春季毛竹林空氣顆粒物日變化規(guī)律研究

王 茜 王 成 任彬彬 許 超 郭珺琪 張中霞

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tái)市內(nèi)丘縣林業(yè)局，河北邢臺(tái) 054200）

隨著我國城市的快速發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市環(huán)境污染不斷加劇，空氣顆粒物已成為許多城市的首要污染物［1-2］。森林植物是凈化環(huán)境的主體，有研究表明，森林植物對(duì)于滯塵具有很好的作用：一方面，葉片表面特性和本身的濕潤性對(duì)顆粒物有吸附或附著作用，而且經(jīng)過雨水的沖刷會(huì)重新滯塵；另一方面，茂密的林冠層能有效降低風(fēng)速，顆粒物隨風(fēng)的攜帶作用下沉到植物葉表或飄落地面，從而起到滯塵效應(yīng)［3-4］。毛竹以其組織空間性、觀賞性、生態(tài)性和環(huán)保性在景觀園林中得到廣泛的應(yīng)用。目前對(duì)于毛竹的研究主要集中在栽培技術(shù)、景觀功能等［5-7］，對(duì)于其林內(nèi)和林緣春季空氣顆粒物日變化規(guī)律研究未見報(bào)道。本文以竹林內(nèi)外為研究對(duì)象，分析了其生長季節(jié)空氣顆粒物日變化的規(guī)律，旨在為毛竹游憩林的合理利用提供理論依據(jù)。

1 概況

福州旗山森林公園，面積859.3hm2。公園內(nèi)無霜期約326d，年均氣溫16～20℃，年均日照數(shù)為1700～1980h，年降水量900～2100mm，年相對(duì)濕度約77%，海拔700m左右。森林公園內(nèi)植物種類繁多，植物覆蓋率95%以上，其中毛竹林地面積4.3hm2，密度為5356株/hm2。

2 研究方法

2.1 樣地選擇樣地選在位于旗山森林公園海拔715m高處的毛竹純林，主要以2～3度竹為主，竹高8～13m，胸徑11～25cm，郁閉度0.95。地被覆蓋以白楠木、野山茶等為主，植物群落調(diào)查方法參照《生態(tài)學(xué)試驗(yàn)與實(shí)習(xí)》［8］。在毛竹林內(nèi)設(shè)置6個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)相隔5m，呈“品”字形排列；距離毛竹1m、3m、5m遠(yuǎn)處的水泥步道作為林緣對(duì)照點(diǎn)。

2.2 指標(biāo)測定和數(shù)據(jù)處理2017年4月選擇晴朗無風(fēng)的天氣10d，采用英國儀器制造公司生產(chǎn)的Dustmate煙塵檢測儀測定人體1.5m處呼吸高度空氣顆粒物濃度，林內(nèi)與林緣每個(gè)時(shí)刻每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)重復(fù)觀測3次，同時(shí)用小氣候監(jiān)測儀監(jiān)測小氣候因子等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)。每天7∶00至次日5∶00每隔2h觀測1次。春季毛竹林內(nèi)和林緣日變化取10d觀測的平均值。

所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS19.0和EXCEL2003分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和圖表的制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 4種粒徑顆粒物濃度總體日變化由表1可知：TSP與PM10濃度林內(nèi)外差異較大，而PM2.5和PM1.0濃度差異較小。用單因素方差分析（LSD多重比較法）結(jié)果表明，林內(nèi)外TSP濃度在7∶00、9∶00、19∶00時(shí)差異顯著（P＜0.05）；PM10濃度在9∶00、11∶00、17∶00時(shí)差異顯著（P＜0.05）。4種粒徑顆粒物濃度日變化趨勢相似，2個(gè)高峰期分別出現(xiàn)在：11∶00～13∶00、17∶00～19∶00；2個(gè)低谷期分別出現(xiàn)在：7∶00～9∶00、15∶00～17∶00。上午時(shí)段隨著太陽輻射的加強(qiáng)，氣溫升高，空氣相對(duì)濕度逐漸降低，此段時(shí)間風(fēng)速也加大，空氣對(duì)流和亂流作用明顯加強(qiáng)，使得空氣顆粒物濃度較低。下午13：00左右，氣溫達(dá)到最高，空氣相對(duì)濕度較小，且基本處于靜風(fēng)狀態(tài)，這種氣象條件使得顆粒物處于凝結(jié)狀態(tài)不易于擴(kuò)散，使得顆粒物濃度達(dá)到高峰。傍晚17∶00左右由于山上冷暖空氣交換，水汽凝結(jié)成小水滴，很多小水滴懸浮在近地面形成霧，使林內(nèi)外濕度增大，這種氣粒轉(zhuǎn)化過程是空氣顆粒物的重要來源。

表1 4種粒徑顆粒物濃度日變化

3.2 4種粒徑顆粒物日變化差異對(duì)于毛竹林內(nèi)和林緣，4種不同粒徑空氣顆粒物日變化趨勢均是“W”型，且顆粒物濃度上午低于下午，夜間低于白天。用單因素方差分析結(jié)果表明，13∶00與9∶00、15∶00等時(shí)段總體TSP濃度對(duì)林內(nèi)差異均顯著（P＜0.05）；13∶00與7∶00、19∶00等時(shí)段PM10濃度對(duì)林緣差異均顯著（P＜0.05）。林內(nèi)外4種粒徑顆粒物濃度具體日變化趨勢：7∶00～9∶00經(jīng)歷第1個(gè)低谷之后顆粒物濃度開始直線上升，至13∶00達(dá)到第1個(gè)高峰（林緣PM2.5提前至11∶00），之后緩慢下降，15∶00左右出現(xiàn)全天的第2個(gè)低谷（林緣TSP推遲至17∶00），隨后至17∶00（林內(nèi)PM2.5和林內(nèi)PM1.0）或19∶00顆粒物濃度又開始累積，出現(xiàn)第2個(gè)高峰。全天各時(shí)刻林內(nèi)與林緣不同粒徑顆粒物濃度相比，TSP濃度在9：00時(shí)差異最大，其值林緣比林內(nèi)高45%，15∶00時(shí)差異最小，其值林緣比林內(nèi)高1.3%；PM10濃度在9∶00時(shí)差異最大，其值林緣比林內(nèi)高31%，15∶00時(shí)差異最小，此時(shí)林內(nèi)比林緣高5.8%；而PM2.5和PM1.0濃度同樣在15∶00時(shí)差異最大，PM2.5濃度林緣比林內(nèi)高6%，PM1.0濃度林緣比林內(nèi)高10%；PM2.5濃度在13∶00時(shí)差異最小，林內(nèi)外差值為0.3%；PM1.0濃度在7∶00時(shí)差異最小，差值為0.2%。

3.3 不同粒徑顆粒物與小氣候之間的相關(guān)性通過對(duì)竹林內(nèi)外顆粒物濃度和氣象要素的分析，研究空氣顆粒物與主要?dú)庀笠兀ㄈ鐪囟?、濕度、風(fēng)速、光照）之間的相關(guān)性［9-10］。

表2 4種不同粒徑空氣顆粒物與小氣候之間的相關(guān)性分析

續(xù)表2 4種不同粒徑空氣顆粒物與小氣候之間的相關(guān)性分析

由表2可知，空氣顆粒物濃度與溫度、濕度、光照均呈正相關(guān)，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，且林緣的顆粒物濃度與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)。各粒徑顆粒物與氣候因子的相關(guān)性大小排序?yàn)椋浩骄L(fēng)速最大，溫度和相對(duì)濕度次之，光照最?。志壒庹眨鞠鄬?duì)濕度）。說明春季竹林內(nèi)外顆粒物濃度隨著溫度和相對(duì)濕度以及光照的增強(qiáng)而增加，卻隨著風(fēng)速的增大而減小。這是因?yàn)榕欧诺酱髿庵械奈廴疚镌陲L(fēng)的作用下會(huì)被傳輸?shù)狡渌貐^(qū)，風(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)污染物被傳送的距離越遠(yuǎn)，污染物濃度隨之越低［11］（毛竹林周圍主要是濕地松、福建柏、柳杉等植物林帶，沒有工廠等明顯污染源的存在），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(shí)，僅有濕度而很少降水，相對(duì)濕度增大使得顆粒物容易堆積，導(dǎo)致顆粒物污染［12-13］。試驗(yàn)結(jié)果表明：可吸入顆粒物濃度與溫度呈正相關(guān)。這可能與春季福州出現(xiàn)逆溫［14］，大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)較弱，顆粒物難以得到轉(zhuǎn)移擴(kuò)散等因素有關(guān)。

從各個(gè)氣候因子與不同粒徑顆粒物的相關(guān)性（林內(nèi)與林緣均值）來看：隨著粒徑的減小（除了PM1.0），溫度與其相關(guān)性變?。欢鄬?duì)濕度、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。

由表3可知，用最小2乘法求直線回歸方程，得到4種粒徑顆粒物濃度與林緣風(fēng)速之間的關(guān)系式。由判定系數(shù)值R2和相關(guān)系數(shù)R值可以看出，兩者之間關(guān)系密切，有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。

表3 林緣4種不同粒徑空氣顆粒物與風(fēng)速回歸關(guān)系分析

4 結(jié)論與討論

（1）毛竹林內(nèi)和林緣空氣顆粒物日變化曲線均呈“2峰2谷”型，只是林緣出現(xiàn)波峰和波谷時(shí)間有所提前或滯后。2個(gè)高峰期分別出現(xiàn)在中午和傍晚時(shí)間段；2個(gè)低谷期分別出現(xiàn)在早晨和下午時(shí)間段。空氣顆粒物濃度的這種日變化規(guī)律與大氣穩(wěn)定狀態(tài)和氣象條件的變化有直接關(guān)系。

（2）不同粒徑顆粒物日變化趨勢基本相似，對(duì)于林內(nèi)和林緣，細(xì)顆粒物對(duì)周圍環(huán)境比較敏感，早晨7∶00前后林內(nèi)與林緣提前達(dá)到最低值，下午17∶00（林內(nèi)PM2.5和林內(nèi)PM1.0）又提前達(dá)到第2個(gè)高峰，之后顆粒物濃度開始緩慢降低。

（3）顆粒物濃度的變化主要受人類活動(dòng)和氣象條件的雙重影響。本究發(fā)現(xiàn)高溫、高濕、相對(duì)靜風(fēng)狀態(tài)空氣顆粒物濃度增加。有學(xué)者對(duì)北京、西安、包頭［15-17］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，今后應(yīng)在前人研究的基礎(chǔ)之上就氣象條件對(duì)空氣顆粒物濃度的影響機(jī)理作更加細(xì)致深入的研究。