信陽市不同生態(tài)功能區(qū)PM10和PM2.5污染特征

馮萬富，周繼良，張建設(shè)，單燕祥，李月鳳，張玉虎

(1.河南省信陽市林業(yè)科學(xué)研究所，河南 信陽 464031；2.河南雞公山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，河南 信陽 464031；3.信陽市環(huán)境監(jiān)測站，河南 信陽 464000)

隨著工業(yè)化和城市化的迅猛發(fā)展，大氣顆粒物污染已成為嚴(yán)重的城市環(huán)境問題[1]。大氣顆粒物，即大氣氣溶膠體系中分散的各種粒子，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)等效直徑大小，可被分為總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(細(xì)粒子、PM2.5)[2]?？晌腩w粒物(PM10)已被證實(shí)是危害人類健康的最主要物質(zhì)；細(xì)顆粒物(PM2.5)能夠進(jìn)入人體肺部導(dǎo)致肺泡發(fā)炎而具有更大的危害性[3]。目前，城市大氣顆粒物污染研究主要集中在顆粒物源解析、成分及其濃度變化規(guī)律、顆粒物對人類健康危害以及顆粒物污染治理等方面[4-7]。森林植被對大氣顆粒物有顯著的削減作用[3,8]。森林可通過覆蓋地表減少PM2.5來源，葉面、枝條表面、莖干吸附或者氣孔、皮孔吸收直接捕獲PM2.5，降低風(fēng)速促進(jìn)PM2.5沉降，改變風(fēng)向阻攔PM2.5進(jìn)入局部區(qū)域等途徑去除PM2.5，從而發(fā)揮凈化大氣的功能[9]。利用森林復(fù)雜冠層結(jié)構(gòu)對顆粒物的吸收阻滯作用成為治理PM10和PM2.5污染的一項(xiàng)重要措施[10-11]。但對處于同一座城市中，下墊面森林植被蓋度和干擾強(qiáng)度存在明顯差異的不同生態(tài)功能區(qū)內(nèi)大氣顆粒物污染特征的研究鮮有報(bào)道。

基于2015年在信陽市不同生態(tài)功能區(qū)布設(shè)的4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)(國控)的PM10和PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合同步氣象監(jiān)測資料，研究比較了森林植被蓋度和干擾強(qiáng)度存在明顯差異的4個(gè)站點(diǎn)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度日變化、季節(jié)變化和年際變化特征，分析溫度、濕度、氣壓和風(fēng)速等氣象因子對顆粒物污染的影響，旨在探究城市森林植被對PM10和PM2.5的吸附調(diào)控機(jī)理，闡釋森林凈化大氣環(huán)境功能，為城市大氣污染防治、城區(qū)規(guī)劃、城市森林植被生態(tài)效益評估等提供參考。

1 研究區(qū)概況

信陽市位于河南省南部、鄂豫皖三省交界處，地理坐標(biāo)113°45′-115°55′E，30°23′-32°27′N。全市總面積1.89×104km2，總?cè)丝?70萬。信陽地跨淮河，處在中國亞熱帶和暖溫帶的地理分界線(秦嶺—淮河)上，屬亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，氣候溫暖濕潤且季節(jié)氣候明顯，又兼有山地氣候特點(diǎn)。光照充足，雨量豐沛，年均溫15.1～15.3℃，年均日照1 900～2 100 h，年降水量900～1 400 mm，年均空氣相對濕度77%，無霜期220～230 d。

南灣水廠監(jiān)測站位于信陽市南灣風(fēng)景區(qū)內(nèi)，周圍森林植被茂密，蓋度較高，喬木樹種主要有雪松(Cedrusdeodara)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)等，林下灌木主要有棕櫚(Trachycarpusfortunei)、紫薇(Lagerstroemiaindica)等，樹種豐富、數(shù)量多，干擾強(qiáng)度中等，污染源相對較少；其他3個(gè)站點(diǎn)下墊面主要樹種有水杉、廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)等，森林植被蓋度相對較低，樹種比較單一、數(shù)量少，人為干擾強(qiáng)度較高(表1)，其中平橋分局監(jiān)測站大氣污染物主要來自工業(yè)排放和居民生活，釀酒公司監(jiān)測站污染源主要是交通，而審計(jì)局監(jiān)測站污染源則主要是居民生活。

表1 監(jiān)測站點(diǎn)概況

2 研究方法

2.1 監(jiān)測站點(diǎn)位置

選取的4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)位于信陽主城區(qū)不同生態(tài)功能區(qū)，其中平橋分局位于信陽市傳統(tǒng)工業(yè)區(qū)，釀酒公司位于商業(yè)中心區(qū)，審計(jì)局位于居民生活區(qū)，而南灣水廠位于休閑游憩區(qū)(圖1)。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站監(jiān)測的污染物包括6種標(biāo)準(zhǔn)污染物(SO2、NO2、PM10、CO、O3和 PM2.5)，在線連續(xù)不間斷自動(dòng)監(jiān)測并同步采集數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔為1 h。4個(gè)監(jiān)測站PM10和PM2.5的濃度監(jiān)測儀器為安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的TEOM大氣顆粒物分析儀。采用微量振蕩天平法驗(yàn)證PM10和PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12-13]的要求。氣溫、相對濕度、氣壓和風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)均來自各站點(diǎn)同步自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1 PM10和PM2.5監(jiān)測站位置示意圖

采用單因素方差分析比較不同參數(shù)間的顯著性差異。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0軟件和Microsoft Excel 2003軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的時(shí)空變化特征

3.1.1 4個(gè)站點(diǎn)PM10和PM2.5濃度日變化 應(yīng)用2015年全年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了南灣水廠、釀酒公司、平橋分局和審計(jì)局4個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5污染日變化特征，有效樣本數(shù)除了南灣水廠為361 d(數(shù)據(jù)缺失4 d)外，其他3個(gè)站點(diǎn)均為365 d。

4個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度在日變化趨勢基本一致，日峰值和日最低值出現(xiàn)的時(shí)間基本同步(圖2、圖3)，除南灣水廠呈現(xiàn)一峰一谷外，另3個(gè)站點(diǎn)均呈現(xiàn)雙峰一谷現(xiàn)象。

4個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度峰值集中出現(xiàn)在20:00-23:00，其中平橋分局PM10和PM2.5質(zhì)量濃度峰值均出現(xiàn)在20:00-21:00，分別為146.76 μg·m-3和83.65 μg·m-3；釀酒公司峰值均出現(xiàn)在21:00-22:00，分別為139.48和87.81 μg·m-3；南灣水廠峰值分別出現(xiàn)在21:00-22:00和22:00-23:00，為105.16和69.66 μg·m-3；審計(jì)局峰值分別出現(xiàn)在22:00-23:00和21:00-22:00，為139.98和82.46 μg·m-3。釀酒公司、平橋分局和審計(jì)局3個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度次高峰值出現(xiàn)在9:00-11:00。南灣水廠監(jiān)測站次高峰值不明顯，0:00-10:00變化平緩，這或許是因?yàn)槠湎聣|面周邊森林植被茂密，植被蓋度較高，喬灌草立體綠化搭配合理，植物葉片吸收、阻滯大量顆粒物所致[14]。

4個(gè)站點(diǎn)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度最低值集中出現(xiàn)在14:00-16:00，其中南灣水廠(83.92 μg·m-3和52.35 μg·m-3)、平橋分局(94.31 μg·m-3和58 μg·m-3)和審計(jì)局(93.29 μg·m-3和56.66 μg·m-3)3個(gè)站點(diǎn)均出現(xiàn)在15:00-16:00；而釀酒公司PM10最低值(95.98 μg·m-3)出現(xiàn)在14:00-15:00，PM2.5最低值(60.86 μg·m-3)也出現(xiàn)在15:00-16:00。

與其他3個(gè)站點(diǎn)相比，在一天中的不同時(shí)段，南灣水廠監(jiān)測站PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均明顯偏低，其中PM10濃度值僅相當(dāng)于其他3個(gè)站點(diǎn)同時(shí)段的71.2%～93.0%，PM2.5僅相當(dāng)于其他3個(gè)站點(diǎn)同時(shí)段的77.21%～95.82%。南灣水廠監(jiān)測站PM10和PM2.5質(zhì)量濃度之所以明顯低于其他3個(gè)站點(diǎn)，主要是因?yàn)槠渲苓吷种脖环N類豐富、蓋度高，林木數(shù)量多，植被喬灌草搭配合理，立體綠化效果良好，植被葉片吸收、阻滯大量顆粒物所致；其次是因?yàn)槠涮幱谛抨柺械男蓍e游憩區(qū)，周邊污染源相對較少，人為干擾強(qiáng)度較低，污染源主要是游客休閑游憩帶來的汽車尾氣污染；同時(shí)信陽顆粒物污染較重的冬、春季節(jié)盛行西北風(fēng)，該站點(diǎn)處于信陽的上風(fēng)方向。其他3個(gè)站點(diǎn)同時(shí)段的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度值比較接近，并出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，這是因?yàn)樵斐深w粒物污染的成因復(fù)雜，顆粒物濃度受污染源、氣象條件和下墊面森林植被蓋度等多因素的綜合影響。平橋分局監(jiān)測站雖然處于信陽市的傳統(tǒng)工業(yè)區(qū)，但其一天中部分時(shí)段PM10和PM2.5質(zhì)量濃度值甚至低于釀酒公司和審計(jì)局監(jiān)測站，這或許是因?yàn)槠渲苓呄鄬^高的森林植被蓋度消減了部分顆粒污染物所致。森林植被對消減PM10和PM2.5濃度的貢獻(xiàn)率還有待今后進(jìn)一步深入研究。釀酒公司和審計(jì)局監(jiān)測站同處于信陽市主城區(qū)，二者周邊森林植被蓋度接近，主要污染源比較類似，均是主要由汽車尾氣和居民生活引起，PM10和PM2.5濃度也比較接近。

從整體上看,夜間PM10和PM2.5污染比白天嚴(yán)重，這可能是因?yàn)榘滋烊照蛰椛鋸?qiáng)，溫度高，導(dǎo)致大氣邊界層高，氣壓低，大氣容易處于不穩(wěn)定狀態(tài)，湍流交換和垂直擴(kuò)散能力加強(qiáng)[15]；夜晚風(fēng)速小、濕度大、逆溫頻率高等諸多氣象條件不利于顆粒物擴(kuò)散并且容易形成二次顆粒物，致使污染物容易發(fā)生累積而達(dá)到相當(dāng)高值[16-17]。

圖2 PM10質(zhì)量濃度日變化

圖3 PM2.5質(zhì)量濃度日變化

3.1.2 4個(gè)站點(diǎn)PM10和PM2.5質(zhì)量深度季節(jié)變化 在不同季節(jié)，南灣水廠監(jiān)測站PM10和PM2.5質(zhì)量濃度同樣表現(xiàn)為明顯低于其他3個(gè)站點(diǎn)，其中PM10僅相當(dāng)于其他3個(gè)站點(diǎn)的76.52%～87.71%，PM2.5僅相當(dāng)于其他3個(gè)站點(diǎn)的63.89%～95.13%；而其他3個(gè)站點(diǎn)之間比較接近，并存在交叉現(xiàn)象(圖4、圖5)。4個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5污染均表現(xiàn)為夏季最輕，秋季其次，冬季污染最嚴(yán)重，質(zhì)量濃度大小為夏季<秋季<春季<冬季。這主要是因?yàn)樾抨栂募窘涤昙?，降雨頻率高、強(qiáng)度大，雨水對PM10和PM2.5等大氣污染物起到了清洗和沖刷作用，在雨水作用下，空氣中的粉塵伴隨降雨直接進(jìn)入土壤中，進(jìn)而降低了空氣中污染氣體的濃度[18-19]。而冬季降水稀少，居民取暖燃煤增加，同時(shí)信陽冬季盛行北風(fēng)，氣流運(yùn)動(dòng)帶來的我國北方污染氣團(tuán)也進(jìn)一步加重了信陽的顆粒物污染。

不同季節(jié)4個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5/PM10值為0.52～0.72，這說明由PM10造成的空氣污染中，PM2.5占比較高。顆粒物PM2.5與PM10具有高度的線性相關(guān)關(guān)系[20]，將南灣水廠監(jiān)測站2015年P(guān)M10質(zhì)量濃度日平均值作為自變量x，同步觀測的PM2.5日平均值作為因變量y，則二者擬合的關(guān)系為方程y=0.743 1x-9.516 3(n=361,R2=0.866 6)。

圖4 PM10質(zhì)量濃度季節(jié)變化

圖5 PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化

3.1.3 4個(gè)站點(diǎn)PM10和PM2.5污染年際變化 2014-2016年，南灣水廠、平橋分局、審計(jì)局和釀酒公司4個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)逐年下降趨勢(數(shù)據(jù)來源于4個(gè)站點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效性驗(yàn)證，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性符合要求)。與2014年相比，2015年4個(gè)站點(diǎn)的PM10分別下降了3.66%、10.54%、8.59%和0.88%，PM2.5分別下降了5.61%、12.22%、14.8%和6.51%；在2015年的基礎(chǔ)上，2016年4個(gè)站點(diǎn)的PM10分別下降了20.26%、12.21%、10.08%和17.17%，PM2.5分別下降了16.38%、15.95%、12.47%和23.40%(圖6、圖7)。從總體上看，對人體危害更大的細(xì)粒子下降幅度更明顯。雖然信陽市大氣顆粒物污染呈逐年減輕趨勢，但對照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[13],信陽市大氣污染防治攻堅(jiān)任務(wù)依然嚴(yán)竣，2016年4個(gè)站點(diǎn)的PM10污染超標(biāo)天數(shù)分別達(dá)到33、72、72 d和73 d，PM2.5污染超標(biāo)天數(shù)分別高達(dá)73、98、99 d和97 d。

3.2 PM10和PM2.5濃度與氣象因子的關(guān)系

大氣顆粒物污染通常受污染源、氣象條件和下墊面森林植被蓋度等因素的共同影響，但由于在一定區(qū)域和時(shí)間內(nèi)，污染源和森林植被相對穩(wěn)定，大氣顆粒物的濃度主要取決于各種氣象條件下對顆粒物的輸送與擴(kuò)散作用[21]。氣溫等氣象因子對PM10和PM2.5污染有著重要影響。本文同樣使用2015年南灣水廠監(jiān)測站PM10和PM2.5質(zhì)量濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及氣溫、相對濕度、氣壓和風(fēng)速4個(gè)氣象數(shù)據(jù)分析了2種污染物日濃度與4個(gè)氣象因子之間的關(guān)系(表2)。

由表2可知，PM10和PM2.5日均質(zhì)量濃度值與日平均氣溫、平均風(fēng)速和日最大風(fēng)速均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與日平均大氣壓力均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；此外，PM2.5日均質(zhì)量濃度與日均相對濕度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而PM10日均質(zhì)量濃度與日均相對濕度相關(guān)性不明顯，這與傅偉聰[22]等的研究結(jié)果PM10和PM2.5濃度與最大風(fēng)速、平均風(fēng)速、空氣溫度呈負(fù)相關(guān)，PM2.5濃度與空氣相對濕度、氣壓呈正相關(guān)關(guān)系是基本吻合的。通過相關(guān)系數(shù)r的絕對值發(fā)現(xiàn)，日平均氣溫、氣壓、相對濕度、日均風(fēng)速和日最大風(fēng)速各單因素與PM10或PM2.5日均質(zhì)量濃度相關(guān)性均很弱或基本不相關(guān)，這也進(jìn)一步印證了造成顆粒物污染的成因復(fù)雜[21]，單一氣象因子對顆粒物污染的影響有限。本研究中，影響2015年信陽市4個(gè)站點(diǎn)PM10或PM2.5濃度的最主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁?，其次是氣壓。從總體上看，日平均氣溫、氣壓、相對濕度、日平均風(fēng)速和最大風(fēng)速對PM2.5的影響稍強(qiáng)于PM10，說明細(xì)粒子污染更容易受到近地層氣象條件的影響而改變。

PM10和PM2.5濃度均與氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，隨著日均氣溫升高，顆粒物濃度呈下降趨勢。這是因?yàn)檩^高的氣溫有利于大氣垂直對流，有利于污染物向外輸送，加快顆粒物擴(kuò)散，從而降低了顆粒物污染；而冬天溫度較低時(shí)，大氣邊界層較低，靜風(fēng)天氣較多，且容易形成逆溫層，不利于污染物的擴(kuò)散，加重污染[23]。

在污染源排放穩(wěn)定的情況下，PM10和PM2.5濃度均與日平均風(fēng)速和最大風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)，風(fēng)速的大小決定著污染物水平擴(kuò)散速率[24]，風(fēng)速越大，越有利于顆粒物的擴(kuò)散，顆粒物濃度就越低；反之，風(fēng)速小時(shí)，大氣對污染物的水平輸送能力差，擴(kuò)散能力也差，容易造成污染物的局部堆積，從而使顆粒物污染加重[25-26]。

PM10和PM2.5濃度均與日平均氣壓呈極顯著正相關(guān)，這是因?yàn)闅鈮鹤兇?，大氣邊界層高度相對變低，氣流運(yùn)動(dòng)較緩慢，不利于顆粒物擴(kuò)散[27]。PM2.5濃度與相對濕度呈顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)楦邼穸扔欣诩?xì)粒子的生成[28]；而PM10濃度與相對濕度無明顯相關(guān)性。

4 結(jié)論與討論

2015年，位于信陽市不同生態(tài)功能區(qū)的4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度日變化特征基本一致，日峰值和日最低值出現(xiàn)的時(shí)間基本同步，除南灣水廠監(jiān)測站表現(xiàn)為一峰一谷外，平橋分局、審計(jì)局和釀酒公司3個(gè)站點(diǎn)均呈現(xiàn)雙峰一谷現(xiàn)象。4個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度峰值均集中出現(xiàn)在20:00-23:00，最低值集中出現(xiàn)在14:00-16:00。從整體上看,夜間PM10和PM2.5污染比白天嚴(yán)重。森林植被具有消減大氣顆粒物的作用，究其原因，一是由于植物葉片對顆粒物的吸附；二是因?yàn)橹参飳饬鞯膭?dòng)力阻塞，當(dāng)氣流受到樹木的阻礙時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，速度會(huì)減慢，部分大粒徑的顆粒物就會(huì)由于重力沉降作用而降落，從而發(fā)揮降低空氣中較大粒徑顆粒物的作用[14]。與其他3個(gè)站點(diǎn)相比，在一天中的不同時(shí)段，森林植被蓋度高、污染源少的南灣水廠監(jiān)測站PM10和PM2.5質(zhì)量濃度值均明顯偏低， PM10和PM2.5濃度值僅分別相當(dāng)于其他3個(gè)站點(diǎn)同時(shí)段的71.2%～93.0%和77.21%～95.82%，而其他3個(gè)站點(diǎn)間同時(shí)段的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度值均出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

表2 PM10和PM2.5質(zhì)量濃度與氣象因子的相關(guān)性分析

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān),*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

4個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5污染均表現(xiàn)為夏季最輕，秋季其次，冬季污染最嚴(yán)重，質(zhì)量濃度大小為夏季<秋季<春季<冬季。在不同季節(jié)，森林植被蓋度高的南灣水廠監(jiān)測站PM10和PM2.5質(zhì)量濃度值均明顯低于其他3個(gè)站點(diǎn)，而其他3個(gè)站點(diǎn)之間比較接近，并存在交叉現(xiàn)象。由PM10造成的空氣污染中，PM2.5占比較高。

2014-2016年，4個(gè)站點(diǎn)的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)逐年下降趨勢。從總體上看，對人體危害更大的細(xì)粒子下降幅度更明顯。

造成大氣顆粒物污染的成因復(fù)雜，在污染源和下墊面森林植被蓋度相對穩(wěn)定的情況下，氣象因子對顆粒物污染有著重要影響。影響2015年信陽市顆粒物污染的最主要?dú)庀笠蜃邮侨站鶜鉁睾蜌鈮?。PM10和PM2.5質(zhì)量濃度日均值與日均氣溫、日均風(fēng)速和日最大風(fēng)速均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與日均氣壓均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；PM2.5濃度值與日均相對濕度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

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