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        秋季主要庭院樹種空氣顆粒物日變化規(guī)律研究

        2020-01-02 09:36:14張中霞郭珺琪
        山東林業(yè)科技 2019年6期
        關(guān)鍵詞:顆粒物風(fēng)速差異

        王 茜,王 成,張中霞,許 超,郭珺琪

        (1.北京市園林科學(xué)研究院,北京 100102;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)局森林培育重點實驗室,北京 100091;3.國家林業(yè)局城市森林研究中心,北京 100091;4.河北省邢臺市內(nèi)丘縣林業(yè)局,河北 邢臺054200)

        隨著工業(yè)城市的發(fā)展,帶來一系列環(huán)境問題嚴(yán)重威脅到居民的生活質(zhì)量。這其中大氣環(huán)境、溫室效應(yīng)等氣候特征的變化影響著我們?nèi)粘I頪1]??諝忸w粒物懸浮在空氣中降低能見度,影響氣候變化,是大氣環(huán)境污染的重要組成,成分復(fù)雜、來源多樣,又稱氣溶膠,其以固態(tài)、液態(tài)形式的顆粒狀物質(zhì)分散在大氣當(dāng)中[2-3]。國內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),顆粒物可以吸附多環(huán)芳烴和重金屬等對人體有危害的物質(zhì),具有很強(qiáng)的吸附能力,從而影響植物光合作用及生長,影響動物正常生理活動,影響人類身體健康[4]。人體的一些慢性健康問題的出現(xiàn)與大氣顆粒物的影響有直接關(guān)系,而PM10、PM2.5等細(xì)顆粒物在大氣中留存時間長,危害更嚴(yán)重,吸入肺以后可以引發(fā)呼吸道疾病,甚至可能導(dǎo)致心臟病發(fā)作和提高人體肺部癌變的風(fēng)險[5]。同時,顆粒物還能通過吸收太陽光的散射和發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)等方式,降低環(huán)境空氣質(zhì)量,影響都市生態(tài)環(huán)境。本研究以福建柏林為研究對象,對其林內(nèi)外秋季顆粒物日變化進(jìn)行了分析,以期為林業(yè)資源管理、開發(fā)建設(shè)提供參考。

        1 研究區(qū)概況和研究方法

        位于閩侯東南方向的旗山森林公園,面積約900hm2,地理位置為東經(jīng) 107°24',北緯 24°12'。年均氣溫為 18~22℃,年均日照時數(shù)約為 1800~2180h,年降水量約為920~2220mm,年相對濕度約為77%,海拔750m左右。福建柏林地面積約4.5hm2,密度為5921 株/hm2。

        1.1 樣地選擇

        樣地位于旗山森林公園海拔730m高處的福建柏林,平均樹齡25~30年,樹高8~13m,胸徑11~25cm,郁閉度0.92。地被覆蓋以白楠木、白蘭、野草莓等為主,在福建柏林內(nèi)設(shè)置10個重復(fù),重復(fù)與重復(fù)間隔5m;距離福建柏3m、5m、7m遠(yuǎn)處的柏油鋪裝路作為林緣對照點。

        1.2 測量指標(biāo)的方法

        2017年10月中旬選擇10天無陰雨天氣,用美國產(chǎn)的顆粒物檢測儀,測定高度1.2~1.5m處4種粒徑空氣顆粒物濃度,每次3個重復(fù),并同步檢測其他森林環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)。從7:00-19:00間隔兩個小時觀測一次。春季福建柏林內(nèi)外日變化取10天觀測的平均值。

        數(shù)據(jù)使用EXCEL2003和SPSS16.0分析軟件進(jìn)行圖標(biāo)的制作和方差分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 空氣顆粒物的總體日變化

        從福建柏林內(nèi)外顆粒物日變化水平來看,林內(nèi)外差異不大,用單因素方差分析(LSD多重比較法)結(jié)果表明,林內(nèi)外在17:00或(19:00)4種粒徑空氣顆粒物濃度差異顯著(P〈0.05)。林內(nèi)外四種粒徑顆粒物濃度的日變化趨勢相似,均呈“V”型,只是TSP和PM10濃度的低谷期較林緣提前。林內(nèi)外均在7:00出現(xiàn)全天的第1個高峰、林內(nèi)在19:00而林外在17:00(TSP、PM10、PM2.5)或者 19:00(PM1.0)出現(xiàn)全天的第2個高峰;林內(nèi)外均在11:00-13:00出現(xiàn)低谷。出現(xiàn)這種高峰和低谷值的原因可能是:白天風(fēng)速大且氣溫快速升高,特別是7:00-11:00時風(fēng)速突然變大,而濕度卻減小,空氣對流活動加強(qiáng),這種天氣條件對顆粒物的擴(kuò)散十分有利,使?jié)舛茸畹?。傍?7:00-19:00是游客集中返程的時間段,人流量和車流量都明顯增加,人為活動和汽車尾氣排放產(chǎn)生的空氣污染被輸送到福建柏林內(nèi),導(dǎo)致其顆粒物濃度瞬間增大;同時附近居民準(zhǔn)備晚餐排放的炊煙也會為空氣顆粒物濃度做較大貢獻(xiàn)[6]。從空氣顆粒物總體日變化規(guī)律分析來看,春季福建柏林內(nèi)外上午最適合進(jìn)行游憩活動,考慮到空氣顆粒物污染的集中時間段,傍晚外出活動對人體健康較為不利。

        2.2 各種粒徑空氣顆粒物日變化差異

        圖2 林內(nèi)外不同粒徑顆粒物濃度日變化

        表1 4種不同粒徑空氣顆粒物與小氣候之間的相關(guān)性分析

        對于福建柏林內(nèi)外,13:00和19:00是TSP的兩個峰值出現(xiàn)的時間,而 9:00(林內(nèi)外)和15:00(林內(nèi))或17:00(林外)是兩個低谷值出現(xiàn)的時間,PM10與TSP的相比的差異是林外的低谷值從9:00提前到7:00。13:00和19:00是林內(nèi)外PM2.5的兩個峰值出現(xiàn)的時間;9:00和15:00是其兩個低谷值出現(xiàn)的時間。而PM1.0相對PM2.5上午的低谷值(林內(nèi)外)均由9:00提前2h,同樣林外的第2個高峰值由19:00提前2h。說明細(xì)顆粒物對周圍環(huán)境比較敏感,早晨林內(nèi)外提前達(dá)到最低值,下午17:00(林外)又提前達(dá)到第2個高峰。

        2.3 不同粒徑顆粒物與小氣候之間的相關(guān)性分析

        從表1的數(shù)據(jù)得出,空氣溫度與光照強(qiáng)度均與空氣顆粒物濃度呈正相關(guān),而相對濕度、平均風(fēng)速與其呈負(fù)相關(guān),且林外的顆粒物濃度與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān),與相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。4種粒徑顆粒物與小氣候因子的相關(guān)性大小排序:平均風(fēng)速〉空氣溫度〉相對濕度〉光照強(qiáng)度(林外光照強(qiáng)度〉相對濕度)。這是因為空氣湍流運(yùn)動對污染物的擴(kuò)散起決定作用,而湍流的混合狀況又是風(fēng)日變化差異的又一主要因素,在風(fēng)的作用下污染物被輸送到遠(yuǎn)處,且風(fēng)速與被傳送的距離呈正相關(guān)[7]。另一方面在維持弱氣壓場、風(fēng)力較小的不理想擴(kuò)散的氣象條件時,相對濕度可以對顆粒物有洗刷作用,稀釋了空氣中的顆粒物濃度[8-9]。溫度主要對大氣垂直對流產(chǎn)生影響,溫度越高,越有利于顆粒物的擴(kuò)散,但也有一定的闕值。這與有些學(xué)者對北京地區(qū)的觀測結(jié)果相反[10]。究其原因,秋季福州出現(xiàn)逆溫[11-12,9],大氣對流運(yùn)動較弱,顆粒物難以得到轉(zhuǎn)移擴(kuò)散,加重污染。從小氣候因子與4種不同粒徑顆粒物的相關(guān)性分析來看:隨著粒徑的減?。ǔ薖M1.0),溫度與其相關(guān)性變?。欢鄬穸?、平均風(fēng)速和光照,則隨著粒徑的減小相關(guān)性變大。且溫度和光照與PM1.0的相關(guān)性最大。說明小粒徑顆粒物濃度比較敏感,受環(huán)境影響較大,這與郭二果2009年對北京西山的研究結(jié)論一致[13]。

        3 結(jié)論與討論

        (1)從福建柏林內(nèi)外顆粒物日變化水平來看,林內(nèi)外差異不大,林內(nèi)外在17:00或(19:00)四種粒徑空氣顆粒物濃度差異顯著(P〈0.05)。林內(nèi)外四種粒徑顆粒物濃度變化相似,變化曲線均呈“V”型,只是TSP和PM10濃度的低谷期較林緣提前。林內(nèi)外均在7:00出現(xiàn)全天的第1個高峰、林內(nèi)在19:00而林外在17:00(TSP、PM10、PM2.5)或者 19:00(PM1.0)出現(xiàn)全天的第2個高峰;林內(nèi)外均在11:00-13:00出現(xiàn)全天的低谷。

        (2)4種不同粒徑空氣顆粒物日變化趨勢大體相似,13:00和19:00是TSP的兩個峰值出現(xiàn)的時間,而 9:00(林內(nèi)外)和15:00(林內(nèi))或 17:00(林外)是兩個低谷值出現(xiàn)的時間,PM10與TSP的相比的差異是林外的低谷值從9:00提前到7:00。13:00和19:00是林內(nèi)外PM2.5的兩個峰值出現(xiàn)的時間;9:00和15:00是其兩個低谷值出現(xiàn)的時間。

        (3)天氣條件對顆粒物濃度的影響機(jī)理比較復(fù)雜,本研究發(fā)現(xiàn)高溫、低濕、相對靜風(fēng)狀態(tài)空氣顆粒物濃度增加。有學(xué)者對北京、西安、包頭[13-15]的研究卻發(fā)現(xiàn),溫度越低顆粒物濃度反而越高。這可能與南北方的氣候差異有關(guān),南方的逆溫現(xiàn)象和北方冷空氣的冷凝作用造成這一差異的產(chǎn)生。今后還應(yīng)就其他環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)對其的影響機(jī)理作更加深入的研究。

        (4)福州森林公園受城市污染環(huán)境的影響較小,反映的是良好森林環(huán)境條件下的變化特點;而有些學(xué)者對市區(qū)森林公園的研究對象特點是城市環(huán)抱公園,受城市大氣污染的影響較嚴(yán)重,城市污染空氣的輸送對林內(nèi)顆粒物濃度的影響較大。從這兩種環(huán)境背景下的森林公園的差異研究可以看出,森林在不同環(huán)境條件影響下,其滯塵效果會有差異。在條件比較復(fù)雜和顆粒物濃度較高的城市污染背景下森林的滯塵能力明顯下降。其他學(xué)者在上海、重慶、廣州的研究也發(fā)現(xiàn)7:00-9:00和19:00-21:00是顆粒物濃度的高峰期[16],說明在同一個季節(jié),但地點、氣象條件、研究背景等的不同,顆粒物濃度出現(xiàn)高峰或低谷的時間也不一致。

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