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城市绿地致敏指数的改进研究及应用

闫珂 杨华 李文芳 李云

闫珂, 杨华, 李文芳, 李云. 城市绿地致敏指数的改进研究及应用[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 96-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
引用本文: 闫珂, 杨华, 李文芳, 李云. 城市绿地致敏指数的改进研究及应用[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 96-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
Yan Ke, Yang Hua, Li Wenfang, Li Yun. Improvement research and application of urban green zone allergenicity index[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 96-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
Citation: Yan Ke, Yang Hua, Li Wenfang, Li Yun. Improvement research and application of urban green zone allergenicity index[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 96-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376

城市绿地致敏指数的改进研究及应用

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
基金项目: 北京社科基金项目“京津冀地区森林旅游精准扶贫效率评价及空间格局分析”(17GLB028)
详细信息
    作者简介:

    闫珂。主要研究方向:城市林业。Email:315010946@qq.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者:

    杨华,博士,副教授。主要研究方向:城市林业。Email:huayang8747@163.com  地址:同上

  • 中图分类号: S732

Improvement research and application of urban green zone allergenicity index

  • 摘要: 目的城市绿地致敏指数(IUGZA)的构建考虑了绿色空间内植物特有的生物学特性和形态特性,为使该指数应用更广泛,本文对其进行改进研究并探讨该指数的实际应用,可为城市绿地的管理和维护提供理论依据。方法基于高斯公式对城市绿地致敏指数进行分析并改进了该指数( I'UGZA),应用指数评估绿地的致敏潜力,并进行不同区域致敏潜力大小对比,探究该指数在绿地致敏潜力评估中的实际应用。同时使用Spearman相关性分析和主成分分析(PCA),分析IUGZA与其他参数(区域面积、植株数量、林木密度、物种丰富度和Shannon-Wiener指数(H')之间的相关性。结果(1)绿地整体的IUGZA值为0.214 1,I'UGZA值为0.219 3,具有低过敏潜力,研究区内生长的植物排放的花粉不会对花粉过敏患者造成高风险。但对研究区进行分区对比时,部分区域的IUGZA值大于0.3,具有高过敏潜力。同时距离致敏性植物346 m范围内可引起敏感人群的过敏症状,距离场源中心1 000 m处I'UGZA值趋近于0,几乎没有致敏影响;(2)绿地种植低致敏性植物较多,占比为65.7%。高致敏性植物有油松、栓皮栎、洋白蜡、毛白杨、臭椿、白桦、白榆、圆柏等植物,主要属于柏科、松科、杨柳科、悬铃木科、豆科、苦木科、榆科、桦木科、壳斗科;(3)主成分分析(PCA)与Spearman相关性分析的结果一致,IUGZA和物种丰富度之间存在显著相关性(P < 0.05),与其他参数的相关性不显著。结论改进的指数可反映距离绿地空间不同位置的致敏潜力以及对周边环境的致敏影响,是评估城市绿地致敏潜力的有效工具,用于量化绿色空间不同区域空气中花粉排放形成的致敏潜力;可反映每种植物产生的花粉在绿色空间中的贡献大小,进而明确城市绿地中具有高致敏性的植物;还可作为分析绿地区域内植物种类丰富程度的工具。
  • 图  1  各类型植物SH参数的计算方法

                         引自参考文献[17]。Cite from reference [17].

    Figure  1.  Calculation methods for S and H parameters of various types of plants

    图  2  林荫大道、休闲广场和功能分区示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of avenues, leisure plazas and functional areas

    图  3  林荫大道(A)、休闲广场(B)和功能分区(C)IUGZA值对比

    Figure  3.  Comparison in IUGZA values between avenues (A), leisure plazas (B) and functional areas (C)

    图  4  I'UGZA 与调查半径R的函数图

    Figure  4.  Function diagram of I'UGZA and survey radius R

    图  5  PCA分析图

    Figure  5.  PCA analysis results

    表  1  ap、pe、ppp参数的取值

    Table  1.   Values of ap, pe, ppp parameters

    参数
    Parameter
    取值
    Value
    参数
    Parameter
    取值
    Value
    参数
    Parameter
    取值
    Value
    ap 0 = 无致敏
    0 means non-allergenic
    pe 0 = 雌雄异株的雌性个体
    0 means only female-sex individuals
    ppp 1 =1 ~ 3周
    1 means 1−3 weeks
    1 = 致敏程度较低
    1 means low allergenicity
    1 = 虫媒
    1 means entomophilous
    2 = 4 ~ 6周
    2 means 4−6 weeks
    2 = 致敏程度中等
    2 means moderate allergenicity
    2 = 虫媒或风媒
    2 means entomophilous or anemophilous
    3 = 大于6周
    3 means more than 6 weeks
    3 = 致敏程度高
    3 means high allergenicity
    3 = 风媒
    3 means anemophilous
    4 = 当地主要的过敏源
    4 means main local allergens
    注:表中内容来源于参考文献[17]。Note: the date mainly cited from reference [17].
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    表  2  绿地主要调查结果及计算结果

    Table  2.   Main investigating and calculating results of green space

    编号
    No.
    类别
    Type
    名称
    Name
    区域面积
    Area/m2
    植株数量
    Plant number

    Section

    Genus
    林木密度/(株·hm− 2
    Stand density/(tree·ha− 1)
    物种丰富度
    Species richness
    Shannon-Wiener指数
    Shannon-Wiener index (H')
    I 林荫大道
    Avenue
    A1 807.57 58 8 13 718.20 18 3.763
    A2 3 629.46 68 1 1 187.36 1 0
    A3 3 873.52 174 11 17 449.20 19 3.318
    A4 1 348.26 160 9 12 1 186.71 13 2.306
    II 休闲广场
    Leisure plaza
    B1 3 756.17 33 9 9 87.86 9 2.353
    B2 5 826.63 131 24 33 224.83 39 4.631
    B3 7 316.99 526 24 40 718.87 49 4.194
    B4 3 207.37 64 10 11 199.54 11 2.428
    III 功能分区Functional area C1 32 347.28 1 727 39 71 533.89 158 4.316
    C2 36 501.34 554 24 30 151.78 32 4.836
    C3 95 675.81 1 408 43 88 147.16 117 5.892
    C4 9 892.08 548 29 48 553.98 62 4.848
    C5 6 148.91 193 13 21 313.88 26 3.809
    C6 82 219.01 1 621 52 95 197.16 142 5.845
    C7 50 198.16 417 17 24 83.07 27 3.451
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    表  3  绿地高致敏性植物

    Table  3.   Highly allergenic plants in green space

    主要致敏植物 Main allergenicity plantap × pe × ppp
    油松 Pinus tabuliformis 27
    栓皮栎 Quercus variabilis 27
    洋白蜡 Fraxinus pennsylvanica 27
    毛白杨 Populus tomentosa 27
    臭椿 Ailanthus altissima 27
    白桦 Betula platyphylla 27
    白榆 Ulmus pumila 24
    圆柏 Juniperus chinensis 24
    美桐 Platanus occidentalis 18
    国槐 Sophora japonica 18
    水杉 Metasequoia glyptostroboides 18
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    表  4  IUGZA和其他参数之间Spearman相关性分析

    Table  4.   Spearman’s correlations between IUGZA and other parameters

    项目
    Item
    区域面积
    Area/m2
    植株数量
    Plant number
    林木密度(株·hm−2
    Stand density/(tree·ha−1)
    物种丰富度
    Species richness
    Shannon-Wiener指数
    Shannon-Wiener index (H')
    IUGZA 0.321 0.786* 0.286 0.893** 0.393
    0.482 0.036 0.535 0.007 0.383
    注:*. 在置信度(双测)为0.05 时,相关性是显著的; **. 在置信度(双测)为0.01时,相关性是显著的。Notes: *, when the confidence (double test) is 0.05, the correlation is significant; **, when the confidence (double test) is 0.01, the correlation is significant.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-26
  • 修回日期:  2020-01-06
  • 网络出版日期:  2020-05-18
  • 刊出日期:  2020-07-01

城市绿地致敏指数的改进研究及应用

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
    基金项目:  北京社科基金项目“京津冀地区森林旅游精准扶贫效率评价及空间格局分析”(17GLB028)
    作者简介:

    闫珂。主要研究方向:城市林业。Email:315010946@qq.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者: 杨华,博士,副教授。主要研究方向:城市林业。Email:huayang8747@163.com  地址:同上
  • 中图分类号: S732

摘要: 目的城市绿地致敏指数(IUGZA)的构建考虑了绿色空间内植物特有的生物学特性和形态特性,为使该指数应用更广泛,本文对其进行改进研究并探讨该指数的实际应用,可为城市绿地的管理和维护提供理论依据。方法基于高斯公式对城市绿地致敏指数进行分析并改进了该指数( I'UGZA),应用指数评估绿地的致敏潜力,并进行不同区域致敏潜力大小对比,探究该指数在绿地致敏潜力评估中的实际应用。同时使用Spearman相关性分析和主成分分析(PCA),分析IUGZA与其他参数(区域面积、植株数量、林木密度、物种丰富度和Shannon-Wiener指数(H')之间的相关性。结果(1)绿地整体的IUGZA值为0.214 1,I'UGZA值为0.219 3,具有低过敏潜力,研究区内生长的植物排放的花粉不会对花粉过敏患者造成高风险。但对研究区进行分区对比时,部分区域的IUGZA值大于0.3,具有高过敏潜力。同时距离致敏性植物346 m范围内可引起敏感人群的过敏症状,距离场源中心1 000 m处I'UGZA值趋近于0,几乎没有致敏影响;(2)绿地种植低致敏性植物较多,占比为65.7%。高致敏性植物有油松、栓皮栎、洋白蜡、毛白杨、臭椿、白桦、白榆、圆柏等植物,主要属于柏科、松科、杨柳科、悬铃木科、豆科、苦木科、榆科、桦木科、壳斗科;(3)主成分分析(PCA)与Spearman相关性分析的结果一致,IUGZA和物种丰富度之间存在显著相关性(P < 0.05),与其他参数的相关性不显著。结论改进的指数可反映距离绿地空间不同位置的致敏潜力以及对周边环境的致敏影响,是评估城市绿地致敏潜力的有效工具,用于量化绿色空间不同区域空气中花粉排放形成的致敏潜力;可反映每种植物产生的花粉在绿色空间中的贡献大小,进而明确城市绿地中具有高致敏性的植物;还可作为分析绿地区域内植物种类丰富程度的工具。

English Abstract

闫珂, 杨华, 李文芳, 李云. 城市绿地致敏指数的改进研究及应用[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 96-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
引用本文: 闫珂, 杨华, 李文芳, 李云. 城市绿地致敏指数的改进研究及应用[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(5): 96-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
Yan Ke, Yang Hua, Li Wenfang, Li Yun. Improvement research and application of urban green zone allergenicity index[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 96-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
Citation: Yan Ke, Yang Hua, Li Wenfang, Li Yun. Improvement research and application of urban green zone allergenicity index[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(5): 96-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190376
  • 城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分,为城市居民提供舒适健康的游憩环境,在提高当地居民生活质量方面发挥了关键作用。其中,绿地植物与人们的生活息息相关,如果绿地植物使用不当,可能会危害人体的健康,同时也会对环境造成污染,产生植源性问题[1-4]

    花粉污染是一种最常见的植源性污染,空气中花粉污染引起的疾病称之为花粉症,即花粉过敏性反应[5-8]。相关资料表明,近年来,花粉症的发病率有上升趋势,它影响人类的健康,引起世界约30% ~ 40%的人口的过敏反应[9];在一些国家,这种疾病已经成为季节性的流行病,具有相当高的发病率,如奥地利患花粉过敏症的人数占总人口的16.4%,意大利为15.1%,日本为12.5%,美国为14.5%[5, 7-8, 10-12];此外,它还对社会经济产生极大的影响,例如,花粉过敏症是美国第六大慢性病病因,每年要为此花掉180亿美元[13]。目前,我国花粉过敏症的发病率也应引起关注。根据统计,北京地区的呼吸道过敏病人中,约有1/3的人群对花粉过敏[2, 5, 8],但是根据5 000余例样本的流行病学调查发现,花粉过敏症及轻度鼻过敏的发病率在调查地区高达17.8%[14-15]。绿地的设计和规划不足可能使花粉致敏植物被广泛引种栽培,导致花粉症患者数量增加[10-11, 16]

    城市绿地致敏指数(IUGZA)最早是Cariñanos等[17]人于2014年提出的,该指数的构建考虑了绿色空间内植物特有的生物学特性和形态特性,致敏严重程度、过敏源传播方式、授粉季节时长、物种大小和个体数量作为内在参数,构建比率式,可估计城市绿地的致敏潜力和进行相似物种之间致敏潜力大小的对比。目前,有关该指数的研究更多应用在评估城市公园的致敏潜力,计算公园植被带来的致敏危害,从而提出在规划设计公园时降低公园致敏性应采取的相应措施[9, 16-19],但探讨其实际应用价值的研究较少。因此,为了进一步说明该指数的应用价值,需要进行实际调研和数学分析。

    本文基于高斯公式改进了城市绿地致敏指数,应用该指数评估绿地的致敏潜力,并进行不同区域致敏潜力大小的对比,探究该指数在绿地致敏潜力评估中的实际应用价值,并为城市绿地的管理和维护提出合理的建议,尽量减少绿色空间对人们生活环境的不利影响。

    • 对调查的城市绿地空间构建数学模型,将潜在的致敏性植物看作场源模型。设绿地空间的边界曲面为S,空间体积为V,城市绿地空间的散度值${\rm{div}}\overrightarrow {{F}} $定义为城市绿地致敏指数IUGZA${I_{{\rm{UGZA}}}}=$ ${\rm{ div}}\overrightarrow {{F}} $,由高斯公式[20]

      $$\mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-18mu \bigcirc}\limits_S \; \overrightarrow{F} {\rm{d}}\overrightarrow{S}=\iiint\limits_{V}{{\rm{div}}}\overrightarrow{F}{\rm{d}}V=\iiint\limits_{V}{{I}_{{\rm{UGZA}}}}{\rm{d}}V$$ (1)

      式中:$\overrightarrow F $为致敏性植物场源矢量函数,与风向的流体矢量有关;${\rm{d}}\overrightarrow S $为绿地空间边界曲面S上朝外向的法向量,${\rm{d}}V$为城市绿地空间体积积分。公式(1)中$\displaystyle{\mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-18mu \bigcirc}\limits_S \; \overrightarrow{F}} {\rm{d}}\overrightarrow S $为闭合曲面的总积分值,将调查的城市绿地空间总积分进行量化分析:

      $${\mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-18mu \bigcirc}\limits_S \; \overrightarrow{F}} {\rm{d}}\overrightarrow S = \sum\limits_{i = 1}^j {{n_i}} \times \mathop {{\rm{ap}}}\nolimits_i \times {\rm{p}}{{\rm{e}}_i} \times {\rm{pp}}{{\rm{p}}_i} \times {S_i} \times {H_i}$$ (2)

      式中:j为物种类型,ni为第i个物种的数量,api为第i个物种的致敏严重程度,pei表示第i个物种为过敏源的传播方式,pppi为第i个物种的授粉季节时长,Si为第i个物种的占地面积,Hi为第i个物种的高。

      城市绿地空间的散度值(IUGZA)可表示城市绿地致敏指数,将公式(2)带入公式(1)中,其计算公式为:

      $$\begin{aligned} \mathop I\nolimits_{{\rm{UGZA}}} {\rm{ = }} & \mathop {\lim }\limits_{V \to 0} \frac{1}{V}{\mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-18mu \bigcirc}\limits_S \; \overrightarrow{F}} {\rm{d}}\overrightarrow S {\rm{ = }}\mathop {\lim }\limits_{V \to 0} \frac{1}{V}\sum\limits_{i = 1}^j {{n_i}} \times \mathop {{\rm{ap}}}\nolimits_i \times \\ & {\rm{p}}{{\rm{e}}_i} \times {\rm{pp}}{{\rm{p}}_i} \times {S_i} \times {H_i} \end{aligned} $$ (3)

      根据Boltzmann分布[21],重力场中理想气体分子数密度p随高度h的变化规律,即玻耳兹曼分布律:$p{\rm{ = }}{p_0}\exp \left( - \dfrac{{mgh}}{{{\rm{K}}T}}\right)$m为气体分子的质量,g为重力加速度,K为玻尔兹曼常数,T为系统温度,p0是高度h = 0处分子数密度)。由公式可知,气体分子数密度随高度增加呈指数衰减趋势。

      根据桂海林等[22]人利用微脉冲激光雷达、风廓线雷达资料等资料对京津冀多地污染过程边界层的结构进行分析,研究可知,污染物主要聚集在800 m高度以下,污染最严重时段,污染物高度仅400 m 左右。Cariñanos等[17]人评估绿地致敏潜力时采用的高度为378 m,在边界范围区间内,故本论文也采用378 m计算。在柱坐标系中,St为调查绿地的总面积,计算公式如下:

      $$\mathop I\nolimits_{{\rm{UGZA}}} = \frac{1}{{378{S_{\rm{t}}}}}\sum\limits_{i = 1}^j {{n_i}} \times \mathop {{\rm{ap}}}\nolimits_i \times {\rm{p}}{{\rm{e}}_i} \times {\rm{pp}}{{\rm{p}}_i} \times {S_i} \times {H_i}$$ (4)

      在球坐标系中,绿地空间为一个调查半径为R的半球面,调查区域包含于该半球面。球坐标分析可反映出绿地空间内的致敏潜力以及对周边环境影响的致敏潜力,因此,将城市绿地致敏指数公式改进为(I'UGZA):

      $$\mathop {I'}\nolimits_{{\rm{UGZA}}} = \frac{3}{{2{\rm{\pi }}{R^3}}}\sum\limits_{i = 1}^j {{n_i}} \times \mathop {{\rm{ap}}}\nolimits_i \times {\rm{p}}{{\rm{e}}_i} \times {\rm{pp}}{{\rm{p}}_i} \times {S_i} \times {H_i}$$ (5)
    • 城市绿地中大多数植物的致敏严重程度、授粉季节时长和花粉传播方式,可通过《中国气传花粉和植物彩色图谱》等书目数据库、专业期刊和相关文献获得。ap、pe、ppp的取值设置为3或4个等级,每个参数的取值如表1所示。

      表 1  ap、pe、ppp参数的取值

      Table 1.  Values of ap, pe, ppp parameters

      参数
      Parameter
      取值
      Value
      参数
      Parameter
      取值
      Value
      参数
      Parameter
      取值
      Value
      ap 0 = 无致敏
      0 means non-allergenic
      pe 0 = 雌雄异株的雌性个体
      0 means only female-sex individuals
      ppp 1 =1 ~ 3周
      1 means 1−3 weeks
      1 = 致敏程度较低
      1 means low allergenicity
      1 = 虫媒
      1 means entomophilous
      2 = 4 ~ 6周
      2 means 4−6 weeks
      2 = 致敏程度中等
      2 means moderate allergenicity
      2 = 虫媒或风媒
      2 means entomophilous or anemophilous
      3 = 大于6周
      3 means more than 6 weeks
      3 = 致敏程度高
      3 means high allergenicity
      3 = 风媒
      3 means anemophilous
      4 = 当地主要的过敏源
      4 means main local allergens
      注:表中内容来源于参考文献[17]。Note: the date mainly cited from reference [17].

      ap、pe、ppp 3个参数的组合,可反映城市绿地中每个植物物种的潜在致敏性值,该值的范围0 ~ 36,取值分级后,植物被划分为低致敏性植物(0 ~ 8)、中致敏性植物(9 ~ 17)和高致敏性植物(18 ~ 36)[17]

      公式(4)与公式(5)中:SH参数,不同类型的植物姿态不一,计算方式也不同,如图1所示。其中,将草坪草的最小高度值设定为0.25 m[23]

      图  1  各类型植物SH参数的计算方法

      Figure 1.  Calculation methods for S and H parameters of various types of plants

      IUGZA的取值范围在0到1之间,根据前期的研究结果,指数值0.3被认为是在敏感人群中足以引发过敏症状的阈值[9]

    • 为了检验城市绿地致敏指数的适用性,本文选取北京林业大学校园绿地为调查对象,该区域面积为31.3 hm2,具有丰富的园林植物品种及优美的景观,截止到2014年,区域内共有植物72科147属247种,其中被子植物227种,裸子植物19种,针叶树种18种,阔叶树种93种,物种多样性较高[24]。本研究在2019年3月至4月对研究区中所有能够开花的植株进行数量统计,并测量每个植株的冠幅(东西方向和南北方向)和高,计算每种植物的平均占地面积和平均高,同时统计每种植物的ap、pe、ppp参数值。对于雌雄异株的情况,只考虑雄性植株。

    • 在研究区中选取银杏(Ginkgo biloba)大道、洋白蜡(Fraxinus pennsylvanica)大道、国槐(Sophora japonica)大道、悬铃木(Platanus acerifolia)大道4条主要林荫道路,闪电广场、学子琴广场、流苏亭广场以及下沉广场4个休闲广场,同时从功能分区的角度出发,将研究区整体划分为教学区、科研区、生活区、运动区、服务区、家属区、附属小学区7个功能区,进行致敏潜力大小的对比,各分区示意图如图2所示。

      图  2  林荫大道、休闲广场和功能分区示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of avenues, leisure plazas and functional areas

    • 使用Excel 2013对测量的数据进行初始处理,并计算各个区域林木密度、物种丰富度和Shannon-Wiener指数(H'),之后用SPSS 21.0软件进行Spearman相关性分析,探究IUGZA与其他参数(区域面积、植株数量、林木密度、物种丰富度和Shannon-Wiener指数(H'))之间的相关性,以便确定降低各个区域风险度的改进方法。并运用R软件进行主成分分析(PCA)分析所研究变量之间的关系,两者进行相互印证。

    • 绿地主要调查结果如表2所示,本次调查,共测量了6 468株乔木、灌木、藤本和草本的树高及冠幅,共统计了62个科和131个属的植物,其中6个科属于裸子植物:银杏科(Ginkgoaceae)、松科(Pinaceae)、杉科(Taxodiaceae)、三尖杉科(Cephalotaxaceae)、柏科(Cupressaceae)、红豆杉科(Taxaceae),其余是被子植物。绿地林木密度为206. 66株/hm2,Shannon-Wiener指数(H')为6.136,物种丰富度为212。

      表 2  绿地主要调查结果及计算结果

      Table 2.  Main investigating and calculating results of green space

      编号
      No.
      类别
      Type
      名称
      Name
      区域面积
      Area/m2
      植株数量
      Plant number

      Section

      Genus
      林木密度/(株·hm− 2
      Stand density/(tree·ha− 1)
      物种丰富度
      Species richness
      Shannon-Wiener指数
      Shannon-Wiener index (H')
      I 林荫大道
      Avenue
      A1 807.57 58 8 13 718.20 18 3.763
      A2 3 629.46 68 1 1 187.36 1 0
      A3 3 873.52 174 11 17 449.20 19 3.318
      A4 1 348.26 160 9 12 1 186.71 13 2.306
      II 休闲广场
      Leisure plaza
      B1 3 756.17 33 9 9 87.86 9 2.353
      B2 5 826.63 131 24 33 224.83 39 4.631
      B3 7 316.99 526 24 40 718.87 49 4.194
      B4 3 207.37 64 10 11 199.54 11 2.428
      III 功能分区Functional area C1 32 347.28 1 727 39 71 533.89 158 4.316
      C2 36 501.34 554 24 30 151.78 32 4.836
      C3 95 675.81 1 408 43 88 147.16 117 5.892
      C4 9 892.08 548 29 48 553.98 62 4.848
      C5 6 148.91 193 13 21 313.88 26 3.809
      C6 82 219.01 1 621 52 95 197.16 142 5.845
      C7 50 198.16 417 17 24 83.07 27 3.451

      在林荫大道中,A3区域调查的植株数量最多,共测量了174株植物,分别属于11个科17个属;A2区域物种单一,仅包含68棵银杏;其物种丰富度介于1 ~ 20种之间。在休闲广场中,B3区域调查的植株数量最多,共测量了526株植物,包含24个科40个属;B1区域调查的植株数量最少,仅包含9个科9个属的植物;其物种丰富度介于1 ~ 50种之间。在功能分区中,C1、C3、C6区域调查的植株数量较多,数量分别达到了1 727、1 621、1 408株,其中C6区域包含的科属数量最多,包含52个科92个属,物种丰富度介于1 ~ 160种之间。A1、B2、B3、C3、C6区域的物种丰富度和Shannon-Wiener指数(H')较高,说明这些区域的群落物种组成丰富,种间个体分配分布较均匀。

    • 通过计算所有树种的ap × pe × ppp值,可统计绿地主要致敏植物以及各个区域的致敏植物占比。绿地总体种植低致敏性植物较多,占比为65.7%,中致敏性植物较少,占比为14.2%。在各个分区中,A2只种植了银杏单一物种,其属于中致敏性植物。除A2区域外,其它林荫大道种植的低致敏性植物较多,占比均大于50%。绿地高致敏性植物如表3所示,有油松(Pinus tabuliformis)、栓皮栎(Quercus variabilis)、洋白蜡、毛白杨(Populus tomentosa)、臭椿(Ailanthus altissima)、白桦(Betula platyphylla)、白榆(Ulmus pumila)、圆柏(Juniperus chinensis)等植物,分属于柏科、松科、杨柳科(Salicaceae)、悬铃木科(Platanaceae)、豆科(Leguminosae)、苦木科(Simaroubaceae)、榆科(Ulmaceae)、桦木科(Betulaceae)、壳斗科(Fagaceae)。这类植物多为授粉季节超过6周的风媒传播植物,为绿地中主要的过敏源。

      表 3  绿地高致敏性植物

      Table 3.  Highly allergenic plants in green space

      主要致敏植物 Main allergenicity plantap × pe × ppp
      油松 Pinus tabuliformis 27
      栓皮栎 Quercus variabilis 27
      洋白蜡 Fraxinus pennsylvanica 27
      毛白杨 Populus tomentosa 27
      臭椿 Ailanthus altissima 27
      白桦 Betula platyphylla 27
      白榆 Ulmus pumila 24
      圆柏 Juniperus chinensis 24
      美桐 Platanus occidentalis 18
      国槐 Sophora japonica 18
      水杉 Metasequoia glyptostroboides 18
    • 根据公式(4)计算可得,研究区的IUGZA值为0.214 1,具有低过敏潜力,绿地内生长植物排放的花粉不会对花粉过敏患者造成高风险。林荫大道、休闲广场和功能分区的IUGZA值结果如图3所示。林荫大道中,A1区域的IUGZA最高,达到了0.881 5,A2区域的IUGZA最低,为0.263 5;休闲广场中,B3区域的IUGZA最高,达到了0.763 8,B1区域的IUGZA最低,为0.004 4;功能分区中,C1区域的IUGZA最高,达到了0.352 8,C2的IUGZA最低,为0.071 5。由于致敏指数值0.3被认为是在敏感人群中足以引发过敏症状的阈值,因此对于花粉过敏症的患者来说,具有显著较高值的A1、A3、A4、B2、B3、C1被认为风险度较高。另外,A2、C6区域的IUGZA接近该阈值,可归类为中度致敏区域,在后期的植物种植管理中也应当注意。其他区域的致敏指数值远低于阈值,可归类为低或极低致敏区域。

      图  3  林荫大道(A)、休闲广场(B)和功能分区(C)IUGZA值对比

      Figure 3.  Comparison in IUGZA values between avenues (A), leisure plazas (B) and functional areas (C)

      在球坐标系中,将研究区中潜在的致敏性植物看作场源中心,若将调查半径R取值为378 m,I'UGZA的计算结果为0.219 3,与公式(4)计算结果基本一致。I'UGZA与调查半径R的函数图如图4所示,I'UGZA随调查半径R的增大,呈三次方的速度指数衰减,距离场源中心346 m范围内I'UGZA值为0.3,该范围内可引起敏感人群的过敏症状;距离场源中心487 m处I'UGZA值为0.1,距离场源中心1 000 m处I'UGZA值趋近于0,几乎没有致敏影响。

      图  4  I'UGZA 与调查半径R的函数图

      Figure 4.  Function diagram of I'UGZA and survey radius R

    • IUGZA和其他参数之间Spearman相关性分析如表4所示,Spearman相关性分析显示IUGZA与植株数量、物种丰富度存在显著正相关性(P < 0.05),与其他参数的相关性不显著。主成分分析(PCA)分析的结果(图5)与Spearman相关性分析的结果一致,IUGZA和物种丰富度之间存在显著相关性。

      表 4  IUGZA和其他参数之间Spearman相关性分析

      Table 4.  Spearman’s correlations between IUGZA and other parameters

      项目
      Item
      区域面积
      Area/m2
      植株数量
      Plant number
      林木密度(株·hm−2
      Stand density/(tree·ha−1)
      物种丰富度
      Species richness
      Shannon-Wiener指数
      Shannon-Wiener index (H')
      IUGZA 0.321 0.786* 0.286 0.893** 0.393
      0.482 0.036 0.535 0.007 0.383
      注:*. 在置信度(双测)为0.05 时,相关性是显著的; **. 在置信度(双测)为0.01时,相关性是显著的。Notes: *, when the confidence (double test) is 0.05, the correlation is significant; **, when the confidence (double test) is 0.01, the correlation is significant.

      图  5  PCA分析图

      Figure 5.  PCA analysis results

    • 通过应用城市绿地致敏指数评估了研究区内主要的林荫大道、休闲广场、功能分区和研究区整体的致敏潜力。整体而言,绿地区域具有低过敏潜力,研究区内生长的植物排放花粉不会对花粉过敏患者造成高风险。但对研究区进行分区对比时,部分区域具有高过敏潜力,该指数可用作量化不同区域致敏潜力的有用工具,进而分析影响不同区域致敏潜力的主要因素。

      林荫大道中,A1、A3、A4具有显著较高的致敏潜力,因为其区域面积较小,种植的植物大多属于大乔木,冠幅面积大,植株较高,花粉的传播方式为风媒,其花粉易随风传播,更容易被人吸入呼吸道,并且这些区域内,主要为裸子植物和被子植物,如:油松、白桦、毛白杨等,这些植物每一花药的花粉产量可超过10 000粒,不考虑风媒作用,这些植物的花粉也会在空气中有较高的含量,且这些花粉直径一般在30 ~ 50 μm之间,可轻易沉积在呼吸道黏膜或肺粘膜上成为致敏因素[25-26],因此建议在林荫大道区域内适当控制植物个体数量,以避免空气中产生大量致敏性高的花粉。

      休闲广场中,B2、B3具有显著较高的致敏潜力,因为区域内高致敏性和中致敏性植物数量较多,花粉释放的强度较高。并且通过观察发现,区域中的植物先后开花,花期存在重叠现象,授粉时期较长。多数具有高致敏性植物在春天开花,包括桑科(Moraceae)、柏科、松科等植物,使春天成为过敏性患者患病的高发季节,因此建议相关部门制定高致敏性植物花粉飘散的时间表,显示植物种类及开花季节,提醒花粉过敏症患者在高发季节减少外出次数和活动时间[27-28]

      功能分区中,C1具有显著较高的致敏潜力,因为该区域种植较多的洋白蜡树种,该树种都已达到成熟,冠幅和树高达到最大,个体分枝数和雄蕊数多,花粉排放量高[17],建议通过抑制高致敏植物开花来降低该区域的致敏潜力。

    • 致敏指数综合考虑绿地空间内植物特有的致敏严重程度、过敏源传播方式、授粉季节时长等生物学特性和物种占地面积、树高等形态特性,并对植物的致敏严重程度、过敏源传播方式、授粉季节时长赋值具体权重,从而反映每种植物致敏潜力的大小,明确绿地主要致敏植物。本研究结果表明绿地主要致敏植物大多属于柏科、松科、杨柳科、悬铃木科、豆科、苦木科、榆科、桦木科、杉科、壳斗科等植物,与欧阳志云、辛嘉楠等人的研究结果基本一致[3, 5]。此外,本研究还表明,一些色彩鲜艳、气味芳香的植物虽然靠昆虫传粉,在空气中含量很少,但其仍具有一定致敏性,如木槿(Hibiscus syriacus)。

    • 通过使用Spearman相关性分析和主成分分析(PCA),研究IUGZA与其他参数(区域面积、植株数量、林木密度、物种丰富度和Shannon-Wiener指数(H'))之间的相关性。结果表明,IUGZA与植株数量、物种丰富度存在显著正相关,与其他参数相关性不显著。Cariñanos等[19]人的研究结果表明,IUGZA与林木密度和植株数量之间存在显著正相关。本文与其研究结果不一致的原因可能是由于该研究中各功能区间植株数量变化梯度大、植物种植不均匀,造成IUGZA与林木密度没有明显的相关性;同时由于研究区内具有丰富的园林植物品种,物种多样性丰富,但各功能区不同,植被种植也因地制宜,植被品种分布不均,使得IUGZA与物种丰富度存在显著相关性。

    • Cariñanos等[17]人提出的致敏指数计算时采用的样本空间为柱坐标系,存在局限性,因为在花粉飘散过程中,花粉粒的空间分布近似以中心点等间距的球面上分布。本文从场源角度改进的致敏指数采用球坐标形式更符合花粉飘散的情况,可计算绿地空间内距离场源中心不同位置的致敏潜力,推出绿地空间引起敏感人群过敏症状的范围,在实际应用中较Cariñanos等[17]人提出的致敏指数更具有普遍性与广泛性。

      在评估城市绿地致敏潜力的未来研究中,应该注意将影响该指数的限制因素考虑在内,例如,绿色空间周边地区是否有其他花粉的排放和其他污染物的影响以及当地气象参数对花粉传播和飘散的影响[8, 29-30],若研究区域位于高污染区,区域内植被的致敏效应可能会加强,这就需要对当地的排放源及气象因素进行进一步的具体探究,这些因素在致敏指数当中未进行考虑。此外,植物萌芽、开花、授粉、结果随气候的季节性变化而变化,不同地区不同物种的授粉季节和时长存在一定的区别,因此,此参数的赋值应根据研究区域内植物具体的授粉季节时长进行调整,并通过指数的应用获得致敏指数是对绿色空间的特性评价,不能反映植物致敏的季节性时期,存在一定的局限性。

    • 城市绿地致敏指数综合考虑植物作为过敏源的多种因素:致敏严重程度、过敏源传播方式、授粉季节时长、物种大小和数量,有助于将指数应用于具有相似特征的绿色空间,通过对研究区绿地的评估应用检验了指数模型的可行性和实用性,若运用本研究的评估方法对城市内其他绿地区域进行分区统计,可得到其他城市绿地的致敏结果,以实现对城市绿地的管理和维护。

      通过利用城市绿地致敏指数评估绿地致敏潜力的结果表明:(1)改进的指数可反映距离绿地空间不同位置的致敏潜力以及对周边环境的致敏影响,可作为评估城市绿地致敏潜力的有用工具,用于量化绿色空间不同区域空气中花粉排放形成的致敏潜力。(2)该指数还可反映每种植物产生的花粉在绿色空间中的贡献大小,进而明确城市绿地中具有高致敏性的植物。(3)该指数与植株数量和物种丰富度具有显著正相关性,因此该指数可作为分析城市绿地区域内植物种类丰富程度的工具。

参考文献 (30)

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