植物群落不同垂直高度對PM2.5濃度的影響

于璐 王譽(yù)潔 孫豐賓 童群 施思 晏海 邵鋒

摘要：為探究冬、春兩季不同植物群落的不同垂直高度處PM2.5濃度的變化，運(yùn)用垂直梯度法對北京奧林匹克森林公園碳通量塔、鷲峰國家森林公園氣象觀測塔及對照點（北京林業(yè)大學(xué)校內(nèi)）共3處樣地進(jìn)行研究。結(jié)果表明：春季樣地的PM2.5濃度值呈現(xiàn)為冠層以上（塔上部，12 m處）>冠層（塔中部，9m處）>冠層以下、地面以上（塔下部）;PM2 5濃度日變化基本呈現(xiàn)06：00-10：00早上高峰，10：00-14：00降低.18：00-22：00又呈現(xiàn)出升高的“倒N”型的變化規(guī)律;鷲峰國家森林公園氣象觀測塔3層PM2.5濃度值表現(xiàn)為塔上層>塔中層>塔下層;3處地點同一高度處的PM2，濃度值表現(xiàn)為北京林業(yè)大學(xué)>奧林匹克森林公園>鷲峰國家森林公園：3處地點的PM2;值為冬季>春季。

關(guān)鍵詞：PM2.5質(zhì)量濃度，垂直梯度法，植物群落

DOI： 10.3969/j.issn.1672-4925.2019.00.007

PM2.5是指空氣動力學(xué)直徑≤2.5 um的顆粒物。PM2.5粒徑極小，擁有很大的比表面積，很利于吸附大量有害的物質(zhì)，從而成為各種污染物的反應(yīng)和積累場所，比如多環(huán)芳烴，重金屬等。PM2.5進(jìn)入肺中沾附在細(xì)胞表面，通過交換損害人類健康。PM2.5分為一次和二次來源，一次來源主要是化石燃料燃燒、生物質(zhì)燃料燃燒、道路揚(yáng)塵、風(fēng)沙等，二次來源主要是空氣中的氣體物質(zhì)，比如硫氧化物、氮氧化物經(jīng)過一系列反應(yīng)形成的顆粒物[1]。

空氣質(zhì)量是人們在生活中感受最直接的環(huán)境要素，改善空氣質(zhì)量可以提高人們的幸福感和獲得感。近年來，有關(guān)植物群落對空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)作用越來越受到科研工作者的關(guān)注。植物在生態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，其在空氣污染防治上首先被科研工作者視為可能降低PM2.5濃度的有效途徑。2010年，日本學(xué)者M(jìn)atsuda K等[2]研究發(fā)現(xiàn)日本夏季森林植物群落對PM2.5有明顯的沉降作用，同樣的結(jié)果在日本[3-5]、中國[6-8]、泰國[9-10]、挪威[11-12]等國家均有發(fā)現(xiàn)。不只是木本植物對PM2.5有顯著阻滯吸附作用，草地對顆粒物也有阻滯作用。Myles L T等[13]在美國進(jìn)行實驗證明，草本植物對于SO，的干沉積有明顯作用。關(guān)于植物群落在垂直梯度上對PM2.5濃度的影響鮮有報道，本文通過對PM2.5濃度在垂直梯度上的變化，可以說明不同高度的植物群落對PM2.5濃度的影響。

1研究地點與研究方法

1.1研究地概況

本次研究地點為北京奧林匹克森林公園碳通量塔（4000139.9”N，116°23'51.4”E）、鷲峰國家森林公園氣象觀測塔（ 40°03' 44.9”N.1160 05'44.8”E）和北京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)主樓（4000'2. 26”N.116°20'21. 15”E）。北京奧林匹克森林公園被北京市五環(huán)路攔腰分為南園和北園兩部分。奧林匹克森林公園碳通量塔位于北園，距五環(huán)路垂直距離大約1 000 m，代表城市林地。鷲峰國家森林公園氣象觀測塔在北京市首都圈生態(tài)研究定位站的側(cè)柏林中，代表郊區(qū)林地。對照點選取于北京林業(yè)大學(xué)主樓的3樓、4樓、5樓3個位置，對照無植被影響下的近地點PM2.5濃度的垂直分布情況。

1.2實驗儀器

本研究采用中流量顆粒物采樣器（武漢天虹.TH - 150C）和石英纖維濾紙（MunktellFilter，AB）采集各監(jiān)測點PM2.5的質(zhì)量。十萬分之一天平（德國賽多利斯.BT125D）分別稱量采樣前后濾紙的質(zhì)量。陶瓷纖維馬弗爐（上海禾工，HG-10-4A）用于去除濾紙上的污染物。手持氣象站（美國NK，kestre14600）用于監(jiān)測各點的風(fēng)速、相對濕度和溫度等信息。鑷子、手套等用于稱量、更換濾紙等實驗環(huán)節(jié)。

1.3研究方法

將石英纖維濾紙放在陶瓷纖維馬弗爐中，設(shè)置600℃灼燒th.燃燒去掉濾紙上面粘附的有機(jī)物等污染物：冷卻后將石英纖維濾紙放在恒溫恒濕箱中處理24 h.稱重后放在濾膜夾中備用，采樣時將濾紙放人中流量顆粒物采樣器中：采集完成后將濾紙再次放入恒溫恒濕箱中處理24 h.然后稱重。本文采用2011年國家環(huán)保部公布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣PMio和PM2.5的測定一重量法》（ Determination of atmospheric articles PMio andPM2.5 in ambient air by gravimetrie， method HJ 618-2011）采集大氣顆粒物并分析質(zhì)量濃度。分別于2016年2月（冬季）和5月（春季）采集空氣中的PM2.5顆粒物。每季采集一周（7 d），每天分為06：00-10：00， 10：00-14：00， 14：00-18： 00， 18： 00-22： 00， 22： 00-06： 00（翌日）共5個時間段，每個時間段連續(xù)采集4h.每個時間段內(nèi)去掉更換濾紙的時間，實際采集時間為3.5 h，采樣器流量為100 L/min。觀測日選擇晴朗的靜風(fēng)或微風(fēng)天氣，排除風(fēng)對顆粒物濃度的影響。

2結(jié)果與分析

2.1同一地點不同高度處PM2.5的濃度對比

從圖1可以看出，春季鷲峰國家森林公園氣象觀測塔和奧林匹克森林公園碳通量塔的PM2.5濃度值呈現(xiàn)為冠層以上（塔上部.12 m處）>冠層（塔中部，9m處）>冠層以下、地面以上（塔下部）;PM2.5濃度日變化基本呈現(xiàn)出06：00-10：00的早上高峰.10：00-14：00降低.18：00-22：00又呈現(xiàn)出升高的“倒N型”的變化規(guī)律，上中下3層基本趨勢一致。上班的早高峰出現(xiàn)在06：00-10：00.從而使這個時間段內(nèi)的PM2.5濃度升高，但由于塔中和塔下的植物對PM2.5有阻滯作用，所以PM2.5濃度呈現(xiàn)出冠層以上高于冠層和冠層以下。大氣顆粒物濃度的這種日變化規(guī)律與一天中氣象條件和大氣狀態(tài)的變化有很大關(guān)系，白天14：00-18：00.太陽光照強(qiáng)、空氣溫度高、相對濕度比較小，空氣之間的交換加強(qiáng)，有利于大氣顆粒物的輸送和擴(kuò)散，從而使其濃度達(dá)到最低：與之相反，早上06：00-10：00.晚上18：00-22：00時間段內(nèi)空氣溫度低、相對濕度大以及靜風(fēng)的氣象條件，不利于大氣顆粒物的擴(kuò)散和輸送，使其聚集增多，這兩個時間段內(nèi)大氣層是一天中最穩(wěn)定的。14：00-18：00大氣混合層厚度最高，大氣最不穩(wěn)定，湍流和對流充分發(fā)展，擴(kuò)散稀釋能力強(qiáng)。劉旭輝等[14]在對北京市公園植被對PM2.5的影響研究中，發(fā)現(xiàn)不同植被日變化呈現(xiàn)出一日雙峰的趨勢。

鷲峰國家森林公園距離市區(qū)較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離PM2.5汽車排放源頭，冠層以上的PM2.5監(jiān)測點沒有植物的影響而直接暴露在大氣中，所顯示的是相應(yīng)高度的大氣中PM2.5的濃度，冠層中部PM2.5濃度由于受到植物群落的影響，顆粒物撞擊到植物葉片表面后，部分顆粒物可能會被粘附到葉片上，從而降低了大氣中PM2.5的濃度。冠層下部的顆粒物是在冠層下方，同樣受到了植物葉片的影響，所以呈現(xiàn)出冠中、下層低于上層的現(xiàn)象。

冬季的奧林匹克森林公園的上中下3層的PM2.5濃度變化不是很明顯，主要是因為這個季節(jié)的奧林匹克森林公園觀測塔附近都是落葉樹構(gòu)成的植物群落，植物葉片很少，對PM2.5的濃度影響不大。對照冬季鷲峰國家森林公園3層的濃度變化，明顯可以看出上層高于下層，從而驗證了植物群落對PM2.5的影響是正相關(guān)[15-18]。李仁娜[19]在對北京市森林不同層次對PM2.5中水溶性離子的影響研究中發(fā)現(xiàn)，塔上>塔中>塔下，這與本文結(jié)果比較一致。

2.2不同地點同一高度處PM2.5的濃度對比

如圖2顯示，在同樣層次的不同地點，PM2.5的濃度均呈現(xiàn)出市區(qū)綠地高于郊區(qū)綠地的結(jié)果。主要是市區(qū)內(nèi)污染物濃度高于郊區(qū)，而且郊區(qū)的綠地面積遠(yuǎn)大于市區(qū)，通過植物的阻滯作用有效降低了PM2.5的濃度。在3個地點同一高度的PM2.5監(jiān)測處，PM2.5的濃度值表現(xiàn)為北京林業(yè)大學(xué)>奧林匹克森林公園>鷲峰國家森林公園。北京林業(yè)大學(xué)PM2.5的濃度最高是因為該地點緊鄰清華東路交通主干道.PM2.5的主要來源是汽車尾氣相對較多。北京林業(yè)大學(xué)監(jiān)測點前方與清華東路之間有一個草坪，但是由于沒有其他高大植物遮擋.PM2.5的濃度降低不是很明顯。奧林匹克森林公園同一高度處PM2.5的濃度要低于北京林業(yè)大學(xué)對照點，該地點植物覆蓋度較高，有穩(wěn)定的植物群落結(jié)構(gòu)，這說明植物群落對PM2.5的濃度有較明顯的降低作用。陳俊剛等[20]在北京市不同植被對PM2.5的影響中發(fā)現(xiàn)，不同層次的植被對于阻滯吸附顆粒物有明顯差異，層次越復(fù)雜，滯塵效果越好。除地理位置因素外，由于鷲峰國家森林公園以針葉林為主，這也使得其PM2.5的濃度低于同是森林公園但以闊葉林為主的奧林匹克森林公園。

2.3不同季節(jié)PM2.5的濃度對比

PM2.5主要來源于化石燃料燃燒等，因此PM2.5的濃度變化呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征。實驗表明，3處地點PM2.5的濃度值為冬季>春季。這是由于冬季供暖所用的化石燃料燃燒所致，除了交通源外，多了一個重要來源一采暖燃料燃燒，從而使PM2.5的濃度增大，PM2.5值升高。春季由于采暖季的結(jié)束，PM2.5的來源很大一部分減少，導(dǎo)致PM2.5的濃度降低，而且春季大量相對茂密的植物葉片對PM2.5起到阻滯吸附的作用，在一定程度上也降低了PM2.5的濃度。

3結(jié)論

春季樣地PM2.5的濃度值呈現(xiàn)為冠層以上（塔上部，12 m處）>冠層（塔中部，9m處）>冠層以下、地面以上（塔下部）;PM2.5的濃度日變化基本呈現(xiàn)出06：00-10：00的早上高峰.10：00-14：00降低.18：00-22：00又呈現(xiàn)出升高的“倒N”型的變化規(guī)律。在3個地點同一高度的監(jiān)測處，PM2.5的濃度值表現(xiàn)為北京林業(yè)大學(xué)>奧林匹克森林公園>鷲峰國家森林公園。主要是市區(qū)內(nèi)污染物濃度高于郊區(qū)，而且郊區(qū)的綠地面積遠(yuǎn)大于市區(qū)，通過植物的阻滯作用有效降低了PM2.5的濃度。

3處地點的PM2.5濃度為冬季>春季。這是由于冬季供暖所用的化石燃料的燃燒所致，針葉林為主的鷲峰國家森林公園對PM2.5顆粒物的阻滯作用大于落葉闊葉林為主的奧林匹克森林公園，從植物群落對PM2.5的阻滯效果來看，針葉林的阻滯作用高于落葉闊葉林。

本文主要是針對同一種植物構(gòu)成的群落不同高度處對PM2.5的濃度影響，對于復(fù)層結(jié)構(gòu)植物群落的不同高度處對PM2.5濃度的影響需要在后續(xù)研究中予以關(guān)注。對植物群落不同垂直高度對PM2.5顆粒物濃度的影響研究，可以為今后植物群落設(shè)計和構(gòu)建提供有益指導(dǎo)，也能為城市綠地的合理布局與規(guī)劃提供理論依據(jù)，從而更好地發(fā)揮綠地改善空氣環(huán)境質(zhì)量的作用，進(jìn)一步緩解城市環(huán)境問題。

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收稿日期：2018 - 04- 25

基金項目：國家自然科學(xué)基金“基于局地氣候區(qū)分類的城市熱環(huán)境時空變化特征及其主要景觀驅(qū)動因子研究”（ 51508515）;

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃“城市綠地空氣PM2.5濃度的動態(tài)變化及影響因素”（2018 R412044）

第一作者：于璐（1992 -），女，碩士生，研究方向為園林植物應(yīng)用與園林生態(tài)。E- mail.2831833809@ qq.com

通信作者：邵鋒（1979-），男，博士生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為園林植物應(yīng)用與園林生態(tài)。L-mail： shaofeng79@ sina.com