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地理科学 >

2023 , Vol. 43 >Issue 4: 737 - 744

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2023.04.017

跨区域重大基础设施与空间治理

北京市北部空气花粉类型及浓度变化特征研究

  • 孙爱芝 , 1 ,
  • 张海红 2 ,
  • 李雪银 1 ,
  • 叶彩华 3
展开
  • 1.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京燕山地球关键带国家野外观测研究站，北京 101408
  • 2.北京怀柔医院，北京 101499
  • 3.北京市气象服务中心，北京 100097

孙爱芝（1979—），女，山东济南人，博士，副教授，主要从事孢粉学与环境变化研究。E-mail:

收稿日期: 2022-01-05

  修回日期: 2022-05-12

  网络出版日期: 2023-04-20

基金资助

北京市自然科学基金项目(8212038)

科技部科技基础资源调查专项(2022FY100103)

高校基本科研业务费专项资金资助

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Characteristics of airborne pollen types and concentrations in the north of Beijing, China

  • Sun Aizhi , 1 ,
  • Zhang Haihong 2 ,
  • Li Xueyin 1 ,
  • Ye Caihua 3
Expand
  • 1. College of Earth and Planetary Sciences/Beijing Yanshan Earth Critical Zone National Research Station, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 2. Beijing Huairou Hospital, Beijing 101499, China
  • 3. Beijing Meteorological Service Center, Beijing 100097, China

Received date: 2022-01-05

  Revised date: 2022-05-12

  Online published: 2023-04-20

Supported by

Beijing Natural Science Foundation(8212038)

Science & Technology Fundamental Resources Investigation Program(2022FY100103)

Fundamental Research Funds for the Central Universities

Copyright

Copyright reserved © 2023.
Fold

摘要

空气花粉被认为是空气污染物之一，可引起人群过敏反应，导致一系列过敏性疾病的发生或加重。但由于不同地区气候条件、植被和植物种类的差异，空气中的植物花粉种类和数量亦有所不同，所以空气花粉研究需要不同区域进行研究。通过对北京市北部2020年3月1日至10月15日的空气花粉监测，分析了空气花粉种类和浓度变化特征。结果显示，① 2020年北京市北部的花粉季从3月15日至9月5日，共172 d，占全年总天数的47.0%。② 不同植物花粉传播峰值有差异。③ 花粉总浓度变化呈双峰型，即3—5月为第一高峰，主要是树木花粉（如柏科、杨属、柳属、榆属）；8—9月为第二高峰，主要是草本花粉（如蒿属、藜/苋科、禾本科）。④ 春季花粉数量显著高于秋季花粉数量，峰值出现在3月中下旬。

关键词： 空气花粉; 花粉监测; 花粉浓度季节特征; 北京市北部

本文引用格式

孙爱芝 , 张海红 , 李雪银 , 叶彩华 . 北京市北部空气花粉类型及浓度变化特征研究[J]. 地理科学, 2023 , 43(4) : 737 -744 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2023.04.017

Abstract

Airborne pollen is considered to be one of the air pollutants that can cause allergic reactions in humans, then leading to the occurrence or aggravation of a series of allergic diseases. The latest study showed that the positive rate of pollen allergens in allergic rhinitis patients in urban areas of Beijing is as high as 84.3%. However, due to the differences in climatic conditions, vegetation types and plant species in different regions, the types and amount of airborne pollen are also different. Therefore, research on airborne pollen needs to be conducted in different regions. In this study, we analyzed the characteristics of airborne pollen types and concentration variations by monitoring in the north of Beijing from 1 March to 15 October 2020. The results show that: 1) The pollen season in the north of Beijing in 2020 started from 15 March (2.5% of the total annual amount) to 5 September (97.5% of the total annual amount), covering 172 days, accounting for 47.0% of the total days of the year. Among them, the days with pollen concentrations higher than 25 grains/1 000 mm2, 50 grains/1 000 mm2, 100 grains/1 000 mm2, 200 grains/1 000 mm2, 500 grains/1 000 mm2, and 1 000 grains/1 000 mm2 were 142 d, 124 d, 97 d, 73 d, 38 d, and 10 d, respectively. 2) A total of 20 pollen types were observed, among which the percentage of Cupressaceae pollen is the highest at 57.3%, followed by Moraceae (7.8%), Populus (6.6%), Pinus (6.1%), Ulmus (4.3%), Artemisia (3.9%), Rosaceae (3.6%), Betula (2.9%), Chenopodiaceae (1.7%). This is mainly because the plant species distributed in this study area are mainly trees and shrubs, especially the Cupressaceae, Salicaceae and Pinaceae, which have more higher pollen production. 3) The total concentration of airborne pollen changes significantly and exhibits a bimodal pattern, that is, March to May is the first peak (mainly tree pollen, such as Cupressaceae, Populus, Salix and Ulmus); August to September is the second peak (mainly herbaceous pollen, such as Artemisia, Chenopodiaceae and Poaceae). Pollen concentration from June to July is the lowest, all below 50 grains/1 000 mm2. The study of airborne pollen types, concentration changes and seasonal variation in the north of Beijing provides first-hand scientific data for guiding the prevention of pollinosis patients and building a healthy urban environment.

Key words： airborne pollen; pollen monitoring; seasonal characteristics of pollen concentration; the north of Beijing

“花粉症”是由飘散在空气中的花粉引起的呼吸道变态反应性疾病，如过敏性鼻炎、过敏性肌膜炎、过敏性哮喘等[1-4]，并通过每年花粉季的反复接触逐渐加重，甚至威胁生命[5-6]。在一些国家，花粉症已经成为季节性的流行病，具有相当高的发病率，如美国居民发病率为2%~10%；欧洲的发病率则由20世纪初的1%上升到20世纪末的20%，并且预计在未来20 a内有近35%的人患有花粉症[7]。已有资料显示，中国花粉症发病率为5%~10%，高发病区可接近20%[8]，总体呈现一种持续上升趋势[9-10]，其中，最新的研究显示北京城区过敏性鼻炎患者对花粉过敏原阳性率高达84.3%[11]。
由于植物的分布受气候、土壤、生物、地形、人类活动等因素的影响，在不同国家或同一国家的不同地区引起变态反应性疾病的空气花粉种类存在差异，如广东佛山地区主要致敏花粉为松属 （Pinus）、木麻黄属 （Casuarina）和苏木科 （Caesalpiniaceae）花粉[12]；湖北武汉城区主要致敏花粉为桑科 （Moraceae）、悬铃木属 （Platanus）、柏科 （Cupressaceae）、蒿属 （Artemisia）、葎草属 （Humulus）和豚草属 （Ambrosia）[13]；北京城区春季主要致敏花粉为柏科、悬铃木属、杨属 （Populus）等，秋季为蒿属、藜/苋科 （Amaranthaceae）、大麻属/葎草属 （Cannabis/Humulus）[14]；内蒙古呼和浩特城区主要致敏花粉为蒿属、葎草属、藜/苋科等[15]，而乌海市为蒿属[16]。另外，随着城市化的不断推进，城市绿化力度加大、植被更替及外来有害植物的入侵，使某一地区不同时期致敏花粉种类和数量发生改变。如1983—1986年北京城区花粉的种类分别属于34科35属2种，1999—2007年花粉种类有35科41属3种，其中，1999—2007年白蜡树属 （Fraxinus）和银杏属 （Ginkgo）花粉数量增加明显[17]；再如北京城区2011年花粉数量为136858粒，最具代表性的空气花粉为菊科 （Asteraceae），而2012年花粉数量降为2011年的1/2多（72858粒），最具代表性的花粉除了菊科外，还有木犀科 （Oleaceae）和杨柳科 （Salicaceae）花粉[18-19]。为了准确的了解空气花粉的种类和数量，必须不同区域分别研究。
近几年来，随着怀柔科学城的快速建设和发展，北京市北部绿化植物种类与规划建设前有很大不同。由于区域植物的构成、分布格局和物候特征等在很大程度上影响空气中致敏花粉种类与浓度，直接关系到花粉症患者的地区性分布和发病时间，所以，调查新时期北京市北部空气花粉种类、浓度及季节变化特征，对于建设有益健康的城市环境、预防和指导花粉症患者进行自我防护均具有重要的科学和现实意义。

1 研究区与方法

1.1 研究区概况

北京市北部地处燕山南麓，气候上属暖温带半湿润大陆季风气候（图1）。地带性植被为暖温带落叶阔叶林，主要植物包括油松 （Pinus tabulaeformis）、侧柏 （Platycladus orientalis）、钻天柳 （Chosenia arbutifolia）、辽东栎 （Quercus liaotungensis）、甜杨 （Populus suaveolens）、荆条 （Vitex negundo var.heterophylla）、酸枣 （Zizyphus jujube var.spinosa）、山杏 （Prunus armeniaca var. ansu）、绣线菊 （Spiraea spp.）、白羊草 （Bothriochloa ischaemum）等，栽培植物主要有冬小麦（Winter wheat）、苹果（Malus pumila）、梨（Pyrus sorotina）、核桃（Juglans regia）、板栗（Castanea mollissima）、山楂（Crataegus pinnatifida）、葡萄（Vitis vinfera）等[20]。
图1 北京市北部土地利用类型及采样点位置

Fig. 1 Land use types and location of sampling sites in the north of Beijing

1.2 样品采集及时间

空气花粉的收集方法主要有2种，一种是重力法，即收集空气中重力下降的花粉；另一种是体积法，包括转片式或转棒式收集器、吸入式收集器、风标式收集器等。本研究采用伞蓬式花粉重力采样器采集，仪器分别放置在中国科学院大学雁栖湖校区教学楼楼顶和北京市怀柔区气象局，周围开阔，无高大建筑物及树木阻挡。每日清洁载玻片予以凡士林涂抹，放置在取样器内，上午8时更换载破片。取样时注意避免污染或损坏空气花粉载玻片。本文数据的采集时间是2020年3月1日—10月15日，共计228 d。

1.3 花粉鉴定和计数

收集到的载玻片拿到实验室进行制片，显微镜下鉴定。鉴定时，主要参照本实验室现代花粉样品、《中国气传和致敏花粉》[5]、《中国植物花粉形态》[21]、《中国气传花粉和植物彩色图谱》[22]、《中国北方植物花粉调研——花粉形态及花粉过敏疑难病例》[23]。鉴定时一般到科，属间差异明显的可鉴定到属。

1.4 数据处理

利用Excel进行数据计算，利用ArcGIS和Grapher软件做图。空气花粉数据计算主要有3种：① 花粉浓度即单位截面积下的花粉粒数 （粒/1000 mm2）；② 花粉含量即某一花粉数量占总花粉数量的比例（%）；③ 花粉季节即指植物的主要传粉周期，本文花粉季的计算按照从自然年初的花粉量占全年总量的2.5%时开始计时，到花粉量达到全年总量97.5%时结束[24]。

2 结果

2.1 北京市北部空气花粉种类

本研究共观察到97186粒花粉，分属20个科属，它们是：柏科、木犀科、胡桃科 （Juglandaceae）、蔷薇科 （Rosaceae）、桑科、壳斗科 （Fagaceae）、豆科 （Leguminosae）、禾本科 （Poaceae）、藜科 （Chenopodiaceae）、菊科、蓼科 （Polygonaceae）、莎草科 （Cyperaceae）、香蒲科 （Typhaceae）、杨属、榆属 （Ulmus）、柳属 （Salix）、白蜡树属、桦属 （Betula）、松属、蒿属 （表1）。其中，莎草科仅出现在1个月份内，柳属、白蜡树属、木犀科、壳斗科、香蒲科和蓼科出现在2个月内，杨属、榆属、胡桃科、蔷薇科和蒿属出现在3个月内，柏科、桦属、桑科、松属、豆科、禾本科、藜科和菊科出现的时间跨度较大，均超过4个月（表1）。
表1 2020年北京市北部空气花粉种类及分布

Table 1 Airborne pollen types and distribution in the north of Beijing in 2020

花粉类型 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月
　　注：+代表出现该科属植物花粉。
柏科 + + + +
杨属 + + +
柳属 + +
榆属 + + +
白蜡树属 + +
木犀科 + +
桦属 + + + +
胡桃科 + + +
蔷薇科 + + +
桑科 + + + + + + +
松属 + + + + +
壳斗科 + +
豆科 + + + + +
禾本科 + + + + + + +
藜科 + + + + + + +
蒿属 + + +
香蒲科 + +
菊科 + + + + +
蓼科 + +
莎草科 +
空气花粉中以柏科花粉数量最多，占全年总数的57.3%；桑科、杨属、松属、榆属花粉次之，分别占全年总数的7.8%、6.6%、6.1%和4.3%；蒿属（3.9%）、蔷薇科（3.6%）、桦属（2.9%）、藜科（1.7%）也有一定的含量。

2.2 北京市北部空气花粉浓度变化

空气花粉监测结果显示，2020年北京市北部每日空气花粉总浓度波动较大，最低值为0 粒/1000 mm2，最高达23060 粒/1000 mm2 （发生在3月22日），日平均浓度为430粒/1000 mm2。其中，花粉浓度大于25粒/1000 mm2的天数有142 d，大于50粒/1000 mm2的有124 d，大于100粒/1000 mm2的有97 d，大于200粒/1000 mm2的天数有73 d，大于500粒/1000 mm2的天数有38 d，大于1000粒/1000 mm2的天数有10 d，分别占研究天数的62.8%、54.9%、42.9%、32.3%、16.8%和4.4%。
由图2可见，2020年花粉总浓度变化呈双峰型，即3—5月为第一高峰（3月、4月和5月的月平均花粉浓度分别为2 033、522、227粒/1000 mm2），主要是乔木花粉，包括柏科、杨属、柳属、榆属；8—9月为第二高峰（8月、9月的月平均花粉浓度分别为156、177粒/1000 mm2），主要是草本花粉，包括蒿属、藜科、禾本科。夏季（6—7月）和10月份的月花粉浓度较低，平均低于50 粒/1000 mm2。需要指出的是，虽然有2个峰值段，但春季花粉数量显著高于秋季花粉数量，最高峰值出现在3月中下旬。
图2 2020年北京市北部每日花粉浓度变化曲线

Fig. 2 Variation curve of daily airborne pollen concentration in the north of Beijing in 2020

2.3 北京市北部空气花粉季节变化特征

通过花粉季节计算得出，2020年北京市北部花粉季从3月15日（全年总量的2.5%）开始，至9月5日（达到全年总量97.5%），持续了172 d，占全年总天数的47.0%。由于不同植物开花期不同，导致散播在空气中的花粉具有不同的停留时间，也就是花粉浓度有明显的季节差异。
本文计算了7种主要空气花粉种类每旬的浓度变化，结果显示，榆属花粉散播高峰出现在3月中旬；柏科、杨属花粉高峰出现在3月中下旬和4月上旬；柳属花粉高峰出现在3月下旬和4月上中旬；蒿属、藜科花粉高峰出现在8月下旬和9月上中旬；禾本科花粉较高浓度散播时间为5月下旬、8月中下旬和9月下旬（图3）。
图3 2020年北京市北部7种空气花粉浓度季节变化曲线

Fig. 3 Seasonal variation curve of 7 airborne pollen concentration in the north of Beijing in 2020

3 对比与讨论

本研究显示北京市北部2020年空气花粉中以柏科花粉最多，占57.3%，其次是桑科、杨属、松属、榆属，并伴有一定数量的蒿属、蔷薇科、桦属和藜科花粉。尽管有研究显示北京城区柏科花粉是空气花粉的主要类型[14,25]，但大部分的研究还存在一定的差异。如北京市海淀区2010—2011年主要的空气花粉种类为菊科、藜/苋科、木犀科、杨柳科、悬铃木属等[18]；东城区2010—2013年主要的空气花粉类型为蒿属、葎草属、悬铃木属、藜科、柏科等[26]，而该区2015年主要花粉类型有柏科、蒿属、悬铃木属、大麻/葎草属、藜/苋科等[14]。这是由于空气花粉的种类及数量与所在区域植物种类和分布有直接关系[27-29]。根据研究区现代植被分布的调查发现，北京市北部地区的主要植物类型与中心城区的有一定差异，特别是柏科植物。柏科植物在研究区分布较多，这就导致空气中该科植物的花粉数量较中心城区明显增多。这种空气花粉的区域性差异在前人的研究中也有发现，如江伟明等[30]在前人研究的基础上，总结归纳了自1986年1月—2016年12月30日间中国33个城市空气花粉种类，结果显示空气花粉种类具有明显的区域性。甚至，中国同一省份不同城市间也有差异，如邬清芝等[31]、熊汉忠等[32]、彭清臻等[33]分别对湖北省荆州市、鄂州市、孝感市2003年11月至2004年11月期间的空气花粉进行监测和研究，发现荆州地区主要空气花粉为松属、柳属、杉木属、蒿属、禾本科和柏科；鄂州市城区主要为蒿属和豚草属；而孝感市城区主要是松属、柏科、蒿属、豚草属等。所以对于空气花粉的研究还需要针对不同地区具体研究，这样才能更全面、准确地了解不同区域致敏的空气花粉类型。
本研究还显示2020年北京市北部花粉浓度呈现双峰型，第一高峰出现3—5月份，第二高峰出现在8—9月份，其中夏季6—7月份为花粉淡季，并且春季花粉浓度显著高于秋季。这主要是由于本研究区分布的植物种类主要是乔灌木，特别是柏科、杨柳科和松科，它们的花粉产量较大，而草本植物在本研究区分布相对较少，产生花粉量也较少。这种双峰型特征与植物的开花期主要集中在春季和秋季有关。前人对北京市中心城区的研究均显示空气花粉浓度为典型的双峰型变化[33]，但花粉浓度峰值出现的季节仍有差异。如李挚等人[26]采用相同的收集方法研究了30 a来北京中心城区的空气花粉，结果显示，1983—1986年夏秋季空气花粉数量显著高于春季，全年中的花粉数量峰值出现在8月下旬；而到了2010—2013年则以春季花粉数量占优势，全年中的花粉数量峰值出现在4月上旬。空气花粉浓度峰值时间出现差异的原因很大程度上与北京的城市化进程有关[34]。如随着市区绿化面积的扩大、公园数量增加[35]，许多观赏性较高的树种，如银杏树被大量栽培种植，导致春季树木花粉显著增加，而城市农业用地面积、荒地的锐减，使得秋季草本植物花粉数量下降。
需要指出的是，空气花粉浓度变化除了与植物本身开花时间、花粉特性、当地植物组成有关外，气象条件（如温度、降水量、风速、湿度等）亦是重要影响因素[5,29,36-42]。Chen等人[43]对中国西北地区艾比湖小叶桦湿地的空气花粉散布特征及气象因子关系的研究显示，花期时较高的温度和适宜的降水有助于桦木花粉的产量增加；高温低降水有利于草本植物花粉的散播。何丽娟等人[34]对北京城区空气花粉含量与气象要素关系的研究发现，春季花粉含量与平均气温及日照时数相关，与降水量、水汽压、相对湿度、风速不相关；夏秋季花粉含量与平均气温、水汽压、相对湿度显著相关，与降水量相关，与风速呈负相关。这些研究都为更好地解释空气花粉散播规律提供了科学基础，未来也将对空气花粉通量与气候因子之间的关系进一步研究。
基于上述对比分析，由于空气花粉的种类及数量与所在地区植物种类和分布有直接关系，温度、降水量、风速、湿度等气象条件亦是影响空气花粉浓度变化的重要因素，本文认为空气花粉研究不仅需要不同区域、长时间连续监测的基础研究，还需要结合当地气象要素数据、过敏性疾病患者就诊或过敏原检测等基础信息进行交叉研究，这样才能有效地指导花粉症患者进行预防和治疗、科学地建设绿色健康的城市环境。

4 结论

1） 2020年北京市北部空气花粉以柏科花粉最多，占全年总数的57.3%，其次为桑科、杨属、松属、榆属、蒿属、蔷薇科和桦属，并且不同植物花粉散播时间有明显差异。
2） 2020年北京市北部每日空气花粉总浓度波动较大（日平均浓度为430粒/1000 mm2）。其中有124 d每日花粉浓度大于50粒/1000 mm2，时间超过花粉季的1/2。
3） 2020年北京市北部花粉季从3月15日至9月5日，持续172 d，占全年总天数的47.0%，并且不同植物花粉浓度峰值时间有差异。
4） 2020年花粉总浓度变化呈双峰型，即3—5月为第一高峰，主要是树木花粉，如柏科、杨属、柳属、榆属；8—9月为第二高峰，主要是草本花粉，如蒿属、藜科、禾本科。而夏季（6—7月）花粉浓度较低，均低于50 粒/1000 mm2。需要指出的是，虽然有2个峰值段，但是春季花粉数量显著高于秋季花粉数量，峰值出现在3月中下旬。
致谢：本文部分数据来自北京市气象局和首都医科大学附属北京同仁医院联合观测数据，在此表示感谢。

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