杭州城市森林区和居民区大气颗粒物浓度特征的差异性研究

任晓旭，胡亚芬，高 月，华锦欣

(1.杭州市林业科学研究院，浙江 杭州 310022；2.浙江旅游职业学院，浙江 杭州 310022；3.杭州市林木种苗管理中心，浙江 杭州 310000；4.中国林业科学研究院林业科技信息研究所，北京 100091)

【研究意义】大气颗粒物是大气环境中化学组成最复杂、危害最大的污染物之一[1]。细颗粒物(特别是直径小于2.5 mm的颗粒物)对能见度、辐射强度和公众健康有着重要的影响[2-5]。中国主要城市空气污染对人群健康的影响研究结果表明，2012年104个城市因PM10污染造成的人群总死亡达到92.7万人[6]。 Markku等研究发现，中国大城市空气污染比欧洲和北美严重10～100倍，估计中国每年有25万人死于空气污染[7]。国家环保部发布的2014中国环境状况公报显示，2014年开展空气质量新标准监测的地级及以上城市161个，PM10年均浓度范围为35～233 μg·m-3，平均为105 μg·m-3，同比下降3.7 %；达标城市比例为21.7 %，PM2.5年均浓度范围为19～130 μg·m-3，平均为62 μg·m-3；达标城市比例为11.2 %[8]。为遏制大气污染日益严峻的形势，2013年9月国务院发布了《大气污染防治行动计划(2013-2017)》，明确指出到2017年，全国地级及以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10 %以上，优良天数逐年提高；京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25 %、20 %、15 %左右，其中北京市细颗粒物年均浓度控制在60 μg·m-3。由此可见，大气颗粒浓度已成为城市空气质量评价的重要指标之一[9]。城市森林是城市生态系统的重要组成部分，在维护城市生态平衡和改善环境方面起着其他基础设施无法替代的作用。城市森林不仅为城市污染环境下的居民提供了相对洁净的休闲游憩空间，而且在净化空气颗粒物方面发挥着独特的生态功能。城市森林的物理降尘主要是通过改变气流运动速度、方向来降尘，并通过城市森林特殊的叶面结构及复杂的冠层结构来吸附、阻滞粉尘。【前人研究进展】研究证实，相比较为矮小的植物，乔木去除气体污染物和颗粒污染物以及截留气溶胶性质污染物的能力更高，乔木除了比其他植被类型具有更高的叶面积外，还能够产生更多的湍流[10-11]。MT Cheng等(2007)对台湾台中和仁爱2个地区进行了细颗粒物含量对比研究，结果发现，台中人口众多，森林覆盖度小，而仁爱森林覆盖度高，前者PM2.5是后者的1.4倍，其中PM2.5以氮氧化物为主[12]。Scott K.I.等(1998)采用模型模拟研究城市森林对PM10的清除效果，结果表明，美国Sacramento市PM10的日清除率达到2.7 t，对颗粒物的清除可占到人为排放的1 %～2 %[13]。郭二果等(2010)研究了北京西山地区3种典型游憩林对空气中颗粒物的阻滞和吸附效应，指出游憩林对空气中颗粒物的阻滞和吸附有良好的效果，能有效降低空气中颗粒物的质量含量[14]。本文以杭州市城市森林区——杭州半山国家森林公园和城市生活社区——采荷社区为研究地点，【本研究切入点】2015年11月至2016年10月，通过定点监测大气颗粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)的质量浓度。【拟解决的关键问题】对比分析了城市森林区与城市生活区的大气颗粒物的浓度差异，以揭示城市森林对不同类型大气颗粒物浓度的影响作用，为进一步研究城市森林的生态作用以及合理经营城市森林提供参考依据，并可为公众市民开展森林游憩、森林健身活动提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

杭州市位于浙江省北部，全市总面积16 596 km2，其中市区面积3068 km2。属于亚热带季风性气候，兼具中亚热带和北亚热带特点，四季分明。杭州半山国家森林公园位于拱墅区东北部，属于拱墅区半山街道，距杭州市中10 km，总面积1002.88 hm2。森林覆盖率高达90.1 %，公园内多年平均气温在16.5 ℃，年平均降水量1254.6 mm，监测点位于常绿阔叶林林内,乔木层以香樟[Cinnamomumcamphora(L.) Presl.]、枫香(LiquidambarformosanaHance)、紫弹朴(CeltisbiondiiPamp.)为优势树种，高度7～10 m，胸径10～22 cm，郁闭度0.7，伴生种有杉木]Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]、短柄枹(Quercusglanduliferavar.brevipetiolataNakai)、毛八角枫(AlangiumkurziiCraib)等, 灌木层高度0.5～2.5 m，盖度55 %。采荷街道位于杭州市东部，辖15个社区居委会，社区面积20 000 km2，人口近7万，地区绿化覆盖率超过了35 %[15]。监测地点选择在杭州市江干区采荷街道社区内的杭州市林木种苗管理站。

1.2 监测仪器与监测方法

大气颗粒物监测仪器为Dustmate 粉尘检测仪(英国，Turnkey Instruments公司)，该监测仪采用激光散射法，能快速检测在空气中直径范围在0.4～20 μm 的可吸入颗粒物和粉尘浓度，颗粒物浓度的采样精度为0.01 μg·m-3，采样高度为距离地表1.5 m处[16]。本研究选取该仪器测定的TSP、PM10、PM2.5以及PM14种大气颗粒物浓度指标。自2015年11月至2016年10月，每月上中下旬各选取1 d，选择要求为天气状况相对稳定，在9:00-17:00之间每小时监测1次，仪器设置为每5 min自动记录一组数据，每月上中下旬颗粒物浓度进行平均并记为当月大气颗粒物浓度值。

2 结果与分析

2.1 不同类型颗粒物浓度对比分析

通过对半山和采荷2个监测点的108组数据取平均值进行对比分析可以看出，总体而言，TSP、PM10、PM2.5以及PM1的浓度值均为半山森林公园高于采荷社区(图1)。半山监测点TSP、PM10、PM2.5和PM1的浓度分别为250.39、193.98、102.71和30.32μg·m-3；而采荷监测点的对应值则分别为225.18、162.30、64.19和20.98 μg·m-3(表1)。半山监测点的TSP、PM10PM2.5和PM1浓度分别高出采荷监测点11.19 %、19.51 %，60.01 %和44.56 %。总体趋势为PM2.5高出最为明显，颗粒物粒径在2.5 μm以上随着粒径越大，浓度高出的比例逐渐减小，并且PM1相比PM2.5高出的比例有所降低。但从各不同粒径的颗粒物浓度的极大值和极小值来看，TSP、PM10、PM2.5以及PM14种类型的颗粒物浓度均表现为半山监测地均低于采荷监测点，其中对于极大值，半山森林公园的TSP、PM10PM2.5和PM1浓度比采荷社区分别减少了52.93 %、52.32 %、4.19 %和46 %，除PM2.5外，其他3种大气颗粒物减少了50 %左右；对于极小值，半山森林公园的TSP、PM10PM2.5和PM1浓度比采荷社区分别减少了16.36 %、24.25 %、16.83 %和8.05 %。由此可以说明，在大气质量在特别优良和特别差的情况下，半山森林公园的空气质量要明显优于采荷社区，但另一方面，从2个监测点数据的均值来，半山监测点的4种颗粒物浓度均高于采荷社区，这说明在没有较大空气的流动时，大气颗粒物在林内比城区更容易以悬浮集中，城市森林能够表现出对大气颗粒物的吸纳和阻滞作用。分别对半山和采荷2个监测点的TSP、PM10、PM2.5、PM1进行单因素方差分析，结果显示PM2.5的P=0.00，PM1的P=0.015，TSP的P=0.428，PM10的P=0.286，因此在半山和采荷2个监测点的PM2.5和浓度有极显著差异(P<0.01)，PM1浓度的差异分别为有高度统计意义和有统计意义，而TSP和PM10均为差异无统计意义。

表1 采荷和半山监测点4种类型颗粒物浓度统计描述Table 1 The concentration of four atmospheric particulate matters statistical description in Caihe and Banshan monitoring sites (μg·m-3)

2.2 不同类型大气颗粒物浓度日变化

通过对不同类型大气颗粒物浓度的日变化数据来看，半山监测点的TSP、PM10、PM2.5、PM14种类型的颗粒物浓度的日变化曲线为早上9：00到达最大值，然后随时间增加而持续减少，在下午14:00到达最小值，分别为：182.2、124.2、68.2、20.6 μg·m-3；从下午14:00开始4种类型的颗粒物浓度值有所上升，上升幅度不大，明显小于从早上9:00的下降幅度，在17:00分别达到最大值(9:00时)的53.47 %、49.67 %、68.86 %、60.53 %。半山监测点的TSP、PM10、PM2.5、PM14种类型的颗粒物浓度的日变化曲线整体表现为大致的“L”形曲线，采荷监测点的TSP、PM10、PM2.5、PM14种类型的颗粒物浓度的日变化曲线也是从9:00开始下降，14:00达到最低值，但与半山监测点不同在于，16:00后的浓度上升幅度比较大，在17:00分别达到9:00时的98.30 %、96.09 %、48.73 %、77.37 %；TSP和 PM10的浓度几乎达到了9:00时的峰值，PM2.5的浓度上升的幅度最小，其次PM1的浓度上升的幅度居中水平。整体上看，采荷监测点的TSP、PM10、PM2.5、PM14种类型的颗粒物浓度的日变化曲线为明显的“Μ”形。

在城区，大气颗粒物由早上9:00开始降低但到下午17:00时又基本上升到早上9:00的水平，而在城市森林区内，大气颗粒物由早上9:00开始降低但到下午17:00时又基本上升到早上9:00的一半的浓度水平。由此可见，大气颗粒物的日变化规律在城区和城市森林区的表现明显不同，可以说明城市森林区与城区相比而言，在对大气颗粒物的吸纳和阻滞作用的影响上森林区的作用明显。

图1 采荷和半山4种大气颗粒物浓度日变化Fig.1 Diurnal variation of the four atmospheric particulate concentration at Caihe and Banshan monitoring sites

2.3 不同类型大气颗粒物浓度年变化

从4种不同类型大气颗粒物浓度在半山和采荷监测点的月变化规律来看，可以分为2种类型，其中，TSP和PM10表现出来的变化规律大致相同，PM2.5和PM1的变化规律也基本一致。从总体上看，4种不同类型大气颗粒物浓度在6月之前的月份均是每月变化幅度比较大，而随后的6-10月变化相对平缓，浓度值表现的比较稳定，并且4种不同类型大气颗粒物的平均浓度值也比6月之前的月份在数值约下降50 %，这可能由于杭州为迎接G20峰会的召开，所实行了一系列的环境质量保障工作有关，赵军平等分析了 2016 年 G20 峰会期间(2016 年8月10日至9月20日) 杭州及周边地区空气质量演变及区域特征，得出管控措施对杭州空气质量有一定的改善效果[17]。在北京APCE会议期间，也出现了类似的大气质量变化情况[18-20]。各颗粒物浓度在半山和采荷2个监测点的区别在于对不同粒径的大气颗粒物影响有明显差别，这也可能说明城市森林对粒径越小的大气颗粒物的吸纳和阻滞作用越有效果。

图2 半山和采荷监测点TSP和PM10浓度变化比较Fig.2 The comparisons of TSP and PM10 concentration between Banshan and Caihe monitoring sites

从TSP浓度在1年的监测周期内的表现来看，在半山监测点，最高值出现在2015年12月值为689.45 μg·m-3，然随时间向后推移逐渐在减少，大致分为3个梯度，2015年11-12月，2016年1-4月，2016年5月至2016年10月。而在采荷监测点，TSP浓度的变化大致为单峰曲线，在2016年5月之前的月份值比之后的月要高，从2015年11月逐渐降低，到2016年2月开始升高，在5月达到最大值为464.50 μg·m-3，6-10月TSP浓度出现交错高低变化，但浓度的总体水平要明显低于2016年5月之前的6个月的浓度水平，PM10浓度的变化规律与TSP浓度变化规律比较相似。

对于PM2.5和PM1周期为1年的浓度变化规律基本一致，在半山和采荷监测点，同样都表现为双峰曲线的变化，在采荷监测的2个峰值分别出现在2015年12月和2016年4月，其中PM2.5浓度分别为204.22、143.55 μg·m-3，PM1浓度分别为75.86 和42.51 μg·m-3。在半山监测点2个峰值分别出现在2016年1和5月，各自推迟了1个月，其中PM2.5浓度分别为219.55、230.92 μg·m-3，PM1浓度分别为61.78和58.52 μg·m-3。并且从PM2.5和PM1的这2组各个月份的数据来看，都大致表现出半山监测点的PM2.5和PM1浓度变化规律对于采荷监测点的浓度变化推迟1个月的现象。这说明城市森林区相对于城区PM2.5和PM1的月变化规律在时间上约1个月的延迟。

图3 半山和采荷监测点PM1和PM2.5浓度变化比较Fig.3 The comparisons of PM1 and PM2.5 concentration between Banshan and Caihe monitoring sites

3 结 论

(1)2015年11月至2016年10月，杭州半山监测点TSP、PM10、PM2.5和PM1的平均浓度分别为250.39、193.98、102.71和30.32 μg·m-3；采荷监测点的对应值则分别为225.18、162.30、64.19和20.98 μg·m-3。包贞等在2006年对杭州大气的PM2.5和PM10的监测显示，杭州市PM2.5和PM10年均浓度分别为77.5和111.0 μg·m-3[21]。杜荣光等在2012年12月至2013年5月期间对杭州市PM2.5监测结果显示：PM2.5平均浓度为(110.0±46.5)μg·m-3，日变化范围在22.9～225.2 μg·m-3，冬季和春季PM2.5平均浓度分别为(135.2±49.8)、(88.9±30.6)μg·m-3，并且有 75 % 的采样天数超过了《环境空气质量标准》(GB3095-2012) 规定的 PM2.5浓度 24 h 平均值限值，反映了杭州市冬季和春季PM2.5污染严重[22]。

(2)半山监测点的TSP、PM10、PM2.5、PM14种类型的颗粒物浓度的日变化曲线为早上9：00到达最大值，然后随时间增加而持续减少，在下午14:00到达最小值，基本呈“L”形曲线；而在采荷社区，大气颗粒物由早上9:00开始降低但到下午17:00时又基本上升到早上9:00的水平，呈“Μ”形曲线。

4 讨 论

(1)从半山和采荷2个监测点的年际变化来比较，TSP与PM10浓度变化规律基本一致，表现为单峰曲线；在城市森林区PM10与TSP浓度的峰值出现在2016年5月份，PM2.5和PM1浓度变化规律基本一致，表现为双峰曲线。在城区，PM2.5与PM1浓度的峰值出现在2015年11月份，在城区2个峰值分别出现在2015年12月和2016年4月，而城市森林区，PM2.5和PM1浓度的峰值均延迟了1个月的时间，出现在2016年1和5月。这说明随着大气颗粒物的粒径的减小，城市森林对大气颗粒物的影响作用越明显。

(2)洪盛茂等依据杭州市区2002年至2006年的空气质量资料,研究显示，杭州市区首要污染物为PM10，并且PM10和 PM2.5有明显的季节变化和“双峰型”日变化[26]。常雷刚等对杭州地区4所医院内的PM2.5的日变化规律研究也基本一致，其研究表明PM2.5的日变化规律为上午 9:00-10:00处于峰值，12:00-13:00 达到最低值，下午15:00 左右又逐渐上升，基本呈“双峰单谷”的分布[27]，付志民等对杭州市城区和城郊工业园区超细微粒的数浓度及粒径分布进行现场跟踪测量，研究也出现类似的规律，超细微粒数浓度在上午和下午的上、下班期间出现不同程度上升，夜间浓度普遍降低，但偶有波动[28]。赵冰清等对重庆缙云山的4种典型林分的大气颗粒物浓度的研究也得出PM2. 5质量浓度日变化趋势为上午>中午>晚上的结论[29]。