北京門頭溝主城區及其城郊森林大氣污染物時空變化特征

郭嘉, 辛學兵, 郭慧, 法蕾, 裴順祥, 吳迪, 馬淑敏

北京門頭溝主城區及其城郊森林大氣污染物時空變化特征

郭嘉, 辛學兵, 郭慧, 法蕾, 裴順祥*, 吳迪, 馬淑敏

中國林業科學研究院華北林業實驗中心, 北京 102300

由于前人對城市大氣污染物時空變化特征研究結論缺乏統一性, 以及城市森林及其周邊大氣污染物協同變化規律研究結果的不確定性, 研究以建立在北京市門頭溝的3套固定空氣質量監測站為依托, 以主要大氣污染物SO2和氮氧化物為研究對象, 分析典型居民區、林緣和林內主要大氣污染物濃度的日、月、季及特定天氣下的變化規律, 擬揭示北京門頭溝主城區及其城郊森林大氣污染物時空變化特征。研究結果表明, 秋季林內SO2濃度為夜間高于白天, 其余大部分為白天高于夜間; 林內氮氧化物的日變化特征為雙峰型, 居民區為單峰型; 居民區、林緣空氣中SO2的日變化規律表現為單峰型, 林內SO2日變化秋季為凹面型, 冬季無明顯特征; 林內、林緣、居民區空氣中SO2濃度均為冬季高于秋季, 林內、居民區空氣中NO2為秋季高于冬季, NO、NO冬季與秋季無顯著差異; 居民區、林內SO2在2月份達到峰值, 林緣1月達到峰值, 林內氮氧化物10—11月份達到峰值, 居民區11—12月達到峰值; 居民區氮氧化物顯著高于林內, SO2為林內、居民區顯著高于林緣。在典型大氣污染過程中, 秋季林內空氣中氮氧化物濃度波動幅度較居民區小且具有明顯的滯后特征, 冬季林內空氣中NO、NO濃度波動幅度較居民區小且無明顯滯后特征, 秋、冬季節林內空氣中SO2濃度波動幅度較林緣、居民區大且無明顯滯后特征; 不同觀測點大氣污染物濃度顯著正相關。城郊森林可以對其周邊城市的大氣污染物起到緩沖、抵抗和吸收作用, 但特定天氣條件下, 森林中的大氣污染物會向城市中擴散。

城郊森林; 大氣污染物; 時空變化特征

0 前言

隨著我國社會經濟和城市化進程的快速發展及產業結構、能源排放不規范, 環境污染問題日益凸顯, 治理大氣污染尤為迫切。京津冀地區城市大氣污染問題對人類生活產生了較大的影響。城市森林不僅為生活在城市的人類提供了良好的休閑娛樂場所, 而且在削減城市大氣污染物方面發揮著一定的作用[1–5]。良好的城市森林可以有效的降低城市大氣污染物濃度, 進而改善城市人居生活環境。

森林植物可以通過吸附與吸收兩種過程削減大氣中的污染物質, 吸附主要發生在植物地上部分的植株表面, 研究表明葉片粗糙、具蠟質層、氣孔開口大、分泌粘液、具絨毛的植物能吸附較多的大氣污染物[6–7], 另外葉片著生角度也對植物的吸附作用有一定的影響[8]。吸收是指植物通過氣孔吸收大氣中的多種化學物質(如二氧化硫, SO2; 氯, Cl2;氫氟酸, HF; 氮氧化物, NO等), 然后通過一系列的同化作用使其固定在植物體內。例如植物吸收大氣中的SO2, 并迅速將其轉化為亞硫酸鹽、硫酸鹽, 然后對其同化利用[8]; 另外植物體內的硝酸鹽還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)和谷氨酰胺合成酶(GS)可以將大氣中的NO2轉化為N2或生物體內的氮素[9]。張志旭[10]通過對河北霧靈山自然保護區森林凈化大氣環境質量研究后發現, 保護區森林生態系統年吸收大氣污染物以SO2為主, 多達1335.747 t·a-1, 吸收氮氧化物72.114 t·a-1。蔣燕等[11]基于西山國家森林公園林內及北京市植物園內空地(林外)的空氣質量監測站實時數據, 分析2015年北京采暖季城市森林內外SO2濃度的時空變化特征, 結果顯示, 城市森林對氣態污染物具有一定的緩沖、抵抗和吸收能力。森林植物的吸收與吸附大氣污染物能力將會對局地大氣中污染物濃度的時空變化規律產生影響, 所以通過研究城市森林及其周邊大氣污染物濃度的時空變化規律, 對精準預測大氣環境質量具有重要的作用。

前人在對大氣污染物時空變化特征進行大量研究的基礎上得到一些非常有意義的結果[12–16], 但還需要進一步的研究, 主要有以下幾個原因: 對大氣污染物時空變化特征研究并沒有得到統一的結論, 例如, 對大氣污染物日變化曲線研究得出的結論有雙峰型[11]、單峰型[17–18]、無明顯特征[19]等; 近年來高精度大氣環境固定監測臺站的廣泛建立極大的提高了數據的數量及質量, 但目前大氣環境固定監測臺站設置多以城市大氣環境質量監測為主, 其固定監測站主要建立在城市道路兩旁、森林公園、植物園內(中國空氣質量在線監測分析平臺, https://www.aqistudy. cn/), 缺乏居民區及城郊大林區內監測數據; 另外, 森林站近年來才開始陸續建立, 新建森林站與城市站之間往往距離較遠, 兩個臺站之間數據無法匹配或匹配效果較差, 基于此數據研究城市森林與其周邊大氣污染物協同變化規律, 其結果缺乏可靠性。相對而言, 在城郊森林內、林緣、林緣附近居民區分別建立高精度全自動空氣質量站, 并進行長期定位監測, 則會提高城市森林林內與城區間大氣污染物協同變化規律的確定性。但目前未見相關研究的報道。

本研究以北京城市生態系統(門頭溝)定位觀測研究站的3套固定空氣質量監測站為依托, 以主要大氣污染物SO2和氮氧化物(一氧化氮, NO; 二氧化氮, NO2; 該文NO為NO與NO2的濃度和)為研究對象, 對3地(居民區、林緣、林內)主要大氣污染物濃度開展連續測定, 研究典型居民區、林緣和林內主要大氣污染物濃度的日、月、季及特定天氣下的變化規律, 揭示北京門頭溝主城區及其城郊森林大氣污染物時空變化特征, 以期為北京城郊森林削減大氣污染物作用提供實證及為城郊森林生態價值評估提供基礎數據和科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

大氣污染物固定監測站分別位于北京市門頭溝區葡東小區內(距離林緣500 m)、九龍山森林與門頭溝主城區交界處、距林緣2 km的油松()人工林內, 3個固定監測站于2017年9月建成。林緣森林類型為側柏()人工林, 研究地氣候條件為北溫帶半濕潤大陸性季風氣候, 夏季炎熱多雨, 冬季寒冷干燥, 年降水量650.4 mm, 降水主要集中在6—9月, 年蒸發量1890.8 mm, 無霜期216 d。該地區植被以人工林與天然次生灌叢為主, 屬典型的暖溫帶落葉闊葉林。

1.2 數據來源

本研究所用數據來自于空氣質量站實測數據, 空氣質量站內儀器均由美國賽默飛世(Thermo Fisher)生產, 其中SO2監測采用43i–TLE型痕量SO2分析儀, NO監測采用42i–TLE型痕量NO–NO2–NO分析儀, 數據均為小時數據。為了保證數據精度, 儀器運行環境溫度常年穩定在26°C, 每隔一周更換儀器過濾片同時清理風扇, 每月檢查清潔劑過濾器柱, 每半年更換一次活性炭, 每隔一個月對儀器進行校準。本研究數據為2017年9月1日到2018年2月28日, 其中SO2數據3個監測點均有, NO數據僅有葡東小區及林內監測站數據。

1.3 數據處理方法

異常值處理: 對原始數據進行篩選, 發現負值直接剔除, 儀器校準全天數據也直接剔除, 剩余數據做進一步分析。

將9—11月定義為秋季, 12—2月定義為冬季。采用單因素方差分析檢驗各要素之間差異顯著性。

分別在秋、冬季節選取大氣NO、SO2濃度較高且研究區域大氣處于污染狀態, 基于此選取2017年9月6—11日、20—28日兩個時間段數據分別研究秋季一次典型大氣污染過程下不同監測地點氮氧化物、二氧化硫濃度變化規律, 選取2018年1月11–15日數據研究冬季一次典型大氣污染過程下不同監測點二氧化硫、氮氧化物濃度變化規律, 具體天氣概況如表1。

表1 空氣質量概況*

注: *天氣數據來自于中國氣象局 (http://www.weather.com.cn/weather1d/101010100.shtml#search), 氮氧化物、二氧化硫濃度為監測站平均值。

采用Excel 2010(Microsoft, USA)、SPSS 16.0 (IBM, USA)軟件對數據進行異常值剔除及分析, 采用SigmaPlot 10.0 (Systat Software Inc., USA)軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 大氣污染物時間變化特征

2.1.1 大氣污染物季變化特征

對不同季節主要大氣污染物濃度進行方差分析, 結果如圖1。由圖1可知, 林內與居民區NO、NO濃度秋季與冬季無顯著差異, 秋季林內與居民區NO2濃度秋季顯著高于冬季; 居民區、林緣、林內空氣中SO2濃度均為秋季顯著低于冬季。

2.1.2 大氣污染物月變化特征

對各觀測點主要大氣污染物9月至次年2月的月均值變化規律分析結果如圖2。由圖2可知, 林內空氣中氮氧化物的組成主要為NO2, 林外不同月份氮氧化物的組成不同, 主要表現為9–10、2月份主要為NO2, 11—1月份NO、NO2共同影響大氣中氮氧化物濃度。林內NO2與NO的月變化規律較一致, 均為10月份達到最高值, 2月份最低, 但NO的月變化規律為11月份達到峰值, 9月份最低; 居民區NO與NO月變化規律均為單峰型, 但NO的濃度最高月份12月, NO為11月, 從9月到次年2月居民區大氣中NO2濃度呈波動下降趨勢; 居民區及林內

SO2月變化規律總體呈“V”字型, 10月份濃度最低, 林緣SO2月變化規律呈余弦曲線型, 10月份濃度最低, 1月份最高。

2.1.3 大氣污染物日變化特征

將秋(9—11月)、冬(12—2月)季內每日相同時間觀測數據平均, 得出秋、冬季小時平均數據, 利用此數據得出秋、冬季節大氣污染物日變化曲線(圖3)。由圖3可知, 居民區秋、冬季節空氣中NO、NO濃度的日變化曲線為雙峰型, 兩個峰值分別出現在8: 00—9: 00和21: 00—23: 00, NO2濃度日變化表現為單峰型, 峰值出現在20: 00—21: 00; 林內秋、冬季節空氣中氮氧化物的日變化曲線均為單峰型, 其中NO秋季峰值出現在10: 00, 冬季峰值出現在12: 00, NO2秋季峰值出現在16: 00, 冬季峰值出現在17: 00, NO秋季峰值出現在17: 00, 冬季峰值出現在17: 00—18: 00; 秋、冬季氮氧化物日變化曲線相差不大。居民區與林緣秋、冬季節空氣中SO2濃度的日變化曲線為單峰型, 其中居民區秋、冬季節空氣中SO2峰值出現在16: 00—17: 00, 林緣秋季峰值出現在15: 00—16: 00, 冬季峰值出現在14: 00—15: 00; 林內冬季空氣中SO2濃度的日變化曲線呈波浪形, 無明顯規律, 秋季空氣中SO2濃度的日變化曲線呈凹面型, 即白天林內空氣中的SO2含量較低, 夜間相對較高; 此外, 居民區、林緣、林內SO2日變化曲線均為冬季高于秋季。

圖1 大氣污染物濃度的季節變化特征

Figure 1 Seasonal variation of atmospheric pollutant concentrations

圖2 大氣污染物濃度的月變化特征

Figure 2 Monthly variation characteristics of atmospheric pollutant concentrations

圖3 大氣污染物濃度的日變化曲線

Figure 3 Diurnal variation curve of atmospheric pollutant concentrations

2.2 大氣污染物空間變化規律

2.2.1 不同觀測點大氣污染物季變化特征

不同觀測點大氣污染物季變化比較分析結果如表2。由表2可知, 秋、冬季節居民區大氣中氮氧化物含量顯著高于林內; 秋、冬季節林內、居民區SO2含量顯著高于林緣。

2.2.2 不同觀測點大氣污染物月均值差異分析

不同觀測點大氣污染物月均值差異分析結果如圖4。由圖4可知, 9月到次年2月, SO2月總體趨勢為林內最高, 居民區、林緣次之, 具體為林內、居民區月SO2平均濃度顯著高于林緣, 其中10、11月林內月SO2平均濃度顯著高于居民區。氮氧化物總體趨勢為居民區高于林內, 具體為居民區月NO、NO平均濃度顯著高于林內, 大部分月份林內NO2濃度與居民區差異不顯著, 僅9月份居民區NO2濃度顯著高于林內。

表2 不同觀測點大氣污染物季平均值差異分析(體積分數/10-9)

注: 表中數值為均值±標準差, 平均值差異在0.05水平顯著。

圖4 不同觀測點大氣污染物月均值差異分析

Figure 4 Monthly mean differences of atmospheric pollutants at different observation points

2.3 典型污染天氣條件下大氣污染物變化規律

對研究區秋、冬季節典型大氣污染過程中不同監測點主要大氣污染物濃度變化規律進行分析, 結果如圖5。由圖5可知, 在秋季典型大氣污染過程中, 林內空氣中氮氧化物濃度波動幅度較居民區小且具有明顯的滯后特征; 在冬季典型大氣污染過程中, 林內空氣中NO、NO濃度波動幅度較居民區小且無明顯滯后特征; 冬季, 當居民區空氣中NO2濃度緩慢上升時, 林內空氣中NO2濃度也上升, 且其上升速率低于林內; 當居民區以某一較高NO2濃度持續一段時間時, 林內空氣中NO2濃度將會高于居民區, 且林內空氣中NO2濃度下降時居民區空氣中NO2濃度有小幅波動升高。秋、冬季節林內空氣中SO2濃度波動幅度較林緣、居民區大且無明顯滯后特征。

2.4 不同觀測點主要大氣污染物間相關分析

利用不同觀測點各大氣污染物的日變化數據, 對不同觀測點主要大氣污染物濃度做相關分析, 結果如表3, 由表3可知, 不同觀測點主要大氣污染物間存在顯著的正相關關系, 具體表現為, 秋季林緣與居民區空氣中SO2濃度存在顯著的正相關關系, 林內與居民區空氣中NO、NO濃度存在顯著的正相關關系; 冬季林內、林緣、居民區空氣中SO2濃度兩兩顯著正相關, 林內與居民區空氣中NO濃度存在顯著的正相關關系。

3 討論

3.1 大氣污染物時空變化特征分析

許多學者對不同區域的大氣污染物濃度的時空變化特征進行了分析, 并得出一些非常有意義的結論。劉檢琴研究發現長沙市主城區白天各污染物的濃度均小于夜間[20]。本研究僅秋季林內SO2濃度為夜間高于白天, 其余大部分為白天高于夜間。對空氣中SO2、NO日變化曲線特征研究發現, 如果所選研究地為距離城市中心較遠的郊遠區縣或相對較清潔區, SO2、NO的日變化曲線特征多為單峰型, 相反, 如果所選研究地距離城市中心較近或者距離污染源較近, 其日變化曲線特征多為雙峰型[11,14,17–19]。本研究氮氧化物的日變化特征與前人結論相同, 但居民區空氣中SO2的日變化規律表現為單峰型, 主要是因為現今人類活動硫化物排放量較低(北京市2017年冬季供暖采用煤改電或氣), 另外, 居民區距離森林較近, 受其影響較大, 森林的削減作用也能降低一部分空氣中的SO2濃度。

圖5 典型污染天氣條件下大氣污染物變化規律

Figure 5 Variation of atmospheric pollutant concentrations under typical contaminated weather conditions

表3 不同觀測點主要大氣污染物間相關分析

注: *表示在0.05水平上顯著, **表示在0.01水平上顯著。

大氣中污染物濃度一般為冬季高于秋季[14,20], 城區大于郊區[17], 1—3月林內低于林外, 11—12月為林內低于林外, 且林內變化較林外平緩[11]。本研究林內、林緣、居民區空氣中SO2濃度均為冬季高于秋季, 但林內、居民區空氣中NO2為秋季高于冬季, NO、NO冬季與秋季無顯著差異; 居民區、林內SO2在2月份達到峰值, 林緣1月達到峰值, 林內氮氧化物10–11月份達到峰值, 居民區11—12月達到峰值; 氮氧化物為居民區顯著高于林內, 但SO2為秋季林內顯著高于林緣, 冬季林內、居民區顯著高于林緣。森林存在可以增加SO2[22–23]、氮氧化物[23–24]的沉降速率, SO2、NO2均可與水直接反應生成亞硫酸(H2SO3)與硝酸(HNO3), NO在氧氣充足的情況下也能與水生成HNO3, 而森林內濕度較高、氧氣充足, 加快了氣體污染物轉化為酸, 使得林內氣體污染物暫時降低, 林外高濃度的氣體污染物流向林內, H2SO3不穩定, 遇到高溫會再次分解成氣體, 本研究所用的固定空氣質量站為了保證不讓水汽進入儀器, 其采樣總管一直在加熱, 所以H2SO3再次分王利等, 2007解成SO2, 進而導致林內SO2濃度較高。

3.2 城郊森林對主要大氣污染物濃度影響分析

大量研究表明森林植物可以對大氣污染物濃度產生影響[25–28]。植物的活動可以致使環境空氣中的污染物減少, 但有限的研究僅得出了一些經驗數據, 而不是模型估計[29], 此外, 由于植物吸收大氣污染物量取決于污染物的濃度及有效綠地面積, 且這些變量間的關系是非線性的[30], 即更多的綠地并不意味著將吸收最大量的污染物, 利用城市森林效應模型(Urban Forest Effects model, UFORE)計算城市森林可以降低不到2%的城市污染物, 在某些森林覆蓋率接近100%的鄉村地區, 其森林清除大氣污染物的效率可以暫時達到10%, 但當大氣中污染物濃度降低后, 森林的吸收率再次降到不到2%[31–32], 所以Rice[25]認為森林平均可使空氣質量提高2%。蔣燕等研究顯示城市森林對氣態污染物具有一定的緩沖、抵抗和吸收能力[11]。Ryzhova等[33]利用二維數字流體力學模型描述不同尺度林帶對大氣表層SO2湍流運輸的影響, 模型計算結果顯示, 由于風速的降低和樹冠對SO2的吸收, 林帶的存在導致水平SO2通量顯著減少, SO2通量的消光系數隨林帶面積的增加而增加。本研究通過對不同觀測點主要大氣污染物間相關分析發現, 居民區空氣中的大氣污染物對林緣、林內空氣中污染物濃度的影響為正效應; 對典型天氣污染過程時林內、林緣、居民區內大氣污染物變化規律研究發現, 秋季林內氮氧化物的變化規律相對居民區具有明顯滯后性, 冬季滯后性不明顯, 且波動幅度小于居民區; 另外, 在冬季, 當居民區空氣中NO2濃度緩慢上升時, 林內空氣中NO2濃度也上升, 但其上升速率低于林內, 以上結果說明城郊森林在秋季對氮氧化物具有一定的緩沖、抵抗和吸收能力。此外, 本研究還發現, 在冬季一次典型污染過程中, 當居民區以某一較高NO2濃度持續一段時間時, 林內空氣中NO2濃度將會高于居民區, 且林內空氣中NO2濃度下降時居民區空氣中NO2濃度有小幅波動升高, 說明森林的內部空前可以儲存一定濃度的NO2, 此時森林是NO2匯; 當林外空氣中NO2濃度降低后, 森林內部的一部分NO2向林外擴散, 此時森林是NO2源。秋冬季節顆粒物是北京空氣中的主要污染物, 顆粒物的存在增加了亞硫酸的沉降速率, 使得森林下部亞硫酸的含量增加, 森林內的SO2濃度持續降低, 外界高濃度SO2流向林內, 所以當污染強度增強后林內SO2濃度增加幅度較大, 污染強度減弱后其濃度下降。

4 結論

北京門頭溝主城區及其城郊森林大氣污染物濃度存在顯著的時空變化特征, 林內大氣污染物的變化相對林外存在一定滯后性, 不同觀測點大氣污染物濃度顯著正相關, 城郊森林可以對其周邊城市的大氣污染物起到緩沖、抵抗和吸收作用, 但特定天氣條件下, 森林中的大氣污染物會向城市中擴散。

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Temporal and spatial variation characteristics of atmospheric pollutants in main city area and its suburban forest of Mentougou, Beijing

GUO Jia, XIN Xuebing, GUO Hui, FA Lei, PEI Shunxiang*, WU Di, MA Shumin

Experimental Centre of Forestry in North China, Chinese Academy of Forestry, Beijing 102300, China

The conclusions of previous studies on the temporal and spatial characteristics of urban atmospheric pollutants are not consistent and there is uncertainty in the results of the studies on the cooperative variation of atmospheric pollutants in urban forest and its surroundings. This study was based on three sets of fixed air quality monitoring stations established in Mentougou, Beijing, the major atmospheric pollutants sulfur dioxide and nitrogen oxides were studied, the daily, monthly, seasonal and under specific weather conditions variations of the concentration of major air pollutants in typical community, forest edge and forest interior, and the temporal and spatial variation characteristics of atmospheric pollutants in main city area and its suburban forest of Mentougou in Beijing were revealed. The results show that, the concentration of SO2during the night in the forest is higher than that during the day and the rest are higher during the day than at night. The daily variation of nitrogen oxides in the forest is bimodal and the residential area is unimodal. The daily variations of SO2in residential areas and forest margins show a single–peak pattern. The daily variation of SO2in the forest is a concave type in autumn and no obvious characteristics in winter. SO2concentrations in forests, forest margins, and residential areas are higher in winter than in autumn. NO2in forests and residential areas are higher in autumn than in winter, and there are no significant differences in NO and NObetween winter and autumn. The residential area and forest SO2reached the peak in February, and the forest edge reached the peak in January. The nitrogen oxides in the forest reached the peak in October-November, and the residential areas peaked in November–December. Nitrogen oxides are significantly higher in residential areas than in forests. In the autumn, however, the SO2concentrations in the forest and residential areas are significantly higher than those in the forest margins. In the process of typical atmospheric pollution, the concentration of nitrogen oxides in the forest is smaller than that in residential areas and has significant lagging characteristics in autumn, but in winter, the concentrations of NO and NOin forest air are smaller than those in residential areas and there is no obvious lagging feature. In the autumn and winter, the concentration of SO2in forest air fluctuates more than forest margin and residential area, and there is no obvious lagging feature. There is significantly positive correlation between atmospheric pollutant concentrations at different observation points. Suburban forests can buffer, resist and absorb atmospheric pollutants in surrounding cities. However, under specific weather conditions, atmospheric pollutants in forests will spread to cities.

suburban forest; atmospheric pollutants; temporal and spatial variation characteristics

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.005

X51

A

1008-8873(2020)02-032-09

2018-12-12;

2019-02-02

中國林科院基本科研業務費專項資金(CAFYBB2014MA017); 國家自然科學基金項目(31470705)

郭嘉(1988—), 男, 碩士, 工程師, 主要從事森林生態研究, E-mail: 375122804@qq.com

裴順祥, 男, 碩士, 副研究員, 主要從事森林生態研究, E-mail: psx0309@sina.com

郭嘉, 辛學兵, 郭慧, 等.北京門頭溝主城區及其城郊森林大氣污染物時空變化特征[J]. 生態科學, 2020, 39(2): 32-40.

GUO Jia, XIN Xuebing, GUO Hui,et al. Temporal and spatial variation characteristics of atmospheric pollutants in main city area and its suburban forest of Mentougou, Beijing[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 32-40.