春季福建柏林空氣顆粒物日變化分析

王 茜 王 成 張中霞 任彬彬 許 超 郭珺琪

（1 北京市園林科學(xué)研究院，北京 100102；2 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)局森林培育重點實驗室，北京 100091；3 國家林業(yè)局城市森林研究中心，北京 100091；4 河北省邢臺市內(nèi)丘縣林業(yè)局，河北 邢臺 054200）

近年來，隨著人們生活水平的提高，城市居民渴望更加健康的生活方式，生態(tài)保健旅游越來越受到人們的歡迎。福州旗山森林公園地處與戴云山脈交叉的地帶，是福州市近郊較理想的休閑避暑、探險及度假旅游的森林保健圣地，其內(nèi)游憩林主要以四季常青的毛竹林和福建柏林等原始森林為主。據(jù)調(diào)查研究顯示，呼吸林內(nèi)新鮮的空氣是森林保健旅游的主要目的[1]，故森林空氣質(zhì)量的好壞是判斷其旅游資源開發(fā)的直接因素，而春季是福州空氣顆粒物污染的頻發(fā)季節(jié)[2]，對此季節(jié)顆粒物污染日變化的研究具有重要意義。目前對福建柏林內(nèi)外植物生長季（春季）空氣顆粒物日變化規(guī)律研究，以及和小氣候因子相關(guān)性分析未見報道[3]。以福建柏林內(nèi)外為例，分析了植物生長季節(jié)顆粒物日變化規(guī)律，目的為居民選擇合適的外出時間進(jìn)行鍛煉公園的游憩林的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

旗山森林公園，面積約800 多hm2，地理位置為東經(jīng)121°23＇，北緯23°12＇。年均氣溫為18～22℃，年均日照時數(shù)約為1800～2180h，年降水量約為920～2220mm，年相對濕度約為77%，海拔750m。公園緊靠316 國道，景區(qū)氣候宜人，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候[4]。森林公園內(nèi)植物覆蓋率達(dá)95%以上，福建柏林地面積約4.5hm2，密度為6213 株/hm2[4]。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

表1 樣地調(diào)查

樣地位于旗山森林公園海拔730m 高處的福建柏林，平均樹齡25～30a，樹高8～13m，胸徑11～25cm，郁閉度0.92。地被覆蓋以白蘭、野草莓等為主，在福建柏林內(nèi)設(shè)置10 個重復(fù)[4]，每個重復(fù)間隔5m；距離福建柏3m、5m、7m 遠(yuǎn)處的柏油鋪裝路作為林緣對照點[4]。

2.2 指標(biāo)的測定方法和數(shù)據(jù)處理方法

2017年4月中旬，選擇連續(xù)晴朗的天氣10d，用粉塵儀測定1.5m 高度處4 種粒徑顆粒物濃度，同時測定空氣溫濕度、光照和風(fēng)速。每天選擇游客游玩的7∶00～19∶00 時間段觀測數(shù)據(jù)。春季林內(nèi)外日變化取10d 的平均值[4]。

數(shù)據(jù)分析使用SAS17.0 和EXCEL2013 軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 林內(nèi)外4 種顆粒物總體日變化規(guī)律

表2 福建柏林內(nèi)外4 種粒徑空氣顆粒物日變化

從林內(nèi)外顆粒物日變化規(guī)律來看，差異較大，用LSD 多重比較法結(jié)果得出，全天所有時間段的4 種顆粒物濃度均差異極顯著（P＜0.01）。從日變化曲線來看，4 種粒徑顆粒物濃度變化林內(nèi)外相似程度很大，呈二峰二谷型，只是林緣出現(xiàn)波峰和波谷的時間有所提前或滯后。林內(nèi)外均在13∶00 出現(xiàn)全天的第1 個高峰、林內(nèi)在19∶00 而林外在17∶00（PM1.0）或者19∶00（TSP、PM10、PM2.5）出現(xiàn)全天的第2 個高峰；林內(nèi)外出現(xiàn)全天的第1 個低谷時間段是7∶00～9∶00、而全天的第2 個低谷林內(nèi)在15∶00、林外在15∶00（PM10、PM2.5、PM1.0）或17∶00（TSP）出現(xiàn)。導(dǎo)致這種高峰期和低谷期出現(xiàn)的主要原因是：白天7∶00～9∶00 時濕度減小，風(fēng)速大，氣溫高，此時空氣對流加強(qiáng)，促使顆粒物向遠(yuǎn)處輸送，使其濃度下降到最低。下午13∶00 空氣處于靜風(fēng)狀態(tài)，顆粒物被凝結(jié)不利于擴(kuò)散，而且此段時間的光化學(xué)反應(yīng)也為其濃度增加做出貢獻(xiàn)[4-7]。傍晚17∶00～19∶00 是游客下山的高峰期，人流量和車流量均較集中，產(chǎn)生的空氣污染物隨風(fēng)傳輸?shù)搅謨?nèi)使其污染物增加[4]。

3.2 林內(nèi)外不同粒徑顆粒物的日變化趨勢比較

不同粒徑空氣顆粒物日變化大體相似（如圖2）[4]，13∶00和19∶00 均分別出現(xiàn)林內(nèi)外TSP 的2 個高峰值，2 個低谷值均分別出現(xiàn)在9∶00 和15∶00（林內(nèi)）或17：00（林外），PM10與TSP 的差別僅是林外的低谷值從9：00 提前2h[4]。13∶00和19∶00 均分別出現(xiàn)PM2.5 的2 個高峰值（林內(nèi)外）；9∶00和15∶00 分別出現(xiàn)2 個低谷值（林內(nèi)外）。而PM1.0 相對PM2.5 上午的低谷值（林內(nèi)外）均由9∶00 提前2h，同樣林外的第2 個高峰值由19∶00 提前2h。

圖1 福建柏林內(nèi)外不同粒徑空氣顆粒物日變化

3.3 不同粒徑顆粒物與小氣候之間的相關(guān)性分析

表3 4 種不同粒徑空氣顆粒物與小氣候之間的相關(guān)性分析

從表3 可以看出，氣候因子溫度、濕度、光照均與顆粒物濃度呈正相關(guān)，而與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，且風(fēng)速與林外的顆粒物濃度呈顯著負(fù)相關(guān)[4]。4 種粒徑顆粒物與小氣候因子的相關(guān)性大小排序：平均風(fēng)速最大，光照強(qiáng)度最小（林外光照輕度＞相對濕度）。這是因為湍流運動決定污染物在大氣中的擴(kuò)散程度，同時湍流混合狀況也同樣決定風(fēng)的日變化，在風(fēng)的作用下排放到大氣中的污染物被傳輸?shù)狡渌麉^(qū)域，污染物被傳送的距離越遠(yuǎn)與風(fēng)速呈正比，混入的空氣量越多，污染物濃度相對越低[7]。另一方面原因是：僅有濕度而無明顯的降水，致使空氣顆粒物容易堆積，加重污染[8-9]。大氣垂直對流主要對溫度產(chǎn)生作用。試驗結(jié)果分析得知：空氣顆粒物濃度與空氣溫度呈正比。這與李軍等人對北京的觀測結(jié)果不一致[10]。究其原因，福州春季經(jīng)常出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象[11,9]，顆粒物在逆溫的作用下難以轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。

從各個氣候因子與不同粒徑顆粒物的相關(guān)性（林內(nèi)與林緣均值）來看：隨著粒徑的減?。ǔ薖M1.0），溫度與其相關(guān)性變??；而相對濕度、平均風(fēng)速和光照，則隨著粒徑的減小相關(guān)性變大。且溫度和光照與PM1.0 的相關(guān)性最大。說明小粒徑顆粒物濃度比較敏感，受環(huán)境影響較大，這與郭二果2009年對北京西山的研究結(jié)論一致[12]。

4 結(jié)論與討論

（1）福建柏林內(nèi)外空氣顆粒物日變化曲線均呈二峰二谷型。全天的第1 個高峰林內(nèi)外在13∶00 出現(xiàn)、全天的第2 個高峰林內(nèi)在19∶00 而林外在17∶00（PM1.0）或者19：00(TSP、PM10、PM2.5)出現(xiàn)；林內(nèi)外均在7∶00～9∶00 出現(xiàn)全天的第1 個低谷、林內(nèi)在15∶00 而林外在15∶00（PM10、PM2.5、PM1.0）或者17∶00（TSP）出現(xiàn)全天的第2 個低谷。

（2）不同粒徑顆粒物日變化大體相似，13∶00 和19∶00均分別出現(xiàn)林內(nèi)外TSP 的2 個高峰值，2 個低谷值均分別出現(xiàn)在9∶00 和15∶00（林內(nèi)）或17：00（林外），PM10 與TSP的差別僅是林外的低谷值從9:00 提前2h。13∶00 和19∶00均分別出現(xiàn)PM2.5 的2 個高峰值（林內(nèi)外）；9∶00 和15∶00分別出現(xiàn)2 個低谷值（林內(nèi)外）

（3）氣候因素和天氣條件對顆粒物濃度的影響比較復(fù)雜，本研究發(fā)現(xiàn)高溫、高濕、相對靜風(fēng)狀態(tài)空氣顆粒物濃度增加。有學(xué)者對北京、西安、包頭[13-15]的研究卻發(fā)現(xiàn)，溫度越低顆粒物濃度反而越高。這可能與南北方的氣候差異有關(guān)，南方的逆溫現(xiàn)象和北方冷空氣的冷凝作用造成這一差異的產(chǎn)生。