李永濤,王 霞,王曉磊,魏海霞,周 健,王莉莉,楊慶山*

(1.山東省林業(yè)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250014;2.山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,山東 東營 257000;3.山東省東營市城市管理局,山東 東營 257000)

空氣PM2.5又稱為可入肺顆粒物,是大氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量粒徑≤2.5 μm的顆粒物[1],其對空氣質(zhì)量、能見度以及人體健康等方面影響顯著[2-5],且其濃度水平也逐漸成為評價(jià)區(qū)域空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。隨著空氣污染日益嚴(yán)重,霧霾天氣頻發(fā),有效地削減空氣中PM2.5的含量已成為空氣環(huán)境質(zhì)量改善亟須解決的一個(gè)重要問題。

森林是具有自凈功能的生態(tài)系統(tǒng),可以通過其龐大的林冠將空氣中的顆粒物有效地滯留在植被枝干或葉片表面,達(dá)到降低大氣中顆粒物濃度、凈化空氣的目的,從而起到“天然空氣過濾器”的效果[6],因此利用森林植被冠層結(jié)構(gòu)對顆粒物的吸收阻滯作用已成為治理PM2.5的一項(xiàng)重要措施[7-8]。目前有關(guān)森林植被對空氣PM2.5吸收阻滯的研究較多,主要偏重于城市森林植被區(qū)對顆粒物的吸附作用以及階段性時(shí)間內(nèi)不同空氣懸浮顆粒的變化規(guī)律研究。郭含文等[9]在2012年7～9月對北京市城市不同綠地PM2.5濃度的日變化規(guī)律進(jìn)行了研究;王兵等[10]在2014年3～6月利用空氣氣溶膠再發(fā)生器(QRJZFSQ-I)對北京市城市常見的6種喬木和4種灌木葉片對空氣總懸浮顆粒物(TSP)、PM10、PM2.5和PM1.0的吸附能力進(jìn)行了研究;陳上杰等[11]在2014年5～8月對北京五環(huán)道路周邊的綠化林帶距離對大氣PM2.5濃度變化的影響進(jìn)行了研究。然而,目前對黃河三角洲區(qū)域白蠟林分消減PM2.5的作用以及長期監(jiān)測基礎(chǔ)上的變化特征還缺乏全面研究。

白蠟(Fraxinuschinensis)系木犀科(Oleaceae)白蠟屬(Fraxinus)樹種的總稱,是黃河三角洲地區(qū)最重要的造林樹種之一,其抗鹽抗逆性強(qiáng),其造林面積約占該區(qū)鹽堿地綠化面積的1/2,在濱海鹽堿地區(qū)具有不可替代的價(jià)值。本研究以山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站為平臺(tái),以季度和日為尺度分析了黃河三角洲地區(qū)白蠟人工林內(nèi)外一年中空氣PM2.5濃度的變化規(guī)律,探尋了白蠟人工林對PM2.5濃度的影響,以期為黃河三角洲地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和空氣污染治理提供合理的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在山東省林科院國家白蠟良種基地內(nèi)(N37°9′,E118°40′),該地位于渤海灣西南岸、壽光市北部,面積130.5 hm2,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫為12.2 ℃,無霜期211d,≥10 ℃的積溫為4380 ℃·d,年日照時(shí)數(shù)為2540.8 h。年平均降水量為601 mm,其中降水主要集中在7～8月份,占全年降水的60%左右；年蒸發(fā)量為1900 mm,是降水量的3.2倍。該地為典型的濱海鹽堿地,土壤類型為鹽化潮土。基地內(nèi)樹種以白蠟人工林為主,同時(shí)伴有少量的國槐(Sophorajaponica)、榆樹(Ulmuspumil)等。基地內(nèi)森林覆蓋率高達(dá)85%以上。

監(jiān)測區(qū)白蠟人工林為12年生,密度為500株/hm2;平均樹高8.57 m，平均胸徑12.28 cm，平均枝下高2.33 m;平均冠幅東西為4.13 m，南北為3.77 m。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

白蠟林內(nèi)與林外空地的PM2.5濃度數(shù)據(jù)由白蠟良種基地建立的山東黃河三角洲森林生態(tài)站提供；2個(gè)監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測時(shí)間一致,頻次均為1 h自動(dòng)監(jiān)測,全天24 h不間斷采樣。

林內(nèi)與林外空地2個(gè)監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測設(shè)備均為LGH-01E大氣顆粒物PM2.5自動(dòng)檢測儀。該設(shè)備是用于測量大氣中可吸入顆粒物(PM2.5)濃度的專用儀器,采用β射線法原理,結(jié)合動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)(DHS)及動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對PM2.5全天候連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測,具有自動(dòng)校準(zhǔn)、測量精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。測量范圍在0～1000 μg/m3或0～10000 μg/m3(可選);測量周期為1 h;采樣流量為16.7 L/min(自動(dòng)恒流);校準(zhǔn)膜重現(xiàn)性≤±2%。

1.3 數(shù)據(jù)選取

1.3.1 PM2.5數(shù)據(jù) 本研究選取2016年3月～2017年2月期間的PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將全年監(jiān)測的數(shù)據(jù)分為4個(gè)季度(春,3～5月;夏,6～8月;秋,9～11月;冬,12月～翌年2月)進(jìn)行處理,剔除不穩(wěn)定的天氣條件(大風(fēng)、降水、降雪)。季節(jié)變化分析選取每季度內(nèi)所有數(shù)據(jù),然后用季度均值作比較;日變化分析選取每季度的所有數(shù)據(jù),然后用日均值作比較。

特殊天氣條件數(shù)據(jù)選取根據(jù)氣象變化而定。大風(fēng)天氣的影響分析：選取4月～翌年1月期間4次大風(fēng)天氣條件下前后3 d內(nèi)PM2.5濃度的均值變化數(shù)據(jù)(風(fēng)前24 h,風(fēng)中24 h,風(fēng)后24 h)。降水(包括降雨和降雪)天氣的影響分析：選擇4月～翌年2月期間4次降雨和1次降雪天氣前后3 d中PM2.5濃度的均值變化數(shù)據(jù)。

1.3.2 氣象數(shù)據(jù) 林內(nèi)氣象數(shù)據(jù)由林內(nèi)綜合梯度觀測塔的實(shí)時(shí)監(jiān)測獲得；林外空地的氣象數(shù)據(jù)由山東黃河三角洲森林生態(tài)站標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測場獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工林內(nèi)空氣PM2.5濃度的季節(jié)變化

將全年的監(jiān)測數(shù)據(jù)分為4個(gè)季度進(jìn)行分析，結(jié)果(圖1)表明：白蠟人工林內(nèi)空氣PM2.5濃度的季節(jié)變化介于37～93 μg/m3之間,而林外空地PM2.5濃度的變化介于54～88 μg/m3之間。從季節(jié)濃度變化看,白蠟林內(nèi)與林外空地四季PM2.5質(zhì)量濃度不同,但變化趨勢基本一致,均呈現(xiàn)出冬季>春季>秋季>夏季的規(guī)律,且除冬季外,林內(nèi)PM2.5濃度普遍低于林外空地,其中夏季林內(nèi)PM2.5濃度比林外空地低31.4%,秋季林內(nèi)比林外空地低25.3%,春季林內(nèi)比林外空地低14.47%,而冬季林內(nèi)PM2.5濃度比林外高5.68%。

從圖1還可以看出,白蠟人工林內(nèi)、林外PM2.5濃度的年平均值分別為73 μg/m3和63 μg/m3,均高于國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的年平均標(biāo)準(zhǔn)值35 μg/m3。在季度變化中,除夏季林內(nèi)外和秋季林內(nèi)的PM2.5濃度低于年均值外,其余季節(jié)林內(nèi)外的PM2.5濃度均高于年均值。

A:春季; B:夏季; C:秋季; D:冬季; E:年均值。

2.2 人工林內(nèi)空氣PM2.5濃度的日變化

由監(jiān)測結(jié)果(圖2)可知,四季空氣PM2.5濃度的日變化規(guī)律較為相似,近似呈雙峰型曲線,且夜間濃度通常高于日間,上午高于下午。林內(nèi)PM2.5濃度除冬季略高于林外空地外,其它3個(gè)季節(jié)的濃度普遍低于林外空地。不同季節(jié)林內(nèi)外PM2.5濃度波峰波谷出現(xiàn)的時(shí)間略有差異,其中春季在8: 00前后出現(xiàn)一天中的最大值,1:00出現(xiàn)第2個(gè)高峰,此后出現(xiàn)一個(gè)低谷,在4:00前后有所上升,總體上處在高濃度狀態(tài);夏季在9: 00和23:00左右出現(xiàn)一天中的兩個(gè)高峰,而谷值出現(xiàn)在18:00和1:00左右,與春季略有差異;秋季總體上也表現(xiàn)出早晚偏高的特點(diǎn),在10:00和0:00左右達(dá)到最大值,而在15:00～18:00 是全天濃度最低的時(shí)段,期間略有波動(dòng);冬季與春季類似,一天中PM2.5濃度變化趨勢明顯,整個(gè)季節(jié)林內(nèi)外PM2.5濃度普遍高于國家日均標(biāo)準(zhǔn)值75 μg/m3,從17:00到翌日12:00均在超標(biāo)狀態(tài),而低谷出現(xiàn)在13:00～16:00。對比林內(nèi)外PM2.5濃度的變化得出,春季林內(nèi)、林外全天PM2.5濃度的最大值分別為84和102 μg/m3,林內(nèi)較林外空地降低了17.65%;夏季林內(nèi)、林外的最大值分別為48和69 μg/m3,林內(nèi)較林外空地降低了30.43%;秋季林內(nèi)、林外的最大值分別為70和88 μg/m3,林內(nèi)較林外空地降低了20.45%;冬季林內(nèi)、林外的最大值分別為108和100 μg/m3,林內(nèi)較林外空地升高了8.00%。林內(nèi)外四季空氣PM2.5濃度的日變化規(guī)律均為夜間>日間、上午>下午。

A:春季; B:夏季; C:秋季; D:冬季。

2.3 典型天氣條件下PM2.5濃度變化的個(gè)例分析

2.3.1 大風(fēng)天氣下PM2.5濃度的變化 選取2016年4月～翌年1月期間4次典型大風(fēng)天氣前后3 d內(nèi)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,4次大風(fēng)當(dāng)天平均風(fēng)速在4.42～6.17 m/s之間,而大風(fēng)前后平均風(fēng)速介于1.19～2.91 m/s之間。通過圖3可以看出,大風(fēng)天氣對空氣PM2.5質(zhì)量濃度具有一定的消減作用,大風(fēng)使白蠟林內(nèi)、林外的空氣PM2.5濃度分別下降了24.39%～60.98%和51.92%～72.04%,對林外空氣PM2.5濃度的削減作用更為顯著?？傮w來看,在風(fēng)前1 d林內(nèi)的空氣PM2.5濃度普遍低于林外空地的,而風(fēng)中與風(fēng)后林內(nèi)的PM2.5濃度高于林外空地的。

以11月28日～30日3 d內(nèi)大風(fēng)天氣過程中PM2.5濃度的變化為例(圖4),期間風(fēng)速在0.29～6.80 m/s之間,平均風(fēng)速為2.54 m/s；在大風(fēng)天氣下白蠟林內(nèi)與林外空地2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5濃度隨時(shí)間的變化較為一致,出現(xiàn)峰值和谷值的時(shí)間比較接近。從時(shí)間上看,在11月28日10:00左右開始出現(xiàn)1個(gè)峰值,林內(nèi)、外的PM2.5濃度分別為193和137 μg/m3,此時(shí)風(fēng)速為1.09 m/s；此后隨著風(fēng)速的增大,在17:00左右出現(xiàn)1個(gè)谷值,此時(shí)林內(nèi)、外的PM2.5濃度分別為111和94 μg/m3,此時(shí)風(fēng)速為2.35 m/s,林內(nèi)、外PM2.5濃度分別較峰值降低了42.49%和31.39%;此后隨著風(fēng)速的降低,林內(nèi)、外的PM2.5濃度有所增加。11月29日林內(nèi)、外的PM2.5濃度峰值出現(xiàn)在早上8:00左右,濃度分別為154和147 μg/m3,此時(shí)風(fēng)速為4.30 m/s；隨著風(fēng)速的增大,在15:00左右風(fēng)速達(dá)到最大值,而林內(nèi)、外PM2.5濃度則在17:00左右出現(xiàn)谷值,分別為36和42 μg/m3,此時(shí)風(fēng)速為5.61 m/s,這時(shí)林內(nèi)、外的PM2.5濃度分別降低了76.62%和71.43%。11月30日風(fēng)速開始降低,PM2.5濃度略有升高的趨勢,林內(nèi)、外的PM2.5濃度分別從30、29 μg/m3增加到74和65 μg/m3,分別增加了146.67%和124.14%,而此期間風(fēng)速介于0.59～2.78 m/s之間。從改善效果看，林內(nèi)、外的PM2.5平均濃度從28日的126、112 μg/m3分別降低到30日的52和46 μg/m3。由此可見,大風(fēng)對PM2.5具有一定的清除作用,且風(fēng)力越強(qiáng)清除效果越明顯。

圖3 大風(fēng)天氣下PM2.5質(zhì)量濃度的變化

圖4 PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速的關(guān)系

2.3.2 降水天氣下PM2.5濃度的變化 選取2016年4～12月期間4次降雨前后3 d內(nèi)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,期間平均降水量在5.3～16.5 mm之間。從4次典型降雨過程中PM2.5濃度的變化情況(圖5)可以看出,降雨后林內(nèi)、外空氣PM2.5濃度較降雨前均有不同程度的降低,說明降水過程對PM2.5起到了明顯的消除效果。從降雨量上看,在4月16日第一次降雨前，林內(nèi)、外PM2.5濃度均值分別為55和77 μg/m3,降雨后分別降至31和28 μg/m3,降雨對林內(nèi)、外PM2.5的消除率分別為43.64%和63.64%,此次降雨量為15.4 mm;8月19日第二次降雨量為16.5 mm,降雨對林內(nèi)、外PM2.5的消除率分別為58.33%和67.86%;11月7日第三次降雨量為8.0 mm,對林內(nèi)、外PM2.5的消除率分別為30.65%和46.15%;12月20日第四次降雨量為5.3 mm,對林內(nèi)、外PM2.5的消除率分別為29.46%和36.22%。說明林內(nèi)、外PM2.5濃度的消除率均隨著降雨量的增加而增加,且對林外PM2.5濃度的消除效果顯著優(yōu)于林內(nèi)的。

根據(jù)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù),2016年3月～2017年2月期間有效降雪僅有1次,降雪量為7.1 mm。由圖5可以看出,降雪前林內(nèi)、外PM2.5濃度均值分別為78 和88 μg/m3,降雪后分別降至22和24 μg/m3,降雪對林內(nèi)、外PM2.5的消除率分別為71.79%和72.72%,說明降雪對空氣PM2.5濃度也起到了明顯的消除作用。

圖5 降水天氣下PM2.5質(zhì)量濃度的變化

2.4 空氣PM2.5濃度與小氣候因子的相關(guān)性

通過整理2016 年3月～翌年2月不同季度林內(nèi)空氣PM2.5濃度及其對應(yīng)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)(特殊天氣除外)，得出表1,從表1可以看出：春季和冬季期間的PM2.5濃度與空氣溫度、濕度、風(fēng)速呈極顯著線性相關(guān),方程的決定系數(shù)在0. 3151～ 0.7941之間；而夏季和秋季期間的PM2.5濃度與空氣溫度、濕度、風(fēng)速的相關(guān)性不顯著。其中,春季和冬季的PM2.5濃度與溫度、風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān),與濕度呈顯著正相關(guān)。

表1 空氣PM2.5濃度與氣象因子的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

3.1 空氣PM2.5濃度的時(shí)間變化規(guī)律

空氣環(huán)境質(zhì)量存在著很明顯的季節(jié)性,通常認(rèn)為空氣PM2.5質(zhì)量濃度在夏季最低,在冬季最高。在本研究中,白蠟人工林內(nèi)外空氣PM2.5濃度均表現(xiàn)為夏季濃度最低,秋季次之,冬季最高。這與徐敬[12]、趙冰清[13]等的研究結(jié)果略有差異,這可能與森林植被類型及地區(qū)差異性有關(guān)：夏季森林植被茂盛,其樹冠、葉片滯塵效果顯著[14],且該區(qū)域夏季雨水較多,約占全年降水的60%,有利于空氣凈化;而在冬季降水少,植被處于落葉期,加之農(nóng)村日常生活焚燒棉稈、燃煤取暖等加重了空氣污染；同時(shí),冬季為防止森林火災(zāi),將枯草除盡,使得地表裸露,這也是導(dǎo)致空氣PM2. 5質(zhì)量濃度增加的一個(gè)重要原因。本研究還發(fā)現(xiàn)，四季空氣PM2.5濃度的日變化在一天中波動(dòng)較大,夜間PM2.5濃度高于日間,上午高于下午,日變化曲線整體上呈雙峰型,兩個(gè)峰值出現(xiàn)在夜晚和早上,兩個(gè)谷值則出現(xiàn)在凌晨和中午前后,但峰值出現(xiàn)的具體時(shí)間尚不統(tǒng)一。這種日變化規(guī)律可能與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有很大的關(guān)系,這與王成[15]、魏玉香[16]等的觀點(diǎn)相似。對比四季林內(nèi)、外PM2.5濃度發(fā)現(xiàn),除冬季外,一天24 h中林內(nèi)濃度顯著低于林外,說明白蠟人工林對于PM2.5的削減具有一定的促進(jìn)作用。

3.2 特殊氣象條件對PM2.5質(zhì)量濃度的影響

影響大氣顆粒物濃度高低的因素除了與顆粒物本身的性質(zhì)和林分的滯塵能力有關(guān)外,還與氣象因素有關(guān),而特殊天氣的影響更大。本研究發(fā)現(xiàn),在大風(fēng)、降雨和降雪等特殊天氣的影響下,林內(nèi)、外PM2.5濃度均有明顯降低,這與李少寧[17]、陳波[18]等的研究結(jié)果相同。大風(fēng)天氣后PM2.5濃度表現(xiàn)為林內(nèi)濃度高于林外空地,這可能與植被的阻擋作用有關(guān),造成大風(fēng)未能將林內(nèi)部分PM2.5等顆粒物帶走；其次森林植被對顆粒物的截留和吸附也是一個(gè)重要因素。風(fēng)速大小對大氣顆粒物的傳輸擴(kuò)散有重要的影響[19]。本研究得出4次大風(fēng)可使林內(nèi)、外空氣PM2.5濃度分別下降24.39%～60.98%和51.92%～72.04%,且風(fēng)速越大,PM2.5濃度越低，說明風(fēng)速越大,越有利于PM2.5的擴(kuò)散。

降水(降雨、降雪)過程可以對大氣PM2.5起到明顯的去除效果。在本研究中,4次降雨對林內(nèi)、外PM2.5的消除率分別介于29.46%～58.33%和36.22%～63.64%之間,且降雨量越大,對PM2.5的消除率越高;1次降雪對林內(nèi)、外PM2.5的消除率分別為71.79%和72.72%。可見,降水(降雨、降雪)對于降低PM2.5質(zhì)量濃度具有重要意義。不足之處在于該區(qū)數(shù)據(jù)采集期間有效降雪僅有一次,從而無法就降雪強(qiáng)度對PM2.5濃度的影響進(jìn)行深入探討。

3.3 空氣PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)影響因子

氣象因素是影響空氣PM2.5濃度的重要因素,但由于研究區(qū)域及空間尺度的復(fù)雜性,PM2.5濃度與氣象因子間的相關(guān)性很難得出統(tǒng)一定論。本研究發(fā)現(xiàn),春季和冬季期間的PM2.5濃度與空氣溫度、濕度、風(fēng)速呈極顯著線性相關(guān)，其中,春季和冬季PM2.5濃度與溫度、風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān),與濕度呈顯著正相關(guān),這與相關(guān)文獻(xiàn)[19-20]的結(jié)論相同。而夏季和秋季期間的PM2.5濃度與空氣溫度、濕度、風(fēng)速的相關(guān)性不顯著,可見在不同季節(jié)氣象因素對PM2.5濃度變化的影響也存在差異,這可能因?yàn)橄那飪杉旧种脖幌鄬γ?導(dǎo)致林內(nèi)小氣候環(huán)境明顯,從而影響了氣象因素與PM2.5濃度的關(guān)系。本次試驗(yàn)監(jiān)測時(shí)間長,采集數(shù)據(jù)量大,且對空氣PM2.5濃度與氣象因子進(jìn)行了同步觀測,更能準(zhǔn)確地反映它們之間的相關(guān)性。不過,本研究僅對空氣溫度、相對濕度及風(fēng)速與空氣PM2.5的相關(guān)性進(jìn)行了分析,而對于其它多種因素的影響,今后有待于進(jìn)一步研究。