福建省空氣質(zhì)量與森林覆蓋率的關(guān)系研究

張靈婕,尤添革,林柳璇,陳淑真,黃 昱

(福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，福建福州350002)

福建省位于我國東南沿海,地處北緯 23°33′-28°20′、東經(jīng) 115°50′-120°40′,目前設(shè)有福州、泉州、寧德、廈門、南平、漳州、三明、龍巖、莆田九個(gè)設(shè)區(qū)市和平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū),土地面積12.4萬km2。全省自然環(huán)境優(yōu)越,空氣質(zhì)量優(yōu)良,據(jù)福建省林業(yè)廳發(fā)布的林業(yè)概況顯示,福建省以65.95%的森林覆蓋率居全國首位,并且多年位居榜首。據(jù)福建省環(huán)境保護(hù)廳發(fā)布的2017年福建省環(huán)境狀況顯示,福建省空氣質(zhì)量優(yōu)良,6項(xiàng)主要污染物年均值都達(dá)到國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其中3項(xiàng)甚至超過國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),九個(gè)設(shè)區(qū)市達(dá)標(biāo)天數(shù)占比96.2%,位居全國前列。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,城市化、工業(yè)化日趨推進(jìn),我國空氣質(zhì)量問題頻繁發(fā)生,并且困擾著我國大部分地區(qū),以致改善空氣質(zhì)量得到了全社會(huì)的重視。影響空氣質(zhì)量的因素諸多,如機(jī)動(dòng)車保有量、人均綠化面積、工業(yè)總產(chǎn)值、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技水平、常住人口等社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及科技方面的因素,也有濕度、溫度、降水量、風(fēng)速等氣象因素(張存厚等,2018)。目前,多數(shù)學(xué)者都是對(duì)以上因素進(jìn)行分析,而就森林覆蓋率對(duì)空氣質(zhì)量的影響研究較少,但是森林做為城市生態(tài)建設(shè)中唯一能夠自我凈化的“天然過濾器”,在凈化空氣顆粒物、優(yōu)化空氣質(zhì)量方面有著非常大的作用。由于廈門是單列市,所以本文主要基于福建省其他八個(gè)設(shè)區(qū)市2017年的空氣質(zhì)量及森林覆蓋率數(shù)據(jù),就森林覆蓋率對(duì)空氣質(zhì)量的影響進(jìn)行簡要分析。

1 研究概況

1.1 空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

2012年我國環(huán)保部出臺(tái)新空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將AQI(Air Pollution Index)做為空氣污染指數(shù),其綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)包括 PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO,其中 PM10為細(xì)顆粒物,PM2.5為可吸入顆粒物。AQI分為六個(gè)級(jí)別,級(jí)別越高污染越嚴(yán)重,反之污染越輕(許文軒等,2017)。

1.2 森林覆蓋率

森林覆蓋率是反映一個(gè)國家或地區(qū)森林資源豐富情況的指標(biāo),即森林面積占土地面積的百分比,計(jì)算公式如下(關(guān)玉賢,2015)：

森林覆蓋率(%)＝(有林地面積+國家特別規(guī)定灌木林面積)/土地總面積×100 (1)

福建省從1978年就開始五年一次的森林資源清查工作,目前已經(jīng)進(jìn)行過八次清查。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

從天氣后報(bào)網(wǎng)站(http：∥www.tianqihoubao.com)獲取福建省八個(gè)設(shè)區(qū)市2015-2017年的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù),包括AQI及各綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的每日濃度。并且由福建日?qǐng)?bào)數(shù)字報(bào)刊平臺(tái)(http：∥fjrb.fjsen.com)獲取2017年福建省八個(gè)設(shè)區(qū)市的森林覆蓋率數(shù)據(jù)。再由2016-2017福建統(tǒng)計(jì)年鑒獲取部分空氣污染源數(shù)據(jù)。

2.2 季節(jié)指數(shù)賦權(quán)

由于各個(gè)季度的空氣質(zhì)量水平存在差距,如果僅用簡單的算術(shù)平均不能很好的反應(yīng)某一年的平均空氣質(zhì)量水平,所以本文采用季節(jié)指數(shù)的占比對(duì)各季度進(jìn)行加權(quán),最終用加權(quán)平均值來反映某一年的平均空氣質(zhì)量水平。具體加權(quán)方法如下：

(1)計(jì)算各年同季度空氣質(zhì)量觀察值的平均數(shù)xj,j為季度(j＝1,2,3,4)。

(2)計(jì)算各年空氣質(zhì)量的總平均數(shù)x。

(3)計(jì)算j季度的季節(jié)指數(shù)Sj,并求得各季節(jié)的季節(jié)指數(shù)占比做為權(quán)重Wj：

(4)將所求年份各季度空氣質(zhì)量的簡單算術(shù)平均數(shù)求出,并對(duì)其再進(jìn)行加權(quán)平均求得該年的總平均空氣質(zhì)量水平(高孝偉等,2006)。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的一個(gè)重要分支,其利用線性插值將各離散行為值轉(zhuǎn)化為為分段連續(xù)的折線,并根據(jù)折線的幾何相似度來判斷各序列的關(guān)聯(lián)程度,越相似越關(guān)聯(lián)?；疑P(guān)聯(lián)分析在處理數(shù)據(jù)量少、信息缺乏等問題時(shí)有良好的性質(zhì)(劉思峰等,2017)。

目前,關(guān)于灰色關(guān)聯(lián)分析的模型不斷發(fā)展,出現(xiàn)了很多新模型,如絕對(duì)關(guān)聯(lián)度、相對(duì)關(guān)聯(lián)度、相似性關(guān)聯(lián)度、接近性關(guān)聯(lián)度和三維關(guān)聯(lián)度等,但其皆是由最經(jīng)典的鄧氏灰色關(guān)聯(lián)度發(fā)展而來的,所以本文將基于經(jīng)典鄧氏灰色關(guān)聯(lián)度模型,對(duì)福建省森林覆蓋率與空氣質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行簡要的探討。計(jì)算過程如下(吳默妮等,2016)：

(1)確定反映系統(tǒng)行為特征的參考序列X0(k)＝[x0(1),x0(2),…,x0(n)]和影響系統(tǒng)行為的比較序列Xi(k)＝[xi(1),xi(2),…,xi(n)],并利用公式(4)進(jìn)行初始化。

式中,i＝1,2,…,m,表示比較序列的種類；k＝1,2,…,n,表示所選取設(shè)區(qū)市的序號(hào)。

(2)計(jì)算X′0(k)和X′i(k)對(duì)應(yīng)分量之差的絕對(duì)值序列△i：

(3)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(4)求得灰色關(guān)聯(lián)度：

對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行簡要分析可知森林覆蓋率與 AQI、PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3呈負(fù)相關(guān)與CO成正相關(guān),但是灰色關(guān)聯(lián)分析僅處理正相關(guān)序列,所以對(duì)負(fù)相關(guān)的序列進(jìn)行倒數(shù)化算子變化,使其呈現(xiàn)正相關(guān)。倒數(shù)化算子如下：

2.4 方差分析與協(xié)方差分析

方差分析是用于檢驗(yàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上樣本所代表總體的均值是否具有顯著差異,是用來研究某控制變量不同水平對(duì)觀測變量是否產(chǎn)生了顯著影響,根據(jù)控制變量個(gè)數(shù)將其分為單因素方差分析和多因素方差分析。單因素方差分析中,觀測變量的總離差平方和(SST)由組間離差平方和(SSA)與組內(nèi)離差平方和(SSE)組成,表示為SST＝SSA+SSE。其中組間離差平方和表示控制變量不同水平對(duì)觀測變量產(chǎn)生的影響,組內(nèi)離差平方和表示隨機(jī)因素對(duì)觀測變量的影響,若組間離差平方和占比大,則控制變量不同水平對(duì)觀測變量的解釋程度較大,說明控制變量對(duì)觀測變量的影響較大(鄒祎,2016)。其基本步驟如下：

(1)提出原假設(shè)Ho：控制變量不同水平下觀測變量各總體的均值無顯著差異；

(3)計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與概率P值；

(4)給定顯著水平α,并做出決策,若P ＜α,則拒絕Ho,若P ＞α,則接受Ho。

協(xié)方差分析實(shí)際就是帶有協(xié)變量的方差分析。在實(shí)際中,常出現(xiàn)一些人為難以控制但是對(duì)觀測變量存在影響的協(xié)變量,為了更加準(zhǔn)確靈敏地分析控制變量對(duì)觀測變量的影響,就需要剔除協(xié)變量的干擾,從而協(xié)方差分析就得到了廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)果與分析

3.1 福建空氣質(zhì)量污染因子分析

利用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法分別對(duì)福建八個(gè)設(shè)區(qū)市的空氣質(zhì)量污染因子進(jìn)行分析,來確定各污染因子在各城市的污染貢獻(xiàn)程度。計(jì)算公式如下：

式中,Wi為第i種污染物的權(quán)重,ai為第i種污染物的實(shí)際觀測值,bi為第i種污染物各級(jí)別濃度限值的算術(shù)平均值(國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2012)。

由圖1可以看出貢獻(xiàn)較多的污染因子為PM2.5、PM10、NO2、O3,這些多源于煤炭、石油等化石燃料燃燒、機(jī)動(dòng)車尾氣排放等,而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,工業(yè)企業(yè)及機(jī)動(dòng)車保有量的增多都是不可避免的,所以我們必須尋找方法來減少空氣污染物,以保持良好的空氣質(zhì)量。而森林就在凈化空氣方面擔(dān)當(dāng)著重要角色,下面將針對(duì)森林覆蓋率與各污染因子之間的關(guān)系進(jìn)行簡要分析。

圖1 福建八個(gè)設(shè)區(qū)市各空氣質(zhì)量污染因子占比Figure 1 The proportion of air pollution factors in eight districts of Fujian

3.2 森林覆蓋率與各污染因子關(guān)聯(lián)分析

3.2.1 灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算結(jié)果 根據(jù)福建省八個(gè)設(shè)區(qū)市2015-2017年的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)及2017年森林覆蓋率數(shù)據(jù),由公式(2)-(3)求得各地區(qū)不同季度的權(quán)重,通過加權(quán)平均求得2017年的平均空氣質(zhì)量水平(表1)。

由公式(4)-(8)求得2017年福州地區(qū)森林覆蓋率與空氣質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的灰色關(guān)聯(lián)度。由表2可知森林覆蓋率與AQI的關(guān)聯(lián)度較大,接近0.8,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,并且可以看出森林覆蓋率對(duì)空氣質(zhì)量的影響主要集中在PM10、O3、CO,特別是與O3的關(guān)聯(lián)度最大。所以本文主要對(duì)PM10、O3、CO這三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行簡要分析。

表1 福建八個(gè)設(shè)區(qū)市2017年的森林覆蓋率及空氣質(zhì)量水平Table 1 The forest coverages and air quality levels in eight districts of Fujian in 2017

表2 空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)與森林覆蓋的灰色關(guān)聯(lián)度Table 2 The grey correlation between air quality index and forest cover

3.2.2 森林覆蓋率對(duì)PM10的影響 PM10是指直徑小于等于10 μm的顆粒物,也稱可吸入顆粒物,多來自燃煤、化工、冶金等工業(yè)過程中排放的顆粒物,是導(dǎo)致空氣污染的首要因素。PM10可被人體吸入,并且會(huì)攜帶許多病菌和有毒物質(zhì),長期積累會(huì)導(dǎo)致人體支氣管、呼吸道及肺部等疾病(聶蕾等,2016)。PM10依賴氣流傳播,而森林的樹冠會(huì)改變氣流方向、降低氣流速度,使PM10沉降加快,減緩擴(kuò)散,且森林內(nèi)的高空氣濕度也增大了PM10的黏度和重量,使其沉降加快。除此之外,植物葉面的特殊結(jié)構(gòu)及濕潤性能吸附PM10并將其滯留在葉面上,起到降低PM10的作用,能有效避免二次揚(yáng)塵帶來的二次污染。一般而言,森林覆蓋率越大,滯塵能力越強(qiáng),福建省的高森林覆蓋率,增強(qiáng)了對(duì)顆粒物的抑制作用,與本次灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果相符合(王曉磊等,2014)。

圖2 大氣垂直分層Figure 2 Atmospheric vertical stratification

3.2.3 森林覆蓋率對(duì)O3的影響 O3(臭氧)是對(duì)人類非常重要的一種氣體,其大約90%處在平流層(圖2),可防止過多的紫外線照射到地球上。但近地面的O3稱為臭氧污染了,主要來源于機(jī)動(dòng)車尾氣排放、石油化工產(chǎn)業(yè)、加油站揮發(fā)及火力發(fā)電等,產(chǎn)生的大量揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和氮氧化物(NOx),經(jīng)過一系列光化學(xué)反應(yīng)生成O3,此外,遠(yuǎn)距離水平傳輸和大氣垂直湍流輸送也是 O3的重要來源(羅雄標(biāo),2015；朱治林等,2014)。O3會(huì)和呼吸道中的細(xì)胞、體液和組織迅速反應(yīng),導(dǎo)致肺功能下降、咽喉腫痛等,還會(huì)影響血液輸氧、神經(jīng)中毒,甚至使人體畸變,且過高濃度的O3對(duì)農(nóng)作物、生態(tài)系統(tǒng)也有著不利影響(吳柯岑,2017)。而植被冠層表面的氣孔會(huì)吸收O3,使O3濃度下降,據(jù)研究,在高濕度條件下,會(huì)增強(qiáng)森林對(duì)O3的吸收,如葉片上有露珠,樹冠表面對(duì)O3的吸收就會(huì)顯著增加(Putian et al.,2017)。福建省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,降水量充足,因此森林冠層濕度較大,對(duì)O3的吸收也顯著增加,使得森林覆蓋率與O3的灰色關(guān)聯(lián)度最大。森林植被還會(huì)減少太陽輻射,其蒸騰作用也會(huì)增大濕度、降低溫度,在一定程度上減緩O3的生成(齊冰等,2017)。

3.2.4 森林覆蓋率對(duì)CO的影響 CO是生物質(zhì)燃燒過程中因不完全燃燒產(chǎn)生的重要溫室氣體,大氣中的CO多源于火力發(fā)電及工業(yè)生產(chǎn)過程中燃料燃燒排放的廢氣、機(jī)動(dòng)車排放的尾氣。CO對(duì)人體的血液及神經(jīng)系統(tǒng)有很大的危害,會(huì)導(dǎo)致組織缺氧壞死甚至危及生命。而森林植被是天然的清道夫,會(huì)吸收包括CO在內(nèi)的許多有毒氣體,使空氣中CO濃度下降。森林的降溫作用會(huì)使甲烷、非甲烷碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)減緩,減少CO的生成。研究表明,植被會(huì)減少空氣中CO的濃度,即森林覆蓋率與CO呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),但是本研究結(jié)果顯示森林覆蓋率與CO卻呈現(xiàn)正相關(guān),與研究不符。這是由于福建省屬于亞熱帶地區(qū),森林覆蓋率雖高,但也是森林火災(zāi)的高發(fā)區(qū)之一,而森林火災(zāi)是生物質(zhì)燃燒的重要組成部分之一,也是導(dǎo)致CO濃度增大的主要原因之一(靳全鋒等,2017)。所以就福建省而言,其森林覆蓋率與CO呈正相關(guān)的結(jié)果也是與實(shí)際相符的。

3.2.5 剔除協(xié)變量影響 由于空氣質(zhì)量的影響因素頗多,僅單獨(dú)考慮森林覆蓋率對(duì)各空氣污染物的影響,會(huì)使結(jié)論存在一定偏差。若污染源很大,即使森林覆蓋率也很大,其對(duì)空氣質(zhì)量的改善結(jié)果也將不明顯,簡而言之就是污染源會(huì)抵消森林覆蓋對(duì)空氣質(zhì)量的改善作用,所以在研究二者關(guān)系的同時(shí),為了使結(jié)論更為可靠,需要排除污染源大小的干擾。在諸多其他影響因素中選擇全社會(huì)機(jī)動(dòng)車擁有量、工業(yè)總產(chǎn)值、人口密度這三個(gè)主要污染源做為代表,在以上研究的基礎(chǔ)上排除這三者的干擾。

由于2018年福建統(tǒng)計(jì)年鑒尚未發(fā)布2017年相關(guān)數(shù)據(jù),所以2017年的全社會(huì)機(jī)動(dòng)車擁有量、工業(yè)總產(chǎn)值、人口密度這三者數(shù)據(jù)將用2016年數(shù)據(jù)代替進(jìn)行處理。根據(jù)2015-2017年各設(shè)區(qū)市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析與協(xié)方差分析(表3)。

表3 各污染因子考慮協(xié)變量前后的方差分析Table 3 Variance analysis of pollution factors before and after considering their covariates

由表3可以看出,組間平方和(SSA)在考慮協(xié)變量的影響后都有所減少,說明這三個(gè)協(xié)變量在森林覆蓋率與空氣質(zhì)污染因子的關(guān)系研究中確實(shí)存在一定的干擾。在考慮協(xié)變量前,森林覆蓋率對(duì)各污染因子存在顯著的影響(P＜0.05)；進(jìn)行協(xié)方差分析后,PM2.5、PM10、SO2、NO2的P值仍小于顯著水平,說明森林覆蓋率對(duì)該4項(xiàng)污染因子的影響受全社會(huì)機(jī)動(dòng)車擁有量、工業(yè)總產(chǎn)值、人口密度三者的干擾程度較小,即該4項(xiàng)污染因子在上述灰色關(guān)聯(lián)分析中的結(jié)論較為可靠。而CO與O3在考慮協(xié)變量后,森林覆蓋率對(duì)二者的影響變?yōu)椴伙@著(P＞0.05),可見森林覆蓋率對(duì)CO與O3的影響受三個(gè)協(xié)變量的干擾較大,導(dǎo)致森林覆蓋率對(duì)二者的改善作用被抵消較多。因?yàn)檫x取的這三個(gè)協(xié)變量就是產(chǎn)生CO與O3的最主要來源,以致于三者的大小對(duì)CO與O3的影響程度較大。雖然森林覆蓋率對(duì)CO與O3的影響在協(xié)方差分析后轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著,但是上述灰色關(guān)聯(lián)分析中的結(jié)論仍是有一定意義的。

4 結(jié)論與展望

依據(jù)福建省八個(gè)設(shè)區(qū)市2015-2017年的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及2017年森林覆蓋率,通過經(jīng)典鄧氏灰色關(guān)聯(lián)分析,結(jié)果表明森林覆蓋率與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的關(guān)聯(lián)度接近0.8,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。并且在空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)中PM10、O3、CO這三項(xiàng)與森林覆蓋率的關(guān)聯(lián)度超過0.8,說明森林覆蓋率與該三項(xiàng)污染物顯著相關(guān)。由于福建省屬于森林火災(zāi)高發(fā)區(qū),導(dǎo)致高森林覆蓋率與高CO同時(shí)存在,與森林對(duì)CO的抑制作用不吻合,但總體結(jié)果仍然表明森林覆蓋對(duì)空氣質(zhì)量是存在積極作用的。為更準(zhǔn)確研究森林覆蓋率與空氣質(zhì)量污染因子的關(guān)系,進(jìn)行協(xié)方差分析,在考慮協(xié)方差干擾后森林覆蓋率對(duì)空氣質(zhì)量污染因子的影響與灰色關(guān)聯(lián)分析較為一致,從而也提高了結(jié)論的可靠性。隨著社會(huì)發(fā)展,森林對(duì)人類及生態(tài)的作用越來越大,不僅可以凈化空氣、土壤、水體,還可以為人類帶來健康的身體。森林是人類社會(huì)中不可替代的保護(hù)傘,所以我們更應(yīng)該營造良好的森林環(huán)境,讓森林更好的服務(wù)人類。