激光雷达衍生的树冠参数：它们是解释局部桦树（白桦属）的新变量吗？花粉浓度？.docx

激光雷达衍生的树冠参数：它们是解释局部桦树（白荐属）的新变量吗？花粉浓度?抽象桦树在中欧和北欧很丰富，是阔叶林中的主要树木桦树是先锋树，产生大量过敏性花粉，通过风有效传播花粉负荷水平取 决于花粉来源的大小和位置，这对于花粉预测模型很重要;然而，与人为空气污染物的研究相比，关于这一主题的工作非常有限 因此，我们使用高精度的航空激光扫描（光探测和测距・LiDAR）数据来估计三维空间中桦树花粉源的大小和位置，并确定它 们对波兰波兹南花粉浓度的影响LiDAR数据于2012年5月获得LiDAR点云被裁剪到桦树个体（分别在2012-2014年和2019 年绘制），归一化，过滤和高于5米的单个树冠被描绘出来然后，计算冠面和体积，并根据风向汇总，距离花粉陷阱最远2 公里与激光雷达数据一致，2012年4月获得了每小时的机载花粉测量（使用赫斯特型7天体积捕集器进行）、风速和风向数 据我们划定了 18, 740棵白桦树，平均密度为14.9/0.01 km2,在研究区域中花粉捕集器500〜1500 m缓冲液中桦树冠 外表的总花粉与风向聚集的花粉浓度显著相关（r= 0.728, p=0.04） 0单个树冠的描绘表现良好（r2>0.89）,但在高桦树密 度下观察到高估（>30棵树/地块）。

我们说明，森林外的树木对总花粉池有很大贡献我们认为，在花粉源图中包括垂直维度 和森林外的树木有可能提高花粉预测模型的质量关键字:空中激光扫描;过敏风险;空气生物学;点云;花粉库存;花粉源区1.引言桦树（Betulasp.）是生长在森林中的主要树种之一，特别是在北欧和中欧［1］桦树物种是要求轻，耐寒，先锋树，容易 与外生菌根真菌结合;此外，这些物种对空气污染具有抵抗力，通常在城市中作为观赏树种植桦木通过风有效地传播了大量的 种子和花粉，这代表了对可变环境条件的良好适应［2］桦树花粉密集生产的不良影响是，这种花粉是欧洲过敏的主要触发因素, 占吸入剂过敏原致敏患者临床相关致敏的平均19.6%;具体而言，该值在丹麦最高可达49.1%［3］此外，桦树花粉致敏患者的数 量正在继续增加［4］这一增长可能是由最近的气候变暖和更高的一氧化碳引起的2浓度，可增强花粉的产生，并提前和延长授 粉期［5, 6］0然而，桦树过敏病症的发生主要取决于过敏原的存在，即空气中的桦树花粉［7］桦花粉能够远离其来源，在距离来源超过1000公里处到达临床相关浓度［8, 9］0然而，在白桦树丰富的中欧和北欧，当 地桦树种群是花粉最重要的来源［10, 11, 12］0这一结果通过与当地开花期相吻合的较高花粉浓度而不是与遥远来源相关的花粉 浓度来证实［9］。

通常，桦树花粉预测是使用大规模模型［13, 14］准备的，该模型通常依赖于花粉源图作为重要输入［15, 16］这 些地图通常是通过应用一组预测因子［17］后预测物种的发生，使用国家森林清单中的物种分布数据［18］,或者通过将花粉数据与 自上而下方法中的土地利用类型相结合［19］来准备的所有这些方法导致花粉清单的创立，即汇总有关特定过敏物种丰度和分布 的所有可用数据［15］然而，上述方法很少包括森林以外的地区，而白桦树在城市地区或荒地可能很丰富［20, 21］0根据森林清单，在区域或大陆尺度上指出桦树花粉的主要来源相对容易［22］然而，对城市和农业地区的花粉库存评估要 困难得多［23］,主要是由于缺乏有关城市树木的信息［21］近年来，许多城市都发现了城市行道树并绘制了地图［24］,纽约市就 是一个很好的例子（NYC Parks 2017, s://tree-map.nycgovparks.org）这种街道和公园树木测绘允许创立过敏树木的 城市清单，并使过敏患者能够计划其户外活动，例如，选择没有过敏树木的聚会场所［25, 26］o然而，在编制花粉清单时很少考 虑荒地和农业区此外，树花粉清单的垂直维度也被忽视了。

然而，这个维度很重要，因为成熟的白桦树比年轻的白桦树产生更多的花粉［27］ 虽然在实验条件下，桦树可能会在一龄树上产生雄性猫科动物，但通常需要5-10年才能产生正常发育的雄性猫科动物和花粉 ［28］n因此，将幼桦树列入花粉清单可能会产生误导，至少在幼树成熟之前的最初几年除了年龄之外，与年龄相关的树的大小 也很重要;具体来说，较大的树木会产生更多的猫皮，从而产生更多的花粉［10］为了考虑树的大小并将垂直维度添加到花粉清1750-1750-y = 679*000141 x R2 = 0 53Si O 7 1 1E P£M Aq suoroJIUBOUApno 工r1e*054e*052e*053e*05Birch crown surface (m2)Birch crown volume (m3) • 1e+05 • 2eW5 • 3e+05 • 4eH)5图7.每小时桦树花粉浓度（由流入方向总和）与距离花粉采样器500至1500米的总桦树冠外表之间存在统计学意义关系（p = 0.0406) o表2.2012年花粉浓度与LiDAR衍生的冠体积和冠面值之间的相关系数，用于相应的风向和与花粉采样器不同距离处。

4.讨论花粉来源的影响在太空中有所不同在这项研究中，我们根据风向将花粉浓度与花粉陷阱2公里半径内的总桦树冠外表和体积进行了比拟据记载，500-1500 米半径内的桦树树冠外表和体积可能会影响一个花粉季节记录的每小时花粉浓度桦树花粉的沉降速度低;因此，这种花粉类型 可以很容易地通过风长距离运输［55, 56］o对于易于运输的花粉类型，据信可以影响花粉浓度的来源区域从受体位点延伸10至 30-50公里［57, 58］o对浙菊59］和原树花粉［60］的研究说明，潜在来源区域与花粉浓度之间的相关性最高，当考虑位于30-60 公里（油橄榄属）或10-20公里1栋属）的地方时沉降速度是描述空气中颗粒沉降速率的参数，由Seinfield和Pandis［61］的 方法计算，为0.019ms-1对于泌敏龙花粉和0.031 m s-1用于族属花粉［62］橄榄花粉的沉积速度较慢，导致油菜属受 体部位的花粉浓度比族属大得多Zhang等人［62］还计算了桦树花粉的沉降速度，低于泌莱属（0.014ms） 1）.因此，预计 桦树花粉的来源区域可能从受体位点延伸到60公里以上在这项研究中，我们检查了距离受体部位2公里半径范围内的区域， 与可能的源区域相比，这似乎非常小。

然而，Skjoth等人［58］强调，个别树木可能会在距离源头数百米的地区引起高浓度的空气 传播花粉这一结果被距离树木100米以内的高花粉沉积量所证实，相对于在更远距离沉积的花粉［63］Maya-Manzano等人［26］ 假设对城市地点的橄榄，平面和柏树花粉浓度影响最大的发生在距离花粉监测地点500米的距离内在他们的研究中，发现除 旁属以外的所有树木分类群的花粉浓度与距离监测点400-500米范围内生长的树木数量显着相关在本研究中，我们还将研究 区域划分为与受体部位不同距离的圆圈和环形，间隔为500 mo此外，我们不仅包括树木数量作为源大小的衡量标准，还包括 位于八个主要方向的扇区的总树冠体积和外表当使用树冠外表时，我们获得的皮尔逊与花粉浓度的相关系数（r = 0.728）高 于Maya-Manzano等人的研究［26］ （r = 0.466） o当考虑距离花粉陷阱大于500 m的半径时，后一相关系数可能会更高，因为 该系数随着距离的增加而增加［26］花粉浓度与花粉源面积或距离花粉站400-500米［26］或500-1500米的花粉源面积或外表/体 积之间的显着关系说明，城市/半城市地区的局部近源可能对城市的花粉负荷有相当大的贡献，即使对于像这样易于运输 的花粉也是如此。

但是，应该强调的是，这些结果是特定于位置的在具有不同地形的其他地点，土地利用、主要来源植物的 空间分布以及主要贡献花粉来源和受体位点之间的距离可能不同然而，过敏患者应该意识到，在1500米距离内生长的过敏树 木可能是他们过敏病症的主要原因不同土地利用类型的白桦树通常，花粉库存是根据森林中白桦树的存在创立的［11, 14, 22］o然而，Gorden等人之前曾提到过城市地区种植的白桦 树对花粉数量的潜在影响［64］,并通过Skjoth等人的分析得到证实［21］在这项研究中，我们计算了森林和城市和农村地区生长 的白桦树的数量混交林地区的单树划界（ITD）显示出高度的不确定性，因为桦树树冠有时与其他物种的树冠重叠（图5） 然而，基于激光雷达衍生的ITD,森林中白桦树的密度至少是城市和农村地区的三倍然而，这一结果仅基于包含城市、农村和 森林土地利用类型的小型城市郊区的结果该区域可被视为城市或郊区外围区域的代表在这些地方，森林占用的空间有限， 可能无法反映不毗邻城市的森林的物种组成此外，桦树的密度不仅在不同地区之间［65］,而且在不同的城市地区之间也可能有 显着差异，占所有城市树木的3%-39%［24］。

然而，我们应该意识到，大量空气中的桦树花粉来自生长在森林外的树木考虑到北美大城市的选择，约20%的城市地区被城市树木覆盖，这些区域可能包括城市公园，街道或住宅区［66］城市树 木的优势是毋庸置疑的：它们减少了城市热岛效应，减少了雨水径流，减少了洪水效应;此外，城市树木过滤空气污染，限制噪 音水平，并为城市居民提供娱乐场所［67, 68, 69, 70］o在北欧，白桦树约占城市街道和公园内库存树木的10%此外，其他 致敏物种，如\栋属、法古斯属、栋属、桔属、物幽口粉属，在城市中很常见，占城市中用于植树的属的近50%［24］o过敏性物 种通常种植在单特异性群体中;这些群体形成大量的花粉排放源，并产生大量的花粉，在特定的气象条件下无法从城市中清除 ［71］o在规划城市绿地和选择树种时，很少考虑过敏患者的需求［72, 73］o过敏性树种通常种植在城市［74］,桦木就是一个很好 的例子，因为它具有观赏功能和对空气污染的抵抗力［75, 76］o本研究的结果强调了清点城市过敏性树种的重要性;具体而言， 当我们考虑从波兹南市吹到城市郊区花粉陷阱的风时，花粉浓度相对较高（表1）花粉库存的垂直维度—LiDAR数据的利用在这项研究中，我们清点了（几乎）所有在距离城市，农村和森林地区花粉陷阱2公里范围内生长的白桦树。

此外，我们 计算了它们冠的外外表桦树枝结构的年龄相关变化以及雄性猫在长芽末端位置的位置导致大多数雄性猫科动物位于树冠外表 面内［77］在这种情况下，树木的外外表可以充当花粉发射外表因此，我们可以假设树冠的外外表可以代表该树的花粉生产 当树分布分散时，此假设似乎特别重要分散的树木分布导致树枝，叶子和花序的无约束发育，因此导致更高的花粉产量［78］ 与在茂密森林中生长的树木相比，以较低密度生长的白桦树可以将树冠尺寸增加两倍［79］在我们的研究中，我们通常计算出森 林中的冠面高于农村和城市地区这种差异可能是由树木的年龄（高度）引起的;例如，在我们的案例中，森林树木比在开放区 域生长的大多数树木更古老（图4B） o另一种解释可能是管理实践，因为许多城市树木定期修剪，这减少了树冠的大小然而, 应该注意的是，在开阔地区也可以找到具有大冠的树木，但它们并不像在森林中发现的那样频繁森林树木的大中位树冠外表 可能不一定反映高花粉产量正如Lintunen等人［80］所观察和模拟的那样，在中等竞争下的森林中生长的白桦树减少了树冠下 部的树枝数量，其中许多树枝死亡此外，由于风速降低和外表粗糙度高，在树冠下发育的猫科动物的花粉排放非常有限［81］。

因此，似乎不应将森林树冠的下部纳入花粉清单尽管如此，我们建议在创立花粉清单时纳入第三个（垂直）维度;树冠外表应 用作估计花粉排放和解释局部花粉浓度变异性的附加变量44研究的局限性和未来的工作。