泰山景區不同林型空氣顆粒物濃度研究

張劉東，郭建曜，萬家隆，付德剛，高 晴，申衛星，張義坤，李傳榮

（1山東省林業保護和發展服務中心，濟南 250000；2山東農業大學林學院/山東泰山森林生態系統國家定位觀測研究站/黃河下游森林培育國家林業和草原局重點實驗室，山東泰安 271018；3泰安市泰山風景名勝區管理委員會，山東泰安 271018）

0 引言

隨著經濟的快速發展，大量有害顆粒物不斷排放到空氣中，空氣污染日益嚴重[1]。空氣顆粒物是均勻地分散在空氣中的固態或液態顆粒狀物質的總稱，是導致空氣污染的主要污染物。研究表明，空氣顆粒物是導致空氣霧霾污染的罪魁禍首，可誘發多種疾病[2-5]，同時可以作為部分流行病毒的潛在傳播載體[6]。空氣顆粒物的濃度高低，已成為衡量空氣環境質量的重要指標。

城市綠地面積不斷縮減[7-8]、生物多樣性降低等問題使生態系統服務功能不能滿足人們的日常需求[9-10]，越來越多的人處于亞健康的狀態[11]，空氣質量較高的森林旅游區逐步成為人們開展游憩活動、緩解身心壓力的重要場所。

泰山風景名勝區（以下簡稱泰山景區）作為國家重點風景名勝區，具有豐富的森林資源條件，每年吸引眾多游客。目前以泰山景區不同類型游憩林為對象的相關研究主要集中在景觀質量評價等方面[12-13]，不同林型對空氣顆粒的影響尚不清楚。本研究以泰山桃花源景區常見的不同游憩林作為試驗對象，以林外景區公路作為對照，探究評價游憩林內空氣顆粒物濃度水平，旨在為景區森林旅游資源開發工作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點設在泰山景區內(36°05'—36°30'N，116°50'—117°24'E)。泰山主峰海拔1532.7 m，與其山前平原相對高差超過1300 m，泰山景區屬于暖溫帶季風氣候，山下和山頂的1月平均氣溫分別為-3℃和-9℃，7月平均氣溫分別為26℃和18℃；年均降水量山頂為1132 mm，山下722.6 mm，平均無霜期186～196天。泰山母巖以花崗巖、片麻巖及過渡性巖石為主，土壤以粗骨棕壤、普通棕壤為主。目前植被覆蓋率達91.5%，森林覆蓋率達81.5%，林下主要分布有胡枝子(Lespedeza davurica)、荊條 (Vitex negundo)、馬唐 (Digitaria sanguinalis)、白蓮蒿 (Artemisia sacrorum)、伏地卷柏(Selaginella nipponica)等植被。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 在泰山景區桃花源地區，選取常見的油松(Pinus tabulaeformis)純林、刺槐(Robinia pseudoacacia)純林和以桃(Amygdalus persica)、板栗(Castanea mollissima)為主的經濟林（取其均值）作為研究對象，在每個樣地中，設置30 m×30 m的標準地，調查樣地內所有樹高、胸徑、郁閉度等，每個標準地中均勻布設9個10 m×10 m的小樣方，在小樣方內選取中心位置作為觀測點，在景區公路處選擇一觀測點(CK)進行對照觀測。樣地概況如表1所示。

表1 樣地概況

1.2.2 監測內容與指標 試驗于2020年8月16—18日8:00—18:00時間段內，在刺槐純林、油松純林、以桃和板栗為主的經濟林和林外景區公路內進行。采用美國生產的Kestrel4000便攜式手持氣象站測定空氣溫度、相對濕度和風速；采用英國TurnKey公司生產的便攜式Dustmate粉塵儀測定TSP、PM10、PM2.5、PM1顆粒物濃度。

試驗中將監測儀器置于每個小樣方的中間位置，監測點高度取人的呼吸平均高度1.5 m。每個樣地每個時間段連續測量3次求平均值，每小時測定一次，不同林分內同時進行。顆粒物測量結果依2016年實施的中華人民共和國《空氣質量標準(GB 3095—2012)》對空氣中的PM10、PM2.5進行評價，并計算各林型的顆粒物削減率[14]，如式(1)。

式中，Y為顆粒物削減率，N為對照點空氣顆粒物濃度，Ni為林內空氣顆粒物濃度。

1.3 數據處理

采用SPSS 24.0進行數據標準化處理、統計、顯著性檢驗、相關性分析，采用Excel 2019軟件進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 空氣顆粒物濃度日變化

如圖1所示，4種粒徑的顆粒物濃度隨時間日變化趨勢相似，但低谷出現的時間段有所不同。TSP濃度日變化曲線為先降低后升高的V型趨勢，即自8:00開始緩慢下降，到9:00之后下降趨勢更加明顯，在13:00（道路和經濟林）或是14:00（油松林和刺槐林）時達到低谷，之后緩慢回升，17:00—18:00上升趨勢較為明顯。PM10濃度日變化曲線與TSP相似，上午起始濃度高，之后逐漸下降，于13:00（道路、經濟林和刺槐林）或14:00（油松林）處到達低谷，之后開始緩慢回升。PM2.5濃度日變化曲線亦為V型，均在15:00達到一天中的低谷。PM1濃度日變化曲線在14:00（道路和經濟林）或是15:00（刺槐林和油松林）到達一天中的低谷。導致這種波峰波谷主要原因可能是8:00—9:00是游覽車出行高峰期，同時空氣濕度較大，導致顆粒物不容易擴散。隨著溫度的升高以及植物生理活動強度的增強，顆粒物濃度通過空氣對流與植物吸滯逐漸降低，14:00左右到達白天低谷，之后由于溫度的降低、游客們陸續離開，顆粒物濃度回升。

圖1 不同粒徑空氣顆粒物日變化

樣地之間的顆粒物濃度日變化特點不同，道路的日變化曲線明顯高于游憩林的日變化曲線；經濟林的日變化曲線在不同粒徑中均高于刺槐純林與油松純林，且在PM2.5與PM1粒徑上高于其他樣地；刺槐林日變化曲線在不同粒徑上均低于經濟林高于油松林，在TSP以及PM10濃度上刺槐林與油松林變化曲線雖有差異但相差不大，在PM2.5與PM1粒徑上刺槐林的顆粒物濃度高于油松林。樣地的顆粒物濃度日變化不同，可能是由樣地之間的總體滯塵能力不同導致的。

2.2 空氣顆粒物比例日變化

如圖2中所示，通過對比各樣地不同粒徑顆粒物濃度比發現，顆粒物所占比例大小與該林分的顆粒物濃度之間沒有明顯的相關性，不同林分之間的顆粒物所占比例無顯著性差異。其中，PM10所占的比例最高，為50.17%～47.38%；PM2.5所占比例最低，為34.97%～30.23%；PM1與PM2.5差異不大，為35.86%～33.45%。總體而言，幾種游憩林空氣環境中的顆粒物粒徑以2.5～10 μm之間的可吸入顆粒物為主。

圖2 小粒徑顆粒物所占比例日變化

各樣地不同粒徑顆粒物比例日變化趨勢，在整體上表現為上午高、下午低的V型曲線，與顆粒物濃度的變化趨勢大體相近。PM10所占比例日變化在12:00—14:00處于低谷，與其濃度日變化低谷出現的時段一致；PM2.5所占比例日變化無明顯谷值，與其濃度的日變化相關性不大；PM1所占比例日變化在14:00—16:00最低，與其濃度日變化低谷出現的時間基本一致。結合各樣地不同粒徑顆粒物比例日變化趨勢發現，游憩林小粒徑顆粒物含量較低時段為14:00—16:00。

2.3 空氣顆粒物總體特征

各樣地空氣顆粒物日均值及其差異如表2所示，不同樣地在TSP、PM10、PM2.5、PM14種不同粒徑水平上均存在顯著性差異。TSP日均濃度各樣地均顯著低于對照道路(P＜0.05)，油松林TSP日均濃度最低，較道路降低20.99%；刺槐林TSP日均濃度略低于油松林，與景區道路相比顯著降低18.27%(P＜0.05)；經濟林TSP濃度顯著高于油松林與刺槐林，與道路林相比顯著降低12.08%(P＜0.05)。PM10日均濃度各樣地顯著低于道路(P＜0.05)，其中油松林日均濃度最低，降低值為道路的21.51%；刺槐林濃度降低為道路的14.13%(P＜0.05)。PM2.5濃度經濟林與道路差異不顯著，刺槐林與油松林顯著低于道路；油松林顯著低于刺槐林(P＜0.05)。PM1日均濃度差異與PM2.5相似，其中油松PM1日均濃度顯著低于其他林分，降低為道路的32.17%。整體上，各林分對于不同粒徑顆粒物削減率（圖3）表現為油松林＞刺槐林＞經濟林，隨著粒徑變小，油松凈化能力比其他林分強。

表2 各樣地顆粒物濃度日均值及小粒徑顆粒物所占比例 μg/cm3

圖3 不同林型對各顆粒物削減率

2.4 空氣顆粒物與氣候因子相關性分析

由表3可知，小氣候各因子之間，溫度與相對濕度呈負相關、風速與溫度呈正相關、風速與濕度呈負相關。各粒徑顆粒物之間呈顯著正相關。顆粒物與小氣候因子之間，各粒徑顆粒物均與溫度顯著負相關，原因可能是空氣溫度的升高加劇了分子活動，導致對流活動的產生，將積蓄的顆粒物擴散、輸出，進而降低顆粒物濃度。空氣顆粒物濃度與空氣相對濕度呈正相關，原因可能為空氣濕度越高空氣中的水分越多，顆粒物會作為凝結核與水汽相互吸附[15]，阻隔其擴散。顆粒物濃度與風速顯著負相關，風是影響污染物擴散的重要動力因子，其顆粒物濃度直觀反映了空氣對流運動的強度，一定范圍內，風速越大顆粒物越容易擴散[16]。

表3 不同粒徑顆粒物濃度與氣象因素Pearson相關性分析

3 結論

本研究結果表明，林分對空氣顆粒物存在顯著的阻遏效應，不同林型之間因植被類型的不同，阻遏效應存在差異性。林分內的顆粒物濃度受氣候、植被、人類活動等因子共同作用，游憩時應注意避開車輛活動的高峰時期，在對泰山景區森林的建設管理工作中，應適當增加油松等常綠針葉樹種所占的比例，以充分利用其較好的顆粒物阻隔能力。

4 討論

泰山景區具有較高的植被覆蓋率和森林覆蓋率。豐富的森林植被吸滯空氣顆粒物，使得景區內空氣顆粒物水平常年處于較低濃度水平，空氣顆粒物的主要輸入源為游客的游憩活動以及車輛交通所帶來的揚塵與尾氣。通過觀察各樣地空氣顆粒物日動態變化曲線，發現均為上午高、中午低谷、下午回升的V字曲線（圖1），這與郭二果等[17]的研究結果一致。本研究中空氣顆粒物濃度，在8:00開始降低，13:00—15:00出現低谷，之后緩慢回升（圖1），這與游客日常前來游憩以及離開的時間段基本吻合，游客下午離園的時間大多分批次離開，較為分散，這可能是導致上午濃度高于下午的原因。同時，氣候的變化也促進了這個趨勢的產生，清晨溫度低、濕度高，空氣對流活動強度較弱，顆粒物與空氣中的水汽結合，不易擴散，之后隨著太陽輻射增強，空氣溫度升高、濕度降低，顆粒物在空氣對流的作用下開始擴散，并在擴散過程中與森林植被頻繁的接觸，森林植被阻滯、吸附空氣顆粒物的效率提高，空氣顆粒物的濃度開始明顯降低，并在14:00左右達到了白天中的低谷，之后隨著氣溫的降低，對流運動強度減弱，空氣顆粒物的濃度開始回升。

結合國家標準評測空氣顆粒物濃度發現，景區各樣地空氣質量良好，全天監測時段內均處于國家二級標準以上，11:00—16:00各游憩林不同粒徑顆粒物濃度均達到了國家一級標準以上，考慮到夏季炎熱的氣候，推薦游客在11:00—16:00時段內活動，避開8:00—11:00具有較高的空氣顆粒物濃度以及中午炎熱的時間段。

比對不同林分內空氣顆粒物濃度分析各林分對空氣顆粒物的凈化效果，不同粒徑顆粒物削減率表現為油松林＞刺槐林＞經濟林，且林分環境對細顆粒物的凈化效率要高于粗顆粒物。這與Tallis[18]、Lin[19]等的研究結果一致。林分環境中的空氣顆粒物，大多是來自于外界輸入，一定范圍內，郁閉度越大的林分，在外界顆粒物輸入時，阻滯作用越發明顯，因而導致不同林分環境內的顆粒物濃度出現差異。不同樹種之間滯塵能力也有所不同，油松林與刺槐林郁閉度差異不大，但是相比于刺槐，油松作為針葉植物擁有更加復雜的枝葉空間分布結構[17]，且其葉片表面紋理成波浪形，紋理之間常分泌油脂[20]，獨特的結構優勢保證了油松能夠更加有效地捕獲空氣中的顆粒物并牢牢地吸滯在葉片上，有效地降低林內的空氣顆粒物濃度。林分的吸滯作用在顆粒物不同粒徑尺度上也存在差異[21]，相比于細顆粒物，質量較大的粗顆粒物更加難以被樹木的枝干以及葉片所捕捉，捕捉之后也更加容易在氣象擾動之下脫離，這一點在作為針葉樹種的油松上體現的格外明顯，其在PM2.5及PM1粒徑上的顆粒物凈化率顯著的優于其在TSP、PM10粒徑上的凈化率。

通過對不同粒徑顆粒物濃度與小氣候相關性分析發現，顆粒物濃度與溫度呈顯著負相關，與濕度呈正相關，與風速呈顯著負相關，這與古琳[22]和杜萬光[23]等的研究結果一致。溫度、相對濕度等氣候因素的變化影響了顆粒物的擴散，導致顆粒物的濃度上升或是下降，但是這種影響不是絕對的，要限定在一定的范圍內。氣候因素與顆粒物濃度的相關關系存在著一定的閾值[24]，氣候因素在不同的范圍內與空氣顆粒物的相關關系仍需進一步研究。