春季農(nóng)田地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子關(guān)系

武亞堂，吳建國(guó)，王立

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，蘭州730070；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100021）

PM10是指以固態(tài)和液態(tài)形式懸浮于大氣中，空氣動(dòng)力學(xué)粒徑≤10μm 的顆粒狀物質(zhì)[1]，在我國(guó)又稱為可吸入顆粒物，是主要的大氣污染物之一[2]，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境衛(wèi)生及公共健康等都危害極大[3-4]。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，區(qū)域型與復(fù)合型的大氣污染問題日趨嚴(yán)重[5]，PM10成為首要污染物[6]。農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵是PM10的重要來源[7-8]。在風(fēng)等環(huán)境因子影響下，裸露農(nóng)田土壤顆粒物經(jīng)風(fēng)蝕和搬運(yùn)等過程被釋放到近地表空氣中，形成了土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵[9]，又經(jīng)擴(kuò)散等過程影響近地表空氣中的PM10濃度及空氣質(zhì)量[10]。另外，區(qū)域大氣中PM10也會(huì)經(jīng)擴(kuò)散和沉降過程而影響農(nóng)田近地表空氣中的PM10濃度[7]。因此，系統(tǒng)分析農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子的關(guān)系，對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量影響，以及確定空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子的關(guān)系等方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在國(guó)際上，空氣中顆粒物濃度變化與環(huán)境因子關(guān)系研究廣泛展開，但這些研究還多集中于城市及工業(yè)污染區(qū)[11-13]，在一些區(qū)域也開展了土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵排放時(shí)空分布與變化特征分析[14]、預(yù)測(cè)[15]、估算[16]、模擬[17]、理化性質(zhì)分析[18-19]、來源解析[20]及氣候變化[21]、地形條件[22]、地表擾動(dòng)[23]和耕作制度[24]等對(duì)土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵排放的影響，以及土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵與鹽分[25]、地表覆蓋度[26]和土壤質(zhì)地及紋理[27]等環(huán)境因子的關(guān)系方面的分析。另外，在一些區(qū)域也開展了土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放與氣象因子（風(fēng)速、相對(duì)濕度）和土壤因子（土壤濕度）關(guān)系方面的研究，如Kim 等[28]研究發(fā)現(xiàn)1982—2008 年在北非撒哈拉和薩赫勒地區(qū)揚(yáng)塵PM10排放量與地表風(fēng)速呈顯著正相關(guān)關(guān)系；Csavina 等[29]在墨西哥華雷斯研究發(fā)現(xiàn)2011 年3—5 月PM10濃度與相對(duì)濕度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)超過閾值后則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；Aimar等[30]在阿根廷研究發(fā)現(xiàn)土壤風(fēng)蝕PM10排放與土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這些研究結(jié)果對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放特征有重要的參考意義。但目前缺少氣象及土壤因子對(duì)土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放影響，以及多種環(huán)境因子對(duì)土壤風(fēng)蝕PM10排放綜合影響方面的觀測(cè)分析，特別是對(duì)農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子關(guān)系方面的研究報(bào)道還極少。在我國(guó)，空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子關(guān)系研究也在許多城市或工業(yè)區(qū)展開[31-33]，對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放與環(huán)境因子關(guān)系也有一些研究報(bào)道，如高建華等[34]在陜西中北部地區(qū)農(nóng)田近地表觀測(cè)發(fā)現(xiàn)PM10排放量與地表粗糙度呈冪函數(shù)關(guān)系，與摩阻風(fēng)速呈四次冪函數(shù)關(guān)系，與土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；南嶺等[35]研究發(fā)現(xiàn)在農(nóng)牧交錯(cuò)帶非沙區(qū)農(nóng)田地表平均PM10排放量與風(fēng)速呈顯著線性關(guān)系，最大排放量與風(fēng)速呈冪函數(shù)關(guān)系等。這些結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放與環(huán)境因子關(guān)系有重要參考價(jià)值，但目前的研究還多集中在冬季城區(qū)及工業(yè)區(qū)PM2.5污染，對(duì)春季農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子關(guān)系的研究還鮮有報(bào)道。

近年來，京津冀及周邊地區(qū)一直是污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一[5]。經(jīng)政府大力治理，盡管空氣環(huán)境質(zhì)量已明顯改善[36]，但PM10污染物問題依舊嚴(yán)峻[37]。該區(qū)域旱作農(nóng)田分布廣泛，并且在易旱多風(fēng)的春季缺少植被保護(hù)，開墾前后地表土壤處于裸露或半裸露狀態(tài)[38]，進(jìn)而使春季土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵排放成為影響區(qū)域空氣PM10的重要源[8]。裸露農(nóng)田風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放對(duì)京津冀及周邊空氣質(zhì)量影響較大[39-40]。系統(tǒng)分析裸露農(nóng)田地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子關(guān)系，對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)京津冀及周邊地區(qū)大氣重污染成因和制定有效防控對(duì)策有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前對(duì)京津冀及周邊地區(qū)土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵與環(huán)境因子的關(guān)系已有一些研究[41]，但對(duì)農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子的關(guān)系卻很少有研究報(bào)道。為此，本研究在農(nóng)田分布廣泛、大氣污染嚴(yán)重的山東省濟(jì)寧地區(qū)[42]，選擇典型農(nóng)田，進(jìn)行春季近地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子同步觀測(cè)，對(duì)農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行探索，希望為京津冀及周邊地區(qū)大氣重污染防治提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和試驗(yàn)地選擇

研究區(qū)位于山東省濟(jì)寧市泗水縣，在山東省中南部，泰沂山區(qū)南麓（35°28′～35°48′N，117°5′～117°35′E）；該縣東西最大橫距46 km，南北最大縱距40.6 km；地勢(shì)南北高、中部低，由東向西傾斜，南部和北部多為400 m 以下低山丘陵，中部為河谷平地。境內(nèi)河流屬淮河水系，多東西流向[43]。該縣地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫約13.4 ℃，年降水量約755 mm（集中于7—9 月），年相對(duì)濕度65%，無霜期180～220 d，春季（3—5 月）易旱多風(fēng)[44]。該縣為典型農(nóng)業(yè)縣，有土地面積1 118.11 km2，其中農(nóng)用地約84 953.53 hm2（耕地約56 043.17 hm2），主要種植小麥、玉米及薯類和油料作物；旱田廣泛分布，并且旱田前茬作物收獲后秸稈多不會(huì)留存于地表，使冬春季農(nóng)田地表土壤覆蓋度低，呈季節(jié)性裸露和半裸露的狀態(tài)[44]。

考慮到典型性和試驗(yàn)的操作性，在位于距離泗水縣城中心約15 km 處的泗河北岸的林泉西村（35°68′N，117°38′E），選擇開墾且地表土壤完全裸露的農(nóng)田作為試驗(yàn)觀測(cè)場(chǎng)（海拔約122.3 m），該處地勢(shì)平坦開闊，周邊30～50 km 范圍都為類似旱田。觀測(cè)場(chǎng)中土壤為潮土，主要實(shí)施傳統(tǒng)耕地方式，種植小麥等[45]。另外，為了減少人為干擾，在試驗(yàn)場(chǎng)中心位置劃定了面積為667 m2（長(zhǎng)×寬為29 m×23 m）的地塊進(jìn)行封圍，作為架設(shè)觀測(cè)儀器（顆粒物、氣象與土壤因素觀測(cè)）的固定場(chǎng)地。

1.2 顆粒物濃度觀測(cè)

在2019 年3 月1 日—5 月31 日，進(jìn)行近地表空氣中PM10逐日采樣觀測(cè)。考慮到早晨是白天空氣中顆粒物較高的時(shí)段[33]，本研究PM10采樣觀測(cè)在每日早晨9：30—10：30 進(jìn)行。采樣PM10儀器為青島精誠(chéng)儀器儀表有限公司生產(chǎn)的JH-120F 型智能顆粒物中流量采樣器（2018 年2 月生產(chǎn)），配備有QH-100 中流量PM10切割器?？紤]到過去土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵與PM10濃度觀測(cè)都集中在1 m 以上的較高地表[34]，而Kasumba等[46]研究發(fā)現(xiàn)在農(nóng)田地表4 m 以下顆粒物濃度是20～100 m 處的4～7 倍，且地表4 m 以下顆粒物濃度隨離地表高度增加而減小，近地表土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵排放對(duì)空氣中顆粒物影響較大，但目前對(duì)近1 m 內(nèi)地表觀測(cè)分析不足，對(duì)農(nóng)田近地表土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵認(rèn)識(shí)有限。本研究開展農(nóng)田近地表1 m 內(nèi)空氣中PM10濃度觀測(cè)分析，結(jié)合考慮氣象站觀測(cè)高度限制，采樣高度設(shè)為近地表80 cm 處，采樣儀布設(shè)于觀測(cè)場(chǎng)中心，采氣流量為100 L·min-1，每次采集60 min。利用濾膜稱質(zhì)量法確定所采集空氣中PM10的質(zhì)量，即用上海佑科儀器儀表有限公司生產(chǎn)的FA1104B型0.1 mg精度電子天平（2018年3 月生產(chǎn)），在采樣前和采樣后分別稱空白濾膜和已采集到空氣中PM10濾膜質(zhì)量，根據(jù)采集后與采集前濾膜的質(zhì)量差，計(jì)算采集空氣中PM10的質(zhì)量，再根據(jù)采氣流量100 L·min-1計(jì)算采樣60 min 累積采樣空氣體積，由采樣PM10質(zhì)量與采樣空氣的體積計(jì)算空氣中PM10的質(zhì)量濃度。所用濾膜為山東青島精誠(chéng)儀器儀表有限公司生產(chǎn)的直徑90 mm 玻璃纖維濾膜（2018年6月生產(chǎn)）。在停止采樣時(shí)，濾膜存放在干凈濾膜盒內(nèi)進(jìn)行低溫避光密封保存。在降雨天（包括3月29 日及4 月8、9、11 日）及停電時(shí)（3 月6 日），停止PM10采樣觀測(cè)。

1.3 環(huán)境因素監(jiān)測(cè)

在2019 年3 月1 日至5 月31 日，使用架設(shè)在觀測(cè)場(chǎng)北偏東45 °距離采樣儀約2 m 處的QS-3000 自動(dòng)氣象站（由河北邯鄲開發(fā)區(qū)清易電子科技有限公司2018 年5 月生產(chǎn)），在PM10采樣開始與結(jié)束時(shí)段進(jìn)行近地表80 cm 處風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度的同步監(jiān)測(cè)，每隔30 min 自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。同時(shí)，使用美國(guó)Decagon 公司生產(chǎn)的5 通道的Em50 土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集器（2016 年8 月生產(chǎn)），在PM10采樣開始與結(jié)束時(shí)段測(cè)定5 cm 處土壤溫度和濕度，每隔30 min 自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

為了使環(huán)境因子分析時(shí)段與PM10質(zhì)量濃度采樣觀測(cè)時(shí)段一致，把PM10質(zhì)量濃度觀測(cè)時(shí)段對(duì)應(yīng)期間的氣象和土壤因子每隔30 min 記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)都統(tǒng)一計(jì)算60 min 平均值。另外，為了減少區(qū)域沙塵影響，把3 月2 日和5 月13 日受沙塵影響明顯的觀測(cè)數(shù)據(jù)剔除。使用線性回歸和Pearson 相關(guān)系數(shù)分析法，分析農(nóng)田近地表空氣中的PM10濃度變化與風(fēng)速、氣溫、空氣相對(duì)濕度、5 cm土壤溫度和濕度的關(guān)系；使用曲線回歸分析方法，分析PM10濃度變化與風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、5 cm 土壤溫度和濕度非線性關(guān)系。另外，考慮到不同環(huán)境因子（風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、5 cm土壤溫度和濕度）可能會(huì)對(duì)PM10濃度產(chǎn)生一定協(xié)同影響，在分析PM10濃度變化與單一因子關(guān)系的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步識(shí)別多種因子綜合對(duì)PM10濃度變化的影響，又進(jìn)行了PM10濃度與環(huán)境因子間的多元線性回歸和逐步回歸分析。

所有數(shù)據(jù)處理和圖表制作都在Excel 2013 中完成，所有數(shù)據(jù)分析（包括線性回歸和Pearson 相關(guān)系數(shù)分析、曲線回歸分析、多元線性回歸和逐步回歸統(tǒng)計(jì)分析）都在SPSS 21.0中執(zhí)行[47]。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM10濃度變化

圖1 顯示，在3—5 月，農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化范圍存在差異。在3、4、5 月，PM10濃度平均值分別為118.45、110.49、121.67 μg·m-3，變化范 圍 分 別 為33.33～333.33、16.67～250.00、66.67～216.67 μg·m-3，變異系數(shù)分別為68%、43%、29%。在3—5月整個(gè)時(shí)段，農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度平均值為117.06μg·m-3，變化范圍為16.67～333.33μg·m-3，變異系數(shù)為49%，隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)不顯著（R2=0.006，P＞0.05）。

2.2 PM10濃度變化與環(huán)境因子的關(guān)系

2.2.1 PM10濃度變化與氣象因子的關(guān)系

在3—5月，農(nóng)田近地表80 cm處空氣中PM10濃度變化與氣象因子相關(guān)性不同。3—5 月平均風(fēng)速為1.98 m·s-1，變化范圍0.50～6.03 m·s-1，PM10濃度變化與風(fēng)速相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系都達(dá)顯著水平（P＜0.01，表1），并且PM10濃度變化與風(fēng)速也呈顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系（P＜0.001，表2）；3—5月平均氣溫為16.91 ℃，變化范圍5.87～30.83 ℃，PM10濃度變化與氣溫呈顯著S 曲線函數(shù)關(guān)系（P＜0.01，表2）；3—5 月平均相對(duì)濕度為55.74%，變化范圍24.33%～94.83%，PM10濃度變化與相對(duì)濕度呈顯著二次函數(shù)關(guān)系（P＜0.05，表2），但PM10濃度變化與氣溫、相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系不顯著（P＞0.05）（表1）。

圖1 PM10濃度和氣象因素的變化特征Figure 1 Changes in the PM10concentrations and meteorological factors

續(xù)圖1 PM10濃度和氣象因素的變化特征Continued figure 1 Changes in the PM10concentrations and meteorological factors

表1 不同月份PM10濃度與環(huán)境因素的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson correlation coefficient between the PM10concentrations and environmental factors in different months

在3—5月不同月份，農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與氣象因子相關(guān)性也不同。在3 月，平均風(fēng)速為2.13 m·s-1，變化范圍0.50～6.03 m·s-1，PM10濃度變化與風(fēng)速的Pearson 相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系顯著（P＜0.05，表1），并且PM10濃度變化與風(fēng)速也呈顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系（P＜0.05，表2）；平均氣溫為11.10 ℃，變化范圍5.87～19.2 ℃，PM10濃度變化與氣溫相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系都不顯著（P＞0.05）；平均相對(duì)濕度為51.43%，變化范圍25.27%～94.83%，PM10濃度變化與相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系都達(dá)到顯著水平（P＜0.05，表1），并且PM10濃度變化與相對(duì)濕度也呈顯著倒數(shù)函數(shù)關(guān)系（P=0.01，表2）。在4 月，平均風(fēng)速為2.14 m·s-1，變化范圍0.53～5.37 m·s-1；相對(duì)濕度平均63.81%、變化范圍39.87%～91.7%；平均氣溫為15.94 ℃，變化范圍9.40～24.3 ℃，PM10濃度變化與氣溫呈顯著S 曲線函數(shù)關(guān)系（P＜0.05，表2），但PM10濃度與風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系都不顯著（P＞0.05）。在5 月，平均風(fēng)速為1.71 m·s-1，變化范圍0.77～4.67 m·s-1；平均氣溫23.21 ℃，變化范圍17.80～30.83 ℃；平均相對(duì)濕度52.50%，變化范圍24.33%～85.87%，PM10濃度變化與風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系均不顯著（P＞0.05）（圖1，表1）。

表2 PM10濃度與環(huán)境因素的非線性回歸方程Table 2 Nonlinear regression equation of the PM10concentrations with environmental factors

2.2.2 PM10濃度變化與土壤因子的關(guān)系

在3—5月不同月份，農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與土壤因子關(guān)系不同。在3 月，土壤平均溫度為8.80 ℃，變化范圍3.97～14.37 ℃；土壤平均濕度為14.30%，變化范圍14.18%～14.50%，PM10濃度變化與土壤溫度和濕度相關(guān)系數(shù)及線性回歸關(guān)系不顯著（P＞0.05）。在4 月，土壤平均溫度為15.60 ℃，變化范圍10.43～20.67 ℃，PM10濃度變化與土壤溫度相關(guān)系數(shù)及線性回歸關(guān)系不顯著（P＞0.05）；土壤平均濕度為16.11%，變化范圍14.26%～19.17%，PM10濃度變化與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)和S 曲線函數(shù)關(guān)系（P＜0.01，表2）。在5 月，土壤平均溫度為22.84 ℃，變化范圍17.50～28.13 ℃，土壤平均濕度為18.42%，變化范圍17.78%～19.10%，PM10濃度與土壤溫度和濕度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系不顯著（P＞0.05）（圖2，表1）。在3—5月整個(gè)時(shí)段，農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與土壤因子關(guān)系不同。在3—5 月整個(gè)時(shí)段，土壤平均溫度為15.62 ℃，變化范圍為3.97～28.13 ℃，土壤平均濕度為16.33%，變化范圍14.18%～19.17%，PM10濃度變化與土壤溫度和濕度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系都不顯著（P＞0.05）（圖2，表1）。

2.3 PM10濃度變化與環(huán)境因子綜合關(guān)系

以農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度為因變量，以風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、5 cm 土壤溫度和濕度為自變量，PM10濃度變化與環(huán)境因子多元回歸關(guān)系達(dá)到顯著水平（R2=0.159，P=0.027），但只有風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)（-0.238）顯著（P＜0.05）（表3）。

按變量納入標(biāo)準(zhǔn)（P＜0.05）進(jìn)行PM10濃度與環(huán)境因子逐步回歸分析，即氣溫、相對(duì)濕度、5 cm 土壤溫度和濕度為排除變量（表4），只有風(fēng)速變量進(jìn)入模型，PM10濃度變化與環(huán)境因子線性回歸方程為：y=-16.824x1+150.420（x1為風(fēng)速，R2=0.126，F(xiàn)=9.658，P＜0.01），說明風(fēng)速對(duì)PM10濃度變化影響達(dá)到顯著水平（表5）。

3 討論

3.1 農(nóng)田近地表PM10排放

一些觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，城市空氣中PM10濃度變化較大。如趙晨曦等[32]觀測(cè)發(fā)現(xiàn)北京城區(qū)空氣中PM10平均濃度為127.99 μg·m-3，在冬春季空氣中PM10濃度范圍為30～450 μg·m-3；王嫣然等[48]觀測(cè)發(fā)現(xiàn)北京城區(qū)空氣中PM10平均濃度為136.50 μg·m-3。本研究表明，與以上城市空氣中PM10濃度相比，在山東泗水縣春季（3—5 月）農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度也較高（平均值為117.06μg·m-3）。意味著在分析春季區(qū)域空氣中的PM10濃度變化中，對(duì)農(nóng)田近地表空氣中PM10需要高度關(guān)注。這些較高的PM10濃度一方面與本地污染物排放、外源輸送和沙塵有關(guān)，另一方面也與裸露農(nóng)田地表土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵排放有關(guān)[9]。

3.2 環(huán)境因子對(duì)農(nóng)田近地表PM10排放影響

農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化受污染源排放、環(huán)境因子等的綜合影響[46]。山東泗水縣春季（3—5 月）農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度波動(dòng)性較大（16.67～333.33 μg·m-3），這與風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、5 cm 土壤溫度和濕度因子綜合影響有關(guān)。在污染源強(qiáng)度和分布相對(duì)穩(wěn)定的條件下，氣象因子對(duì)空氣中PM10濃度變化起主導(dǎo)作用[13]，但不是單一因子影響，而是多種因子的共同作用[13]。

圖2 PM10濃度和土壤因素的變化特征Figure 2 Changes in the PM10concentrations and soil factors

表3 PM10濃度與環(huán)境因素多元線性回歸方程參數(shù)Table 3 Parameters of multiple linear regression equation of the PM10concentrations with environmental factors

風(fēng)是空氣中PM10稀釋擴(kuò)散和輸送最重要的動(dòng)力因子[28]。風(fēng)速變化直接決定近地表空氣中PM10濃度變化[31]。本研究表明，山東泗水縣春季（3—5月）農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系（P＜0.001），這與趙晨曦等[32]和Kim 等[28]研究結(jié)果相似。說明春季大風(fēng)多有利于農(nóng)田近地表空氣中PM10稀釋擴(kuò)散。另外，與4 月和5月相比，3 月農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)和指數(shù)函數(shù)關(guān)系，可能因?yàn)?月農(nóng)田地表裸露程度高，風(fēng)速對(duì)裸露程度高的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放和近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化影響更大。

表4 PM10濃度與環(huán)境因素多元線性逐步回歸方程已排除變量參數(shù)Table 4 Parameters of stepwise multiple linear regression equation has excluded variable of the PM10concentrations with environmental factors

表5 PM10濃度與環(huán)境因素多元線性逐步回歸方程參數(shù)Table 5 Parameters of stepwise multiple linear regression equation of the PM10concentrations with environmental factors

本研究表明，山東泗水縣春季（3—5 月）農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與氣溫線性關(guān)系并不顯著。但是，PM10濃度變化與氣溫的S 曲線函數(shù)關(guān)系卻達(dá)到顯著水平（P＜0.01）。這可能與空氣對(duì)流活動(dòng)有關(guān)。在春季大氣環(huán)流背景下，山東泗水縣農(nóng)田近地表氣溫變化不足以改變大氣湍流運(yùn)動(dòng)和垂直對(duì)流變化的影響，而近地表氣溫較高卻反而與冷空氣活動(dòng)少、大氣較穩(wěn)定直接相關(guān)[49]。

有研究發(fā)現(xiàn)，空氣中PM10濃度變化與空氣相對(duì)濕度Pearson 正相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平[32]。本研究表明，山東泗水春季（3—5 月）農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與空氣相對(duì)濕度二次函數(shù)關(guān)系達(dá)到顯著水平。這可能由于水汽對(duì)PM10具有吸附作用而引起空氣中PM10濃度增加所致。濕度越大越有利于農(nóng)田近地表空氣中PM10凝聚和成核，從而使空氣中PM10濃度升高（未發(fā)生沉降情況下），但當(dāng)超過閾值后則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因重力作用質(zhì)量較大的PM10易發(fā)生濕沉降，使空氣中PM10濃度降低[29]。另外，本研究也表明，與4 月和5 月相比，3 月農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)和倒數(shù)函數(shù)關(guān)系（P=0.01）。這可能與3 月氣溫回升較快造成空氣干燥及相對(duì)濕度大幅降低有關(guān)。

本研究表明，山東泗水縣春季（3—5 月）農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與5 cm 土壤溫度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系都不顯著。這可能與土壤溫度變化和氣溫直接相關(guān)[9]。雖然3—5 月土壤溫度隨氣溫升高而有一定幅度增加，但仍處于較低水平，所以農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與5 cm 土壤溫度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系并沒有達(dá)到顯著水平。

有研究發(fā)現(xiàn)土壤濕度較高使土壤顆粒表面形成水膜層，土壤顆粒受表面水膜靜電作用及張拉力和黏聚力約束，不易被風(fēng)揚(yáng)起[9]，從而抑制農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵顆粒物排放[30]。本研究表明，山東泗水縣春季（3—5 月）農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與5 cm 土壤濕度相關(guān)系數(shù)和線性回歸關(guān)系都不顯著。這可能因?yàn)榇杭究諝庵蠵M10粒徑較大，造成水膜靜電作用和表面拉張力及黏聚力約束力較小而容易被風(fēng)揚(yáng)起。另外，本研究也表明，與3 月和5 月相比，4 月農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)和S 曲線函數(shù)關(guān)系（P＜0.01），這可能與4月降雨頻繁導(dǎo)致土壤濕度較大有關(guān)。

3.3 農(nóng)田近地表PM10排放對(duì)空氣質(zhì)量影響

春季農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放潛在輸送距離大，對(duì)區(qū)域尤其對(duì)城市區(qū)域大氣PM10濃度具有一定的貢獻(xiàn)。Ge 等[50]研究發(fā)現(xiàn)新疆艾比湖地區(qū)土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵輸送路徑具有明顯季節(jié)差異，在春夏兩季達(dá)到最大輸送距離（影響我國(guó)整個(gè)北方空氣中顆粒物濃度，軌跡從中亞延伸到朝鮮半島和俄羅斯東部，甚至到達(dá)日本北部并進(jìn)入北太平洋），在秋冬季，輸送距離在1 km 以下；Zhu等[51]基于向后運(yùn)動(dòng)軌跡分析方法對(duì)北京PM10濃度輸送路徑進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2003—2009 年春季蒙古南部、內(nèi)蒙古西部和黃土高原等地往北京輸送PM10頻率最高；韓旸等[52]評(píng)估裸土風(fēng)蝕型開放源揚(yáng)塵對(duì)城市空氣顆粒物影響發(fā)現(xiàn)，PM10起塵量對(duì)城區(qū)空氣中顆粒物平均貢獻(xiàn)值為41.45μg·m-3。本研究表明，在春季受風(fēng)等多種環(huán)境因子綜合作用下，農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵對(duì)近地表空氣中PM10濃度有一定的影響。

需要指出，山東泗水縣春季典型農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中的PM10濃度變化是多種環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果。特別是風(fēng)速對(duì)春季農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化影響涉及了兩方面的過程，一方面風(fēng)速增大使近地表空氣中PM10濃度降低，另一方面風(fēng)速增大也使土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵和沙塵增多而使近地表空氣中PM10濃度增多。此外，陳衛(wèi)衛(wèi)[53]總結(jié)發(fā)現(xiàn)農(nóng)田PM10排放也受到春耕期機(jī)械擾動(dòng)、耕作方式（如翻耕、耙地、播種、撒播糞肥以及控制雜草和害蟲的燒地等）、田間管理（除草、噴殺蟲劑、施肥、灌溉等）、土壤質(zhì)地（有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)粒粒度和穩(wěn)定性等）、作物類型的影響。另外，本地污染物排放與外源輸送、煙塵懸浮物及其他氣態(tài)污染物等也對(duì)農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化有影響。這使本研究結(jié)論會(huì)存在一定誤差。此外，本研究只是在山東泗水縣進(jìn)行了2019 年春季觀測(cè)，結(jié)論是否適用于其他年份及地區(qū)，還需要更多試驗(yàn)去明確。目前空氣中顆粒物濃度觀測(cè)研究還集中在城市和工業(yè)污染地區(qū)，對(duì)農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度觀測(cè)研究還較少。本研究開展的典型農(nóng)田近地表空氣中PM10濃度變化與環(huán)境因子關(guān)系的分析結(jié)果，對(duì)確定農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放對(duì)大氣環(huán)境的影響及科學(xué)制定防控對(duì)策能提供一定的參考依據(jù)，對(duì)相關(guān)研究具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）在春季，山東泗水縣農(nóng)田近地表空氣中PM10污染不容忽視。相比相關(guān)城市空氣中PM10濃度，農(nóng)田近地表80 cm處空氣中PM10濃度也不低。

（2）在春季，山東泗水縣典型農(nóng)田近地表80 cm處空氣中PM10濃度變化與風(fēng)速相關(guān)性最高，與相對(duì)濕度、氣溫、5 cm 土壤溫度和土壤濕度的相關(guān)性其次。同時(shí)，PM10濃度變化與環(huán)境因子非線性關(guān)系也達(dá)到顯著水平。

（3）在春季，山東泗水縣農(nóng)田近地表80 cm 處空氣中PM10濃度變化受風(fēng)速的影響最大。

（4）在春季，在風(fēng)等多種環(huán)境因子綜合作用下，農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵對(duì)近地表空氣中PM10濃度產(chǎn)生一定影響。控制土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵PM10排放，對(duì)治理大氣PM10污染有重要的意義。