烏魯木齊城市森林對大氣微顆粒物的削減效應(yīng)

李惠玲，何秉宇，玉米提·哈力克，娜斯曼·那斯爾丁，張凱迪

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

【研究意義】大氣顆粒物是干旱區(qū)城市大氣中主要的污染物之一，細顆粒物(PM10、PM2.5、PM1.0)是其中最重要的組成部分[1]。細顆粒物因其較小的粒徑、巨大的比表面積以及沉降困難、影響和危害范圍廣、控制和治理難度大等特點受到世界各國的廣泛關(guān)注，成為研究的熱點[2]。隨著人們生態(tài)意識的提高和森林生態(tài)旅游的興起，城市森林對人類健康的重要性不斷提升[3]，研究城市森林環(huán)境中顆粒物濃度變化對治理城市大氣污染意義重大[4]。【前人研究進展】城市森林可通過多種方式降低顆粒物的濃度，比如林內(nèi)植被的葉面、枝條表面、莖干可吸附或者直接通過氣孔、皮孔吸收捕獲顆粒物[5]，并且城市森林本身對大氣顆粒物具有消減阻隔作用[6]，能夠改變區(qū)域的風速和風向。而降低風速能促進大氣顆粒物的沉降，改變風向會阻攔大氣顆粒物進入局部區(qū)域，從而去除顆粒物并凈化大氣[7-8]。城市森林還可以通過植物自身蒸騰及林冠層隱蔽作用，營造出較低溫度、較高濕度的環(huán)境[9]，能有效避免不利于大氣顆粒物沉降的環(huán)境產(chǎn)生，對城市環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要意義。【本研究切入點】城市生態(tài)林對維持較為脆弱的干旱區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，在削減顆粒物(特別PM2.5、PM1.0)方面的作用更為突出[10]，但以往的研究少有針對干旱區(qū)城市森林的削減效應(yīng)。本文基于烏魯木齊市燕爾窩生態(tài)林地內(nèi)外不同監(jiān)測點大氣顆粒物的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，【擬解決的關(guān)鍵問題】分析生態(tài)林對不同粒徑顆粒物的削減能力，探討典型降雨天氣前后大氣顆粒物質(zhì)量濃度的變化特征，以期為干旱區(qū)城市大氣顆粒物污染的緩解和防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊位于中國西北，亞歐大陸的中心，屬中溫帶大陸性干旱氣候，是典型的干旱區(qū)城市，具有較強的代表性。燕兒窩生態(tài)林位于新疆烏魯木齊市天山區(qū)南郊，北緯43窩生態(tài)林位于新疆烏魯木，東經(jīng)87經(jīng)生態(tài)林位于新疆烏魯木齊，平均海拔939 m，占地面積約350 hm2,屬溫帶大陸性氣候，林內(nèi)主要樹種為白榆，其次是楊、柳及野薔薇等。作為烏魯木齊市現(xiàn)存的唯一的一塊天然林地，燕兒窩生態(tài)林是烏魯木齊防風固沙的天然屏障，對烏魯木齊城市生態(tài)系統(tǒng)維持至關(guān)重要。

1.2 監(jiān)測點設(shè)置

根據(jù)燕爾窩生態(tài)林面積、形狀、植被特征、周邊環(huán)境特點等，本次研究共設(shè)監(jiān)測點位4處，其中3處在燕爾窩生態(tài)林內(nèi)部，1處在燕爾窩生態(tài)林旁的河灘快速路邊。為使數(shù)據(jù)更具科學(xué)研究性和代表性，選擇人為活動較少且樹木自然生長較為集中的一塊林地作為林內(nèi)監(jiān)測點。監(jiān)測點空間分布遵循規(guī)律性的原則，規(guī)律性指監(jiān)測點的分布沿河灘快速路垂直方向向生態(tài)林內(nèi)不同寬度處布置監(jiān)測樣點(圖1，表1)。

圖1 監(jiān)測點分布圖Fig.1 Distribution of monitoring points

表1 燕兒窩生態(tài)林樣地信息

1.3 數(shù)據(jù)獲取

1.3.1 大氣顆粒物濃度數(shù)據(jù) 使用BR-HOL-1216空氣質(zhì)量檢測儀，可同時檢測PM10、PM2.5和PM1.03種不同粒徑的大氣顆粒物，測量范圍：0～1000.0 μg/m3，誤差1 μg/m3。

結(jié)合烏魯木齊市氣候特征，本文將4個季節(jié)進行如下劃分：3-5月是春季，6-8月是夏季，9-11月是秋季，12月至次年2月為冬季。日變化數(shù)據(jù)選取：監(jiān)測時段為2018年10月至2019年9月，分別在每個季節(jié)選擇3～5 d晴朗微風日，每天9:00-18:00每隔30 min測試 1 次，收集不同顆粒物(PM10、PM2.5、PM1.0)的數(shù)據(jù)。

1.3.2 氣象數(shù)據(jù) 采用手持自動氣象儀測定溫度(T ℃)、相對濕度(RH %)、風速(W m/s)數(shù)據(jù)。

1.3.3 天氣類型選擇 根據(jù)烏魯木齊市的多年氣象特點，選擇對大氣顆粒物集聚、擴散、消除等效應(yīng)較為明顯的夏季降雨天氣進行降水影響分析。在夏季選取有雨的1周進行連續(xù)監(jiān)測，包括雨前3 d，雨天和雨后3，7 d的天氣條件分別為晴天、多云天、多云間晴、雨天、雨后晴天、雨后多云、雨后陰天。

1.4 削減率指標的計算

城市森林對PM2.5消減百分率的計算公式如下[11]：

式中，CS是對照點處大氣顆粒物的濃度，CM是城市森林內(nèi)監(jiān)測點大氣顆粒物的濃度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行錄入處理, 用SPSS 17.0和Origin軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林內(nèi)、林外的顆粒物濃度變化

由圖2可知，同一季節(jié)內(nèi)的3種顆粒物(PM10、PM2.5、PM1.0)在林內(nèi)各點的變化趨勢一致，冬季大氣顆粒物濃度最高，其次為秋天和春天，夏天的顆粒物濃度最低。4個季節(jié)的大氣顆粒物濃度高低均為PM10>PM2.5>PM1.0，且PM10濃度明顯高于PM2.5和PM1.0。說明該研究區(qū)的主要大氣顆粒物為PM10。春季和冬季顆粒物濃度具有相同的變化，即隨著與路邊距離的增加，顆粒物濃度呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，其中PM10濃度的變化幅度相對較大，PM2.5、PM1.0濃度的變化幅度相對較小。這是因為在A點由于植物自身的吸附作用，顆粒物濃度有所降低，而到了生態(tài)林內(nèi)部，隨著風速的減小，空氣流動性降低，顆粒物易富集在林內(nèi)，濃度呈現(xiàn)出“穹頂變化”，即顆粒物在林內(nèi)形成濃度較高的區(qū)域。

圖2 生態(tài)林內(nèi)外各監(jiān)測點的顆粒物濃度變化Fig.2 Variation of particle concentration in different positions inside and outside the ecological forest

夏季和秋季生態(tài)林內(nèi)外不同監(jiān)測點的顆粒物濃度變化趨勢較為相似。路邊監(jiān)測點的顆粒物濃度均低于林內(nèi)A監(jiān)測點，但隨著距離路邊越來越遠，B監(jiān)測點和C監(jiān)測點的顆粒物濃度又開始逐漸降低。對比4個季節(jié)的顆粒物濃度發(fā)現(xiàn)，春季和冬季顆粒物濃度最低點為A監(jiān)測點，夏季和秋季顆粒物濃度最低點為C監(jiān)測點。

2.2 生態(tài)林對顆粒物的削減效應(yīng)分析

圖3為燕兒窩生態(tài)林內(nèi)不同位置對顆粒物的削減率，正值表示路邊監(jiān)測的顆粒物濃度高于生態(tài)林內(nèi)監(jiān)測點的濃度，負值則相反。春季和冬季生態(tài)林在不同監(jiān)測點對顆粒物的削減率變化趨勢較為一致，在A監(jiān)測點的削減率為負值，說明盡管春、冬兩季生態(tài)林內(nèi)落葉樹種葉片生理活性下降甚至掉落，而植物的枝干對顆粒物依然存在部分阻滯吸附作用，但B、C兩處監(jiān)測點的削減率為負，說明春冬兩季生態(tài)林內(nèi)部對顆粒物存在集聚的作用，顆粒物濃度不降反升。夏季和秋季生態(tài)林在不同監(jiān)測點對顆粒物的削減率變化趨勢較為一致，其中在A監(jiān)測點和B監(jiān)測點的削減率為負，這可能是由于夏季和秋季植物結(jié)構(gòu)較為緊密，疏透度較高，生態(tài)林會對大氣顆粒物的擴散形成阻擋，使顆粒物聚集在林內(nèi)不易擴散，導(dǎo)致林內(nèi)顆粒物濃度增加。到了C監(jiān)測點大氣顆粒物的削減率為正。說明林地中央植物對顆粒物存在明顯吸附消減作用，顆粒物濃度較低。

圖3 生態(tài)林內(nèi)各監(jiān)測點的顆粒物削減率Fig.3 Reduction rate in different positions inside the ecological forest

2.3 降雨條件下生態(tài)林內(nèi)大氣顆粒物濃度時間變化

2.3.1 降雨條件下生態(tài)林內(nèi)大氣顆粒物濃度日均值比較 顆粒物濃度易受天氣條件影響，而降雨天氣條件下，大氣顆粒物的濃度也會隨之改變[10]。本研究選取了包含降雨天前后總共1周的數(shù)據(jù)，按時間順序天氣狀況分別為晴天、多云、多云間陰、雨天、雨后天晴、雨后多云、雨后陰天。由圖4可知，3種大氣顆粒物(PM10、PM2.5、PM1.0)的日均值濃度變化趨勢大體相同，即雨前3 d顆粒物濃度逐漸升高，在雨前1 d達到相對高值，說明若較長時間未降雨，生態(tài)林內(nèi)部將存在對顆粒物的累積效應(yīng)。使顆粒物的濃度逐漸升高。而在下雨當天迅速降低至相對低值，說明降雨可以中斷林中大氣顆粒物的富集過程。隨后顆粒物濃度又逐步上升。但雨后3 d濃度均低于雨前3 d顆粒物的濃度，說明降雨能有效降低空氣中懸浮的大氣顆粒物濃度，且保持效果較好。

圖4 不同天氣條件下大氣顆粒物濃度日均值Fig.4 Mean daily atmospheric particulate concentration under different weather conditions

與降雨條件下顆粒物濃度日均值相比，不同天氣條件下3種大氣顆粒物濃度日均值均為多云間陰>多云>晴天>雨后陰天>雨后多云>雨后晴天>雨天。多云間陰PM10濃度分別高于多云、晴天、雨后陰天、雨后多云、雨后晴天、雨天0.11、0.14、0.55、0.71、1.66、2.85倍。PM2.5濃度分別高于0.09、0.22、0.83、0.91、1.68、2.42倍。PM1.0濃度分別高于0.06、0.24、0.86、1.20、2.11、5.54倍。多云間陰天氣條件下大氣顆粒物濃度均高于其他天氣類型，這可能是因為多云間陰天氣下大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài)，導(dǎo)致污染物積聚不易擴散，且經(jīng)過多天顆粒物的聚集，顆粒物濃度較高所造成的。此外，多云間陰天氣的大氣顆粒物濃度顯著高于雨天(P<0.01)，表明降雨對顆粒物濃度的變化具有極大的影響。而降雨導(dǎo)致大氣顆粒物濃度顯著降低，說明降水對不同粒徑大氣顆粒物濃度俊有明顯沖洗效果，可以有效的降低空氣中大氣顆粒物濃度，在雨水作用下，大氣中的一些顆粒物尤其是小顆粒物質(zhì)能夠吸附和溶解在水中，從而降低了大氣中顆粒物的濃度。

2.3.2 降雨條件下生態(tài)林內(nèi)各監(jiān)測點大氣顆粒物濃度日均值比較 由圖5可知，3種不同粒徑顆粒物濃度均在多云間陰天氣條件下達到相對高值，在雨天濃度達到相對低值。多云間陰天氣條件下，生態(tài)林內(nèi)各監(jiān)測點3種顆粒物濃度變化趨勢較為相似，A點和C點的顆粒物濃度均略高于路邊監(jiān)測點，而B監(jiān)測點顆粒物濃度均略低于路邊監(jiān)測點，PM10、PM2.5、PM1.0濃度分別下降了1.7 %、1.6 %、0.12 %。多云天氣條件下，生態(tài)林內(nèi)各監(jiān)測點PM10濃度均低于路邊監(jiān)測點，從A點到C點分別下降了3.1 %、8.6 %、11.9 %。PM2.5和PM1.0濃度變化趨勢相似，A監(jiān)測點濃度略高于路邊監(jiān)測點，B、C監(jiān)測點均低于路邊監(jiān)測點。晴天天氣下，生態(tài)林內(nèi)監(jiān)測點PM2.5和PM1.0濃度均明顯高于路邊監(jiān)測點，從A監(jiān)測點到C監(jiān)測點，PM2.5和PM1.0濃度分別上升了11.1 %～30.7 %、33.7 %～67.1 %。雖然B監(jiān)測點的PM10濃度低于A監(jiān)測點，但顆粒物濃度整體依然高于路邊監(jiān)測點，濃度最高可達路邊監(jiān)測點的1.24倍。

圖5 不同天氣條件下各監(jiān)測點大氣顆粒物濃度日均值Fig.5 Mean daily values of atmospheric particulate concentrations at various monitoring points under different weather conditions

雨后陰天天氣條件下，生態(tài)林內(nèi)各監(jiān)測點的顆粒物濃度均低于路邊監(jiān)測點，從A監(jiān)測點到C監(jiān)測點，PM10、PM2.5、PM1.0下降幅度分別為1.8 %～13 %、5.2 %～19.4 %、6.12 %～30 %。雨后多云天氣條件下，生態(tài)林內(nèi)除了A監(jiān)測點顆粒物濃度略高于路邊監(jiān)測點，B、C監(jiān)測點均低于路邊監(jiān)測點，PM10、PM2.5、PM1.0在C監(jiān)測點的濃度相對于路邊監(jiān)測點分別下降了0.26 %、1.36 %、1.03 %。雨后晴天和雨天2種天氣條件下,由于雨水對顆粒物的沖洗作用，生態(tài)林內(nèi)外顆粒物濃度均處于較低水平，PM10、PM2.5、PM1.0濃度除C監(jiān)測點略高于路邊監(jiān)測點，其他監(jiān)測點均低于路邊。

3 討 論

3.1 林內(nèi)、林外不同監(jiān)測點顆粒物的季節(jié)性差異

不同季節(jié)的大氣顆粒物濃度差異較為顯著，表現(xiàn)為冬季最高，秋季次之，春夏較低。秋冬季顆粒物較高可能是由于生態(tài)林內(nèi)落葉樹種葉片生理活性下降甚至掉落，而植物對顆粒物的阻滯吸附多依靠植物的枝葉[12-13]，且冬季為采暖期，大量的能源燃燒也會造成顆粒物濃度的上升，此外，冬季邊界層較低，不利于大氣顆粒物的垂直擴散[14]。春夏兩季植物處于生長旺季，此時植物的葉片處于生長期，植被的光合、呼吸及蒸騰作用在一年中最為顯著[15]，加之春夏兩季雨水較多，濕度較大，增加了空氣顆粒物吸濕增重、加速沉降的可能性，因此春夏兩季顆粒物濃度較低[16-17]。

本研究發(fā)現(xiàn)，春、冬兩季生態(tài)林內(nèi)顆粒物的濃度尤其是C點，高于林外顆粒物的濃度，這可能是由于生態(tài)林內(nèi)植被的存在會對空氣的循環(huán)造成影響，降低了森林冠層以及林內(nèi)的風速，影響了林分邊緣流場的運動，從而對不同粒徑顆粒物的擴散形成阻礙造成的[18]。此外，疏透度是表征林分疏密的一個重要因子，對顆粒物在林分內(nèi)的擴散有很大作用[19]。A點處的林帶植被結(jié)構(gòu)較為疏松，且冬春無葉階段林內(nèi)疏透度較低，顆粒物被風帶入林內(nèi)，由于林內(nèi)湍流作用，不能及時被植物阻滯吸附的顆粒物又很快擴散出來或者往更深處的林帶擴散[20]，因此A點處的顆粒物濃度低于路邊監(jiān)測點。但隨著距離的增加，疏透度隨之升高，生態(tài)林會對大氣顆粒物的擴散形成阻擋，使顆粒物聚集在林內(nèi)不易擴散，導(dǎo)致林內(nèi)顆粒物濃度增加，并且植被結(jié)構(gòu)越緊密，對林內(nèi)顆粒物的阻擋作用越強[21]，進而導(dǎo)致越來越多的顆粒物滯留到林內(nèi)，因此在冬春兩季植被對顆粒物阻滯吸附作用較弱的情況下，容易在B點和C點形成一個顆粒物濃度較高的區(qū)域。

不同季節(jié)生態(tài)林對不同粒徑顆粒物濃度的削減效率不同。冬季生態(tài)林中對顆粒物的削減率較低，這主要是因為冬季生態(tài)林對顆粒物的阻滯吸附作用隨著植被葉片消失的原因[22]，與此同時，有研究認為植物對大氣顆粒物吸附的季節(jié)變化規(guī)律與植物的生長期基本保持一致[23]，其中夏、秋季植物生長期旺盛，對顆粒物的削減能力較高，而春、冬季較低，對顆粒物的削減能力較低，因此春、冬兩季林中央的削減效應(yīng)低于夏、秋兩季。此外，不同季節(jié)的溫度、濕度等氣象因子也能影響生態(tài)林地內(nèi)的顆粒物濃度[24]，因此，不同季節(jié)城市森林對顆粒物的削減率有所不同。

3.2 降雨對顆粒物濃度的影響

自然界中顆粒物的沉降主要受氣象條件和下墊面粗糙度兩方面的影響[25]，不同的天氣條件下氣象條件也會有所不同，高溫高濕且無風的天氣條件最不利于顆粒物的沉降，而生態(tài)林則有效避免了這種條件的形成[26]。雨前3 d不同粒徑的顆粒物濃度均為上升趨勢，表明大氣污染程度在不斷增加。晴天溫度較高、相對濕度較低，日均溫度為30 ℃，風速在0.3～2.5 m/s之間，日均相對濕度為30.9 %，大氣處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，有利于污染物的擴散。而多云和多云間陰天氣的溫度較晴天略低，分別為29.2～28.5 ℃，風速較小，小于1.8 m/s，相對濕度較大，分別為42 %和55 %，大氣處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致污染物易在生態(tài)林內(nèi)聚集，不易擴散，且生態(tài)林滯留顆粒物的水平是一定的，較長時間的無雨天氣會使生態(tài)林內(nèi)接納顆粒物的水平達到飽和，尤其是生態(tài)林內(nèi)環(huán)境較為封閉的林地，濃度増加幅度更大，因此生態(tài)林內(nèi)的顆粒物濃度會高于路邊監(jiān)測點[27]。

雨天和雨后晴天大氣顆粒物濃度相對較低，說明降雨對大氣顆粒物有明顯的清除作用。尤其是烏魯木齊市位于干旱區(qū)，降水相對減少，降雨的沖刷作用能讓雨水溶解空氣中的部分顆粒物并隨著雨滴將他們帶落至地面，從而使空氣中的顆粒物濃度降低[28]，并且經(jīng)過雨水的淋洗，葉片上的塵土也被沖刷干凈，使生態(tài)林又重新恢復(fù)對顆粒物的吸附能力，因此雨天大氣顆粒物濃度最低。雨后晴天隨著太陽的輻射增強，溫度緩慢升高，濕度降低，大氣穩(wěn)定度也隨之降低，為顆粒物的擴散創(chuàng)造了有利條件，加之降雨天氣使空氣得到凈化，因此雨后晴天的大氣顆粒物濃度保持在較低水平[29]。雨后多云和雨后陰天條件下的顆粒物濃度顯著升高，這可能與雨后第3～4天的天氣狀況有關(guān)，多云和陰天導(dǎo)致太陽輻射減少，濕度增加，風速較小，兩天的日均風速均低于1.5 m/s，不利于大氣顆粒物的稀釋和擴散[30]，且由于生態(tài)林緊挨河灘公路，來往車輛污染物不斷向生態(tài)林內(nèi)輸送，不能被林內(nèi)植物及時吸收和無法擴散的顆粒物在生態(tài)林內(nèi)聚集，造成林內(nèi)顆粒物污染累積現(xiàn)象，使得大氣顆粒物濃度不斷升高。結(jié)果表明，降雨能明顯減低不同粒徑顆粒物的濃度，對空氣中的顆粒物污染起到?jīng)_刷和清除作用，但雨水對粗細粒子的清除機制可能有所不同[31]，粗粒子是因為慣性沉降到雨滴表面而被清除，細粒子則是由于其布朗運動和雨滴的相互碰撞，達到被清除的效果。

4 結(jié) 論

(1)不同季節(jié)生態(tài)林對不同粒徑顆粒物濃度的削減效率不同。夏、秋兩季林地在A、B兩個監(jiān)測點對顆粒物的削減率為負，在林中央對顆粒物的削減率為正，而冬春季削減率在A監(jiān)測點為正，B、C兩處監(jiān)測點削減率為負。

(2)降雨前生態(tài)林內(nèi)對大氣顆粒物有富集效應(yīng)，降雨能中斷這種富集過程，使顆粒物濃度顯著降低，雨天過后，顆粒物濃度又會緩慢上升。

(3)雨前3 d林地內(nèi)監(jiān)測點整體高于路邊監(jiān)測點，而雨后3 d林地內(nèi)監(jiān)測點整體低于路邊監(jiān)測點的顆粒物濃度，表明降雨可以有效降低空氣中大氣顆粒物的濃度。