杭州城市森林區和居民區大氣顆粒物濃度特征的差異性研究

任曉旭，胡亞芬，高 月，華錦欣

(1.杭州市林業科學研究院，浙江 杭州 310022；2.浙江旅游職業學院，浙江 杭州 310022；3.杭州市林木種苗管理中心，浙江 杭州 310000；4.中國林業科學研究院林業科技信息研究所，北京 100091)

【研究意義】大氣顆粒物是大氣環境中化學組成最復雜、危害最大的污染物之一[1]。細顆粒物(特別是直徑小于2.5 mm的顆粒物)對能見度、輻射強度和公眾健康有著重要的影響[2-5]。中國主要城市空氣污染對人群健康的影響研究結果表明，2012年104個城市因PM10污染造成的人群總死亡達到92.7萬人[6]。 Markku等研究發現，中國大城市空氣污染比歐洲和北美嚴重10～100倍，估計中國每年有25萬人死于空氣污染[7]。國家環保部發布的2014中國環境狀況公報顯示，2014年開展空氣質量新標準監測的地級及以上城市161個，PM10年均濃度范圍為35～233 μg·m-3，平均為105 μg·m-3，同比下降3.7 %；達標城市比例為21.7 %，PM2.5年均濃度范圍為19～130 μg·m-3，平均為62 μg·m-3；達標城市比例為11.2 %[8]。為遏制大氣污染日益嚴峻的形勢，2013年9月國務院發布了《大氣污染防治行動計劃(2013-2017)》，明確指出到2017年，全國地級及以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10 %以上，優良天數逐年提高；京津冀、長三角、珠三角等區域細顆粒物濃度分別下降25 %、20 %、15 %左右，其中北京市細顆粒物年均濃度控制在60 μg·m-3。由此可見，大氣顆粒濃度已成為城市空氣質量評價的重要指標之一[9]。城市森林是城市生態系統的重要組成部分，在維護城市生態平衡和改善環境方面起著其他基礎設施無法替代的作用。城市森林不僅為城市污染環境下的居民提供了相對潔凈的休閑游憩空間，而且在凈化空氣顆粒物方面發揮著獨特的生態功能。城市森林的物理降塵主要是通過改變氣流運動速度、方向來降塵，并通過城市森林特殊的葉面結構及復雜的冠層結構來吸附、阻滯粉塵。【前人研究進展】研究證實，相比較為矮小的植物，喬木去除氣體污染物和顆粒污染物以及截留氣溶膠性質污染物的能力更高，喬木除了比其他植被類型具有更高的葉面積外，還能夠產生更多的湍流[10-11]。MT Cheng等(2007)對臺灣臺中和仁愛2個地區進行了細顆粒物含量對比研究，結果發現，臺中人口眾多，森林覆蓋度小，而仁愛森林覆蓋度高，前者PM2.5是后者的1.4倍，其中PM2.5以氮氧化物為主[12]。Scott K.I.等(1998)采用模型模擬研究城市森林對PM10的清除效果，結果表明，美國Sacramento市PM10的日清除率達到2.7 t，對顆粒物的清除可占到人為排放的1 %～2 %[13]。郭二果等(2010)研究了北京西山地區3種典型游憩林對空氣中顆粒物的阻滯和吸附效應，指出游憩林對空氣中顆粒物的阻滯和吸附有良好的效果，能有效降低空氣中顆粒物的質量含量[14]。本文以杭州市城市森林區——杭州半山國家森林公園和城市生活社區——采荷社區為研究地點，【本研究切入點】2015年11月至2016年10月，通過定點監測大氣顆粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)的質量濃度。【擬解決的關鍵問題】對比分析了城市森林區與城市生活區的大氣顆粒物的濃度差異，以揭示城市森林對不同類型大氣顆粒物濃度的影響作用，為進一步研究城市森林的生態作用以及合理經營城市森林提供參考依據，并可為公眾市民開展森林游憩、森林健身活動提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

杭州市位于浙江省北部，全市總面積16 596 km2，其中市區面積3068 km2。屬于亞熱帶季風性氣候，兼具中亞熱帶和北亞熱帶特點，四季分明。杭州半山國家森林公園位于拱墅區東北部，屬于拱墅區半山街道，距杭州市中10 km，總面積1002.88 hm2。森林覆蓋率高達90.1 %，公園內多年平均氣溫在16.5 ℃，年平均降水量1254.6 mm，監測點位于常綠闊葉林林內,喬木層以香樟[Cinnamomumcamphora(L.) Presl.]、楓香(LiquidambarformosanaHance)、紫彈樸(CeltisbiondiiPamp.)為優勢樹種，高度7～10 m，胸徑10～22 cm，郁閉度0.7，伴生種有杉木]Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]、短柄枹(Quercusglanduliferavar.brevipetiolataNakai)、毛八角楓(AlangiumkurziiCraib)等, 灌木層高度0.5～2.5 m，蓋度55 %。采荷街道位于杭州市東部，轄15個社區居委會，社區面積20 000 km2，人口近7萬，地區綠化覆蓋率超過了35 %[15]。監測地點選擇在杭州市江干區采荷街道社區內的杭州市林木種苗管理站。

1.2 監測儀器與監測方法

大氣顆粒物監測儀器為Dustmate 粉塵檢測儀(英國，Turnkey Instruments公司)，該監測儀采用激光散射法，能快速檢測在空氣中直徑范圍在0.4～20 μm 的可吸入顆粒物和粉塵濃度，顆粒物濃度的采樣精度為0.01 μg·m-3，采樣高度為距離地表1.5 m處[16]。本研究選取該儀器測定的TSP、PM10、PM2.5以及PM14種大氣顆粒物濃度指標。自2015年11月至2016年10月，每月上中下旬各選取1 d，選擇要求為天氣狀況相對穩定，在9:00-17:00之間每小時監測1次，儀器設置為每5 min自動記錄一組數據，每月上中下旬顆粒物濃度進行平均并記為當月大氣顆粒物濃度值。

2 結果與分析

2.1 不同類型顆粒物濃度對比分析

通過對半山和采荷2個監測點的108組數據取平均值進行對比分析可以看出，總體而言，TSP、PM10、PM2.5以及PM1的濃度值均為半山森林公園高于采荷社區(圖1)。半山監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1的濃度分別為250.39、193.98、102.71和30.32μg·m-3；而采荷監測點的對應值則分別為225.18、162.30、64.19和20.98 μg·m-3(表1)。半山監測點的TSP、PM10PM2.5和PM1濃度分別高出采荷監測點11.19 %、19.51 %，60.01 %和44.56 %。總體趨勢為PM2.5高出最為明顯，顆粒物粒徑在2.5 μm以上隨著粒徑越大，濃度高出的比例逐漸減小，并且PM1相比PM2.5高出的比例有所降低。但從各不同粒徑的顆粒物濃度的極大值和極小值來看，TSP、PM10、PM2.5以及PM14種類型的顆粒物濃度均表現為半山監測地均低于采荷監測點，其中對于極大值，半山森林公園的TSP、PM10PM2.5和PM1濃度比采荷社區分別減少了52.93 %、52.32 %、4.19 %和46 %，除PM2.5外，其他3種大氣顆粒物減少了50 %左右；對于極小值，半山森林公園的TSP、PM10PM2.5和PM1濃度比采荷社區分別減少了16.36 %、24.25 %、16.83 %和8.05 %。由此可以說明，在大氣質量在特別優良和特別差的情況下，半山森林公園的空氣質量要明顯優于采荷社區，但另一方面，從2個監測點數據的均值來，半山監測點的4種顆粒物濃度均高于采荷社區，這說明在沒有較大空氣的流動時，大氣顆粒物在林內比城區更容易以懸浮集中，城市森林能夠表現出對大氣顆粒物的吸納和阻滯作用。分別對半山和采荷2個監測點的TSP、PM10、PM2.5、PM1進行單因素方差分析，結果顯示PM2.5的P=0.00，PM1的P=0.015，TSP的P=0.428，PM10的P=0.286，因此在半山和采荷2個監測點的PM2.5和濃度有極顯著差異(P<0.01)，PM1濃度的差異分別為有高度統計意義和有統計意義，而TSP和PM10均為差異無統計意義。

表1 采荷和半山監測點4種類型顆粒物濃度統計描述Table 1 The concentration of four atmospheric particulate matters statistical description in Caihe and Banshan monitoring sites (μg·m-3)

2.2 不同類型大氣顆粒物濃度日變化

通過對不同類型大氣顆粒物濃度的日變化數據來看，半山監測點的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線為早上9：00到達最大值，然后隨時間增加而持續減少，在下午14:00到達最小值，分別為：182.2、124.2、68.2、20.6 μg·m-3；從下午14:00開始4種類型的顆粒物濃度值有所上升，上升幅度不大，明顯小于從早上9:00的下降幅度，在17:00分別達到最大值(9:00時)的53.47 %、49.67 %、68.86 %、60.53 %。半山監測點的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線整體表現為大致的“L”形曲線，采荷監測點的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線也是從9:00開始下降，14:00達到最低值，但與半山監測點不同在于，16:00后的濃度上升幅度比較大，在17:00分別達到9:00時的98.30 %、96.09 %、48.73 %、77.37 %；TSP和 PM10的濃度幾乎達到了9:00時的峰值，PM2.5的濃度上升的幅度最小，其次PM1的濃度上升的幅度居中水平。整體上看，采荷監測點的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線為明顯的“Μ”形。

在城區，大氣顆粒物由早上9:00開始降低但到下午17:00時又基本上升到早上9:00的水平，而在城市森林區內，大氣顆粒物由早上9:00開始降低但到下午17:00時又基本上升到早上9:00的一半的濃度水平。由此可見，大氣顆粒物的日變化規律在城區和城市森林區的表現明顯不同，可以說明城市森林區與城區相比而言，在對大氣顆粒物的吸納和阻滯作用的影響上森林區的作用明顯。

圖1 采荷和半山4種大氣顆粒物濃度日變化Fig.1 Diurnal variation of the four atmospheric particulate concentration at Caihe and Banshan monitoring sites

2.3 不同類型大氣顆粒物濃度年變化

從4種不同類型大氣顆粒物濃度在半山和采荷監測點的月變化規律來看，可以分為2種類型，其中，TSP和PM10表現出來的變化規律大致相同，PM2.5和PM1的變化規律也基本一致。從總體上看，4種不同類型大氣顆粒物濃度在6月之前的月份均是每月變化幅度比較大，而隨后的6-10月變化相對平緩，濃度值表現的比較穩定，并且4種不同類型大氣顆粒物的平均濃度值也比6月之前的月份在數值約下降50 %，這可能由于杭州為迎接G20峰會的召開，所實行了一系列的環境質量保障工作有關，趙軍平等分析了 2016 年 G20 峰會期間(2016 年8月10日至9月20日) 杭州及周邊地區空氣質量演變及區域特征，得出管控措施對杭州空氣質量有一定的改善效果[17]。在北京APCE會議期間，也出現了類似的大氣質量變化情況[18-20]。各顆粒物濃度在半山和采荷2個監測點的區別在于對不同粒徑的大氣顆粒物影響有明顯差別，這也可能說明城市森林對粒徑越小的大氣顆粒物的吸納和阻滯作用越有效果。

圖2 半山和采荷監測點TSP和PM10濃度變化比較Fig.2 The comparisons of TSP and PM10 concentration between Banshan and Caihe monitoring sites

從TSP濃度在1年的監測周期內的表現來看，在半山監測點，最高值出現在2015年12月值為689.45 μg·m-3，然隨時間向后推移逐漸在減少，大致分為3個梯度，2015年11-12月，2016年1-4月，2016年5月至2016年10月。而在采荷監測點，TSP濃度的變化大致為單峰曲線，在2016年5月之前的月份值比之后的月要高，從2015年11月逐漸降低，到2016年2月開始升高，在5月達到最大值為464.50 μg·m-3，6-10月TSP濃度出現交錯高低變化，但濃度的總體水平要明顯低于2016年5月之前的6個月的濃度水平，PM10濃度的變化規律與TSP濃度變化規律比較相似。

對于PM2.5和PM1周期為1年的濃度變化規律基本一致，在半山和采荷監測點，同樣都表現為雙峰曲線的變化，在采荷監測的2個峰值分別出現在2015年12月和2016年4月，其中PM2.5濃度分別為204.22、143.55 μg·m-3，PM1濃度分別為75.86 和42.51 μg·m-3。在半山監測點2個峰值分別出現在2016年1和5月，各自推遲了1個月，其中PM2.5濃度分別為219.55、230.92 μg·m-3，PM1濃度分別為61.78和58.52 μg·m-3。并且從PM2.5和PM1的這2組各個月份的數據來看，都大致表現出半山監測點的PM2.5和PM1濃度變化規律對于采荷監測點的濃度變化推遲1個月的現象。這說明城市森林區相對于城區PM2.5和PM1的月變化規律在時間上約1個月的延遲。

圖3 半山和采荷監測點PM1和PM2.5濃度變化比較Fig.3 The comparisons of PM1 and PM2.5 concentration between Banshan and Caihe monitoring sites

3 結 論

(1)2015年11月至2016年10月，杭州半山監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1的平均濃度分別為250.39、193.98、102.71和30.32 μg·m-3；采荷監測點的對應值則分別為225.18、162.30、64.19和20.98 μg·m-3。包貞等在2006年對杭州大氣的PM2.5和PM10的監測顯示，杭州市PM2.5和PM10年均濃度分別為77.5和111.0 μg·m-3[21]。杜榮光等在2012年12月至2013年5月期間對杭州市PM2.5監測結果顯示：PM2.5平均濃度為(110.0±46.5)μg·m-3，日變化范圍在22.9～225.2 μg·m-3，冬季和春季PM2.5平均濃度分別為(135.2±49.8)、(88.9±30.6)μg·m-3，并且有 75 % 的采樣天數超過了《環境空氣質量標準》(GB3095-2012) 規定的 PM2.5濃度 24 h 平均值限值，反映了杭州市冬季和春季PM2.5污染嚴重[22]。

(2)半山監測點的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線為早上9：00到達最大值，然后隨時間增加而持續減少，在下午14:00到達最小值，基本呈“L”形曲線；而在采荷社區，大氣顆粒物由早上9:00開始降低但到下午17:00時又基本上升到早上9:00的水平，呈“Μ”形曲線。

4 討 論

(1)從半山和采荷2個監測點的年際變化來比較，TSP與PM10濃度變化規律基本一致，表現為單峰曲線；在城市森林區PM10與TSP濃度的峰值出現在2016年5月份，PM2.5和PM1濃度變化規律基本一致，表現為雙峰曲線。在城區，PM2.5與PM1濃度的峰值出現在2015年11月份，在城區2個峰值分別出現在2015年12月和2016年4月，而城市森林區，PM2.5和PM1濃度的峰值均延遲了1個月的時間，出現在2016年1和5月。這說明隨著大氣顆粒物的粒徑的減小，城市森林對大氣顆粒物的影響作用越明顯。

(2)洪盛茂等依據杭州市區2002年至2006年的空氣質量資料,研究顯示，杭州市區首要污染物為PM10，并且PM10和 PM2.5有明顯的季節變化和“雙峰型”日變化[26]。常雷剛等對杭州地區4所醫院內的PM2.5的日變化規律研究也基本一致，其研究表明PM2.5的日變化規律為上午 9:00-10:00處于峰值，12:00-13:00 達到最低值，下午15:00 左右又逐漸上升，基本呈“雙峰單谷”的分布[27]，付志民等對杭州市城區和城郊工業園區超細微粒的數濃度及粒徑分布進行現場跟蹤測量，研究也出現類似的規律，超細微粒數濃度在上午和下午的上、下班期間出現不同程度上升，夜間濃度普遍降低，但偶有波動[28]。趙冰清等對重慶縉云山的4種典型林分的大氣顆粒物濃度的研究也得出PM2. 5質量濃度日變化趨勢為上午>中午>晚上的結論[29]。