森林植被對信陽市城郊PM2.5等顆粒物污染的影響

馮萬富 邱林 單燕祥 張建設 李月鳳 周繼良 柳勇

摘要：選擇森林植被蓋度存在明顯差異的信陽市中心城區-近郊區-遠郊區分別設立監測點開展大氣顆粒物污染同步定位觀測，比較分析了3個監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種粒徑顆粒物質量濃度日變化和季節變化特征及其影響因素。結果表明，3個監測點4種顆粒物質量濃度日變化特征基本一致，峰值和最低值出現的時間基本同步。上午顆粒物污染比下午嚴重。3個監測點的顆粒物污染均表現為夏季最輕，秋季次之，冬季污染最嚴重。森林植被具有強大的削減PM2.5等顆粒物污染的功能，監測點顆粒物質量濃度與森林植被蓋度呈負相關。在日變化和季節變化中，森林植被蓋度最高的生態站監測點4種顆粒物質量濃度均明顯低于其他2個監測點;同樣，森林植被蓋度較高的浉河景觀帶監測點4種顆粒物質量濃度均明顯低于缺林少綠的體彩廣場監測點。影響顆粒物污染的主要氣象因子是氣溫和氣壓。PM2.5等4種顆粒物質量濃度與日均氣溫均呈極顯著負相關，與日均氣壓均呈極顯著正相關。

關鍵詞：森林植被;PM2.5;大氣顆粒物;氣象因子;信陽市

中圖分類號：S731.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）16-0049-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.011? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The Xinyang central city-near suburb-far suburbs， where there were obvious differences in forest vegetation coverage were chosen to set up monitoring points to carry out simultaneous location observation of atmospheric particulate matter pollution， and the diurnal and seasonal variation characteristics and influencing factors of mass concentration of four kinds of particulate matter， such as TSP， PM10， PM2.5 and PM1， were compared and analyzed in three monitoring sites. The results showed that the daily variation characteristics of the mass concentration of 4 particles in 3 monitoring points were basically consistent， and the time of peak and lowest value was basically synchronized. Particulate pollution in the morning was more serious than in the afternoon. The pollution of particulate matter in 3 monitoring points was the lightest in summer， the second in autumn and the worst in winter. Forest vegetation had a strong function of reducing particulate matter pollution such as PM2.5， and the concentration of particulate matter in the monitoring point was negatively correlated with the canopy of forest vegetation. In the diurnal and seasonal variations， the concentration of 4 kinds of particulate matter in the Ecological station monitoring site with the highest forest cover was significantly lower than that of other 2 monitoring points; In the same way， the mass concentrations of four kinds of particulate matter in the monitoring sites of Shihe River landscape zone with higher forest vegetation coverage were significantly lower than those in the Ticai square， where there was a lack of greening. The main meteorological factors affecting particulate matter are temperature and air pressure. The mass concentrations of 4 kinds of particulate matter were significantly negatively correlated with daily average temperature， and were significantly positively correlated with daily air pressure PM2.5.

Key words： forest vegetation; PM2.5; atmospheric particulate matter; meteorological factors; Xinyang city

隨著工業化和城市化的迅猛發展，大氣顆粒物污染已成為嚴重的城市環境問題[1]。大氣顆粒物，即大氣氣溶膠體系中分散的各種粒子，根據空氣動力學等效粒徑大小，可被分為總懸浮顆粒物（TSP，d≤100 μm）、可吸入顆粒物（PM10，d≤10 μm）、細顆粒物（細粒子、PM2.5，d≤2.5 μm）和超細顆粒物（PM1，d≤1.0 μm）[2]，對空氣質量和人體健康有重要影響[2，3]。目前，城市大氣顆粒物污染研究主要集中在顆粒物源解析、成分及其濃度變化規律、顆粒物對人類健康危害以及顆粒物污染治理等方面[4-7]。不同梯度及背景地區PM2.5等顆粒物污染的比較研究以及森林植被對PM2.5等顆粒物的調控功能方面的研究較少，致使能夠為城市森林管理和空氣質量提高提供依據的生態學信息不全面[8]。森林植被對大氣顆粒物有明顯的削減作用[9，10]。利用森林復雜冠層結構對顆粒物的吸收阻滯作用成為治理PM2.5等顆粒物污染的一項重要措施[11，12]。

于2017年選擇森林植被蓋度存在明顯差異的信陽市中心城區（體彩廣場）-近郊區（信陽市西郊南灣湖風景區浉河南岸景觀帶，距離市中心6 km）-遠郊區（河南雞公山國家級自然保護區，距離市中心30 km）分別設立監測點，同步監測TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種不同粒徑顆粒物的質量濃度，結合同期氣象觀測資料，研究比較了3個監測點4種顆粒物質量濃度的日變化和季節變化特征，分析了氣溫、氣壓等氣象因子對顆粒物污染的影響，旨在探討森林植被對PM2.5等顆粒物的吸附調控機理，闡釋森林凈化環境空氣功能，為城市大氣污染防治、城區規劃以及森林城市建設等提供參考。

1? 研究區概況

信陽市位于河南省南部、鄂豫皖三省交界處，地理坐標113°45′—115°55′E、30°23′—32°27′N。全市總面積1.89萬km2，總人口880萬。信陽市地跨淮河，處于中國亞熱帶和暖溫帶的地理分界線（秦嶺-淮河）上，屬亞熱帶向暖溫帶過渡區，氣候溫暖濕潤且季節變化明顯。光照充足，雨量豐沛，年均氣溫15.3 ℃，年均日照2 000 h，年降水量1 300 mm，年均空氣相對濕度77%，無霜期225 d。

中心城區監測點布設在體彩廣場，周圍缺林少綠，僅零星分布著香樟樹[Cinnamomum camphora （L.） Presl.]等行道樹以及大葉黃楊（Buxus megistophylla Levl.）等綠籬，干擾強度較高;近郊監測點設在距離市中心6 km的信陽市西郊南灣湖風景區浉河南岸景觀帶，周圍主要樹種有廣玉蘭（Magnolia grandiflora Linn.）、雪松（Cedrus deodara）、欒樹（Koelreuteria paniculata Laxm.）等，森林植被蓋度50%左右，干擾強度中等;遠郊監測點設在距離市中心30 km的河南省雞公山國家級自然保護區落葉櫟林內（雞公山森林生態站站區附近），主要樹種有栓皮櫟（Quercus variabilis Blume.）、麻櫟（Quercus acutissima Carr.）等，森林植被蓋度高達95%，干擾強度較低（表1）。

2? 研究方法

2.1? 監測點位置

選取的3個大氣顆粒物監測點分別位于中心城區的體彩廣場、近郊區的浉河景觀帶和遠郊區的雞公山森林生態站，位置如圖1所示。

2.2? 監測方法與數據處理

為便于比較、減少天氣狀況對監測數據精度造成的影響，數據采集均選擇在晴天進行。每月監測3 d，其中上、中、下旬各1 d。受限于監測儀器電池電量，每日監測時間段為7：00—18：00，城郊梯度3個監測點同步連續自動監測。監測儀器為英國Turnkey公司生產的DUSTMATE便攜式顆粒物檢測儀，該儀器可同時檢測TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種不同粒徑的顆粒物質量濃度。同期氣溫、相對濕度、氣壓和風速等氣象數據來源于距離生態站監測點30 m的河南省雞公山森林生態系統國家定位觀測研究站氣象觀測場自動采集數據。

采用單因素方差分析比較不同參數間的顯著性差異。數據統計分析及圖表制作采用SPSS 17.0軟件和Microsoft Excel 2007軟件完成。

3? 結果與分析

3.1? 3個監測點PM2.5等4種顆粒物質量濃度日變化

3個監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種粒徑的顆粒物質量濃度在一天中的7：00—18：00時段變化趨勢基本一致，峰值和最低值出現的時間基本同步，從7：00開始呈逐漸下降趨勢，并在15：00前后降低到一天中的最低值，然后緩慢上升（圖2至圖5）。

3個監測點4種大氣顆粒物質量濃度峰值集中出現在7：00—10：00，其中生態站監測點PM10和PM2.5質量濃度峰值（分別為56.79、26.50 μg/m3）均出現在8：00—9：00，而TSP峰值（105.88 μg/m3）出現在9：00—10：00，PM1峰值（11.33 μg/m3）出現在7：00—8：00;浉河景觀帶PM10、PM2.5和PM1峰值（分別為77.90、40.55和19.04 μg/m3）均出現在8：00—9：00，而TSP峰值（141.95 μg/m3）出現在7：00—8：00;體彩廣場TSP和PM1峰值（分別為158.36和19.87 μg/m3）均出現在7：00—8：00，而PM10峰值（93.20 μg/m3）出現在8：00—9：00，PM2.5峰值（47.29 μg/m3）出現在9：00—10：00。

3個監測點4種大氣顆粒物質量濃度最低值集中出現在13：00—16：00，其中生態站監測點TSP、PM10和PM2.5質量濃度最低值（分別為89.15、43.24和14.60 μg/m3）均出現在15：00—16：00，而PM1最低值（6.75 μg/m3）出現在14：00—15：00;浉河景觀帶TSP、PM2.5和PM1最低值（分別為103.35、21.34和8.38 μg/m3）均出現在14：00—15：00，而PM10最低值（53.82 μg/m3）出現在15：00—16：00;體彩廣場PM10、PM2.5和PM1最低值（分別為68.80、29.69和10.51 μg/m3）均出現在14：00—15：00，而TSP最低值（127.57 μg/m3）出現在13：00—14：00。

在信陽市中心城區-近郊區-遠郊區樣帶梯度監測中，隨著監測點周圍森林植被蓋度的提高，PM2.5等4種大氣顆粒物質量濃度值均呈現逐漸降低的趨勢，監測點大氣顆粒物質量濃度與周圍森林植被蓋度呈負相關關系。在一天中的7：00—18：00不同時段，森林植被蓋度最高的生態站監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質量濃度值均明顯低于浉河景觀帶和體彩廣場監測點對應時段監測值，其4種顆粒物質量濃度值僅分別相當于其他2個監測點同時段的62.5%～88.4%、56.1%～86.4%、45.1%～88.6%和56.2%～84.1%;同樣，森林植被蓋度較高的浉河景觀帶監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質量濃度值均明顯低于缺林少綠的體彩廣場監測點對應時段監測值，其4種顆粒物質量濃度值僅分別相當于體彩廣場監測點同時段的74.1%～89.6%、73.7%～84.5%、68.4%～86.6%和74.5%～96.3%。這主要是因為森林植被具有削減空氣顆粒物的功能[10]。森林可通過覆蓋地表減少PM2.5來源、葉面吸附或者氣孔、皮孔吸收直接捕獲PM2.5、降低風速促進PM2.5沉降、改變風向阻止PM2.5進入局部區域等途徑消減PM2.5，從而發揮凈化大氣的功能[13]。同時在信陽市中心城區-近郊區-遠郊區樣帶梯度監測中，中心城區機動車和人流密集，污染源較多，而郊區距離中心城區較遠，人流、車流密度低，污染源相對較少，人為干擾強度較低，這也是造成信陽市城郊梯度大氣顆粒物濃度遞減的一個重要原因。

3.2? 3個監測點PM2.5等4種顆粒物質量濃度季節變化

在城郊梯度3個監測點之間，PM2.5等4種顆粒物質量濃度季節變化與月變化規律是一致的，即隨著監測點周圍森林植被蓋度的提高，PM2.5等4種顆粒物質量濃度值均呈現逐漸降低的趨勢，監測點顆粒物質量濃度與周圍森林植被蓋度呈負相關關系。在不同季節，森林植被蓋度最高的生態站監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質量濃度值均明顯低于浉河景觀帶和體彩廣場監測點，其4種顆粒物質量濃度值僅分別相當于其他2個監測點相同季節的56.4%～87.0%、58.5%～86.1%、49.8%～80.1%和54.3%～89.2%;同樣，森林植被蓋度較高的浉河景觀帶監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質量濃度值均明顯低于體彩廣場監測點，其4種顆粒物質量濃度值僅分別相當于體彩廣場監測點相同季節的78.3%～91.3%、73.9%～80.1%、72.0%～77.6%和81.4%～89.2%（圖6至圖9）。

在季節變化中，3個監測點4種顆粒物污染均表現為夏季最輕，秋季次之，冬季污染最嚴重，顆粒物質量濃度值大小排序為夏季<秋季<春季<冬季，這與馮萬富等[10]的研究結果是吻合的。這主要是因為信陽市降水主要集中在夏、秋季節，特別是夏季降水集中，降水頻率高、強度大，雨水對PM2.5等空氣污染物起到了清洗和沖刷作用，在雨水作用下，空氣中的粉塵伴隨降雨直接進入土壤中，進而降低了空氣中污染顆粒物的濃度[14]。而冬季信陽市降水稀少，居民使用燃煤取暖增加顆粒物污染;冬季氣溫較低，市民出行選擇乘坐私家車的幾率升高，機動車尾氣排放的顆粒物增加;同時信陽市冬季盛行北風，氣流運動帶來了中國北方污染氣團，多因素共同作用下致使信陽市冬季的顆粒物污染加重。

3.3? PM2.5等4種顆粒物污染與氣象因子的關系

大氣顆粒物污染通常受污染源、氣象條件和下墊面植被蓋度等多種因素的共同影響，在污染源和森林植被相對穩定的特定區域和時段內，大氣顆粒物的污染主要取決于氣象條件對顆粒物的輸送與擴散作用[15]。氣溫等氣象因子對大氣顆粒物污染有著重要影響。選取生態站監測點PM2.5等顆粒物質量濃度的監測數據與同期觀測的生態站氣象場氣溫、氣壓、相對濕度和風速4個氣象因子觀測數據分析了4種顆粒污染物日平均質量濃度值與氣象因子之間的關系（表2）。

由表2可知，TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物每日7：00—18：00觀測時段平均質量濃度值與同時段平均氣溫均呈極顯著負相關關系，與平均氣壓均呈極顯著正相關關系;而與相對濕度、平均風速和最大風速相關性均不明顯。影響生態站監測點4種顆粒物的主要氣象因子是氣溫和氣壓。這與陳波等[16]在北京大興南海子公園的研究結果PM2.5和PM10質量濃度與溫度和風呈負相關關系，與濕度呈正相關關系是有差異的。造成這種差異可能主要是由生態站監測點下墊面地形破碎、粗糙度較大、山地特殊的森林小氣候、風力、風向受到山體、林木阻擋、監測日天氣狀況選擇等因素引起的。

TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質量濃度均與日均氣溫呈極顯著負相關，隨著氣溫升高，顆粒物濃度呈下降趨勢。這是因為較高的氣溫有利于大氣垂直對流，促進污染物向外輸送，加快顆粒物擴散速度，從而降低了顆粒物污染濃度;而氣溫較低時，大氣邊界層較低，靜風天氣較多，且容易形成逆溫層，不利于污染物的擴散，從而加重了污染[17]。

TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質量濃度均與日平均氣壓呈極顯著正相關，隨著氣壓升高，顆粒物濃度呈現增加趨勢。這是因為隨著氣壓升高，大氣邊界層高度相對降低，氣流運動速率下降，不利于顆粒物擴散[18]。

4? 結論

在森林植被蓋度存在顯著差異的信陽市中心城區-近郊區-遠郊區樣帶梯度監測中，3個監測點TSP、PM10、PM2.5和PM1等4種顆粒物質量濃度在一天中的7：00—18：00時段變化趨勢基本一致，峰值和最低值出現的時間基本同步。從整體上來看，上午大氣顆粒物污染較下午嚴重。

監測點顆粒物質量濃度與森林植被蓋度呈負相關。在日變化和季節變化中，森林植被蓋度最高的生態站監測點4種顆粒物質量濃度均明顯低于其他2個監測點;同樣，森林植被蓋度較高的浉河景觀帶監測點4種顆粒物質量濃度均明顯低于缺林少綠的體彩廣場監測點。

在季節變化中，3個監測點4種粒徑顆粒物污染均表現為夏季最輕，秋季次之，冬季污染最嚴重，顆粒物濃度大小順序為夏季<秋季<春季<冬季。

氣象因子對大氣顆粒物污染有重要影響。影響生態站監測點4種不同粒徑顆粒物污染的主要氣象因子是氣溫和氣壓。PM2.5等4種顆粒物質量濃度均值與觀測時段日均氣溫均呈極顯著負相關關系，與日均氣壓均呈極顯著正相關關系。

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