秋季毛竹林空氣顆粒物濃度與氣象因子相關性分析

王茜　王成　郭珺琪　許超　任彬彬　張中霞

摘要 ? ?城市森林內空氣懸浮顆粒物濃度的狀況直接反映城市森林對空氣顆粒物的凈化功能，城市森林空氣質量的好壞關系到人們的身體健康狀況，本研究對秋季福州旗山森林公園的毛竹林內空氣顆粒物濃度日變化進行了監測。結果表明，毛竹林內顆粒物濃度總體日變化趨勢呈“W”形，即15：00和19：00出現2個高峰、9：00和17：00出現2個低谷;不同粒徑顆粒物濃度日變化均無顯著差異，細顆粒物濃度的日變化不及粗顆粒物濃度的日變化敏感，且出現高峰的時間較粗顆粒物滯后;林內顆粒物主要由PM10和PM2.5組成，且PM10與PM2.5的變化趨勢受顆粒物濃度的變化的影響較大;氣象因子和天氣條件對顆粒物濃度（特別是粗顆粒物）的影響較大，顆粒物的濃度與相對濕度成正相關關系，與溫度、風速、光照等均成負相關關系。

關鍵詞 ? ?毛竹林;空氣顆粒物;秋季;氣象因子;相關性

中圖分類號 ? ?S725.3 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）19-0133-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

近年來，隨著城市的迅速發展，出現了越來越多的空氣污染，尤其是空氣中顆粒物的污染日益嚴重。空氣中的顆粒物能夠影響空氣質量，引發酸沉降，導致云、降水、大氣輻射等失衡，降低能見度，嚴重威脅著人類的健康，同時也影響著人們的學習、生活和工作[1-2]。2013年第2個周末，1條深褐色的巨大霧霾帶從北到南斜穿1/3的中國國土，眾多城市深陷其中，空氣污染指數屢創新高，北京城區PM2.5值更是一度逼近1 000，連續幾天城區內能見度不足200 m，大氣污染再次成為人們關注的焦點。研究表明，空氣動力學直徑小于10 μm的可吸入細顆粒物PM10，尤其是空氣動力學直徑小于2.5 μm的顆粒物PM2.5具有突變性，大量吸入后可增加人類的死亡率。有害的化學物質常富集在可吸入顆粒物的表面，通常會經過人體的呼吸道進入肺部，其長期積累會損害呼吸系統、破壞免疫系統，進而導致肺癌等疾病的發生[3-4]。國家環保部于2012年2月29日頒布了新修訂的《環境空氣質量標準》和《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》，將PM2.5列為評價環境空氣質量的指標，以期控制并減少顆粒物污染對人類健康和空氣質量的影響。

目前，對于顆粒物的研究主要是集中在來源、成分分析等方面，而對秋季竹林內顆粒物的日變化規律未見報道。部分研究表明，竹林的特殊環境能夠很好地調節小氣候、凈化林內空氣。本試驗于2012年11月2—23日對福州旗山森林公園毛竹林內顆粒物的日變化進行監測并記錄，以期為秋季該地區竹林內空氣質量變化情況，為游客合理安排出行時間提供理論依據。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?研究地概況

福州旗山森林公園地處閩侯南嶼境內，全園面積約為3 587 hm2，地理坐標為東經119°28′、北緯26°08′。該區域的年均溫度為18 ℃，年降水量為246.6 mm，海拔為700 m左右，屬暖濕的亞熱帶季風氣候;距福州市中心約25 km，緊靠316國道，交通便捷、景區氣候宜人。公園分雙峰、福庴嶺、旗山、五峰、龍泉等5個景區共59個景點。其中，旗山景區氣候溫和、雨量充沛、動植物種類較多，不僅有刺桫欏、南方紅豆杉等國家一級保護植物，還有百年的柳杉王、夫妻樹等。旗山與鼓山呈東西方向對峙，二者素有“右旗左鼓，全閩二絕”的佳譽。

1.2 ?試驗方法

1.2.1 ?樣地選擇。樣地選在旗山森林公園里的毛竹林內。海拔為625 m，毛竹樹齡3～4年，樹高約12 m，胸徑為18～20 cm，面積逾60 m2，郁閉度為0.95。地被覆蓋物以雜草為主。在樣地內每隔5 m設置1個標準樣地，共設置3個標準樣地，呈“三角形”排列。

1.2.2 ? ?指標監測。用Dustmate煙塵檢測儀于2012年11月選晴朗無風天氣測定并記錄距地面1.2～1.5 m處空氣中各種顆粒物濃度，共計觀測14 d。其中，TSP表示動力學直徑不大于100 μm的總懸浮顆粒物、PM10表示直徑不大于10 μm的可吸入顆粒物、PM2.5表示直徑不大于2.5 μm的可入肺顆粒物、PM1.0表示直徑不大于1.0 μm的可吸入細顆粒物，試驗3次重復。同時，每天7：00—19：00，每隔2 h用小氣候監測儀對毛竹林內的相對濕度、光照強度、溫度和風速等氣象因子進行監測，3次重復同步觀測。

1.3 ? ?數據處理

顆粒物濃度的日變化值為3次重復觀測的平均值，秋季總體顆粒物濃度的日變化值則取觀測期間內的平均值。采用Excel 2010錄入并處理數據，對變化趨勢相同的數據進行平均值處理，選取具有代表性的時間點的數據作圖分析其變化規律;利用SPSS 19.0對氣象要素與顆粒物濃度進行相關性分析。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?毛竹林內空氣懸浮顆粒物濃度總體日變化

由表1可知，毛竹林內4種粒徑的顆粒物濃度秋季日變化曲線均呈“W”形。15：00和19：00出現2個高峰，9：00和17：00出現2個低谷。具體的變化趨勢為7：00—13：00變化較平緩，9：00出現全天最低值。可能因為9：00左右氣溫高、風速大，空氣運動利于空氣顆粒物的輸送和擴散。根據我國最新公布的環境空氣質量標準（GB 3095—2012），PM2.5和PM10二級標準日均濃度限值為75～150 μg/m3。在7：00—13：00時間段TSP和PM10這2種粒徑的空氣顆粒物濃度均達到我國二級地區標準。13：00—15：00顆粒物濃度直線上升，15：00出現全天的第一個小高峰。原因可能是此時出現全天溫度最高值，且風速較小、空氣不流通，顆粒物處于凝結狀態不利于擴散;此外，光照較強，其引起的光化學反應也是顆粒物濃度增加的重要原因之一。15：00—17：00顆粒物濃度變化不大，該地區的小氣候變化也不明顯。17：00顆粒物濃度達到第二個高峰，其中TSP濃度為353.01 μg/m3、PM10為267.37 μg/m3、PM2.5為120.08 μg/m3、PM1.0為47.92 μg/m3，按照我國最新公布的環境空氣質量標準（GB 3095—2012）可知，此時TSP日均濃度超標率為17%。

從空氣懸浮顆粒物總體污染水平來看，按照我國一級空氣質量（GB 3095—2012）規定的大氣顆粒物的濃度限值，秋季竹林內TSP日平均水平超標99%以上，PM10超標230%以上。按照美國《大氣環境質量標準》（NAAQS）提出的PM2.5標準，秋季竹林內PM2.5日平均水平接近該標準。國際上還未對PM1.0的標準進行規定。這說明旗山森林公園的毛竹林內秋季空氣顆粒物污染以粗顆粒物為主，細顆粒物濃度不高。

2.2 ? ? 不同粒徑空氣懸浮顆粒物濃度日變化特征比較

秋季毛竹林內4種粒徑的顆粒物濃度日變化趨勢具有差異，其中大粒徑顆粒物（TSP、PM10）濃度變化趨勢相似，小粒徑顆粒物（PM2.5、PM1.0）濃度變化趨勢相似。小粒徑顆粒物濃度變化全天出現2個高峰和1個低谷，分別對應的時間是15：00、19：00和17：00，變化大體呈“N”形。這與顆粒物濃度總體日變化第二次出現高峰與低谷的時間一致，說明顆粒物濃度較高的時段細顆粒物濃度也較高。此外，由表1可知，7：00—13：00大粒徑顆粒物濃度變化比小粒徑顆粒物濃度變化明顯，只有在13：00—15：00時TSP與PM10濃度急劇增加的同時PM2.5與PM1.0濃度才會出現全天的第一個高峰。

空氣中的顆粒物污染來源比較復雜，其中有很多因素可以造成空氣中PM2.5濃度的增加，如直接排放或者化學反應生成的污染物等。PM2.5粒徑較小、懸浮時間比較長等有利于遠距離輸送，會造成區域間有明顯的相互影響。在福州市秋季倒槽暖區、鋒前暖區和變冷性高壓底部或后部等特殊天氣因素的作用下，毛竹林內空氣中的顆粒物水平擴散和垂直輸送能力變差，導致毛竹林內的顆粒物向外輸送或高空擴散的能力減弱，容易造成顆粒物在毛竹林內形成一定的堆積區，導致該時間段內的可吸入顆粒物濃度值比其他時間明顯增大。進一步方差分析可知，秋季毛竹林內的4種顆粒物濃度在全天各個時刻均無顯著差異;單因素方差分析表明，在7：00—15：00時間段內4種顆粒物濃度均無顯著差異，在17：00左右大粒徑顆粒物（TSP、PM10）與小徑粒顆粒物（PM2.5、PM1.0）有顯著差異（P<0.05），19：00左右TSP與PM2.5有顯著差異（P<0.05）。

2.3 ? ?不同粒徑顆粒物所占比例日變化

由表2可知，不同粒徑顆粒物所占的比例日變化趨勢與顆粒物濃度的日變化趨勢基本一致，均呈現出上午比例較低、下午和傍晚比例升高的特征。PM1.0/PM2.5的日變化趨勢不明顯，說明空氣動力學直徑小于1.0 μm粒徑的顆粒物濃度對環境的變化不敏感。PM10/TSP與PM2.5/PM10的值均是在15：00—19：00之間出現高峰值，這與顆粒物濃度出現高峰值的時間一致，說明顆粒物主要由PM10和PM2.5組成。PM10與PM2.5的變化趨勢受顆粒物濃度的變化影響較大。粗粒徑顆粒物所占比例高峰值的出現較細粒徑稍有滯后。在17：00左右，粗粒徑顆粒物比例達到高峰值，細粒徑顆粒物比例減小，從顆粒物濃度變化趨勢來看粗粒徑顆粒物也是在17：00左右增加，說明毛竹林內空氣中顆粒物主要由粗顆粒物組成。

2.4 ? ?不同粒徑顆粒物濃度與氣候因素的相關性

由表3可知，顆粒物濃度與相對濕度成正相關;與溫度、風速、光照均成負相關。其中，TSP與相對濕度成顯著正相關、與光照強度成顯著負相關。不同粒徑的顆粒物與相對濕度的相關系數絕對值均最大，表明與其他氣象因子相比，相對濕度對顆粒物濃度的影響較大;不同粒徑顆粒物的濃度與溫度、最大風速的相關系數的絕對值較小，表明此2種氣象因子對顆粒物濃度的影響相對較小。

當逐步選擇分析時，溫度、風速和光照等氣象因子對顆粒物的影響均不明顯，無法構成回歸關系。因此，通過分析只保留了相對濕度。由表4可知，不同粒徑顆粒物與空氣中的相對濕度建立線性回歸方程，可得其決定系數R2>0.5，線性回歸關系均顯著（P<0.1），說明顆粒物種類與相對濕度呈顯著的線性相關性。

3 ? ?結論與討論

3.1 ? ?毛竹林內空氣懸浮顆粒物濃度總體日變化特征

研究表明，秋季空氣中的懸浮顆粒物濃度總體呈現一定程度的日變化特征。袁楊森等[5]對秋季北京城區9個地點的顆粒物濃度監測發現，8：00—16：00顆粒物濃度出現高峰。郭二果等[6]對秋季北京西山游憩林的顆粒物濃度監測發現，9：00左右顆粒物濃度出現高峰。安俊嶺等[7]認為，秋季TSP污染日變化中顆粒物濃度在上午和傍晚出現高峰。吳志萍等[8]2006年對清華大學校園綠地內空氣顆粒物濃度變化進行監測發現，該區域秋季TSP濃度在7：00左右出現高峰。這說明在不同環境下，顆粒物污染變化不同，同時也表明隨著觀測地點和當地氣象條件的不同，顆粒物濃度出現最高值的時間也有差異。

本研究中，旗山森林公園毛竹林的空氣顆粒物濃度有明顯的日變化趨勢。空氣顆粒物濃度最低的時間段是7：00—13：00，這可能是因為上午竹林內風速大、濕度小等氣候條件有利于空氣顆粒物的擴散。15：00顆粒物出現全天的第一個高峰，可能是因為此時段出現全天氣溫最高值，光照強度高，光化學反應使得空氣中的顆粒物濃度明顯增加。19：00出現全天的第二個高峰，其原因一方面可能是17：00之后溫度開始降低，空氣濕度增大，風速小，不利于空氣顆粒物的擴散和輸送，導致空氣中聚集更多顆粒物，顆粒物濃度增加;另一方面，17：00—19：00車流量和人流量迅速增加，產生更多的空氣污染，可能會增加竹林內空氣中的顆粒物濃度，這種污染對顆粒物尤其是大粒徑顆粒物的影響較大;另外，竹林附近居民較多，燒飯使用的麥稈會產生濃煙，進而會增加空氣中顆粒物濃度。

3.2 ? ?不同粒徑顆粒物濃度及其比例的日變化特征

不同粒徑空氣顆粒物濃度的日變化趨勢不同，小粒徑顆粒物濃度出現高峰值的時間比大粒徑顆粒物出現高峰值的時間滯后。大粒徑顆粒物濃度的變化趨勢比小粒徑顆粒物濃度的變化趨勢明顯，說明大粒徑受環境變化的影響比小粒徑顆粒物大。在空氣中顆粒物濃度明顯增加的時候，小粒徑顆粒物濃度才增加。這與郭二果等[6]對北京市西山的顆粒物濃度研究結果不同。本研究中顆粒物所占比例的日變化與顆粒物濃度的日變化趨勢基本一致。除了PM1.0/PM2.5在早晨出現高峰外，PM10/TSP和PM2.5/PM10均在傍晚出現高峰。表明小粒徑顆粒物所占的比例較少且受環境變化的影響較小。

3.3 ? ?顆粒物濃度變化與氣象因子的的關系

空氣污染物很多都是溫度依賴性物質，氣象因子能夠影響空氣中顆粒物濃度。有學者對不同氣候帶的代表性城市空氣中的顆粒物成分進行研究[9-11]，結果表明，有些非甲基烷烴等可溶性易提取物（SEOC）、多環芳烴濃度等均與溫度成負相關。空氣的溫度和濕度能夠影響顆粒物組成成分的比例、分配和轉化，如溫度和濕度均對大氣中的NO3-的熱力學平衡有影響，當溫度<15 ℃時，NO3-的主要形態為粒子;當溫度>30 ℃時，NO3-的主要形式存在為氣態[12]。氣候干燥、風沙大，則空氣中懸浮顆粒物較多;空氣濕潤、風速小的時候，空氣質量好。風速小、濕度高的天氣持續時間長會導致空氣中污染物積累[13-14]。據研究，當風速為3 m/s時，顆粒物擴散速率為0.1～0.3 cm/s;風速為9 m/s時，顆粒物擴散速率為2.9 cm/s[15]。鄧利群等[16]對成都市空氣中顆粒物的污染進行了研究，結果表明，在一定范圍內，相對濕度大有利于顆粒物的形成。因此，相對濕度是影響空氣中可吸入顆粒物濃度的重要因素之一，相對濕度較高的空氣容易造成較嚴重的可吸入顆粒物污染。本研究中，空氣中顆粒物濃度與風速的變化趨勢大致相反。當顆粒物濃度高峰出現時，此時的風速卻最小，為0.17 m/s。這與趙衛紅[17]的研究結果一致，在高氣壓狀態下，溫度和相對濕度不變，風速大有利于顆粒物的擴散。顆粒物濃度變化受氣象因子的影響，顆粒物濃度變化與相對濕度成正相關關系，與溫度、風速、光照等成負相關關系;相對濕度對顆粒物濃度的影響比其他氣象因子大。說明隨著相對濕度的增加以及溫度、風速和光照的減弱，顆粒物濃度增大;反之，顆粒物濃度減小。

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