趙文君 劉延惠 丁訪軍 侯貽菊 舒德遠(yuǎn) 崔迎春

(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽(yáng) 550005)

貴陽(yáng)市城郊馬尾松林內(nèi)、外空氣顆粒物特征

趙文君 劉延惠 丁訪軍 侯貽菊 舒德遠(yuǎn) 崔迎春

(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽(yáng) 550005)

2014.5～2015.6對(duì)貴陽(yáng)市馬尾松林內(nèi)外大氣顆粒物TSP、PM10、PM2.5、 PM1.0的濃度進(jìn)行同步測(cè)量，對(duì)其濃度水平值、四季日變化趨勢(shì)、總的季節(jié)變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：(1)林內(nèi)、外4種顆粒物濃度日變化趨勢(shì)明顯，最高值均出現(xiàn)在9:00～10:00，低谷值出現(xiàn)在13:00～14:00和17:00～18:00。林外TSP、PM10日變化趨勢(shì)不同于林內(nèi)，分別為春夏季波動(dòng)型，秋季單峰型，冬季M型；而林內(nèi)顆粒物日變化趨勢(shì)則為春夏季W(wǎng)型，秋季M型，冬季單峰型。(2)林內(nèi)、外4種顆粒物濃度的季節(jié)變化均表現(xiàn)為冬季最高，夏秋季次之，春季最低，但林外比林內(nèi)變化幅度大。(3)觀測(cè)期內(nèi)林內(nèi)TSP、PM10、PM2.5、 PM1.0平均濃度分別為( 145.55 ±44.50)、 ( 112.02 ±36.81)、 (58.44±24.03) 和(18.75±8.26)，分別比林外低51.37%、41.85%、12.15%和6.72%，說(shuō)明森林對(duì)大氣顆粒物有一定的凈化作用，且對(duì)不同的大氣顆粒物的凈化能力不同，顆粒物粒徑越大，凈化能力越大。

空氣顆粒物；日變化；馬尾松林

空氣懸浮顆粒物是一種重要的大氣污染物，尤其空氣動(dòng)力學(xué)直徑

森林可通過(guò)阻塵、滯塵、降塵、減塵等途徑去除空氣顆粒物，從而發(fā)揮其凈化大氣的功能[5～8]。隨著城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，城市環(huán)境壓力越來(lái)越大，營(yíng)造城市森林、創(chuàng)建生態(tài)居住環(huán)境已成為人們的重要需求，在無(wú)錫森林公園[9]、北京西山游憩林[10]、北京城市森林[11]開展過(guò)一些城市森林空氣顆粒物濃度規(guī)律的研究，但目前關(guān)于顆粒物的研究多集中在顆粒物的組成和來(lái)源[12～14]、質(zhì)量濃度變化規(guī)律[15]、氣象因素對(duì)顆粒物的影響[14，16]、危害評(píng)價(jià)[17]等方面，對(duì)城市森林空氣顆粒物的變化研究較少。貴陽(yáng)是中國(guó)森林之城，城市森林覆蓋率達(dá)45%，結(jié)合其植被狀況、顆粒物濃度水平、氣象條件等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)城市森林對(duì)空氣顆粒物的影響，對(duì)提高城市森林管理水平及更好地發(fā)揮城市森林的生態(tài)功能有重要意義。馬尾松(Pinusmassoniana)在貴陽(yáng)城市森林中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，在貴陽(yáng)城市生態(tài)環(huán)境效益中發(fā)揮了重要作用，而目前針對(duì)貴陽(yáng)城市森林馬尾松林內(nèi)空氣顆粒物濃度變化規(guī)律的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此本文通過(guò)對(duì)比分析貴陽(yáng)城郊馬尾松林內(nèi)外空氣顆粒物濃度變化，揭示其變化規(guī)律和對(duì)空氣顆粒物的影響能力，為城市森林建設(shè)和市民開展城市林區(qū)游憩活動(dòng)等提供依據(jù)。

1 研究地概況

貴州省林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)地處貴陽(yáng)市東南郊，距市區(qū)8公里，地理位置位于東經(jīng)106°44′，北緯26°29′，屬亞熱帶氣候，年平均氣溫15.2℃，極端最高氣溫35.4℃，極端最低氣溫-7.8℃，年降雨量1198.9毫米，年平均風(fēng)速2.2米/秒，年平均相對(duì)濕度77%，全 年日照時(shí)數(shù)1412.6小 時(shí)，無(wú)降霜期278天。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇在貴陽(yáng)市城郊馬尾松人工成熟林內(nèi)進(jìn)行，其優(yōu)勢(shì)樹種為馬尾松，間伐后林窗下有少量的光皮樺(Betulaluminifera)、檫木(Sassafrastzumu)、鹽膚木(Rhuschinensis)等生長(zhǎng)，林內(nèi)灌木主要有油茶(Camelliaoleifera)、拔葜(Smilaxchina)、薄葉鼠李(Rhamnusleptophylla)、楤木(Araliachinensis)等，其林分密度1075株/hm2，平均樹高12m，平均胸徑15.8cm，郁閉度0.6。

2014年5月～2015年6月選擇無(wú)雨天氣，采用英國(guó)生產(chǎn)的DUSTMATE環(huán)境粉塵檢測(cè)儀在距地面1.5m高(為人體平均呼吸高度)處對(duì)馬尾松林內(nèi)顆粒物濃度(TSP、PM10、PM2.5、PM1.0)進(jìn)行觀測(cè)，將林外空曠地(距林內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)空間直線距離250 m)作為馬尾松林外觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同步測(cè)量。每月進(jìn)行連續(xù)3天的觀測(cè)，每次從9:00至18:00每1h觀測(cè)1次，每次觀測(cè)10min取平均值。

數(shù)據(jù)用spss16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 林內(nèi)、林外空氣顆粒物不同季節(jié)的典型天氣日變化比較

林內(nèi)、林外不同空氣顆粒物各季節(jié)日變化曲線見(jiàn)圖1。無(wú)論在林內(nèi)還是林外，TSP和PM10日變化曲線相似，但林內(nèi)與林外變化不同。林內(nèi)TSP和PM10日變化春、夏季呈現(xiàn)W型，從9:00最高峰值之后顆粒物濃度開始迅速下降，到11:00春季(10:00夏季)達(dá)到第一個(gè)低值，之后又不斷上升到13:00(12:00)達(dá)到第二個(gè)峰值，第二峰值較最高峰值已大大降低，然后開始下降到15:00(14:00)達(dá)到第二個(gè)低值，之后保持平緩上升直到18:00。秋季呈現(xiàn)M型， 10:00達(dá)到第一個(gè)峰值之后，逐漸下降至13:00時(shí)到第一個(gè)谷值，隨后緩慢上升到15:00達(dá)第二個(gè)峰值，之后一直降低直到18:00達(dá)到一天中最低值。冬季日變化曲線呈明顯單峰型， 9:00到10:00升至一天中的最高值，之后一直降低，到13:00濃度降低到不到最高值的一半，然后直到18:00基本維持低水平值，波動(dòng)平緩。林外TSP和PM10日變化春、夏季呈現(xiàn)波浪型，從9:00峰值之后開始下降，一天內(nèi)呈現(xiàn)上下起伏波動(dòng)變化，TSP、PM10春季波動(dòng)范圍分別在159.20～280.65μg/m3、101.86～174.15μg/m3之間，夏季波動(dòng)范圍分別在204.29～311.47μg/m3、140.26～220.90μg/m3之間。秋季呈單峰型，從9：00上升至10:00達(dá)到峰值，之后呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)，直到17:00降低到最低值。冬季為M型，分別在10:00(11:00)及16:00兩次達(dá)到峰值，且在18:00降到一天的最低值。

PM2.5和PM1.0日變化曲線相似(變化同林內(nèi)PM10，詳見(jiàn)上文)，且林內(nèi)與林外日變化曲線一致，即呈現(xiàn)出春、夏季W(wǎng)型，秋季M 型，冬季單峰型。PM1.0較PM2.5各個(gè)季節(jié)波動(dòng)不大，變化更為平緩。

圖1 馬尾松林內(nèi)外空氣顆粒物各個(gè)季節(jié)日變化

就同一顆粒物四季日變化而言(圖1及表1)，冬季空氣顆粒物濃度高于春夏秋三季，冬季林外各顆粒物濃度最高值分別達(dá)到762.27、519.21、181.12、52.58μg/m3；林內(nèi)最高值分別達(dá)到340.67、266.19、190.77、62.66μg/m3，春夏秋三季各時(shí)刻濃度變化范圍相近，除林外TSP、PM10日變化各時(shí)刻冬季均明顯高于其它三季外，其余各類型在13:00之后冬季日變化值降到與春夏秋三季節(jié)相當(dāng)(或略高)的水平，無(wú)論林內(nèi)、林外，冬季顆粒物濃度日變化變異系數(shù)高于其余三個(gè)季節(jié)。經(jīng)方差分析，林外TSP、林外PM10、PM2.5、PM1.0濃度值冬季與其余三季一天內(nèi)各時(shí)刻日變化差異顯著(p=0.000)，林內(nèi)PM10只有冬季與春季一天內(nèi)各時(shí)刻日變化差異性顯著(p=0.037)，其余類型各季節(jié)之間日變化差異不顯著(p>0.05)。林內(nèi)外空氣顆粒物濃度四季日變化各時(shí)刻濃度值大小排序?yàn)椋憾咀罡撸杭咀畹?，夏秋兩季介于中間。

表1 空氣顆粒物濃度四季日變化統(tǒng)計(jì)

3.2 林內(nèi)、林外空氣顆粒物的總體季節(jié)變化

4種空氣顆粒物濃度不同季節(jié)間存在一定的起伏變化，同一顆粒物林內(nèi)外變化趨勢(shì)相同，但林外比林內(nèi)變化幅度大(圖2)，空氣顆粒物濃度春夏秋季波動(dòng)變化，且春夏秋季TSP、PM10與PM2.5、PM1.0波動(dòng)起伏的趨勢(shì)正好相反，到冬季均升到一年中最高值。整體來(lái)看，空氣顆粒物濃度冬季最高，夏秋季次之，春季最低。經(jīng)方差分析，林內(nèi)TSP、PM10各季節(jié)之間不存在顯著差異； PM2.5、PM1.0只有冬季與春季存在顯著差異(p=0.01)，其余季節(jié)差異不顯著。林外TSP 冬季與春夏秋三季之間均存在顯著差異(p=0.000，0.001，0.000)；PM10冬季與春、秋季之間存在顯著差異(p=0.000)， PM2.5冬季與春、夏季之間存在顯著差異(p=0.001，0.002)，PM1.0冬季與春夏秋三季之間均存在顯著差異(p=0.002，0.013，0.012)，其余季節(jié)之間差異不顯著。

3.3 林內(nèi)、林外空氣顆粒物總體濃度特征比較

研究期間，馬尾松林內(nèi)、外的空氣顆粒物濃度統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表2。林內(nèi)、林外TSP濃度平均值分別為( 145.55 ±44.50) 、(299.30±136.41) μg /m3，PM10濃度平均值分別為( 112.02 ±36.81) 、(192.65±87.71) μg /m3，PM2.5濃度平均值分別為(58.44±24.03) 、( 66.52±27.97) μg /m3，PM1.0濃度平均值分別為(18.75±8.26) 、(20.10±8.86) μg /m3，研究期內(nèi)，林外多次觀測(cè)空氣顆粒物濃度平均值要高于林內(nèi)，經(jīng)方差分析，林內(nèi)與林外TSP、PM10濃度差異顯著(p=0.000，0.001)，而林內(nèi)與林外PM2.5及PM1.0濃度值差異不顯著(p>0.05)。

圖2 林內(nèi)外空氣顆粒物濃度季節(jié)變化比較

表2 空氣顆粒物濃度統(tǒng)計(jì)特征表

4 結(jié)論與討論

研究區(qū)馬尾松林內(nèi)四種顆粒物平均濃度分別低于林外濃度51.4%，41.8%，12.1%，6.7%，且林內(nèi)的TSP、PM10比林外顯著減少(p=0.000，0.001)，而林內(nèi)PM2.5、PM1.0比林外減少程度不顯著(p>0.05)，表明森林能一定程度的減少顆粒物濃度，植被能通過(guò)冠幅降低樹冠內(nèi)風(fēng)速，而且植被增加了地面粗糙度，湍流作用增強(qiáng)，使得空氣顆粒物以滯留或停著、附著和粘附3 種方式達(dá)到消減空氣顆粒物的生態(tài)效應(yīng)[6,18]。另外，植被環(huán)境的存在，大大增加了植物與大氣顆粒物直接的物質(zhì)能量交換，暴露于大氣中的植物葉片、枝干、樹皮等器官具有一定粗糙度和濕度[19～20]能使空氣顆粒物黏在其表面，對(duì)其有一定的阻滯和吸收作用[5]。林內(nèi)PM2.5及PM1.0較林外減少程度不顯著的原因可能是PM2.5及PM1.0本身濃度水平較低，冠層以上PM2.5及PM1.0濃度水平與冠層處濃度差異不大，植被的阻截作用不是很明顯，或者是沉積的顆粒物在一定的氣象條件下發(fā)生再懸浮過(guò)程，又重新返回大氣中，而使其林內(nèi)外差異不顯著，具體過(guò)程還有待進(jìn)一步研究。本研究PM2.5/PM10值林內(nèi)、林外分別為0.52、0.35，比廣州市郊區(qū)[21]報(bào)道的0.751/0.701、黃鵬鳴[22]關(guān)于南京的0.717 、孫俊玲[16]關(guān)于北京的0.636都低，說(shuō)明貴陽(yáng)市郊區(qū)空氣中細(xì)顆粒物在可吸入顆粒物中所占比例小。

貴陽(yáng)市城郊馬尾松林內(nèi)、林外空氣顆粒物濃度日變化趨勢(shì)明顯，顆粒物濃度最高值出現(xiàn)在9:00～10:00，低谷值出現(xiàn)在13:00～14:00和17:00～18:00，總體變化呈下降趨勢(shì)，TSP、PM10變化幅度較PM2.5、PM1.0波動(dòng)大。這與韓素芹等[23]測(cè)定天津空氣 PM2.5最大濃度出現(xiàn)清晨和晚上，午后和傍晚濃度較低、古琳等[9]測(cè)定無(wú)錫市森林公園 3種游憩林內(nèi)的空氣PM2.5濃度峰值在各個(gè)季節(jié)均出現(xiàn)在早上7:00左右、郭二果[24]研究北京西山各個(gè)季節(jié)的PM2.5濃度日變化高峰出現(xiàn)在清晨 (7:00～9:00) 和夜晚( 19:00～3:00) ，低 谷 分 別 出 現(xiàn) 在 下 午 和 凌晨相一致。這一現(xiàn)象與氣象條件有關(guān)，有研究表明[10]，空氣顆粒物一般與空氣溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與空氣相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，而且顆粒物粒徑越小，與氣象因子的相關(guān)性越大。本研究中早晨溫度低，空氣濕度大，顆粒物吸附在水汽中，這種氣象狀態(tài)不利于空氣顆粒物的擴(kuò)散和運(yùn)輸，加之早晨大氣層較穩(wěn)定，使顆粒物聚集增多，所以9:00～10:00顆粒物濃度達(dá)到峰值。相反，白天隨著溫度升高，空氣濕度也相對(duì)降低，液態(tài)或半液態(tài)的顆粒物明顯降低，特別是午后溫度達(dá)到最高，大氣最不穩(wěn)定，空氣對(duì)流、湍流加強(qiáng)，下午17:00～18:00空氣濕度降到最低，利于顆粒物的傳輸和擴(kuò)散，因此兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)顆粒物濃度的低值。

本研究林外TSP、PM10日變化趨勢(shì)與PM2.5、PM1.0及林內(nèi)TSP、PM10的變化趨勢(shì)不同，說(shuō)明林外TSP、PM10有著不同的更直接的影響源，林外TSP、PM10觀測(cè)受機(jī)動(dòng)車排放和路面揚(yáng)塵影響較大，而使其呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)，且波動(dòng)更大，其趨勢(shì)分別為春夏季波動(dòng)型，秋季單峰型，冬季M型。PM2.5、PM1.0及林內(nèi)TSP、PM10四季日變化趨勢(shì)，春夏季呈W型，秋季呈M型，冬季為單峰型。上述變化趨勢(shì)與不同季節(jié)氣候的日變化是相適應(yīng)的，還與排放源(揚(yáng)塵、燃煤、工業(yè)排放、機(jī)動(dòng)車排放、生物質(zhì)燃燒等)的影響有關(guān)。從不同季節(jié)日變化來(lái)看，春夏秋三季各顆粒物日變化濃度值波動(dòng)范圍較相近，冬季顆粒物日變化濃度值高于其余三個(gè)季節(jié)，冬季與其余季節(jié)各時(shí)刻日變化差異顯著。說(shuō)明貴陽(yáng)市郊春夏秋季空氣顆粒物受交通、生活排放物、氣象和天氣因素及人為活動(dòng)等的影響較穩(wěn)定。

顆粒物濃度的總體季節(jié)變化為冬季最高，夏秋季次之，春季最低。因氣候條件(天氣因素)與細(xì)顆粒物排放的有關(guān)人類活動(dòng)有明顯的季節(jié)波動(dòng)，所以顆粒物濃度的變化也出現(xiàn)相應(yīng)的季節(jié)變化。這與全球多地區(qū)研究結(jié)果一致，冬季的顆粒物濃度更高[9,25～26]。冬季人為取暖燃柴燃煤加大了對(duì)顆粒物的貢獻(xiàn)，且冬季在一定程度上易于出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)被抑制，顆粒物難以擴(kuò)散，加之冬季降雨量很小，對(duì)空氣中顆粒物的凈化能力有限，而導(dǎo)致其濃度值在冬季明顯升高。貴陽(yáng)3月降雨開始增多，5月進(jìn)入雨季后，降雨的天數(shù)能達(dá)到70%以上，雨水對(duì)顆粒物有清除凈化作用，春夏季溫度較高，大氣擴(kuò)散條件好，因此春夏季空氣顆粒物濃度相對(duì)較低。

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The Characteristics of Airborne Particle Matters From Both Inside and Outside ofPinusMassonianaForest in Suburb of Guiyang City

ZHAO Wen-jun LIU Yan-hui DING Fang-jun HOU Yi-ju SHU De-yuan CUI Ying-chun

(Guizhou Academy of Forestry, Guiyang ,Guizhou 550005)

The concentration of airborne particle matters TSP、PM10、PM2.5、 PM1.0were measured simultaneously in the inside and outside of Pinus Massoniana forest in Guiyang city from May 2014 to June 2015, the concentration level, the seasonal diurnal variation tendency and the total seasonal variation trend were analyzed. The results indicated that: (1) The diurnal variation of the 4 airborne particle matters concentration in the inside and outside of Pinus Massoniana forest was obvious, the peak of particles concentration appeared at 9:00 to 10:00, the low value appeared at 13:00 pm and 17:00～18:00pm. The diurnal variation trend of TSP and PM10outside the forest was different from inside of forest, which was wave type in spring and summer, single-peak type in autumn, and was M type in winter, respectively; the remaining trends respectively for spring and summer was W type, autumn was M type, and winter was unimodal type. (2)Seasonal variation of the 4 airborne particles concentration was highest in winter, summer and autumn in the middle, the lowest in spring, but the range outside of forest was larger than in-side. (3) The average concentrations of TSP, PM10, PM2.5and PM1.0inside of forest were ( 145.55 ±44.50) μg / m3, (112. 02±36.81) μg / m3, (58.44 ±24.03)μg / m3, (18.75±8.26)μg / m3, respectively, lower than that outside of forest 51.37%,41.85%,12.15% and 6.72%, which indicate that the forest have a purifying effect to airborne particles, and the larger the particle diameter, the greater the purification capacity.

airborne particle matter; diurnal variation; Pinus Massoniana forest

2016-09-24

趙文君(1984～)，女，助理研究員，從事喀斯特森林生態(tài)研究。

黔林科合[2014]重大01號(hào)

X513

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