城鄉特色核桃防護林樹種配置結構對空氣顆粒物及溫濕度的影響

胡夢玲 彭小東 阿麗亞·拜都熱拉 買爾旦·阿不都卡德 孫桂麗

摘要：【目的】分析干旱區城鄉核桃林與不同樹種配置結構空氣顆粒物濃度變化差異，探討樹種配置結構與大氣顆粒物濃度、溫度、相對濕度間的關系，為區域環境綠化建設提供理論參考。【方法】以新疆葉城縣城區、城郊和鄉村 3個不同區域樹種配置結構的林帶為監測點，樹種配置分別是蘋果（Malus domestica）—核桃（Juglans regia）、紅棗（Ziziphus jujuba Mill.）、紅棗—核桃、新疆楊（Populus alba）—核桃和核桃，通過監測防護林內和林帶不同水平距離顆粒物濃度、空氣溫度和相對濕度，分析大氣顆粒物的時空變化規律、防護林不同水平距離對顆粒物濃度的削減作用。【結果】顆粒物濃度具有明顯的時空差異。城區、城郊和鄉村核桃防護林顆粒物濃度污染排序依次為鄉村>城郊>城區;城區、城郊和鄉村核桃防護林的PM2.5最高濃度分別出現在20：00（20.00 ?g/m3）、12：00（29.00 ?g/m3）和14：00（58.25 ?g/m3）;PM10最高濃度分別出現在20：00（35.25 ?g/m3）、14：00（62.67 ?g/m3）、14：00（131.50 ?g/m3）;PM1.0最高濃度分別出現在20：00（12.50 ?g/m3）、12：00（12.67 ?g/m3）、14：00（28.75 ?g/m3）。樹種不同配置結構顆粒物濃度存在差異，排序依次為核桃>對照>新疆楊—核桃>紅棗>蘋果—核桃>紅棗—核桃。防護林不同水平距離對PM2.5濃度消減程度不同。城區與城郊不同水平距離削減作用排序為0 m>20 m>10 m;鄉村依次為0 m>10 m>20 m。城區與城郊核桃防護林溫度差異不明顯，二者的溫度明顯高于鄉村防護林溫度;城區、城郊和鄉村核桃防護林相對濕度均存在波動變化。PM2.5濃度與溫度呈極顯著負相關（P<0.01，下同），與相對濕度呈顯著正相關（P<0.05），PM1.0濃度與溫度、相對濕度的相關性均達極顯著水平，PM10與溫度、相對濕度相關性均不顯著（P>0.05）。【結論】核桃林在城區、城郊和鄉村發揮的生態效益存在一定差異，在鄉村能明顯改善空氣質量;核桃林帶搭配種植紅棗可充分發揮其生態效益，在農業環境污染較重的地區可作防護林帶選用。

關鍵詞： 防護林;核桃林;顆粒物濃度;溫濕度

中圖分類號： S663.4;X513? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）05-1310-09

Abstract：【Objective】To quantitatively analyze the differences in air particulate matter concentration changes between different regional Juglans regia forests and different tree species configuration structures in arid zones， to explore the relationship between different tree species configuration structures and atmospheric particulate matter concentration， temperature and relative humidity， and to provide theoretical references for regional environmental greening construction. 【Method】Take the forest belts with fruit tree configurations in urban， suburban and rural areas of different areas of Ye-cheng， Xinjiang as the monitoring points. They were Malus domestica-J. regia， Ziziphus jujuba Mill.， Z. jujuba Mill.-J. regia， Populus alba-J. regia， J. regia. By monitoring the concentration of particulate matter， air temperature and relative humidity within the shelterbelts and at different horizontal distances from the forest belts， the spatial and temporal variation patterns of atmospheric particulate matter and the reduction effect of different horizontal distances from the shelterbelts on the concentration of particulate matter were analyzed. 【Result】Particulate matter concentrations had obvious spatial and temporal differences. The highest concentrations of PM2.5 in urban， suburban and rural walnut shelterbelts occurred at 20：00（20.00 ?g/m3）， 12：00（29.00 ?g/m3） and 14：00（58.25 ?g/m3）， respectively; the highest concentrations of PM10 occurred at 20：00（35.25 ?g/m3）， 14：00（62.67 ?g/m3）， and 14：00（131.50 ?g/m3） respectively; the highest PM1.0 concentrations occurred at 20：00（12.50 ?g/m3）， 12：00（12.67 ?g/m3）， and 14：00（28.75 ?g/m3）， respectively. The decreasing order of particle concentration in different planting types was as follows：J. regia L.>control>P. alba-J. regia L.>Z. jujuba Mill.>M. domestica-J. regia L.>Z. jujuba Mill.-J. regia L. Different levels of protection forests had different levels of reduction of PM2.5 concentration. The reduction degree of shelterbelts at different distance to PM2.5 concentration was different.The size of the reduction effect at different horizontal distances in urban and suburban areas was： 0 m>20 m>10 m; 0 m>10 m>20 m in rural areas in order. The temperature difference between urban and suburban J. regia shelterbelts was not obvious， the relative humidity trend was large， temperatures of urban and suburban J. regia shelterbelts? were higher than that in rural areas; and the relative humidity difference among urban， suburban and rural J. regia protection forests had fluctuation change; and the PM2.5 concentration had extremely significant negative correlation with temperature（P<0.01， the same below） and had significant positive correlation with relative humidity（P<0.05）， the correlation between PM1.0 concentration and temperature and relative humidity were both extremely significant， and the correlation between PM10 and temperature and relative humidity were not significant（P>0.05）. 【Conclusion】The ecological benefits of J. regia forest in urban， suburban and rural areas are somewhat different， and it can greatly improve the air quality in rural areas; the J. regia forest belt can give full play to its ecological benefits with the planting of Z. jujuba， and it can be used as a protective forest belt in areas with heavy agricultural environmental pollution.

Key words： shelterbelts; Juglans regia forest; particulate matter concentration; temperature and humidity

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（31971713，31770750）;National Postdoctoral Fund Project（2020T130554）

0 引言

【研究意義】我國西部干旱區氣候干燥且荒漠化現象嚴重，沙塵和霧霾天氣頻發，綠化樹種作為森林資源的一部分，能有效吸附大氣中的顆粒物，對風沙也可起到阻滯作用，吸附和滯留的塵土可隨雨水固定到土壤中。利用綠化帶阻滯顆粒物和凈化空氣是降低顆粒物污染的重要辦法（劉萌萌，2014;劉宇等，2020）。在沙塵天氣頻發的塔克拉瑪干西南緣的新疆葉城縣城區、城郊及鄉村道路兩邊種植特色防護林核桃林在實現一定程度經濟收入的同時，核桃林根系改善了土壤表層結構，減少水土流失，具有明顯的抗旱治堿作用，防護林通過葉片蒸騰作用可有效降溫增濕，改善農田小氣候（白秀文等，2015）。我國是世界核桃生產第一大國，種植面積廣，且核桃適應性強，經濟效益好，研究核桃經濟林及其不同配置結構的生態效益對我國農林業發展及干旱區城鄉人居環境的改善具有十分重要的意義。【前人研究進展】果樹經濟林應用于園林綠化既能產生一定經濟效益，又能改善生態環境，但沒有量化生態環境指標（Salma et al.，2006;阿麗亞·拜都熱拉，2015）。在生態文明建設的大背景下，通過改變經濟林的經營方式實現優質高產、生態安全的經營目標，是經濟林研究的重要方向（Johnston and Crossley，2002）。有研究表明核桃能減輕環境污染，改善空氣質量。國內學者探討了核桃林下的植被多樣性，發現核桃與灌木配置能有效提高生態效益（張金萍等，2019）;熊冬連等（2019）在湖北武陵山區研究了核桃林下幾種復合經營模式，結果表明核桃林不同配置結構種植比單種種植生態效益更顯著。在果樹生產過程中，經濟林不同結構配置的溫濕度效應和凈化空氣作用有所不同，理想的樹種配置結構能在最大程度上發揮環境資源的利用價值，包括喬木、灌木和草坪等組成的復合結構，以及不同樹種間的搭配，結構層次越多，形成一個動態結構，環境資源的利用效果越好（彭曉邦，2009;孫曉丹等，2017;張進和陳健，2019）。不同植物配置結構對顆粒物濃度的削減作用受溫度、相對濕度及風速等環境因子影響，溫度對其影響更為顯著（劉宇等，2015;高海波，2019）。古琳等（2013）分析了無錫惠山香樟林、濕地松林和栓皮櫟林3種林帶結構類型顆粒物濃度變化特征，發現影響顆粒物濃度的因素包括氣象條件和森林結構特征，在溫度和濕度高的條件下，細顆粒物更易生成，難以擴散。【本研究切入點】塔克拉瑪干沙漠邊緣城鄉生態環境惡劣，常年干旱少雨，沙塵災害頻發，當地有限的森林資源發揮著有效的降塵增濕效益（Nowak et al.，2006;Tallis et al.，2011）。核桃林是當地主要的果樹經濟林，廣泛應用于城鄉綠化建設中。已有研究多集中在果樹經濟林的生產模式探究和經濟效應評價，生態效益研究僅進行了定性分析，而對于核桃林對環境改善效果的定量分析或與其他樹種搭配發揮的生態效益差異尚未明確。【擬解決的關鍵問題】以新疆喀什地區葉城縣不同區域（城區、城郊和鄉村）的不同樹種配置結構的林帶為研究對象，監測林帶不同距離和不同配置結構顆粒物濃度，研究核桃林顆粒物濃度的時空變化特征及不同距離對大氣顆粒物濃度的削減作用，探討大氣顆粒物濃度與溫度、相對濕度間的關系，為不同區域的核桃林建設提供理論參考。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

新疆喀什地區葉城縣有中國核桃之鄉的美稱，位于新疆維吾爾自治區西南部，緊臨我國最大的沙漠塔克拉瑪干沙漠，地形南高北低。葉城縣屬溫帶大陸性干旱氣候，東北部處于塔克拉瑪干沙漠荒漠區，風沙多且日照強，降水稀少，北部平原年平均氣溫11.3 ℃，年平均降水量54 mm。研究區氣象要素見表1。不同區域核桃防護林分別位于葉城縣的城區（人民公園主干道旁）、城郊（核桃大道旁）和鄉村（吐格曼貝希村鎮干道旁）。防護林寬度10～20 m，林間距1～2 m，樹齡約9～12年，1年灌溉4～5次，土壤質地較輕，以沙壤土為主。選取5種葉城縣常見的道路防護林帶配置（表2），分別是蘋果（Malus domestica）—核桃（Juglans regia）、紅棗（Ziziphus jujuba Mill.）、紅棗—核桃、新疆楊（Populus alba）—核桃及核桃;以無植物的硬質空曠地為空白對照。

1. 2 研究方法

1. 2. 1 監測點布置 防護林均以道路垂直方向設置林緣（0 m）、林內（10 m）和林外（20 m），如圖1所示，無植被空地作為對照監測點。不同配置植物群落每塊樣地選取其幾何中心點S作為測定點，每個監測點重復采樣4次。采用小尺度定量監測的方法，使用經過統一矯正的大氣顆粒物儀器和溫濕度記錄儀、便攜式手持氣象站同步連續觀測。

1. 2. 2 監測內容及條件 選擇晴朗無風（風速≤2 m/s）天氣進行連續監測，主風方向為西北方向，監測時避開綠化帶迎風面和背風面，以減少風速風向對顆粒物濃度的影響，監測時段為北京時間10：00、12：00、14：00、16：00、18：00和20：00，每隔2 h采樣一次，9—10月監測6 d，測定高度為1.5 m。采用BR-HOI-1210空氣質量檢測儀（北京）測定空氣中PM2.5（d≤2.5 ?m）、PM10（d≤10 ?m）和PM1.0（d≤1.0 ?m）質量濃度，為避免人為干擾，測量時進氣口朝車行道方向，每次測量前校準。使用LMS-3000手持氣象站測量空氣溫度、相對濕度、氣壓和風向風速，同時采用TH21E型溫濕度記錄儀每分鐘記錄一次數據，監測樣地內溫度、相對濕度和露點溫度。

1. 2. 3 數據處理 以顆粒物削減量表示防護林不同距離對大氣顆粒物削減作用強弱，計算公式如下：

Pn=C0-Cn

式中，Pn為大氣顆粒物濃度削減作用;C0為0 m處顆粒物濃度;Cn為防護林不同水平距離寬度處顆粒物濃度。

1. 3 統計分析

采用Excel 2010進行數據整理和計算、繪制圖表，利用SPSS 20.0進行差異性檢驗和相關分析。

2 結果與分析

2. 1 不同區域防護林顆粒物濃度及溫濕度日變化規律

如圖2所示，城區、城郊和鄉村防護林內PM2.5、PM10和PM1.0濃度均呈現先上升后下降再上升的變化趨勢。鄉村防護林的顆粒物濃度明顯高于城區和城郊防護林內顆粒物濃度，其PM2.5和PM10濃度均在觀測時間段內10：00出現最低值，之后開始上升，至14：00時達最高值，分別為58.25和131.50 ?g/m3;PM1.0濃度在14：00出現峰值（12.67 ?g/m3），之后18：00時下降至最低值22.00 ?g/m3。城區防護林PM2.5、PM10和PM1.0在觀測時間段內10：00左右均為最低值，分別為9.75、16.25和5.25 ?g/m3，至20：00顆粒物濃度出現最大值，分別為20.00、35.25和12.50 ?g/m3。城郊防護林PM2.5和PM1.0在12：00升至最高濃度后（29.00 ?g/m3）呈下降趨勢，于16：00降至最低后又開始上升;城郊防護林PM10濃度各時段差異最大，14：00時的最大值（62.67 ?g/m3）與16：00時的最低值相差27.00 ?g/m3。分析產生上述現象原因：上午10：00之后受人為活動的影響，車流量和人流量增加導致顆粒物濃度升高，不同區域人為活動的范圍和時間有所不同，因此，不同區域顆粒物濃度峰值的出現也存在差別;另外，鄉村綠化建設相對較差，顆粒物污染較嚴重，城區綠化較好，則污染較小。

由圖3可看出，城區、城郊和鄉村防護林溫濕度日變化無明顯規律，城區與城郊防護林溫度差異不明顯，二者的溫度明顯高于鄉村防護林溫度，城區、城郊和鄉村防護林相對濕度均存在波動變化。鄉村防護林在觀測時間段內16：00溫度升至最高值26.30 ℃，相對濕度降至最低值32.54%;至18：00城區和城郊防護林溫度均達最大值，分別為28.31和28.21 ℃，相對濕度降至最低，分別為22.39%和32.67%。城區、城郊和鄉村防護林最大溫差分別為6.32、5.91和8.15 ℃，相對濕度最大差值分別為10.36%、9.32%和24.44%，城區防護林溫度峰值大于鄉村防護林，最大溫差卻比鄉村防護林小。可見，鄉村空曠地顆粒物濃度在觀測時間段內16：00—18：00時段高于防護林，其他時段內均低于防護林。

2. 2 不同樹種配置結構內顆粒物濃度比較

從表3可看出，不同樹種配置結構PM2.5、PM10和PM1.0濃度存在差異，顆粒物濃度排序依次為核桃>對照>新疆楊—核桃>紅棗>蘋果—核桃>紅棗—核桃。蘋果—核桃、紅棗—核桃及紅棗3種配置的顆粒物濃度污染狀況相近，差異不顯著（P>0.05，下同），核桃與其他配置顆粒物濃度均達到極顯著差異水平（P<0.01，下同）。紅棗—核桃配置的顆粒物濃度污染最小，新疆楊—核桃配置的顆粒物濃度污染僅次于核桃和對照。蘋果—核桃和紅棗—核桃配置的顆粒物濃度污染均比新疆楊—核桃配置的低，差異達極顯著水平。

2. 3 防護林不同水平距離對顆粒物削減作用

城區、城郊和鄉村防護林不同水平距離對PM2.5、PM10和PM1.0削減作用有所差異（圖4～圖6）。

如圖4所示，在上午10：00城區防護林不同水平距離PM2.5削減作用相差不大，0 m處最高，20 m處其次，10 m處最低，分別為9.75、9.25和8.75 ?g/m3;不同水平距離PM1.0削減作用大小規律與PM2.5一致，但PM1.0削減量0、10和20 m處差異較大，0與10 m處最大削減量差為3.75 ?g/m3;PM10削減作用排序依次為20 m>0 m>10 m，10 m位于林帶中間位置，顆粒物濃度污染削減量比0和20 m處低。

如圖5所示，城郊防護林在觀測時間段內PM2.5最大削減量分別出現在10：00和14：00。10：00時0和20 m處最大削減量分別為6.00和5.00 ?g/m3，10 m處削減量小于0和20 m處;14：00時10 m處最大削減量為6.33 ?g/m3，0和20 m處削減量均小于10 m處。上午10：00時PM10最大削減量于水平距離10 m處最大（19.00 ?g/m3），20 m處最小（15.00 ?g/m3），0 m處居中（17.00 ?g/m3）。PM1.0削減作用于水平距離0 m處最大是在10：00時;于水平距離10和20 m處則在16：00時出現最大削減量;2個時間點均是10 m處削減作用最小。

如圖6所示，鄉村防護林在觀測時間段內PM2.5最大削減量出現在16：00和18：00;最大削減量在0 m處為19.25 ?g/m3，10 m處為17.25 ?g/m3，20 m處為16.50 ?g/m3。PM10最大削減量依次為10 m>20 m>0 m;PM1.0最大削減量于水平距離0 m處出現在16：00，為11.00 ?g/m3，于水平距離10 m處出現在18：00，為10.50 ?g/m3，于水平距離20 m處出現在14：00，為10.25 ?g/m3。

2. 4 顆粒物濃度與空氣溫度、相對濕度的相關分析結果

由表4可看出，溫度與顆粒物濃度呈負相關，相對濕度、大氣壓強與顆粒物濃度呈正相關。PM2.5濃度與溫度呈極顯著負相關，與相對濕度呈顯著正相關（P<0.05），PM1.0濃度與溫度、相對濕度相關性均達極顯著水平，PM10與溫度、相對濕度相關性均不顯著。

3 討論

3. 1 不同地區防護林顆粒物濃度變化規律及相關性

本研究中，鄉村顆粒物濃度污染比城區和城郊嚴重，鄉村防護林顆粒物濃度污染削減量明顯大于城區和城郊防護林，這一現象主要是由鄉村環境與城區、城郊環境的差異所致。葉城縣鄉村受風沙影響更大，地面草坪的覆蓋率遠低于城區和城郊，導致地面塵土更易被風或車輛卷到空氣中。城區防護林溫度峰值較大，可能是城市熱島效應所致（張彪等，2012）。鄉村對照點的顆粒物在16：00—18：00時段濃度高于防護林，其他時段低于防護林內顆粒物濃度，可能是林內環境從10：00時開始升溫，相對濕度緩慢下降，林內的顆粒物隨之累積，在14：00時顆粒物濃度升到最高，林內的溫度會比空地溫度低，不利于顆粒物擴散。無植被的空地顆粒物聚集不受植物吸附作用，相對濕度比林內低，所以16：00之前空地顆粒物濃度仍小于林內，16：00之后溫度開始下降，相對濕度上升，空地的溫度下降速度更快，不利于顆粒物擴散，導致16：00—18：00時段空地濃度高于林內，城區和城郊防護林也有類似現象。

本研究結果發現，空氣中顆粒物濃度變化與氣象因子有密切關系，顆粒物濃度與溫度和風速呈負相關，與相對濕度、大氣壓強呈正相關，PM2.5濃度與溫度呈極顯著負相關，與相對濕度呈顯著正相關，PM1.0濃度與溫度、相對濕度相關性均達極顯著水平。可見PM2.5和PM1.0受溫度和相對濕度影響更大，當溫度較高時，空氣中的顆粒物更容易擴散，濃度就會降低，相對濕度主要影響顆粒物的累積過程，相對濕度越大顆粒物越容易聚集，附著于水汽上不易消散，這主要受地理環境、污染源及氣象因素等影響（王曉磊和王成，2014），在觀測時間段內多次出現對照顆粒物濃度低于林內，當污染源顆粒物擴散進入林帶后，林帶內部開始累積，由于林帶局部小氣候比空地更穩定，顆粒物在短時間內沒能有效吸附和擴散，因此出現林內顆粒物濃度高于對照的情況（陳俊剛等，2014）。城區處于較清潔的地區，顆粒物濃度污染最輕，鄉村綠化不足，道路塵土多，導致大氣污染最嚴重;城郊居中，即城區防護林顆粒物削減量比鄉村防護林和城郊防護林少。這一現象從側面反映了鄉村綠化建設的迫切性，可在鄉村路側或者農田旁種植果樹防護林，既能起到綠化美觀的效果，又可發揮其生態效益。城區綠化用地面積有限，通過優化其綠地配置結構來提高生態效益（薄偉等，2020）。

3. 2 核桃防護林不同林帶寬度對顆粒物削減作用

本研究中，城區核桃防護林10 m處顆粒物濃度污染削減量比水平距離0和20 m處低，說明防護林內出現顆粒物濃度累積現象，植物沒能及時吸附。城郊防護林PM2.5削減量排序依次是0 m>20 m>10 m，說明當10 m處顆粒物濃度污染削減作用大時，則0和20 m處相對較小，可能是林緣位置靠近路邊更接近污染源，當林緣位置顆粒物濃度大時會擴散到林內，林內顆粒物濃度聚集到一定程度后經過植物吸附作用減輕污染，慢慢消散，之后再累積再消減。鄉村防護林PM2.5削減量排序依次為0 m>10 m>20 m，有學者認為林帶寬度越寬，林帶對顆粒物削減作用越強（劉浩棟，2017）。林帶內PM2.5濃度的變化受許多因素的影響，林帶不僅能夠對污染源顆粒物起到滯留作用，在環境因子的改變下，還可能促進PM2.5的生成（賈雨龍，2014）。在城鄉建設防護林的過程中，林帶寬度直接影響防護林的防護效益，核桃防護林種植寬度建議為10～20 m，可有效削減顆粒物，改善空氣質量。

3. 3 樹種配置結構對顆粒物消減的影響

不同植物對大氣顆粒物的吸附和阻滯效果存在一定的差異性。為了改善人居環境質量，綠化建設中通常會采用不同的植物搭配來達到最優效果。本研究中，核桃顆粒物濃度污染最大，與其他配置結構顆粒物濃度呈極顯著差異，紅棗—核桃配置效果最好，顆粒物濃度最低，說明單一樹種配置效果不及樹種混合搭配，其他地區綠化建設可選用當地適宜的經濟樹種，在發揮生態效益的同時也能提高經濟效益。新疆楊—核桃顆粒物濃度污染明顯高于蘋果—核桃和紅棗—核桃配置，新疆楊的枝下高較高，下層枝葉較少，對顆粒物和氣溶膠的攔截能力較弱，易出現累積現象（張金萍等，2019），核桃間的新疆楊樹干沒有枝葉恰好導致林帶空缺一部分，而紅棗、蘋果與核桃高度相似，能更好地阻滯顆粒物。植物在風和雨水的作用下，累積的顆粒物會沉降到地面，植物重新恢復滯塵能力（劉浩棟，2017）。顆粒物的累積與擴散過程受空氣溫度和相對濕度的影響較大，空氣溫度越升高，大氣垂直對流運動越強烈，顆粒物隨著這種運動更容易擴散，由污染源排放的大氣顆粒物便可輸送到遠方，降低污染程度;而相對濕度越高越不利于大氣顆粒物的消減，PM2.5與空氣中的水汽凝結懸浮在空氣中，將會有利于顆粒物的積聚，增大污染程度（尹寒梅等，2019）。

4 結論

在葉城縣大面積種植核桃的情況下，可通過優化城鄉特色經濟林木防護林結構來提高生態效益，建議采取核桃搭配其他園林植物種植，紅棗—核桃和蘋果—核桃配置結構能有效減輕顆粒物濃度污染;核桃林帶搭配紅棗種植可充分發揮其生態效益，在農業環境污染較重的地區可作防護林帶選用。

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（責任編輯 鄧慧靈）