秋季主要庭院树种空气颗粒物日变化规律研究

王 茜，王 成，张中霞，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）

随着工业城市的发展，带来一系列环境问题严重威胁到居民的生活质量。这其中大气环境、温室效应等气候特征的变化影响着我们日常生活[1]。空气颗粒物悬浮在空气中降低能见度，影响气候变化，是大气环境污染的重要组成，成分复杂、来源多样，又称气溶胶，其以固态、液态形式的颗粒状物质分散在大气当中[2-3]。国内外学者的研究发现，颗粒物可以吸附多环芳烃和重金属等对人体有危害的物质，具有很强的吸附能力，从而影响植物光合作用及生长，影响动物正常生理活动，影响人类身体健康[4]。人体的一些慢性健康问题的出现与大气颗粒物的影响有直接关系，而PM10、PM2.5等细颗粒物在大气中留存时间长，危害更严重，吸入肺以后可以引发呼吸道疾病，甚至可能导致心脏病发作和提高人体肺部癌变的风险[5]。同时，颗粒物还能通过吸收太阳光的散射和发生光化学反应等方式，降低环境空气质量，影响都市生态环境。本研究以福建柏林为研究对象，对其林内外秋季颗粒物日变化进行了分析，以期为林业资源管理、开发建设提供参考。

1 研究区概况和研究方法

位于闽侯东南方向的旗山森林公园，面积约900hm2，地理位置为东经 107°24'，北纬 24°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左右。福建柏林地面积约4.5hm2，密度为5921 株/hm2。

1.1 样地选择

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

1.2 测量指标的方法

2017年10月中旬选择10天无阴雨天气，用美国产的颗粒物检测仪，测定高度1.2～1.5m处4种粒径空气颗粒物浓度，每次3个重复，并同步检测其他森林环境质量指标。从7:00-19:00间隔两个小时观测一次。春季福建柏林内外日变化取10天观测的平均值。

数据使用EXCEL2003和SPSS16.0分析软件进行图标的制作和方差分析。

2 结果与分析

2.1 空气颗粒物的总体日变化

从福建柏林内外颗粒物日变化水平来看，林内外差异不大，用单因素方差分析（LSD多重比较法）结果表明，林内外在17:00或（19:00）4种粒径空气颗粒物浓度差异显著（P〈0.05）。林内外四种粒径颗粒物浓度的日变化趋势相似，均呈“V”型，只是TSP和PM10浓度的低谷期较林缘提前。林内外均在7:00出现全天的第1个高峰、林内在19:00而林外在17:00(TSP、PM10、PM2.5)或者 19:00（PM1.0）出现全天的第2个高峰；林内外均在11:00-13：00出现低谷。出现这种高峰和低谷值的原因可能是：白天风速大且气温快速升高，特别是7:00-11:00时风速突然变大，而湿度却减小，空气对流活动加强，这种天气条件对颗粒物的扩散十分有利，使浓度最低。傍晚17:00-19:00是游客集中返程的时间段，人流量和车流量都明显增加，人为活动和汽车尾气排放产生的空气污染被输送到福建柏林内，导致其颗粒物浓度瞬间增大；同时附近居民准备晚餐排放的炊烟也会为空气颗粒物浓度做较大贡献[6]。从空气颗粒物总体日变化规律分析来看，春季福建柏林内外上午最适合进行游憩活动，考虑到空气颗粒物污染的集中时间段，傍晚外出活动对人体健康较为不利。

2.2 各种粒径空气颗粒物日变化差异

图2 林内外不同粒径颗粒物浓度日变化

表1 4种不同粒径空气颗粒物与小气候之间的相关性分析

对于福建柏林内外，13:00和19:00是TSP的两个峰值出现的时间，而 9:00（林内外）和15:00（林内）或17:00（林外）是两个低谷值出现的时间，PM10与TSP的相比的差异是林外的低谷值从9:00提前到7:00。13:00和19:00是林内外PM2.5的两个峰值出现的时间；9:00和15:00是其两个低谷值出现的时间。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。说明细颗粒物对周围环境比较敏感，早晨林内外提前达到最低值，下午17:00（林外）又提前达到第2个高峰。

2.3 不同粒径颗粒物与小气候之间的相关性分析

从表1的数据得出，空气温度与光照强度均与空气颗粒物浓度呈正相关，而相对湿度、平均风速与其呈负相关，且林外的颗粒物浓度与风速呈显著负相关，与相对湿度呈极显著负相关。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〉空气温度〉相对湿度〉光照强度（林外光照强度〉相对湿度）。这是因为空气湍流运动对污染物的扩散起决定作用，而湍流的混合状况又是风日变化差异的又一主要因素，在风的作用下污染物被输送到远处，且风速与被传送的距离呈正相关[7]。另一方面在维持弱气压场、风力较小的不理想扩散的气象条件时，相对湿度可以对颗粒物有洗刷作用，稀释了空气中的颗粒物浓度[8-9]。温度主要对大气垂直对流产生影响，温度越高，越有利于颗粒物的扩散，但也有一定的阙值。这与有些学者对北京地区的观测结果相反[10]。究其原因，秋季福州出现逆温[11-12,9]，大气对流运动较弱，颗粒物难以得到转移扩散，加重污染。从小气候因子与4种不同粒径颗粒物的相关性分析来看：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[13]。

3 结论与讨论

（1）从福建柏林内外颗粒物日变化水平来看，林内外差异不大，林内外在17:00或（19:00）四种粒径空气颗粒物浓度差异显著（P〈0.05）。林内外四种粒径颗粒物浓度变化相似，变化曲线均呈“V”型，只是TSP和PM10浓度的低谷期较林缘提前。林内外均在7:00出现全天的第1个高峰、林内在19:00而林外在17:00(TSP、PM10、PM2.5)或者 19:00（PM1.0）出现全天的第2个高峰；林内外均在11:00-13：00出现全天的低谷。

（2）4种不同粒径空气颗粒物日变化趋势大体相似，13:00和19:00是TSP的两个峰值出现的时间，而 9:00（林内外）和15:00（林内）或 17:00（林外）是两个低谷值出现的时间，PM10与TSP的相比的差异是林外的低谷值从9:00提前到7:00。13:00和19:00是林内外PM2.5的两个峰值出现的时间；9:00和15:00是其两个低谷值出现的时间。

（3）天气条件对颗粒物浓度的影响机理比较复杂，本研究发现高温、低湿、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。今后还应就其他环境质量指标对其的影响机理作更加深入的研究。

（4）福州森林公园受城市污染环境的影响较小，反映的是良好森林环境条件下的变化特点；而有些学者对市区森林公园的研究对象特点是城市环抱公园，受城市大气污染的影响较严重，城市污染空气的输送对林内颗粒物浓度的影响较大。从这两种环境背景下的森林公园的差异研究可以看出，森林在不同环境条件影响下，其滞尘效果会有差异。在条件比较复杂和颗粒物浓度较高的城市污染背景下森林的滞尘能力明显下降。其他学者在上海、重庆、广州的研究也发现7:00-9:00和19:00-21:00是颗粒物浓度的高峰期[16]，说明在同一个季节，但地点、气象条件、研究背景等的不同，颗粒物浓度出现高峰或低谷的时间也不一致。