泰山景區(qū)不同林型空氣顆粒物濃度研究

張劉東，郭建曜，萬(wàn)家隆，付德剛，高 晴，申衛(wèi)星，張義坤，李傳榮

（1山東省林業(yè)保護(hù)和發(fā)展服務(wù)中心，濟(jì)南 250000；2山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站/黃河下游森林培育國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；3泰安市泰山風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì)，山東泰安 271018）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量有害顆粒物不斷排放到空氣中，空氣污染日益嚴(yán)重[1]。空氣顆粒物是均勻地分散在空氣中的固態(tài)或液態(tài)顆粒狀物質(zhì)的總稱，是導(dǎo)致空氣污染的主要污染物。研究表明，空氣顆粒物是導(dǎo)致空氣霧霾污染的罪魁禍?zhǔn)祝烧T發(fā)多種疾病[2-5]，同時(shí)可以作為部分流行病毒的潛在傳播載體[6]?？諝忸w粒物的濃度高低，已成為衡量空氣環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。

城市綠地面積不斷縮減[7-8]、生物多樣性降低等問(wèn)題使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不能滿足人們的日常需求[9-10]，越來(lái)越多的人處于亞健康的狀態(tài)[11]，空氣質(zhì)量較高的森林旅游區(qū)逐步成為人們開(kāi)展游憩活動(dòng)、緩解身心壓力的重要場(chǎng)所。

泰山風(fēng)景名勝區(qū)（以下簡(jiǎn)稱泰山景區(qū)）作為國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，具有豐富的森林資源條件，每年吸引眾多游客。目前以泰山景區(qū)不同類型游憩林為對(duì)象的相關(guān)研究主要集中在景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面[12-13]，不同林型對(duì)空氣顆粒的影響尚不清楚。本研究以泰山桃花源景區(qū)常見(jiàn)的不同游憩林作為試驗(yàn)對(duì)象，以林外景區(qū)公路作為對(duì)照，探究評(píng)價(jià)游憩林內(nèi)空氣顆粒物濃度水平，旨在為景區(qū)森林旅游資源開(kāi)發(fā)工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)設(shè)在泰山景區(qū)內(nèi)(36°05'—36°30'N，116°50'—117°24'E)。泰山主峰海拔1532.7 m，與其山前平原相對(duì)高差超過(guò)1300 m，泰山景區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，山下和山頂?shù)?月平均氣溫分別為-3℃和-9℃，7月平均氣溫分別為26℃和18℃；年均降水量山頂為1132 mm，山下722.6 mm，平均無(wú)霜期186～196天。泰山母巖以花崗巖、片麻巖及過(guò)渡性巖石為主，土壤以粗骨棕壤、普通棕壤為主。目前植被覆蓋率達(dá)91.5%，森林覆蓋率達(dá)81.5%，林下主要分布有胡枝子(Lespedeza davurica)、荊條 (Vitex negundo)、馬唐 (Digitaria sanguinalis)、白蓮蒿 (Artemisia sacrorum)、伏地卷柏(Selaginella nipponica)等植被。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 在泰山景區(qū)桃花源地區(qū)，選取常見(jiàn)的油松(Pinus tabulaeformis)純林、刺槐(Robinia pseudoacacia)純林和以桃(Amygdalus persica)、板栗(Castanea mollissima)為主的經(jīng)濟(jì)林（取其均值）作為研究對(duì)象，在每個(gè)樣地中，設(shè)置30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地，調(diào)查樣地內(nèi)所有樹(shù)高、胸徑、郁閉度等，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地中均勻布設(shè)9個(gè)10 m×10 m的小樣方，在小樣方內(nèi)選取中心位置作為觀測(cè)點(diǎn)，在景區(qū)公路處選擇一觀測(cè)點(diǎn)(CK)進(jìn)行對(duì)照觀測(cè)。樣地概況如表1所示。

表1 樣地概況

1.2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與指標(biāo) 試驗(yàn)于2020年8月16—18日8:00—18:00時(shí)間段內(nèi)，在刺槐純林、油松純林、以桃和板栗為主的經(jīng)濟(jì)林和林外景區(qū)公路內(nèi)進(jìn)行。采用美國(guó)生產(chǎn)的Kestrel4000便攜式手持氣象站測(cè)定空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速；采用英國(guó)TurnKey公司生產(chǎn)的便攜式Dustmate粉塵儀測(cè)定TSP、PM10、PM2.5、PM1顆粒物濃度。

試驗(yàn)中將監(jiān)測(cè)儀器置于每個(gè)小樣方的中間位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度取人的呼吸平均高度1.5 m。每個(gè)樣地每個(gè)時(shí)間段連續(xù)測(cè)量3次求平均值，每小時(shí)測(cè)定一次，不同林分內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。顆粒物測(cè)量結(jié)果依2016年實(shí)施的中華人民共和國(guó)《空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3095—2012)》對(duì)空氣中的PM10、PM2.5進(jìn)行評(píng)價(jià)，并計(jì)算各林型的顆粒物削減率[14]，如式(1)。

式中，Y為顆粒物削減率，N為對(duì)照點(diǎn)空氣顆粒物濃度，Ni為林內(nèi)空氣顆粒物濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理、統(tǒng)計(jì)、顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)性分析，采用Excel 2019軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣顆粒物濃度日變化

如圖1所示，4種粒徑的顆粒物濃度隨時(shí)間日變化趨勢(shì)相似，但低谷出現(xiàn)的時(shí)間段有所不同。TSP濃度日變化曲線為先降低后升高的V型趨勢(shì)，即自8:00開(kāi)始緩慢下降，到9:00之后下降趨勢(shì)更加明顯，在13:00（道路和經(jīng)濟(jì)林）或是14:00（油松林和刺槐林）時(shí)達(dá)到低谷，之后緩慢回升，17:00—18:00上升趨勢(shì)較為明顯。PM10濃度日變化曲線與TSP相似，上午起始濃度高，之后逐漸下降，于13:00（道路、經(jīng)濟(jì)林和刺槐林）或14:00（油松林）處到達(dá)低谷，之后開(kāi)始緩慢回升。PM2.5濃度日變化曲線亦為V型，均在15:00達(dá)到一天中的低谷。PM1濃度日變化曲線在14:00（道路和經(jīng)濟(jì)林）或是15:00（刺槐林和油松林）到達(dá)一天中的低谷。導(dǎo)致這種波峰波谷主要原因可能是8:00—9:00是游覽車出行高峰期，同時(shí)空氣濕度較大，導(dǎo)致顆粒物不容易擴(kuò)散。隨著溫度的升高以及植物生理活動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，顆粒物濃度通過(guò)空氣對(duì)流與植物吸滯逐漸降低，14:00左右到達(dá)白天低谷，之后由于溫度的降低、游客們陸續(xù)離開(kāi)，顆粒物濃度回升。

圖1 不同粒徑空氣顆粒物日變化

樣地之間的顆粒物濃度日變化特點(diǎn)不同，道路的日變化曲線明顯高于游憩林的日變化曲線；經(jīng)濟(jì)林的日變化曲線在不同粒徑中均高于刺槐純林與油松純林，且在PM2.5與PM1粒徑上高于其他樣地；刺槐林日變化曲線在不同粒徑上均低于經(jīng)濟(jì)林高于油松林，在TSP以及PM10濃度上刺槐林與油松林變化曲線雖有差異但相差不大，在PM2.5與PM1粒徑上刺槐林的顆粒物濃度高于油松林。樣地的顆粒物濃度日變化不同，可能是由樣地之間的總體滯塵能力不同導(dǎo)致的。

2.2 空氣顆粒物比例日變化

如圖2中所示，通過(guò)對(duì)比各樣地不同粒徑顆粒物濃度比發(fā)現(xiàn)，顆粒物所占比例大小與該林分的顆粒物濃度之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性，不同林分之間的顆粒物所占比例無(wú)顯著性差異。其中，PM10所占的比例最高，為50.17%～47.38%；PM2.5所占比例最低，為34.97%～30.23%；PM1與PM2.5差異不大，為35.86%～33.45%?？傮w而言，幾種游憩林空氣環(huán)境中的顆粒物粒徑以2.5～10 μm之間的可吸入顆粒物為主。

圖2 小粒徑顆粒物所占比例日變化

各樣地不同粒徑顆粒物比例日變化趨勢(shì)，在整體上表現(xiàn)為上午高、下午低的V型曲線，與顆粒物濃度的變化趨勢(shì)大體相近。PM10所占比例日變化在12:00—14:00處于低谷，與其濃度日變化低谷出現(xiàn)的時(shí)段一致；PM2.5所占比例日變化無(wú)明顯谷值，與其濃度的日變化相關(guān)性不大；PM1所占比例日變化在14:00—16:00最低，與其濃度日變化低谷出現(xiàn)的時(shí)間基本一致。結(jié)合各樣地不同粒徑顆粒物比例日變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，游憩林小粒徑顆粒物含量較低時(shí)段為14:00—16:00。

2.3 空氣顆粒物總體特征

各樣地空氣顆粒物日均值及其差異如表2所示，不同樣地在TSP、PM10、PM2.5、PM14種不同粒徑水平上均存在顯著性差異。TSP日均濃度各樣地均顯著低于對(duì)照道路(P＜0.05)，油松林TSP日均濃度最低，較道路降低20.99%；刺槐林TSP日均濃度略低于油松林，與景區(qū)道路相比顯著降低18.27%(P＜0.05)；經(jīng)濟(jì)林TSP濃度顯著高于油松林與刺槐林，與道路林相比顯著降低12.08%(P＜0.05)。PM10日均濃度各樣地顯著低于道路(P＜0.05)，其中油松林日均濃度最低，降低值為道路的21.51%；刺槐林濃度降低為道路的14.13%(P＜0.05)。PM2.5濃度經(jīng)濟(jì)林與道路差異不顯著，刺槐林與油松林顯著低于道路；油松林顯著低于刺槐林(P＜0.05)。PM1日均濃度差異與PM2.5相似，其中油松PM1日均濃度顯著低于其他林分，降低為道路的32.17%。整體上，各林分對(duì)于不同粒徑顆粒物削減率（圖3）表現(xiàn)為油松林＞刺槐林＞經(jīng)濟(jì)林，隨著粒徑變小，油松凈化能力比其他林分強(qiáng)。

表2 各樣地顆粒物濃度日均值及小粒徑顆粒物所占比例 μg/cm3

圖3 不同林型對(duì)各顆粒物削減率

2.4 空氣顆粒物與氣候因子相關(guān)性分析

由表3可知，小氣候各因子之間，溫度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)、風(fēng)速與溫度呈正相關(guān)、風(fēng)速與濕度呈負(fù)相關(guān)。各粒徑顆粒物之間呈顯著正相關(guān)。顆粒物與小氣候因子之間，各粒徑顆粒物均與溫度顯著負(fù)相關(guān)，原因可能是空氣溫度的升高加劇了分子活動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)流活動(dòng)的產(chǎn)生，將積蓄的顆粒物擴(kuò)散、輸出，進(jìn)而降低顆粒物濃度。空氣顆粒物濃度與空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)，原因可能為空氣濕度越高空氣中的水分越多，顆粒物會(huì)作為凝結(jié)核與水汽相互吸附[15]，阻隔其擴(kuò)散。顆粒物濃度與風(fēng)速顯著負(fù)相關(guān)，風(fēng)是影響污染物擴(kuò)散的重要?jiǎng)恿σ蜃?，其顆粒物濃度直觀反映了空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，一定范圍內(nèi)，風(fēng)速越大顆粒物越容易擴(kuò)散[16]。

表3 不同粒徑顆粒物濃度與氣象因素Pearson相關(guān)性分析

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，林分對(duì)空氣顆粒物存在顯著的阻遏效應(yīng)，不同林型之間因植被類型的不同，阻遏效應(yīng)存在差異性。林分內(nèi)的顆粒物濃度受氣候、植被、人類活動(dòng)等因子共同作用，游憩時(shí)應(yīng)注意避開(kāi)車輛活動(dòng)的高峰時(shí)期，在對(duì)泰山景區(qū)森林的建設(shè)管理工作中，應(yīng)適當(dāng)增加油松等常綠針葉樹(shù)種所占的比例，以充分利用其較好的顆粒物阻隔能力。

4 討論

泰山景區(qū)具有較高的植被覆蓋率和森林覆蓋率。豐富的森林植被吸滯空氣顆粒物，使得景區(qū)內(nèi)空氣顆粒物水平常年處于較低濃度水平，空氣顆粒物的主要輸入源為游客的游憩活動(dòng)以及車輛交通所帶來(lái)的揚(yáng)塵與尾氣。通過(guò)觀察各樣地空氣顆粒物日動(dòng)態(tài)變化曲線，發(fā)現(xiàn)均為上午高、中午低谷、下午回升的V字曲線（圖1），這與郭二果等[17]的研究結(jié)果一致。本研究中空氣顆粒物濃度，在8:00開(kāi)始降低，13:00—15:00出現(xiàn)低谷，之后緩慢回升（圖1），這與游客日常前來(lái)游憩以及離開(kāi)的時(shí)間段基本吻合，游客下午離園的時(shí)間大多分批次離開(kāi)，較為分散，這可能是導(dǎo)致上午濃度高于下午的原因。同時(shí)，氣候的變化也促進(jìn)了這個(gè)趨勢(shì)的產(chǎn)生，清晨溫度低、濕度高，空氣對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)度較弱，顆粒物與空氣中的水汽結(jié)合，不易擴(kuò)散，之后隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，空氣溫度升高、濕度降低，顆粒物在空氣對(duì)流的作用下開(kāi)始擴(kuò)散，并在擴(kuò)散過(guò)程中與森林植被頻繁的接觸，森林植被阻滯、吸附空氣顆粒物的效率提高，空氣顆粒物的濃度開(kāi)始明顯降低，并在14:00左右達(dá)到了白天中的低谷，之后隨著氣溫的降低，對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱，空氣顆粒物的濃度開(kāi)始回升。

結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)測(cè)空氣顆粒物濃度發(fā)現(xiàn)，景區(qū)各樣地空氣質(zhì)量良好，全天監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)均處于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上，11:00—16:00各游憩林不同粒徑顆粒物濃度均達(dá)到了國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上，考慮到夏季炎熱的氣候，推薦游客在11:00—16:00時(shí)段內(nèi)活動(dòng)，避開(kāi)8:00—11:00具有較高的空氣顆粒物濃度以及中午炎熱的時(shí)間段。

比對(duì)不同林分內(nèi)空氣顆粒物濃度分析各林分對(duì)空氣顆粒物的凈化效果，不同粒徑顆粒物削減率表現(xiàn)為油松林＞刺槐林＞經(jīng)濟(jì)林，且林分環(huán)境對(duì)細(xì)顆粒物的凈化效率要高于粗顆粒物。這與Tallis[18]、Lin[19]等的研究結(jié)果一致。林分環(huán)境中的空氣顆粒物，大多是來(lái)自于外界輸入，一定范圍內(nèi)，郁閉度越大的林分，在外界顆粒物輸入時(shí)，阻滯作用越發(fā)明顯，因而導(dǎo)致不同林分環(huán)境內(nèi)的顆粒物濃度出現(xiàn)差異。不同樹(shù)種之間滯塵能力也有所不同，油松林與刺槐林郁閉度差異不大，但是相比于刺槐，油松作為針葉植物擁有更加復(fù)雜的枝葉空間分布結(jié)構(gòu)[17]，且其葉片表面紋理成波浪形，紋理之間常分泌油脂[20]，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)保證了油松能夠更加有效地捕獲空氣中的顆粒物并牢牢地吸滯在葉片上，有效地降低林內(nèi)的空氣顆粒物濃度。林分的吸滯作用在顆粒物不同粒徑尺度上也存在差異[21]，相比于細(xì)顆粒物，質(zhì)量較大的粗顆粒物更加難以被樹(shù)木的枝干以及葉片所捕捉，捕捉之后也更加容易在氣象擾動(dòng)之下脫離，這一點(diǎn)在作為針葉樹(shù)種的油松上體現(xiàn)的格外明顯，其在PM2.5及PM1粒徑上的顆粒物凈化率顯著的優(yōu)于其在TSP、PM10粒徑上的凈化率。

通過(guò)對(duì)不同粒徑顆粒物濃度與小氣候相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，顆粒物濃度與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與濕度呈正相關(guān)，與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，這與古琳[22]和杜萬(wàn)光[23]等的研究結(jié)果一致。溫度、相對(duì)濕度等氣候因素的變化影響了顆粒物的擴(kuò)散，導(dǎo)致顆粒物的濃度上升或是下降，但是這種影響不是絕對(duì)的，要限定在一定的范圍內(nèi)。氣候因素與顆粒物濃度的相關(guān)關(guān)系存在著一定的閾值[24]，氣候因素在不同的范圍內(nèi)與空氣顆粒物的相關(guān)關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。