貴陽黔靈山公園夏季不同植被類型城市森林空氣顆粒物變化特征

侯貽菊 崔迎春 趙文君 劉延惠 丁訪軍

(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽 550005)

城市森林為人們提供了豐富的生態(tài)旅游資源，是人們在炎熱的夏季消夏避暑、游憩放松的主要場所，與城市人口聯(lián)系最為緊密，因其具有滯塵殺菌、凈化空氣等生態(tài)保健功能，人們對城市森林內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注度日益增加。因此，對城市森林內(nèi)空氣顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行持續(xù)動態(tài)研究，了解其變化特征，對人們合理進(jìn)行森林游憩具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。目前，國內(nèi)外對城市空氣顆粒物的研究主要集中于分析其來源和組成成分[1～3]、污染特征、影響因素[4～6]、機(jī)理方面[7～9]及其對人體健康的影響[10～11]等。城市森林由于其光照、溫度等生態(tài)因子的空間變化，形成了不同的森林群落類型[12]，林內(nèi)空氣顆粒物的變化特征也可能存在差異，然而現(xiàn)在關(guān)于城市山地不同森林群落類型內(nèi)空氣顆粒物動態(tài)變化特征的系統(tǒng)研究鮮有報道。因此，本文以貴陽3種典型森林群落類型為研究對象，于夏季晴天對林內(nèi)空氣顆粒物TSP、PM10、PM2.5、PM1進(jìn)行連續(xù)同步監(jiān)測，研究林內(nèi)空氣顆粒物的變化特征。以期為休閑保健型城市森林的營造和城市森林空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)的建立提供理論依據(jù)，為貴陽居民夏季森林游憩活動提供科學(xué)參考。

1 研究地概況

貴陽市黔靈山公園是國家AAAA級旅游區(qū)，位于貴陽市中心區(qū)西北角，公園南接棗山路，東近八鴿巖路，東北有市北路，北至關(guān)刀巖、小關(guān)水庫，西連長坡嶺林場、七沖嶺、三橋村及圣泉。距市中心1.5公里，面積426公頃，是國內(nèi)為數(shù)不多的大型綜合性城市公園之一。

因其大氣候背景處于高原地帶，所以黔靈山的氣候條件是相當(dāng)一致的，具有與典型中亞熱帶地區(qū)不同的高原亞熱帶氣候特征。冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑、熱量充沛、生長期長，年均溫15.3℃，一月均溫4.9℃，最高氣溫33～34℃，最低氣溫4～5℃，無霜期270天。海拔在1100米～1396米之間，地形各有起伏，相對高差不大，約200米左右。植物已知共計(jì)128科350屬476種，其種數(shù)約占全省植物的8.17%，(其中蕨類植物占10.12%，裸子植物占26.56%，被子植物占8.06%)，在面積不大的區(qū)域里含有如此多的植物，可見其植物種類的豐富。其中珍稀植物有：半楓荷、巖生紅豆樹。公園由三嶺灣獼猴觀賞園、弘福寺、麒麟洞、動物園、黔靈湖、風(fēng)雨橋等景區(qū)及盤山步道組成。由于交通便利、環(huán)境優(yōu)美及生態(tài)旅游資源的不斷開發(fā)，公園現(xiàn)已成為貴陽市民節(jié)假日進(jìn)行森林游憩和健身活動的重要場所，其主要服務(wù)對象為云巖區(qū)居民，除下雨天外多數(shù)時間都會有附近居民上山游憩健身。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

由于各城市森林樣點(diǎn)間空氣顆粒物質(zhì)量濃度的差異必然是城市大環(huán)境、森林本身結(jié)構(gòu)和森林植被類型共同作用的結(jié)果。為提高研究代表性，本文對試驗(yàn)樣地進(jìn)行了嚴(yán)格地篩選。要求各樣地面積必須具有一定規(guī)模(不小于600 m2)，森林結(jié)構(gòu)相似且坡度較緩，適合開展休閑游憩活動。 采用典型抽樣法，通過查閱風(fēng)景區(qū)圖件資料并結(jié)合實(shí)地踏查篩選后，在黔靈湖東岸(落葉闊葉林)、東南岸(常綠闊葉林)、南岸(馬尾松林)3種類型城市森林群落作為試驗(yàn)樣地，樣地概況見表1。為了對比森林群落對空氣顆粒物的影響，將黔靈湖西岸解放貴州革命烈士紀(jì)念碑前廣場作為對照觀測點(diǎn)(CK)。為了說明城市森林群落對大氣顆粒物的凈化作用，將同時期貴陽市的PM10和 PM2.5質(zhì)量濃度作為背景參照值。

表1 3種類型城市森林樣地概況

2.2 儀器指標(biāo)和觀測方法

空氣顆粒物質(zhì)量濃度：包括TSP、PM10、PM2.5、PM1等指標(biāo)采用英國Turnkey Instruments公司生產(chǎn)的Dustmate粉塵監(jiān)測儀進(jìn)行測定，該監(jiān)測儀采用激光散射法，能快速監(jiān)測空氣中直徑范圍在0.4～20μm的可吸入顆粒物和粉塵質(zhì)量濃度，測定范圍為0～600 mg/ m3，采樣精度為0.01 mg/ m3。綜合考慮觀測可操作性和雨天人們森林游憩活動極少的情況，于2018年6、7、8月每月選取連續(xù)3天(晴天)對4個測試地點(diǎn)距離地面1.3～1.5m處(人體呼吸高度)的4種粒徑空氣顆粒物濃度進(jìn)行了連續(xù)10h同步監(jiān)測。監(jiān)測時間為每日09:00到18:00，每1h監(jiān)測一次，每次監(jiān)測10min。為科學(xué)比較和評價3種類型城市森林內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量，以我國環(huán)保部制定的 《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 ( GB3095-2012) 中 TSP、PM10和 PM2.5質(zhì)量濃度日均值標(biāo)準(zhǔn)作為衡量顆粒物污染程度的依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2013、SPSS 19.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢查、統(tǒng)計(jì)分析和圖表處理；采用 ANOVA 單因素方差結(jié)合 Duncan 新復(fù)極差法對組間差異進(jìn)行比較，結(jié)果用“平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差”表示；每個觀測地點(diǎn)空氣顆粒物質(zhì)量濃度日均值取9天共90個數(shù)據(jù)平均，小時質(zhì)量濃度均值由9天同一時間點(diǎn)9個數(shù)據(jù)平均。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型空氣顆粒物質(zhì)量濃度總體特征

由表2可見，不同植被類型4種粒徑顆粒物的日均質(zhì)量濃度存在差異，與空地相比，落葉闊葉林、馬尾松林、常綠闊葉林的TSP、PM10、PM2.5、PM1質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為降低，差異極顯著(p<0.01)，表明公園森林環(huán)境對空氣顆粒物均有明顯的消減作用。4種粒徑顆粒物的日均質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為落闊>馬尾松>常綠，其中TSP質(zhì)量濃度在各植被間差異不顯著，PM10質(zhì)量濃度表現(xiàn)為常綠闊葉林極顯著低于落葉闊葉林、顯著低于馬尾松林，分別降低了31.55%、24.53%；PM2.5質(zhì)量濃度在3種植被中均存在顯著差異，PM1質(zhì)量濃度在3種植被間的差異與PM10相同，分別降低了67.92%、57.74%。從不同粒徑顆粒物所占比例的日均值來看，各樣地均以PM10/TSP(58.08% ～ 69.33%)為最高，約為總懸浮顆粒物的2/3左右，PM2.5(23.37% ～ 47.24%)、PM1(32.21% ～ 34.39%)占比較小，說明公園森林環(huán)境中的空氣顆粒物以可吸入顆粒物PM10為主。3種小粒徑顆粒物所占比例均表現(xiàn)為常綠<馬尾松<落闊，其中PM10/TSP、PM2.5/PM10在3種植被中差異極顯著，常綠闊葉林的PM1/PM2.5顯著低于馬尾松林，馬尾松林和落葉闊葉林的PM1/PM2.5差異不顯著。

表2不同植被類型空氣顆粒物日均質(zhì)量濃度及小粒徑顆粒物所占比例μg/m3、%

樣地類型TSPPM10PM2.5PM1比例PM10/TSPPM2.5/PM10PM1/PM2.5落闊61.91±12.30aA42.92±9.58aA20.28±4.48aA6.89±1.63aA69.33aA47.24aA33.96abA馬尾松61.21±13.91aA38.93±9.52aA15.21±4.84bA5.23±1.72aA63.59bB39.07bB34.39bA常綠50.58±6.25aA29.38±4.71bAB6.86±2.32cB2.21±0.81bB58.08cC23.37cC32.21aA空地111.61±24.51bB66.43±9.75cBC30.32±7.01dC12.15±1.3.85cC59.52bcBC45.64aA40.07cB

同列不同大、小寫字母分別表示不同植被類型日均顆粒物質(zhì)量濃度在p<0.01和0.05水平存在顯著性差異。

參照我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)，鑒于我國尚未將PM1納入環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，本文僅對黔靈山公園內(nèi)不同植被類型TSP、PM10、PM2.53種粒徑顆粒物在夏季的污染狀況進(jìn)行分析評價。公園內(nèi)落葉闊葉林、馬尾松林、常綠闊葉林、空地的TSP、PM10、PM2.5的日均質(zhì)量濃度均低于國家一類環(huán)境功能區(qū)質(zhì)量要求。從時刻濃度值來看，空地TSP、PM2.5在9:00～11:00達(dá)到國家二類環(huán)境功能區(qū)質(zhì)量要求(300μg/m3、75μg/m3)，其余時刻均和其他3個植被內(nèi)TSP均達(dá)到國家一類環(huán)境功能區(qū)濃度值；空地PM10在9:00～17:00，落葉闊葉林和馬尾松林PM10在9:00～10:00超出國家一類功能區(qū)質(zhì)量要求，常綠闊葉林PM10全部時刻均達(dá)到國家二級質(zhì)量要求。與貴陽市全年平均濃度值相比，PM10除空地均值略高于貴陽外，其他三個植被和總評均值均低于貴陽濃度值，PM2.5濃度在三個植被內(nèi)的值均顯著低于全市平均值，其中，馬尾松林的PM2.5濃度值比市區(qū)少52%，常綠闊葉林比市區(qū)少79%(見表3)。

表3黔靈山公園內(nèi)不同植被類型空氣顆粒物污染狀況μg/m3

要素黔靈山公園落闊馬尾松常綠空地均值貴陽市區(qū)一級標(biāo)準(zhǔn)二級標(biāo)準(zhǔn)TSP61.9161.2250.58111.6171.33—120300PM1042.9238.9329.3866.4344.425350150PM2.520.2815.216.8630.3218.17323575

3.2 不同植被類型空氣顆粒物質(zhì)量濃度的日變化特征

圖1 不同植被類型4種粒徑空氣顆粒物質(zhì)量濃度的日變化

由圖1可以看出，夏季黔靈山公園不同植被類型4種粒徑空氣顆粒物濃度日變化曲線呈“雙峰雙谷”型(常綠闊葉林內(nèi)TSP、PM10呈近“V”型變化)，總體呈下降趨勢。落葉闊葉林內(nèi)TSP、PM10、PM2.5、PM1濃度從早上9點(diǎn)最高峰值之后顆粒物濃度開始下降，到下午14點(diǎn)TSP、PM10(15點(diǎn)PM2.5、PM1)達(dá)到第一個谷值，之后分別在下一個時刻值達(dá)到第二個峰值，與第一個峰值相比，第二個峰值已大大降低，然后開始保持下降趨勢到18點(diǎn)達(dá)到第二個谷值。馬尾松林內(nèi)4種粒徑顆粒物濃度的變化趨勢與落葉闊葉林大體相似，不同的是馬尾松林的第二個峰值分別出現(xiàn)在15點(diǎn)(TSP、PM10)和13點(diǎn)(PM2.5、PM1)，粗顆粒物的第二個峰值較落葉闊葉林晚1個小時出現(xiàn)，細(xì)顆粒物則提前2小時出現(xiàn)，第二個峰值較第一個峰值也大大降低。常綠闊葉林較落葉闊葉林和馬尾松林的日變化波動不大，變化較為平緩，且4粒徑空氣顆粒物在早上10:00有一個短暫的升高，達(dá)到全觀測期內(nèi)的最大峰值，粗顆粒物(TSP、PM10)在14∶00到達(dá)最低值，細(xì)顆粒物(PM2.5、PM1)在15:00出現(xiàn)谷值。由此可知,在 14∶00 前后，3種森林內(nèi)的空氣環(huán)境都為一天中最優(yōu)，而早間相對較差，建議居民到公園游憩的時段應(yīng)以11∶00～15∶00為最佳，盡量避免過早上山鍛煉。

表4不同植被類型空氣顆粒物日變化統(tǒng)計(jì)μg/m3、%

要素落闊馬尾松常綠空地變化范圍變異系數(shù)變化范圍變異系數(shù)變化范圍變異系數(shù)變化范圍變異系數(shù)TSP51.24～86.9716.8641.78～88.0320.5341.45～60.2022.0882.20～154.9423.62PM1034.75～62.1322.7225.63～56.6824.4523.07～38.4131.8547.78～82.4232.89PM2.514.25～28.1512.358.62～23.1516.034.60～11.8733.8317.16～44.0336.81PM14.87～9.6722.802.90～7.7814.671.45～3.9823.116.22～20.4431.71

就同一粒徑顆粒物在不同植被類型的日變化而言(圖1和表4)，TSP表現(xiàn)為馬尾松林>落葉闊葉林>常綠闊葉林，PM10、PM2.5、PM1表現(xiàn)為落葉闊葉林>馬尾松林>常綠闊葉林，各時刻濃度值變化范圍相近。與空地相比，三種植被類型4粒徑空氣顆粒物濃度均明顯偏低。三種植被各顆粒物濃度最高值分別為88.03、62.13、28.15、9.67μg/m3，空地最高值分別為154.94、82.42、44.03、20.44μg/m3，空地各顆粒物濃度日變化變異系數(shù)均高于其他三種植被類型。方差分析顯示(表2)，TSP在三種植被類型之間差異不顯著，PM10在落葉闊葉林和馬尾松林之間差異不顯著(p>0.05)，在常綠闊葉林內(nèi)與落葉闊葉林、馬尾松林之間差異顯著(p=0.001，0.016)，PM2.5在三種植被之間差異顯著(p=0.028，0.000，0.001)，PM1除在落葉闊葉林與馬尾松林之間差異不顯著(p>0.05)外其余情況差異顯著(p=0.000，0.006)，空地4粒徑顆粒物均與實(shí)驗(yàn)植被內(nèi)顆粒物差異極顯著(p值均為0.000)。

3.3 不同植被類型小粒徑空氣顆粒物所占比例變化規(guī)律

由圖2可見，在不同植被內(nèi)，小粒徑顆粒物所占比例(PM10/TSP、PM2.5/ PM10和PM1/ PM2.5)與空氣顆粒物濃度日變化并不完全一致。3種植被中3類小粒徑顆粒物所占比例大小均表現(xiàn)為落葉闊葉林>馬尾松林>常綠闊葉林(PM1/PM2.5表現(xiàn)為馬尾松林>落葉闊葉林>常綠闊葉林)，與空氣顆粒物濃度的規(guī)律一致(TSP除外)，值得注意的是，空地3種小粒徑顆粒物所占比例除了PM1/PM2.5高于其他3種植被外，PM2.5/PM10高于馬尾松林和常綠闊葉林，PM10/TSP只高于常綠闊葉林。

落葉闊葉林內(nèi)，3種小粒徑顆粒物所占比例中，PM10/TSP觀測時段內(nèi)比值最高，在61.01%～71.71%，17:00最高，整個監(jiān)測時段起伏波動不大,PM2.5/PM10的變化趨勢與PM10/TSP大體一致,PM1/PM2.5最低，在30%～35%之間波動，17:00PM1所占比例達(dá)到全時段最低值，與PM10/TSP、PM2.5/PM10出現(xiàn)時間正好相反,PM10/TSP、PM2.5/PM10、PM1/ PM2.5的變化趨勢均與PM10、PM2.5、PM1的日變化趨勢不完全一致。

馬尾松林中，3類小粒徑顆粒物所占比例日變化與顆粒物濃度日變化不盡相同，PM10/TSP觀測時段內(nèi)比值最高,PM1/PM2.5最低,PM10/TSP和PM2.5/PM10總體呈下降趨勢，下降幅度與PM10、PM2.5相比較小，最低值分別提前3h、1h。PM1/PM2.5日變化趨勢接近“N”型，最低值出現(xiàn)時刻與PM10/TSP相同，均在15∶00出現(xiàn)。

圖2 不同植被類型小粒徑顆粒物所占比例日變化

常綠闊葉林中，PM10/TSP在三種小粒徑顆粒物所占比例最高，PM2.5/PM10最低。PM10/TSP在17∶00之前與PM10濃度日變化趨勢一致，但之后相反，所占比例有所下降，18∶00達(dá)到谷值。PM2.5/PM10的變化趨勢完全一致，10∶00達(dá)到全天最高值，達(dá)30.89%，18∶00達(dá)到全天最低值，達(dá)17.05% 。PM1/PM2.5的日變化趨勢與PM1基本一致，只是變化幅度較為明顯，最大值在13∶00出現(xiàn)，比空氣顆粒物濃度晚3h。

4 結(jié)論與討論

研究表明，夏季貴陽黔靈山公園3種植被類型森林內(nèi)不同粒徑空氣顆粒物的日均質(zhì)量濃度存在差異。與空地相比，落葉闊葉林、馬尾松林、常綠闊葉林的TSP、PM10、PM2.5、PM1質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為降低，差異極顯著(p<0.01)，表明公園森林環(huán)境對空氣顆粒物均有明顯的消減作用。這與段文軍等[13]的研究結(jié)果相符。4種粒徑顆粒物的日均質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為落闊>馬尾松>常綠，且除TSP外其余3種粒徑顆粒物在不同植被間均差異顯著。這可能是因?yàn)槌＞G闊葉林植被郁閉度大，灌木層蓋度相對較高，對顆粒物的吸滯作用更強(qiáng)；落葉闊葉林的喬木層主要由高大的楓香組成，植被郁閉度小，對顆粒物的阻滯作用相對較差；馬尾松林雖然灌木層蓋度較低，但是喬木層郁閉度大，且葉面積指數(shù)高于落葉闊葉林，其滯塵能力相對較高。3種森林內(nèi)的PM10/TSP均大于58%，PM2.5、PM1占比較小，說明公園森林環(huán)境中粗顆粒物含量高，細(xì)顆粒物含量相對較低，這可能與林內(nèi)顆粒物的來源有關(guān)，林內(nèi)顆粒物主要源自植物的花粉、孢子等一次性氣溶膠和有機(jī)揮發(fā)物反應(yīng)形成的二次氣溶膠，以及城區(qū)工業(yè)、交通、建筑等產(chǎn)生的固態(tài)粒子等的遠(yuǎn)距離輸入[14～16]，對粗顆粒物貢獻(xiàn)較大，再加上公園內(nèi)有許多市民進(jìn)行游憩鍛煉，產(chǎn)生大量的地表揚(yáng)塵，進(jìn)一步增加了粗顆粒物含量。除此之外，公園內(nèi)主要以非機(jī)動車道和登山步道為主，很大限度地避免了機(jī)動車的直接排放，一定程度上降低了細(xì)顆粒物含量。

3種類型森林的TSP、PM10、PM2.5質(zhì)量濃度日均值到達(dá)到一類環(huán)境功能區(qū)質(zhì)量要求(120μg/m3、50μg/m3、35μg/m3)，同時PM10、PM2.5質(zhì)量濃度日均值都遠(yuǎn)低于貴陽市環(huán)境狀況公報的年均質(zhì)量濃度值(53μg/m3、32μg/m3)，時刻濃度值均達(dá)到二類環(huán)境功能區(qū)質(zhì)量要求，公園內(nèi)3種森林內(nèi)可吸入顆粒物質(zhì)量濃度都達(dá)到了自然風(fēng)景區(qū)的空氣質(zhì)量要求，處于清潔水平，這樣的空氣質(zhì)量可以為人們提供一個相對較健康的游憩環(huán)境。

3種植被類型城市森林內(nèi)不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度日變化曲線均呈“雙峰雙谷”型變化，總體表現(xiàn)為上午高下午低的日變化特征，分析上午顆粒物質(zhì)量濃度逐漸降低可能是因?yàn)橄募局参锷L穩(wěn)定，日出后，植物光合、蒸騰作用逐漸增強(qiáng)，葉片氣孔的吸滯作用逐漸增大，植物吸收、吸附、滯留顆粒物的能力增強(qiáng)[17，18]。下午顆粒物質(zhì)量濃度低于上午，這與杜萬光等[19]在北京香山公園的監(jiān)測結(jié)果(早晚高、午后低)有所不同，這可能跟當(dāng)?shù)鼐用裼雾憻捔?xí)慣不同有關(guān)，黔靈山公園內(nèi)有許多供游客鍛煉、游憩、游玩的名勝古跡，監(jiān)測點(diǎn)位于鍛煉人數(shù)占多數(shù)的黔靈湖附近，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，上午是居民鍛煉的高峰期，到14∶00左右市民結(jié)束鍛煉離開，減少了地表揚(yáng)塵對空氣顆粒物的貢獻(xiàn)。結(jié)合居民的日常習(xí)慣，建議居民到公園游憩的時段應(yīng)以11∶00～15∶00為最佳，盡量避免過早上山鍛煉。