家庭花园在缓解PM2.5和PM10及城市热环境中的作用：伦敦两个社区为期一年的实地研究

《Urban Forestry & Urban Greening》：The Role of Domestic Gardens in Mitigating Particulate Matter (PM 2.5 and PM 10) and Urban Heat: A Year-Long Field Study in Two London Neighbourhoods

　　

家庭花园（domestic gardens）因其对心理健康和福祉的积极影响而为人所知，然而其在改善局地空气质量和调节温度方面的潜在协同效益（co-benefits）仍相对未被充分探索。本研究旨在增进对不同家庭花园设计与伦敦两个污染社区局地空气质量和温度调节之间关联的理解。本研究呈现了为期一年的实地调查实证证据，比较了高交通城市环境中三类花园设计：植被型、草坪型和铺装型花园，在四个季节中的空气污染与温度数据。结果显示，植被型花园，尤其是具有密集绿篱（hedges）者，可在某些季节（夏季和冬季）降低PM₁₀和PM_2.5浓度，尽管其表现随场地条件和季节变化。草坪型花园显示出更稳定且持续较低的空气污染物浓度，而铺装型花园在空气质量和热舒适（thermal comfort）方面表现最差。温度分析进一步证实，植被有助于降温，尤其是在夏季，植被型花园较铺装型花园低至6°C。这些发现表明，策略性花园设计可用于微尺度环境以缓解空气污染和城市热，尤其是在环境脆弱社区。该研究为关于公平城市规划的新兴讨论作出贡献，并强调需要更多基于证据的花园研究以促进可持续城市政策。

一、研究背景与问题

城市空气污染是全球公共卫生问题，每年导致数百万例过早死亡，并使世界多数人口暴露于不安全污染水平。短期和长期暴露与呼吸系统疾病、心血管疾病、肺癌以及儿童骨健康较差等身体结局相关；越来越多证据还将空气污染与抑郁、焦虑和痴呆等心理健康及神经认知状况联系起来。在伦敦，2019年空气污染估计导致3,850例死亡，主要归因于PM_2.5和NO₂暴露。自2016年以来，伦敦空气质量有所改善，但改善具有污染物和地点特异性；尽管2023年路边NO₂年均浓度较2016年下降49%，且PM_2.5低于世界卫生组织（WHO）最新中期目标，但伦敦大部分地区仍超过WHO关于NO₂、PM₁₀和PM_2.5的指南值。Enfield和Barking & Dagenham两个伦敦自治市体现了局地差异：Barking & Dagenham因NO₂和PM₁₀超标于2008年被指定为空气质量管理局（Air Quality Management Area, AQMA）；2014—2020年两区年均NO₂逐步下降并低于英国40 μg/m³年度目标，但仍高于WHO 10 μg/m³指南值；PM₁₀低于英国目标但高于WHO更新的15 μg/m³指南值，且两区缺乏PM_2.5监测站。两区最高PM和NO₂浓度通常出现在主要干道沿线。背景监测倾向于低估繁忙道路附近暴露，因此需要能够捕捉街道和物业尺度局地变异的精细近路测量。家庭花园位于住宅空间与道路的界面，是本研究关注且尚未充分探索的场景。

绿色基础设施（green infrastructure, GI）包括公园、街道树、绿篱、林地和花园，可通过改善空气质量、降低污染物暴露和调节温度来降低城市环境风险。证据表明，GI可减少10%—40%的颗粒物（particulate matter, PM），并与呼吸健康改善相关，尤其对儿童和老年人。树木通常比低矮植被去除更多污染物，针叶树种因密集针叶冠层可全年截留颗粒物而常优于阔叶树；但灌木和草本植物也可高效捕获PM，尤其具有毛状体、沟槽或粗糙叶面者。然而，植被也可能排放生物源挥发性有机物（biogenic volatile organic compounds, BVOCs），促进臭氧形成并降低空气质量，因此需选择低BVOC排放物种。GI效果随城市形态、风况、街道配置和季节变化，总体空气质量改善常较温和，因此GI应补充而非替代源头减排。植被可通过遮荫和蒸散发（evapotranspiration）降低局地气温，但效应不均匀，取决于物种性状、冠层密度、叶面积、水分、气象条件、周围城市形态和污染源邻近性；高密度植被可提供遮荫和冷却。家庭花园合计占城市绿地很大比例。尽管单体花园小，但可支持树木、灌木、绿篱、草坪和草本植物等多样植被结构，可能有助于局地污染物去除，并提供目标物种选择和策略种植机会。然而，城市树木、公园、街道植被、绿色屋顶等GI研究广泛，家庭花园设计如何与家庭尺度实测空气质量和热条件相关仍知之甚少。其他城市绿地研究不能直接转移至家庭花园，因为个体花园在大小、植被结构、围合、维护、周围建筑、灌溉和污染源距离等方面差异很大。

在密集建成城市中，GI干预可恢复生态功能，但设计不佳可能恶化污染暴露。GI获取也不均衡，弱势社区常面临更高污染和更少绿地，体现环境不公。设计良好的GI可改善空气质量、降低热相关风险并支持城市韧性，尤其对脆弱社区。家庭花园包括前后花园、小院、阳台、屋顶花园、露台花园、分配地及其他私人管理的住宅绿地，是城市GI的关键组分，在住宅区可占城市土地很大比例。例如英国家庭花园约覆盖959,800公顷，占总土地4.6%；伦敦约41%面积、Cardiff约27%、Edinburgh约25%、Leeds约19%。家庭花园还可包含较高生物多样性，对传粉昆虫提供栖息地和花卉资源；但约67%—70%花园植物物种可能为非本地种。其私人拥有和个体管理性质给协调管理带来挑战。家庭花园还促进身心健康：苏黎世约300名园丁的横断面研究显示，家庭和分配园丁将花园体验为放松和恢复场所；COVID-19封锁期间，社交和休闲是家庭花园最突出用途；英格兰7,814人调查显示，既园艺又将花园用于放松者报告更好健康与福祉、更多体力活动和更多自然访问。尽管有身心健康益处，家庭花园在调节城市温度和地方空气质量方面的作用仍理解不足。Corada et al. (2026)系统综述发现，更广泛的GI研究显示植被结构和空间配置影响污染物捕获，但尚未在家庭花园中专门检验；最大缺口是缺乏稳健、重复的测量，将家庭花园设计与污染物浓度和家庭暴露联系起来；现有综述未发现直接量化空气污染改善的家庭花园研究。此外，空气污染和热调节常被分开研究，妨碍评估权衡，如密集枝叶改善遮荫但降低通风，或低排放种植提供较少生物量但避免BVOC相关化学。本研究回应这些缺口，提供花园尺度PM浓度和热舒适测量，比较铺装、草坪和植被屏障三类花园。研究人员假设：第一，花园设计影响局地PM浓度，植被型花园作为物理屏障比草坪或铺装型更有效降低PM；第二，植被型花园比草坪或铺装型更有效调节近地表温度并改善热舒适；第三，这些效应随季节变化。具体目标为：量化PM₁₀和PM_2.5浓度及其比值；评估各花园设计温度调节能力；评估三类花园设计上述效应的季节差异。研究旨在为更具韧性和公平性的城市规划提供证据。

二、关键技术方法（不超过250字）

研究人员在伦敦Enfield（站点A）和Barking & Dagenham（站点B）两个高交通、污染与剥夺重叠社区招募居民，选取路边家庭花园，分为铺装型（paved garden, PG）、草坪型（lawn garden, LG）和植被屏障型（vegetated barrier garden, VG）。2023年夏至2024年春，每季连续5天监测；PM₁₀和PM_2.5用Aeroqual Series 500以1分钟间隔测3天，温度用Lascar EasyLog测5天。仪器置于花盆棚架后，距房屋边界1—1.5 m，PM在1.5 m行人高度，温度最高1 m。采用预部署互比和实验室参考校准，并进行数据清洗。分析用Excel、R v4.3.1和SPSS v31，计算均值、中位数、四分位距等；用公式1评估植被与非植被花园PM差异，公式2评估温度差异；经Shapiro–Wilk和Levene检验后，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）或Kruskal–Wallis检验，显著性p<0.05。

三、研究结果

3.1 Garden Designs and Air Pollution in the Vicinity of the Gardens（花园设计与花园周边空气污染）
通过一年花园监测，PM浓度随设计、季节和位置变化。双排绿篱的VG_A2平均PM₁₀和PM_2.5为2.79和0.47 μg/m³，低于PG和LG。但并非所有植被型花园均如此：VG_B1在所有季节平均PM₁₀和PM_2.5最高，尤其春季。草坪与铺装总体浓度无显著差异，但草坪记录颗粒物少于铺装。铺装型夏季PM较高，但随季节变化；PG_A1夏季PM₁₀为7.79 μg/m³、冬季5.04 μg/m³；PG_A2 PM₁₀从夏季2.09至冬季4.93 μg/m³，PM_2.5从春季0.36至秋季1.16 μg/m³。草坪型各季PM₁₀和PM_2.5较低且稳定；LG_A1 PM₁₀春季2.10至冬季4.83 μg/m³，PM_2.50.24—1.10 μg/m³；LG_B1秋季PM₁₀和PM_2.5略高，为4.56和0.90 μg/m³。植被型花园变异更大，VG_A1 PM₁₀夏季0.74至春季12.82 μg/m³，PM_2.5春季峰值2.58 μg/m³；VG_B1春季PM₁₀达18.23 μg/m³，PM_2.5峰值5.39 μg/m³；VG_A2较低且较稳定。PM_2.5/PM₁₀比值在所有设计均<0.5，表明粗颗粒如尘土或花粉占主导。VG_B1春季0.28、VG_A1秋季0.25较高，VG_A2秋季0.13、春季0.16最低；铺装中至高，草坪低且稳定在0.10—0.20。秋季和春季比值范围最宽，冬季较低且一致。

3.2 Garden Designs and Thermal Differences（花园设计与热差异）
通过温度监测，研究期所有花园平均约14.4°C；夏季平均24°C，秋季12.2°C，冬季10°C，春季11.5°C。日间最高温在12:00—17:00，最低在清晨和傍晚。夏季最暖日，铺装型PG_A1为25.82°C、PG_A2为26.53°C，较植被型VG_A1的20.71°C高至6°C。冷季铺装型平均较植被型暖约1.06°C，可能因铺装表面热保持较高。铺装和植被型均高于环境温度，但植被型更接近环境，表明其调节温度极值、增强城市热舒适的作用。

3.3 Comparative Seasonal Performance Between Garden Designs（花园设计季节比较表现）
通过季节比较，植被型花园降PM效果随季节显著。夏季最一致：VG_A1较LG_A1 PM₁₀低76%、PM_2.5低80%；较PG_A2 PM₁₀低54%、PM_2.5低70%。秋季结果混合：VG_A1较LG_A1 PM₁₀低14%、PM_2.5低3%，但较PG_A2 PM₁₀高45%、PM_2.5高14%；站点B VG_B1与LG_B1无差异。冬季植被型表现较好：VG_A1较PG_A1和PG_A2 PM₁₀低50%—54%、PM_2.5低32%—34%；VG_A2也优于LG_A1。但站点B出现异常，VG_B1较LG_B1 PM₁₀高584%、PM_2.5高1893%。春季植被型花园PM更高，尤其VG_B1和VG_A1；例如VG_A1 PM_2.5较PG_A1高1421%，VG_B1 PM₁₀较LG_B1高516%。统计显示，秋季和冬季无显著差异；春季PM₁₀（H(2)=12.36，p=0.002）和PM_2.5（H(2)=11.97，p=0.003）差异显著，植被型显著高于铺装和草坪，反映异常值；夏季PM_2.5（H(2)=6.97，p=0.031）铺装显著高于植被。合并所有季节无总体显著差异。温度统计显示，夏季差异显著（F(2,17)=7.35，p=0.005，η²=0.464），铺装显著热于植被（均值差4.6°C，p=0.007）和草坪（均值差3.4°C，p=0.048），草坪与植被无显著差异；春季差异显著（H(2)=10.36，p=0.006），主要因铺装高于草坪；秋季和冬季无显著差异；合并季节有显著但较小总体效应（H(2)=7.04，p=0.030，ε²=0.061），铺装总体最热。总览显示，站点A植被型PM最低，铺装PM₁₀和PM_2.5最高且温度范围最宽；站点B相反，VG_B1在冬季和春季PM最高。由于监测并非完全同时，结果应谨慎解释，差异可能混合花园设计和时间变化因素。

四、讨论总结

讨论指出，本研究提供初步、探索性微尺度证据，表明家庭花园设计可能带来环境益处，但其效力高度依赖花园设计、局地环境因素和季节。监测未完全同时，PM或热条件差异可能部分反映背景污染和天气变化而非花园设计本身；风、温度、湿度、云、降水和大气稳定均可影响颗粒物和热测量。场地特征如花园大小、植被结构、边界渗透性、建筑几何、道路距离、局地排放源、建筑朝向、表面材料、灌溉和家庭活动也可能造成差异。样本小且不均匀，重复测量不增加独立花园重复数，统计力和精度有限，结果不应推广至伦敦或其他城市所有家庭花园。关于空气质量，植被屏障型花园有降低PM₁₀和PM_2.5的潜力，密集绿篱如VG_A2通常表现较好，说明植被结构可能影响污染物缓解；VG_A1相对铺装型各季PM₁₀和PM_2.5降低50%—76%和32%—80%，与风洞和路边植被屏障研究一致，但数值比较需谨慎。春季植被型PM较高，可能与花粉释放、植被物候、干土再悬浮、绿篱阻碍通风和颗粒累积有关，但研究未直接测量这些机制。植被型内部差异可能由结构特征解释：VG_B1基部开放、木质结构，近路PM最高，提示绿篱孔隙度和结构连续性而非仅植被存在是关键。草坪型各季PM低且稳定，可能因开放结构、低矮植被不易捕集污染物和表面扰动较少，表明其在高污染城市社区可能优于铺装型。温度方面，夏季植被型较铺装型低至6°C，归因于蒸散发、遮荫和反照率（albedo）；冷月铺装型平均暖1.06°C，显示热保持。城市规划意义在于，花园设计可作为被动环境控制系统，但并非所有绿地提供相同效益，需大规模研究。进一步研究应记录植被特征、物候、密度、叶面积、维护、气象、BVOC和风，并配对生物多样性、微气候、空气质量和居民管理数据。限制包括小样本、非概率招募、非同时监测、未精准测量交通、建筑几何、边界渗透性、家庭活动、灌溉和植物组成，气象与局地污染源未直接记录，观察性探索不能建立因果，且未测树生理或化学过程。

五、研究结论部分翻译

本研究呈现了家庭花园设计及其跨季节空气质量和热舒适效应的探索性、场地特异性比较。鉴于样本量小以及站点和季节间变异，这些发现应被视为初步结果，尚不能推广至其他城市环境；其旨在为更大规模、受控研究提出假设，而非支持直接设计建议。为期一年的不同花园设计监测显示，家庭花园改善空气质量的有效性受位置、植被类型和季节影响。植被型花园减少空气污染并调节温度，尤其在夏季和冬季，但其有效性受设计和季节影响。相反，草坪型花园提供最一致的空气质量改善，可能代表一种更简单但仍具环境效益的花园设计。铺装型花园则一贯与更高温度和较差空气质量相关，尽管气象变异和跨站点非同时监测也可能影响这些差异。铺装型与植被型花园温度差异证实植被在缓解城市热和增强局地热舒适方面的作用。植被型花园前部绿篱增强温度调节，在冷月使温度略增0.58°C，在暖月降低2°C。需进一步长期研究验证这些发现并确认花园设计对空气质量和温度调节的季节效应。季节和天气条件是花园设计空气污染缓解效果的重要因素。与非植被型花园相比，植被型花园在夏季与PM₁₀和PM_2.5浓度降低高达76%和80%相关，冬季为42%和30%，尽管这些效应跨站点变异很大且并非所有季节一致。虽然这是小规模探索性研究，有限样本限制发现普适性，但为更大规模定量调查提供了坚实基础。在得出更广泛结论或提出具体设计建议前，需在更广泛花园类型、地点、季节和环境条件中进一步研究。尽管如此，这些发现强调家庭花园改善城市环境质量的潜力，支持将其纳入城市规划和绿色基础设施策略。政策制定者应优先投资小规模、基于证据且反映局地环境条件和社区需求的干预，同时支持进一步研究以加强证据基础。随着城市地区持续扩张和气候相关挑战加剧，认识和增强家庭花园的作用可促进更可持续城市。