徐安祺

初步天

肖湘東*

姜佳怡

隨著中國不斷推進城市化建設，以PM2.5顆粒物為首要污染物的大氣污染，引發(fā)了大家的普遍關注[1]。大氣顆粒物易與有害物質(zhì)結(jié)合進入人體器官和血液中，極大地威脅著人們的生命健康[2-3]。大氣PM2.5的時空變化因地區(qū)、時間、季節(jié)而異，影響因素眾多，溫度、濕度、風速、風向和太陽輻射等均可對其產(chǎn)生影響[4-9]。目前，國內(nèi)外對于PM2.5顆粒物污染的研究還在發(fā)展階段[10]。前人研究表明，機動車尾氣是PM2.5的主要來源之一，以質(zhì)量更輕、粒徑更小的氣溶膠形式停留在大氣層中，遇到冬季靜穩(wěn)的天氣狀況時極易形成霧霾[11]。綠色植物可以通過生理作用吸收空氣中部分顆粒物[12-13]，植被對PM2.5的消減作用隨綠化覆蓋率的增加而提高[14]。道路防護林通過植物復雜的葉表結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)及生理生化特性，可滯留和吸附大氣顆粒物，是消減交通污染源的重要途徑[15-17]。然而，以往研究主要針對植物個體，忽略了植物群落結(jié)構(gòu)配置方面的研究；且PM2.5濃度秋冬季較高，夏季較低，因此前人對消減PM2.5顆粒物濃度的研究多選擇秋冬季。在實際情況中，盛夏熱浪來襲，PM2.5濃度也可能較高，而前人研究較少?；谝陨显?，對于消減PM2.5顆粒物濃度的研究，本文主要側(cè)重夏季的植物群落結(jié)構(gòu)配置。筆者于2020年7月3日—2020年8月2日對蘇州工業(yè)園區(qū)現(xiàn)代大道的街旁綠地進行連續(xù)監(jiān)測，調(diào)查并記錄植物群落的基本信息及其結(jié)構(gòu)特征指標、氣象因子數(shù)據(jù)與PM2.5顆粒物濃度數(shù)據(jù)，綜合分析不同類型植物群落對PM2.5顆粒物的調(diào)控作用、各綠地植物群落內(nèi)群落結(jié)構(gòu)特征指標與PM2.5濃度大小的相關關系，以及不同氣象因子對群落內(nèi)PM2.5濃度的影響。將量化的研究結(jié)果應用于綠地設計，為改善街旁綠地環(huán)境空氣質(zhì)量提供理論和實踐依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)和實測方法

1.1 研究樣地選擇

蘇州屬亞熱帶季風性濕潤氣候，冬冷夏熱，四季分明，夏季雨量充沛。常年年平均降水量為1 094mm，平均月降水量為161mm。本研究實測場地為蘇州工業(yè)園區(qū)現(xiàn)代大道的其中一段(長約2.2km)——從現(xiàn)代大道與星湖街交叉口處至現(xiàn)代大道與星塘街交叉口處之間的綠地(圖1)。

圖1 研究區(qū)域與樣地分布圖(底圖引自Google Earth)

基于實測綠地的選擇標準篩選現(xiàn)代大道的街旁綠地，篩選30塊樣地使用率較高，以綠地為主且景觀性好，周邊道路交通情況較為規(guī)律，且選取的綠地無干擾、綠地面積相近。選取同一條道路的街旁綠地，保證附近車流量一致。實驗樣地設置為2組，一組為實驗組綠地類型(A、B、C、D、E類空間)，另一組為對照組綠地類型(F類空間)(表1)，同類型綠地分別有5個，2組同時監(jiān)測。

表1 研究樣地介紹

1.2 采樣方法

2020年7月3 日—2020年8月2日，選擇晴朗(微風或無風)的氣象條件進行觀測，對2組實驗樣地PM2.5的質(zhì)量濃度、群落微氣候因子及植物群落結(jié)構(gòu)因子進行監(jiān)測。采用CEM塵埃粒子計數(shù)器DT-9 880和FR－HWS手持式氣象站對PM2.5的質(zhì)量濃度、空氣溫度、相對濕度、風速分別進行測量。儀器測量高度為距離地面1.5m的位置，與成人的呼吸高度基本一致。監(jiān)測點布置在每個樣地的中心點，且每個監(jiān)測點均與道路保持相同距離。該植物群落空間的PM2.5濃度變化以中心樣點處PM2.5顆粒物濃度的變化為代表。因上下班車流高峰期汽車尾氣的影響，街旁綠地的PM2.5濃度在每天8：00—18：00呈現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律，故選取該時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。每間隔60min進行一次持續(xù)10min的監(jiān)測(即每時刻前后5min進行監(jiān)測)，每組數(shù)值測試點均測試東、南、西、北4個方向上的數(shù)值，連續(xù)讀取10組數(shù)值并計算均值。為體現(xiàn)空氣污染物的凈化效果，PM2.5的消減率計算公式為：

式中，Q為PM2.5消減率(%)；Vn為樣點處PM2.5濃度均值(μg/m3)；Vn-1為對照點PM2.5濃度均值(μg/m3)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

記錄植物群落結(jié)構(gòu)特征、PM2.5顆粒物數(shù)據(jù)、各氣象因子數(shù)據(jù)，利用Microsoft Excel 2020、Origin 9.1軟件進行整理。利用Origin 9.1和SPSS 19.0對各研究樣地之間的平均PM2.5質(zhì)量濃度進行單因素方差分析、植物群落結(jié)構(gòu)特征與PM2.5顆粒物濃度的相關性分析，以及各氣象因子與PM2.5顆粒物濃度的相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM2.5濃度日變化特征

如圖2所示，實驗組樣地(A、B、C、D、E類空間)與對照組(F類空間)在觀測時間段(8：00—18：00)內(nèi)變化趨勢相同，變化曲線呈現(xiàn)“U”型變化。實驗樣地與對照組的PM2.5顆粒物濃度在早上最高，中午次之，傍晚呈現(xiàn)上升趨勢，中午前后濃度降低，這個變化與人的活動規(guī)律基本一致。其中，C類空間樣地的PM2.5顆粒物濃度相較于其他樣地最低，其消減能力最高。PM2.5顆粒物濃度出現(xiàn)這種變化趨勢的原因是早上和傍晚的上下班高峰期，人的活動量大，道路車流量也較大，機動車尾氣排出的PM2.5顆粒物多，致使空氣中的污染物濃度升高，綠地消減顆粒物的能力有限。

圖2 實驗組與對照組PM2.5濃度日變化趨勢(A、B、C、D、E類空間為實驗組，F(xiàn)類空間為對照組)

對6種空間類型的綠地內(nèi)PM2.5濃度進行方差分析，結(jié)果見表2。同一時段實驗組與對照組的平均PM2.5濃度存在極顯著差異(Tukey HSD多重比較，P＜0.05)，表明實驗組對PM2.5具有一定的消減能力。在實驗組之間，C類空間的平均PM2.5濃度相較其他空間存在極顯著性差異，其消減能力最高。分析實驗組與對照組濃度數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，對照組的濃度高于實驗組，說明實驗組對于PM2.5的消減能力高于對照組。實驗組的植物群落相比對照組更多，且更豐富，證明植物群落對PM2.5有顯著消減作用。

表2 6種不同配置模式空間類型的PM2.5濃度差異分析

2.2 植物群落結(jié)構(gòu)特征指標與群落內(nèi)PM2.5濃度相關性分析

不同的群落對于PM2.5顆粒物的消減能力各不相同，主要原因是植物的規(guī)格、種類、種植密度、郁閉度等各不相同，都會影響植物群落的滯塵能力。本研究于夏季對6類樣地的植物群落基本情況進行了調(diào)查研究，對樣地植物種類組成、數(shù)量、群落類型進行了統(tǒng)計分析，總結(jié)出樣地群落結(jié)構(gòu)特征指標(表3)。樣地植物群落類型包含喬硬、喬草和復層混交林。樣地A、C、D、E都為復層混交林，計算特征指標平均值，進一步將復層混交林的平均值與喬草B、喬硬F做比較分析?？梢缘贸?，在這3種植物群落類型中，郁閉度最大的為復層混交林，最小的是喬硬，而喬草的郁閉度大小居中；喬木平均高度最高的是喬硬，最低的是復層混交林，而喬草居中；種植密度大小這一特征指標最大的為復層混交林，最小為喬硬；常綠植株數(shù)量占比為喬硬＞喬草＞復層混交林。

表3 植物群落結(jié)構(gòu)特征指標

如表4所示，樣地植物群落結(jié)構(gòu)特征指標與不同群落內(nèi)PM2.5顆粒物的相關關系，結(jié)果顯示，郁閉度、種植密度、常綠植株數(shù)量占比與PM2.5濃度都呈正相關關系，且常綠植株數(shù)量占比與PM2.5濃度為顯著正相關。即群落的郁閉度越大、種植密度越高、常綠植株數(shù)量占比越大，則植物群落內(nèi)PM2.5濃度越高。喬木平均高度與PM2.5濃度為負相關，這可能是因為當喬木高度太高時，與地面的顆粒物有一定距離，雖能屏蔽一部分空氣中的顆粒物，但林下對顆粒物的吸收和阻滯功能較弱，不能有效消減顆粒物。當群落郁閉度越大，且種植密度越高時，樹種之間的距離就越緊湊，空氣無法形成對流而有效流通。當PM2.5顆粒物進入時，無法在快速的時間里得到消散，加上常綠植株占比越大，葉面積指數(shù)相對更大，空氣對流越困難，PM2.5顆粒物消散也越困難。

表4 PM2.5濃度與植物群落結(jié)構(gòu)特征指標的相關性分析

因此，在進行植物群落配置時，應選擇多層次的復層混交林，且喬灌草多層結(jié)合，如此可以阻擋上空粉塵、阻滯下方揚塵，從而形成多個疏散通道，達到在吸收阻滯PM2.5顆粒物的同時，加快其消散作用，從而進一步消減該空間內(nèi)部的PM2.5顆粒物濃度?？紤]郁閉度、種植密度、常綠植株占比、喬木高度的因素，郁閉度應在50%左右時為最佳，并且多種類型搭配，可以形成有效消減PM2.5顆粒物的植物配置模式。

2.3 不同植物群落空間對PM2.5消減率的影響

本文將所測數(shù)據(jù)量化為PM2.5消減率，用于定義空氣污染物的凈化效果，消減率越高，消減作用越好。由圖3可知，樣地C類的植物群落空間對PM2.5的平均消減率最高為5.3%，在實驗期間，樣地C類的消減率基本保持穩(wěn)定，可知樣地C類的植物群落配置結(jié)構(gòu)為“喬灌草+喬灌”的雙層復合結(jié)構(gòu)，這一配置對街旁綠地的PM2.5有明顯的消減作用。反之，樣地D類的平均消減率最低，僅為-2.7%。在實驗期間，樣地D類的消減率始終是負值，群落結(jié)構(gòu)為常規(guī)單一的“喬灌草”，說明這一植物群落空間配置對街旁綠地的PM2.5顆粒物無消減效果，反而造成PM2.5顆粒物滯留，更不利于PM2.5顆粒物的消減。相比較而言，樣地A、B、E類的植物群落空間對PM2.5的平均消減率分別為2.8%、4.6%、1.5%，說明這3種樣地類型的植物群落配置對于PM2.5消減有一定的效果。在街旁綠地設計中，這3種類型植物群落對于消減周圍PM2.5顆粒物可以起到輔助作用。這3種樣地的植物群落空間配置也為雙層復合結(jié)構(gòu)，分別是“喬+灌+硬-喬”“喬+草(抬高地形)-喬”“喬+灌+草-喬”。

圖3 不同植物群落空間對月平均PM2.5的消減率比較(A、B、C、D、E類空間為實驗組，F(xiàn)類空間為對照組)

分析樣地C類的綠地結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，剔除樹種間個體差異因素，群落結(jié)構(gòu)中郁閉度為0.5～0.6、種植密度為0.05、喬木常綠落葉比為4:1、植物群落水平結(jié)構(gòu)為“喬灌草+喬灌”，以上多層種植模式的結(jié)構(gòu)指標是影響PM2.5消減效果優(yōu)于其他綠地模式的關鍵，其對夏季街旁綠地內(nèi)的PM2.5濃度消減作用最強。單層復合結(jié)構(gòu)的植物配置對于街旁綠地并沒有有效的消減效果，而雙層復合結(jié)構(gòu)的復層混交林能夠在一定程度上消減周圍的PM2.5顆粒物濃度。在街旁綠地近路一側(cè)種植常綠闊葉喬木和灌木，可以在一定程度上有效遮擋PM2.5的進入，也可以適當抬高地形，形成輔助遮擋，結(jié)合綠地內(nèi)種植喬灌草，形成私密的游園空間。

2.4 不同氣象因子對群落內(nèi)PM2.5濃度的影響

如表5所示，PM2.5濃度與空氣溫度呈極顯著正相關關系，與相對濕度呈較顯著負相關關系。當溫度升高時，空氣中的顆粒物布朗運動變得強烈，促進顆粒物相互碰撞下沉，濃度降低。當濕度增加時，空氣中的顆粒物相互作用凝結(jié)在一起，直徑變大，因此濃度上升。當相對濕度較小、空氣干燥時，顆粒物濃度降低，從而消減較快?？諝鉁囟群拖鄬穸葧嗷プ饔?，溫度升高會降低相對濕度，同樣，相對濕度升高也會導致溫度降低。因此在研究中應該將兩者統(tǒng)籌兼顧，缺一不可。

表5 各樣地空間內(nèi)PM2.5濃度與氣象因子的相關性

2.5 綠地消減PM2.5污染的植物配置模式

通過上述的實測和分析研究可知，綠地中常規(guī)“喬灌草”配置對于PM2.5顆粒物的消減效果不理想。單層復合結(jié)構(gòu)的植物配置對于街旁綠地PM2.5消減并沒有顯著的效果，而雙層復合結(jié)構(gòu)的復層混交林植物配置能夠在一定程度上消減周圍的PM2.5顆粒物濃度。街旁綠地中的植物進行“喬灌草+喬灌”多層種植模式配置時，對夏季街旁綠地內(nèi)PM2.5濃度消減作用最強。

為了消減街旁綠地內(nèi)的PM2.5顆粒物，針對以上實驗結(jié)果分析歸納了可供街旁綠地景觀設計的6種優(yōu)選植物配置模式(表6)。根據(jù)群落空間分為可進入型和不可進入型。采用垂直和水平的植物群落結(jié)構(gòu)，形成不同的空間配置，為PM2.5顆粒物創(chuàng)造三維輸送通道，加速吸收、阻滯、下沉和消散。在植物選擇上，應考慮當?shù)氐纳鷳B(tài)條件來配置適宜的植物群落，多選擇鄉(xiāng)土樹種，以及株形飽滿、規(guī)格較大、冠幅較大的大喬木，可用于背景林帶和單棵點景。若選擇小喬木，可以考慮常綠、落葉、闊葉、針葉等相結(jié)合。

表6 應對消減PM2.5顆粒物的街旁綠地優(yōu)選植物群落類型

3 結(jié)論

3.1 不同植物群落對PM2.5濃度的影響分析

1)針對30個樣地內(nèi)的植物類型優(yōu)選進行研究，結(jié)果表明，各樣地中的鄉(xiāng)土樹種在消減PM2.5顆粒物濃度中，相對外來樹種起了重要作用。同時，鄉(xiāng)土樹種長勢良好，維持了群落的穩(wěn)定性。

2)植物群落的結(jié)構(gòu)特征會影響植物空間的配置模式，進而影響植物群落的滯塵能力。夏季植物的郁閉度、種植密度、常綠植株數(shù)量占比等指標均與PM2.5濃度呈正相關關系。其中，常綠植株數(shù)量占比與PM2.5濃度呈顯著正相關。在各樣地中，C類樣地的群落結(jié)構(gòu)對街旁綠地PM2.5顆粒物的消減效果最強，其群落結(jié)構(gòu)中郁閉度為0.5～0.6、種植密度為0.05、喬木常綠落葉比為4:1、植物群落水平結(jié)構(gòu)為“喬灌草+喬灌”，以上多層種植模式的結(jié)構(gòu)指標是影響PM2.5消減效果優(yōu)于其他綠地模式的關鍵，對夏季街旁綠地內(nèi)的PM2.5濃度消減作用最強。

3)植物群落配置模式是影響群落滯塵能力的重要因素之一。綠地中常規(guī)的“喬-灌-草”配置對于PM2.5顆粒物的消減效果不顯著。研究表明，D類樣地的平均消減率最低，僅為-2.7%。說明單層復合結(jié)構(gòu)的植物配置對于街旁綠地并沒有有效的消減效果，而雙層復合結(jié)構(gòu)的復層混交林植物配置能夠在一定程度上消減周圍的PM2.5顆粒物濃度。C類樣地的植物群落空間對PM2.5的平均消減率最高，達到5.3%，表明在街旁綠地中，“喬灌草-喬灌”的植物配置模式對夏季街旁綠地內(nèi)PM2.5濃度的消減作用最顯著。若在街旁綠地的近路一側(cè)種植常綠闊葉喬木和灌木，可以在一定程度上有效遮擋PM2.5的進入。B類樣地喬草(抬高地形)空間的平均消減率高達4.6%，表明在植物配置上也可以適當抬高地形形成輔助遮擋，結(jié)合喬灌草形成私密的游園空間。

3.2 不同氣象因子條件下植物群落內(nèi)PM2.5濃度的變化

1)PM2.5濃度與相對濕度呈顯著正相關關系，與空氣溫度呈負相關關系?？諝鉁囟群拖鄬穸认嗷プ饔?，溫度升高會降低相對濕度，同樣相對濕度升高也會導致溫度降低。因此，在研究中應該將兩者統(tǒng)籌兼顧，缺一不可。

2)在8：00—18：00時間段，街旁綠地中的顆粒物濃度呈現(xiàn)“U”字形變化趨勢。PM2.5顆粒物濃度在早上最高，上午次高，傍晚呈上升趨勢，中午前后濃度降低，這個變化趨勢與人的活動規(guī)律及車流量情況基本一致。本研究結(jié)果表明，實驗組植物群落相比對照組更多，且更豐富，表明植物群落對PM2.5顆粒物有顯著消減作用。

3.3 街旁綠地消減PM2.5的植物空間配置模式

采用垂直和水平的植物群落結(jié)構(gòu)搭配，遵循“喬灌草-喬灌”多層種植模式，可以為PM2.5顆粒物創(chuàng)造三維輸送通道，加速PM2.5顆粒物的吸收、阻滯、下沉和消散。通過樹陣廣場、植物花境和空曠草坪等設計手法，將道路與綠地接壤，從而暢通物質(zhì)交換通道。在植物選擇上，應考慮當?shù)氐纳鷳B(tài)條件來配置適合的植物群落，多選擇鄉(xiāng)土樹種，特別是株形飽滿、規(guī)格較大、冠幅較大的大喬木，此類植物還可用于背景林帶和單棵點景。小喬木可以考慮常綠、落葉、闊葉、針葉等組合，利用多種植物種類配置豐富多彩的街旁綠地景觀。在消減PM2.5顆粒物濃度的作用上，綠地植物群落配置模式要遵循生態(tài)優(yōu)先、綜合防治、景觀美化、兼顧游憩的原則。

4 討論

本研究對6類不同結(jié)構(gòu)的植物群落空間PM2.5顆粒物濃度進行了相關性分析和多重比較，結(jié)果顯示，PM2.5顆粒物濃度在一天之內(nèi)的變化趨勢呈“U”字形，表明植物群落對PM2.5有一定消減效果。同時，PM2.5濃度與相對濕度呈極顯著正相關關系，與空氣溫度呈較顯著負相關關系。這與王祖星等[18]、徐歡等[19]、路琛等[20]的研究一致。

前人研究表明，植物群落結(jié)構(gòu)與PM2.5顆粒物濃度有關[21]，而本研究結(jié)果顯示，雙層復合結(jié)構(gòu)的植物群落配置模式，其滯塵能力大于單一結(jié)構(gòu)，且調(diào)控PM2.5顆粒物濃度的能力最強，這與李新宇等[22]、孫淑萍等[13]的研究結(jié)果一致。研究表明，植物郁閉度與PM2.5顆粒物濃度呈正相關關系。當植物群落郁閉度為50%～60%、葉面積指數(shù)為1.5～2.0時，對于消減空氣中PM2.5顆粒物效果極顯著[23-24]。通過比較分析熱浪襲擊的蘇州盛夏街旁多層復合結(jié)構(gòu)的植物群落，從而獲得“喬灌草+喬灌”的較佳消減PM2.5顆粒物濃度的植物多層配置模式，具有創(chuàng)新意義。

基于以上研究結(jié)果，可在以下幾個方面繼續(xù)展開深入研究。1)受實驗器材和時間限制，本文只局限于蘇州現(xiàn)代大道的街旁綠地研究，后續(xù)還可選擇其他地區(qū)、其他街道的綠地。2)本研究在數(shù)據(jù)分析方法上主要使用顯著性差異分析和單因素方差分析，后續(xù)研究可增加較多的數(shù)據(jù)分析方法，更系統(tǒng)完善地分析PM2.5顆粒物濃度與植物配置模式的相關性，歸納出更為系統(tǒng)的設計策略。3)本文僅研究了夏季植物群落結(jié)構(gòu)，后期還可以研究春、秋、冬三季的群落結(jié)構(gòu)與PM2.5顆粒物的關系，形成一年四季合理的植物群落系統(tǒng)配置模式。4)本文針對街旁綠地不同植物群落結(jié)構(gòu)對PM2.5顆粒物濃度消減作用進行了研究，探索消減PM2.5顆粒物的優(yōu)化植物配置模式。后期還可以針對其他綠地進行研究，如工廠綠地、校園綠地、醫(yī)院綠地等，針對不同的使用人群和污染顆粒物類型，研究出不同的植物配置模式，為后期綠地設計提供借鑒。

注：文中圖片均由徐安祺繪制。