夏季不同結(jié)構(gòu)綠地空氣PM2.5濃度與氣候因子關(guān)系

劉 宇，黃 旭，偶 春，韓浩章，3

（1.宿遷學(xué)院 二系，江蘇 宿遷223800；2.阜陽(yáng)師范學(xué)院 生物系，安徽 阜陽(yáng)236037；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，江蘇 南京210095）

近年來(lái)，空氣懸浮顆粒物已成為城市空氣首要污染物，其中細(xì)顆粒物（PM2.5）對(duì)人體的危害更大，受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注［1-2］。城市綠地除具遮陰、降溫、增濕等功能之外，還被稱為“天然的空氣過(guò)濾器”，能有效提高人體的舒適度［3-4］。從20世紀(jì)中期開始，國(guó)外許多城市以及北京、上海、無(wú)錫等地對(duì)空氣PM2.5濃度已開展相關(guān)研究，主要集中在來(lái)源分析［5-6］、動(dòng)態(tài)變化［7-8］、健 康 效益［9-10］等 方面，但在 夏季高溫條件下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)綠地內(nèi)PM2.5濃度及其與氣候因子關(guān)系的相關(guān)研究甚少，在蘇北地區(qū)幾乎沒(méi)有。因此，對(duì)宿遷市不同結(jié)構(gòu)綠地及對(duì)照內(nèi)PM2.5濃度和重要?dú)夂蛞蜃舆M(jìn)行監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)進(jìn)行了氣候因子對(duì)空氣PM2.5濃度影響的定量定性分析，以期為科學(xué)指導(dǎo)綠地規(guī)劃和幫助市民合理開展游憩活動(dòng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)均選在宿遷學(xué)院東側(cè)，以減少地形、地理位置差異，試驗(yàn)地點(diǎn)相鄰，樣地結(jié)構(gòu)與特征見表1。

1.2 研究方法

監(jiān)測(cè)指標(biāo)有空氣PM2.5濃度、溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速。時(shí)間從2014年7月3日至9日，在日常游憩的時(shí)間段內(nèi)（7：00-21：00），以無(wú)綠化的水泥鋪裝廣場(chǎng)為對(duì)照點(diǎn)，間隔2h在6個(gè)樣地和對(duì)照點(diǎn)中心位置同步觀測(cè)，每個(gè)時(shí)段按不同方向重復(fù)測(cè)量3次，取平均值為該時(shí)段的實(shí)際觀測(cè)值。采樣高度為距離地表1.5m處，與成人呼吸高度基本一致。實(shí)驗(yàn)儀器使用中瑞科諾公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的手持式PM2.5測(cè)試儀檢測(cè)空氣PM2.5濃度，采用浙江托普儀器有限公司制造的DJL-18溫濕光三參數(shù)記錄儀測(cè)定溫度、濕度和光照強(qiáng)度，采用天津市福元銘儀器設(shè)備有限公司制造的DEM6型三杯風(fēng)向風(fēng)速表測(cè)定風(fēng)速。

表1 不同結(jié)構(gòu)綠地監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基本情況Table 1 Basic situations of different green spaces monitored

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS14.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，并用最小顯著差數(shù)法（LSD）檢驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異性，采用EXCEL2007繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)綠地PM2.5濃度的日變化

不同結(jié)構(gòu)綠地及對(duì)照點(diǎn)內(nèi)空氣PM2.5濃度在日常游憩時(shí)間段內(nèi)（7：00-21：00）日變化均明顯，除喬灌草綠地類型外，其他綠地日變化總體趨勢(shì)基本相似，呈現(xiàn)“M”型，即白天高，晚上低，白天呈雙波峰形式，然后開始連續(xù)下降；從圖1可知，第1個(gè)波峰在9：00左右，第2個(gè)波峰在13：00左右；而喬灌草日變化趨勢(shì)呈現(xiàn)倒“V”型，即為單波峰，最高點(diǎn)出現(xiàn)在13：00左右，這可能是喬灌草綠地面積較大，伴隨溫度升高，復(fù)層結(jié)構(gòu)使細(xì)顆粒物不易擴(kuò)散等因素影響。

2.2 不同結(jié)構(gòu)綠地間PM2.5濃度的分析

圖1 不同結(jié)構(gòu)綠地空氣PM2.5濃度日變化特征Fig.1 Characteristics of PM2.5air concentration diurnal variation of different greenbelts

對(duì)不同結(jié)構(gòu)綠地以及對(duì)照點(diǎn)內(nèi)PM2.5濃度進(jìn)行方差分析和多重比較，結(jié)果表明，PM2.5濃度均值從大到小的順序是對(duì)照、草地、籬草、大闊葉喬草、喬灌草、針葉喬草、小闊葉喬草。對(duì)照、草地、籬草內(nèi)PM2.5濃度均顯著高于其他綠地類型；大闊葉喬草和喬灌草顯著高于針葉喬草和小闊葉喬草，說(shuō)明由喬木組成的郁閉度高和地被覆蓋高的綠地結(jié)構(gòu)能有效降低PM2.5濃度水平，改善空氣質(zhì)量；針葉喬草和小闊葉喬草低于喬灌草垂直復(fù)層結(jié)構(gòu)，相對(duì)于多層結(jié)構(gòu)的綠地，四季常綠的雪松林能分泌油脂等物質(zhì)，吸附細(xì)微顆粒效果更穩(wěn)定［11］，同時(shí)針葉樹的葉面積相對(duì)較大，枝葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻滯PM2.5能力更高［12-13］；而小闊葉喬草中植物分支點(diǎn)較低，郁閉度大，濕度高，截滯細(xì)微顆粒作用明顯，故在本研究中，小闊葉喬草PM2.5平均濃度最低。

2.3 影響空氣PM2.5濃度的氣候因子分析

在不同結(jié)構(gòu)綠地中，氣候因子對(duì)PM2.5濃度有重要的影響，基于測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，對(duì)不同范圍的相對(duì)濕度、溫度、光照強(qiáng)度和風(fēng)速與空氣PM2.5濃度對(duì)比分析，其中相對(duì)濕度以差值5%劃分為7個(gè)區(qū)段，溫度每相差2℃劃分為5個(gè)區(qū)段，光照強(qiáng)度以相差3 000lx劃分為6個(gè)區(qū)段，風(fēng)速以相差0.2m·s-1劃分為6個(gè)區(qū)段，通過(guò)分析得到圖2和表3。

表2 不同結(jié)構(gòu)綠地空氣PM2.5濃度方差分析與多重比較Table 2 Variance analysis and multiple comparison of PM2.5 concentrations in different green spaces

圖2 主要?dú)夂蛞蜃硬煌秶鷥?nèi)PM2.5濃度變化Fig.2 Changes of PM2.5concentration with in different ranges of climate factors

表3 不同結(jié)構(gòu)綠地空氣PM2.5濃度與主要?dú)夂蛞蜃拥南嚓P(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficients of PM2.5concentrations and main climate factors

2.3.1 相對(duì)濕度 由圖2（a）可知，隨著濕度的變化，PM2.5濃度呈現(xiàn)波浪形趨勢(shì)；相對(duì)濕度在＜60%區(qū)間內(nèi)，PM2.5平均濃度最高，達(dá)到49.92μg·m-3，隨著相對(duì)濕度增大，空氣PM2.5平均濃度逐漸下降，在75%～80%區(qū)間內(nèi)降到僅為29.94μg·m-3，但當(dāng)濕度范圍到達(dá)80%后，PM2.5平均濃度又開始逐漸上升，到＞85%的區(qū)間時(shí)達(dá)到37.31 μg·m-3。相關(guān)研究表明［14-15］，植物通過(guò)蔭蔽和蒸騰作用增加空氣濕度，在一定的范圍內(nèi)，濕度可以增加細(xì)顆粒物的重量和黏性，加快其沉降，但在夏季高溫條件下，濕度增加到一定程度后，不僅不利于顆粒物的沉降，反而有利于顆粒物的形成。

2.3.2 溫度 氣溫的升高能加速化學(xué)反應(yīng)活動(dòng)，而從增加由此產(chǎn)生的二次污染物［16］。根據(jù)監(jiān)測(cè)分析得到的數(shù)據(jù)，空氣PM2.5濃度與小闊葉喬草、灌草、草地、喬灌草、對(duì)照都達(dá)到了顯著正相關(guān)，隨著溫度的高低變化，空氣PM2.5濃度表現(xiàn)出下降或者上升；且在溫度＞32℃和溫度＜26℃時(shí)，PM2.5濃度變化明顯。

2.3.3 光照 夏季持續(xù)高溫條件下，一些氣體揮發(fā)物光化學(xué)反應(yīng)能產(chǎn)生次生鹽等細(xì)顆粒物［14］。從表2和圖2（c）可以看出，光照強(qiáng)度與不同結(jié)構(gòu)綠地和對(duì)照均呈顯著正相關(guān)，且隨著光照強(qiáng)度的增加，空氣PM2.5濃度穩(wěn)定上升。

2.3.4 風(fēng)速 觀測(cè)期間，研究區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速為0.25m·s-1，最大風(fēng)速為1.4m·s-1，因此研究的是輕風(fēng)條件下的影響。從表3可以看見，風(fēng)速對(duì)小闊葉喬草呈顯著正相關(guān)，與其他綠地結(jié)構(gòu)相關(guān)性不顯著，由圖2（d）可知，隨著風(fēng)速的增大，空氣PM2.5濃度變化不一，當(dāng)風(fēng)速在0.4～0.6m·s-1的區(qū)間內(nèi)，濃度僅為33.55μg·m-3；在0.8～1.0m·s-1的范圍內(nèi)達(dá)到51.91μg·m-3，而當(dāng)風(fēng)速＞1m·s-1時(shí)濃度又開始下降，為40.45μg·m-3。根據(jù)張景［17］等研究，在風(fēng)力和枝葉撞擊等外力作用下，地面的灰塵會(huì)產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，增加空氣中PM2.5濃度，但風(fēng)速到達(dá)一定閥值后，又有利于空氣細(xì)顆粒物的擴(kuò)算。

3 結(jié)論與討論

在日常游憩時(shí)間段內(nèi)，不同綠地結(jié)構(gòu)空氣PM2.5平均濃度值從大到小的順序是對(duì)照、草地、籬草、大闊葉喬草、喬灌草、針葉喬草、小闊葉喬草，觀測(cè)期均值大小范圍在38.66～41.28μg·m-3，達(dá)到國(guó)家城市化地區(qū)的75μg·m-3的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)與國(guó)家自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等一類標(biāo)準(zhǔn)的35μg·m-3相差不多；對(duì)照內(nèi)PM2.5平均濃度顯著高于其他綠地類型，各種綠地結(jié)構(gòu)由于樹種組成，群落結(jié)構(gòu)等不同，滯留空氣PM2.5能力出現(xiàn)差異，由分支點(diǎn)低的小闊葉喬草和葉表面面積較大的針葉喬草滯塵作用顯著，這與劉艷［18］等和 Prusty B A K［19］等的結(jié)論基本一致。

不同結(jié)構(gòu)綠地及對(duì)照內(nèi)空氣PM2.5濃度日變化均明顯，除喬灌草綠地類型外，其他綠地均呈現(xiàn)“M”型趨勢(shì)，白天平均濃度要高于晚上，第1個(gè)波峰在9：00左右，第2個(gè)波峰在13：00左右。趙勇［20］等和郭二果［7］等的研究表明，城區(qū)綠地和城郊綠地空氣細(xì)顆粒物濃度與人流、車流顯著正相關(guān)；王成［21］等認(rèn)為人為活動(dòng)和汽車尾氣的影響致使細(xì)顆粒物的二次生成和排放，筆者認(rèn)為，在本研究中，空氣PM2.5濃度在學(xué)校上下課高峰后由于細(xì)顆粒物沉降速度慢，不易擴(kuò)散而出現(xiàn)雙峰值。

本研究中，相對(duì)濕度與小闊葉喬草、針葉喬草、喬灌草、大闊葉喬草以及籬草內(nèi)PM2.5濃度都達(dá)到了顯著負(fù)相關(guān)，溫度與小闊葉喬草、對(duì)照、草地、籬草、喬灌草內(nèi)PM2.5濃度達(dá)到顯著正相關(guān)，各地學(xué)者關(guān)于溫濕度對(duì)空氣細(xì)顆粒物的影響研究結(jié)果不完全相同［14，22］。這可能由于空氣中細(xì)顆粒物的來(lái)源非常復(fù)雜，由城市揚(yáng)塵、煤煙塵、硫酸鹽和硝酸鹽、機(jī)動(dòng)車尾氣等來(lái)源組成，不同城市、不同環(huán)境場(chǎng)所下其濃度差別很大［23-25］。光照強(qiáng)度與各種綠地類型都達(dá)到極顯著正相關(guān)，風(fēng)速對(duì)小闊葉喬草達(dá)到了顯著正相關(guān)，與其他綠地結(jié)構(gòu)相關(guān)性不顯著，在高溫條件下，低風(fēng)速等氣象因素對(duì)空氣中細(xì)顆粒物的影響不明顯。

本試驗(yàn)對(duì)空氣PM2.5濃度和主要?dú)夂蛞蜃拥谋O(jiān)測(cè)統(tǒng)一定位于離地面1.5m處，沒(méi)有對(duì)林冠層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)由于儀器的限制和監(jiān)測(cè)時(shí)間的局限，研究存在不足之處，另外，關(guān)于氣壓、空氣中的負(fù)離子濃度等對(duì)細(xì)顆粒物濃度的影響尚需進(jìn)一步的研究。

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