重慶城郊森林植被調控大氣PM2.5和PM10的時空效應

王軼浩，凱旋，薛蘭蘭，謝雙喜

1.重慶市林業科學研究院//重慶三峽濕地生態系統國家定位觀測研究站，重慶 400036；2.中國科學院生態環境研究中心，北京 100085；3.貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025

重慶城郊森林植被調控大氣PM2.5和PM10的時空效應

王軼浩1,2，凱旋3，薛蘭蘭1，謝雙喜3

1.重慶市林業科學研究院//重慶三峽濕地生態系統國家定位觀測研究站，重慶 400036；2.中國科學院生態環境研究中心，北京 100085；3.貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025

2014年8月—2015年7月，以重慶市空氣質量發布系統唐家沱監測點（代表城區）為對照，在重慶鐵山坪國家森林公園采用高精度手持式空氣測定儀（CW-HAT200）定位監測了森林植被調控下的大氣PM2.5和PM10時空變化。結果表明：重慶城區大氣PM2.5和PM10日變化均呈“雙峰”規律，均分別在12:00、18:00達到峰值，季節變化呈現為冬季＞秋季＞春季＞夏季；城郊森林植被（針葉林、針闊混交林、闊葉林）調控下的大氣顆粒物日變化基本呈“單峰”規律，均在9:00達到峰值，且下午大氣顆粒物質量濃度低于上午，季節變化則表現為冬季＞春季＞秋季＞夏季；城郊森林公園的大氣PM2.5和PM10質量濃度均隨距離增大而呈下降趨勢，在5 km范圍內削減強度分別達到22.30%和22.66%。總體上，城郊森林植被對大氣顆粒物的削減、再分配功能作用明顯，并受林分特征影響；在森林植被調控下，城郊森林公園大氣顆粒物動態變化更趨平緩，并明顯不同于城區。因此，若僅從大氣顆粒物考慮，建議市民在夏季和秋季的13:00—17:00時間段前往城郊森林公園開展休閑游憩活動，且應選擇處于公園核心區的削減大氣顆粒物功能強的林分。

森林植被；大氣顆粒物；時空效應；調控；重慶

隨著生活水平的提高，人們越來越注重生活質量的提高和改善，于是新鮮的空氣、潔凈的水、安全的食物等日漸成為人們追捧的“生活元素”。然而，近年來，中國城市霧霾已成為嚴重制約人們生活質量改善的重要因素，尤其是在一些大城市及特大城市。森林植被具有調控大氣顆粒物、提供負氧離子等凈化空氣的功能（Beckett et al.，2000；王軼浩等，2014）。那些既具有良好的自然植被，又融入人文因素，同時，基礎設施也較為完備的森林公園成為人們日常休閑游憩的重要去處，其中城郊森林公園則更受歡迎。因此，科學引導人們在城郊森林公園休閑游憩將是十分必要的。目前，關于大氣顆粒物的研究大多數集中在組成及來源（潘復盛等，2001；徐敬等，2007）、動態變化（潘純珍等，2001；Prajapati et al.，2008；Cusack et al.，2012）、影響因素（雷瑜等，2015；李建東等，2015）等方面。結合植被信息的大氣顆粒物調控功能研究已逐漸成為生態學科和環境學科的關注熱點（S?b? et al.，2012；王華等，2013；陳俊剛等，2014），然而在城市近郊森林公園開展植被調控大氣PM2.5、PM10時空效應的研究甚少。而此研究，將對人們科學認識城郊森林公園所發揮的生態服務功能以及科學指導人們在森林公園適時適地開展休閑游憩活動具有十分重要的現實意義。

處于重慶城郊的鐵山坪國家森林公園（E106°39′01″～106°51′45″，N29°34′00″～29°40′00″）于1988年經國家林業部批準成立，森林覆蓋率高達90%，是重慶主城“四大肺葉”之一。本文在鐵山坪森林公園通過定點監測大氣PM2.5和PM10質量濃度，研究其在森林植被調控下的時空變化規律，旨在為定量評價城郊森林植被凈化大氣環境功能（尤其是調控大氣顆粒物功能）提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于重慶市江北區鐵山坪森林公園，距離市中心約25 km，屬中亞熱帶濕潤氣候，年降水量1100 mm左右，年均氣溫18 ℃。該地為四川盆周低山丘陵區，最高海拔579 m，土壤以由砂巖發育而來的山地黃壤為主，土層厚度主要變化在40～80 cm。鐵山坪森林公園現有森林面積1200 hm2，植物種類81科260種。森林植被以天然次生林為主，林分分層現象較為明顯，上層主要為馬尾松（Pinus massoniana），伴生有少量的香樟（Cinnamomum camphora）、楠木（Phoebe zhennan）等，下木層主要有木荷（Schima superba）、杜英（Elaeocarpus sylvestris）、杉木（Cuninhama lanceolata）、毛桐（Mallotus barbatus）、白櫟（Quercus fabric）等；草本層以姬蕨（Hypolepis punctata）、黑足鱗毛蕨（Dryopteris fuscipes）等種類為主。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計

在鐵山坪森林公園中心地帶，選擇具有代表性的針葉林、針闊混交林和闊葉林，分別設置20 m×20 m的固定樣地，作為森林公園植被調控大氣PM2.5和PM10時間效應的定位監測點。固定樣地基本情況見表1。同時，以森林公園西大門入口處為始點，沿公園道路分別在0、1、2、3、5 km處設定監測點，作為森林公園植被調控大氣PM2.5、PM10空間效應的定位監測點。此外，以重慶市空氣質量發布系統（http://222.177.117.35:8021/ HistoryDay/HistoryDayMain.aspx）的唐家沱監測點（代表重慶城區）為對照，該監測點距離鐵山坪森林公園約5 km，將其測定數據作為對照值。

1.2.2 數據采集

在2014年8月—2015年7月間，每月采用高精度手持式空氣測定儀（CW-HAT200）在各監測點測定大氣PM2.5、PM10質量濃度2～3次，每次測定均在上午9:00—10:00之間，測定高度在1.4 m左右。每次測定時，同步對比唐家沱監測點的大氣PM2.5和PM10質量濃度值。大氣顆粒物日變化測定則是每月選擇晴朗天氣測定1次，測定時間為6:00—19:00，每隔1 h測定1組數據，最后取監測期內各時間點的平均值。

表1 固定樣地基本情況Table1 The basic situation of sample plots

2 結果分析

2.1 森林植被調控大氣PM2.5和PM10的日變化

由圖1可知，唐家沱對照監測點的大氣PM2.5和PM10日變化均呈現較為明顯的“雙峰”規律，均分別在12:00、18:00達到峰值，其中，PM2.5質量濃度為81 μg?m-3和73 μg?m-3；大氣PM10質量濃度為132 μg?m-3和128 μg?m-3。其最為明顯的“拐點”分別出現在6:00、17:00和18:00，其中，在6:00—7:00、17:00—18:00時間段，唐家沱對照監測點的大氣PM2.5和PM10質量濃度均顯著增加，增幅分別達到29.63%、12.44%和47.45%、25.85%，而在18:00—19:00時間段，大氣PM2.5和PM10質量濃度均顯著減小，減幅分別達到29.77%、15.01%。可見，對照監測點大氣PM2.5和PM10質量濃度變化與人為活動規律較為吻合，說明其大氣PM2.5和PM10質量濃度受人為活動影響較為明顯。

與對照監測點相比，森林植被調控下的大氣PM2.5和PM1質量濃度日變化呈現的“雙峰”規律并不明顯，變化過程也更趨平緩，基本呈“單峰”規律（圖1）。不同森林類型（針葉林、針闊混交林和闊葉林）調控下的大氣PM2.5和PM10質量濃度日變化基本一致，均是從6:00開始上升直到9:00達到峰值（分別為52、53、53 μg?m-3和103、104、105 μg?m-3），之后呈逐漸下降趨勢。其明顯的“拐點”出現在6:00和18:00，并且在18:00之后，大氣PM2.5和PM10質量濃度均快速下降，至19:00達到監測時段內的最低值。雖然城郊森林公園內的大氣顆粒物主要來自城區，并受其影響，但在森林植被調控下，大氣顆粒物的動態變化過程發生了明顯變化，這表明森林植被對大氣顆粒物具有明顯的削減、再分配等調控作用。總體來看，下午森林植被的大氣顆粒物質量濃度低于上午，13:00—17:00這個時間段更適合市民開展休閑游憩。

2.2 森林植被調控大氣PM2.5和PM10的季節變化

唐家沱對照監測點和城郊森林內的大氣PM2.5和PM10質量濃度均呈現明顯的季節變化規律（表2），均表現為冬季最大，夏季最小，春季和秋季居中，不同的是對照監測點表現為秋季（PM2.5：80 μg?m-3；PM10：120 μg?m-3）＞春季（PM2.5：51 μg?m-3；PM10：93 μg?m-3），而林內（針葉林、針闊混交林、闊葉林）大氣顆粒物質量濃度表現為春季（PM2.5：48、49、50 μg?m-3；PM10：98、101、102 μg?m-3）＞秋季（PM2.5：43、47、46 μg?m-3；PM10：89、97、91 μg?m-3）。這表明重慶城區的霾在秋季和冬季較為嚴重，而城郊森林內的大氣顆粒物污染則在夏季和秋季較輕，此時段更適合市民開展休閑游憩活動。總體上，各監測點大氣顆粒物質量濃度的年平均值都比較高，根據《環境空氣質量標準》（GB3095—2012）的環境空氣污染物濃度限值劃分標準，其尚未達到國家環境空氣二級標準。

圖1 森林植被調控大氣PM2.5和PM10的日變化Fig.1 Diurnal variation of forest vegetation regulating atmospheric PM2.5and PM10

表2 森林植被調控大氣PM2.5和PM10顆粒物的季節變化Table 2 Seasonal variation of forest vegetation regulating atmospheric PM2.5and PM10

森林植被調控下的大氣PM2.5質量濃度在各季節均低于對照監測點，尤其是夏季和秋季，不同森林植被削減大氣PM2.5幅度分別達到54.55%、43.33%。說明森林植被對大氣PM2.5的削減作用明顯，尤其是夏季和秋季，這與夏秋季多雨等氣象條件以及森林植被節律特征有關。不同森林植被削減大氣PM2.5的作用總體表現為針葉林優于針闊混交林和混交林，這可能與針葉林分具有更大葉表面積有關。森林植被對大氣PM10的調控作用則不同于PM2.5，其除在夏季和秋季削減作用（平均削減37.04%和23.06%）明顯外，在冬季和春季的削減作用并不明顯，甚至出現林內大氣PM10質量濃度高于林外（城區對照監測點）的現象，這與陳俊剛等（2014）的研究結果一致。這一方面與森林植被截持、吸附大氣顆粒物的能力有關；另一方面可能與林內局部小氣候較為穩定不利于大氣顆粒物擴散而更容易集聚有關。

2.3 森林植被調控大氣PM2.5和PM10的空間變化

森林植被調控下的大氣PM2.5和PM10存在明顯的空間效應。由圖2可知，在城郊森林公園內，大氣PM2.5和PM10質量濃度均隨距離加大而呈逐漸下降趨勢，其中，大氣PM2.5質量濃度隨距離增大呈對數下降趨勢，不同監測點處（森林公園大門及距離大門1、2、3、5 km）分別減少15.53%、24.37%、32.82%、35.96%和37.83%，在森林公園5 km范圍內PM2.5累計減少22.30%。大氣PM10質量濃度則隨距離增大呈線性下降趨勢，在各距離監測點分別減少1.57%、10.14%、16.85%、21.44%和24.23%，在5 km范圍內累計減少22.66%。這表明距離森林公園邊界越遠，大氣顆粒物濃度越低，也越適合市民休閑游憩。同時也說明，森林植被對大氣PM2.5和PM10的削減能力基本一致。這不僅與森林植被削減大氣顆粒物能力有關，而且與大氣顆粒物的傳輸、擴散特性相關。

圖2 森林植被調控大氣PM2.5和PM10顆粒物的空間變化Fig.2 Space variation of forest vegetation regulating atmospheric PM2.5and PM10

3 討論

3.1 森林植被調控大氣PM2.5和PM10的時間效應

普遍認為，大氣顆粒物存在較為明顯的日變化（于建華等，2004）、月變化（梁隆超等，2015）、季節變化（Prajapati et al.，2008；古琳等，2013）等時間變化規律。本研究中城區監測點大氣顆粒物日變化表現為“雙峰”規律，季節變化表現為冬季＞秋季＞春季＞夏季。發生這種動態變化的主要原因：一是受氣象條件影響。多數研究表明，大氣顆粒物濃度與風速（陳俊剛等，2014）、風向（陳波等，2016）、降雨（梁隆超等，2015）、氣溫（劉旭輝等，2014）等氣象條件密切相關，而重慶春夏季高溫多雨，均能起到降低大氣顆粒物濃度作用。二是受大氣顆粒物排放源的影響，即汽車尾氣排放、燃煤及工業污染等人為活動影響（梁隆超等，2015）。本研究中城區大氣顆粒物日變化規律與人為活動規律吻合較好，即在上下班高峰時段大氣顆粒物都出現明顯的增加，說明其受人為活動影響明顯。城郊森林公園內的大氣顆粒物雖然主要源自城區，但在森林植被調控下，其時間變化規律及其峰值出現時間又明顯不同于城區。本研究中森林植被調控下的大氣顆粒物日變化基本呈“單峰”型，這與郭含文等（2013）研究結果一致，但不同于郭二果等（2009）的研究結果，這一方面可能與林外大氣顆粒物變化規律有關；另一方面與森林植被特征密切相關。而其季節變化表現為春季的大氣顆粒物濃度高于秋季，也不同于城區，這說明秋季森林植被調控大氣顆粒物的能力更強一些。

3.2 森林植被調控大氣PM2.5和PM10的空間效應

森林植被調控大氣PM2.5和PM10具有明顯的空間效應，距離森林公園邊界越遠，大氣顆粒物濃度越低。這主要是因為城郊森林公園的大氣顆粒物主要來自城區，距離大氣顆粒物擴散源越遠，其擴散能力也越弱。同時也與森林植被對大氣顆粒物具有較強削減功能有關。本研究中森林公園西大門距離對照監測點約5 km，大氣PM2.5和PM10僅分別減少15.53%和1.57%，而在距離森林公園西大門1 km處，相比森林公園西大門，其大氣PM2.5和PM10就分別減少8.84%和8.57%（圖2），這足以說明森林植被削減大氣顆粒物的作用明顯。劉旭輝等（2014）研究也表明，榆樹（Ulmus pumila）、榆樹-楊樹（Populus tomentosa）混交林的林帶前大氣PM2.5和PM10均高于林帶中和林帶后。但也有研究表明林帶內的大氣PM2.5濃度比林外還要高（陳俊剛等，2014），正如本研究中針闊混交林和闊葉林的林內年均大氣PM10濃度比城區還要高（表2）。這可能是因為大氣顆粒物隨氣流擴散、傳輸過程中受到林冠阻擋、削能后，氣流減弱，大氣顆粒物容易沉降，從而在林內形成大氣顆粒物集聚的“洼地”效應，而林分自身吸附、截持大氣顆粒物的能力又有限，若這種“洼地”效應超過林分削減大氣顆粒物的能力時，將極有可能發生上述“林內大氣顆粒物濃度高于林外”的現象。

3.3 森林植被調控大氣PM2.5和PM10能力

森林植被調控大氣顆粒物的能力備受學者關注，它除受林外大氣顆粒物濃度以及氣象條件影響外，還與林分結構特征密切相關（Beckett et al.，2000）。目前，國內研究森林植被調控大氣顆粒物能力的方法主要有兩類：一類是通過代表性取樣并結合林分特征參數來評估（王會霞等，2015；王兵等，2015）；另一類是通過林內外定位監測對比來評估（古琳等，2013；劉旭輝等，2014），且以該方法居多。但以上兩類方法均存在一定的局限性，其中，第一類方法并不能反映特定林分在特定時間段（尤其是長時間段）實際調控大氣顆粒物的能力；第二類方法則沒有將植被信息有機結合，只能定性表述，評估結果普適性有限。因此，今后應通過對林內外大氣顆粒物濃度、林分結構特征以及氣象條件的長期定位監測，建立森林植被調控大氣顆粒物能力與林外大氣顆粒物濃度、林分結構調整以及氣象條件的關系模型，并通過對林帶大氣顆粒物濃度進行驗證，從而科學評估森林植被調控大氣顆粒物能力。對于林分結構特征參數，可優先選擇林冠葉面積指數指標（王會霞等，2015），本研究中針葉林調控大氣顆粒物的能力明顯強于針闊混交林和闊葉林，這可能與該針葉林分有較大葉面積指數有關，從表1也可知，針葉林的林分郁閉度（0.92）高于針闊混交林（0.90）和闊葉林（0.75）。

4 結論

重慶城區對照監測點和城郊森林植被監測點的大氣PM2.5和PM10均呈現明顯的時間變化規律。唐家沱對照監測點大氣PM2.5和PM10的日變化呈“雙峰”變化規律，季節變化表現為冬季＞秋季＞春季＞夏季；城郊不同森林植被（針葉林、針闊混交林、闊葉林）調控下的大氣顆粒物日變化則均基本呈“單峰”規律，且下午大氣顆粒物濃度低于上午，季節變化則表現為冬季＞春季＞秋季＞夏季。城郊森林公園內的大氣PM2.5和PM10質量濃度均隨與森林公園邊界距離增大而呈下降趨勢。總體來看，森林植被對大氣顆粒物的削減、再分配功能作用明顯，其能力大小與林分特征密切相關，在其作用下，城郊森林公園內的大氣顆粒物動態變化規律不同于城區。

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Temporal and Spatial Effect of Atmospheric PM2.5and PM10Regulated by Forest Vegetation in the Suburban Park of Chongqing

WANG Yihao1,2, KAI Xuan3, XUE Lanlan1, XIE Shuangxi3
1.Chongqing Academy of Forestry//National Ecosystem Research Station of Three Gorges Wetland, Chongqing 400036, China; 2.Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 3.College of Forestry, Guizhou University, Guiyang 550025, China

From August 2014 to July 2015, taking Tangjiatuo monitoring plot from Chongqing Air Quality Publish System as the contrast, the temporal and spatial changes of atmospheric PM2.5and PM10under the regulation of forest vegetation were monitored by the High Precision Handheld Air Tester (CW-HAT200) in the national forest park of Tieshanping in suburban area, Chongqing.Results showed that the diurnal variation of atmospheric PM2.5and PM10in urban area all presented a “two-peak” pattern and reached the peak at 12:00 and 18:00.The seasonal variation presented for winter＞autumn＞spring＞summer.The diurnal variation of atmospheric PM2.5and PM10under the regulation of forest vegetation (coniferous forest, coniferous and broad-leaved mixed forest, broad-leaved forest) in the park all nearly presented a “one peak” pattern and reached the peak at 9:00.The concentrations of atmospheric particulate matter in the afternoon were less than that in the morning.Its seasonal variation presented for winter＞autumn＞spring＞summer.Atmospheric PM2.5and PM10in suburban forest park all decreased with the distance away from the boundary of forest park.They reduced by 22.30% and 22.66% respectively in the range of 5 km.In general, forest vegetation in suburban forest park has an obvious effect on reducing and redistributing atmospheric particulate matter which is also affect by forest characteristics.The dynamic variation of atmospheric particulate matter under the regulation of forest vegetation is gentler and obviously different from that of urban area.So if only from the point of view of atmospheric particulate matter, it is suggested that people should go to carry out the recreational activities in the suburban forest park at 13:00—17:00 of summer and autumn, and choose the forest stand that is in the core area of park can reduce atmospheric particulate matter strongly.

forest vegetation; atmospheric particulate matter; time-space effect; regulation; Chongqing

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.10.012

X513; S731.3

A

1674-5906（2016）10-1678-06

王軼浩, 凱旋, 薛蘭蘭, 謝雙喜.2016.重慶城郊森林植被調控大氣PM2.5和PM10的時空效應[J].生態環境學報, 25(10): 1678-1683.

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