秋季毛竹林空气颗粒物浓度与气象因子相关性分析

王茜　王成　郭珺琪　许超　任彬彬　张中霞

摘要    城市森林内空气悬浮颗粒物浓度的状况直接反映城市森林对空气颗粒物的净化功能，城市森林空气质量的好坏关系到人们的身体健康状况，本研究对秋季福州旗山森林公园的毛竹林内空气颗粒物浓度日变化进行了监测。结果表明，毛竹林内颗粒物浓度总体日变化趋势呈“W”形，即15：00和19：00出现2个高峰、9：00和17：00出现2个低谷;不同粒径颗粒物浓度日变化均无显著差异，细颗粒物浓度的日变化不及粗颗粒物浓度的日变化敏感，且出现高峰的时间较粗颗粒物滞后;林内颗粒物主要由PM10和PM2.5组成，且PM10与PM2.5的变化趋势受颗粒物浓度的变化的影响较大;气象因子和天气条件对颗粒物浓度（特别是粗颗粒物）的影响较大，颗粒物的浓度与相对湿度成正相关关系，与温度、风速、光照等均成负相关关系。

关键词    毛竹林;空气颗粒物;秋季;气象因子;相关性

中图分类号    S725.3        文獻标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）19-0133-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

近年来，随着城市的迅速发展，出现了越来越多的空气污染，尤其是空气中颗粒物的污染日益严重。空气中的颗粒物能够影响空气质量，引发酸沉降，导致云、降水、大气辐射等失衡，降低能见度，严重威胁着人类的健康，同时也影响着人们的学习、生活和工作[1-2]。2013年第2个周末，1条深褐色的巨大雾霾带从北到南斜穿1/3的中国国土，众多城市深陷其中，空气污染指数屡创新高，北京城区PM2.5值更是一度逼近1 000，连续几天城区内能见度不足200 m，大气污染再次成为人们关注的焦点。研究表明，空气动力学直径小于10 μm的可吸入细颗粒物PM10，尤其是空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物PM2.5具有突变性，大量吸入后可增加人类的死亡率。有害的化学物质常富集在可吸入颗粒物的表面，通常会经过人体的呼吸道进入肺部，其长期积累会损害呼吸系统、破坏免疫系统，进而导致肺癌等疾病的发生[3-4]。国家环保部于2012年2月29日颁布了新修订的《环境空气质量标准》和《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》，将PM2.5列为评价环境空气质量的指标，以期控制并减少颗粒物污染对人类健康和空气质量的影响。

目前，对于颗粒物的研究主要是集中在来源、成分分析等方面，而对秋季竹林内颗粒物的日变化规律未见报道。部分研究表明，竹林的特殊环境能够很好地调节小气候、净化林内空气。本试验于2012年11月2—23日对福州旗山森林公园毛竹林内颗粒物的日变化进行监测并记录，以期为秋季该地区竹林内空气质量变化情况，为游客合理安排出行时间提供理论依据。

1    材料与方法

1.1    研究地概况

福州旗山森林公园地处闽侯南屿境内，全园面积约为3 587 hm2，地理坐标为东经119°28′、北纬26°08′。该区域的年均温度为18 ℃，年降水量为246.6 mm，海拔为700 m左右，属暖湿的亚热带季风气候;距福州市中心约25 km，紧靠316国道，交通便捷、景区气候宜人。公园分双峰、福庴岭、旗山、五峰、龙泉等5个景区共59个景点。其中，旗山景区气候温和、雨量充沛、动植物种类较多，不仅有刺桫椤、南方红豆杉等国家一级保护植物，还有百年的柳杉王、夫妻树等。旗山与鼓山呈东西方向对峙，二者素有“右旗左鼓，全闽二绝”的佳誉。

1.2  试验方法

1.2.1  样地选择。样地选在旗山森林公园里的毛竹林内。海拔为625 m，毛竹树龄3～4年，树高约12 m，胸径为18～20 cm，面积逾60 m2，郁闭度为0.95。地被覆盖物以杂草为主。在样地内每隔5 m设置1个标准样地，共设置3个标准样地，呈“三角形”排列。

1.2.2    指标监测。用Dustmate烟尘检测仪于2012年11月选晴朗无风天气测定并记录距地面1.2～1.5 m处空气中各种颗粒物浓度，共计观测14 d。其中，TSP表示动力学直径不大于100 μm的总悬浮颗粒物、PM10表示直径不大于10 μm的可吸入颗粒物、PM2.5表示直径不大于2.5 μm的可入肺颗粒物、PM1.0表示直径不大于1.0 μm的可吸入细颗粒物，试验3次重复。同时，每天7：00—19：00，每隔2 h用小气候监测仪对毛竹林内的相对湿度、光照强度、温度和风速等气象因子进行监测，3次重复同步观测。

1.3    数据处理

颗粒物浓度的日变化值为3次重复观测的平均值，秋季总体颗粒物浓度的日变化值则取观测期间内的平均值。采用Excel 2010录入并处理数据，对变化趋势相同的数据进行平均值处理，选取具有代表性的时间点的数据作图分析其变化规律;利用SPSS 19.0对气象要素与颗粒物浓度进行相关性分析。

2    结果与分析

2.1    毛竹林内空气悬浮颗粒物浓度总体日变化

由表1可知，毛竹林内4种粒径的颗粒物浓度秋季日变化曲线均呈“W”形。15：00和19：00出现2个高峰，9：00和17：00出现2个低谷。具体的变化趋势为7：00—13：00变化较平缓，9：00出现全天最低值。可能因为9：00左右气温高、风速大，空气运动利于空气颗粒物的输送和扩散。根据我国最新公布的环境空气质量标准（GB 3095—2012），PM2.5和PM10二级标准日均浓度限值为75～150 μg/m3。在7：00—13：00时间段TSP和PM10这2种粒径的空气颗粒物浓度均达到我国二级地区标准。13：00—15：00颗粒物浓度直线上升，15：00出现全天的第一个小高峰。原因可能是此时出现全天温度最高值，且风速较小、空气不流通，颗粒物处于凝结状态不利于扩散;此外，光照较强，其引起的光化学反应也是颗粒物浓度增加的重要原因之一。15：00—17：00颗粒物浓度变化不大，该地区的小气候变化也不明显。17：00颗粒物浓度达到第二个高峰，其中TSP浓度为353.01 μg/m3、PM10为267.37 μg/m3、PM2.5为120.08 μg/m3、PM1.0为47.92 μg/m3，按照我国最新公布的环境空气质量标准（GB 3095—2012）可知，此时TSP日均浓度超标率为17%。

从空气悬浮颗粒物总体污染水平来看，按照我国一级空气质量（GB 3095—2012）规定的大气颗粒物的浓度限值，秋季竹林内TSP日平均水平超标99%以上，PM10超标230%以上。按照美国《大气环境质量标准》（NAAQS）提出的PM2.5标准，秋季竹林内PM2.5日平均水平接近该标准。国际上还未对PM1.0的标准进行规定。这说明旗山森林公园的毛竹林内秋季空气颗粒物污染以粗颗粒物为主，细颗粒物浓度不高。

2.2     不同粒径空气悬浮颗粒物浓度日变化特征比较

秋季毛竹林内4种粒径的颗粒物浓度日变化趋势具有差异，其中大粒径颗粒物（TSP、PM10）浓度变化趋势相似，小粒径颗粒物（PM2.5、PM1.0）浓度变化趋势相似。小粒径颗粒物浓度变化全天出现2个高峰和1个低谷，分别对应的时间是15：00、19：00和17：00，变化大体呈“N”形。这与颗粒物浓度总体日变化第二次出现高峰与低谷的时间一致，说明颗粒物浓度较高的时段细颗粒物浓度也较高。此外，由表1可知，7：00—13：00大粒径颗粒物浓度变化比小粒径颗粒物浓度变化明显，只有在13：00—15：00时TSP与PM10浓度急剧增加的同时PM2.5与PM1.0浓度才会出现全天的第一个高峰。

空气中的颗粒物污染来源比较复杂，其中有很多因素可以造成空气中PM2.5浓度的增加，如直接排放或者化学反应生成的污染物等。PM2.5粒径较小、悬浮时间比较长等有利于远距离输送，会造成区域间有明显的相互影响。在福州市秋季倒槽暖区、锋前暖区和变冷性高压底部或后部等特殊天气因素的作用下，毛竹林内空气中的颗粒物水平扩散和垂直输送能力变差，导致毛竹林内的颗粒物向外输送或高空扩散的能力减弱，容易造成颗粒物在毛竹林内形成一定的堆积区，导致该时间段内的可吸入颗粒物浓度值比其他时间明显增大。进一步方差分析可知，秋季毛竹林内的4种颗粒物浓度在全天各个时刻均无显著差异;单因素方差分析表明，在7：00—15：00时间段内4种颗粒物浓度均无显著差异，在17：00左右大粒径颗粒物（TSP、PM10）与小径粒颗粒物（PM2.5、PM1.0）有显著差异（P<0.05），19：00左右TSP与PM2.5有显著差异（P<0.05）。

2.3    不同粒径颗粒物所占比例日变化

由表2可知，不同粒径颗粒物所占的比例日变化趋势与颗粒物浓度的日变化趋势基本一致，均呈现出上午比例较低、下午和傍晚比例升高的特征。PM1.0/PM2.5的日变化趋势不明显，说明空气动力学直径小于1.0 μm粒径的颗粒物浓度对环境的变化不敏感。PM10/TSP与PM2.5/PM10的值均是在15：00—19：00之间出现高峰值，这与颗粒物浓度出现高峰值的时间一致，说明颗粒物主要由PM10和PM2.5组成。PM10与PM2.5的变化趋势受颗粒物浓度的变化影响较大。粗粒径颗粒物所占比例高峰值的出现较细粒径稍有滞后。在17：00左右，粗粒径颗粒物比例达到高峰值，细粒径颗粒物比例减小，从颗粒物浓度变化趋势来看粗粒径颗粒物也是在17：00左右增加，说明毛竹林内空气中颗粒物主要由粗颗粒物组成。

2.4    不同粒径颗粒物浓度与气候因素的相关性

由表3可知，颗粒物浓度与相对湿度成正相关;与温度、风速、光照均成负相关。其中，TSP与相对湿度成显著正相关、与光照强度成显著负相关。不同粒径的颗粒物与相对湿度的相关系数绝对值均最大，表明与其他气象因子相比，相对湿度对颗粒物浓度的影响较大;不同粒径颗粒物的浓度与温度、最大风速的相关系数的绝对值较小，表明此2种气象因子对颗粒物浓度的影响相对较小。

當逐步选择分析时，温度、风速和光照等气象因子对颗粒物的影响均不明显，无法构成回归关系。因此，通过分析只保留了相对湿度。由表4可知，不同粒径颗粒物与空气中的相对湿度建立线性回归方程，可得其决定系数R2>0.5，线性回归关系均显著（P<0.1），说明颗粒物种类与相对湿度呈显著的线性相关性。

3    结论与讨论

3.1    毛竹林内空气悬浮颗粒物浓度总体日变化特征

研究表明，秋季空气中的悬浮颗粒物浓度总体呈现一定程度的日变化特征。袁杨森等[5]对秋季北京城区9个地点的颗粒物浓度监测发现，8：00—16：00颗粒物浓度出现高峰。郭二果等[6]对秋季北京西山游憩林的颗粒物浓度监测发现，9：00左右颗粒物浓度出现高峰。安俊岭等[7]认为，秋季TSP污染日变化中颗粒物浓度在上午和傍晚出现高峰。吴志萍等[8]2006年对清华大学校园绿地内空气颗粒物浓度变化进行监测发现，该区域秋季TSP浓度在7：00左右出现高峰。这说明在不同环境下，颗粒物污染变化不同，同时也表明随着观测地点和当地气象条件的不同，颗粒物浓度出现最高值的时间也有差异。

本研究中，旗山森林公园毛竹林的空气颗粒物浓度有明显的日变化趋势。空气颗粒物浓度最低的时间段是7：00—13：00，这可能是因为上午竹林内风速大、湿度小等气候条件有利于空气颗粒物的扩散。15：00颗粒物出现全天的第一个高峰，可能是因为此时段出现全天气温最高值，光照强度高，光化学反应使得空气中的颗粒物浓度明显增加。19：00出现全天的第二个高峰，其原因一方面可能是17：00之后温度开始降低，空气湿度增大，风速小，不利于空气颗粒物的扩散和输送，导致空气中聚集更多颗粒物，颗粒物浓度增加;另一方面，17：00—19：00车流量和人流量迅速增加，产生更多的空气污染，可能会增加竹林内空气中的颗粒物浓度，这种污染对颗粒物尤其是大粒径颗粒物的影响较大;另外，竹林附近居民较多，烧饭使用的麦秆会产生浓烟，进而会增加空气中颗粒物浓度。

3.2    不同粒径颗粒物浓度及其比例的日变化特征

不同粒径空气颗粒物浓度的日变化趋势不同，小粒径颗粒物浓度出现高峰值的时间比大粒径颗粒物出现高峰值的时间滞后。大粒径颗粒物浓度的变化趋势比小粒径颗粒物浓度的变化趋势明显，说明大粒径受环境变化的影响比小粒径颗粒物大。在空气中颗粒物浓度明显增加的时候，小粒径颗粒物浓度才增加。这与郭二果等[6]对北京市西山的颗粒物浓度研究结果不同。本研究中颗粒物所占比例的日变化与颗粒物浓度的日变化趋势基本一致。除了PM1.0/PM2.5在早晨出现高峰外，PM10/TSP和PM2.5/PM10均在傍晚出现高峰。表明小粒径颗粒物所占的比例较少且受环境变化的影响较小。

3.3    颗粒物浓度变化与气象因子的的关系

空气污染物很多都是温度依赖性物质，气象因子能够影响空气中颗粒物浓度。有学者对不同气候带的代表性城市空气中的颗粒物成分进行研究[9-11]，结果表明，有些非甲基烷烃等可溶性易提取物（SEOC）、多环芳烃浓度等均与温度成负相关。空气的温度和湿度能够影响颗粒物组成成分的比例、分配和转化，如温度和湿度均对大气中的NO3-的热力学平衡有影响，当温度<15 ℃时，NO3-的主要形态为粒子;当温度>30 ℃时，NO3-的主要形式存在为气态[12]。气候干燥、风沙大，则空气中悬浮颗粒物较多;空气湿润、风速小的时候，空气质量好。风速小、湿度高的天气持续时间长会导致空气中污染物积累[13-14]。据研究，当风速为3 m/s时，颗粒物扩散速率为0.1～0.3 cm/s;风速为9 m/s时，颗粒物扩散速率为2.9 cm/s[15]。邓利群等[16]对成都市空气中颗粒物的污染进行了研究，结果表明，在一定范围内，相对湿度大有利于颗粒物的形成。因此，相对湿度是影响空气中可吸入颗粒物浓度的重要因素之一，相对湿度较高的空气容易造成较严重的可吸入颗粒物污染。本研究中，空气中颗粒物浓度与风速的变化趋势大致相反。当颗粒物浓度高峰出现时，此时的风速却最小，为0.17 m/s。这与赵卫红[17]的研究结果一致，在高气压状态下，温度和相对湿度不变，风速大有利于颗粒物的扩散。颗粒物浓度变化受气象因子的影响，颗粒物浓度变化与相对湿度成正相关关系，与温度、风速、光照等成負相关关系;相对湿度对颗粒物浓度的影响比其他气象因子大。说明随着相对湿度的增加以及温度、风速和光照的减弱，颗粒物浓度增大;反之，颗粒物浓度减小。

4    参考文献

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