森林植被對(duì)信陽(yáng)市城郊PM2.5等顆粒物污染的影響

馮萬(wàn)富 邱林 單燕祥 張建設(shè) 李月鳳 周繼良 柳勇

摘要：選擇森林植被蓋度存在明顯差異的信陽(yáng)市中心城區(qū)-近郊區(qū)-遠(yuǎn)郊區(qū)分別設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)開展大氣顆粒物污染同步定位觀測(cè)，比較分析了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種粒徑顆粒物質(zhì)量濃度日變化和季節(jié)變化特征及其影響因素。結(jié)果表明，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種顆粒物質(zhì)量濃度日變化特征基本一致，峰值和最低值出現(xiàn)的時(shí)間基本同步。上午顆粒物污染比下午嚴(yán)重。3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的顆粒物污染均表現(xiàn)為夏季最輕，秋季次之，冬季污染最嚴(yán)重。森林植被具有強(qiáng)大的削減PM2.5等顆粒物污染的功能，監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒物質(zhì)量濃度與森林植被蓋度呈負(fù)相關(guān)。在日變化和季節(jié)變化中，森林植被蓋度最高的生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種顆粒物質(zhì)量濃度均明顯低于其他2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);同樣，森林植被蓋度較高的浉河景觀帶監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種顆粒物質(zhì)量濃度均明顯低于缺林少綠的體彩廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。影響顆粒物污染的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁睾蜌鈮?。PM2.5等4種顆粒物質(zhì)量濃度與日均氣溫均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與日均氣壓均呈極顯著正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：森林植被;PM2.5;大氣顆粒物;氣象因子;信陽(yáng)市

中圖分類號(hào)：S731.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）16-0049-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.011? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： The Xinyang central city-near suburb-far suburbs， where there were obvious differences in forest vegetation coverage were chosen to set up monitoring points to carry out simultaneous location observation of atmospheric particulate matter pollution， and the diurnal and seasonal variation characteristics and influencing factors of mass concentration of four kinds of particulate matter， such as TSP， PM10， PM2.5 and PM1， were compared and analyzed in three monitoring sites. The results showed that the daily variation characteristics of the mass concentration of 4 particles in 3 monitoring points were basically consistent， and the time of peak and lowest value was basically synchronized. Particulate pollution in the morning was more serious than in the afternoon. The pollution of particulate matter in 3 monitoring points was the lightest in summer， the second in autumn and the worst in winter. Forest vegetation had a strong function of reducing particulate matter pollution such as PM2.5， and the concentration of particulate matter in the monitoring point was negatively correlated with the canopy of forest vegetation. In the diurnal and seasonal variations， the concentration of 4 kinds of particulate matter in the Ecological station monitoring site with the highest forest cover was significantly lower than that of other 2 monitoring points; In the same way， the mass concentrations of four kinds of particulate matter in the monitoring sites of Shihe River landscape zone with higher forest vegetation coverage were significantly lower than those in the Ticai square， where there was a lack of greening. The main meteorological factors affecting particulate matter are temperature and air pressure. The mass concentrations of 4 kinds of particulate matter were significantly negatively correlated with daily average temperature， and were significantly positively correlated with daily air pressure PM2.5.

Key words： forest vegetation; PM2.5; atmospheric particulate matter; meteorological factors; Xinyang city

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(wèn)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)等效粒徑大小，可被分為總懸浮顆粒物（TSP，d≤100 μm）、可吸入顆粒物（PM10，d≤10 μm）、細(xì)顆粒物（細(xì)粒子、PM2.5，d≤2.5 μm）和超細(xì)顆粒物（PM1，d≤1.0 μm）[2]，對(duì)空氣質(zhì)量和人體健康有重要影響[2，3]。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(duì)人類健康危害以及顆粒物污染治理等方面[4-7]。不同梯度及背景地區(qū)PM2.5等顆粒物污染的比較研究以及森林植被對(duì)PM2.5等顆粒物的調(diào)控功能方面的研究較少，致使能夠?yàn)槌鞘猩止芾砗涂諝赓|(zhì)量提高提供依據(jù)的生態(tài)學(xué)信息不全面[8]。森林植被對(duì)大氣顆粒物有明顯的削減作用[9，10]。利用森林復(fù)雜冠層結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒物的吸收阻滯作用成為治理PM2.5等顆粒物污染的一項(xiàng)重要措施[11，12]。

于2017年選擇森林植被蓋度存在明顯差異的信陽(yáng)市中心城區(qū)（體彩廣場(chǎng)）-近郊區(qū)（信陽(yáng)市西郊南灣湖風(fēng)景區(qū)浉河南岸景觀帶，距離市中心6 km）-遠(yuǎn)郊區(qū)（河南雞公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，距離市中心30 km）分別設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同步監(jiān)測(cè)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種不同粒徑顆粒物的質(zhì)量濃度，結(jié)合同期氣象觀測(cè)資料，研究比較了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種顆粒物質(zhì)量濃度的日變化和季節(jié)變化特征，分析了氣溫、氣壓等氣象因子對(duì)顆粒物污染的影響，旨在探討森林植被對(duì)PM2.5等顆粒物的吸附調(diào)控機(jī)理，闡釋森林凈化環(huán)境空氣功能，為城市大氣污染防治、城區(qū)規(guī)劃以及森林城市建設(shè)等提供參考。

1? 研究區(qū)概況

信陽(yáng)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1.89萬(wàn)km2，總?cè)丝?80萬(wàn)。信陽(yáng)市地跨淮河，處于中國(guó)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(guò)渡區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)且季節(jié)變化明顯。光照充足，雨量豐沛，年均氣溫15.3 ℃，年均日照2 000 h，年降水量1 300 mm，年均空氣相對(duì)濕度77%，無(wú)霜期225 d。

中心城區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在體彩廣場(chǎng)，周圍缺林少綠，僅零星分布著香樟樹[Cinnamomum camphora （L.） Presl.]等行道樹以及大葉黃楊（Buxus megistophylla Levl.）等綠籬，干擾強(qiáng)度較高;近郊監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在距離市中心6 km的信陽(yáng)市西郊南灣湖風(fēng)景區(qū)浉河南岸景觀帶，周圍主要樹種有廣玉蘭（Magnolia grandiflora Linn.）、雪松（Cedrus deodara）、欒樹（Koelreuteria paniculata Laxm.）等，森林植被蓋度50%左右，干擾強(qiáng)度中等;遠(yuǎn)郊監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在距離市中心30 km的河南省雞公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)落葉櫟林內(nèi)（雞公山森林生態(tài)站站區(qū)附近），主要樹種有栓皮櫟（Quercus variabilis Blume.）、麻櫟（Quercus acutissima Carr.）等，森林植被蓋度高達(dá)95%，干擾強(qiáng)度較低（表1）。

2? 研究方法

2.1? 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

選取的3個(gè)大氣顆粒物監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于中心城區(qū)的體彩廣場(chǎng)、近郊區(qū)的浉河景觀帶和遠(yuǎn)郊區(qū)的雞公山森林生態(tài)站，位置如圖1所示。

2.2? 監(jiān)測(cè)方法與數(shù)據(jù)處理

為便于比較、減少天氣狀況對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度造成的影響，數(shù)據(jù)采集均選擇在晴天進(jìn)行。每月監(jiān)測(cè)3 d，其中上、中、下旬各1 d。受限于監(jiān)測(cè)儀器電池電量，每日監(jiān)測(cè)時(shí)間段為7：00—18：00，城郊梯度3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同步連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器為英國(guó)Turnkey公司生產(chǎn)的DUSTMATE便攜式顆粒物檢測(cè)儀，該儀器可同時(shí)檢測(cè)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種不同粒徑的顆粒物質(zhì)量濃度。同期氣溫、相對(duì)濕度、氣壓和風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于距離生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)30 m的河南省雞公山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站氣象觀測(cè)場(chǎng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

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)分析及圖表制作采用SPSS 17.0軟件和Microsoft Excel 2007軟件完成。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5等4種顆粒物質(zhì)量濃度日變化

3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種粒徑的顆粒物質(zhì)量濃度在一天中的7：00—18：00時(shí)段變化趨勢(shì)基本一致，峰值和最低值出現(xiàn)的時(shí)間基本同步，從7：00開始呈逐漸下降趨勢(shì)，并在15：00前后降低到一天中的最低值，然后緩慢上升（圖2至圖5）。

3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種大氣顆粒物質(zhì)量濃度峰值集中出現(xiàn)在7：00—10：00，其中生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM10和PM2.5質(zhì)量濃度峰值（分別為56.79、26.50 μg/m3）均出現(xiàn)在8：00—9：00，而TSP峰值（105.88 μg/m3）出現(xiàn)在9：00—10：00，PM1峰值（11.33 μg/m3）出現(xiàn)在7：00—8：00;浉河景觀帶PM10、PM2.5和PM1峰值（分別為77.90、40.55和19.04 μg/m3）均出現(xiàn)在8：00—9：00，而TSP峰值（141.95 μg/m3）出現(xiàn)在7：00—8：00;體彩廣場(chǎng)TSP和PM1峰值（分別為158.36和19.87 μg/m3）均出現(xiàn)在7：00—8：00，而PM10峰值（93.20 μg/m3）出現(xiàn)在8：00—9：00，PM2.5峰值（47.29 μg/m3）出現(xiàn)在9：00—10：00。

3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種大氣顆粒物質(zhì)量濃度最低值集中出現(xiàn)在13：00—16：00，其中生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)TSP、PM10和PM2.5質(zhì)量濃度最低值（分別為89.15、43.24和14.60 μg/m3）均出現(xiàn)在15：00—16：00，而PM1最低值（6.75 μg/m3）出現(xiàn)在14：00—15：00;浉河景觀帶TSP、PM2.5和PM1最低值（分別為103.35、21.34和8.38 μg/m3）均出現(xiàn)在14：00—15：00，而PM10最低值（53.82 μg/m3）出現(xiàn)在15：00—16：00;體彩廣場(chǎng)PM10、PM2.5和PM1最低值（分別為68.80、29.69和10.51 μg/m3）均出現(xiàn)在14：00—15：00，而TSP最低值（127.57 μg/m3）出現(xiàn)在13：00—14：00。

在信陽(yáng)市中心城區(qū)-近郊區(qū)-遠(yuǎn)郊區(qū)樣帶梯度監(jiān)測(cè)中，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍森林植被蓋度的提高，PM2.5等4種大氣顆粒物質(zhì)量濃度值均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣顆粒物質(zhì)量濃度與周圍森林植被蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在一天中的7：00—18：00不同時(shí)段，森林植被蓋度最高的生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質(zhì)量濃度值均明顯低于浉河景觀帶和體彩廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)段監(jiān)測(cè)值，其4種顆粒物質(zhì)量濃度值僅分別相當(dāng)于其他2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)段的62.5%～88.4%、56.1%～86.4%、45.1%～88.6%和56.2%～84.1%;同樣，森林植被蓋度較高的浉河景觀帶監(jiān)測(cè)點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質(zhì)量濃度值均明顯低于缺林少綠的體彩廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)段監(jiān)測(cè)值，其4種顆粒物質(zhì)量濃度值僅分別相當(dāng)于體彩廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)段的74.1%～89.6%、73.7%～84.5%、68.4%～86.6%和74.5%～96.3%。這主要是因?yàn)樯种脖痪哂邢鳒p空氣顆粒物的功能[10]。森林可通過(guò)覆蓋地表減少PM2.5來(lái)源、葉面吸附或者氣孔、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)向阻止PM2.5進(jìn)入局部區(qū)域等途徑消減PM2.5，從而發(fā)揮凈化大氣的功能[13]。同時(shí)在信陽(yáng)市中心城區(qū)-近郊區(qū)-遠(yuǎn)郊區(qū)樣帶梯度監(jiān)測(cè)中，中心城區(qū)機(jī)動(dòng)車和人流密集，污染源較多，而郊區(qū)距離中心城區(qū)較遠(yuǎn)，人流、車流密度低，污染源相對(duì)較少，人為干擾強(qiáng)度較低，這也是造成信陽(yáng)市城郊梯度大氣顆粒物濃度遞減的一個(gè)重要原因。

3.2? 3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5等4種顆粒物質(zhì)量濃度季節(jié)變化

在城郊梯度3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間，PM2.5等4種顆粒物質(zhì)量濃度季節(jié)變化與月變化規(guī)律是一致的，即隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍森林植被蓋度的提高，PM2.5等4種顆粒物質(zhì)量濃度值均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒物質(zhì)量濃度與周圍森林植被蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在不同季節(jié)，森林植被蓋度最高的生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質(zhì)量濃度值均明顯低于浉河景觀帶和體彩廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其4種顆粒物質(zhì)量濃度值僅分別相當(dāng)于其他2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同季節(jié)的56.4%～87.0%、58.5%～86.1%、49.8%～80.1%和54.3%～89.2%;同樣，森林植被蓋度較高的浉河景觀帶監(jiān)測(cè)點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質(zhì)量濃度值均明顯低于體彩廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其4種顆粒物質(zhì)量濃度值僅分別相當(dāng)于體彩廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同季節(jié)的78.3%～91.3%、73.9%～80.1%、72.0%～77.6%和81.4%～89.2%（圖6至圖9）。

在季節(jié)變化中，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種顆粒物污染均表現(xiàn)為夏季最輕，秋季次之，冬季污染最嚴(yán)重，顆粒物質(zhì)量濃度值大小排序?yàn)橄募?秋季<春季<冬季，這與馮萬(wàn)富等[10]的研究結(jié)果是吻合的。這主要是因?yàn)樾抨?yáng)市降水主要集中在夏、秋季節(jié)，特別是夏季降水集中，降水頻率高、強(qiáng)度大，雨水對(duì)PM2.5等空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顆粒物的濃度[14]。而冬季信陽(yáng)市降水稀少，居民使用燃煤取暖增加顆粒物污染;冬季氣溫較低，市民出行選擇乘坐私家車的幾率升高，機(jī)動(dòng)車尾氣排放的顆粒物增加;同時(shí)信陽(yáng)市冬季盛行北風(fēng)，氣流運(yùn)動(dòng)帶來(lái)了中國(guó)北方污染氣團(tuán)，多因素共同作用下致使信陽(yáng)市冬季的顆粒物污染加重。

3.3? PM2.5等4種顆粒物污染與氣象因子的關(guān)系

大氣顆粒物污染通常受污染源、氣象條件和下墊面植被蓋度等多種因素的共同影響，在污染源和森林植被相對(duì)穩(wěn)定的特定區(qū)域和時(shí)段內(nèi)，大氣顆粒物的污染主要取決于氣象條件對(duì)顆粒物的輸送與擴(kuò)散作用[15]。氣溫等氣象因子對(duì)大氣顆粒物污染有著重要影響。選取生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5等顆粒物質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與同期觀測(cè)的生態(tài)站氣象場(chǎng)氣溫、氣壓、相對(duì)濕度和風(fēng)速4個(gè)氣象因子觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了4種顆粒污染物日平均質(zhì)量濃度值與氣象因子之間的關(guān)系（表2）。

由表2可知，TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物每日7：00—18：00觀測(cè)時(shí)段平均質(zhì)量濃度值與同時(shí)段平均氣溫均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均氣壓均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系;而與相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和最大風(fēng)速相關(guān)性均不明顯。影響生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種顆粒物的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁睾蜌鈮?。這與陳波等[16]在北京大興南海子公園的研究結(jié)果PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與溫度和風(fēng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與濕度呈正相關(guān)關(guān)系是有差異的。造成這種差異可能主要是由生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)下墊面地形破碎、粗糙度較大、山地特殊的森林小氣候、風(fēng)力、風(fēng)向受到山體、林木阻擋、監(jiān)測(cè)日天氣狀況選擇等因素引起的。

TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質(zhì)量濃度均與日均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，隨著氣溫升高，顆粒物濃度呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)檩^高的氣溫有利于大氣垂直對(duì)流，促進(jìn)污染物向外輸送，加快顆粒物擴(kuò)散速度，從而降低了顆粒物污染濃度;而氣溫較低時(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，從而加重了污染[17]。

TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質(zhì)量濃度均與日平均氣壓呈極顯著正相關(guān)，隨著氣壓升高，顆粒物濃度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著氣壓升高，大氣邊界層高度相對(duì)降低，氣流運(yùn)動(dòng)速率下降，不利于顆粒物擴(kuò)散[18]。

4? 結(jié)論

在森林植被蓋度存在顯著差異的信陽(yáng)市中心城區(qū)-近郊區(qū)-遠(yuǎn)郊區(qū)樣帶梯度監(jiān)測(cè)中，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質(zhì)量濃度在一天中的7：00—18：00時(shí)段變化趨勢(shì)基本一致，峰值和最低值出現(xiàn)的時(shí)間基本同步。從整體上來(lái)看，上午大氣顆粒物污染較下午嚴(yán)重。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒物質(zhì)量濃度與森林植被蓋度呈負(fù)相關(guān)。在日變化和季節(jié)變化中，森林植被蓋度最高的生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種顆粒物質(zhì)量濃度均明顯低于其他2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);同樣，森林植被蓋度較高的浉河景觀帶監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種顆粒物質(zhì)量濃度均明顯低于缺林少綠的體彩廣場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

在季節(jié)變化中，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種粒徑顆粒物污染均表現(xiàn)為夏季最輕，秋季次之，冬季污染最嚴(yán)重，顆粒物濃度大小順序?yàn)橄募?秋季<春季<冬季。

氣象因子對(duì)大氣顆粒物污染有重要影響。影響生態(tài)站監(jiān)測(cè)點(diǎn)4種不同粒徑顆粒物污染的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁睾蜌鈮?。PM2.5等4種顆粒物質(zhì)量濃度均值與觀測(cè)時(shí)段日均氣溫均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日均氣壓均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

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