劉宇++王曉立 +董蓉++蔣亞華 張楠++張麗華
摘要:2015年冬季,江蘇省北部城市及臨近的山東地區(qū)供暖時(shí)間為2015年11月中下旬至2016年3月中旬,從2015年11月至2016年4月連續(xù)監(jiān)測(cè)4種林地和對(duì)照內(nèi)空氣負(fù)離子濃度、PM2.5、PM10、溫度、濕度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度,并進(jìn)行方差分析、多重比較和相關(guān)性分析,對(duì)比4種林地內(nèi)空氣負(fù)離子濃度變化規(guī)律及其與主要環(huán)境因子的相關(guān)性。結(jié)果顯示,4種林地及對(duì)照內(nèi)空氣負(fù)離子濃度均值按從高到低的排序?yàn)槿毡驹鐧鸭兞郑?05個(gè)/cm3)、旱柳-廣玉蘭混交林(295個(gè)/cm3)、水泥廣場(chǎng)(286個(gè)/cm3)、多樹種復(fù)層針闊葉混交林(256個(gè)/cm3)、雪松-國(guó)槐混交林(223個(gè)/cm3);空氣負(fù)離子濃度的日變化峰值均出現(xiàn)在13:00左右;空氣負(fù)離子濃度與PM10和PM2.5均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與空氣中的溫度和濕度都呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。
關(guān)鍵詞:供暖季;林地;空氣負(fù)離子濃度;顆粒物;PM2.5;PM10
中圖分類號(hào): S181;S718.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2016)12-0248-04
收稿日期:2016-07-21
基金項(xiàng)目:國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2013GA690424);江蘇省宿遷市科技局項(xiàng)目(編號(hào):z201204)。
作者簡(jiǎn)介:劉宇(1981—),男,安徽安慶人,碩士,講師,主要從事城市園林生態(tài)研究。E-mail:718111060@qq.com。
2015年冬季,江蘇省北部城市及臨近的山東地區(qū)供暖時(shí)間為2015年11月中下旬至2016年3月中旬,其間宿遷市區(qū)空氣質(zhì)量較差,輕度污染以上日數(shù)達(dá)101 d[1]??諝庳?fù)離子被譽(yù)為空氣維生素和生長(zhǎng)素[2-3],它是目前評(píng)價(jià)空氣清潔程度[4]、衡量空氣質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一[5]。植物利用枝葉尖端放電、通過光合作用形成光電效應(yīng),使空氣電離產(chǎn)生負(fù)離子[6]。因此,在供暖季節(jié)探討不同林地的空氣負(fù)離子濃度變化,對(duì)城市綠地建設(shè)具有重要意義。目前,已對(duì)國(guó)外許多城市以及國(guó)內(nèi)的北京、上海、廣州、重慶等地的空氣負(fù)離子展開了相關(guān)研究,研究?jī)?nèi)容主要集中在森林環(huán)境[7-8]、綠地結(jié)構(gòu)[9-13]、空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)[14]等方面。但對(duì)國(guó)內(nèi)供暖季不同林地內(nèi)空氣負(fù)離子濃度變化及其與主要影響因子關(guān)系的研究鮮見報(bào)道。本研究定量分析了供暖季不同林地內(nèi)空氣負(fù)離子變化及其與溫度、相對(duì)濕度、光照、空氣顆粒物等主要環(huán)境因子的[LL]關(guān)系,旨在為科學(xué)規(guī)劃城市綠地和指導(dǎo)市民合理開展休閑活動(dòng)提供參考依據(jù)。
1材料與方法
1.1研究區(qū)概況
城市人工林既可以滿足游人休閑游憩和一年四季的觀景需求,又可以改善局部的生態(tài)環(huán)境。本研究試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在江蘇省宿遷學(xué)院教職工游園內(nèi),選擇蘇北地區(qū)典型的4種林地為研究對(duì)象,包括旱柳-廣玉蘭混交林、雪松-國(guó)槐混交林、日本早櫻純林、多樹種復(fù)層針闊葉混交林,以無綠化覆蓋的水泥廣場(chǎng)地為對(duì)照(CK),下文分別以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示,各樣地內(nèi)植物生長(zhǎng)狀況良好,詳情見表1。
1.2試驗(yàn)方法
儀檢測(cè)空氣負(fù)離子濃度,使用OSEN-1A型粉塵檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)PM2.5濃度和PM10濃度,采用天津市福元銘儀器設(shè)備有限公司制造的DEM6型三杯風(fēng)向風(fēng)速表測(cè)定風(fēng)速,采用浙江托普儀器有限公司制造的DJL-18溫濕光3參數(shù)記錄儀測(cè)定溫度和濕度。監(jiān)測(cè)期為2015年11月至2016年4月,每月分上旬、中旬、下旬各取1 d,觀測(cè)時(shí)間為07:00—21:00 ,每隔2 h在4種林地的中心位置同步觀測(cè),以水泥廣場(chǎng)為對(duì)照,采樣高度為距離地表1.5 m處。
1.3 評(píng)價(jià)方法
以空氣負(fù)離子濃度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用單極系數(shù)(q)和空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)(CI)為空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]。公式如下:
[JZ(]q=n+/n-;
CI=n-/(1 000×q);
p=n-/(n-+ n+)。[JZ)]
其中:n+、n-為空氣正負(fù)離子數(shù),q 為單極系數(shù),CI為空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù),p為空氣負(fù)離子系數(shù)。按照安培提出的空氣質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將空氣質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí)(表2)。
1.4統(tǒng)計(jì)分析
采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析和回歸方程分析,并用最小顯著差數(shù)法(LSD)檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異性,采用Excel 2007繪圖。
2結(jié)果與分析
2.14種林地空氣負(fù)離子濃度空間變化規(guī)律
將4種林地和對(duì)照內(nèi)監(jiān)測(cè)到的空氣負(fù)離子數(shù)據(jù)予以加權(quán)平均,分析結(jié)果見表3,從單級(jí)系數(shù)q來看,均小于1,負(fù)離子數(shù)明顯高于正離子數(shù),各個(gè)監(jiān)測(cè)樣地內(nèi)空氣負(fù)離子濃度都較小,其中平均最大值為日本早櫻純林(Ⅲ)的305個(gè)/cm3,最小值的雪松-國(guó)槐混交林(Ⅱ)僅為223個(gè)/cm3,無綠化的水泥廣場(chǎng)(Ⅴ)高于多樹種復(fù)層針闊葉混交林(Ⅳ)和雪松-國(guó)槐混交林(Ⅱ)。從空氣離子評(píng)價(jià)系數(shù)CI來看,旱柳-廣玉蘭混交林(Ⅰ)和日本早櫻純林(Ⅲ)處于中等清潔水平,而其他2種樣地都僅在允許水平段上,說明供暖季的林地和戶外整體空氣質(zhì)量較差。
2.24種林地空氣負(fù)離子濃度時(shí)間變化規(guī)律
4種林地空氣負(fù)離子日變化趨勢(shì)見圖1, 從圖中可知, 各個(gè)樣地最高峰值在13:00左右;日本早櫻純林(Ⅲ)和旱柳-廣玉蘭混交林(Ⅰ)具有相同的日變化規(guī)律,白天與晚上負(fù)離子濃度相差較大,從07:00到9:00有微弱的下降;而雪松-國(guó)槐混交林(Ⅱ)和多樹種復(fù)層針闊葉混交林(Ⅳ)則是在07:00到15:00呈M形趨勢(shì),15:00以后負(fù)離子濃度變化幅度不大;另外水泥廣場(chǎng)空氣負(fù)離子濃度在17:00時(shí)降至203個(gè)/cm3,這可能是因?yàn)榇藭r(shí)正處于大學(xué)生戶外活動(dòng)時(shí)間,致使空氣負(fù)離子濃度快速降低。
[TPLY1111.tif]
不同樣地空氣負(fù)離子濃度的月變化規(guī)律基本一致(圖2),從11月至12月,4種林地和參照的空氣負(fù)離子濃度快速下降,1月至3月基本平穩(wěn),4月時(shí)除多樹種復(fù)層針闊葉混交林[CM(25](Ⅳ)外,其他林地內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度略有回升。從不同[CM)]
[TPLY2222.tif]
月份的空氣離子評(píng)價(jià)系數(shù)CI看(表4),11月的空氣質(zhì)量達(dá)到清潔水平,為0.753 6,而1月僅為0.231 2,處于輕污染程度。
2.34種林地空氣負(fù)離子濃度與主要影響因子的關(guān)系
溫度、濕度、風(fēng)速、光照以及空氣中顆粒物的濃度等都是影響空氣負(fù)離子濃度的重要因素,根據(jù)2015年11月至2016年4月所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù), 并將每月所得的空氣負(fù)離子濃度均值與其他環(huán)境要素均值進(jìn)行相關(guān)性分析并擬定回歸方程。
2.3.1負(fù)離子濃度與空氣顆粒物的關(guān)系
對(duì)可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)月平均值進(jìn)行分析得到圖3,從圖中可知,檢測(cè)期間,空氣顆粒物濃度較高,其中細(xì)顆粒物平均濃度最高為164.3 μg/m3,可吸入顆粒物平均濃度最高達(dá)344.3 μg/m3;PM2.5濃度與PM10濃度月變化規(guī)律基本一致,從開始供暖后濃度逐漸升高,在1月時(shí)達(dá)到峰值,2月時(shí)突然下降,3月至4月逐漸下降,這可能與2月時(shí)宿遷市的一場(chǎng)降雪使空氣顆粒物濃度急速下降有關(guān)。
[FK(W21][TPLY3333.tif]
將4種林地內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度月均值與對(duì)應(yīng)的PM10濃度和PM2.5濃度的均值進(jìn)行分析得到圖4,通過空氣負(fù)離子濃度與PM10和PM2.5曲線擬合,發(fā)現(xiàn)都呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中PM10的回歸方程為y=-0.577x+398.229(圖4-A),y為空氣負(fù)離子濃度,r2為0.087,對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn),F(xiàn)=22617,遠(yuǎn)大于1,顯著性水平P<0.01,具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;PM2.5的回歸方程為y=-1.191x+396.133(圖4-B),y為空氣負(fù)離子濃度,r2為0.083,對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn),F(xiàn)=21589,遠(yuǎn)大于1,顯著性水平P<0.01。
2.3.2負(fù)離子濃度與氣象因子的關(guān)系
負(fù)離子濃度與氣象因子的關(guān)系見圖5,在大于-1 ℃時(shí),空氣負(fù)離子濃度與溫度呈顯著正相關(guān),回歸方程為y=4.927x+212.81(圖5-A),y為空氣負(fù)離子濃度,x為溫度,對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn),F(xiàn)=5.05,P<005,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的平均相對(duì)濕度范圍為38.2%~87.8%,在此范圍內(nèi),空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān),回歸方程y=4.109x+8.477(圖5-B),y為空氣負(fù)離子濃度,x為相對(duì)濕度,r2為0.063,對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn),F(xiàn)=15.887,P<0.01;對(duì)大于0.01 m/s 的風(fēng)速與空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行分析,2者呈顯著負(fù)相關(guān),即隨著風(fēng)速增大,空氣負(fù)離子濃度下降,擬合方程為y=-74.78x+318.641(圖5-C),其中y為空氣負(fù)離子濃度,x為風(fēng)速,r2為0.034,對(duì)相關(guān)
[FK(W23][TPLY4444.tif]
模型進(jìn)行檢測(cè),F(xiàn)=6.324,P<0.05,具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;此次檢測(cè)的平均光照范圍為0~82 048 lx,通過分析,2者呈顯著負(fù)相關(guān),其擬合曲線方程為y=-0.003x+322.152(圖5-D),其中y為空氣負(fù)離子濃度,x為光照強(qiáng)度,r2為0086,對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè),F(xiàn)=16.750,P<0.01,具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
3結(jié)論與討論
供暖季4種林地及對(duì)照內(nèi)空氣負(fù)離子濃度按從大到小排序?yàn)槿毡驹鐧鸭兞?、旱?廣玉蘭混交林、水泥廣場(chǎng)、多樹種復(fù)層針闊葉混交林、雪松-國(guó)槐混交林,均值處于223~305個(gè)/cm3之間,空氣負(fù)離子濃度均較低,與穆單等在冬季佳木斯綠地中監(jiān)測(cè)的279個(gè)/cm3基本接近[10]。供暖季前后溫度降低,且植物處于落葉和休眠狀態(tài),而光合作用是產(chǎn)生負(fù)離子的重要來源之一[15],導(dǎo)致空氣負(fù)離子濃度不斷減少。結(jié)合其他復(fù)合因素[16],空氣離子評(píng)價(jià)系數(shù)CI也處于較低水平。而無綠化的水泥廣場(chǎng)高于多樹種復(fù)層針闊葉混交林和雪松-國(guó)槐混交林,這可能是因?yàn)楣┡緯r(shí)大氣污染物量增大,而大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。農(nóng)鋼等認(rèn)為環(huán)境中的煙霧會(huì)大大降低空氣負(fù)離子濃度,故具有密集結(jié)構(gòu)的雪松-國(guó)槐混交林和多樹種復(fù)層針闊葉混交林內(nèi)污染物不易擴(kuò)散,致使該型綠地的空氣負(fù)離子濃度甚至低于無綠化的廣場(chǎng)[17]。[JP2]
4種林地的空氣負(fù)離子濃度在監(jiān)測(cè)期段內(nèi)除峰值均出現(xiàn)在13:00左右外,日變化無穩(wěn)定的趨勢(shì)。針對(duì)空氣負(fù)離子濃度的日變化特征,不同學(xué)者結(jié)論各異,多數(shù)認(rèn)為呈雙峰變化趨勢(shì)[18-21],但研究多為夏秋高溫季節(jié)。本研究中,學(xué)校大量的人為活動(dòng)和衣物產(chǎn)生的靜電易于與空氣負(fù)離子結(jié)合,影響空氣負(fù)離[CM(25]子的存活時(shí)間。戈鶴山等也研究得出,人為活動(dòng)密集的地[CM)]
[FK(W21][TPLY5555.tif]
方空氣負(fù)離子濃度較低。另外供暖期污染物的日變化也會(huì)影響空氣負(fù)離子濃度,使得空氣負(fù)離子濃度變化出現(xiàn)交替[22]。
4種林地和對(duì)照月變化趨勢(shì)基本一致,空氣離子評(píng)價(jià)系數(shù)CI在11月最高為0.7536,而1月僅有0.231 2,從季節(jié)上看冬季低,春秋季次之,與多數(shù)研究結(jié)果[23-24]一致。
研究期間,PM2.5與PM10濃度的月變化規(guī)律基本一致,氣顆粒物濃度較高,細(xì)顆粒物和可吸入顆粒物最高平均濃度分別達(dá)到164.3 、344.3 μg /m3,與國(guó)家空氣Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(PM10為150 μg /m3,PM2.5為75 μg /m3)相差較大;PM10和PM2.5均與空氣負(fù)離子濃度呈顯著負(fù)相關(guān),這與章志攀等研究結(jié)果[25]一致。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,空氣負(fù)離子能有效降低空氣中的顆粒物濃度,可以通過改善綠地結(jié)構(gòu)、增加空氣負(fù)離子濃度,實(shí)現(xiàn)凈化空氣的作用[16,26]。
空氣負(fù)離子濃度與溫度和濕度有顯著關(guān)系,但規(guī)律不一,吳楚才等認(rèn)為,空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān),與濕度呈正相關(guān)[4,27];邵海榮等認(rèn)為,空氣負(fù)離子濃度與溫度呈正相關(guān),與濕度呈負(fù)相關(guān)[28]。筆者與韋朝領(lǐng)等認(rèn)為空氣負(fù)離子濃度與溫度和濕度都呈顯著正相關(guān)[24]。
本研究結(jié)果表明,供暖季4種林地及對(duì)照內(nèi)空氣負(fù)離子濃度均較低,具有濃密結(jié)構(gòu)的雪松-國(guó)槐混交林和多樹種復(fù)層針闊葉混交林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度甚至低于無綠化的廣場(chǎng);空氣負(fù)離子濃度與PM10和PM2.5均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與空氣中的溫度和濕度都呈顯著正相關(guān)關(guān)系,所以可以通過改善綠地結(jié)構(gòu)、增加空氣負(fù)離子濃度,實(shí)現(xiàn)凈化空氣作用。
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