重庆城郊森林植被调控大气PM2.5和PM10的时空效应

王轶浩，凯旋，薛兰兰，谢双喜

1.重庆市林业科学研究院//重庆三峡湿地生态系统国家定位观测研究站，重庆 400036；2.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085；3.贵州大学林学院，贵州 贵阳 550025

重庆城郊森林植被调控大气PM2.5和PM10的时空效应

王轶浩1,2，凯旋3，薛兰兰1，谢双喜3

1.重庆市林业科学研究院//重庆三峡湿地生态系统国家定位观测研究站，重庆 400036；2.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085；3.贵州大学林学院，贵州 贵阳 550025

2014年8月—2015年7月，以重庆市空气质量发布系统唐家沱监测点（代表城区）为对照，在重庆铁山坪国家森林公园采用高精度手持式空气测定仪（CW-HAT200）定位监测了森林植被调控下的大气PM2.5和PM10时空变化。结果表明：重庆城区大气PM2.5和PM10日变化均呈“双峰”规律，均分别在12:00、18:00达到峰值，季节变化呈现为冬季＞秋季＞春季＞夏季；城郊森林植被（针叶林、针阔混交林、阔叶林）调控下的大气颗粒物日变化基本呈“单峰”规律，均在9:00达到峰值，且下午大气颗粒物质量浓度低于上午，季节变化则表现为冬季＞春季＞秋季＞夏季；城郊森林公园的大气PM2.5和PM10质量浓度均随距离增大而呈下降趋势，在5 km范围内削减强度分别达到22.30%和22.66%。总体上，城郊森林植被对大气颗粒物的削减、再分配功能作用明显，并受林分特征影响；在森林植被调控下，城郊森林公园大气颗粒物动态变化更趋平缓，并明显不同于城区。因此，若仅从大气颗粒物考虑，建议市民在夏季和秋季的13:00—17:00时间段前往城郊森林公园开展休闲游憩活动，且应选择处于公园核心区的削减大气颗粒物功能强的林分。

森林植被；大气颗粒物；时空效应；调控；重庆

随着生活水平的提高，人们越来越注重生活质量的提高和改善，于是新鲜的空气、洁净的水、安全的食物等日渐成为人们追捧的“生活元素”。然而，近年来，中国城市雾霾已成为严重制约人们生活质量改善的重要因素，尤其是在一些大城市及特大城市。森林植被具有调控大气颗粒物、提供负氧离子等净化空气的功能（Beckett et al.，2000；王轶浩等，2014）。那些既具有良好的自然植被，又融入人文因素，同时，基础设施也较为完备的森林公园成为人们日常休闲游憩的重要去处，其中城郊森林公园则更受欢迎。因此，科学引导人们在城郊森林公园休闲游憩将是十分必要的。目前，关于大气颗粒物的研究大多数集中在组成及来源（潘复盛等，2001；徐敬等，2007）、动态变化（潘纯珍等，2001；Prajapati et al.，2008；Cusack et al.，2012）、影响因素（雷瑜等，2015；李建东等，2015）等方面。结合植被信息的大气颗粒物调控功能研究已逐渐成为生态学科和环境学科的关注热点（Sæbø et al.，2012；王华等，2013；陈俊刚等，2014），然而在城市近郊森林公园开展植被调控大气PM2.5、PM10时空效应的研究甚少。而此研究，将对人们科学认识城郊森林公园所发挥的生态服务功能以及科学指导人们在森林公园适时适地开展休闲游憩活动具有十分重要的现实意义。

处于重庆城郊的铁山坪国家森林公园（E106°39′01″～106°51′45″，N29°34′00″～29°40′00″）于1988年经国家林业部批准成立，森林覆盖率高达90%，是重庆主城“四大肺叶”之一。本文在铁山坪森林公园通过定点监测大气PM2.5和PM10质量浓度，研究其在森林植被调控下的时空变化规律，旨在为定量评价城郊森林植被净化大气环境功能（尤其是调控大气颗粒物功能）提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市江北区铁山坪森林公园，距离市中心约25 km，属中亚热带湿润气候，年降水量1100 mm左右，年均气温18 ℃。该地为四川盆周低山丘陵区，最高海拔579 m，土壤以由砂岩发育而来的山地黄壤为主，土层厚度主要变化在40～80 cm。铁山坪森林公园现有森林面积1200 hm2，植物种类81科260种。森林植被以天然次生林为主，林分分层现象较为明显，上层主要为马尾松（Pinus massoniana），伴生有少量的香樟（Cinnamomum camphora）、楠木（Phoebe zhennan）等，下木层主要有木荷（Schima superba）、杜英（Elaeocarpus sylvestris）、杉木（Cuninhama lanceolata）、毛桐（Mallotus barbatus）、白栎（Quercus fabric）等；草本层以姬蕨（Hypolepis punctata）、黑足鳞毛蕨（Dryopteris fuscipes）等种类为主。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

在铁山坪森林公园中心地带，选择具有代表性的针叶林、针阔混交林和阔叶林，分别设置20 m×20 m的固定样地，作为森林公园植被调控大气PM2.5和PM10时间效应的定位监测点。固定样地基本情况见表1。同时，以森林公园西大门入口处为始点，沿公园道路分别在0、1、2、3、5 km处设定监测点，作为森林公园植被调控大气PM2.5、PM10空间效应的定位监测点。此外，以重庆市空气质量发布系统（http://222.177.117.35:8021/ HistoryDay/HistoryDayMain.aspx）的唐家沱监测点（代表重庆城区）为对照，该监测点距离铁山坪森林公园约5 km，将其测定数据作为对照值。

1.2.2 数据采集

在2014年8月—2015年7月间，每月采用高精度手持式空气测定仪（CW-HAT200）在各监测点测定大气PM2.5、PM10质量浓度2～3次，每次测定均在上午9:00—10:00之间，测定高度在1.4 m左右。每次测定时，同步对比唐家沱监测点的大气PM2.5和PM10质量浓度值。大气颗粒物日变化测定则是每月选择晴朗天气测定1次，测定时间为6:00—19:00，每隔1 h测定1组数据，最后取监测期内各时间点的平均值。

表1 固定样地基本情况Table1 The basic situation of sample plots

2 结果分析

2.1 森林植被调控大气PM2.5和PM10的日变化

由图1可知，唐家沱对照监测点的大气PM2.5和PM10日变化均呈现较为明显的“双峰”规律，均分别在12:00、18:00达到峰值，其中，PM2.5质量浓度为81 µg∙m-3和73 µg∙m-3；大气PM10质量浓度为132 µg∙m-3和128 µg∙m-3。其最为明显的“拐点”分别出现在6:00、17:00和18:00，其中，在6:00—7:00、17:00—18:00时间段，唐家沱对照监测点的大气PM2.5和PM10质量浓度均显著增加，增幅分别达到29.63%、12.44%和47.45%、25.85%，而在18:00—19:00时间段，大气PM2.5和PM10质量浓度均显著减小，减幅分别达到29.77%、15.01%。可见，对照监测点大气PM2.5和PM10质量浓度变化与人为活动规律较为吻合，说明其大气PM2.5和PM10质量浓度受人为活动影响较为明显。

与对照监测点相比，森林植被调控下的大气PM2.5和PM1质量浓度日变化呈现的“双峰”规律并不明显，变化过程也更趋平缓，基本呈“单峰”规律（图1）。不同森林类型（针叶林、针阔混交林和阔叶林）调控下的大气PM2.5和PM10质量浓度日变化基本一致，均是从6:00开始上升直到9:00达到峰值（分别为52、53、53 µg∙m-3和103、104、105 µg∙m-3），之后呈逐渐下降趋势。其明显的“拐点”出现在6:00和18:00，并且在18:00之后，大气PM2.5和PM10质量浓度均快速下降，至19:00达到监测时段内的最低值。虽然城郊森林公园内的大气颗粒物主要来自城区，并受其影响，但在森林植被调控下，大气颗粒物的动态变化过程发生了明显变化，这表明森林植被对大气颗粒物具有明显的削减、再分配等调控作用。总体来看，下午森林植被的大气颗粒物质量浓度低于上午，13:00—17:00这个时间段更适合市民开展休闲游憩。

2.2 森林植被调控大气PM2.5和PM10的季节变化

唐家沱对照监测点和城郊森林内的大气PM2.5和PM10质量浓度均呈现明显的季节变化规律（表2），均表现为冬季最大，夏季最小，春季和秋季居中，不同的是对照监测点表现为秋季（PM2.5：80 µg∙m-3；PM10：120 µg∙m-3）＞春季（PM2.5：51 µg∙m-3；PM10：93 µg∙m-3），而林内（针叶林、针阔混交林、阔叶林）大气颗粒物质量浓度表现为春季（PM2.5：48、49、50 µg∙m-3；PM10：98、101、102 µg∙m-3）＞秋季（PM2.5：43、47、46 µg∙m-3；PM10：89、97、91 µg∙m-3）。这表明重庆城区的霾在秋季和冬季较为严重，而城郊森林内的大气颗粒物污染则在夏季和秋季较轻，此时段更适合市民开展休闲游憩活动。总体上，各监测点大气颗粒物质量浓度的年平均值都比较高，根据《环境空气质量标准》（GB3095—2012）的环境空气污染物浓度限值划分标准，其尚未达到国家环境空气二级标准。

图1 森林植被调控大气PM2.5和PM10的日变化Fig.1 Diurnal variation of forest vegetation regulating atmospheric PM2.5and PM10

表2 森林植被调控大气PM2.5和PM10颗粒物的季节变化Table 2 Seasonal variation of forest vegetation regulating atmospheric PM2.5and PM10

森林植被调控下的大气PM2.5质量浓度在各季节均低于对照监测点，尤其是夏季和秋季，不同森林植被削减大气PM2.5幅度分别达到54.55%、43.33%。说明森林植被对大气PM2.5的削减作用明显，尤其是夏季和秋季，这与夏秋季多雨等气象条件以及森林植被节律特征有关。不同森林植被削减大气PM2.5的作用总体表现为针叶林优于针阔混交林和混交林，这可能与针叶林分具有更大叶表面积有关。森林植被对大气PM10的调控作用则不同于PM2.5，其除在夏季和秋季削减作用（平均削减37.04%和23.06%）明显外，在冬季和春季的削减作用并不明显，甚至出现林内大气PM10质量浓度高于林外（城区对照监测点）的现象，这与陈俊刚等（2014）的研究结果一致。这一方面与森林植被截持、吸附大气颗粒物的能力有关；另一方面可能与林内局部小气候较为稳定不利于大气颗粒物扩散而更容易集聚有关。

2.3 森林植被调控大气PM2.5和PM10的空间变化

森林植被调控下的大气PM2.5和PM10存在明显的空间效应。由图2可知，在城郊森林公园内，大气PM2.5和PM10质量浓度均随距离加大而呈逐渐下降趋势，其中，大气PM2.5质量浓度随距离增大呈对数下降趋势，不同监测点处（森林公园大门及距离大门1、2、3、5 km）分别减少15.53%、24.37%、32.82%、35.96%和37.83%，在森林公园5 km范围内PM2.5累计减少22.30%。大气PM10质量浓度则随距离增大呈线性下降趋势，在各距离监测点分别减少1.57%、10.14%、16.85%、21.44%和24.23%，在5 km范围内累计减少22.66%。这表明距离森林公园边界越远，大气颗粒物浓度越低，也越适合市民休闲游憩。同时也说明，森林植被对大气PM2.5和PM10的削减能力基本一致。这不仅与森林植被削减大气颗粒物能力有关，而且与大气颗粒物的传输、扩散特性相关。

图2 森林植被调控大气PM2.5和PM10颗粒物的空间变化Fig.2 Space variation of forest vegetation regulating atmospheric PM2.5and PM10

3 讨论

3.1 森林植被调控大气PM2.5和PM10的时间效应

普遍认为，大气颗粒物存在较为明显的日变化（于建华等，2004）、月变化（梁隆超等，2015）、季节变化（Prajapati et al.，2008；古琳等，2013）等时间变化规律。本研究中城区监测点大气颗粒物日变化表现为“双峰”规律，季节变化表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季。发生这种动态变化的主要原因：一是受气象条件影响。多数研究表明，大气颗粒物浓度与风速（陈俊刚等，2014）、风向（陈波等，2016）、降雨（梁隆超等，2015）、气温（刘旭辉等，2014）等气象条件密切相关，而重庆春夏季高温多雨，均能起到降低大气颗粒物浓度作用。二是受大气颗粒物排放源的影响，即汽车尾气排放、燃煤及工业污染等人为活动影响（梁隆超等，2015）。本研究中城区大气颗粒物日变化规律与人为活动规律吻合较好，即在上下班高峰时段大气颗粒物都出现明显的增加，说明其受人为活动影响明显。城郊森林公园内的大气颗粒物虽然主要源自城区，但在森林植被调控下，其时间变化规律及其峰值出现时间又明显不同于城区。本研究中森林植被调控下的大气颗粒物日变化基本呈“单峰”型，这与郭含文等（2013）研究结果一致，但不同于郭二果等（2009）的研究结果，这一方面可能与林外大气颗粒物变化规律有关；另一方面与森林植被特征密切相关。而其季节变化表现为春季的大气颗粒物浓度高于秋季，也不同于城区，这说明秋季森林植被调控大气颗粒物的能力更强一些。

3.2 森林植被调控大气PM2.5和PM10的空间效应

森林植被调控大气PM2.5和PM10具有明显的空间效应，距离森林公园边界越远，大气颗粒物浓度越低。这主要是因为城郊森林公园的大气颗粒物主要来自城区，距离大气颗粒物扩散源越远，其扩散能力也越弱。同时也与森林植被对大气颗粒物具有较强削减功能有关。本研究中森林公园西大门距离对照监测点约5 km，大气PM2.5和PM10仅分别减少15.53%和1.57%，而在距离森林公园西大门1 km处，相比森林公园西大门，其大气PM2.5和PM10就分别减少8.84%和8.57%（图2），这足以说明森林植被削减大气颗粒物的作用明显。刘旭辉等（2014）研究也表明，榆树（Ulmus pumila）、榆树-杨树（Populus tomentosa）混交林的林带前大气PM2.5和PM10均高于林带中和林带后。但也有研究表明林带内的大气PM2.5浓度比林外还要高（陈俊刚等，2014），正如本研究中针阔混交林和阔叶林的林内年均大气PM10浓度比城区还要高（表2）。这可能是因为大气颗粒物随气流扩散、传输过程中受到林冠阻挡、削能后，气流减弱，大气颗粒物容易沉降，从而在林内形成大气颗粒物集聚的“洼地”效应，而林分自身吸附、截持大气颗粒物的能力又有限，若这种“洼地”效应超过林分削减大气颗粒物的能力时，将极有可能发生上述“林内大气颗粒物浓度高于林外”的现象。

3.3 森林植被调控大气PM2.5和PM10能力

森林植被调控大气颗粒物的能力备受学者关注，它除受林外大气颗粒物浓度以及气象条件影响外，还与林分结构特征密切相关（Beckett et al.，2000）。目前，国内研究森林植被调控大气颗粒物能力的方法主要有两类：一类是通过代表性取样并结合林分特征参数来评估（王会霞等，2015；王兵等，2015）；另一类是通过林内外定位监测对比来评估（古琳等，2013；刘旭辉等，2014），且以该方法居多。但以上两类方法均存在一定的局限性，其中，第一类方法并不能反映特定林分在特定时间段（尤其是长时间段）实际调控大气颗粒物的能力；第二类方法则没有将植被信息有机结合，只能定性表述，评估结果普适性有限。因此，今后应通过对林内外大气颗粒物浓度、林分结构特征以及气象条件的长期定位监测，建立森林植被调控大气颗粒物能力与林外大气颗粒物浓度、林分结构调整以及气象条件的关系模型，并通过对林带大气颗粒物浓度进行验证，从而科学评估森林植被调控大气颗粒物能力。对于林分结构特征参数，可优先选择林冠叶面积指数指标（王会霞等，2015），本研究中针叶林调控大气颗粒物的能力明显强于针阔混交林和阔叶林，这可能与该针叶林分有较大叶面积指数有关，从表1也可知，针叶林的林分郁闭度（0.92）高于针阔混交林（0.90）和阔叶林（0.75）。

4 结论

重庆城区对照监测点和城郊森林植被监测点的大气PM2.5和PM10均呈现明显的时间变化规律。唐家沱对照监测点大气PM2.5和PM10的日变化呈“双峰”变化规律，季节变化表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季；城郊不同森林植被（针叶林、针阔混交林、阔叶林）调控下的大气颗粒物日变化则均基本呈“单峰”规律，且下午大气颗粒物浓度低于上午，季节变化则表现为冬季＞春季＞秋季＞夏季。城郊森林公园内的大气PM2.5和PM10质量浓度均随与森林公园边界距离增大而呈下降趋势。总体来看，森林植被对大气颗粒物的削减、再分配功能作用明显，其能力大小与林分特征密切相关，在其作用下，城郊森林公园内的大气颗粒物动态变化规律不同于城区。

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Temporal and Spatial Effect of Atmospheric PM2.5and PM10Regulated by Forest Vegetation in the Suburban Park of Chongqing

WANG Yihao1,2, KAI Xuan3, XUE Lanlan1, XIE Shuangxi3
1.Chongqing Academy of Forestry//National Ecosystem Research Station of Three Gorges Wetland, Chongqing 400036, China; 2.Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 3.College of Forestry, Guizhou University, Guiyang 550025, China

From August 2014 to July 2015, taking Tangjiatuo monitoring plot from Chongqing Air Quality Publish System as the contrast, the temporal and spatial changes of atmospheric PM2.5and PM10under the regulation of forest vegetation were monitored by the High Precision Handheld Air Tester (CW-HAT200) in the national forest park of Tieshanping in suburban area, Chongqing.Results showed that the diurnal variation of atmospheric PM2.5and PM10in urban area all presented a “two-peak” pattern and reached the peak at 12:00 and 18:00.The seasonal variation presented for winter＞autumn＞spring＞summer.The diurnal variation of atmospheric PM2.5and PM10under the regulation of forest vegetation (coniferous forest, coniferous and broad-leaved mixed forest, broad-leaved forest) in the park all nearly presented a “one peak” pattern and reached the peak at 9:00.The concentrations of atmospheric particulate matter in the afternoon were less than that in the morning.Its seasonal variation presented for winter＞autumn＞spring＞summer.Atmospheric PM2.5and PM10in suburban forest park all decreased with the distance away from the boundary of forest park.They reduced by 22.30% and 22.66% respectively in the range of 5 km.In general, forest vegetation in suburban forest park has an obvious effect on reducing and redistributing atmospheric particulate matter which is also affect by forest characteristics.The dynamic variation of atmospheric particulate matter under the regulation of forest vegetation is gentler and obviously different from that of urban area.So if only from the point of view of atmospheric particulate matter, it is suggested that people should go to carry out the recreational activities in the suburban forest park at 13:00—17:00 of summer and autumn, and choose the forest stand that is in the core area of park can reduce atmospheric particulate matter strongly.

forest vegetation; atmospheric particulate matter; time-space effect; regulation; Chongqing

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.10.012

X513; S731.3

A

1674-5906（2016）10-1678-06

王轶浩, 凯旋, 薛兰兰, 谢双喜.2016.重庆城郊森林植被调控大气PM2.5和PM10的时空效应[J].生态环境学报, 25(10): 1678-1683.

WANG Yihao, KAI Xuan, XUE Lanlan, XIE Shuangxi.2016.Temporal and spatial effect of atmospheric PM2.5and PM10regulated by Forest Vegetation in the Suburban Park of Chongqing [J].Ecology and Environmental Sciences, 25(10): 1678-1683.