春季福建柏林空气颗粒物日变化分析

王 茜 王 成 张中霞 任彬彬 许 超 郭珺琪

（1 北京市园林科学研究院，北京 100102；2 中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局森林培育重点实验室，北京 100091；3 国家林业局城市森林研究中心，北京 100091；4 河北省邢台市内丘县林业局，河北 邢台 054200）

近年来，随着人们生活水平的提高，城市居民渴望更加健康的生活方式，生态保健旅游越来越受到人们的欢迎。福州旗山森林公园地处与戴云山脉交叉的地带，是福州市近郊较理想的休闲避暑、探险及度假旅游的森林保健圣地，其内游憩林主要以四季常青的毛竹林和福建柏林等原始森林为主。据调查研究显示，呼吸林内新鲜的空气是森林保健旅游的主要目的[1]，故森林空气质量的好坏是判断其旅游资源开发的直接因素，而春季是福州空气颗粒物污染的频发季节[2]，对此季节颗粒物污染日变化的研究具有重要意义。目前对福建柏林内外植物生长季（春季）空气颗粒物日变化规律研究，以及和小气候因子相关性分析未见报道[3]。以福建柏林内外为例，分析了植物生长季节颗粒物日变化规律，目的为居民选择合适的外出时间进行锻炼公园的游憩林的开发提供理论依据。

1 研究区概况

旗山森林公园，面积约800 多hm2，地理位置为东经121°23＇，北纬23°12＇。年均气温为18～22℃，年均日照时数约为1800～2180h，年降水量约为920～2220mm，年相对湿度约为77%，海拔750m。公园紧靠316 国道，景区气候宜人，属于亚热带季风气候[4]。森林公园内植物覆盖率达95%以上，福建柏林地面积约4.5hm2，密度为6213 株/hm2[4]。

2 研究方法

2.1 样地选择

表1 样地调查

样地位于旗山森林公园海拔730m 高处的福建柏林，平均树龄25～30a，树高8～13m，胸径11～25cm，郁闭度0.92。地被覆盖以白兰、野草莓等为主，在福建柏林内设置10 个重复[4]，每个重复间隔5m；距离福建柏3m、5m、7m 远处的柏油铺装路作为林缘对照点[4]。

2.2 指标的测定方法和数据处理方法

2017年4月中旬，选择连续晴朗的天气10d，用粉尘仪测定1.5m 高度处4 种粒径颗粒物浓度，同时测定空气温湿度、光照和风速。每天选择游客游玩的7∶00～19∶00 时间段观测数据。春季林内外日变化取10d 的平均值[4]。

数据分析使用SAS17.0 和EXCEL2013 软件处理。

3 结果与分析

3.1 林内外4 种颗粒物总体日变化规律

表2 福建柏林内外4 种粒径空气颗粒物日变化

从林内外颗粒物日变化规律来看，差异较大，用LSD 多重比较法结果得出，全天所有时间段的4 种颗粒物浓度均差异极显著（P＜0.01）。从日变化曲线来看，4 种粒径颗粒物浓度变化林内外相似程度很大，呈二峰二谷型，只是林缘出现波峰和波谷的时间有所提前或滞后。林内外均在13∶00 出现全天的第1 个高峰、林内在19∶00 而林外在17∶00（PM1.0）或者19∶00（TSP、PM10、PM2.5）出现全天的第2 个高峰；林内外出现全天的第1 个低谷时间段是7∶00～9∶00、而全天的第2 个低谷林内在15∶00、林外在15∶00（PM10、PM2.5、PM1.0）或17∶00（TSP）出现。导致这种高峰期和低谷期出现的主要原因是：白天7∶00～9∶00 时湿度减小，风速大，气温高，此时空气对流加强，促使颗粒物向远处输送，使其浓度下降到最低。下午13∶00 空气处于静风状态，颗粒物被凝结不利于扩散，而且此段时间的光化学反应也为其浓度增加做出贡献[4-7]。傍晚17∶00～19∶00 是游客下山的高峰期，人流量和车流量均较集中，产生的空气污染物随风传输到林内使其污染物增加[4]。

3.2 林内外不同粒径颗粒物的日变化趋势比较

不同粒径空气颗粒物日变化大体相似（如图2）[4]，13∶00和19∶00 均分别出现林内外TSP 的2 个高峰值，2 个低谷值均分别出现在9∶00 和15∶00（林内）或17：00（林外），PM10与TSP 的差别仅是林外的低谷值从9：00 提前2h[4]。13∶00和19∶00 均分别出现PM2.5 的2 个高峰值（林内外）；9∶00和15∶00 分别出现2 个低谷值（林内外）。而PM1.0 相对PM2.5 上午的低谷值（林内外）均由9∶00 提前2h，同样林外的第2 个高峰值由19∶00 提前2h。

图1 福建柏林内外不同粒径空气颗粒物日变化

3.3 不同粒径颗粒物与小气候之间的相关性分析

表3 4 种不同粒径空气颗粒物与小气候之间的相关性分析

从表3 可以看出，气候因子温度、湿度、光照均与颗粒物浓度呈正相关，而与风速呈负相关，且风速与林外的颗粒物浓度呈显著负相关[4]。4 种粒径颗粒物与小气候因子的相关性大小排序：平均风速最大，光照强度最小（林外光照轻度＞相对湿度）。这是因为湍流运动决定污染物在大气中的扩散程度，同时湍流混合状况也同样决定风的日变化，在风的作用下排放到大气中的污染物被传输到其他区域，污染物被传送的距离越远与风速呈正比，混入的空气量越多，污染物浓度相对越低[7]。另一方面原因是：仅有湿度而无明显的降水，致使空气颗粒物容易堆积，加重污染[8-9]。大气垂直对流主要对温度产生作用。试验结果分析得知：空气颗粒物浓度与空气温度呈正比。这与李军等人对北京的观测结果不一致[10]。究其原因，福州春季经常出现逆温现象[11,9]，颗粒物在逆温的作用下难以转移扩散。

从各个气候因子与不同粒径颗粒物的相关性（林内与林缘均值）来看：随着粒径的减小（除了PM1.0），温度与其相关性变小；而相对湿度、平均风速和光照，则随着粒径的减小相关性变大。且温度和光照与PM1.0 的相关性最大。说明小粒径颗粒物浓度比较敏感，受环境影响较大，这与郭二果2009年对北京西山的研究结论一致[12]。

4 结论与讨论

（1）福建柏林内外空气颗粒物日变化曲线均呈二峰二谷型。全天的第1 个高峰林内外在13∶00 出现、全天的第2 个高峰林内在19∶00 而林外在17∶00（PM1.0）或者19：00(TSP、PM10、PM2.5)出现；林内外均在7∶00～9∶00 出现全天的第1 个低谷、林内在15∶00 而林外在15∶00（PM10、PM2.5、PM1.0）或者17∶00（TSP）出现全天的第2 个低谷。

（2）不同粒径颗粒物日变化大体相似，13∶00 和19∶00均分别出现林内外TSP 的2 个高峰值，2 个低谷值均分别出现在9∶00 和15∶00（林内）或17：00（林外），PM10 与TSP的差别仅是林外的低谷值从9:00 提前2h。13∶00 和19∶00均分别出现PM2.5 的2 个高峰值（林内外）；9∶00 和15∶00分别出现2 个低谷值（林内外）

（3）气候因素和天气条件对颗粒物浓度的影响比较复杂，本研究发现高温、高湿、相对静风状态空气颗粒物浓度增加。有学者对北京、西安、包头[13-15]的研究却发现，温度越低颗粒物浓度反而越高。这可能与南北方的气候差异有关，南方的逆温现象和北方冷空气的冷凝作用造成这一差异的产生。