基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究城市道路林內(nèi)大氣顆粒物的空間分布特征

張劉東，郭建曜，陳 雨，付德剛，李越凡，丁澤健，李亞華，李傳榮*

（1.山東省林業(yè)保護(hù)和發(fā)展服務(wù)中心，山東濟(jì)南250000；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，黃河下游森林培育國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018；3.青島市婦女兒童醫(yī)院，山東青島266000；4.青島西海岸新區(qū)人民醫(yī)院，山東青島266000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，城市空氣質(zhì)量下降，霧霾頻發(fā)，而空氣顆粒物成為很多城市的首要污染物，是導(dǎo)致空氣霧霾的罪魁禍?zhǔn)譡1]，影響著人們的身體健康，也可誘發(fā)多種疾病[2]。因此，降低空氣粉塵含量，減少霧霾，對(duì)改善人居環(huán)境尤為重要。

大氣顆粒物主要指懸浮在中的粉塵粒子PM，按照粒徑大小分為TSP、PM10、PM2.5和PM1。研究表明空氣顆粒物能夠影響人的呼吸系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)，引發(fā)疾??；也會(huì)影響空氣質(zhì)量，降低能見度[3-7]。研究發(fā)現(xiàn)植物葉片能夠截取顆粒物而具有滯塵效果[8-9]。城市森林作為城市主要綠地，對(duì)降低城市顆粒物污染發(fā)揮了巨大作用。落葉喬木因葉片大，滯塵效果好，在北方獲得了廣泛栽植[10]。在冬季常綠針葉樹種發(fā)揮了更大的環(huán)境效益[11]。因此，對(duì)道路林進(jìn)行合理的植物群落配置是改善對(duì)于降低顆粒物濃度是極為重要的。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省泰安市，溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量697 mm，年平均氣溫13 ℃，試驗(yàn)地選擇泰安市交通主干道泰山大街的6種典型道路林進(jìn)行研究。

表1 樣地基本情況Table 1 The condition of vegetation in sampling sites

1.2 研究方法

試驗(yàn)選擇春（4-6月)、夏（7-9月)、秋（10-12月)、冬(1-3月) 4 個(gè)季節(jié)，于晴朗無風(fēng)或微風(fēng)的白天進(jìn)行，每個(gè)月連續(xù)觀測(cè)3日。研究林空氣顆粒物日動(dòng)態(tài)變化，測(cè)定時(shí)間為8:00 時(shí)、10:00 時(shí)、12:00 時(shí)、14:00 時(shí)、16:00 時(shí)。觀測(cè)順序?yàn)榱志壍较蛄謨?nèi)，每隔2～5 m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置30 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同一樣地的監(jiān)測(cè)順序保持一致，每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3 次，6樣地同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)空氣顆粒物時(shí)，使用儀器為英國Turnkey儀器制造公司的Dustmate 儀器（分辨率：0.1 μg/m3；測(cè)量范圍：0-6000 μg/m3；粒徑范圍：0.15-15 μm）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS 22 進(jìn)行單因素方差分析 （one-way ANOVA）和LSD 檢驗(yàn)，在5%水平上檢驗(yàn)不同處理測(cè)定結(jié)果的差異性。應(yīng)用Surfer Demo 11 和Excel 2019 進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 日動(dòng)態(tài)變化

夏季LD1 的顆粒物濃度日動(dòng)態(tài)變化如圖1所示，TSP、PM10、PM2.5、PM1濃度隨時(shí)間都表現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，呈“U”字型。但各時(shí)間段的變化幅度有所不同，其中TSP 濃度變化幅度最小，最大值（254.6 μg·m-3）為最小值為（111.2 μg·m-3）的2.3倍；PM1濃度變化幅度最大，最大值（21.3 μg·m-3）為最小值（3.2 μg·m-3）的6.7 倍。總的來看，不同粒徑顆粒物均在8:00 時(shí)出現(xiàn)最低高值，12:00 時(shí)出現(xiàn)最低值。

圖1 夏季LD1 TSP、PM10、PM2.5、PM1日動(dòng)態(tài)變化Figure 1 The diurnal dynamics of LD1 TSP,PM10,PM2.5 and PM1 in summer

2.2 大氣顆粒物的空間變異性

塊金值和基臺(tái)值代表空間異質(zhì)性和變量在空間上的總變異性大?。粔K金值與基臺(tái)值比值為塊金系數(shù)，能夠描述空間變量的相關(guān)尺度，如果比值小于25%，說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性：若大于25%而小于75%，表明系統(tǒng)具有中等空間相關(guān)性；若比值大于75%則說明空間相關(guān)性弱[13]。通過Arcgis 10.1 進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)TSP、PM10、PM2.5和PM1的塊金系數(shù)分別為61%、52%、20%和16%，4 種顆粒物均存在空間相關(guān)性，TSP 和PM10具有中等的空間相關(guān)性；而PM2.5和PM1具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。

2.3 大氣顆粒物空間分布

2.3.1 春季不同道路林空間顆粒物含量比較

如圖2-7 所示，春季不同道路林內(nèi)空間顆粒物分布差異較大，且濃度變化趨勢(shì)明顯。其中，LD1、LD2、LD4 呈現(xiàn)出從林緣至林內(nèi)顆粒物濃度逐漸下降的趨勢(shì)；LD3、LD5 則表現(xiàn)為沿著林緣至林內(nèi)升高的趨勢(shì)?？梢钥闯觯琇D4 中顆粒物空間分布差異性明顯小于其余道路林，而LD5 顆粒物空間分布差異高于其余林地。其中，LD4 喬草均勻分布，而LD5 是喬灌結(jié)合的植物配置方式，這說明植物群落配置會(huì)影響顆粒物空間分布。

圖2 春季LD1 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 2 Spatial Variations of PM concentration in LD1 in Spring

圖3 春季LD2 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 3 Spatial Variations of PM concentration in LD2 in Spring

圖4 春季LD3 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 4 Spatial Variations of PM concentration in LD3 in Spring

圖5 春季LD4 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 5 Spatial Variations of PM concentration in LD4 in Spring

圖6 春季LD5 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 6 Spatial Variations of PM concentration in LD5 in Spring

圖7 春季LD6 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 7 Spatial Variations of PM concentration in LD6 in Spring

2.3.2 夏季不同道路林空間顆粒物含量比較

對(duì)于上述前四本教材可釆取兩個(gè)方案實(shí)施：一是由教育部相關(guān)學(xué)科的專業(yè)教育指導(dǎo)委員會(huì)，遵循游學(xué)教育內(nèi)核，開展多模態(tài)課程群建設(shè)，根據(jù)雙語教材編寫原則，組織專業(yè)人員進(jìn)行編寫。二是由出版社以項(xiàng)目制、市場(chǎng)化規(guī)范操作，但須經(jīng)由相關(guān)專業(yè)教育指導(dǎo)委員會(huì)審定。地方特色課程出版物及游學(xué)指南，可由各省、市根據(jù)涉及的內(nèi)容，有針對(duì)性地開展不同方案的教材規(guī)劃與編撰。

如圖8-13 所示，夏季不同樣地的顆粒物空間分布以及濃度變化存在顯著差異。LD1 中PM1和PM2.5沿林緣至林內(nèi)逐漸減低，PM10和TSP 則呈現(xiàn)出濃度升高的趨勢(shì)，且PM10和TSP 在喬灌包圍區(qū)域出現(xiàn)聚集，在喬灌密集區(qū)域濃度較低。LD2、LD3、LD4 中PM10和TSP 和 LD5 中的PM1和PM2.5亦呈現(xiàn)出由外至內(nèi)減小的趨勢(shì)。且LD3 和LD4 中PM1和PM2.5中出現(xiàn)條狀聚集現(xiàn)象。多數(shù)樣地的顆粒物濃度都呈現(xiàn)出由外至內(nèi)逐漸衰減的趨勢(shì)，這說明道路林對(duì)于降低空氣顆粒物的含量有顯著效果。

圖8 夏季LD1 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 8 Spatial Variations of PM concentration in LD1 in Summer

圖9 夏季LD2 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 9 Spatial Variations of PM concentration in LD2 in Summer

圖10 夏季LD3 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 10 Spatial Variations of PM concentration in LD3 in Summer

圖11 夏季LD4 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 11 Spatial Variations of PM concentration in LD4 in Summer

2.3.3 秋季不同道路林空間顆粒物含量比較

如圖14-19 所示，秋季不同道路林內(nèi)都出現(xiàn)不同程度的顆粒物積聚現(xiàn)象。不同道路林顆粒物濃度空間變化存在差異。其中，LD1、LD2 中顆粒物空間分布呈現(xiàn)出從林緣至林內(nèi)升高的趨勢(shì)；LD3、LD4 中顆粒物濃度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。LD5 中顆粒物空間分布從外至內(nèi)呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)，且濃度最大值出現(xiàn)在道路林內(nèi)部；LD6 中沿林緣至林內(nèi)逐漸降低。

圖14 秋季LD1 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 14 Spatial Variations of PM concentration in LD1 in Autumn

圖15 秋季LD2 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 15 Spatial Variations of PM concentration in LD2 in Autumn

圖16 秋季LD3 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 16 Spatial Variations of PM concentration in LD3 in Autumn

圖18 秋季LD5 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 18 Spatial Variations of PM concentration in LD5 in Autumn

圖19 秋季LD6 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 19 Spatial Variations of PM concentration in LD6 in Autumn

2.3.4 冬季不同道路林空間顆粒物含量比較

如圖20-25 所示，冬季各樣地空間顆粒物濃度所示，LD1、LD2、LD3、LD4、LD5 中顆粒物沿林緣至林內(nèi)逐漸降低，LD6 中則沿林緣至林內(nèi)顆粒物濃度逐漸升高。這反映了在冬季條件下，道路林仍具有滯沉能力。

圖20 冬季LD1 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 20 Spatial Variations of PM concentration in LD1 in Winter

圖21 冬季LD2 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 21 Spatial Variations of PM concentration in LD2 in Winter

圖22 冬季LD3 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 22 Spatial Variations of PM concentration in LD3 in Winter

圖23 冬季LD4 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 23 Spatial Variations of PM concentration in LD4 in Winter

圖24 冬季LD5 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 24 Spatial Variations of PM concentration in LD5 in Winter

圖25 冬季LD6 樣地內(nèi)顆粒物空間分布特征Figure 25 Spatial Variations of PM concentration in LD6 in Winter

3 討論與結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)大氣顆粒物濃度呈現(xiàn)出 “早晚高，中午低”的趨勢(shì)[14-16]，本研究結(jié)果與其一致。研究發(fā)現(xiàn)8:00 -10:00 時(shí)的空氣顆粒物含量明顯高于14:00-16:00 時(shí)，說明顆粒物濃度整體呈現(xiàn)出夜間上升趨勢(shì)高于白天。本試驗(yàn)中所有道路林在8:00 時(shí)顆粒物濃度均為一天內(nèi)最高，這可能與逆溫輻射的有關(guān)，夜間地面溫度高，大氣溫度低，阻止顆粒物向上擴(kuò)散； 而12:00-14:00 時(shí)所有林地顆粒物濃度均出現(xiàn)最低值，這可能與午間氣溫升高有關(guān)。研究表明植物結(jié)構(gòu)復(fù)雜且郁閉度高的林地比結(jié)構(gòu)單一的林地滯沉效果好[17-18]。本試驗(yàn)對(duì)6 種不同植物配置的道路林喬-灌-草結(jié)構(gòu)、前喬后灌的喬-灌-草結(jié)構(gòu)、前灌后喬的喬-灌-草結(jié)構(gòu)、喬-灌結(jié)構(gòu)、喬-草結(jié)構(gòu)、喬木結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究得出相同結(jié)論。3 種喬-灌-草結(jié)合的植物群落配置對(duì)顆粒物濃度減弱效果優(yōu)于喬灌、喬草以及單層喬木結(jié)構(gòu)道路林。

王成等研究發(fā)現(xiàn)北京西山城市森林內(nèi)顆粒物濃度大多時(shí)候遠(yuǎn)低于城市內(nèi)部[19]，說明森林具有良好的滯沉效果。本試驗(yàn)得出的結(jié)果與其有所不同，研究發(fā)現(xiàn)部分道路林內(nèi)部在春、秋季出現(xiàn)了顆粒物積聚現(xiàn)象，這說明春、秋季節(jié)道路林對(duì)于顆粒物濃度降低存在反作用?？偟膩砜?，6 種典型道路林顆粒物濃度均呈現(xiàn)出從林緣至林內(nèi)下降的趨勢(shì)，說明道路林對(duì)顆粒濃度降低有一定作用。這與不同季節(jié)道路林對(duì)顆粒物的作用效果不同導(dǎo)致顆粒物濃度呈現(xiàn)出“冬春高，夏秋低”的趨勢(shì)[20-21]結(jié)論一致。

通過對(duì)6 大典型道路林的研究發(fā)現(xiàn)，一天中，空氣顆粒物濃度在8:00 時(shí)最高，14:00 時(shí)最低，4 種顆粒物均呈現(xiàn)出“早晚高，午間低”的變化趨勢(shì)。因此，居民外出最佳時(shí)間為中午和傍晚，建議鍛煉愛好者可將室外鍛煉時(shí)間按排于16:00 時(shí)以后進(jìn)行，6種道路林空氣顆粒物濃度具有空間異質(zhì)性，整體呈現(xiàn)出從林緣至林內(nèi)降低的趨勢(shì)。在道路林配置過程中應(yīng)選擇喬灌草層次豐富的植物。研究發(fā)現(xiàn)針葉樹種對(duì)于空氣顆粒物的作用效果高于闊葉樹種，因此在進(jìn)行道路林植物配置時(shí)可增加針葉樹種的使用頻率。結(jié)合園林綠化的實(shí)際要求來看，道路林既要有滯塵效果，也需要具有一定的觀賞性，因此建議在進(jìn)行道路林配置時(shí)可以在靠近道路一側(cè)種植觀賞性較強(qiáng)的喬木，中間部分結(jié)合灌草，以期發(fā)揮最大的環(huán)境效益。