石门国家森林公园空气颗粒物动态变化及评价*

高瑶瑶 潘勇军 张华

随着工业化和城市化进程的加快，我国空气质量状况令人堪忧，并且空气污染物中的颗粒物（PM）对人体产生较大危害[1～3]。直径≤10 μm的颗粒物为可吸入颗粒物（PM10），这是人体上呼吸道感染的罪魁祸首；直径≤2.5 μm的为细颗粒物（PM2.5），可能对人体支气管末端造成损伤，干扰肺部气体交换[4]。因此，空气颗粒物浓度的时空变化是评价大气质量一个重要标准。

根据广州市环境保护局2019公布的数据[5]，广州市全年空气质量略有下降，与2018年相比，空气质量达标天数减少5.2%；PM10年均值上升6.0%，其中南沙区、白云区PM10浓度增幅最大；从化区、南沙区PM2.5浓度增幅也较大。空气质量的下降使市民对清新、干净的空气需求越来越强烈，故寻找大气环境舒适的游憩场所，满足市民生理及心理上的需求至关重要。因此，在广州市石门国家森林公园进行空气颗粒物时空变化规律及空气质量评价研究，将为掌握城市森林公园对空气颗粒物的调控能力提供基础[6～7]，为城市森林公园合理开发森林游憩功能提供科学理论依据[8]。

1 研究区概况

石门国家森林公园（113′45″E，23′27″N）位于从化区东北部，距广州市区86 km，总面积2 636 hm2，森林覆盖率达98.9%，次生林面积1 067 hm2。其属于南亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，年平均降雨量约2 000 mm， 80%以上的降水量集中在4—9月；冬暖夏凉，具有明显的山地气候特征，年均气温为21℃，夏季比广州中心城区的温度低6～8℃，年气候舒适日达200 d以上[9]。公园植被类型多，物种丰富度极高，已知有维管束植物1 090种，其中蕨类植物106种，种子植物976种[10]。

2 研究方法

2.1 观测点选择

绿阔叶林）4种典型生境类型的群落作为试验样地（图2），各样地面积为20 m×20 m，且坡度较缓，适合开展森林游憩活动。每块试验样地采用“S”型取样法设置3个观测点，作为3个重复。

2.2 观测方法

1995年经国家林业部批准，在石门国家森林公园建立了第一家国际森林浴场，目前在此基础上规划了森林康养基地（图1）。为了解不同生境类型的空气质量，在规划的基地内建立标准气象观测场，并且采用典型抽样法，根据试验需要结合实地踏查筛选后，确定花海（草本植物群落）、湖心岛（靠近水体森林）、竹林、国际森林浴场（常

通过研究广州市近5年气象数据，根据降雨量与降雨频率，划分旱季和雨季作为广州市的典型天气。跟踪记录气象数据并在试验日监测记录气象实况，筛选气象数据与要选择的气象条件相符的观测数据作为典型天气的代表数据。旱季和雨季的观测时间分别为2018年11—12月、2019年6—7月，各选择5天典型天气，旱季选择“连续晴天”，雨季选择“雨后晴天”。

图1 石门国家森林公园康养基地区位图

图2 空气颗粒物监测样点区位图

观测期间，每天监测4种生境的空气颗粒物。采用美国Metone Aerocet 531S 便携式PM值/粒子计数器，测试粒径包括PM1、PM2.5、PM4、PM7、PM10和TSP（总悬浮颗粒物），PM值浓度模式量程为 0～1 000 μg /m3，分辨率为0.1 μg /m3，取样时间为1 min，数据输出采用配套软件远端控制保存数据。每天8:00—18:00整点测定各监测点的PM1、PM2.5、PM4、PM7、PM10、TSP 浓度，测定时将仪器平放在高度1.3～1.5 m的三脚架上，每个监测点在东西南北4个方向各测量1次。

2.3 评价方法

根据《环境空气质量标准（GB3095-2012）》[11]中 TSP、PM10和 PM2.5的质量浓度等级来评价空气质量（表1）。鉴于我国还未将颗粒物小时平均质量浓度值纳入空气环境质量标准，故采用日平均颗粒物质量浓度进行评价。

3 结果与分析

3.1 空气颗粒物时空动态变化

3.1.1 不同监测点空气颗粒物时间动态变化

由监测结果（表2）可知，石门国家森林公园TSP、PM10、PM2.5浓度分别为 76 μg/m3、72 μg/m3、44 μg/m3，小粒径占比PM10/TSP为94.73%，PM2.5/TSP为57.89%。空气颗粒物每项指标均为旱季＞雨季，其存在显著性差异（P＜0.05）。旱季小粒径占比例PM10/TSP为96.20%，PM2.5/TSP为68.35%，雨季小粒径占比例PM10/TSP为93.15%，PM2.5/TSP为47.94%，雨季小粒径占比远小于旱季，说明降雨不仅能降低颗粒物浓度，更重要的是还能降低可吸入颗粒物的占比，从而起到保护人体健康、净化大气环境的作用。主要原因是雨季空气相对湿度较高，其与空气污染物呈负相关：空气中水分含量较多时，空气污染物扩散速度减弱，并溶于水中，在重力作用下沉降，特别是在降雨时，空气中的污染物、植物叶片滞纳污染物都随雨水落入土壤中，净化空气；降雨后温度升高，空气负离子含量增多，与污染物结合后沉降[12]。

表1 空气颗粒物质量浓度评价标准

表2 石门国家森林公园空气颗粒物

在旱季，各监测点日变化趋势存在明显差异，同一监测点的TSP、PM10、PM2.5日变化规律基本一致，且各时间点TSP和PM10浓度最为接近（图3～6）。1）森林浴场的 TSP、PM10、PM2.5浓度均在 8:00—11:00呈下降趋势，最大值在8:00为77 μg/m3、76 μg/m3、53 μg/m3，11:00出现最小值为 46 μg/m3、44 μg/m3、28 μg/m3，11:00—13:00 浓度均增高，14:00—15:00浓度急剧增高，15:00—16:00浓度急剧下降，16:00之后呈上升趋势，日较差为31 μg/m3、32 μg/m3、25 μg/m3。2） 湖心岛TSP、PM10、PM2.5浓度均在8:00—11:00开始下降，11:00—15:00平缓波动，15:00—16:00浓度均急剧下降，16:00出现最小值为 69 μg/m3、67 μg/m3、51 μg/m3，16:00—18:00浓度急剧增加，最大值在18:00为103 μg/m3、101 μg/m3、79 μg/m3，日 较 差 为 34 μg/m3、34 μg/m3、28 μg/m3。3） 竹 林TSP、PM10浓 度均在8:00—10:00开 始 下 降，10:00—12:00急剧上升，12:00出现最大值 为 169 μg/m3、116 μg/m3，12:00—15:00下降趋势，15:00出现最小值为66 μg/m3、64μg/m3，之后处于上升趋势；PM2.5浓度8:00—16:00平缓波动，最小值在12:00为45 μg/m3，最大值在13:00为63 μg/m3，之后处于上升趋势。竹林TSP、PM10、PM2.5浓度日较差为103 μg/m3、52 μg/m3、18 μg/m3。4）花海 TSP、PM10、PM2.5浓度8:00—10:00开始下降，10:00出现最小值为60 μg/m3、56 μg/m3、41 μg/m3，10:00—16:00波动增长，16:00之后急剧上升，最大值在 18:00 为 114 μg/m3、113 μg/m3、88 μg/m3， 日 较 差 为 54 μg/m3、57 μg/m3、47 μg/m3。

在雨季，由监测结果（图7～10）可知：1）森林浴场 TSP、PM10、PM2.5浓 度 均 在 8:00—9:00、11:00—13:00、14:00—16:00呈下降趋势，16:00出现最小值为25 μg/m3、24 μg/m3、12 μg/m3，其余监测时段浓度均增高，14:00出现最大值为57 μg/m3、54 μg/m3、28 μg/m3，日 较 差 为 32 μg/m3、30 μg/m3、16 μg/m3；2）湖心岛 TSP、PM10、PM2.5浓度均在 8:00—9:00、11:00—13:00、14:00—16:00呈下降趋势，16:00出现最小值为 42 μg/m3、40 μg/m3、21 μg/m3，其余监测时段浓度均增高，14:00出现最大值为77 μg/m3、70 μg/m3、32 μg/m3， 日 较差为 35 μg/m3、30 μg/m3、11 μg/m3；3）竹林TSP、PM10、PM2.5浓度均在8:00—13:00、14:00—15:00、16:00—18:00呈上升趋势，13:00出现最大值为112 μg/m3、108 μg/m3、64 μg/m3，13:00—14:00、15:00—16:00浓度均减小，8:00出 现 最 小 值 为 29 μg/m3、27 μg/m3、12 μg/m3，日较 差 为 83 μg/m3、81 μg/m3、52 μg/m3；4）花海TSP、PM10、PM2.5浓 度 均 在 8:00—13:00趋势平缓，最小值在9:00为59 μg/m3、56 μg/m3、27 μg/m3，13:00—15:00浓度急剧增加，15:00出现最大值为 342 μg/m3、325 μg/m3、142 μg/m3，15:00—16:00浓度急剧下降，之后平缓增加，日较差为283 μg/m3、269 μg/m3、115 μg/m3。

3.1.2 不同监测点空气颗粒物空间动态变化

图3 旱季森林浴场空气颗粒物日变化

图4 旱季湖心岛空气颗粒物日变化

图5 旱季竹林空气颗粒物日变化

图6 旱季花海空气颗粒物日变化

图7 雨季森林浴场空气颗粒物日变化

图8 雨季湖心岛空气颗粒物日变化

图9 雨季竹林空气颗粒物日变化

图10 雨季花海空气颗粒物日变化

由统计结果（图11～13）可知，石门国家森林公园TSP、PM10平均浓度在各监测点排序为花海＞竹林＞湖心岛＞森林浴场，PM2.5平均浓度排序为花海＞湖心岛＞竹林＞森林浴场。TSP浓度在旱季和雨季均表现为花海＞竹林＞湖心岛＞森林浴场，且存在极显著差异（P＜0.01）。雨季花海TSP浓度是森林浴场的2.86倍、湖心岛的1.92倍、竹林的1.71倍，旱季花海TSP浓度是森林浴场的1.93倍、湖心岛的1.36倍、竹林的1.20倍。PM10浓度在雨季表现为花海＞竹林＞湖心岛＞森林浴场，旱季竹林＞湖心岛＞花海＞森林浴场，且存在极显著差异（P＜0.01）。雨季花海PM10浓度是森林浴场的2.82倍、湖心岛的2.01倍、竹林的1.71倍，旱季竹林PM10浓度是森林浴场的1.45倍、花海1.13倍、湖心岛的1.03倍。PM2.5浓度在雨季表现为花海＞竹林＞湖心岛＞森林浴场，旱季湖心岛＞花海＞竹林＞森林浴场，且存在显著差异（P＜0.05）。雨季花海PM2.5浓度是森林浴场的2.54倍、湖心岛的1.99倍、竹林的1.59倍，旱季湖心岛PM2.5浓度是森林浴场的1.55倍、竹林的1.12倍、花海的1.09倍。

综上所述，森林浴场在旱季和雨季发挥净化颗粒物的作用最大。其主要原因是浴场“乔-灌-草”结构完善，在颗粒物进入后每一层植物的叶、茎、枝都起到阻隔、滞纳、吸收的作用，降低了颗粒物含量。而花海的植被“破碎化”严重，裸露的土地面积大，对颗粒物的削弱作用微弱，且花粉进入空气后会二次增加TSP；再者花海的游客量大，活动频繁，易形成粉尘飞扬现象，因此花海的空气颗粒物含量较高。

3.2 石门国家森林公园空气保健功能评估

根据监测到的不同粒径空气颗粒物日平均水平（表3）可知，石门国家森林公园各监测点的空气质量等级均在“Ⅱ”及其以上，未达到污染水平，且4个监测点的TSP浓度全部达到“Ⅰ”，说明石门国家森林公园规划的康养基地在大气颗粒物指标上完全符合国家标准，且空气颗粒物指标对其森林康养、森林旅游等活动的时间和地点均无限制。

4 小结

图11 不同监测点TSP浓度

图12 不同监测点PM10浓度

图13 不同监测点PM2.5浓度

表3 石门国家森林公园不同粒径空气颗粒物日平均水平评价

石门国家森林公园TSP、PM10、PM2.5浓度在旱季和雨季表现出较大差异，影响其浓度原因有两方面，一是旱季和雨季气象因子不同，比如降雨、风速等；二是游客人为影响，比如游人的活动使土壤破碎，在风的作用下形成颗粒物。石门国家森林公园监测点不同粒径颗粒物等级均在“Ⅱ”及其以上，尚未达到污染水平，其中森林浴场的平均TSP、PM10、PM2.5都达到“Ⅰ”，湖心岛的平均TSP和PM2.5也达到“Ⅰ”。因此，从空气颗粒物对身体影响考虑，石门国家森林公园的建议最佳康养时间为6—7月，地点选择以森林浴场为主。

根据监测结果，建议石门国家森林公园在后期建设上可以加强对森林浴场和湖心岛的开发利用，尤其是在森林浴场进行森林康养基地建设，康养理疗效果更佳。