劉 宇，王曉立,，董 蓉，李素華，韓浩章,

1. 宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800；2. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210095；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇 南京 210095

采暖季4種結(jié)構(gòu)的城市綠地對PM2.5和PM10的調(diào)控作用

劉 宇1，王曉立1,2，董 蓉1，李素華1，韓浩章1,3

1. 宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800；2. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210095；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇 南京 210095

為研究采暖季不同結(jié)構(gòu)城市綠地對大氣中PM2.5和PM10的調(diào)控作用及其與氣象因子的關(guān)系，于2015年11月—2016年4月，選擇滯塵效果較好的4種類型城市綠地和對照點，于07:00—21:00每隔2 h在4種綠地的中心位置同步觀測其內(nèi)部PM2.5、PM10、溫度、相對濕度、風(fēng)速以及光照強度，對比分析綠地內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度差異以及不同綠地類型對消減 PM2.5和PM10的作用。結(jié)果表明：采暖期4種結(jié)構(gòu)城市綠地內(nèi)PM2.5日均值大小表現(xiàn)為CK（112 μg?m-3）＞喬灌草（108 μg?m-3）＞大闊葉喬草（107 μg?m-3）＞小闊葉喬草（106 μg?m-3）＞針葉喬草（100 μg?m-3），PM10為 CK（23 μg?m-3）＞喬灌草（226 μg?m-3）＞小闊葉喬草（224 μg?m-3）＞大闊葉喬草（223 μg?m-3）＞針葉喬草（211 μg?m-3），CK 內(nèi) PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度顯著高于其他綠地類型（P＜0.05）；PM2.5和 PM10小時均值變化區(qū)間分別為 81～133 μg?m-3和 170～278 μg?m-3，兩者呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），都在09:00左右達(dá)到峰值，15:00左右達(dá)到最低值，而后至21:00一直呈上升趨勢；采暖期PM2.5和PM10月均值穩(wěn)步上升，但受大范圍氣象因素影響顯著；觀測期間，對PM2.5和PM10平均消減率按大小排序為針葉喬草＞喬灌草＞小闊葉喬草＞大闊葉喬草，且針葉喬草的消減率顯著高于其他綠地類型（P＜0.05）；4種結(jié)構(gòu)城市綠地對PM2.5和PM10的消減率都與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），僅有PM2.5的消減率與濕度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與風(fēng)速和光照相關(guān)性不顯著。在城區(qū)綠地建設(shè)中，可加大針葉喬木的配置以降低大氣顆粒物質(zhì)量濃度。

采暖季；城市綠地；PM2.5；PM10

2015年冬季至2016年春季，江蘇北部城市的采暖時間為11月中下旬—次年3月中旬，期間宿遷市區(qū)空氣質(zhì)量較差，輕度污染及以上日數(shù)達(dá)101 d（https://www.aqistudy.cn/historydata/index.php）。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，顆粒物是大氣的主要污染物（田剛等，2013），其中，粒徑較小、比表面積較大的PM2.5對人體健康和大氣環(huán)境危害更大（Chan et al.，1999；Pope et al.，2002），現(xiàn)已成為公眾和政府共同關(guān)注的熱點問題。城市綠地通過吸附和滯留懸浮在空氣中的顆粒物，對減少空氣顆粒物具有重要的作用（殷衫等，2007；吳志萍等，2008），被稱為“天然的空氣過濾器”（高金輝等，2007），能有效提高空氣質(zhì)量。近些年來，不同學(xué)者開展了大氣顆粒物與城市綠地的相關(guān)研究，這些研究多集中在具體植物的滯塵效應(yīng)（劉斌等，2016；李少寧等，2016）、不同植被阻滯大氣顆粒物的效應(yīng)（梁丹等，2014；童明坤等，2015；王軼浩等，2016）、顆粒物質(zhì)量濃度在城市綠地內(nèi)的季節(jié)變化規(guī)律（郭二果等，2010；王曉磊等，2014；劉宇等，2015）等方面；且研究地多為北京、重慶等大城市，而對中小城市關(guān)注較少。另一方面，采暖期間受居民供暖燃煤及氣候因素的影響，城市空氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，對市民的健康和生活影響更大，而目前針對采暖季城市綠地對空氣顆粒物的調(diào)控作用研究鮮見報道，蘇北地區(qū)幾乎沒有。因此，研究采暖季城市綠地內(nèi)大氣顆粒物的時空變化特征對確定防治重點和制定相應(yīng)對策都有一定的現(xiàn)實意義。

本文定量分析了蘇北地區(qū)滯塵效果較好的4種結(jié)構(gòu)城市綠地在采暖季對PM2.5、PM10的消減作用差異及其與溫度、相對濕度、光照、風(fēng)速等主要氣象因子的關(guān)系，旨在為科學(xué)規(guī)劃城市綠地和評價城市綠地消減大氣顆粒物（PM2.5和PM10）的功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗點設(shè)在江蘇省宿遷學(xué)院東門游園內(nèi)。宿遷位于江蘇省北部，介于 33°12′17″N～34°24′38″N、117°6′19″E～119°12′50″E 之間，處于徐、淮、連的中心地帶，是亞熱帶常綠闊葉林與暖溫帶落葉闊葉林的過渡地區(qū)，具有較明顯的季風(fēng)性、過渡性和不穩(wěn)定性等特征。選擇蘇北地區(qū)滯塵效果較好的 4種綠地類型為研究對象，包括喬灌草、大落葉喬草、小落葉喬草、針葉喬草，依次用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ代表，以無綠化覆蓋的水泥廣場地為對照（CK）開展研究，各樣地內(nèi)植物生長狀況良好，詳情見表1。

1.2 試驗方法

氣象因子能顯著影響顆粒物濃度，尤其在霧霾天（張淑平等，2016），故選擇與綠地內(nèi) PM2.5和PM10質(zhì)量濃度相關(guān)的相對濕度、溫度、光照強度和風(fēng)速等氣象因子進(jìn)行分析研究。分別采用浙江托普儀器有限公司制造的 DJL-18溫濕光三參數(shù)記錄儀和天津市福元銘儀器設(shè)備有限公司制造的 DEM6型三杯風(fēng)向風(fēng)速表測定上述氣象因子，同步采用OSEN-1A型粉塵檢測儀測定空氣中PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度，采樣高度為人體呼吸高度（1.5 m處）。觀測期為2015年11月—2016年4月，每月在上中下旬各取1個晴朗天，于07:00—21:00每隔2 h在4種結(jié)構(gòu)城市綠地的中心位置進(jìn)行同步觀測，以無綠化的水泥廣場為對照。

表1 4種結(jié)構(gòu)城市綠地樣地概況Table1 The basic situation of four types of urban green space

表2 4種結(jié)構(gòu)城市綠地PM2.5和PM10日變化Table2 The PM2.5and PM10 diurnal changes of four types of urban green space

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 指標(biāo)的計算

4種結(jié)構(gòu)城市綠地對PM2.5和PM10消減率的計算公式如下（郭偉等，2010；李新宇等，2014）：

式中，C0為對照的水泥廣場內(nèi) PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度（μg?m-3）；Ca為 4種結(jié)構(gòu)城市綠地內(nèi)的PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度（μg?m-3）。

1.3.2 統(tǒng)計分析

在SPSS 21.0軟件中通過t檢驗、單因素方差分析、偏相關(guān)性分析和回歸方程分析確定4種結(jié)構(gòu)城市綠地對PM2.5和PM10的調(diào)控作用及其與主要氣象因子的關(guān)系，并采用最小顯著差數(shù)法（LSD）檢驗數(shù)據(jù)之間的差異顯著性；運用Excel 2007繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種結(jié)構(gòu)城市綠地PM2.5和PM10時間變化規(guī)律

觀測期內(nèi)，4種結(jié)構(gòu)城市綠地及 CK內(nèi) PM2.5和PM10日變化趨勢基本一致，均在09:00左右出現(xiàn)峰值，15:00左右達(dá)到最小值，然后至21:00一直呈上升趨勢（表2）。PM2.5和PM10在07:00—21:00間均值變化區(qū)間分別為 81～133 μg?m-3及 170～278 μg?m-3，兩者呈極顯著相關(guān)（R2=0.993，P＜0.01）。

對4種綠地類型及CK內(nèi)PM2.5和PM10日均值進(jìn)行t檢驗，發(fā)現(xiàn)CK內(nèi)PM2.5和PM10都顯著高于4種綠地類型（P＜0.05），但4種綠地類型之間顆粒物質(zhì)量濃度日均值都無顯著性差異，其中 PM2.5日均值表現(xiàn)為 CK（112 μg?m-3）＞喬灌草（108 μg?m-3）＞大闊葉喬草（107 μg?m-3）＞小闊葉喬草（106 μg?m-3）＞針葉喬草（100 μg?m-3）；PM10日均值排序中，小闊葉喬草與大闊葉喬草的大小順序與 PM2.5日均值略有不同，具體為 CK（235 μg?m-3）＞喬灌草（226 μg?m-3）＞小闊葉喬草（224 μg?m-3）＞大闊葉喬草（223 μg?m-3）＞針葉喬草（211 μg?m-3）。雖然 CK 內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度明顯高于其他觀測點，但在15:00以后，多次出現(xiàn)綠地內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度高于對照點，特別是粒徑較大的PM10。

由PM2.5和PM10月均值可知（圖1），觀測期間，大氣顆粒物質(zhì)量濃度較高，根據(jù)中國空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（PM10：150 μg?m-3，PM2.5：75 μg?m-3），除 11 月份外，其他月份都超標(biāo)。從月變化趨勢看，4種綠地類型與參照點基本一致，采暖季開始后，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度都開始升高，在 1月份達(dá)到峰值，2月份急劇下降，然后繼續(xù)上升，采暖季結(jié)束后（4月份），PM2.5和PM10質(zhì)量濃度開始下降。2月份的快速下降是由于該月蘇北地區(qū)出現(xiàn)幾場大范圍雨雪，顆粒物隨雨雪發(fā)生沉降，說明PM2.5和PM10受大氣整體環(huán)境影響較大。

2.2 4種結(jié)構(gòu)城市綠地對PM2.5和PM10的消減作用

將觀測期內(nèi)4種結(jié)構(gòu)城市綠地對PM2.5和PM10的平均消減率進(jìn)行對比分析（圖2），由圖可知，整體上，采暖季 4種結(jié)構(gòu)城市綠地對 PM2.5和 PM10的消減率大小排序一致，表現(xiàn)為針葉喬草＞喬灌草＞小闊葉喬草＞大闊葉喬草。其中，針葉喬草對PM2.5和 PM10的消減作用顯著高于其他綠地類型（P＜0.05），分別達(dá)到 11.39%和 11.44%，大闊葉喬草消減率最低，僅為4.36%和4.51%。大闊葉喬草為疏林綠地景觀，一方面綠地內(nèi)垂柳（Salix babylonica）為高大落葉喬木，在監(jiān)測高度處（1.5 m）滯留大氣顆粒物的冠層結(jié)構(gòu)較少，另外林下產(chǎn)生的微小環(huán)境受氣象因素影響大，滯塵能力較弱。

圖2 4種結(jié)構(gòu)城市綠地PM2.5和PM10消減率Fig.2 The PM2.5 and PM10 reduction rates of four types of urban green space

圖1 4種綠地類型PM2.5和PM10月變化Fig.1 The PM2.5 and PM10 mouthly changes of four types of urban green space

2.3 消減率與氣象因子的相關(guān)性

將4種結(jié)構(gòu)城市綠地內(nèi)PM2.5和PM10的消減率與氣象因子進(jìn)行偏相關(guān)性分析（表3），結(jié)果表明，兩者的消減率都與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），其中與大闊葉喬草呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），將溫度與綠地對PM2.5和PM10的消減率分別進(jìn)行線性擬合（圖 3），由圖可知，數(shù)據(jù)分布分散，溫度與綠地對PM2.5和PM10的消減率的r2分別為0.058和0.042，但兩者與溫度的P值都小于0.001，說明相關(guān)性分析可信度很高。另外，僅有 PM2.5的消減率與濕度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），綠地對顆粒物的消減率與風(fēng)速和光照的相關(guān)性不顯著。

表3 消減率與氣象因子的偏相關(guān)關(guān)系Table3 The partial correlation between abatement rate and meteorological factors

圖3 消減率與溫度散點圖Fig.3 Reduction rate and temperature scatter plot

3 討論

3.1 城市綠地內(nèi)PM2.5和PM10濃度變化

一般認(rèn)為，城市綠地內(nèi)大氣顆粒物質(zhì)量濃度在日變化中存在“峰谷型”變化，但峰谷出現(xiàn)時間存在差異，主要受地理環(huán)境、人流量以及顆粒物來源等多因素影響（王曉磊等，2014）。郭二果等（2009）監(jiān)測北京西山游憩林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度，得知其日變化呈“雙峰雙谷”趨勢，峰值出現(xiàn)在05:00—09:00和19:00以及次日03:00，谷值出現(xiàn)在15:00和05:00左右；而古琳等（2013）在游憩時段（05:00—19:00）對無錫惠山游憩林內(nèi)4種粒徑顆粒物進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其變化呈“單峰單谷”型，高峰出現(xiàn)在07:00—09:00，低谷則出現(xiàn)在15:00—19:00。本研究中，PM2.5和 PM10在 09:00左右達(dá)到峰值，然后開始下降，在15:00左右到達(dá)最低點，然后開始上升，直至21:00一直呈上升趨勢，與上述研究結(jié)果基本一致。

在觀測期間，CK內(nèi)PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度明顯高于其他觀測點，但在15:00以后，多次出現(xiàn)綠地內(nèi)質(zhì)量濃度高于 CK。顆粒物隨氣流擴散，傳輸進(jìn)入綠地內(nèi)，而綠地對顆粒物的吸附、沉降達(dá)到飽和后，顆粒物開始在綠地內(nèi)部累積，且綠地內(nèi)局部小氣候更為穩(wěn)定，氣流減弱不利于顆粒物擴散，隨著整體顆粒物濃度逐步上升，出現(xiàn)綠地內(nèi)顆粒物濃度高于外部的情況，這與陳俊剛等（2014）研究結(jié)果一致。

3.2 城市綠地對PM2.5和PM10的調(diào)控作用

城市綠地通過植被覆蓋減少顆粒物來源，同時茂密的樹冠可以減低風(fēng)速避免形成二次揚塵，另外植物的葉、枝、樹皮等都可以附著和黏附顆粒物，從而對顆粒物產(chǎn)生一定的調(diào)控作用（柴一新等，2002）。國內(nèi)多位學(xué)者（張新獻(xiàn)等，1997；周志翔等，2002；馮朝陽等，2007）研究表明，喬灌草、喬草結(jié)構(gòu)滯塵能力比灌草和草坪結(jié)構(gòu)強。本研究中，喬草和喬灌草綠地類型對PM2.5和PM10都有一定的消減作用，針葉喬草消減率最高，大闊葉喬草最低，且針葉喬草對PM2.5和PM10的消減率分別比大闊葉喬草高2.61倍和2.54倍。一方面本研究觀測期為秋冬季，正處于闊葉喬木的非生長季，樹葉凋落，其降塵能力減弱，且針葉樹具有細(xì)碎的葉片形狀和復(fù)雜的枝葉結(jié)構(gòu)，易形成湍流（趙晨曦等，2013；Beckett et al.，2000），具有更強的沉降顆粒物的能力；另一方面，大闊葉喬草綠地類型的喬木枝下高較高，下層枝葉較少，對顆粒物和氣溶膠的攔截能力較弱。然而，也有學(xué)者（Gardiner et al.，1997；Tiwary et al.，2006）認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)，綠地滯塵能力隨風(fēng)速增大而提高，大闊葉喬草型綠地的透風(fēng)性促使其滯塵能力高于喬灌草等綠地類型，而本研究區(qū)風(fēng)速在 0～2.5m?s-1范圍內(nèi)變化，處于微風(fēng)條件下，空氣的水平擴散和垂直運動都受到限制，顆粒物在綠地內(nèi)的擴散能力降低，易出現(xiàn)累積現(xiàn)象。

3.3 城市綠地內(nèi) PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度與氣象因子關(guān)系

氣象因素能顯著影響顆粒物濃度，可加劇或減輕城市空氣污染，特別在采暖期，燃煤等能源消耗顯著增加，顆粒物源隨之增加，結(jié)合氣象條件易形成霧霾天氣。大風(fēng)可以通過水平輸送和稀釋擴散效應(yīng)降低顆粒物濃度（吳兌，2012）；降雨通過慣性碰并過程和布朗擴散作用，捕獲顆粒物和氣溶膠粒子，使之從大氣中清除（Han et al.，2014）；降雪雖不能迅速降低空氣中顆粒物濃度，但降雪后晴朗天顆粒物質(zhì)量濃度較之前顯著下降。在采暖期的 11月—1月，觀測點PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度穩(wěn)步上升，而 2月份蘇北地區(qū)出現(xiàn)大范圍雨雪天氣后PM2.5和PM10質(zhì)量濃度顯著下降，其中喬灌草月均值質(zhì)量濃度降幅分別達(dá)58.9%和58.3%。

城市綠地內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度與溫度和濕度具有顯著關(guān)系，但規(guī)律不一。趙晨曦等（2014）認(rèn)為，冬季PM2.5和PM10都與溫度和相對濕度呈極顯著正相關(guān)；張志丹等（2015）認(rèn)為城市綠地對空氣PM2.5濃度的調(diào)控作用與空氣相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。筆者與包紅光等（2016）認(rèn)為，綠地對PM2.5和PM10的調(diào)控與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)；且本研究中僅有PM2.5的消減率與相對濕度呈顯著正相關(guān)，這可能是在濕度上升的條件下，細(xì)粒子更容易吸附在水汽上，故其比可吸入顆粒物的響應(yīng)更好。

4 結(jié)論

采暖季4種結(jié)構(gòu)綠地內(nèi)空氣質(zhì)量較差，PM2.5和PM10的變化規(guī)律基本一致，且月均值受大氣整體環(huán)境影響大；總體上，采暖季 4種綠地類型對顆粒物都有一定的消減作用，消減率受溫度影響顯著，溫度升高，消減率降低，與風(fēng)速和光照的關(guān)系不明顯；4種綠地類型中，針葉喬草對PM2.5和PM10的消減率分別達(dá)到11.39%和11.44%，顯著高于其他綠地類型，在城區(qū)綠地建設(shè)中，加大針葉喬木的配置對降低大氣顆粒物質(zhì)量濃度具有積極意義。

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Regulation of PM2.5and PM10in 4 Types of Urban Greenbelt in Heating Season

LIU Yu1, WANG Xiaoli1,2, DONG Rong1, LI Suhua1, HAN Haozhang1,3
1. Architecture and Civil Engineering of Suqian College, Suqian 223800, China;2. College of Biological and Environmental, Nanjing Forestry University, Nanjing 210095, China;3. College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

In order to study how urban green spaces of different structures regulate PM2.5and PM10and its relationship with meteorological factors in heating season, from November 2015 to April 2016, four kinds of dusk-blocking urban green spaces with control groups were selected to monitor their PM2.5, PM10, temperature, humidity, wind speed, light intensity every two hours from 07:00 to 21:00 in the central positions of four green spaces simultaneously. Then the particulate mass concentrations of different green space types with their reduction effects on PM2.5and PM10were compared and analyzed. The regulation of four kinds of urban green space on PM2.5and PM10and its relationship with main environmental factors were compared and analyzed. It was suggested that in heating season, daily mean values of the PM2.5were sorted: CK (112 μg?m-3)＞Arbor-shrub-herb (108 μg?m-3)＞Big-deciduous-herb (107 μg?m-3)＞Little-deciduous-herb (106 μg?m-3)＞Conifer-herb (100 μg?m-3) and those of the PM10were sorted:(CK (235 μg?m-3)＞Arbor-shrub-herb (226 μg?m-3)＞Little-deciduous-herb (224 μg?m-3)＞Big-deciduous-herb (223 μg?m-3)＞ Conifer(211 μg?m-3)). The value of the PM2.5and PM10in CK was obviously larger than the others (P＜0.05), The mean values of PM2.5and PM10at an interval of 2 h ranged from 81 to 133 μg?m-3and 170 to 278 μg?m-3respectively, presenting an extremely remarkable correlativity (P＜0.01), both of which reached the peak around 09:00 and the lowest value at about 15:00, then showing an increase trend till 21:00. After heating started, monthly mean values of PM2.5and PM10rose steadily, yet significantly affected by large-scale meteorological factors. There were no significant differences among the daily mean values of PM2.5and PM10in four kinds of urban green spaces, of which the average reduction rates were sorted by size: Conifer-herb＞Arbor-shrub-herb＞Big-deciduous-herb＞Little-deciduous-herb. Besides, the reduction rate of Conifer-herb exceeded those of other green space types remarkably. The reduction rates of the four green spaces on PM2.5and PM10had a significant negative correlation with the temperature (P＜0.05). Only the reduction rate of PM2.5was positively correlated with humility to a remarkable extent (P＜0.05), and its correlation with wind speed and light was not obvious. In the urban green space construction, the configuration of coniferous trees can be increased to reduce the mass concentration of atmospheric particulate matter.

heating season; urban green space; PM2.5; PM10

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.12.018

X173

A

1674-5906（2017）12-2134-06

劉宇, 王曉立, 董蓉, 李素華, 韓浩章. 2017. 采暖季4種結(jié)構(gòu)的城市綠地對PM2.5和PM10的調(diào)控作用[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 26(12): 2134-2139.

LIU Yu, WANG Xiaoli, DONG Rong, LI Suhua, HAN Haozhang. 2017. Regulation of PM2.5and PM10in 4 types of urban greenbelt in heating season [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(12): 2134-2139.

國家星火計劃項目（2013GA690424）；江蘇省高等教育學(xué)會“十三五”規(guī)劃課題（16YB186）；2017年度市級產(chǎn)業(yè)發(fā)展引導(dǎo)資金（科技創(chuàng)新資金）項目“霧霾天人體呼吸高度城市綠地對PM2.5等顆粒物消減作用研究及示范”

劉宇（1981年生），男，講師，碩士，研究方向為風(fēng)景園林規(guī)劃與園林生態(tài)。E-mail: 718111060@qq.com

2017-09-04