春夏季溫州雁蕩山杉木林臭氧質量濃度垂直變化特征

宋 陽， 王 成， 廖 亮， 段文軍， 韓 丹， 徐珊珊， 杜 倩， 王 涵

（1.中國林業科學研究院 林業研究所 國家林業和草原局林木培育重點實驗室，北京100091；2.國家林業和草原局 城市森林研究中心，北京100091；3.雁蕩山國家森林公園，浙江 溫州325614）

近年來中國臭氧（O3）污染問題日益突出，近地面高濃度臭氧已成為影響城市空氣質量的主要污染氣體［1］。高濃度臭氧會對人類健康及生態環境造成危害，如刺激鼻黏膜、呼吸道、視覺神經、損害中樞神經系統［2-5］，以及破壞植物形態，影響植物生理生化功能和生長發育狀態等。目前，關于臭氧的研究主要集中在前體物、氣象因子、典型天氣等影響因素與其的關系，濃度的監測，預測模型的建立，對植物單體及農作物產量的影響等方面。城市森林既是植物生長的載體又是人們日?？叼B、休閑的重要場所［6］，進行林內不同垂直高度的康養活動以及建立不同高度的康養設施有利于人們更加科學合理地使用森林環境，因此對城市森林內不同垂直高度的臭氧濃度研究具有重要意義。但是，中國目前關于森林內臭氧的研究主要集中在森林背景地區，對城市森林內臭氧的研究還極為缺乏。此外，城市森林內植物有機揮發物［7-8］、太陽輻射強度［9］、氣象因子［10］等在不同垂直高度的差異可能會引起林內臭氧濃度沿垂直梯度的變化。然而，現有研究還未見對城市森林內不同垂直高度臭氧濃度的研究。因此，本研究以雁蕩山國家森林公園內杉木Cunninghamia lanceolata林為對象，研究春夏兩季不同高度杉木林環境臭氧質量濃度變化規律，分析臭氧質量濃度與環境因子的關系，為科學開發和利用森林游憩環境，為人們合理選擇游憩時間、空間提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

雁蕩山國家森林公園位于浙江省溫州市東北部海濱，屬北雁蕩山風景區范疇，距溫州市區約58 km，東南臨近樂清灣，西南與大龍湫雁湖景區相接，北接卓南鄉。屬中亞熱帶海洋性季風氣候，園內地形較為平坦，四周崖壁陡峭，山谷、緩坡地帶分布成片人工杉木林，有少量闊葉樹分布，群落層次明顯，有喬木、灌木和草本等。季節性降雨明顯，春末5-6月為梅雨季節，陰雨連綿，雨量占全年的26%～28%，夏季7-9月受臺風影響，多雷陣雨或大暴雨。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 杉木林是溫州地區較為典型的山地森林植被類型。溫州雁蕩山國家森林公園的杉木林是20世紀50～60年代營造的人工林，樹齡相對一致，樹高大致相同。

本次試驗的樣地面積約7 680.2 m2，林分郁閉度約0.70。杉木平均高度為12.36 m，平均胸徑為11.6 cm；林下灌木主要有少量檵木Loropetalum chinense和杜鵑Rhododendron simsii等。按照人體高度H1（1.5 m），林冠層中部高度H2（6.0 m）和林冠冠層頂部H3（12.0 m）等3個高度設置觀測點。

1.2.2 測定方法 每個監測高度選取正方形竹梯邊線相交點觀測，3個點分別位于東北角、西南角、東南角（圖1）。臭氧質量濃度采用新西蘭產的AeroQualSeries 500臭氧檢測儀。該儀器測定范圍為0～0.500 mg·kg-1。 0～0.100 mg·kg-1范圍內精度＜0.008 mg·kg-1， 0.100～0.500 mg·kg-1范圍內精度＜0.01 mg·kg-1；氣象因子包括溫度、相對濕度、露點溫度、氣壓、平均風速等指標。采用美國產Kestrel 3500 Pocket Weather Meter便攜風速氣象測定儀，溫度測定精度范圍為-29～70℃，相對濕度測定精度范圍為5%～95%，風速測定精度范圍為0.6～40.0 m·s-1；光照強度采用中國臺灣產TES-1332A光照儀，測定范圍為0～2×105lx。

圖1 杉木林內測量竹梯示意圖Figure 1 Schematic diagram of measurement platform in Cunninghamia lanceolata forest

北半球環境空氣中高濃度臭氧污染事件多發生在春夏季節［11］，由中國環境監測總站提供的空氣質量報告中，2017年5月及8月溫州臭氧污染為首要污染，根據候溫劃分法結合監測期間當地氣溫，于2017年5月初、8月（即春夏兩季）每月選取多云或晴的3 d，從9:00到次日9:00，對杉木林內3種高度，共9個觀測點的臭氧質量濃度及氣象因子進行晝夜24 h同步監測，隔2 h監測1次，各觀測點安排2人讀取和記錄數據，每個觀測點同一時段連續讀取6次數據，每次讀取待儀器穩定并間隔2 min。各觀測點共獲取臭氧質量濃度數值1 296個。

為科學比較杉木林環境內3種垂直高度空氣質量，以中國環境保護部2012年修訂的GB 3095-2012《環境空氣質量標準》中臭氧質量濃度日最大8 h均值（指1 d中最大的連續8 h平均質量濃度的算術平均值）以及小時均值作為衡量標準。觀測期間的溫州市區臭氧質量濃度背景值數據由中國環境監測總站提供。

2 結果與分析

2.1 杉木林內不同高度臭氧質量濃度的總體特征

如圖2所示：杉木林內各高度臭氧質量濃度最大8 h均值為75.40～116.35 μg·m-3。H1，H2和H3各高度差異顯著（P＜0.05），其中H1臭氧質量濃度最低，H3最高。這可能是由于H3處于冠層上部邊界，是與對流層大氣交換最為強烈的區域，一方面外源環境臭氧垂直輸送的前體物最先到達H3，導致其臭氧質量濃度最高；另一方面，冠層上部光照強度及紫外輻射最強，為臭氧的生成提供了有利條件；H2處于樹冠中部，冠層中部為葉片相對集中區域，且植物氣孔主要分布在葉片的上下表皮［12］，而氣孔是臭氧進入植物體并發生毒害作用的主要通道［13］，所以在H2處葉片吸收部分臭氧，其質量濃度相對較低；H1由于處于距地面1.5 m處，臭氧通過H2和H3高度處植物的吸收，到達H1的通量最少。另外，臭氧與土壤的相互作用也在一定程度上降低了H1高度的臭氧質量濃度。

2.2 杉木林內不同高度臭氧質量濃度的季節變化特征

由圖3可見：H1春夏兩季差異不顯著。H2和H3春夏兩季差異極顯著（P＜0.001），且H1，H2和H3各高度從春季到夏季分別下降了108.52%，139.02%和241.70%。其原因可能是由于遠距離輸送和對流層向下傳輸有關：一方面溫州市區春季背景值高出夏季11.61%，因此受溫州市人為源輸送影響，春季臭氧質量濃度較高；另一方面該研究區受東亞季風環流系統的影響［14］，春季光化學反應產生的高體積分數臭氧，隨西風帶向東輸送，同時夏季風侵入帶來低臭氧體積分數的海洋性氣團［11,15］。

春夏兩季H1，H2和H3臭氧質量濃度日均值均差異顯著（P＜0.05）。春季H1，H2和H3臭氧濃度為57.11～103.12 μg·m-3， H1最低， H2次之， H3最高； 夏季 H1， H2和 H3臭氧質量濃度為 39.64～63.21 μg·m-3，次序與春季相同。雖然林內春夏兩季臭氧質量濃度差異較大，但H1，H2和H3臭氧質量濃度變化具有一致性，可能是由于3種高度的光照強度不同，H3處于林冠上部，光強最強，且冠層上部葉片截留太陽總輻射多，會導致最終進入林下光能減少［16］，所以H1處光照強度最弱。與此同時，林內輻射通量也間接影響林內溫度，導致H1，H2和H3處的溫度差異。那么假設在相同質量濃度臭氧前體物水平輸送入林內時，H3生成臭氧的光化學反應最為強烈，致使其臭氧質量濃度升高。

圖2 各高度臭氧質量濃度總體最大8 h均值Figure 2 Mean O3-8 hin spring and summer of vertical gradient

圖3 各高度臭氧質量濃度季節日均值Figure 3 Daily mean value of O3in vertical gradient

2.3 杉木林內不同高度臭氧質量濃度的日變化特征

總體來講，春夏兩季H1，H2和H3臭氧質量濃度呈單峰型變化，白天高，夜間低，但各季節H1，H2和H3出現峰值和低谷值的時間存在差異（圖4）。與夏季相比春季臭氧質量濃度晝夜變幅較大。具體為春季峰值出現于 13:00-15:00， H1～H3分別達 105.63， 131.42 和 145.23 μg·m-3， 其中 H2和 H3峰值比 H1提前 2 h， 低谷值分別出現于 5:00（23.01 μg·m-3）， 21:00（32.14 μg·m-3）和 23:00（70.31 μg·m-3）； 夏季H1，H2和 H3峰值均出現在 11:00， 依次為 81.11， 104.60和 119.04 μg·m-3， 低谷值分別出現于 5:00（15.24 μg·m-3）， 7:00（20.55 μg·m-3， 34.52 μg·m-3）。

圖4 各高度臭氧質量濃度小時均值Figure 4 Hourly mean value of O3in vertical gradient

從同一季節H1，H2和H3臭氧質量濃度日變化曲線來看，各垂直高度的小時均值存在一定差異，除7:00外，各時段均為H1＜H2＜H3。經方差分析，春夏兩季各時間段臭氧質量濃度差異不顯著。這一現象的成因可能是杉木林內小氣候相對穩定，各高度臭氧質量濃度小時均值差異相對穩定。

由日最大8 h質量濃度（11:00-17:00時）均值可知，春季H1，H2和H3處日最大8 h均值依次為86.72， 113.61 和 135.37 μg·m-3； 夏季 H1， H2和 H3處日最大 8 h 均值依次為 64.08， 81.88 和 97.34 μg·m-3。各季節日最大8 h均值不僅達到國家一級標準160 μg·m-3，且春季小時均值分別低于國家標準18.19%～84.50%，夏季低于國家標準64.38%～149.67%，說明杉木林內H1，H2和H3處臭氧質量濃度符合中國風景區等空氣清潔地區的水平，可以提供相對清潔的空氣質量環境，適合進行森林康養、休閑游憩等活動。

2.4 杉木林內不同高度臭氧質量濃度與氣象因子的關系

將各高度臭氧質量濃度的小時均值與春夏兩季氣象因子進行相關分析，結果如表1所示。春季H1，H2和H3處溫度、風速與臭氧質量濃度呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數分別為0.839,0.839,0.825和0.699,0.741,0.762；與相對濕度、氣壓呈極顯著負相關（P＜0.01），相關系數分別為-0.895，-0.909，-0.839和-0.650,0.741，0.762；夏季同樣與溫度、風速呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數分別為0.818,0.741,0.804和0.824,0.838,0.810；與相對數度呈極顯著負相關（P＜0.01），相關系數分別為-0.881， -0.916， -0.874。

表1 春秋季節杉木林不同高度臭氧質量濃度與小氣候因子的相關性分析Table 1 Correlation coefficients of ozone concentration and meteorological factors in vertical gradient

由表1結果可知：春夏兩季杉木林環境內，各高度臭氧質量濃度與氣象因子相關性存在一定差異，其中溫度、相對濕度、風速與臭氧質量濃度在兩季相關性一致；但氣壓在春季與臭氧有顯著相關性，然而夏季相關性不顯著；光照強度與紫外輻射在春夏兩季均與臭氧質量濃度無顯著相關。一定程度下溫度升高使臭氧質量濃度升高，其原因可能是，臭氧的生成和運輸達到一定溫度閾值后，促進杉木林內植物揮發物釋放，同時加強光化學反應速率［18］，形成空氣湍流引起氣體交換，進一步輸入氮氧化物（NOx）等人為源。森林環境內可在一定程度起到增濕的作用。林內水汽增加，提升臭氧的光化學消耗，在對流層中水汽與臭氧的反應起到匯的作用，反應生成的自由基也是大氣光化學過程的重要觸發機制。風速對于臭氧質量濃度的積累通常與其傳輸特質有關，林內風速增大，垂直動量輸送加強，有利于近地面層臭氧向林內輸送。另外，風速越大湍流作用越強，越有利于光化學反應速率的提升。

3 結論與討論

3.1 討論

3.1.1 雁蕩山杉木林環境臭氧質量濃度總體低于溫州市區環境臭氧質量濃度的原因分析 與溫州市區內春夏最大 8 h 均值 164 μg·m-3（5 月 173 μg·m-3， 8 月 155 μg·m-3）相比， H1， H2和 H3臭氧質量濃度分別低于市區117.50%，67.79%和40.95%。說明杉木林總體環境臭氧質量濃度與溫州市區內相比更清潔，其原因可能有2個方面：一方面是森林植物自身的削減作用，當植物進行呼吸作用時，臭氧隨植物呼吸進入植物葉片細胞間隙，植物消耗、吸收部分臭氧，降低林內臭氧質量濃度；另一方面，可能是由于雁蕩山所處地理位置與城市人為源區距離較遠，臭氧前體物氣團在長距離輸送過程中，一部分通過重力或者垂直運動作用與植物、地面 （土壤）相碰撞，從而被捕獲或被表面吸附吸收，成為干沉降（其去除途徑量級與平流層臭氧的輸入量相當），一部分直接進行光化學反應形成臭氧，只有少部分到達林內進一步反應生成臭氧。雖然植物排放的BVOC（植物揮發性有機化合物）與AVOC（人為源揮發性有機化合物）相比更具有反應活性［19］，但臺州地區對不同植被類型BVOC排放的研究表明［20］：杉木林排放強度僅為建成區的40.44%。臭氧生成量和生成速率不僅和VOCs（揮發性有機化合物）濃度有關，也與NOx和VOCs比值有很強的非線性關系［21］，主要表現為VOCs/NOx較高，臭氧生成受NOx控制。反之亦然。從污染較為嚴重的城市（溫州市區）到相對清潔的地區，隨著NOx減少，臭氧生成會從VOCs控制轉為NOx控制［22］，所以雁蕩山杉木林內臭氧質量濃度與溫州市區相比偏低可能也與林內NOx較低有關。此外，王自發等［23］和STREETS等［24］對臭氧污染模擬研究發現：由于周邊地區向研究地及其遠郊輸送污染物，其貢獻率可達20%～60%，同時表明，受周邊地區輸送污染物的影響，研究地遠郊的污染天數高于市區內，說明雁蕩山杉木林在外界輸送的污染量有可能大于溫州市區的情況下，仍能吸收消耗部分臭氧，使整體濃度保持較優水平。

3.1.2 杉木林臭氧質量濃度春季高于夏季的原因分析 目前，對于臭氧濃度季節變化的研究結果主要分為2類：其一是夏季臭氧濃度為年最大值；其二是春季臭氧濃度為年最大值［25］。出現這一現象的原因可能與所研究地區所處背景環境潔凈度、與高濃度污染區域的輸送程度，以及局地光化學產生的速率有關。北半球多為人類活動直接影響較小的地區，近地層臭氧以春季為全年最高［26］；蘇彬彬［17］對華東森林及高山背景區域臭氧濃度研究發現：4月最高1月最低，且有較為明顯的季節性變化，由高到低依次為春季，夏季，秋季，冬季，認為其產生季節性變化最主要的原因是：地面臭氧作為一種二次污染物，需要氮氧化物、一氧化碳和揮發性有機物在光照條件下生成，因此光照和溫度是最為重要的外界環境；侯雪偉等［27］對低緯度，中緯度及高緯度清潔背景區臭氧濃度季節變化進行研究，發現近地層臭氧春季高、夏季低是廣泛存在的現象；也有研究表明：森林地區夏季植物生長旺盛，能降低臭氧濃度［28］。但同樣有不少研究表明［18,29］：由于夏季的太陽輻射強度較強，平均日照時間和平均氣溫全年最高，臭氧極高值經常出現而導致夏季濃度整體偏高。雖然森林背景下植物揮發物是臭氧的前體物，是提升臭氧濃度的主要因素，但是本研究中即使在夏季高溫、高輻射等有利于臭氧光化學反應的條件下，夏季臭氧質量濃度仍低于春季，說明城市森林環境內植物揮發物作為前體物生成的臭氧并不是林內臭氧濃度變化的主導因素，造成春季臭氧質量濃度高于夏季的原因，主要由于背景環境潔凈度和高濃度污染區域的輸送。

3.1.3 臭氧質量濃度日動態變化特征原因分析 形成日變化的原因可能是，清晨到正午，隨著太陽高度角升高，林內光照強度增強，一部分前體物來源于外界輸送，另一部分來源于林內植物有機物的揮發，臭氧的光化學反應增強，植物對臭氧的吸收也不斷增強［28,30］，但當溫度達到一定限值后，植物為了避免蒸騰作用消耗水分，關閉氣孔，降低對臭氧的吸收作用，致使環境中臭氧質量濃度達到峰值，夏季質量濃度峰值較春季提前2 h，可能是由于夏季林內溫度較高，在光合抑制和高溫脅迫的雙重作用下，氣孔提前關閉，正午過后太陽輻射降低，光強、溫度隨之下降，BVOCs釋放速率在光強超過40 000 lx后釋放速率開始減少［31］，臭氧的光化學反應強度降低，整體呈下降趨勢。土壤微生物活動是不可忽視的一氧化氮排放源，一氧化氮占土壤微生物排放物的95%以上，一氧化氮與臭氧夜間化學反應：O3+NO→NO2+O2［32］，使臭氧質量濃度于日出達到低谷，而局部時段臭氧質量濃度波動變化可能是由于風速等氣象因子變化引起的。本研究與徐敬等［15］對夏季局部地區環流對北京下風向地區臭氧輸送的影響、白建輝等［32］對鼎湖山森林地區臭氧濃度的日變化及劉建等［33］對珠江三角洲臭氧污染的影響研究一致，均表現為單蜂分布，且白天遠高于夜間；蘇彬彬［17］對武夷山背景點的研究表明：臭氧較高濃度出現在午夜或凌晨，并認為光化學反應不是決定臭氧濃度的主導因素，而是由于日夜交替引起的氣象條件所致，說明決定臭氧濃度變化的因素是十分復雜的。

3.1.4 臭氧質量濃度與氣象因子的相關性分析 本研究與談建國等［19］對上海、陳魁等［30］對天津市、鄭冬等［31］對大連市、 陳漾等［34］對廣州市、 齊冰等［35］對杭州市、 劉姣姣等［36］對重慶市、 蔡彥楓等［21］對南京地區近地面臭氧及溫度、相對濕度關系研究一致；段玉森等［14］和徐敬等［15］發現城市對下風向地區臭氧具有明顯的輸送作用，會導致下風向清潔地區出現極高臭氧質量濃度；在氣溫較低和風速較大的春季和秋季出現相對較小值［37］；珠江三角洲高質量濃度臭氧出現在相對濕度低的情況下。春季臭氧質量濃度與氣壓的相關性較強，氣壓降低臭氧質量濃度升高。有研究表明北京市處于低壓前部是造成臭氧質量濃度高值的主要背景場［29］，也有研究表明：高壓天氣系統通常會引起地面臭氧質量濃度的增加，具體相關關系有待于進一步研究。

3.2 結論

雁蕩山國家森林公園杉木林不同垂直高度臭氧質量濃度，除春季H3處日最大8 h均值達到中國二類環境功能區質量要求（160～200 μg·m-3），且僅超一類標準3.12%外，春季、夏季各高度日最大8 h均值及小時均值均達到中國一類環境功能區質量要求（100～160 μg·m-3），春季達標率分別超過18.19%和23.73%；夏季達標率分別超過64.38%和36.79%。

春夏兩季各高度臭氧質量濃度日變化具有一致性，均為H1＜H2＜H3，但春季H1與其余高度相比降幅高于夏季，表現為春季H1比H2和H3分別降低33.54%和80.56%；夏季則分別降低23.38%和59.58%。

各高度臭氧質量濃度的日變化總體表現為單峰型，白天高，夜間低；春季13:00-15:00最高，5:00最低；夏季11:00最高，最低值時間與春季相同。

就臭氧質量濃度小時均值分析，春夏兩季各高度臭氧質量濃度與溫度、風速呈正相關，與相對濕度呈負相關；春季各高度臭氧濃度與氣壓呈負相關。

雁蕩山國家森林公園杉木林內的臭氧質量濃度總體上達到國家一類標準，是非常適宜開展森林游憩的地區。若從臭氧質量濃度對人體健康影響的角度考慮，在時間選擇上，夏季比春季更適合出行，且夜間優于白天，在空間的選擇上，建議選擇林下距地面1.5 m高處及樹冠中部（6.0 m）處進行游憩活動，并在此高度設置林下棧道、空中棧道、森林木屋等游憩設施。