不同气象条件下道路景观林对大气颗粒物浓度的影响∗

陈亚静 迟增臻 李清殿 刘浩栋 李传荣 肖 茂 郭慧玲 申卫星 谭亚军

1 山东泰山森林生态系统国家定位观测研究站/黄河下游森林培育国家林业和草原局重点实验室 山东泰安 271018

2 青岛市西海岸新区妇幼保健院 山东青岛 266510

3 邹城市自然资源和规划局 山东济宁 273500

4 中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091

5 泰山风景名胜区管理委员会 山东泰安 271000

大气中的悬浮颗粒物作为雾霾的主要成分之一， 尤其是细颗粒物(PM2.5，d<2.5 μm) 和超细颗粒物(PM1，d<1 μm) 严重影响人类健康[1－2]。如何削减(或控制) 颗粒物污染引起了越来越多的关注， 以往的研究表明绿色植物的叶片可吸附、凝并、 沉降大气中的颗粒物， 起到局部改善空气质量的作用， 有效改善空气环境质量[3]， 从而提供了一种改善环境与缓解大气污染压力的选择。

城市道路林是指城市(镇) 内外的各种公路、 铁路、 街道等两侧的行道树、 分隔带、 交叉路口、 桥头等所形成的或将要形成的林带或相关森林类型[4－6]。 研究表明， 城市道路林对颗粒物有良好的削减效果[7]， 但不同类型道路林对颗粒物的削减作用差异很大[8]， 主要体现在叶片结构差异[9]、 群落结构差异[10]和林龄[11]等。 一般来说， 针叶树种的削减作用显著高于阔叶树种， 混交林削减作用显著高于纯林[12]， 但是不同类型混交林对颗粒物的削减效应的研究相对较少。

目前针对城市道路景观林的生态防护功能的研究主要体现在对颗粒物的时空变化[13]、 季节差异[14]、 滞尘效果[15]等方面， 而对气象作用的研究相对滞后。 研究表明， 不同气象条件显著影响道路景观林内大气颗粒物的质量浓度， 尤其是在降雨和大风气象条件下削减效果最为显著[16]。 因此， 本研究以山东省泰安市城市道路林为研究对象， 通过调查分析不同气象条件下针阔混交林和阔叶混交林内颗粒物浓度的变化以及削减率， 探讨气象条件和混交林类型对颗粒物削减效应的影响， 为了解城市大气颗粒物在不同气象条件下的变化特征和防治措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

泰安市位于山东省中部， 地处116°20′—117°59′ E， 35°38′—36°28′ N， 总面积约7 761 km2。 整体地势自东北向西南倾斜， 拥有山地、 丘陵、 平原、 洼地、 湖泊等多种地貌类型。 属于温带半湿润大陆性季风气候区， 四季分明， 雨热同季。 全市年平均日照数为2 627.1 h， 年平均气温12.9 ℃， 年平均降水量697 mm， 受季风气候影响， 年内降水多集中于夏季， 占全年降水量的65.2%。

1.2 试验材料与试验设计

为分析不同气象和不同混交林类型大气颗粒物浓度的水平梯度变化， 本研究选择泰山大街、岱宗大街和龙潭路作为研究地点， 针阔混交林(Conifer-Broadleaf Forest， CBF) 和 阔 叶 混 交 林(Broadleaf Mixed Forest， BMF) 为研究对象， 结构配置为前灌木和草本后乔木， 株行距总体为2 m×2 m。 每个类型设置3 个重复(表1)。 选择冬季出现频率较高， 且对大气颗粒物具有明显集聚、扩散等效应的气象类型作为典型气象条件开展林内和林外同步监测， 跟踪记录气象实况。 根据前人的研究[15]， 选择如下气象类型进行观测: “晴朗微风” 3 天(2016 年12 月12—14 日， 风力小于3 级)； “雨后晴天” 3 天(2016 年11 月26—28 日)； “阴天” 3 天(2016 年12 月3 日、 12 月21 日、 12 月22 日)； “雾霾” 3 天(2017 年1 月2 日， 1 月4 日， 1 月8 日)。

以道路设置对照点， 垂直道路边设置4 组监测点， 即分别为道路(对照) －林缘－林内－林外，间隔 为5 m。 监 测 时 段 为8 ∶ 00、 10 ∶ 00、12 ∶00、 14 ∶00、 16 ∶00、 18 ∶00。 在每处离地面1.5 m (人平均呼吸高度) 采用颗粒物浓度检测仪 (Dustmate， 英国Turnkey 公司， 分辨率:10 μg·m－3； 测量范围: 0～6 000 μg·m－3) 同步监测所有样地空气中总悬浮颗粒物(Total Suspended Particulate， TSP)、 可 吸 入 颗 粒 物(Inhalable Particles， PM10)、 PM2.5和超细颗粒物(Ultrafine Particle， PM1) 质量浓度， 大气颗粒物浓度设定为每1 min 计量1 次。

表1 样地基本情况调查表

1.3 数据处理

不同类型道路林对颗粒物削减效应采用削减百分率计算公式[17]:

式(1) 中:P为道路林削减率；C为道路颗粒物浓度；Ci为各监测点大气颗粒物浓度。

数据在Excel 2016 进行整理， 其中颗粒物浓度和削减率差异采用LSD 和Duncan 法在SPSS 22.0 进行多重比较。 作图采用Origin 2018。

表2 不同气象下颗粒物变化

2 结果分析

2.1 不同气象条件下空气颗粒物的变化

在“晴朗微风” 气象下， 针阔混交林和阔叶混交林中颗粒物浓度随着与道路距离的增加而降低(表2)， 这说明两种道路林对颗粒物有一定的阻滞作用。 阔叶混交林中颗粒物的浓度均高于针阔混交林， 从林缘到林内， 不同粒径的颗粒物浓度降低幅度均较大。 “雨后晴天” 气象下， 颗粒物浓度与“晴朗微风” 时一致， 均为下降趋势。对比林带不同位置的颗粒物浓度可以看出， 林带内颗粒物含量较林缘下降幅度较大， 其中PM1下降幅度最大， 分别为13.99%和14.71%。 “阴天”和“雾霾” 气象下， 不同颗粒物浓度在针阔混交林和阔叶混交林中的变化趋势与“晴朗微风” 和“雨后晴天” 相反， 为上升趋势， 表明道路林对颗粒物起到聚集作用。

2.2 不同气象条件下道路林对颗粒物的削减作用

不同气象条件下， 针阔混交林和阔叶混交林对颗粒物的削减效果如图1。 “晴朗微风” 气象下， 针阔混交林和阔叶混交林对细颗粒物有较好的削减效果， 但差异不显著(p>0.05)， 对TSP 的削减率分别为12.24%和10.82%。 “雨后晴天” 气象下， 针阔混交林和阔叶混交林对粗、细颗粒物的削减效果存在显著差异(p<0.05)，对TSP 削减率分别为11.11%和12.99%； 对PM10的削减率为15.40%和19.12%， 说明阔叶混交林对粗颗粒物的削减效果较好。 “阴天” 气象下， 阔叶混交林对PM10有一定的削减效果，削减率为0.55%， 但对其他颗粒物均有一定的聚集效应， 尤其是对TSP 削减率为－3.11%； 而针阔混交林对颗粒物均有一定的聚集效果， 但是对细颗粒物的聚集效果明显(PM1， －5.81%和PM2.5， －3.15%)。 “雾霾” 气象条件下， 两种混交林对颗粒物的聚集程度都较高， 尤其是PM10和PM2.5， 针阔混交林显著高于阔叶混交林(p<0.05)。

图1 不同绿化配置模式下颗粒物的日平均削减率

2.3 影响颗粒物削减率因素分析

本研究以道路林类型、 气象条件和颗粒物类型为主效应因子， 探讨三者及其交互作用对颗粒物削减的影响。 结果表明(表3)， 不同因子对颗粒物的削减效果存在显著差异， 其中气象因素极显著影响颗粒物的削减率(p<0.01)， 其次是颗粒物类型(p＝0.018)， 而道路林类型和各因子之间的交互作用对颗粒物削减效果影响不显著(p>0.05)。

表3 影响削减率因素的方差分析

3 结论

1) 气象条件显著影响道路景观林对颗粒物的削减作用， 且对不同颗粒物类型的削减效果不一致。

2) 在“晴朗微风” 和“雨后晴天” 气象条件下， 两种道路林类型对颗粒物均存在一定程度的削减作用。 “晴朗微风”， 针阔混交林对PM1的削减率 (20.42%) 显著高于阔叶混交林(17.64%)； “雨后晴天”， 阔叶混交林对TSP(12.99%) 和PM10(19.12%) 的削减率显著高于针阔混交林(11.11%和15.40%)。 但是在阴天和雾霾气象下， 道路林对颗粒物有聚集作用(PM10除外)。

3) 针阔混交林整体上对颗粒物的削减作用要强于阔叶混交林， 而气象条件和颗粒物类型显著影响道路林对颗粒物的削减率。

4 讨论

空气颗粒物浓度的变化是多维因子协同作用的结果， 研究表明， 气象可能是影响道路林内颗粒物质量浓度的主要因子[15]。 本研究结果表明，不同气象条件下颗粒物浓度差异显著。 “雨后晴天” 气象下的TSP 浓度最低， 而雾霾气象下最为严重， 这与赵冰清[18]和师远哲[19]的研究结果一致， 主要是由于降雨对颗粒物有很好的沉降作用[13]。 在“晴朗微风” 和“雨后晴天” 气象下，颗粒物浓度由林缘向林内呈现衰减趋势， 而在阴天和雾霾气象下， 道路林反而会聚集颗粒物， 导致林内颗粒物的浓度急剧升高， 这与以往的研究结果是一致的[13]， 说明道路林对颗粒物的作用存在双向性。 削减率分析结果表明， “雨后晴天”气象下的削减率最高， 主要原因是植物对颗粒物的削减主要是叶片滞留， 滞留在叶片上的颗粒物会通过再悬浮回到大气中[20]， 而降雨能够很好地去除叶片的颗粒物[21]， 使叶片重新具有滞留能力。 在“晴朗微风” 气象下， 道路林附近的颗粒物主要来源于交通排放， 道路林对其具有较强的隔离作用[22]， 但因其叶片颗粒物累积量饱和及湿度低等因素影响， 导致林内颗粒物比“雨后晴天” 较高。 “阴天” 和“雾霾” 时， 细颗粒物比例较大[19]， 更容易在林带内积累、 富集[23]， 导致林内颗粒物浓度较高。

植物对颗粒物具有较好的削减作用[24]。 本研究结果表明， 针阔混交林和阔叶混交林对颗粒物的削减率存在差异。 对于针阔混交林而言， 本研究样地中优势树种为油松、 雪松、 悬铃木和龙柏，其叶片形状细小复杂、 边缘不规则， 易形成湍流，利于颗粒物沉降； 而松树(油松) 的捕获能力更强， 当颗粒物与叶片接触时， 会滞留、 附着和粘附在叶片上[25－27]， 而后随着降雨或风进入到土壤或者分散到空气中。 由于样地中雪松比例较高，其挥发物含有大量的萜烯类化合物， 其在空气中易形成气溶胶， 引起颗粒物的沉降， 滞尘效果更好[28－30]。 对于阔叶混交林而言， 优势树种为国槐、 银杏、 大叶黄杨和栾树， 其具有反复滞留颗粒物的优势， 尤其是大叶黄杨能够反复吸附颗粒物， 但是滞留在叶片的颗粒物不易被冲刷[31]， 造成颗粒物在叶片的堆积， 导致颗粒物累积量下降。可见， 天气和颗粒物类型显著影响道路林对颗粒物的削减率。

随着森林生态系统服务功能的发展， 在城市森林生态系统中， 不仅要考虑道路林的景观性和生态防护性， 更应着重强调其服务功能的转化和环境友好性， 根据不同功能需求进行合理的配置，发挥最佳的生态服务功能， 营造更加舒适的城市环境。