夏季干旱半干旱城市公園綠地空氣負離子與空氣顆粒物變化特征

侯秀娟,閆曉云,王 波,李心愿,包紅光

(內蒙古農業(yè)大學林學院，內蒙古 呼和浩特 010010)

城市公園綠地是城市居民日常休閑生活必不可少的綠色空間，也是城市發(fā)展中重要的綠色基礎設施，直接影響城市居民的幸福指數(shù)[1-2]。隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，一系列的粉塵污染物導致我國北方地區(qū)空氣顆粒物污染愈發(fā)嚴重[3-5]。目前，有關城市空氣顆粒物的研究主要集中在來源分析[6]、成分解析[7]、危害評價[8]以及動態(tài)變化特征[9-10]等方面，其中以動態(tài)變化規(guī)律研究內容為主，包括不同類型及不同污染條件下城市綠地內空氣顆粒物變化特征，以及典型城市森林內空氣顆粒物時空變化等。研究表明，城市綠地對調控空氣顆粒物方面表現(xiàn)為積極作用。

空氣負離子也稱負氧離子，具有殺菌、降塵、清潔空氣等功效[11-12]?？諝庳撾x子所產(chǎn)生的保健作用早已成為林業(yè)研究者的共識，也是生理保健因子的主要核心指標之一[13-14]。蒙晉佳等[15]認為地面上的空氣負離子主要來源于植物的尖端放電，Jiang等[16]表明植物在光合作用、其他生理過程或酶反應過程中會釋放出空氣負離子。城市公園綠地的不同植被結構環(huán)境在改善空氣顆粒物的同時可以調控空氣負離子[17]。因此，深入探究空氣負離子與空氣顆粒物濃度的變化特征及影響因素，有助于進一步了解空氣負離子與空氣顆粒物的交互作用。前期關于空氣負離子與空氣顆粒物方面的研究區(qū)域主要集中在北京或北京以南區(qū)域，并且主要是針對多個觀測指標的單項評價，但對于城市公園綠地環(huán)境質量的提升，需要觀測公園綠地內多項表征因子及交互作用。而關于典型北方干旱半干旱城市公園綠地不同植被結構環(huán)境空氣負離子及空氣顆粒物之間相互關系及影響因素的研究鮮有報道?；诖耍狙芯窟x擇呼和浩特市敕勒川公園，觀測不同植被結構對空氣負離子及空氣顆粒物濃度的影響，并對城市公園綠地內不同觀測點空氣負離子及空氣顆粒物濃度的時空變化規(guī)律及相關性進行分析，以期為此類典型城市空氣質量改善和城市公園綠地管理等提供觀測數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

敕勒川公園位于呼和浩特市東側(111°40′E，40°51′N)，是集水體、廣場和植物景觀為一體的綜合性城市公園綠地，總設計面積33 hm2，公園綠地內植被種類豐富、生長良好。主要植被有榆樹(Ulmuspumila)、新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)、國槐(Sophorajaponica)、云杉(Piceaasperata)、白杜(Euonymusmaackii)、五角楓(Acermono)、連翹(Forsythiasuspensa)、丁香(Syringaoblata)、紫葉李(Prunuscerasiferaf.atropurpurea),平均林齡11 a，草本主要為早熟禾(Poapratensis)。

1.2 研究方法

1.2.1 觀測點設置及觀測天氣選擇

選擇能夠代表敕勒川公園內部環(huán)境狀況的5種典型植被結構設置觀測點，分別為喬木型(M1)、喬灌型(M2)、喬草型(M3)、灌草型(M4)和喬灌草型(M5)，將對照(CK)觀測點設置在公園西側入口處硬質鋪裝，每個觀測點做相應本底調查，其中郁閉度以樣線法進行測定，使用LI-3000C便攜式葉面積儀觀測葉面積指數(shù)。

通過對比分析呼和浩特市近年來的氣象資料，從中選擇對空氣負離子與空氣顆粒物聚集、擴散、消除等效應明顯的典型天氣，并綜合考慮觀測的可操作性，為避免特殊天氣條件的影響(大風、降雨、中度及重度污染天氣)，于2020年7—8月選擇晴天、晴間多云為主的10 d分析典型天氣日變化。

1.2.2 指標觀測及評價方法

觀測點5種結構植被概況見表1，空氣負離子及空氣顆粒物濃度分級標準見表2。選擇城市居民常規(guī)游憩的活動時間7:00—19:00，每隔1 h分別采用便攜式AIC-1000檢測儀和手持Dustmate粉塵儀，測定空氣負離子濃度及4種不同粒徑空氣顆粒物[總懸浮顆粒物(TSP)、PM10、PM2.5和PM1.0)]濃度(質量濃度)。

表1 觀測點5種結構植被基本情況

表2 空氣負離子等級及空氣顆粒物污染評價

采用Kestrel 4500手持自動氣象儀同步測定距地面1.3～1.5 m高度處的風速、溫度、相對濕度和露點溫度等氣象指標，試驗儀器在使用前經(jīng)過校正，排除儀器間的偏差，每個觀測點進行3次讀數(shù)作為重復。

參考石強等[18]制定的森林環(huán)境中空氣負離子濃度分級標準及我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布實施的GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》評價空氣負離子濃度和空氣顆粒物濃度(表2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 25.0和Origin 2018對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和圖表處理，采用ANOVA單因素方差分析不同植被結構對空氣負離子和空氣顆粒物的影響，采用Pearson相關性分析空氣負離子、空氣顆粒物與不同影響因素間的關系。

2 結果與分析

2.1 公園綠地空氣負離子變化特征

2.1.1 空氣負離子濃度日變化特征及等級評價

觀測點不同植被結構空氣負離子濃度基本呈中午低、上下午高的“V”形變化特征(圖1)。上午空氣負離子濃度最高值出現(xiàn)在8:00—9:00，之后空氣負離子濃度為迅速下降趨勢，在11:00—14:00達觀測時段內最小值，之后空氣負離子濃度逐漸上升，下午最高值出現(xiàn)在18:00—19:00。比較而言，對照點空氣負離子濃度變化趨勢略有不同，8:00出現(xiàn)最低值，之后呈波動變化態(tài)勢，19:00出現(xiàn)最高值。

公園內不同植被結構空氣負離子濃度日變化曲線雖然趨勢相同，但也表現(xiàn)出一定的差異：喬灌型、喬草型、灌草型和喬灌草型空氣負離子濃度均在7:00后為緩慢上升趨勢，喬木型在7:00—9:00時段空氣負離子濃度處于波動變化，并沒有出現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，但仍處于較高水平；不同植被結構空氣負離子濃度在11:00—14:00達到觀測時段內最低值，但達到最低值的時間有先后差異；之后空氣負離子濃度呈波動上升趨勢，喬灌型和喬草型在18:00出現(xiàn)下午時段最高值，喬木型、灌草型和喬灌草型19:00達下午時段最高值。

參照空氣負離子濃度等級評價標準(表2)可知，喬木型和喬灌型在12:00—14:00、喬草型在12:00—13:00、灌草型在11:00—13:00、喬灌草型在11:00時空氣負離子均處于Ⅵ級，說明該時段在以上監(jiān)測點不適合周邊城市居民開展休閑娛樂活動。7:00—11:00和14:00—17:00，公園內除對照點外其他不同植被結構空氣負離子濃度評價等級均達到Ⅴ級，說明以上時段公園內空氣負離子濃度為空氣負離子允許環(huán)境濃度。

2.1.2 不同植被結構空氣負離子濃度差異

夏季不同觀測點空氣負離子濃度均值最高為喬灌草型，最低為對照點，不同植被結構空氣負離子濃度均值均高于對照點(圖2)。

方差分析表明，喬灌草型空氣負離子濃度顯著高于對照點(P<0.05)，除喬灌草型外其他植被結構與對照點空氣負離子濃度差異不顯著(P>0.05)，說明觀測時段內喬灌草型植被結構所產(chǎn)生的空氣負離子濃度高于其他植被結構。

2.1.3 空氣負離子濃度影響因素分析

對研究區(qū)空氣負離子濃度與其影響因素進行分析(表3)可知，風速和溫度與空氣負離子濃度呈顯著負相關(P<0.05)，相對濕度與空氣負離子濃度呈顯著正相關(P<0.05)，露點溫度、郁閉度和葉面積指數(shù)與空氣負離子濃度無顯著相關關系(P>0.05)。說明風速、溫度和相對濕度是影響公園內空氣負離子濃度的主要影響因素?？諝庳撾x子濃度與PM1.0濃度呈顯著負相關(P<0.05)，與PM2.5濃度呈負相關，與TSP和PM10濃度呈正相關，但相關關系均未達到顯著水平(P>0.05)。

表3 空氣負離子濃度與影響因素之間的相關性

2.2 公園綠地空氣顆粒物變化特征

2.2.1 空氣顆粒物濃度日變化特征及污染評價

觀測時段內研究區(qū)不同植被結構TSP和PM10濃度日變化整體上呈波動變化趨勢(圖3)，最高值基本出現(xiàn)在7:00—8:00，最低值出現(xiàn)在14:00；不同植被結構PM2.5和PM1.0濃度日變化表現(xiàn)出一定的協(xié)同變化規(guī)律，呈“雙峰雙谷”變化特征。

整體上，觀測點的PM2.5和PM1.0濃度于7:00開始逐漸上升，8:00達第1個峰值，之后下降，9:00—10:00至第1個波谷，隨后急劇上升，11:00—13:00達第2個峰值，13:00—14:00急速下降，17:00—19:00達到波谷。不同植被結構內空氣PM2.5、PM1.0濃度具體變化不同，喬灌型、喬草型、灌草型和喬灌草型PM2.5、PM1.0濃度在8:00上升至第1個峰值，喬木型PM2.5濃度雖在8:00上升至第1個峰值，但PM1.0濃度的第1個峰值出現(xiàn)在7:00；喬木型和喬灌草型PM2.5濃度在11:00到達最大值，喬灌型、喬草型和灌草型在1 h后到達最大值，表現(xiàn)出一定的延遲效應；之后濃度降低，喬灌型和喬草型在17:00達最小值，灌草型和喬灌草型在18:00達最小值，喬木型在19:00達最小值。

參照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》(表2)可知，公園內不同植被結構的TSP、PM10和PM2.5濃度在各觀測時間的濃度均處于環(huán)境空氣質量Ⅰ級標準，說明在觀測時段公園內環(huán)境空氣質量表現(xiàn)優(yōu)良，可以為周邊居民提供穩(wěn)定清潔的公園內部空氣環(huán)境，其中9:00—10:00、14:00—19:00時段出現(xiàn)低于環(huán)境空氣質量Ⅰ級標準的空氣顆粒物濃度值。

2.2.2 不同植被結構空氣顆粒物濃度差異

夏季研究區(qū)對照點TSP濃度均值高于其他觀測點，PM10和PM2.5濃度均值從大到小表現(xiàn)為喬木型>灌草型>對照點>喬灌草型>喬草型>喬灌型，PM1.0濃度均值表現(xiàn)為灌草型>喬木型>喬灌草型>喬灌型>對照點>喬草型(圖4)。

總體來講，不同植被結構內TSP濃度均值均低于對照點，部分植被結構內PM10和PM2.5濃度均值低于對照點，個別植被結構內PM1.0濃度均值低于對照點，說明不同植被結構對空氣顆粒物濃度的調控存在著削減和集聚并存的效應，城市公園綠地對大粒徑顆粒物濃度的阻滯效果相對較好。方差分析表明，喬木型PM10濃度顯著高于喬灌型(P<0.05)，其他植被結構間4種粒徑空氣顆粒物濃度差異均不顯著(P>0.05)，喬木型和喬灌型的TSP、PM2.5和PM1.0濃度差異亦不顯著(P>0.05)。

2.2.3 空氣顆粒物影響因素分析

對研究區(qū)空氣顆粒物濃度與影響因素分析(表4)可知，風速與不同粒徑空氣顆粒物未表現(xiàn)出顯著相關性(P>0.05)，TSP、PM10與風速負相關，PM2.5、PM1.0與風速正相關，TSP、PM10與溫度呈顯著負相關(P<0.05)，PM2.5、PM1.0與溫度負相關，TSP、PM10與相對濕度顯著正相關(P<0.05)，PM2.5、PM1.0與相對濕度正相關，TSP、PM10與露點溫度正相關，PM2.5、PM1.0與露點溫度顯著正相關(P<0.05)，說明公園內影響可吸入顆粒物(TSP、PM10)的主要氣象因子為溫度和相對濕度。此外，不同粒徑空氣顆粒物與郁閉度、葉面積指數(shù)均呈正相關，但不顯著。

表4 空氣顆粒物質量濃度與影響因素之間的相關性

3 討 論

不同植被結構內空氣負離子濃度表現(xiàn)不同。王薇[19]發(fā)現(xiàn)，植物綠化豐富的環(huán)境空氣負離子濃度較高，喬灌草復層結構比其他結構類型產(chǎn)生的空氣負離子濃度高；朱春陽等[20]也表明喬灌草綠地綠量大，其負離子效應顯著。本研究發(fā)現(xiàn)干旱半干旱城市公園綠地不同植被結構空氣負離子濃度均值均高于對照點，且復層植被結構產(chǎn)生的負離子濃度要高于單層植被結構。主要原因是植被可以吸收或阻滯空氣中的顆粒物，光合作用也可以產(chǎn)生大量的空氣負離子，同時，復層植被結構擁有層次豐富的植物葉片，陽光能夠先透過樹冠層葉片后照射到地被層植物葉片上，而植物葉片可以在短波紫外線的作用下發(fā)生光電效應[21]，從而產(chǎn)生更多的空氣負離子，因此復層植被結構空氣負離子濃度高于單層植被結構。

本研究中城市公園綠地不同植被結構空氣負離子濃度日變化基本呈“V”形曲線。這與王薇等[22]和馮燕珠[23]的研究結果相似。另外，空氣負離子與風速呈顯著負相關，隨著風速增大，空氣的流動性加強，促進了空氣負離子的遷移、碰撞和消散[24]，導致空氣負離子濃度降低。這與吳明作等[25]的研究結果不一致，可能是風速對空氣負離子濃度的影響機制比較復雜所導致，其形成的原因有待進一步研究，此次研究中空氣負離子濃度可能因風力抑制而降低。空氣負離子與溫度呈顯著負相關，即隨著溫度的升高，空氣負離子濃度逐漸降低，這與何平等[26]、關蓓蓓等[27]的研究結果一致，可能是由于溫度升高加劇了顆粒物的擴散，在擴散的過程中一定程度吸附了空氣負離子，因而降低了空氣負離子濃度，同時觀測時段內高溫抑制了植物的光合作用，從而降低了空氣負離子的產(chǎn)生[13]?？諝庳撾x子與相對濕度呈顯著正相關，與多數(shù)學者的研究結果一致[27-28]，一方面可能是水誘導的勒納德效應可以促進空氣負離子的產(chǎn)生[24]；另一方面，水分子與植物葉片光合作用產(chǎn)生的氧氣具有較強的親和性，能夠優(yōu)先形成空氣負離子[21]?？諝庳撾x子與PM2.5、PM1.0呈負相關，甚至與PM1.0呈顯著負相關，與TSP、PM10呈正相關但不顯著。劉雙芳等[29]認為不同粒徑空氣顆粒物濃度與空氣負離子濃度呈顯著正相關，郭二果等[30]認為兩者呈負相關，與本研究結果不一致，其原因有待進一步研究。但有研究表明，PM2.5等微塵本身是帶正電荷的，彼此排斥，加之本身粒徑細小，所以能長久懸浮在空中，空氣負離子則是具備負電荷的離子，通過與空氣中微小離子相結合發(fā)生沉降，進而凈化空氣[31]。綜上所述，風速、溫度、相對濕度對空氣負離子濃度的影響占據(jù)主導地位，從而相關性比較明顯，在外界眾多因子的相互作用下，觀測時段內不同粒徑空氣顆粒物濃度不一定是影響空氣負離子濃度的相關因素。

城市公園綠地可以通過植被覆蓋減少空氣顆粒物來源，同時樹冠層通過降低風速促進空氣顆粒物的沉降，從而調控空氣顆粒物濃度[32-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，城市公園綠地不同植被結構對大粒徑顆粒物阻滯效果相對較好，主要原因可能是由于空氣中較大粒徑的顆粒物能首先沉積在具有較低風速環(huán)境的葉片表面[34]，導致綠地內的TSP濃度降低，小粒徑顆粒物對微小的空氣流動更敏感而很難沉積。Chen等[35]認為復雜的植被結構能產(chǎn)生恒定的空氣流動從而阻止顆粒物的沉積或定向通風，而簡單的植被結構能產(chǎn)生相對停滯的空氣流動，有利于顆粒物的懸浮。劉雙芳等[29]發(fā)現(xiàn)不同植被結構內空氣顆粒物濃度與喬木層郁閉度呈極顯著正相關，本研究通過分析郁閉度與日均空氣顆粒物濃度之間的相關性，發(fā)現(xiàn)郁閉度與空氣顆粒物濃度間呈不顯著的正相關。因此本研究中喬木型的PM10和PM2.5濃度均值最高，可能是由于觀測點郁閉度高、植被結構單一產(chǎn)生了相對停滯的空氣流動和相對靜風的環(huán)境，致使空氣顆粒物懸浮而出現(xiàn)集聚效應和消散慢的特點，喬灌型的TSP、PM10和PM2.5濃度均值最低，可能是由于該觀測點郁閉度低，且平均樹高低于觀測高度，能產(chǎn)生恒定的空氣流動，致使空氣顆粒物不易累積。因此在公園綠地規(guī)劃中，疏密適當?shù)闹脖粚p少空氣顆粒物濃度會有較大影響，這與大多數(shù)學者的研究結果基本一致[36-38]。

從不同粒徑空氣顆粒物日變化規(guī)律可知，夏季公園內不同植被結構空氣顆粒物濃度最高值基本出現(xiàn)在早晨，最低值基本出現(xiàn)在下午,這與Nguyen等[39]、趙松婷等[40]的研究結果基本一致。早晨出現(xiàn)高值的原因可能是由于這段時間觀測點周邊的城市主干道交通流量大，顆粒物污染不斷向公園內部輸送所致。夏季公園內不同植被結構中可入肺顆粒物(PM2.5、PM1.0)的濃度變化幅度略小于可吸入顆粒物(TSP、PM10)，這可能是因為粒徑太小的顆粒物難以通過自身的重力沉降，通常只能在縮流作用下沉降，導致植物層次豐富但植被結構內可入肺顆粒物濃度并不低于對照點的情況出現(xiàn)[41]。不同植被結構TSP濃度均值均低于對照點，說明夏季公園內不同植被結構對TSP具有良好的阻滯效果，此外，因TSP相比較其他顆粒物容易受到活動人群影響的特點，加上樹木的樹枝和樹葉都具有效攔截顆粒物的能力，致使對照點TSP濃度均值高于其他植被結構。根據(jù)研究，相對濕度與TSP和PM10濃度呈顯著正相關，與PM2.5和PM1.0呈正相關，由于顆粒物表現(xiàn)為一定的吸濕性，它們的大小因水的吸收或排出而變化[42]，而在觀測時段早晨相對濕度表現(xiàn)較高的情況下，空氣顆粒物中有機鹽、硫氧化物和氮氧化物等成分容易被水吸收并結晶[43]，最終導致顆粒物濃度高。觀測時段內午后的持續(xù)高溫使大氣的垂直對流作用變強，布朗運動劇烈，空氣顆粒物的重力沉降速率也變大[44]，使空氣顆粒物濃度降低。

本研究發(fā)現(xiàn)，城市公園綠地調控空氣負離子濃度、空氣顆粒物濃度機制的影響因素多，除兩者之間存在一定的交互效應外，與氣象因子也存在一定的相關性，但因只在一個季節(jié)、典型天氣觀測等限定條件影響，加之不同的研究地點及研究對象導致與前人的研究結果并不完全相符。今后的研究中應考慮更多的因素進行同步觀測，以便得到更為準確的空氣負離子及空氣顆粒物的變化特征，使得實驗結果更具有區(qū)域代表性。