秋季主要庭院樹種空氣顆粒物日變化規(guī)律研究

王 茜，王 成，張中霞，許 超，郭珺琪

（1.北京市園林科學研究院，北京 100102；2.中國林業(yè)科學研究院林業(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.河北省邢臺市內丘縣林業(yè)局，河北 邢臺054200）

隨著工業(yè)城市的發(fā)展，帶來一系列環(huán)境問題嚴重威脅到居民的生活質量。這其中大氣環(huán)境、溫室效應等氣候特征的變化影響著我們日常生活[1]?？諝忸w粒物懸浮在空氣中降低能見度，影響氣候變化，是大氣環(huán)境污染的重要組成，成分復雜、來源多樣，又稱氣溶膠，其以固態(tài)、液態(tài)形式的顆粒狀物質分散在大氣當中[2-3]。國內外學者的研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物可以吸附多環(huán)芳烴和重金屬等對人體有危害的物質，具有很強的吸附能力，從而影響植物光合作用及生長，影響動物正常生理活動，影響人類身體健康[4]。人體的一些慢性健康問題的出現(xiàn)與大氣顆粒物的影響有直接關系，而PM10、PM2.5等細顆粒物在大氣中留存時間長，危害更嚴重，吸入肺以后可以引發(fā)呼吸道疾病，甚至可能導致心臟病發(fā)作和提高人體肺部癌變的風險[5]。同時，顆粒物還能通過吸收太陽光的散射和發(fā)生光化學反應等方式，降低環(huán)境空氣質量，影響都市生態(tài)環(huán)境。本研究以福建柏林為研究對象，對其林內外秋季顆粒物日變化進行了分析，以期為林業(yè)資源管理、開發(fā)建設提供參考。

1 研究區(qū)概況和研究方法

位于閩侯東南方向的旗山森林公園，面積約900hm2，地理位置為東經 107°24'，北緯 24°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左右。福建柏林地面積約4.5hm2，密度為5921 株/hm2。

1.1 樣地選擇

樣地位于旗山森林公園海拔730m高處的福建柏林，平均樹齡25～30年，樹高8～13m，胸徑11～25cm，郁閉度0.92。地被覆蓋以白楠木、白蘭、野草莓等為主，在福建柏林內設置10個重復，重復與重復間隔5m；距離福建柏3m、5m、7m遠處的柏油鋪裝路作為林緣對照點。

1.2 測量指標的方法

2017年10月中旬選擇10天無陰雨天氣，用美國產的顆粒物檢測儀，測定高度1.2～1.5m處4種粒徑空氣顆粒物濃度，每次3個重復，并同步檢測其他森林環(huán)境質量指標。從7:00-19:00間隔兩個小時觀測一次。春季福建柏林內外日變化取10天觀測的平均值。

數(shù)據(jù)使用EXCEL2003和SPSS16.0分析軟件進行圖標的制作和方差分析。

2 結果與分析

2.1 空氣顆粒物的總體日變化

從福建柏林內外顆粒物日變化水平來看，林內外差異不大，用單因素方差分析（LSD多重比較法）結果表明，林內外在17:00或（19:00）4種粒徑空氣顆粒物濃度差異顯著（P〈0.05）。林內外四種粒徑顆粒物濃度的日變化趨勢相似，均呈“V”型，只是TSP和PM10濃度的低谷期較林緣提前。林內外均在7:00出現(xiàn)全天的第1個高峰、林內在19:00而林外在17:00(TSP、PM10、PM2.5)或者 19:00（PM1.0）出現(xiàn)全天的第2個高峰；林內外均在11:00-13：00出現(xiàn)低谷。出現(xiàn)這種高峰和低谷值的原因可能是：白天風速大且氣溫快速升高，特別是7:00-11:00時風速突然變大，而濕度卻減小，空氣對流活動加強，這種天氣條件對顆粒物的擴散十分有利，使?jié)舛茸畹汀０?7:00-19:00是游客集中返程的時間段，人流量和車流量都明顯增加，人為活動和汽車尾氣排放產生的空氣污染被輸送到福建柏林內，導致其顆粒物濃度瞬間增大；同時附近居民準備晚餐排放的炊煙也會為空氣顆粒物濃度做較大貢獻[6]。從空氣顆粒物總體日變化規(guī)律分析來看，春季福建柏林內外上午最適合進行游憩活動，考慮到空氣顆粒物污染的集中時間段，傍晚外出活動對人體健康較為不利。

2.2 各種粒徑空氣顆粒物日變化差異

圖2 林內外不同粒徑顆粒物濃度日變化

表1 4種不同粒徑空氣顆粒物與小氣候之間的相關性分析

對于福建柏林內外，13:00和19:00是TSP的兩個峰值出現(xiàn)的時間，而 9:00（林內外）和15:00（林內）或17:00（林外）是兩個低谷值出現(xiàn)的時間，PM10與TSP的相比的差異是林外的低谷值從9:00提前到7:00。13:00和19:00是林內外PM2.5的兩個峰值出現(xiàn)的時間；9:00和15:00是其兩個低谷值出現(xiàn)的時間。而PM1.0相對PM2.5上午的低谷值（林內外）均由9:00提前2h，同樣林外的第2個高峰值由19:00提前2h。說明細顆粒物對周圍環(huán)境比較敏感，早晨林內外提前達到最低值，下午17:00（林外）又提前達到第2個高峰。

2.3 不同粒徑顆粒物與小氣候之間的相關性分析

從表1的數(shù)據(jù)得出，空氣溫度與光照強度均與空氣顆粒物濃度呈正相關，而相對濕度、平均風速與其呈負相關，且林外的顆粒物濃度與風速呈顯著負相關，與相對濕度呈極顯著負相關。4種粒徑顆粒物與小氣候因子的相關性大小排序：平均風速〉空氣溫度〉相對濕度〉光照強度（林外光照強度〉相對濕度）。這是因為空氣湍流運動對污染物的擴散起決定作用，而湍流的混合狀況又是風日變化差異的又一主要因素，在風的作用下污染物被輸送到遠處，且風速與被傳送的距離呈正相關[7]。另一方面在維持弱氣壓場、風力較小的不理想擴散的氣象條件時，相對濕度可以對顆粒物有洗刷作用，稀釋了空氣中的顆粒物濃度[8-9]。溫度主要對大氣垂直對流產生影響，溫度越高，越有利于顆粒物的擴散，但也有一定的闕值。這與有些學者對北京地區(qū)的觀測結果相反[10]。究其原因，秋季福州出現(xiàn)逆溫[11-12,9]，大氣對流運動較弱，顆粒物難以得到轉移擴散，加重污染。從小氣候因子與4種不同粒徑顆粒物的相關性分析來看：隨著粒徑的減?。ǔ薖M1.0），溫度與其相關性變??；而相對濕度、平均風速和光照，則隨著粒徑的減小相關性變大。且溫度和光照與PM1.0的相關性最大。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論一致[13]。

3 結論與討論

（1）從福建柏林內外顆粒物日變化水平來看，林內外差異不大，林內外在17:00或（19:00）四種粒徑空氣顆粒物濃度差異顯著（P〈0.05）。林內外四種粒徑顆粒物濃度變化相似，變化曲線均呈“V”型，只是TSP和PM10濃度的低谷期較林緣提前。林內外均在7:00出現(xiàn)全天的第1個高峰、林內在19:00而林外在17:00(TSP、PM10、PM2.5)或者 19:00（PM1.0）出現(xiàn)全天的第2個高峰；林內外均在11:00-13：00出現(xiàn)全天的低谷。

（2）4種不同粒徑空氣顆粒物日變化趨勢大體相似，13:00和19:00是TSP的兩個峰值出現(xiàn)的時間，而 9:00（林內外）和15:00（林內）或 17:00（林外）是兩個低谷值出現(xiàn)的時間，PM10與TSP的相比的差異是林外的低谷值從9:00提前到7:00。13:00和19:00是林內外PM2.5的兩個峰值出現(xiàn)的時間；9:00和15:00是其兩個低谷值出現(xiàn)的時間。

（3）天氣條件對顆粒物濃度的影響機理比較復雜，本研究發(fā)現(xiàn)高溫、低濕、相對靜風狀態(tài)空氣顆粒物濃度增加。有學者對北京、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，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生。今后還應就其他環(huán)境質量指標對其的影響機理作更加深入的研究。

（4）福州森林公園受城市污染環(huán)境的影響較小，反映的是良好森林環(huán)境條件下的變化特點；而有些學者對市區(qū)森林公園的研究對象特點是城市環(huán)抱公園，受城市大氣污染的影響較嚴重，城市污染空氣的輸送對林內顆粒物濃度的影響較大。從這兩種環(huán)境背景下的森林公園的差異研究可以看出，森林在不同環(huán)境條件影響下，其滯塵效果會有差異。在條件比較復雜和顆粒物濃度較高的城市污染背景下森林的滯塵能力明顯下降。其他學者在上海、重慶、廣州的研究也發(fā)現(xiàn)7:00-9:00和19:00-21:00是顆粒物濃度的高峰期[16]，說明在同一個季節(jié)，但地點、氣象條件、研究背景等的不同，顆粒物濃度出現(xiàn)高峰或低谷的時間也不一致。