孫華江，黃玉潔，江 波，李國慶

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；3.安吉縣自然資源和規(guī)劃局，浙江 安吉 313300）

近年來，由于城市的飛速地發(fā)展與擴張，空氣環(huán)境持續(xù)惡化，大氣中的懸浮顆粒物已經(jīng)成為我國許多城市空氣中的首要污染物，其濃度達到一定限值后會導(dǎo)致人體產(chǎn)生一系列疾病[1]，尤其是空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑d≤2.5 μm 和d≤10 μm 的可吸入顆粒物PM2.5和PM10[2]。PM10易進入呼吸道，對人體健康產(chǎn)生影響；而PM2.5可以穿過肺部存留在肺的深處，是對人體健康危害最大的污染物之一[3]?！董h(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）將PM10和PM2.5列為的空氣污染物的首要基本項目。因此，通過控制和消減PM2.5和PM10的污染來預(yù)防和減輕其對人體健康和城市空氣質(zhì)量的影響早就變成政府部門和專家學(xué)者重點關(guān)注的環(huán)境熱點問題之一。

城市環(huán)境中，可吸入顆粒物PM2.5和PM10通常來自在未鋪的瀝青、水泥路面上行駛的機動車、材料的破碎碾磨處理過程以及被風(fēng)揚起的塵土[4]。近年來隨著機動車保有量的不斷增加，由車流產(chǎn)生的街塵污染也持續(xù)攀升，交通污染產(chǎn)生的細(xì)顆粒物PM2.5和PM10已經(jīng)嚴(yán)重危害交通干道和兩側(cè)街道的空氣質(zhì)量[5]，對人體健康和大氣能見度都有較大影響[6-7]。

在目前無法完全從污染源治理以解決環(huán)境問題的形勢下，借助自然界的清除機制是緩解城市大氣污染壓力最有效的途徑之一。城市森林是市民游憩休閑的主要場所，也是城市中有生命形態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)施，在城市生態(tài)小環(huán)境的調(diào)控和空氣質(zhì)量的改善過程中發(fā)揮著重要作用。近年來，城市綠化作為消減交通污染源的主要途徑，受到越來越廣泛的重視[8-9]，城市森林斑塊的營造被認(rèn)為是有效緩解大氣顆粒物污染的重要措施。

目前有關(guān)綠地消減顆粒物污染的研究主要集中在城市綠化樹種的滯塵能力以及道路綠地的滯塵效率[10-12]等方面。研究顯示，芝加哥每年樹木從空氣中吸收的PM10能達到212 t，相當(dāng)于提高了4%的空氣質(zhì)量[13]。Nowak等研究發(fā)現(xiàn)，城市中的樹木與灌木每年能降低PM10約21.5×104t[14]。McDonald 等對英國的兩座城市West Midlands 和Glasgow 做了FRAME 模型預(yù)測，計算了城市森林對空氣中PM10的清除量，并預(yù)測了不同覆蓋率下森林對PM10的清除作用，發(fā)現(xiàn)城市森林的覆蓋率達到25%時，可使空氣中的PM10濃度降低2%～ 10%[15]。然而，很少有研究涉及城市綠地斑塊尺度對其降塵有效性的影響。在寸土寸金的城市，探究綠地斑塊消減顆粒物的有效寬度對于高效利用城市綠地消減交通污染具有重大意義，但是相關(guān)研究非常缺乏。因此，本研究通過對杭州植物園與交通道路距離梯度上的PM2.5和PM10濃度進行監(jiān)測，分析其變化規(guī)律及影響因素，揭示不同半徑的城市綠地斑塊消減PM2.5及PM10的作用機理，探究城市減輕PM2.5和PM10濃度的最佳規(guī)劃空間尺度，以期為城市綠地的規(guī)劃和構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為城市大氣污染治理提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 研究地概況

試驗地杭州植物園位于杭州市中心城區(qū)杭州市西湖景區(qū)西北側(cè)，周邊交通便利，植被覆蓋率高，是杭州市區(qū)城市綠地斑塊的典型代表。本研究選擇杭州植物園北門附近森林結(jié)構(gòu)較為統(tǒng)一的木犀專類園為研究地點，面積約1 500 m2，其上層喬木以木犀Osmanthus fragrans，女貞Ligustrum lucidum等常綠喬木為主，樹高5.2～ 8.5 m，胸徑29～ 36 cm，喬木層郁閉度約為85%；下木層主要以構(gòu)樹Broussonetia papyrifera，杜鵑Rhododendron simsii等小喬木和灌木為主，株高1.5～ 2.5 m，下木層蓋度約為55%。林緣處緊鄰園外交通主干道玉古路，周邊無產(chǎn)生污染的工廠。

1.2 監(jiān)測方法

以杭州植物園北門木犀專類園林緣處為起點（緊鄰玉古路），向林內(nèi)垂直于道路方向每隔100 m 布設(shè)監(jiān)測點，共設(shè)置0 m，100 m，200 m 三個水平梯度監(jiān)測點。本研究著重探究綠地植物對顆粒物的消減作用，根據(jù)長江中下游植被的生長特性，在植物生長較為旺盛的春季和夏季進行研究。選擇2018 年的4 月和5 月作為春季的數(shù)據(jù)采集期，7 月和8 月作為夏季的數(shù)據(jù)采集期。在采集期當(dāng)月選取連續(xù)10 d 無雨、天氣晴朗微風(fēng)的日子作為監(jiān)測日，于9：00-17：00 同時在每個樣點測試區(qū)對空氣顆粒物PM2.5和PM10的濃度以及相關(guān)氣候因子溫度、相對濕度、風(fēng)速等進行連續(xù)測量。測量使用的監(jiān)測儀器為深圳萬儀公司生產(chǎn)的ONETEST-100 粉塵濃度監(jiān)測儀，捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)差為σ=（1.5±0.1）μm。氣候因子風(fēng)速、空氣溫度以及相對濕度采用臺灣Lutron 公司生產(chǎn)的SP-9201 風(fēng)速計同步監(jiān)測記錄。測量時，通過三腳架將儀器固定在距地面1.5 m 高處，儀器進風(fēng)口朝向林分中心，測量人員與儀器保持3 m 距離。

1.3 綠地對顆粒物的消減作用計算

為了顯著表征綠地對PM2.5和PM10的消減作用，計算各梯度點在春夏兩個季節(jié)對PM2.5和PM10的消減效率[16]。消減效率（P）的計算公式為：

式中，Cs是道路邊0 m 測距處的顆粒物濃度，Cm是綠地中100 m，200 m 測距處的顆粒物濃度。

圖1 試驗點及監(jiān)測點設(shè)置圖Figure 1 Experimental site and monitoring points

1.4 數(shù)據(jù)分析

春季與夏季PM2.5和PM10濃度為三個梯度點的平均值，將不同梯度點上監(jiān)測值取平均值分析兩個季節(jié)綠地內(nèi)PM2.5和PM10的日變化特征，使用SPSS 軟件進行方差分析（ANOVA）、多重比較、T 檢驗和相關(guān)分析，利用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)處理作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)PM2.5 和PM10 的濃度水平

對2018 年春季和夏季杭州植物園實驗點PM2.5和PM10的監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析（表1）。

從表1 中可看出，不同季節(jié)PM2.5和PM10的濃度差別較大，春季PM2.5的日平均濃度為62.32±23.50 μg·m-3，PM10日平均濃度為53.58±13.50 μg·m-3；夏季PM2.5的日平均濃度為10.48±4.35 μg·m-3，PM10的日平均濃度為11.77±5.12 μg·m-3；春季PM2.5和PM10的濃度分別是夏季的5.95 倍和4.55 倍。方差分析結(jié)果顯示，春季PM2.5和PM10濃度均極顯著高于夏季（P＜0.01）。另外，春季PM2.5/PM10的比值顯著高于夏季（P＜0.05）。說明實驗點春季主要以PM2.5污染為主，夏季以PM10污染較多。

2.2 不同季節(jié)PM2.5 和PM10 濃度的日變化特征

由圖2 可知，PM2.5和PM10濃度的日變化表現(xiàn)出一致的趨勢，春季兩種顆粒物濃度在9：00-17：00 的監(jiān)測時段內(nèi)都有較大幅的下降。最大值出現(xiàn)在監(jiān)測起始時9：00，其中PM2.5和PM10的最大值分別為89.85 μg·m-3和74.38 μg·m-3，最小值在17：00，PM2.5和PM10分別為42.56 μg·m-3和43.10 μg·m-3。夏季兩種顆粒物的日變化則較為平穩(wěn)，表現(xiàn)出早晚偏高的特點，監(jiān)測時段內(nèi)的兩種顆粒物濃度的最大值和最小值分別出現(xiàn)在9：00 和14：00，其中PM2.5和PM10的最大值分別為15.3 μg·m-3和17.85 μg·m-3，最小值分別為為6.75 μg·m-3和7.35 μg·m-3，日間濃度變化量較春季小。從兩種粒徑的顆粒物濃度對比來看，春季PM2.5濃度顯著高于PM10濃度（P＜0.05），夏季PM2.5濃度顯著低于PM10濃度（P＜0.05），其中春季上午時段兩種顆粒物濃度間差異較大，但隨著時間推移逐漸降低，至17：00 左右兩種顆粒物濃度達到基本一致，二者之間差異不顯著（P＞0.05）。夏季PM10濃度在10：00之前和16：00 之后顯著高于PM2.5（P＜0.05），15：00 之后隨著時間推移差距增大。

2.3 PM2.5 和PM10 濃度在不同梯度上的日變化趨勢

從不同距離梯度上PM2.5和PM10濃度的對比來看（圖3），春季PM2.5濃度有較明顯的差別，濃度排序為：100 m＞0 m＞200 m。13：00 前100 m 處的PM2.5濃度明顯高于0 m 和200 m 點，之后三個梯度點間PM2.5濃度逐漸接近。春季PM10濃度為0 m＞100 m＞200 m。夏季PM2.5濃度在0 m 和100 m 相對接近，但均高于200 m；而PM10濃度則表現(xiàn)為0 m＞100 m＞200 m，符合距離傳播規(guī)律。

表1 不同季節(jié)PM2.5 和PM10 的質(zhì)量濃度Table 1 Mass concentration of PM10 and PM2.5 in different seasons

圖2 春季和夏季PM2.5 和PM10 濃度的日變化Figure 2 Diurnal variation of PM2.5 and PM10 mass concentration in spring and summer

圖3 3 個梯度點上不同季節(jié)PM2.5 和PM10 濃度的日變化Figure 3 PM2.5 and PM10 mass concentration variation in 3 different monitoring points in different seasons

2.4 不同水平梯度上PM2.5 和PM10 濃度的消減作用

分季節(jié)對綠地不同梯度PM2.5和PM10濃度的消減效率進行計算發(fā)現(xiàn)（圖4，圖5），不同季節(jié)綠地各梯度對PM2.5和PM10濃度的消減效率不同。夏季綠地對PM2.5和PM10濃度的消減效率均顯著高于春季（P＜0.05）。且綠地對PM2.5和PM10的最高消減效率均出現(xiàn)在夏季200 m 梯度，分別為41%和39%。從不同梯度點來看，春季兩種顆粒物200 m 梯度點的消減效率均顯著高于100 m 梯度點（P＜0.05），其中PM2.5在100 m 上消減效率最低，監(jiān)測時段內(nèi)均為負(fù)值（圖4），說明春季PM2.5可能會在綠地100 m 梯度上產(chǎn)生一定蓄積。夏季PM2.5和PM10在200 m 梯度點的消減效率均極顯著高于100 m 梯度點（P＜0.01）（圖5）。從綠地消減效率的日變化趨勢來看，春季綠地100 m 和200 m 梯度點消減效率的日變化趨勢基本一致，在10：00-11：00 消減效率較高，15：00消減效率最低。夏季綠地200 m 和100 m 梯度點消減效率日間變化都較為平緩，15：00 左右消減效率較高。

圖4 春季不同梯度點上PM2.5 和PM10 濃度的消減百分率Figure 4 Removal percentage of PM2.5 and PM10 at different points in spring

圖5 夏季不同梯度點上PM2.5 和PM10 濃度的消減百分率Figure 5 Removal percentage of PM2.5 and PM10 at different points in summer

2.5 PM2.5 和PM10 濃度和氣候因子的相關(guān)分析

通過對春季和夏季監(jiān)測日的氣候因子進行獨立樣本T 檢驗發(fā)現(xiàn)，夏季的溫度、濕度、風(fēng)速均顯著高于春季（P＜0.05）（表2）。再將PM2.5和PM10濃度和同步監(jiān)測的氣候指標(biāo)進行相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)，在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)PM2.5和PM10濃度一般與風(fēng)速和空氣溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與空氣相對濕度呈顯著正相關(guān)（表3，表4）。氣候因子中，溫度與PM2.5和PM10濃度的相關(guān)系數(shù)最大，說明空氣溫度對兩種顆粒物的分布和傳播影響最明顯。

表2 不同季節(jié)監(jiān)測日環(huán)境氣候因子對比Table 2 Comparison on meteorological factors in different seasons

表3 PM2.5 濃度與氣候因子的相關(guān)分析Table 3 Correlation coefficients of PM2.5 and meteorological factors

表4 PM10 濃度與氣候因子的相關(guān)分析Table 4 Correlation coefficients of PM10 and meteorological factors

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 PM2.5和PM10濃度的季節(jié)變化 本實驗結(jié)果顯示監(jiān)測點春季的顆粒物濃度（PM2.5和PM10）顯著高于夏季（P＜0.05），夏季綠地對PM2.5和PM10濃度的凈化效率均顯著高于春季（P＜0.05）。這與吳國平在廣州、武漢、蘭州、重慶等四個城市設(shè)點觀測發(fā)現(xiàn)PM2.5在冬、春季最高，夏、秋季最低的結(jié)果相符[17]，也與徐敬等在北京舞蹈學(xué)院和中國氣象局培訓(xùn)中心的監(jiān)測結(jié)果PM2.5在夏季最低，其他三個季節(jié)相差不大的結(jié)果基本吻合[18]。夏季樹木處在生長旺盛、葉量大、功能最強的時期，林分郁閉度也達到最大，使得夏季植物吸附滯留PM2.5和PM10濃度的能力更強。本文還將春季和夏季氣候因子的做了差異顯著性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夏季的空氣溫度、空氣相對濕度、平均風(fēng)速顯著高于春季。夏季氣溫高、空氣濕度小、風(fēng)速大會使林中的空氣湍流運動更加劇烈和頻繁，更加有利于顆粒物的稀釋與擴散，使顆粒物濃度降低[19]。因此，環(huán)境氣候條件也是致使夏季游憩林內(nèi)顆粒物濃度較低的重要因素。本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，春季林中的PM2.5濃度顯著高于PM10濃度（P＜0.05），而夏季PM10濃度則較高于PM2.5濃度。春季PM2.5/PM10的比值顯著高于夏季（P＜0.05）。根據(jù)兩種粒徑顆粒物與風(fēng)速的相關(guān)分析表明（表3，表4），PM2.5濃度與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)較PM10更大，說明夏季較大的風(fēng)速對PM2.5在空氣中輸送擴散運動的影響更加明顯，導(dǎo)致夏季林中PM2.5濃度更小。

3.1.2 PM2.5和PM10濃度的日變化 本研究觀測春夏兩個季節(jié)顆粒物濃度的日變化趨勢發(fā)現(xiàn)，春季兩種顆粒物濃度在監(jiān)測起始時9：00 開始呈持續(xù)下降趨勢，至15：00 開始保持穩(wěn)定緩慢回升。夏季兩種顆粒物的日間變化較為平穩(wěn)，也表現(xiàn)出早晚偏高的特點。城市環(huán)境中PM2.5和PM10濃度大小與交通[20-21]、工業(yè)和生活排放源[22]有關(guān)。本研究區(qū)域位于杭州植物園，緊鄰西湖風(fēng)景名勝區(qū)，試驗地周邊居民區(qū)較少，也沒有產(chǎn)生污染的工業(yè)工廠。王華麗對杭州市公路交通流量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，交通量24 h 日變化呈“M”型分布，夜間交通量少，白天交通量大，且上午、下午高峰期分別為8：00-10：00，16：00-18：00[29]。本實驗研究結(jié)果中道路兩側(cè)的PM2.5和PM10濃度的日變化趨勢與車流量日變化趨勢一致，顆粒物濃度隨車流量的增大而增大。說明PM2.5和PM10濃度的日變化特征與早晚高峰道路車流量變化有一定相關(guān)性。這與魯紹偉對北京的PM2.5和PM10的濃度水平與交通污染相關(guān)的結(jié)果一致[23]，也與戴思迪的研究揭示的城市道路交通的大氣顆粒物污染特征一致[24]。表明道路交通污染是城市大氣顆粒物的主要來源之一。另一方面，王成在北京西山的研究中發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物污染還受大氣層穩(wěn)定程度等氣象和天氣因素的影響。白天氣溫高，空氣濕度小，特別是午后左右氣溫達到最高，空氣濕度最低，一般風(fēng)速也比較大，大氣最不穩(wěn)定，相對頻繁的空氣湍流運動使顆粒物達到最低；相反早晚氣溫低，空氣濕度大，加上風(fēng)速較小，這種低溫、高濕和相對靜風(fēng)的穩(wěn)定氣象狀態(tài)不利于顆粒物的擴散和輸送，使其聚集增多[25-26]。因此日間氣象因素的變化可能是導(dǎo)致大氣顆粒物濃度日變化的另一個主要原因。

3.1.3 不同梯度距離綠地對PM2.5和PM10濃度的消減作用 從本研究3 個梯度點上PM2.5和PM10的分布結(jié)果來看，不同于PM2.5在春季時100 m 梯度點上濃度最大，綠地內(nèi)PM10濃度在春季和夏季梯度的排序均為：0 m＞100 m＞200 m，更加符合距離傳播規(guī)律。胡敏在我國重要城市群的研究發(fā)現(xiàn)，PM10主要來自在未鋪瀝青、水泥的路面上行駛的機動車以及被風(fēng)揚起的塵土[27]，因此可以說明PM10受預(yù)設(shè)污染源園外交通的影響更大。而PM2.5本身不是以重力沉降為主，可較長時間地在空氣中懸浮和擴散，因此受距離的制約影響較PM10濃度小。另一方面，當(dāng)大環(huán)境背景下PM2.5濃度較大時，外部持續(xù)的污染源輸入到林內(nèi)，樹木來不及完全滯納這些細(xì)顆粒物，其本身也難靠重力沉降，就會使得林內(nèi)PM2.5蓄積，濃度反而高于林外。

春季PM2.5在林內(nèi)100 m 梯度產(chǎn)生蓄積，而200 m 梯度PM2.5才顯著低于林外，夏季城市森林內(nèi)200 m 處的顆粒物濃度也明顯小于100 m 處，結(jié)合統(tǒng)計的氣象數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，夏季風(fēng)速較大，顯著高于春季，因此可能會導(dǎo)致顆粒物飄散傳播的距離變長，本實驗結(jié)果表明林內(nèi)200 m 的消減效率明顯強于林內(nèi)100 m，說明半徑不小于200 m 的城市森林能對PM2.5產(chǎn)生明顯的阻滯消減效果。張志丹等研究發(fā)現(xiàn)，城市森林的林緣至林內(nèi)每100 m葉表面細(xì)顆粒物減少5.2%，粗顆粒物減少4.0%，在林內(nèi)200～ 400 m 基本降至穩(wěn)定，這與本實驗的研究結(jié)果基本吻合[28]。

3.2 結(jié)論

（1）城市森林內(nèi)春季PM2.5和PM10濃度均顯著高于夏季（P＜0.05），春季林內(nèi)以PM2.5污染為主，夏季以PM10污染較多。春季兩種顆粒物濃度日變化總體呈下降趨勢，從9：00 開始持續(xù)下降至17：00 達到最低點。夏季表現(xiàn)出早晚偏高的特點，從9：00 持續(xù)下降至14：00 達到最低點，之后逐漸回升。

（2）夏季綠地對PM2.5和PM10濃度的消減效率顯著高于春季（P＜0.05）。PM10分布完全符合距離傳播規(guī)律，較PM2.5受馬路污染源的影響更大。200 m 梯度對PM2.5和PM10濃度的消減效率最高。