王茜　王成　郭珺琪　許超　任彬彬　張中霞

摘要 ? ?城市森林內(nèi)空氣懸浮顆粒物濃度的狀況直接反映城市森林對(duì)空氣顆粒物的凈化功能，城市森林空氣質(zhì)量的好壞關(guān)系到人們的身體健康狀況，本研究對(duì)秋季福州旗山森林公園的毛竹林內(nèi)空氣顆粒物濃度日變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，毛竹林內(nèi)顆粒物濃度總體日變化趨勢(shì)呈“W”形，即15：00和19：00出現(xiàn)2個(gè)高峰、9：00和17：00出現(xiàn)2個(gè)低谷;不同粒徑顆粒物濃度日變化均無顯著差異，細(xì)顆粒物濃度的日變化不及粗顆粒物濃度的日變化敏感，且出現(xiàn)高峰的時(shí)間較粗顆粒物滯后;林內(nèi)顆粒物主要由PM10和PM2.5組成，且PM10與PM2.5的變化趨勢(shì)受顆粒物濃度的變化的影響較大;氣象因子和天氣條件對(duì)顆粒物濃度（特別是粗顆粒物）的影響較大，顆粒物的濃度與相對(duì)濕度成正相關(guān)關(guān)系，與溫度、風(fēng)速、光照等均成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞 ? ?毛竹林;空氣顆粒物;秋季;氣象因子;相關(guān)性

中圖分類號(hào) ? ?S725.3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）19-0133-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

近年來，隨著城市的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的空氣污染，尤其是空氣中顆粒物的污染日益嚴(yán)重。空氣中的顆粒物能夠影響空氣質(zhì)量，引發(fā)酸沉降，導(dǎo)致云、降水、大氣輻射等失衡，降低能見度，嚴(yán)重威脅著人類的健康，同時(shí)也影響著人們的學(xué)習(xí)、生活和工作[1-2]。2013年第2個(gè)周末，1條深褐色的巨大霧霾帶從北到南斜穿1/3的中國(guó)國(guó)土，眾多城市深陷其中，空氣污染指數(shù)屢創(chuàng)新高，北京城區(qū)PM2.5值更是一度逼近1 000，連續(xù)幾天城區(qū)內(nèi)能見度不足200 m，大氣污染再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。研究表明，空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10 μm的可吸入細(xì)顆粒物PM10，尤其是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5 μm的顆粒物PM2.5具有突變性，大量吸入后可增加人類的死亡率。有害的化學(xué)物質(zhì)常富集在可吸入顆粒物的表面，通常會(huì)經(jīng)過人體的呼吸道進(jìn)入肺部，其長(zhǎng)期積累會(huì)損害呼吸系統(tǒng)、破壞免疫系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致肺癌等疾病的發(fā)生[3-4]。國(guó)家環(huán)保部于2012年2月29日頒布了新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》，將PM2.5列為評(píng)價(jià)環(huán)境空氣質(zhì)量的指標(biāo)，以期控制并減少顆粒物污染對(duì)人類健康和空氣質(zhì)量的影響。

目前，對(duì)于顆粒物的研究主要是集中在來源、成分分析等方面，而對(duì)秋季竹林內(nèi)顆粒物的日變化規(guī)律未見報(bào)道。部分研究表明，竹林的特殊環(huán)境能夠很好地調(diào)節(jié)小氣候、凈化林內(nèi)空氣。本試驗(yàn)于2012年11月2—23日對(duì)福州旗山森林公園毛竹林內(nèi)顆粒物的日變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄，以期為秋季該地區(qū)竹林內(nèi)空氣質(zhì)量變化情況，為游客合理安排出行時(shí)間提供理論依據(jù)。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?研究地概況

福州旗山森林公園地處閩侯南嶼境內(nèi)，全園面積約為3 587 hm2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)119°28′、北緯26°08′。該區(qū)域的年均溫度為18 ℃，年降水量為246.6 mm，海拔為700 m左右，屬暖濕的亞熱帶季風(fēng)氣候;距福州市中心約25 km，緊靠316國(guó)道，交通便捷、景區(qū)氣候宜人。公園分雙峰、福庴嶺、旗山、五峰、龍泉等5個(gè)景區(qū)共59個(gè)景點(diǎn)。其中，旗山景區(qū)氣候溫和、雨量充沛、動(dòng)植物種類較多，不僅有刺桫欏、南方紅豆杉等國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物，還有百年的柳杉王、夫妻樹等。旗山與鼓山呈東西方向?qū)χ?，二者素有“右旗左鼓，全閩二絕”的佳譽(yù)。

1.2 ?試驗(yàn)方法

1.2.1 ?樣地選擇。樣地選在旗山森林公園里的毛竹林內(nèi)。海拔為625 m，毛竹樹齡3～4年，樹高約12 m，胸徑為18～20 cm，面積逾60 m2，郁閉度為0.95。地被覆蓋物以雜草為主。在樣地內(nèi)每隔5 m設(shè)置1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，共設(shè)置3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，呈“三角形”排列。

1.2.2 ? ?指標(biāo)監(jiān)測(cè)。用Dustmate煙塵檢測(cè)儀于2012年11月選晴朗無風(fēng)天氣測(cè)定并記錄距地面1.2～1.5 m處空氣中各種顆粒物濃度，共計(jì)觀測(cè)14 d。其中，TSP表示動(dòng)力學(xué)直徑不大于100 μm的總懸浮顆粒物、PM10表示直徑不大于10 μm的可吸入顆粒物、PM2.5表示直徑不大于2.5 μm的可入肺顆粒物、PM1.0表示直徑不大于1.0 μm的可吸入細(xì)顆粒物，試驗(yàn)3次重復(fù)。同時(shí)，每天7：00—19：00，每隔2 h用小氣候監(jiān)測(cè)儀對(duì)毛竹林內(nèi)的相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、溫度和風(fēng)速等氣象因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，3次重復(fù)同步觀測(cè)。

1.3 ? ?數(shù)據(jù)處理

顆粒物濃度的日變化值為3次重復(fù)觀測(cè)的平均值，秋季總體顆粒物濃度的日變化值則取觀測(cè)期間內(nèi)的平均值。采用Excel 2010錄入并處理數(shù)據(jù)，對(duì)變化趨勢(shì)相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理，選取具有代表性的時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)作圖分析其變化規(guī)律;利用SPSS 19.0對(duì)氣象要素與顆粒物濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?毛竹林內(nèi)空氣懸浮顆粒物濃度總體日變化

由表1可知，毛竹林內(nèi)4種粒徑的顆粒物濃度秋季日變化曲線均呈“W”形。15：00和19：00出現(xiàn)2個(gè)高峰，9：00和17：00出現(xiàn)2個(gè)低谷。具體的變化趨勢(shì)為7：00—13：00變化較平緩，9：00出現(xiàn)全天最低值。可能因?yàn)?：00左右氣溫高、風(fēng)速大，空氣運(yùn)動(dòng)利于空氣顆粒物的輸送和擴(kuò)散。根據(jù)我國(guó)最新公布的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012），PM2.5和PM10二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日均濃度限值為75～150 μg/m3。在7：00—13：00時(shí)間段TSP和PM10這2種粒徑的空氣顆粒物濃度均達(dá)到我國(guó)二級(jí)地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。13：00—15：00顆粒物濃度直線上升，15：00出現(xiàn)全天的第一個(gè)小高峰。原因可能是此時(shí)出現(xiàn)全天溫度最高值，且風(fēng)速較小、空氣不流通，顆粒物處于凝結(jié)狀態(tài)不利于擴(kuò)散;此外，光照較強(qiáng)，其引起的光化學(xué)反應(yīng)也是顆粒物濃度增加的重要原因之一。15：00—17：00顆粒物濃度變化不大，該地區(qū)的小氣候變化也不明顯。17：00顆粒物濃度達(dá)到第二個(gè)高峰，其中TSP濃度為353.01 μg/m3、PM10為267.37 μg/m3、PM2.5為120.08 μg/m3、PM1.0為47.92 μg/m3，按照我國(guó)最新公布的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012）可知，此時(shí)TSP日均濃度超標(biāo)率為17%。

從空氣懸浮顆粒物總體污染水平來看，按照我國(guó)一級(jí)空氣質(zhì)量（GB 3095—2012）規(guī)定的大氣顆粒物的濃度限值，秋季竹林內(nèi)TSP日平均水平超標(biāo)99%以上，PM10超標(biāo)230%以上。按照美國(guó)《大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（NAAQS）提出的PM2.5標(biāo)準(zhǔn)，秋季竹林內(nèi)PM2.5日平均水平接近該標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上還未對(duì)PM1.0的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。這說明旗山森林公園的毛竹林內(nèi)秋季空氣顆粒物污染以粗顆粒物為主，細(xì)顆粒物濃度不高。

2.2 ? ? 不同粒徑空氣懸浮顆粒物濃度日變化特征比較

秋季毛竹林內(nèi)4種粒徑的顆粒物濃度日變化趨勢(shì)具有差異，其中大粒徑顆粒物（TSP、PM10）濃度變化趨勢(shì)相似，小粒徑顆粒物（PM2.5、PM1.0）濃度變化趨勢(shì)相似。小粒徑顆粒物濃度變化全天出現(xiàn)2個(gè)高峰和1個(gè)低谷，分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間是15：00、19：00和17：00，變化大體呈“N”形。這與顆粒物濃度總體日變化第二次出現(xiàn)高峰與低谷的時(shí)間一致，說明顆粒物濃度較高的時(shí)段細(xì)顆粒物濃度也較高。此外，由表1可知，7：00—13：00大粒徑顆粒物濃度變化比小粒徑顆粒物濃度變化明顯，只有在13：00—15：00時(shí)TSP與PM10濃度急劇增加的同時(shí)PM2.5與PM1.0濃度才會(huì)出現(xiàn)全天的第一個(gè)高峰。

空氣中的顆粒物污染來源比較復(fù)雜，其中有很多因素可以造成空氣中PM2.5濃度的增加，如直接排放或者化學(xué)反應(yīng)生成的污染物等。PM2.5粒徑較小、懸浮時(shí)間比較長(zhǎng)等有利于遠(yuǎn)距離輸送，會(huì)造成區(qū)域間有明顯的相互影響。在福州市秋季倒槽暖區(qū)、鋒前暖區(qū)和變冷性高壓底部或后部等特殊天氣因素的作用下，毛竹林內(nèi)空氣中的顆粒物水平擴(kuò)散和垂直輸送能力變差，導(dǎo)致毛竹林內(nèi)的顆粒物向外輸送或高空擴(kuò)散的能力減弱，容易造成顆粒物在毛竹林內(nèi)形成一定的堆積區(qū)，導(dǎo)致該時(shí)間段內(nèi)的可吸入顆粒物濃度值比其他時(shí)間明顯增大。進(jìn)一步方差分析可知，秋季毛竹林內(nèi)的4種顆粒物濃度在全天各個(gè)時(shí)刻均無顯著差異;單因素方差分析表明，在7：00—15：00時(shí)間段內(nèi)4種顆粒物濃度均無顯著差異，在17：00左右大粒徑顆粒物（TSP、PM10）與小徑粒顆粒物（PM2.5、PM1.0）有顯著差異（P<0.05），19：00左右TSP與PM2.5有顯著差異（P<0.05）。

2.3 ? ?不同粒徑顆粒物所占比例日變化

由表2可知，不同粒徑顆粒物所占的比例日變化趨勢(shì)與顆粒物濃度的日變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)出上午比例較低、下午和傍晚比例升高的特征。PM1.0/PM2.5的日變化趨勢(shì)不明顯，說明空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于1.0 μm粒徑的顆粒物濃度對(duì)環(huán)境的變化不敏感。PM10/TSP與PM2.5/PM10的值均是在15：00—19：00之間出現(xiàn)高峰值，這與顆粒物濃度出現(xiàn)高峰值的時(shí)間一致，說明顆粒物主要由PM10和PM2.5組成。PM10與PM2.5的變化趨勢(shì)受顆粒物濃度的變化影響較大。粗粒徑顆粒物所占比例高峰值的出現(xiàn)較細(xì)粒徑稍有滯后。在17：00左右，粗粒徑顆粒物比例達(dá)到高峰值，細(xì)粒徑顆粒物比例減小，從顆粒物濃度變化趨勢(shì)來看粗粒徑顆粒物也是在17：00左右增加，說明毛竹林內(nèi)空氣中顆粒物主要由粗顆粒物組成。

2.4 ? ?不同粒徑顆粒物濃度與氣候因素的相關(guān)性

由表3可知，顆粒物濃度與相對(duì)濕度成正相關(guān);與溫度、風(fēng)速、光照均成負(fù)相關(guān)。其中，TSP與相對(duì)濕度成顯著正相關(guān)、與光照強(qiáng)度成顯著負(fù)相關(guān)。不同粒徑的顆粒物與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均最大，表明與其他氣象因子相比，相對(duì)濕度對(duì)顆粒物濃度的影響較大;不同粒徑顆粒物的濃度與溫度、最大風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值較小，表明此2種氣象因子對(duì)顆粒物濃度的影響相對(duì)較小。

當(dāng)逐步選擇分析時(shí)，溫度、風(fēng)速和光照等氣象因子對(duì)顆粒物的影響均不明顯，無法構(gòu)成回歸關(guān)系。因此，通過分析只保留了相對(duì)濕度。由表4可知，不同粒徑顆粒物與空氣中的相對(duì)濕度建立線性回歸方程，可得其決定系數(shù)R2>0.5，線性回歸關(guān)系均顯著（P<0.1），說明顆粒物種類與相對(duì)濕度呈顯著的線性相關(guān)性。

3 ? ?結(jié)論與討論

3.1 ? ?毛竹林內(nèi)空氣懸浮顆粒物濃度總體日變化特征

研究表明，秋季空氣中的懸浮顆粒物濃度總體呈現(xiàn)一定程度的日變化特征。袁楊森等[5]對(duì)秋季北京城區(qū)9個(gè)地點(diǎn)的顆粒物濃度監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，8：00—16：00顆粒物濃度出現(xiàn)高峰。郭二果等[6]對(duì)秋季北京西山游憩林的顆粒物濃度監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，9：00左右顆粒物濃度出現(xiàn)高峰。安俊嶺等[7]認(rèn)為，秋季TSP污染日變化中顆粒物濃度在上午和傍晚出現(xiàn)高峰。吳志萍等[8]2006年對(duì)清華大學(xué)校園綠地內(nèi)空氣顆粒物濃度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域秋季TSP濃度在7：00左右出現(xiàn)高峰。這說明在不同環(huán)境下，顆粒物污染變化不同，同時(shí)也表明隨著觀測(cè)地點(diǎn)和當(dāng)?shù)貧庀髼l件的不同，顆粒物濃度出現(xiàn)最高值的時(shí)間也有差異。

本研究中，旗山森林公園毛竹林的空氣顆粒物濃度有明顯的日變化趨勢(shì)。空氣顆粒物濃度最低的時(shí)間段是7：00—13：00，這可能是因?yàn)樯衔缰窳謨?nèi)風(fēng)速大、濕度小等氣候條件有利于空氣顆粒物的擴(kuò)散。15：00顆粒物出現(xiàn)全天的第一個(gè)高峰，可能是因?yàn)榇藭r(shí)段出現(xiàn)全天氣溫最高值，光照強(qiáng)度高，光化學(xué)反應(yīng)使得空氣中的顆粒物濃度明顯增加。19：00出現(xiàn)全天的第二個(gè)高峰，其原因一方面可能是17：00之后溫度開始降低，空氣濕度增大，風(fēng)速小，不利于空氣顆粒物的擴(kuò)散和輸送，導(dǎo)致空氣中聚集更多顆粒物，顆粒物濃度增加;另一方面，17：00—19：00車流量和人流量迅速增加，產(chǎn)生更多的空氣污染，可能會(huì)增加竹林內(nèi)空氣中的顆粒物濃度，這種污染對(duì)顆粒物尤其是大粒徑顆粒物的影響較大;另外，竹林附近居民較多，燒飯使用的麥稈會(huì)產(chǎn)生濃煙，進(jìn)而會(huì)增加空氣中顆粒物濃度。

3.2 ? ?不同粒徑顆粒物濃度及其比例的日變化特征

不同粒徑空氣顆粒物濃度的日變化趨勢(shì)不同，小粒徑顆粒物濃度出現(xiàn)高峰值的時(shí)間比大粒徑顆粒物出現(xiàn)高峰值的時(shí)間滯后。大粒徑顆粒物濃度的變化趨勢(shì)比小粒徑顆粒物濃度的變化趨勢(shì)明顯，說明大粒徑受環(huán)境變化的影響比小粒徑顆粒物大。在空氣中顆粒物濃度明顯增加的時(shí)候，小粒徑顆粒物濃度才增加。這與郭二果等[6]對(duì)北京市西山的顆粒物濃度研究結(jié)果不同。本研究中顆粒物所占比例的日變化與顆粒物濃度的日變化趨勢(shì)基本一致。除了PM1.0/PM2.5在早晨出現(xiàn)高峰外，PM10/TSP和PM2.5/PM10均在傍晚出現(xiàn)高峰。表明小粒徑顆粒物所占的比例較少且受環(huán)境變化的影響較小。

3.3 ? ?顆粒物濃度變化與氣象因子的的關(guān)系

空氣污染物很多都是溫度依賴性物質(zhì)，氣象因子能夠影響空氣中顆粒物濃度。有學(xué)者對(duì)不同氣候帶的代表性城市空氣中的顆粒物成分進(jìn)行研究[9-11]，結(jié)果表明，有些非甲基烷烴等可溶性易提取物（SEOC）、多環(huán)芳烴濃度等均與溫度成負(fù)相關(guān)?？諝獾臏囟群蜐穸饶軌蛴绊戭w粒物組成成分的比例、分配和轉(zhuǎn)化，如溫度和濕度均對(duì)大氣中的NO3-的熱力學(xué)平衡有影響，當(dāng)溫度<15 ℃時(shí)，NO3-的主要形態(tài)為粒子;當(dāng)溫度>30 ℃時(shí)，NO3-的主要形式存在為氣態(tài)[12]。氣候干燥、風(fēng)沙大，則空氣中懸浮顆粒物較多;空氣濕潤(rùn)、風(fēng)速小的時(shí)候，空氣質(zhì)量好。風(fēng)速小、濕度高的天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致空氣中污染物積累[13-14]。據(jù)研究，當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，顆粒物擴(kuò)散速率為0.1～0.3 cm/s;風(fēng)速為9 m/s時(shí)，顆粒物擴(kuò)散速率為2.9 cm/s[15]。鄧?yán)旱萚16]對(duì)成都市空氣中顆粒物的污染進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，相對(duì)濕度大有利于顆粒物的形成。因此，相對(duì)濕度是影響空氣中可吸入顆粒物濃度的重要因素之一，相對(duì)濕度較高的空氣容易造成較嚴(yán)重的可吸入顆粒物污染。本研究中，空氣中顆粒物濃度與風(fēng)速的變化趨勢(shì)大致相反。當(dāng)顆粒物濃度高峰出現(xiàn)時(shí)，此時(shí)的風(fēng)速卻最小，為0.17 m/s。這與趙衛(wèi)紅[17]的研究結(jié)果一致，在高氣壓狀態(tài)下，溫度和相對(duì)濕度不變，風(fēng)速大有利于顆粒物的擴(kuò)散。顆粒物濃度變化受氣象因子的影響，顆粒物濃度變化與相對(duì)濕度成正相關(guān)關(guān)系，與溫度、風(fēng)速、光照等成負(fù)相關(guān)關(guān)系;相對(duì)濕度對(duì)顆粒物濃度的影響比其他氣象因子大。說明隨著相對(duì)濕度的增加以及溫度、風(fēng)速和光照的減弱，顆粒物濃度增大;反之，顆粒物濃度減小。

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