHB處于“舒適”范圍,其余樣地ICHB處于“微熱”范圍。10:00后,各樣地ICHB持續(xù)上升,大多數(shù)樣地ICHB處于“微熱”范圍,極少數(shù)樣地令人感到不舒適。16:00—18:00,ICHB緩慢下降,大部分樣地處于“微熱”范圍。因此,10:00—16:00,不建議在樹木園內(nèi)開展娛樂活動(dòng)。一天內(nèi),各樣地的體感舒適時(shí)間持續(xù)8.5~10 h,與對(duì)照相比,體感舒適時(shí)間延長(zhǎng)了1.5 h左右。 利用SPSS對(duì)各樣地生態(tài)環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析(見表2)。結(jié)果表明:(1)CNAI與風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。這可能是因?yàn)?:00后光照強(qiáng)度逐漸增加,風(fēng)速也逐漸增大,當(dāng)風(fēng)速過大時(shí),植物光合作用變?nèi)?,?dǎo)致CNAI濃度降低。(2)ICHB與溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。ICHB不僅與上述氣象因子相關(guān)性顯著,還與APM、氣壓呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。(3)CAPM與溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。這可能是因?yàn)樵绯?:00光照弱,氣溫最低,相對(duì)濕度最大,風(fēng)速較小,營(yíng)造了APM難以擴(kuò)散的環(huán)境,使其反而聚集增多,達(dá)到峰值。8:00后,環(huán)境溫度不斷升高,風(fēng)速增大,空氣對(duì)流加快,創(chuàng)造了易于APM擴(kuò)散的條件。到了晚上18:00,光照弱,植物光合作用不強(qiáng),氣溫緩慢降低,相對(duì)濕度變大,風(fēng)速降低,致使APM濃度升高[20]。CAPM與氣壓呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),是因?yàn)闅鈮荷撸行膮^(qū)域的空氣不斷下降,風(fēng)力減弱,APM難以向上方擴(kuò)散,濃度升高[21]。氣壓對(duì)ICHB的影響為:氣壓升高,大多為穩(wěn)定天氣,人感到輕松、舒適;氣壓降低時(shí),大多為陰雨天氣,會(huì)令人感到壓抑、沉悶[22]。 表2 不同植物群落各生態(tài)環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)Tab. 2 Correlation coefficients of ecological environmental factors of different plant communities 選取10個(gè)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行主成分分析,見表3。從表3可以看出,前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為90.95%,較為全面地解釋了各樣地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的總體信息。因此,將前兩個(gè)主成分作為評(píng)價(jià)植物群落生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的綜合指標(biāo)。結(jié)合表3、表4可知,主成分1(CTSP)的特征值為7.457,包含了CPM1、CPM2.5、氣壓、CPM10、相對(duì)濕度、CTSP、溫度和ICHB等8個(gè)指標(biāo)。其中,溫度和ICHB與綠地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)呈負(fù)相關(guān),其余各項(xiàng)指標(biāo)呈正相關(guān)。主成分2(CPM10)的特征值為1.638,包含了CNAI、風(fēng)速等2個(gè)指標(biāo)。CNAI與綠地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)呈負(fù)相關(guān),風(fēng)速與之呈正相關(guān)。 表3 總方差解釋表Tab. 3 Interpretation table of total variance 表4 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣表Tab. 4 Table of components matrix after rotation 以隸屬函數(shù)值為依據(jù)(見表5),對(duì)樹木園內(nèi)植物群落生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行排序。不同植物群落生態(tài)環(huán)境效應(yīng)隸屬函數(shù)值的大小依次為:ECMF>DBLMF>CK>DS>ECF>EDMF。樣地S1綜合生態(tài)環(huán)境效應(yīng)最佳,最適宜夏季休閑娛樂,樣地S5最差。 表5 不同植物群落生態(tài)環(huán)境效應(yīng)隸屬函數(shù)值Tab. 5 Membership function values of ecological environment effects of different plant communities 夏季樹木園內(nèi)不同植物群落降溫增濕的能力存在差異。這與楊榮[23]等的研究結(jié)果相近。本研究發(fā)現(xiàn),夏季樹木園內(nèi)不同植物群落降溫能力依次為:ECMF>DBLMF>DS>EDMF>ECF>CK。增濕能力依次為:ECMF>DS>DBLMF>EDMF>ECF>CK。這與林蔭[24]、夏繁茂[25]等的研究結(jié)果不同。綜上,目前何種公園綠地植物群落配置溫濕效應(yīng)最佳尚未定論。 夏季樹木園內(nèi)不同植物群落ICHB依次為:ECF 多項(xiàng)研究表明,城市綠地園林植物冠層可降低風(fēng)速,其葉片、樹皮可吸附顆粒物,從而消減大氣中的顆粒物[27]。但本研究發(fā)現(xiàn),不同植物群落消減APM的能力依次為:EDMF>ECF>CK,其余三個(gè)樣地日平均CAPM反而高于對(duì)照點(diǎn)。這可能是因?yàn)槌鞘泄珗@綠地消減APM存在“綠化效益最佳閾值區(qū)”,當(dāng)郁閉度和林分密度過大,反而能夠聚集APM[28]。研究表明,在消減APM能力方面,復(fù)雜的植物群落一般優(yōu)于簡(jiǎn)單的植物群落。樣地S5內(nèi)CAPM最小。這與劉雙芳等[29]的結(jié)論一致。從樣地內(nèi)植物配置來講,樣地S5植物群落結(jié)構(gòu)比S2更加復(fù)雜,植物平均高度更低,為顆粒物的擴(kuò)散創(chuàng)造了條件。樣地S4內(nèi)CAPM最高,可能是因?yàn)獒樔~樹種比落葉樹種更能分泌油脂等物質(zhì),能更有效地吸附顆粒物。一般來講,針葉混交林消減APM的能力優(yōu)于針葉純林。但本研究發(fā)現(xiàn),常綠針葉混交林內(nèi)CAPM高于對(duì)照點(diǎn)。這可能與樣地S1的位置有關(guān)。樣地S1靠近周邊單位入口,受到外界環(huán)境的影響,外源輸入顆粒物較多,致使CAPM升高。 不同植物群落類型綠地釋放CNAI存在一定差異,大部分植物群落釋放CNAI顯著高于對(duì)照點(diǎn)。不同植物群落釋放CNAI依次為:ECMF>DS>DBLMF>EDMF>ECF>CK。樣地S1內(nèi)CNAI最高,高于其他樣地0.86%~56.63%。這可能是因?yàn)闃拥刂袠淠旧L(zhǎng)狀況良好,郁閉度較低,以曲率半徑較小的針葉樹種為骨干樹種,更容易發(fā)生光電效應(yīng),因此促進(jìn)了NAI的釋放。這與徐蘭等[30]的結(jié)論一致。樣地S2雖同為針葉樹種,釋放CNAI卻最低。推測(cè)是因?yàn)闃拥豐2溫度最高,風(fēng)速較大,導(dǎo)致植物光合作用較弱。而潘劍彬等[31]認(rèn)為落葉闊葉林釋放CNAI最高,常綠針葉林最低。馮燕珠等[32]則通過研究指出,不同植被配置釋放CNAI均大于對(duì)照點(diǎn)。其中,常綠闊葉林釋放CNAI最高,灌木叢最低。以上結(jié)果差異與研究樣地結(jié)構(gòu)、類型不無關(guān)系,研究地域、方法、時(shí)間和氣象條件的差異也會(huì)導(dǎo)致CNAI差異。 呼和浩特市樹木園內(nèi)部分植物群落的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)優(yōu)于無植被覆蓋的對(duì)照點(diǎn)。樣地S1的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)最佳。因此,在今后城市公園綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)中,盡量選用杜松、側(cè)柏等鄉(xiāng)土樹種,建議游人選擇上午9:00—10:00、下午16:00后到樹木園游憩娛樂。 通過對(duì)多個(gè)生態(tài)環(huán)境因子的綜合評(píng)價(jià),深入探究了不同植物群落類型生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的差異,為城市公園綠地樹種選擇、植被結(jié)構(gòu)優(yōu)化及建設(shè)管理提供了理論依據(jù)。游人可以根據(jù)樹木園夏季生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的優(yōu)劣,合理安排出行時(shí)間及游覽區(qū)域。但研究工作仍存在以下問題:(1)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)受到植物群落配置方式的顯著影響,但生態(tài)環(huán)境效應(yīng)影響因子還包括下墊面類型、植物冠層結(jié)構(gòu)特征、SO2和O3含量等。今后可嘗試將上述因子納入綜合評(píng)價(jià)體系,完善城市公園綠地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。(2)研究應(yīng)補(bǔ)充除夏季外其他季節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù),以探究樹木園不同植物群落類型生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的季變化、年變化規(guī)律。2.3 不同植物群落CNAI日變化特征及評(píng)價(jià)
2.4 不同植物群落ICHB日變化特征及評(píng)價(jià)
2.5 不同植物群落與各生態(tài)環(huán)境因子間的關(guān)系
2.6 不同植物群落類型綠地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分分析
2.7 不同植物群落類型綠地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)
3 討論
4 結(jié)論