蔣燕，陳波，魯紹偉，李少寧

1. 西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹(shù)研究所 燕山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，北京 100093

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北京城市森林PM2.5質(zhì)量濃度特征及影響因素分析

蔣燕1，陳波2*，魯紹偉2，李少寧2

1. 西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹(shù)研究所 燕山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，北京 100093

摘要：以北京西山森林公園為林內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)，北京海淀植物園為林外對(duì)照點(diǎn)，研究城市森林PM2.5質(zhì)量濃度變化特征，并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，林內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度日變化呈“雙峰雙谷”型，8:00和21:00左右是一天中的兩個(gè)峰值，15:00和4:00左右是一天中的兩個(gè)谷值，PM2.5質(zhì)量濃度林內(nèi)（104.02 μg·m-3）>林外（82.52μg·m-3）。一年中PM2.5質(zhì)量濃度在冬季最高，春季次之，夏季最低，PM2.5質(zhì)量濃度年變化林內(nèi)為冬季（115.46 μg·m-3）>春季（112.39 μg·m-3）>秋季（106.37 μg·m-3）>夏季（81.87 μg·m-3），林外為冬季（97.35 μg·m-3）>春季（94.07 μg·m-3）>秋季（93.17 μg·m-3）>夏季（61.86 μg·m-3）。氣溫、降雨均與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)。晴天時(shí)，溫度高、空氣對(duì)流旺盛，PM2.5濃度較低；降水對(duì)PM2.5有很好的消減作用；風(fēng)有驅(qū)散PM2.5的作用。在高溫高濕天氣下，PM2.5濃度高于其他天氣情況。該研究可以豐富森林凈化大氣的理論，為環(huán)保部門(mén)相關(guān)政策的制定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：林內(nèi)（北京西山公園）；林外（北京海淀植物園）；PM2.5質(zhì)量濃度特征；影響因素

引用格式：蔣燕， 陳波， 魯紹偉， 李少寧. 北京城市森林PM2.5質(zhì)量濃度特征及影響因素分析［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（3）: 447-457.

JIANG Yan， CHEN Bo， LU Shaowei， LI Shaoning. Analysis on Characteristics and Influential Factors of PM2.5Mass Concentration in Beijing's Urban Forest ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（3）: 447-457.

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平顯著提高，對(duì)環(huán)境要求越來(lái)越高，但隨之而來(lái)的城市環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越突出（Chen et al.，2010），其中空氣顆粒物（PM）污染是其主要類型之一、也是最為嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題之一（張維康等，2015）?？諝忸w粒物（氣溶膠）通常是指懸浮在大氣中直徑小于10 μm的液態(tài)或固態(tài)的微小粒子（李雪等，2012），而PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物（吳海龍等，2012）。PM2.5不僅降低環(huán)境質(zhì)量，還可通過(guò)肺泡進(jìn)入血液循環(huán)，對(duì)心血管系統(tǒng)產(chǎn)生危害，引發(fā)一系列疾病。因此，加強(qiáng)城市大氣顆粒物濃度變化和分布特征的研究，對(duì)保護(hù)城市空氣質(zhì)量和人體健康具有重要意義。森林能夠有效減緩大氣污染，凈化空氣，提高空氣質(zhì)量。目前，已有大量學(xué)者對(duì)森林、植物和PM2.5的關(guān)系進(jìn)行研究（吳海龍等，2012；楊佳等，2015；劉旭輝等，2014；郭二果等，2009a；郭二果等，2009b），主要包括森林植被對(duì)PM2.5的調(diào)控作用，植物對(duì)空氣顆粒物的滯納能力及葉面微形態(tài)解釋，林帶內(nèi)PM10、PM2.5污染特征及與溫度、相對(duì)濕度的關(guān)系，森林內(nèi)PM2.5在不同季節(jié)的日變化，不同游憩林內(nèi)PM2.5濃度變化特征比較等方面，但對(duì)城市林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度特征及影響因素的研究尚不系統(tǒng)，為此本文選取北京西山公園和北京海淀植物園兩個(gè)研究點(diǎn)，分析林內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度日變化、月變化、年變化、不同天氣下PM2.5質(zhì)量濃度變化，旨在揭示城市森林PM2.5質(zhì)量濃度變化特征和影響因素，證實(shí)森林對(duì)PM2.5的調(diào)控作用，以期為城市環(huán)保政策的制定提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究地概況

北京西山國(guó)家森林公園位于北京西郊小西山，以北京西山試驗(yàn)林場(chǎng)為基礎(chǔ)，總面積5970 hm2，有林地5196.8 hm2，林木覆蓋率87%，年降雨量634.2 mm，相對(duì)濕度43%～79%，是距北京市區(qū)最近的一座國(guó)家級(jí)森林公園；公園空氣質(zhì)量相對(duì)于城區(qū)較好，但整體空氣質(zhì)量不高，全年48.4%的天數(shù)為污染天氣。地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林，園內(nèi)動(dòng)植物資源豐富，有植物共計(jì)250多種，分屬73科。主要喬木樹(shù)種包括油松（Pinus tabuliformis）、側(cè)柏（Platycladusorientalis）、銀杏（Ginkgo biloba）、楊樹(shù)（Populus）等，主要的灌木有女貞（Ligustrum lucidum）、小檗（Berberis thunbergii）、黃楊（Buxus sinica）、連翹（Forsythia suspensa）、迎春（Jasminum nudiflorum）等。對(duì)照點(diǎn)位于北京植物園內(nèi)的空曠地上，距北京西山國(guó)家森林公園2 km，并位于其東北部，周圍樹(shù)木繁茂，主要喬木樹(shù)種包括油松（Pinus tabulaeformis）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）、紅松（Pinus koraiensis Sieb）、銀杏（Ginkgo biloba）等，主要的灌木有紫葉小檗（Berberis thunbergii）、沙地柏（Sabina vulgaris）等。

1.2 數(shù)據(jù)采集

林內(nèi)PM2.5實(shí)時(shí)濃度值由西山森林公園城市森林環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站提供，林外對(duì)照點(diǎn)PM2.5的實(shí)時(shí)濃度值由北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心提供，兩個(gè)監(jiān)測(cè)站的PM2.5監(jiān)測(cè)設(shè)備均采用美國(guó)賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific，USA）的TEOM-1405-D雙通道顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)時(shí)間一致，每隔1 h自動(dòng)監(jiān)測(cè)1次，全天24 h不間斷采樣。林內(nèi)的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)由西山空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站林內(nèi)氣象站（Weather Meter）提供，林外對(duì)照點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)自中國(guó)天氣網(wǎng)（www.weather.com.cn）。主要包括氣溫（Ta，℃）、相對(duì)濕度（RH，%）、風(fēng)速（W，m·s-1）、降水（P，mm）等氣象因子。

1.3 數(shù)據(jù)選取

選取2014年1月1日─2014年12月31日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為避免特殊天氣條件的影響（如大風(fēng)天氣、降雨以及嚴(yán)重霧霾天等），每月選取連續(xù)3 d晴天的數(shù)據(jù)取其平均值。PM2.5濃度月變化規(guī)律采用月均值進(jìn)行分析。兩地監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣高度相差100 cm，雖有垂直差異，但在可接受范圍內(nèi)。選取海淀植物園特殊天氣條件進(jìn)行氣象因素對(duì)PM2.5濃度變化的影響研究。降雨天氣為2014年7月15 ─19日；大風(fēng)天氣為2014年2月1─5日；高溫高濕天氣為2014年8月1─5日；連續(xù)晴天為2014 年10月15─19日。數(shù)據(jù)處理和制圖采用Excel 2007完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM2.5質(zhì)量濃度日變化

林內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度日變化存在顯著變化規(guī)律，且變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)“雙峰雙谷”型（圖1）。一天中PM2.5在白天和夜間各出現(xiàn)1個(gè)峰值和1個(gè)谷值，與郭二果等（2009a）的研究結(jié)果一致。白天的峰值一般出現(xiàn)在8:00左右，峰值在60～100 μg·m-3之間，谷值出現(xiàn)在15:00左右，夜間的峰值出現(xiàn)在21:00─23:00，谷值出現(xiàn)在4:00左右。林內(nèi)、林外的PM2.5日變化趨勢(shì)雖大致相同，但也有差異。除3月外，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度值均高于林外；白天林內(nèi)谷值基本先于林外1～2個(gè)小時(shí)出現(xiàn)，但峰值卻滯后于林外1～2個(gè)小時(shí)出現(xiàn)；夜間谷值基本出現(xiàn)在0:00左右，但林內(nèi)谷值和峰值出現(xiàn)的時(shí)間滯后于林外。林內(nèi)白天峰值在25～218 μg·m-3之間，谷值在10～227 μg·m-3之間，夜晚峰值在65.4～257 μg·m-3之間，谷值在20～189 μg·m-3之間；林外白天峰值在14～184 μg·m-3之間，谷值在8～217.9 μg·m-3之間，夜晚峰值在27.4～205.5 μg·m-3之間，谷值在11～184.9 μg·m-3之間。不論在高峰階段，還是在低谷階段，林內(nèi)的峰值和谷值均高于林外。林內(nèi)白天峰值平均值為110.2 μg·m-3，谷值平均值為88.33 μg·m-3，二者相差21.69 μg·m-3；夜晚峰值平均值為114.83 μg·m-3，谷值平均值為83.04 μg·m-3，二者相差31.79 μg·m-3。林外白天峰值平均值為100.25 μg·m-3，谷值平均值為80.5 μg·m-3，二者相差19.75 μg·m-3；夜晚峰值平均值為105.81 μg·m-3，谷值平均值為80.54 μg·m-3，二者相差25.27 μg·m-3。在谷峰階段，林外的PM2.5質(zhì)量濃度變化比林內(nèi)變化平緩。

2.2 PM2.5質(zhì)量濃度月變化

林內(nèi)和林外的PM2.5濃度月變化均存在不同程度的起伏（圖2），林內(nèi)的PM2.5濃度波動(dòng)幅度大于林外，總體PM2.5質(zhì)量濃度也高于林外。1月和4 ─6月，林內(nèi)外月變化趨勢(shì)一致，PM2.5質(zhì)量濃度日差異較小，基本在50 μg·m-3以內(nèi)波動(dòng)，；7─11月，林內(nèi)外PM2.5濃度日差異小，基本在30 μg·m-3內(nèi)波動(dòng)。上半年和下半年的PM2.5濃度月變化特征明顯不同。2─3月PM2.5質(zhì)量濃度月變化階段性明顯，但4─6月的PM2.5質(zhì)量濃度月變化差異較?。幌掳肽暝码H間PM2.5濃度差異大，但PM2.5質(zhì)量濃度的較高值和較低值分布較集中。

1月總體變化較小，日均值在100～200 μg·m-3之間，林內(nèi)月均值（120.51 μg·m-3）>林外（71.78 μg·m-3）；2月PM2.5質(zhì)量濃度日均值變化分階段性，林外52.9%的時(shí)段集中在180～350 μg·m-3間，且29.4%的時(shí)段顯著高于林內(nèi)，集中在200～350 μg·m-3間；3月林外PM2.5質(zhì)量濃度57.9%的時(shí)段高于林內(nèi)，集中在100～250 μg·m-3間，林內(nèi)月均值為102.38 μg·m-3，林外月均值為105.17 μg·m-3；4─5月變化比較小，4月林外32.14%的時(shí)段PM2.5質(zhì)量濃度在50～150 μg·m-3間，林內(nèi)47.8%的時(shí)段在100～230 μg·m-3間；5月林內(nèi)75%的時(shí)段PM2.5質(zhì)量濃度在70～150 μg·m-3間，林外55%的時(shí)段在60～100 μg·m-3間；6月變化幅度較小，林外80%的時(shí)段PM2.5質(zhì)量濃度在8～70 μg·m-3間，林內(nèi)66.7%的時(shí)段在30～90 μg·m-3間；7月9.68%的時(shí)段PM2.5質(zhì)量濃度小于50 μg·m-3，其他時(shí)段在50～150 μg·m-3間，林內(nèi)月均值為95.69 μg·m-3，林外月均值為77.69 μg·m-3；8月林內(nèi)外的PM2.5質(zhì)量濃度日變化大，但46.2%的時(shí)段PM2.5高值或低值出現(xiàn)集中；9月份，65.4%的時(shí)段PM2.5質(zhì)量濃度在50～160 μg·m-3間，林內(nèi)月均值為86.57 μg·m-3，林外月均值為65.02 μg·m-3；10─11月，林內(nèi)外PM2.5濃度差異較小，10月25.8%的時(shí)段質(zhì)量PM2.5濃度集中在10～70 μg·m-3間，35.4%的時(shí)段在100～300 μg·m-3間；11月，40%的時(shí)段PM2.5質(zhì)量濃度集中在5～70 μg·m-3間，23.3%的時(shí)段在100～350 μg·m-3間；12月PM2.5質(zhì)量濃度日均值變化差異較大，林內(nèi)外變化規(guī)律不統(tǒng)一，林內(nèi)外PM2.5在6月濃度最低，2月濃度最高。

圖1 不同月份PM2.5質(zhì)量濃度日變化特征Fig. 1 The daily variation of PM2.5mass concentration in different month

圖2 不同月份PM2.5質(zhì)量濃度月變化Fig. 2 The monthly variation of PM2.5mass concentration in different month

2.3 PM2.5質(zhì)量濃度年變化

由圖3可看出，林內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度年變化趨勢(shì)一致，基本呈“M”型，2月林內(nèi)外PM2.5均最高，6月最低，10月達(dá)下半年的最高值。3─4月，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)，林外在3─6月均呈下降趨勢(shì)；2月PM2.5質(zhì)量濃度為林內(nèi)（154.07 μg·m-3）>林外（139.49 μg·m-3），林內(nèi)是林外的1.11倍；6月PM2.5濃度最低，林內(nèi)為71.01 μg·m-3，林外為44.41 μg·m-3，林外是林內(nèi)的62.54%；4─9月林內(nèi)和林外的PM2.5濃度差異較大，其他月份的差異小，3月和10月林內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度差異最小，3月份僅相差2.79 μg·m-3。林內(nèi)月均值變化為2月（154.07 μg·m-3）>4月（133.73 μg·m-3）>10月（133.45 μg·m-3）>1月（120.51 μg·m-3）>3月（102.38 μg·m-3）>5月（101.05 μg·m-3）>11月（99.08 μg·m-3）>7月（95.69 μg·m-3）>9月（86.57 μg·m-3）>8月（78.91 μg·m-3）>12月（71.19 μg·m-3）>6月（71.01 μg·m-3），林外為2月（139.49 μg·m-3）>10月（127.04 μg·m-3）>3月（105.17 μg·m-3）>11月（87.29 μg·m-3）>4月（96.06 μg·m-3）>1月（95.78 μg·m-3）>5月（80.99 μg·m-3）>7月（77.69 μg·m-3）>9月（65.02 μg·m-3）>8月（63.47 μg·m-3）>12月（56.77 μg·m-3）>6月（44.41 μg·m-3）。

圖3 PM2.5質(zhì)量濃度年變化特征Fig. 3 The annual variation of PM2.5mass concentration

2.4 不同天氣下PM2.5質(zhì)量濃度變化

2.4.1 降水對(duì)PM2.5的消減作用

選7月15─19日分析PM2.5濃度和降水關(guān)系，降水集中在16─18日，15日只有22:00有雨，19日只有7:00有雨，視為晴天，16日降水量最為集中，5天降雨量是34 mm。降雨天氣下林內(nèi)外PM2.5濃度變化趨勢(shì)一致。在降水最為集中的16日（圖4），林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為105.29 μg·m-3，林外為85.8 μg·m-3，二者相差19.94 μg·m-3。13:00，首次降水，此時(shí)降雨量為1 mm，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為151 μg·m-3，相比前一時(shí)刻下降了2.5%，林外為160.1 μg·m-3，相比前一時(shí)刻下降了0.19%，下降的幅度較小；但在降水量最大（27 mm）的20:00， PM2.5質(zhì)量濃度明顯下降，林內(nèi)為130 μg·m-3，相比前一時(shí)刻下降了2%，林外為50.2 μg·m-3，相比前一時(shí)刻下降了56.6%，但還未降低到最低值；在雨后兩小時(shí)，即22:00，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度降至一天中的最小值，為34 μg·m-3，相比20:00降低76.1%；在雨后1小時(shí)，即21:00，林外PM2.5質(zhì)量濃度降至一天中的最小值，為17.7 μg·m-3，相比20:00下降64.7%。林內(nèi)外PM2.5濃度在降至最低值后，又呈上升趨勢(shì)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于白天的濃度，在降雨時(shí)段內(nèi)，林內(nèi)的變化幅度小于林外，說(shuō)明林外受降雨影響比林內(nèi)顯著。

圖4 雨天PM2.5質(zhì)量濃度和降水量日變化Fig. 4 The daily variation of PM2.5mass concentration and precipitation in rainy day

圖5 大風(fēng)天氣PM2.5質(zhì)量濃度和風(fēng)速日變化Fig. 5 The daily variation of PM2.5mass concentration and wind speed in windy day

2.4.2 風(fēng)對(duì)PM2.5的驅(qū)散作用

選2月1─5日探討PM2.5濃度和風(fēng)速的關(guān)系，2、3、4日風(fēng)大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，1日無(wú)風(fēng)，5日的風(fēng)速小，1日和5日視為無(wú)風(fēng)日。1─3日，PM2.5質(zhì)量濃度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，3日達(dá)最低值，林內(nèi)為12 μg·m-3，相比前一天下降了85.4%，林外為5.44 μg·m-3，相比前一天下降了92.3%；3─5日，達(dá)次高峰，3日前林內(nèi)外PM2.5濃度差異小于3日后的差異；二者的PM2.5質(zhì)量濃度差異在3日最小，僅相差6.67 μg·m-3，5日差異最大，為26.83 μg·m-3。在風(fēng)速最大且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的3日（圖5），在風(fēng)速相對(duì)最大的1:00、9:00、13:00，PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)前一時(shí)間段均有降低。1:00風(fēng)速達(dá)一天最大值（4 m·s-1），比前一時(shí)刻風(fēng)速高2 m·s-1，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為11 μg·m-3，相比前一時(shí)刻下降了21.4%，林外為7 μg·m-3，相比前一時(shí)刻下降了28.5%；大風(fēng)過(guò)后1 h，即2:00，PM2.5質(zhì)量濃度降至一天中的最小值，林內(nèi)為3 μg·m-3，相比大風(fēng)時(shí)刻降低了72.7%，林外為4 μg·m-3，相比大風(fēng)時(shí)刻下降了20%；但在10:00，風(fēng)速也為4 m·s-1，比前一時(shí)刻的風(fēng)速高1 m·s-1，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為12 μg·m-3，相比前一時(shí)刻下降了29.4%，林外為3 μg·m-3，和前一時(shí)刻相同；在13:00，風(fēng)速也上升至4 m·s-1，PM2.5濃度也降低，林內(nèi)外PM2.5濃度降到白天的最低值，說(shuō)明風(fēng)速越大，PM2.5濃度降低的幅度越大，但PM2.5濃度并不是在風(fēng)速最大時(shí)降到最小值，而是在大風(fēng)后1 h達(dá)到最低值。風(fēng)對(duì)林內(nèi)PM2.5濃度的影響大于林外，而且風(fēng)對(duì)林內(nèi)外的PM2.5濃度影響也有時(shí)間差異。在林內(nèi)，風(fēng)速和PM2.5濃度在白天（9:00 ─19:00）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（劉娜等，2014）312-313，即風(fēng)速越大，PM2.5濃度越低；在夜晚和凌晨（20:00 ─7:00），風(fēng)速和PM2.5濃度基本呈正相關(guān)，即風(fēng)速越大，PM2.5濃度越大。在林外，風(fēng)對(duì)PM2.5濃度影響在夜晚和凌晨呈負(fù)相關(guān)，但白天較多時(shí)間不受風(fēng)的影響，所以林內(nèi)外PM2.5濃度受風(fēng)影響在時(shí)間上相反。

2.4.3 高溫高濕天氣對(duì)PM2.5的影響

選擇8月1─5日高溫高濕對(duì)討論溫濕度對(duì)PM2.5濃度的影響，由于4日和5日氣溫較低，低于25 ℃，所以以4日、5日為對(duì)照日，1─3日溫度高于25 ℃，且濕度在80%以上，視為高溫高濕天氣。1─5日，PM2.5濃度持續(xù)下降，1日最高，5日最低。林內(nèi)1日 PM2.5質(zhì)量濃度為153.75 μg·m-3，5日為35.88 μg·m-3，二者相差117.87 μg·m-3；林外1日PM2.5質(zhì)量濃度為173.82 μg·m-3，5日為25.92 μg·m-3，二者相差147.9 μg·m-3。在溫度和濕度最高的2日（圖6），其溫度為28.58 ℃，濕度為84.25%，林內(nèi)外變化趨勢(shì)基本一致，在23:00─3:00變化起伏大，其他時(shí)間變化平穩(wěn)，15:00─23:00的PM2.5濃度低于凌晨、中午。在白天，7:00溫度最低，為26 ℃，此時(shí)濕度為97%，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為143 μg·m-3，林外為160.5 μg·m-3；8:00溫度為27 ℃，濕度為93%，溫度比7:00 高1 ℃，濕度比7:00低4%，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為152 μg·m-3，相比前一時(shí)刻高6.3%，林外為179.3 μg·m-3，相比前一時(shí)刻高11.7%；在7:00─14:00，溫度持續(xù)上升，濕度持續(xù)下降，PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)；在14:00─17:00，溫度逐漸降低，濕度逐漸升高，PM2.5濃度呈上升趨勢(shì)；在夜晚和凌晨，即18:00─次日6:00，溫度下降，濕度持續(xù)升高，PM2.5濃度呈上升趨勢(shì)，在凌晨0:00，溫度為26 ℃，此時(shí)濕度為95%，溫度比23:00高1 ℃，濕度比23:00高1%，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為194 μg·m-3，相比前一時(shí)刻高了39.6%，林外為172.5 μg·m-3，相比前一時(shí)刻高了28.7%。林內(nèi)PM2.5濃度變化幅度小于林外，林內(nèi)PM2.5濃度在15:00─1:00大于林外，林內(nèi)PM2.5濃度在1:00─14:00大于林外，林內(nèi)外濃度在1:00─14:00的差異比15:00─1:00大。

圖6 高溫高濕天氣PM2.5質(zhì)量濃度日變化Fig. 6 The daily variation of PM2.5mass concentration in in high temperature and high humidity

2.4.4 晴天天氣PM2.5濃度變化

選擇10月15─19日討論晴天天氣PM2.5濃度變化（圖7），15日PM2.5質(zhì)量濃度最低，19日濃度最高，15─16日的上升幅度較小，林內(nèi)外均為8.21 μg·m-3，16─18日的上升幅度較大，18─19日最大，林內(nèi)外均為144.13 μg·m-3，最大差異是最小差異的18倍，林內(nèi)和林外PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)一致，日均值相差甚小。

圖7 連續(xù)晴天PM2.5質(zhì)量濃度和溫度日變化Fig. 7 The daily variation of PM2.5mass concentration and temperature in continuous sunny day

在最有代表性的16日，從6:00開(kāi)始，PM2.5濃度開(kāi)始上升，上升至11:00到最大值，即白天高峰出現(xiàn)，但在白天低谷上升到夜晚高峰時(shí)間段（13:00─18:00），PM2.5濃度局部變化比較復(fù)雜。白天PM2.5質(zhì)量濃度在11:00達(dá)到最高值，此時(shí)溫度為18 ℃，林內(nèi)為39.7 μg·m-3，林外為34.7 μg·m-3；11:00溫度比12:00低1 ℃，濃度比12:00高23%；低谷出現(xiàn)在13:00，此時(shí)的溫度為21 ℃，達(dá)到全天的最高溫，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為21.2 μg·m-3，林外為16.2 μg·m-3，林內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度比12:00下降了30%。在夜間，高峰出現(xiàn)在21:00，此時(shí)溫度為13 ℃，林內(nèi)為63.8 μg·m-3，林外為58.8 μg·m-3；20:00的溫度為15 ℃，溫度比21:00低2 ℃，PM2.5質(zhì)量濃度比20:00高6.3%； 4:00的溫度為4 ℃，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度為9.8 μg·m-3，林外為4.8 μg·m-3；6:00的溫度為3 ℃，達(dá)到全天的最低溫，林內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度相比6:00下降了32%。可見(jiàn)溫度升高，PM2.5濃度下降；溫度下降，PM2.5濃度上升。PM2.5濃度隨著溫度的變化立即出現(xiàn)變化，較少出現(xiàn)滯后性。

3 討論

3.1 PM2.5質(zhì)量濃度時(shí)空變化特征

在一天中，PM2.5濃度變化有著明顯的規(guī)律性，基本呈“雙峰雙谷”型，但是在不同月份，這種趨勢(shì)較以往學(xué)者提出的“雙峰雙谷”型明顯，如2、4、11、12月。PM2.5質(zhì)量濃度在白天的峰值一般出現(xiàn)在8:00左右，谷值出現(xiàn)在15:00─20:00，夜間的峰值出現(xiàn)在21:00─23:00，谷值出現(xiàn)在凌晨0:00─4:00，原因是：早晚的溫度較低，濕度較大，不利于大氣的輸送和擴(kuò)散，容易積聚（郭二果等，2009a）3258-3259，而且早晚是上下班的高峰期，人流量和車流量都相對(duì)較大，這也增加了PM2.5濃度；白天溫度高，光照強(qiáng)，濕度相對(duì)較小，大氣層不穩(wěn)定，大氣對(duì)流和湍流強(qiáng)烈，有利于大氣的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（Wang et al.，2014）5655-5656，再加上白天植物生理活動(dòng)旺盛，對(duì)PM2.5具有一定吸附作用，故白天的PM2.5濃度較早晚低。

林內(nèi)、林外的PM2.5日變化趨勢(shì)基本一致，除3月外，林內(nèi)的PM2.5濃度均高于林外，這是因?yàn)榱謨?nèi)相對(duì)林外有較大的減塵、滯塵和阻塵的作用（劉旭輝等，2014），但林內(nèi)的郁閉度大，空氣流動(dòng)差，大氣層穩(wěn)定， PM2.5一旦進(jìn)入林內(nèi)就不容易擴(kuò)散，更容易在林內(nèi)積聚（郭二果等，2009a）3262-3263；3月份，林外的PM2.5濃度高于林內(nèi)，可能是因?yàn)榱滞馐艹菂^(qū)污染物的影響較大，而城區(qū)的污染物受植被植被阻擋較難進(jìn)入林內(nèi)，再加上3月天氣干燥且多風(fēng)，使得PM2.5更容易進(jìn)入植被覆蓋率相對(duì)較低的林外。林內(nèi)的高峰和低谷持續(xù)時(shí)間要高于林外，因?yàn)榱謨?nèi)對(duì)PM2.5的吸納和滯留能力大于林外，林內(nèi)郁閉度大，地表覆蓋率高，所以PM2.5短時(shí)間內(nèi)很難進(jìn)入林內(nèi)，導(dǎo)致低谷時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)，但一旦進(jìn)入林內(nèi)就不易擴(kuò)散，使得林內(nèi)的高峰持續(xù)時(shí)間大于林外，表明森林對(duì)PM2.5具有緩沖作用。

林內(nèi)外的PM2.5濃度年變化和月變化均以冬季PM2.5濃度最高，其中2月份濃度最高，這是因?yàn)楸本┒緯r(shí)間長(zhǎng)，逆溫、多云天氣使得PM2.5不易擴(kuò)散，加上人們?nèi)∨济核欧诺奈廴疚镌龆?，使得PM2.5更容易積聚。從2月份開(kāi)始，PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)，6月降至最低，夏季的PM2.5濃度在全年最低，這是因?yàn)橄募緶囟雀?，大氣垂直?duì)流作用強(qiáng)，不利于PM2.5的聚集。夏季是北京降水量最多的季節(jié)，雨水對(duì)PM2.5的沖刷作用明顯，再加上夏季植物生理活動(dòng)最為旺盛，對(duì)大氣顆粒物的吸收和滯留作用最強(qiáng)，減少了PM2.5的濃度，故PM2.5濃度在夏季達(dá)到最低；6─10月PM2.5濃度開(kāi)始上升，PM2.5濃度達(dá)到相對(duì)最高，這可能是因?yàn)榍锛窘邓疁p少，加上植被枝葉凋零，覆蓋減少，滯留和阻礙作用減弱，使得秋季的PM2.5高于夏季；10─12月，PM2.5呈下降趨勢(shì)；春天由于干燥多風(fēng)，沙塵天氣多，大大增加了空氣中污染物的濃度，加上春季植物枝葉才剛剛開(kāi)始生長(zhǎng)，對(duì)顆粒物的吸附作用也較小，使得春天的PM2.5濃度要高于夏季和秋季。林內(nèi)林外的PM2.5濃度在一年中呈現(xiàn)出夏季最小，秋季次之，春季要高于秋季，冬季最高的趨勢(shì)，這和以往學(xué)者的結(jié)論相同（楊夏沫等，2002；古琳等，2013；王金麗等，2004），一年中，林內(nèi)的PM2.5濃度總是要高于林外的PM2.5濃度，林內(nèi)和林外的PM2.5濃度在春夏的差異較大，秋冬的差異小，主要原因是：在春季，林內(nèi)受沙塵天氣的影響要大于林外，林內(nèi)PM2.5的擴(kuò)散能力小于林外；在夏季，雖然林內(nèi)對(duì)PM2.5的吸收和阻擋能力要高于林外，但是夏季多雨、高溫高濕，PM2.5一旦進(jìn)入林內(nèi)就容易聚集，而林外相對(duì)較為開(kāi)闊，有利于污染物的擴(kuò)散。

3.2 氣象因素對(duì)PM2.5濃度的影響

降雨對(duì)PM2.5具有顯著的清除作用，降雨過(guò)后，PM2.5濃度顯著降低。本研究顯示在7月16日的降水過(guò)程中，林內(nèi)外PM2.5濃度降低，特別是在降水量最大的20:00，PM2.5濃度明顯下降，卻沒(méi)有降到最低值，林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度在22:00達(dá)到最低值，林外在21:00達(dá)到最低值，這是因?yàn)榻涤瓴荒芰⒓辞宄齈M2.5，需要經(jīng)過(guò)1～2 h的時(shí)間來(lái)清洗PM2.5，使PM2.5產(chǎn)生沉降，這說(shuō)明降水可以靠沖刷沉降作用來(lái)消減PM2.5，降水量越大，對(duì)PM2.5的清除作用越強(qiáng)。 此外，19日PM2.5質(zhì)量濃度降低，林內(nèi)PM2.5濃度為109 μg·m-3，相比18日下降了28.8%，林外為96.23 μg·m-3，相比18日下降了37.4%，下降的幅度不大，也證明了降水對(duì)PM2.5有很好的消減作用。

風(fēng)對(duì)PM2.5濃度有很好的驅(qū)散作用，風(fēng)速越大，PM2.5濃度越低。相關(guān)研究也表明，在一定范圍內(nèi)，大氣PM2.5濃度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速越大，越有利于大氣顆粒物的流動(dòng)和擴(kuò)散，而風(fēng)速越低，大氣流動(dòng)減弱，PM2.5濃度越容易積聚，PM2.5濃度越高（林俊等，2009）2-3。冬季林內(nèi)風(fēng)速和PM2.5濃度在白天（9:00─19:00）呈負(fù)相關(guān)，在夜晚和凌晨（20:00 ─7:00）基本呈正相關(guān)；而夜晚有風(fēng)的天氣有利于PM2.5的擴(kuò)散，林外風(fēng)對(duì)PM2.5濃度影響在夜晚和凌晨呈負(fù)相關(guān)。本研究和其他學(xué)者研究基本一致（郭二果等，2013）1196-1197，即風(fēng)對(duì)PM2.5有驅(qū)散作用，風(fēng)速和PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，有研究者也提出風(fēng)速在一定范圍內(nèi)和PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速一旦超過(guò)這個(gè)范圍，二者關(guān)系減弱（王淑英等，2012；Cuhadaroglu et al.，1997），本研究卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律，可能是因?yàn)檠芯康?、研究時(shí)間、氣候及受人類活動(dòng)影響的不同。

低溫高濕天氣有利于PM2.5積聚，白天溫度升高，濕度下降，PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)，夜晚和凌晨溫度降低，濕度升高，PM2.5濃度呈上升趨勢(shì)，在白天，溫度變化上升明顯，PM2.5濃度主要受溫度的影響，溫度升高，空氣對(duì)流旺盛，利于污染物擴(kuò)散（郎鳳玲等，2013），使PM2.5濃度下降；夜晚和凌晨，溫度變化小，濕度迅速上升，PM2.5濃度主要受濕度的影響，此時(shí)間段的濕度極高，極易使細(xì)小的顆粒物產(chǎn)生凝結(jié)，從而增加空氣中的PM2.5濃度（劉大錳等，2005）。林內(nèi)外PM2.5濃度的變化趨勢(shì)基本一致，二者均在23:00─3:00變化起伏大，其他時(shí)間變化平穩(wěn)，下午至晚上（15:00─23:00）的PM2.5濃度要低于凌晨和中午的PM2.5濃度，這主要是由于下午和晚上的濕度低于凌晨和中午，其溫度雖然高，但因缺乏水汽、細(xì)小顆粒物等凝結(jié)物，也缺乏較好的凝結(jié)條件，PM2.5濃度較??；而凌晨和中午的溫濕度都達(dá)到了高溫高濕條件，更有利于細(xì)小顆粒物凝結(jié)，加上中午的溫度最高，也有利于光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生二次污染顆粒物，這也增加了空氣中的含塵量。在23:00─3:00時(shí)間段，濕度明顯上升，溫度明顯下降，加之研究區(qū)本身的小氣候，植被在這個(gè)時(shí)候有著特殊的生理活動(dòng)，使得該時(shí)間段整體環(huán)境比較復(fù)雜，故PM2.5變化也較為復(fù)雜。有學(xué)者指出：當(dāng)相對(duì)濕度增大到一定程度時(shí)，PM2.5濃度會(huì)降低（張創(chuàng)等，2011），這是因?yàn)镻M2.5發(fā)生了濕沉降（劉娜等，2014）312-313。溫度升高，大氣的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，有利于PM2.5的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，PM2.5濃度會(huì)降低；而溫度降低，大氣層結(jié)穩(wěn)定，PM2.5濃度易于積聚，該規(guī)律在連續(xù)晴天表現(xiàn)得尤為明顯。

氣象因子對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響是復(fù)雜的（Nowak et al.，2006），因地理特征、時(shí)間、季節(jié)等的不同而不同，但總的影響趨勢(shì)是一致的，每個(gè)氣象因子對(duì)PM2.5的影響不是獨(dú)立的，而是交互作用的（Tai et al.，2010；Pateraki et al.，2012；Smimov et al.，2003）；林內(nèi)的植被郁閉度和地表植被的覆蓋率要高于林外，林內(nèi)環(huán)境較林外封閉穩(wěn)定，小氣候也較為穩(wěn)定，加上林外的植被比林內(nèi)的復(fù)雜，在一年中變化大，不管是自然因子、還是人文因子，都比林內(nèi)復(fù)雜、變化比林內(nèi)大，故各氣象因子對(duì)林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響均比林外小。

4 結(jié)論

林內(nèi)外PM2.5濃度日變化基本呈“雙峰雙谷”型， 2月PM2.5濃度最大，6月PM2.5濃度最低；冬季最高，春季次之，夏季最低；林內(nèi)PM2.5濃度高于林外PM2.5濃度，而且變化比林外平緩，二者在春夏的差異大，冬春差異小。天氣對(duì)PM2.5濃度的變化具有重要影響，降雨對(duì)PM2.5有著明顯的消減作用；但是在夏季的林內(nèi)，降雨有時(shí)會(huì)增加PM2.5濃度；風(fēng)對(duì)PM2.5有很好的驅(qū)散作用，PM2.5濃度會(huì)隨風(fēng)速的增大而越低；PM2.5濃度隨相對(duì)濕度的增大而升高，隨著相對(duì)濕度的減小而降低；溫度升高，PM2.5降低，溫度降低，其濃度會(huì)上升，該規(guī)律在連續(xù)晴天表現(xiàn)得尤為明顯；林內(nèi)受氣象因子的影響要小于林外。氣象因子對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響是復(fù)雜的，對(duì)植被區(qū)的影響尤其復(fù)雜，而且對(duì)不同植被區(qū)的影響不同。植被對(duì)PM2.5有清除和消減作用，但不同的植被區(qū)對(duì)PM2.5的消減程度不同。在建設(shè)城市綠地時(shí)，要考慮植被自身特點(diǎn)、種植疏密度、植被之間的關(guān)系及組合、植被凈化空氣的能力，以更好地發(fā)揮植被對(duì)PM2.5的消減和清除作用，達(dá)到凈化大氣、提高城市環(huán)境質(zhì)量的目的。

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Analysis on Characteristics and Influential Factors of PM2.5Mass Concentration in Beijing's Urban Forest

JIANG Yan1， CHEN Bo2*， LU Shaowei2， LI Shaoning2
1. Environmental science and engineering College ， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China； 2. Forestry and Pomology Institute， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， YanShan Forest Ecosystem Research station Beijing 100093， China

Abstract:We selected two observation points in vegetation areas， and Beijing Xishan forest park forest is forest interior observation point， Beijing haidian botanical garden as forest outside control point， to study characteristics of urban forest's PM2.5mass concentration and to analyze its influence factors. The results showed that: The daily variation of PM2.5mass concentration is "double peak valley" in forest interior and outside. Around 8:00 and 21:00 are two peak values of the day， around 15:00 and 4:00 are valley values of the day. The PM2.5concentration in inside forest （104.02 μg·m-3） is higher than it in outside forest （82.515 μg·m-3）. In a year，PM2.5mass concentration in summer is lowest， which is second in Autumn and is third in spring. PM2.5mass concentration in winter is highest. Annual variation of PM2.5mass concentration is winter （115.46 μg·m-3） > spring （112.39 μg·m-3） > autumn （106.37 μg·m-3） > summer （81.87 μg·m-3） in forest interior， and winter （97.35 μg·m-3） > spring （94.07 μg·m-3） > autumn （93.17 μg·m-3） > summer （61.86 μg·m-3） in forest outside. Different meteorological factors， temperature， precipitation and wind are negative correction with PM2.5concentration. Sunny days in a row， air convection is strong， PM2.5concentration is relatively low； precipitation has cutting effect on PM2.5，the wind can disperse the PM2.5； and PM2.5concentration is higher than other weather conditions in high temperature and high humidity. Richen theory about forest's purifying atmosphere. And provide the evidence for related policy that environmental protection departments make.

Key words:inside forest （Beijing xishan park）； outside forest （Beijing haidian botanical garden）； characteristics of PM2.5mass concentration； influential factors

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.03.012

中圖分類號(hào)：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）03-0447-11

基金項(xiàng)目：北京市農(nóng)林科學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目（QNJJ201530）

作者簡(jiǎn)介：蔣燕（1993年生），女，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)研究。E-mail: 2219698595@qq.com

*通信作者：陳波（1987年生），男，助理研究員，博士，主要從事城市林業(yè)和水土保持研究。E-mail: zhyechb2010@163.com

收稿日期：2015-11-19