貴陽東郊針闊混交林內外空氣顆粒物不同季節(jié)的日變化

侯貽菊　丁訪軍　劉延惠　趙文君　吳鵬　舒德遠　崔迎春

摘要：為探討城市森林對空氣顆粒物的調控作用，采用同步監(jiān)測法對貴州省貴陽市東郊針闊混交林林內林外一年四季空氣顆粒物進行連續(xù)監(jiān)測（09：00—18：00）。結果發(fā)現(xiàn)：（1）貴陽市東郊針闊混交林4種粒徑空氣顆粒物日變化整體上近似呈“V”形，2個峰值分別出現(xiàn)在09：00和18：00，谷值多數(shù)出現(xiàn)在13：00—15：00，個別情況出現(xiàn)在17：00，不同季節(jié)之間峰谷值出現(xiàn)時間稍有差異。（2）冬季空氣顆粒物濃度最高，春、夏、秋季空氣顆粒物濃度高低因粒徑大小、林內林外而異。（3）除夏季PM1濃度林內高于林外外，其他情況均表現(xiàn)為林內低于林外，粗顆粒物濃度林內林外差異達到顯著水平。（4）4種粒徑顆粒物濃度日變化趨勢比較一致，最大值、最小值出現(xiàn)時間基本相同，粗顆粒物濃度值顯著高于細顆粒物。

關鍵詞：貴陽東郊；針闊混交林；空氣顆粒物；日變化

中圖分類號： S718.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0280-05

收稿日期：2016-02-27

基金項目：貴州省林業(yè)重大項目（編號：黔林科合[2014]重大01號）；貴州省科技廳社會發(fā)展項目（編號：黔科合SY字[2015]3021）。

作者簡介：侯貽菊（1988—），女，貴州貴陽人，助理工程師，主要從事森林生態(tài)、森林水文研究。E-mail：792085279@qq.com。

通信作者：丁訪軍，博士，研究員，主要從事森林生態(tài)、森林水文研究。E-mail：ding3920034@163.com。 近年來，空氣懸浮顆粒物已經(jīng)成為許多城市的首要污染物[1]，特別是空氣動力學等效直徑≤2.5 μm的可吸入細顆粒物PM2.5對人體健康的危害更大。2012年國家環(huán)保部重新修訂了《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095—2012），頒布PM2.5國家標準（年平均35 μg/m3，24 h平均75 μg/m3），把PM2.5納入環(huán)境空氣污染物基本項目中進行監(jiān)測，并在北京首先開展了PM2.5監(jiān)測網(wǎng)絡建設和數(shù)據(jù)公布等一系列工作，計劃于2016年開始在全國范圍內進行常規(guī)監(jiān)測[2]。了解空氣顆粒物變化規(guī)律以預防和減輕對人體健康和城市空氣環(huán)境質量的影響，已經(jīng)成為政府部門和社會各界關注的環(huán)境熱點問題之一。城市森林是城市有生命的生態(tài)基礎設施，也是居民休閑游憩的主要場所，對改善城市生態(tài)環(huán)境和滿足居民生態(tài)休閑游憩需求發(fā)揮著重要作用。貴陽市東郊環(huán)城林帶是貴陽重要的生態(tài)屏障，因環(huán)境優(yōu)美、空氣清新成為市民和游客進行徒步旅行、登高、健身、攝影等各種游憩活動的重要區(qū)域，因此該區(qū)域城市森林內空氣顆粒物濃度水平不僅反映城市森林的空氣凈化能力，也是游客和市民關注的問題。目前有關PM2.5等空氣顆粒物的詳細研究主要集中在來源分析[3-5]、成分解析[6-7]和危害評價[8-9]上，對城市森林內空氣顆粒物動態(tài)變化還缺少時間尺度上連續(xù)完整的研究。本研究以貴陽市東郊的馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）針闊混交林為對象，研究了針闊混交林內外一年四季白天09：00—18：00空氣顆粒物的動態(tài)變化規(guī)律，旨在為了解城市森林對空氣顆粒物污染的調控功能，為“以人為本”的城市森林建設、森林游憩環(huán)境開發(fā)管理提供理論依據(jù)，并為市民選擇游憩時間提出合理建議。

1 研究地概況

觀測點位于貴陽市東郊的馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）針闊混交林內，該城市森林位于1 180 m的海拔高度上（106°46′11″E，26°31′57″N）。林分優(yōu)勢樹種為馬尾松，林分密度為750株/ hm2，林分平均樹高13.8 m，平均胸徑19.3 cm，郁閉度為0.60，植被覆蓋率高達90%以上。林內植物包括針葉樹、闊葉樹以及其他野生灌叢草本植物，針葉樹以馬尾松為主，闊葉樹有女貞（Ligustrum lucidum Ait.）、樸樹（Celtis sinensis Pers.）、楊樹（Populus L.）、油茶（Camellia oleifera Abel.）、鹽膚木（Rhus chinensis Mill.）、光皮樺（Betula luminifera H. Winkl. ）、檫木（Sassafras tzumu Hemsl.）、鵝耳櫪（Carpinus turczaninowii Hance）、青岡[Cyclobalanopsis glauca （Thunb.） Oerst.]等，灌木層包括油茶（Camellia oleifera Abel.）、白櫟（Quercus fabri Hance）、小果南燭[Lyonia ovalifolia （Wall.） Drude var. elliptica]、鐵仔（Myrsine africana L.）、馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）、竹葉椒（Zanthoxylum armatum DC.）等植物，是貴陽城市森林的典型代表。

2 研究方法

在混交林林內和林外各設1個監(jiān)測點，為了保證監(jiān)測點具有相近的污染源，且避免林緣效應，林內監(jiān)測點設在林分距林緣50 m位置，林外監(jiān)測點設在林外距林緣50 m的位置且四周無高大喬木和建筑遮擋的空曠地。從2014年6月至2015年5月期間選擇連續(xù)無雨天（至少3 d）開展林內林外同步監(jiān)測，每日9：00—18：00采用Turnkey儀器制造公司生產(chǎn)，且符合粉塵監(jiān)測國家標準的 DustMate 粉塵檢測儀（分辨率0.01 μg/m3；測量范圍0～6 000 μg/m3；粒徑范圍 0.5～15 μm）同步連續(xù)測定2個監(jiān)測點距地面1.5 m處的空氣顆粒物質量濃度。測定時每15 s讀數(shù)1次，每1min記錄平均值保存于DustMate中，回實驗室后下載到PC機上并進行分析處理。分析所用平均值為各季節(jié)不同監(jiān)測日同一時刻的平均值。

所有數(shù)據(jù)應用 Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0分析，采用單因素方差分析和多因素方差分析比較混交林林內和林外的差異；顯著性水平設定為α=0.05。endprint

3 結果與分析

3.1 針闊混交林林內和林外空氣顆粒物不同季節(jié)的日變化

3.1.1 春季 春季混交林內外4種粒徑空氣顆粒物濃度日變化總體均呈下降趨勢，林外粗顆粒物濃度變化波動較大，TSP日變化曲線呈起伏波動變化，PM10日變化曲線呈“雙峰雙谷”形。林外細顆粒物和林內4種粒徑空氣顆粒物濃度變化波動平緩，林外PM2.5、PM1日變化中有2個峰值2個谷值，林內4種粒徑空氣顆粒物日變化為“雙峰單谷”曲線（圖1）。具體的變化趨勢是：09：00為觀測時段內的第1個峰值（最大值），之后開始下降，14：00—15：00降到一天中的最低值，然后基本保持不斷上升趨勢，林外上升到16：00—17：00后達到第2個峰值，之后保持下降直到觀測結束，林內一直保持上升趨勢直到18：00達到第2個峰值。

從林內林外對比來看，春季細顆粒物日變化趨勢林內林外比較一致，但粗顆粒物日變化趨勢林內林外有一定差異。林外TSP日變化中在12：00、15：00、18：00達到谷值，林內TSP只有15：00一個谷值。林外PM10日變化中的第2個峰值較林內有提前現(xiàn)象，分別在17：00、18：00出現(xiàn)。林內TSP、PM10顯著低于林外，林內林外PM2.5、PM1差異不顯著（表1）。

3.1.2 夏季 夏季針闊混交林內外TSP、PM10、PM2.5 3種顆粒物日變化趨勢不盡相同，而PM1日變化趨勢非常相似，總體表現(xiàn)為早晚高中間低的雙峰單谷型日變化曲線（TSP呈波動變化，趨勢不明顯）。4種粒徑空氣顆粒物林內林外最高值均在上午09：00，林外低估值多出現(xiàn)在14：00，相較于春季有所提前，林內低谷值多出現(xiàn)在17：00，相較于春季有所延遲（圖2）。方差分析顯示，林外TSP、PM10、PM2.5顯著高于林內，林內外PM1差異不顯著，且林外低于林內（表1）。

3.1.3 秋季 秋季粗顆粒物林內林外日變化趨勢各不相同，林外呈近“V”形，13：00—14：00達到最低值，總體呈下降趨勢，林內各時刻濃度值差異不顯著，總體略有升高。細顆粒物林內林外變化趨勢比較一致，全天呈波動升高變化，在觀測結束時達到全天最大值（圖3）。方差分析顯示，林外TSP顯著高于林內，混交林內外PM10、PM2.5、PM1差異不顯著（表1）。

3.1.4 冬季 冬季與秋季相似，粗顆粒物在林內林外的日變化趨勢完全不同，林外整體呈“W”形上升趨勢，2個谷值出現(xiàn)在12：00和15：00，林內呈向上弧形下降趨勢，最小值在

15：00—16：00出現(xiàn)。細顆粒物林內林外變化趨勢相對一致，整體呈下降趨勢，最小值均出現(xiàn)在15：00，最大值出現(xiàn)在 09：00—10：00（圖4）。方差分析顯示，林外TSP、PM10顯著高于林內，PM2.5、PM1差異不顯著，且林外PM1略低于林內（表1）。

從以上4個季度混交林內外空氣顆粒物濃度的日變化可以看出，林內4種粒徑空氣顆粒物濃度在4個季度的日變化規(guī)律有很高的相似性，春、夏、冬3季均表現(xiàn)出隨著監(jiān)測時間的推移逐步下降的趨勢，秋季則表現(xiàn)為上升趨勢。林內TSP濃度呈現(xiàn)冬季>春季>秋季>夏季的規(guī)律，PM10濃度呈現(xiàn)冬季>夏季>春季>秋季的規(guī)律，PM2.5和PM1表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季的規(guī)律。林外4種粒徑空氣顆粒物濃度在4個季度的日變化規(guī)律各不相同，但仍體現(xiàn)為早晚高、中間低的總體變化趨勢，林外除夏季顆粒物濃度時刻值變化幅度不大而外，春、秋、冬3季顆粒物濃度值變化幅度均較大，有明顯的峰值谷值。林外TSP、PM10呈現(xiàn)冬季>春季>夏季>秋季的規(guī)律， PM2.5 呈現(xiàn)冬季>夏季>秋季>春季的規(guī)律， PM1呈現(xiàn)冬季>秋季>春季>夏季的規(guī)律（表1）。

3.2 林內林外不同粒徑空氣顆粒物的日變化比較

3.2.1 春季 春季針闊混交林內外， 4種不同粒徑空氣顆粒物日變化趨勢大體相似，出現(xiàn)峰值和谷值的時間也基本一致（峰值出現(xiàn)在09：00，谷值出現(xiàn)在15：00，林外PM1谷值提前在14：00出現(xiàn)）（圖5）。方差分析顯示，林內TSP顯著高于PM10、PM2.5、PM1，PM10與PM2.5、PM2.5與PM1差異不顯著，PM10與PM1差異顯著。林外除PM2.5與PM1差異不顯著外，其他粒徑顆粒物之間差異顯著。

3.2.2 夏季 夏季混交林內TSP、PM10、PM13種顆粒物日變化趨勢大致相同，PM2.5日變化趨勢與春季相同，林外PM10、PM2.5、PM1變化相似，TSP呈波動變化。全天最大值均出現(xiàn)在09：00，最小值林內大部分集中在17：00出現(xiàn)，林外大部分集中在14：00出現(xiàn)（圖6）。方差分析顯示，除林內PM2.5與PM1差異不顯著外，其他情況均差異顯著。

3.2.3 秋季 秋季除個別時刻外，混交林內外4種粒徑空氣顆粒物日變化曲線基本一致，林內各粒徑顆粒物濃度和林外細粒徑顆粒物濃度最大值在18：00出現(xiàn)， 林外粗顆粒物濃度最大值出現(xiàn)在09：00，谷值集中在11：00—14：00出現(xiàn)（圖7）。方差分析結果與夏季相同。

3.2.4 冬季 冬季林內4種粒徑空氣顆粒物日變化趨勢基本一致，林外粗顆粒物與細顆粒物變化趨勢不盡相同，林內全天最大值除個別時刻外均出現(xiàn)在09：00，林外粗顆粒物和細顆粒物濃度最大值出現(xiàn)時刻分別是18：00和09：00（TSP除外）。

4 結論與討論

貴陽東郊針闊混交林內外空氣顆粒物濃度在監(jiān)測時段內具有明顯的變化趨勢，近似呈“V”形變化2個峰值分別出現(xiàn)在09：00和18：00， 谷值多數(shù)出現(xiàn)在13：00—15：00， 個別情況出現(xiàn)在17：00，這與其他學者的研究結果比較一致。郭二果等對北京西山典型游憩林空氣顆粒物的24小時監(jiān)測研究得出空氣顆粒物的日變化近似呈“雙峰雙谷”型，2個高峰時段分別出現(xiàn)在05：00—09：00和19：00之后，低谷出現(xiàn)時間是15：00左右[10]。無錫惠山PM2.5 的日變化最大值和最小值在07：00—09：00和15：00—19：00出現(xiàn)[11]。天津空氣PM10日變化高峰出現(xiàn)在08：00和19：00，低谷出現(xiàn)在14：00和 01：00[12]。英國空氣PM10在07：00—10：00以及19：00—22：00 有2個高峰，在12：00和17：00相對穩(wěn)定[13]。空氣顆粒物濃度呈現(xiàn)出這種日變化規(guī)律是由于人為活動對其影響較大， 上午 07：00—09：00和下午17：00—20：00是上下班高峰期，車流量不斷增加，導致地面揚塵、汽車尾氣排放量也不斷增加，致使空氣顆粒物質量濃度達到最高。另外，顆粒物的輸送和積累與一天中的氣象條件和大氣穩(wěn)定狀態(tài)有很大關系，午后光照強、氣溫高、空氣濕度小，空氣對流加強，易于空氣顆粒物的輸送和擴散而使其達到最低，相反，早晚和夜間低溫、高濕和相對靜風的氣象狀態(tài)不利于空氣顆粒物的擴散和輸送，使其聚集增多。endprint

貴陽東郊針闊混交林內外4種粒徑空氣顆粒物總體日變化趨勢在4個季度均近似呈“V”形（夏季粗顆粒物呈波動變化，冬季林外粗顆粒物呈“W”形變化），各粒徑顆粒物濃度監(jiān)測時段的最大值在春、夏、冬3季的09：00出現(xiàn)，秋季在18：00出現(xiàn)，最小值在春、冬兩季的15：00出現(xiàn)，夏季在14：00和 17：00 出現(xiàn)，秋季在14：00左右出現(xiàn)。不同季節(jié)相比，夏季日變化趨勢較其他3季平緩，且谷值出現(xiàn)時間稍有提前，秋季細顆粒物和林內粗顆粒物日變化總體呈上升趨勢，與其他3季不同，冬季空氣顆粒物濃度水平最高，春、夏、秋空氣顆粒物水平大小排序因粒徑大小、林內林外而異。這些變化除了受不同季節(jié)的氣候、監(jiān)測日風速、空氣濕度等因子影響外，可能與監(jiān)測林山頂正處于建筑施工期有關。山頂施工造成大量建筑揚塵，建筑揚塵是空氣顆粒物的主要來源之一，這可能就是導致春、夏、秋3季空氣顆粒物濃度水平大小不一的關鍵原因。因此，若從空氣顆粒物角度來看，市民最好選擇15：00左右作為最佳游憩時間，而09：00之前到18：00之后外出活動應注意空氣顆粒物污染情況。

林內林外相比較，各粒徑空氣顆粒物變化趨勢基本一致，除夏季PM1濃度林內高于林外外，其他情況均表現(xiàn)成林內低于林外，粗顆粒物濃度林內林外差異達到顯著水平，說明城市森林對空氣顆粒物具有明顯的調控作用。導致以上結果的原因可能為林外監(jiān)測點緊挨交通干道，路面揚塵、汽車尾氣等對粗粒子TSP、PM10上升貢獻較大，PM2.5具有滯留時間長、沉降速度慢等特點不容易被監(jiān)測儀器及時準確記錄。這與陳博等對北京大興區(qū)景觀生態(tài)林內外大氣顆粒物質量濃度變化特征的研究結果[14]比較一致。

不同粒徑空氣顆粒物相比，各季節(jié)4種粒徑顆粒物濃度日變化趨勢比較一致，最大值、最小值出現(xiàn)時間基本相同，粗顆粒物濃度值顯著高于細顆粒物，說明貴陽東郊空氣顆粒物污染源主要來自TSP、PM10。這與郭二果等的研究結果[10]有所不同，可能是由于北京風沙、霧霾等對粗顆粒物貢獻很大，而貴陽幾乎沒有風沙和霧霾天氣。參照國家環(huán)境空氣質量標準（GB 3095—2012），林內外PM2.5達到國家二級空氣質量標準（24 h平均75 μg/m3）的天數(shù)概率分別為65%、63%；林內外PM10達到國家二級空氣質量標準（24 h平均150 μg/m3）的天數(shù)概率分別為89%、46%?？梢?，貴陽市東郊空氣質量多處于優(yōu)良級，是適合人類生活居住的城市。

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