雷州半島2種速生人工林內(nèi)外PM2.5與空氣負(fù)離子濃度日變化特征

許宇星，王志超，竹萬寬，杜阿朋

(國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

雷州半島2種速生人工林內(nèi)外PM2.5與空氣負(fù)離子濃度日變化特征

許宇星，王志超，竹萬寬，杜阿朋＊

(國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

以雷州半島2種速生人工林(濕加松和尾巨桉)為研究對象，對林內(nèi)外PM2.5與空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測分析，研究不同天氣狀況下人工林內(nèi)外PM2.5與空氣負(fù)離子濃度日變化特征。結(jié)果表明：兩種林分林內(nèi)外空氣負(fù)離子濃度在11:00—13:00較低，傍晚17:00較高；PM2.5同空氣負(fù)離子特征相反，最高值出現(xiàn)在中午，最低值出現(xiàn)在傍晚；PM2.5同空氣負(fù)離子濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，PM2.5隨著空氣負(fù)離子濃度增加而降低；PM2.5受天氣變化影響顯著，3種天氣狀況下的PM2.5由低到高依次為：雨后晴天>晴天>陰天。

速生人工林；空氣負(fù)離子濃度；PM2.5質(zhì)量濃度；日變化

20世紀(jì)80年代以來, 隨著我國經(jīng)濟(jì)騰飛和城市化進(jìn)程加速，城市的環(huán)境負(fù)荷增重[1-2]，工業(yè)廢棄物、建筑揚塵以及汽車尾氣排放量急劇上升[3]?？諝庵械膽腋☆w粒污染物如PM2.5，已逐漸成為空氣污染的首要污染物[2]，導(dǎo)致眾多城市陷入霧霾等極端惡劣天氣的困境。PM2.5是指空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5 μg·m-3的懸浮顆粒物，也稱為可入肺顆粒物[3]，由于其攜帶病菌和污染物[4]，過度吸入可引起人體肺疾病、心臟病甚至胎兒早產(chǎn)[5]，同時造成能見度降低、灰霾等極端天氣[2,6-8]。因此環(huán)境污染問題已成為國內(nèi)外學(xué)者重點關(guān)注問題，各政府通過鼓勵造林及營建城市森林來阻塵、滯塵吸塵和降解污染物，發(fā)揮其生態(tài)效益[2]。

森林是具有自凈功能的生態(tài)系統(tǒng)，可以通過其龐大的林冠凈化空氣中各類污染物，達(dá)到“天然空氣過濾器”的效果[9]。根據(jù)第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示，至2015年廣東省僅桉樹人工林面積超過171萬hm2，為我國整體空氣進(jìn)化、固碳提供了龐大的資源。在國內(nèi)也有學(xué)者關(guān)注不同季節(jié)、綠地類型空氣顆粒物的日變化規(guī)律[10-11]及不同林分、植被類型PM2.5質(zhì)量濃度及空氣負(fù)離子濃度變化特征[6-8,12-14]，但我國人工林面積龐大，對于人工林分內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度及空氣負(fù)離子含量的變化規(guī)律相關(guān)研究甚少。本研究選取華南地區(qū)速生人工林桉樹(Eucalyptus)和松樹(Pinus)林分作為代表，對其林內(nèi)、外PM2.5及空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行全天觀測，旨在為計量人工林生態(tài)效益及森林生態(tài)建設(shè)等提供參考。

1 試驗地概況

試驗地設(shè)在南方國家級林木種苗示范基地(下簡稱種苗基地)，地理位置為東經(jīng)111°38′，北緯21°30′，低丘地貌，最高海拔220.8 m，屬北熱帶濕潤大區(qū)雷瓊區(qū)北緣，為海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫23.1℃極端最低氣溫為1.4 ~ 3.6℃，極端最高氣溫38.1℃，年降雨量1 567 mm，5—9月降雨量占全年的85.5%，年相對濕度80.4%[15]。

2 研究方法

2016年5月，試驗以種苗基地內(nèi)均為8年生尾巨桉(E.urophylla × E.grandis)和濕加松(P.elliottii × P.caribaea)林分為研究對象(表1)，并以種苗基地林道為試驗對照點，每個測試點內(nèi)呈3角形布置3個觀測點，觀測點間相距10 m以上。觀測時間段位9:00—17:00，每2 h觀測1次，記錄每個觀測點距地面1.5 m處數(shù)據(jù)，每片林分各點觀測時間為5 min左右，利用沃德亨(北京)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的PC-3A激光可吸入粉塵連續(xù)測試儀及北京東創(chuàng)旭新測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的IMH01型負(fù)離子檢測儀分別同時檢測3處PM2.5及空氣負(fù)離子濃度，采樣時間分別選擇在陰天(5月12日)、連續(xù)晴天(5月18日)和雨后晴天(5月31日)，分別對林地進(jìn)行監(jiān)測，共觀測天數(shù)為3 d。

表1 2片速生林分的結(jié)構(gòu)特征與生長狀況

3 結(jié)果與分析

3.1 2種人工林分內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度日變化

分析3個典型天氣(陰天、連續(xù)晴天、雨后晴天)的PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)可知(圖1 ~ 3)，不同天氣狀況對空氣PM2.5質(zhì)量濃度影響較大。5月12日為陰天，濕加松林內(nèi)PM2.5在各個時間點均最低，尾巨桉和對照林道相差不明顯。3個監(jiān)測點從9:00—17:00變化范圍為27 ~ 33 μg·m-3，PM2.5 在11:00達(dá)到最高值，之后逐漸下降，到17:00達(dá)到最低值。3個監(jiān)測點全天PM2.5均低于國家一級標(biāo)準(zhǔn)(35 μg·m-3)。

5月18日為連續(xù)晴天，各時間點PM2.5監(jiān)測值均低于陰天天氣，全天變化范圍為8 ~ 19 μg·m-3。9:00—11:00維持在較高質(zhì)量濃度值；從11:00開始，PM2.5出現(xiàn)驟降，到15:00—17:00，PM2.5質(zhì)量濃度值出現(xiàn)全天最低值，維持在8 ~ 11 μg·m-3。不同監(jiān)測點間，尾巨桉林內(nèi)PM2.5略高于濕加松和對照林道。

5月31日為雨后晴天、多云微風(fēng)，空氣質(zhì)量明顯優(yōu)于陰天和晴天，全天PM2.5質(zhì)量濃度值變化范圍為3 ~ 16 μg·m-3，全天各時間段變化規(guī)律類似于陰天和連續(xù)晴天。不同監(jiān)測點間，尾巨桉和濕加松PM2.5林內(nèi)質(zhì)量濃度差異不明顯，對照林道低于該兩林分。

3.2 2種人工林分內(nèi)外空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度日變化

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示(圖4 ~ 6)，不同天氣狀況下3個監(jiān)測點在9:00—10:00均維持在380 ~ 610 ion·cm-3，隨著氣溫升高，空氣負(fù)離子濃度出現(xiàn)驟降，陰天和雨后晴天持續(xù)時間較短后出現(xiàn)了回升，到17:00達(dá)到最高值；而連續(xù)晴天的空氣負(fù)離子含量在11:00—15:00均維持在較低水平，之后出現(xiàn)回升。比較3個不同監(jiān)測點發(fā)現(xiàn)，濕加松林內(nèi)空氣負(fù)離子均高于尾巨桉林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度，對照林道變化無明顯規(guī)律。

3.3 人工林內(nèi)外PM2.5及空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度關(guān)系

對不同天氣不同監(jiān)測點各時間段PM2.5及空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，離子濃度同PM2.5呈顯著性負(fù)相關(guān)(P<0.05)，從9:00監(jiān)測開始到17:00結(jié)束(圖7)，PM2.5先升高再降低，空氣負(fù)離子濃度在相同時間節(jié)點先降低后升高，兩者此消彼長，相關(guān)系數(shù)為0.331。

圖1 陰天PM2.5日變化

圖2 連續(xù)晴天PM2.5日變化

圖3 雨后晴天PM2.5日變化

圖4 陰天空氣負(fù)離子日變化

圖5 連續(xù)晴天空氣負(fù)離子日變化

圖6 雨后晴天空氣負(fù)離子日變化

圖7 空氣負(fù)離子濃度與PM2.5的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

光合作用是植物生存的根本，也是植物負(fù)離子產(chǎn)生的根本源泉[16]，天氣狀況對空氣負(fù)離子質(zhì)量濃度有較大影響?？諝庳?fù)離子隨著清晨植物開始進(jìn)行光合作用產(chǎn)生并積累，隨后太陽輻射逐漸增強(qiáng)，植物氣孔開始關(guān)閉，光合作用減弱，從而使空氣負(fù)離子的產(chǎn)生受阻，因此3種天氣狀況下3個監(jiān)測點的空氣負(fù)離子最低值均出現(xiàn)在中午11:00。相較于陰天和雨后晴天，晴天中午太陽輻射時間較長，植物氣孔關(guān)閉時間相對延長，導(dǎo)致空氣負(fù)離子濃度持續(xù)維持在較低水平。當(dāng)植物氣孔打開，光合作用開始后，空氣負(fù)離子濃度再次升高，到17:00各監(jiān)測點空氣負(fù)離子濃度達(dá)到最大值，此與何平等[6]、馮鵬飛等[17]研究結(jié)論相似。

空氣負(fù)離子的產(chǎn)生是森林樹冠及枝葉尖端放電配合光合作用的光電效應(yīng)而使空氣電解的過程[18]，有關(guān)研究表明，空氣負(fù)離子攜帶的多余負(fù)電荷能與帶有正電荷的PM2.5等顆粒相結(jié)合而沉降，即若空氣中含有較多空氣負(fù)離子會使PM2.5顆粒量下降，這與本研究結(jié)論空氣負(fù)離子濃度同PM2.5呈顯著性負(fù)相關(guān)相吻合。

森林通過其復(fù)雜的冠層結(jié)構(gòu)起到阻滯吸附顆粒物的作用降低城市大氣顆粒物，改善城市環(huán)境，有關(guān)研究表明，森林主要通過其對大氣顆粒物的減塵作用、滯塵作用、吸塵作用、降塵作用以及阻塵作用改善空氣質(zhì)量[19-20]。不同類型的植物具有不同的滯留大氣顆粒物的能力，針葉樹種由于其更小且復(fù)雜的枝莖，能滯留更多顆粒物[21]。本研究中，不同天氣及不同觀測時間，針葉樹種濕加松PM2.5均低于闊葉樹尾巨桉，此結(jié)果與Beckett等[21]的結(jié)論相吻合。

對比廣東省湛江市5月12日、18日及31日3日的PM2.5濃度值(26、24、14 μg·m-3)，除5月12日湛江市區(qū)為小雨轉(zhuǎn)中雨，而試驗基地為陰天無雨，導(dǎo)致試驗地PM2.5(29 μg·m-3)略高于市區(qū)，其他2日試驗基地內(nèi)PM2.5(12、9 μg·m-3)均低于市區(qū)。據(jù)此，人工林達(dá)到了凈化空氣并吸附大氣顆粒物的作用。本研究主要以雷州半島人工林內(nèi)空氣負(fù)離子含量及PM2.5的日變化為研究對象，未涉及其與不同氣象因子的相關(guān)關(guān)系，后續(xù)研究將結(jié)合氣象因子系統(tǒng)性闡述人工林在改善空氣質(zhì)量方面的作用。

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Diurnal Variations in the PM 2.5 and Negative Air Ion Concentrations of Two Kinds of Plantations in Leizhou Peninsula

XU Yu-xing, WANG Zhi-chao, ZHU Wan-kuan, DU A-peng
(China Eucalypt Research Centre, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

Taking two kinds of plantations (Pinus elliottii × P. caribaea, Eucalyptus urophylla × E. grandis) in Leizhou Peninsula as the study subjects, the diurnal variations characteristics of PM2.5 and negative air ion concentrations were analyzed. The results showed that: average negative air ion concentration was lowest between 11:00 and 13:00 and highest during the early evening (17:00); PM2.5 was opposite to the negative air ion concentrations of air, the highest values of PM2.5 appeared at noon, the lowest values occurred in the evening. The relationship between PM2.5 and negative air ion concentrations was significant with the PM2.5 level generally decreasing as the negative air ion concentrations increased. The PM2.5 level was also significantly affected by the weather, with the highest PM2.5 values being recorded on cloudy days and the lowest being recorded on sunny days occurring just after rainy days.

plantations; negative air ion concentration; PM2.5; diurnal variations

S718.5

：A

廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站運行補助（2016-LYPT-DW-126）

許宇星（1987— ），男，碩士，工程師，主要從事人工林可持續(xù)經(jīng)營研究.E-mail:wsxyx1987@163.com

＊通訊作者：杜阿朋（1979— ），男，博士，副研究員.E-mail:dapzj@163.com