揭示城市致敏热点：一种用于城市致敏性评估时空映射的精细尺度参数优化方法

《Sustainable Cities and Society》：Unveiling hidden allergenic hotspots: a fine-scale, parameter-optimized approach for spatiotemporal mapping of urban allergenicity assessments

本研究针对城市绿化致敏风险精细化评估的难题，开发了一种改进的Urban Green Zone Allergenicity Index (IUGZA)模型，通过整合树种组成、物候特征和气候因子，实现了对德国奥格斯堡Westfriedhof公园致敏潜力的高分辨率时空映射。研究发现树冠投影面积(cpa)是影响致敏性的最关键因子，春季桦木属(Betula)和榛属(Corylus)等物种形成显著致敏高峰，气候调整模型(CIA)显示温度对致敏性影响显著。该研究为气候适应性城市规划提供了动态评估框架，对公共卫生策略制定具有重要指导意义。

　　

随着全球城市化进程加速，目前55%的世界人口居住在城市地区，预计到2050年这一比例将升至70%。城市扩张在带来发展机遇的同时，也加剧了环境污染、热岛效应和健康挑战等一系列问题。其中，空气过敏原特别是花粉暴露引发的过敏性疾病，已成为影响城市居民健康的重要环境因素。花粉暴露与过敏性鼻炎、支气管哮喘、结膜炎等多种过敏症状密切相关，不仅降低患者生活质量，还造成沉重的社会经济负担。更令人担忧的是，气候变化正通过改变花粉季节的时序、持续时间和强度，进一步加剧这一问题。

城市绿地作为生态系统服务的重要载体，在缓解空气污染、降低城市温度和促进身心健康方面发挥着关键作用。然而，许多城市在树种选择时往往主要考虑适生性、生态系统服务功能、维护成本和美学价值，而忽视了其致敏潜力。这导致某些以风媒传粉树种（如桦木属、桤木属、榛属和白蜡属）为主的街道和公园形成花粉热点区域，对敏感人群构成健康风险。

在此背景下，如何准确评估和预测城市绿地的致敏潜力，成为城市规划者和公共卫生专家面临的重要挑战。传统评估方法多基于静态指标，无法反映致敏性的时空动态变化，更难以整合气候因素的影响。为此，研究人员在《Sustainable Cities and Society》发表了这项创新研究，旨在开发一种精细尺度、参数优化的方法来揭示城市致敏热点的时空分布特征。

研究团队采用了多步骤方法框架，整合了空气生物学建模、物种特性分析、空间映射和气候数据应用。关键技术包括：基于奥格斯堡市官方树木普查数据（Geodatenamt et al.）的树种分布和特征分析；改进的Urban Green Zone Allergenicity Index (IUGZA)模型应用，包含过敏潜力(ap)、授粉期持续时间(dpp)、授粉策略(ps)等参数；25m×25m网格空间分析和反距离权重法(IDW)插值；基于Sobol方法的全局敏感性分析；以及整合物候、气象和气候驱动变量的时间动态扩展方法，包括季节性加权因子(Wt)、授粉强度参数(PI)和气候影响调整(CIA)因子。每日花粉浓度数据来自BAA500自动花粉监测仪（Hund GmbH），气象数据源自Copernicus Climate Data Store (CDS)的ERA5-Land再分析数据。

2.1. 研究区域

研究区域位于德国奥格斯堡市的Westfriedhof公园（48°22'05.1"N 10°51'36.8"E），占地19公顷，周围为居民区，拥有多样化的树木种群，包括59个树种和17个属。该公园树木密度为74.7棵/公顷，远高于城市平均水平的4.5棵/公顷。

2.2. IUGZA指数的实施

研究采用了Cari?anos等人开发的Urban Green Zone Allergenicity Index (IUGZA)公式，并根据温带地区条件进行了调整。指数计算包含了树种特异性过敏潜力(ap)、授粉期持续时间(dpp)、授粉策略(ps)、树高(H_i)和冠层投影面积(cpa)等参数。

2.3. 致敏性输入变量的描述和修改

研究使用了多个数据源来确定参数值，包括Bergmann等人针对德国的过敏潜力分类、Magyar等人的CARE-S值以及Ogren植物过敏量表(OPALS)值。冠层投影面积使用Pretzsch等人的异速生长方程计算，考虑了胸径(DBH)和树种特异性冠层形态。

2.4.1. 香农指数和树木多样性

通过香农指数(H′)评估了研究区域的树种多样性，结果显示公园具有高度多样的物种组成（香农指数=2.89，均匀度=0.75）。

2.4.2. 基线I_UGZA评估

计算得到整个公园的IUGZA值为0.36，根据Cari?anos等人的标准，该值表明具有较高的致敏潜力。

2.4.3. 环境风险映射

空间分析显示，公园中部和西南部存在IUGZA值高达0.7-1的致敏热点区域，而东北部树木较少的区域致敏潜力较低（0-0.2）。主要致敏树种包括桦木属(Betula)、榛属(Corylus)、山毛榉属(Fagus)、鹅耳枥属(Carpinus)和白蜡属(Fraxinus)，占总树木数量的35%。

2.4.4. 识别指数变异性的关键驱动因素

敏感性分析显示，冠层投影面积(cpa)是影响致敏性指数变异的最强因素（一阶指数=0.6118），其次是过敏潜力(ap)（一阶指数=0.1791）。授粉策略(ps)和授粉期持续时间(dpp)的影响相对较小。

2.4.5. 在城市致敏性指数中纳入时间动态

研究开发了三种时间动态调整方法：季节性加权因子(W_t)、基于高斯分布的授粉强度参数(PI)和气候影响调整(CIA)因子。这些方法能够捕捉致敏潜力的日内和季节变化，显示春季是致敏高峰季，主要由于桦木属等高效敏树种的集中开花。

3. 结果

研究发现公园总体致敏潜力较高（IUGZA=0.36），空间分布呈现明显异质性。时间动态分析显示致敏性在春季达到峰值，与主要致敏树种的盛花期一致。气候影响调整表明温度是影响致敏性的最关键气象因子，而CO₂浓度的长期影响相对较小（贡献率约0.57%）。

研究结论表明，城市绿地的致敏潜力不仅取决于树种组成，更受到空间分布、物候时序和气候因素的共同影响。冠层投影面积作为树木生物量的代表指标，对致敏性评估具有决定性影响。通过整合生态、气候和形态学因素，这种改进的IUGZA方法提供了一个灵活且可转移的框架，能够在街区和城市尺度上改进致敏性评估，支持公共卫生策略和气候适应性城市规划。

该研究的重要意义在于首次将高分辨率时空动态纳入城市致敏性评估框架，实现了从静态评估向动态预测的转变。方法学的创新包括：基于真实树木普查数据的个体水平参数化、多尺度空间映射、时间动态整合以及气候响应性调整。这些进展使得城市规划者和公共卫生官员能够更准确地识别致敏热点，优化树种选择策略，并在适当的时间实施 targeted干预措施，从而在享受城市绿地生态系统服务的同时，最小化过敏健康风险。

随着气候变化持续改变花粉动态，这种动态评估方法变得越来越重要。研究展示的方法框架可适应不同地理区域和数据可用性情境，为全球城市提供了一种标准化且可比较的致敏风险评估工具。未来研究可进一步整合更多气候因子、扩展至非树木花粉源，并建立与健康结果的直接关联，以完善城市环境健康风险评估体系。