北京不同類型城市森林中PM2.5 與O3 的關聯性分析

李少寧，于 迪，時 聰，趙 娜，徐曉天，魯紹偉*

1. 北京市農林科學院林業果樹研究所，北京 100093

2. 國家林業和草原局，北京燕山森林生態系統國家定位觀測研究站，北京 100093

3. 沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866

隨著我國社會經濟的持續發展，人們對生活的要求也越來越高. 工業生產、化石燃料燃燒等活動產生的污染物大量排放到大氣中，嚴重影響區域甚至全球大氣環境和人體健康. 大氣污染已引起社會各界廣泛關注，并成為亟須解決的重大問題. 生態環境部發布的《2017 年中國環境狀況公報》顯示，2017 年我國338 個地級及以上城市中有254 個城市的空氣質量存在超標問題，特別是經濟發展迅速的京津冀地區，大氣污染事件頻繁發生. 目前，學者們已經從大氣環境中識別出對人體健康有明顯影響的主要污染物，主要包括SO2、PM10、PM2.5、NOx和O3等，其中PM2.5和O3已經成為目前大氣污染防治的重點，其能夠對空氣質量、人體健康和氣候變化產生直接影響[1-2]. 近年來，城市森林對大氣污染物的調控作用受到高度關注. 城市森林是指在城市及其周圍以喬木為主體，達到一定的規模和覆蓋度，能發揮著調節城市小氣候、提高城市大氣質量、吸收和降解各種污染物等重要作用，并具有明顯的生態、人文景觀價值等各種生物和非生物的綜合體[3]. 城市森林能促進和維護城市居民健康，因樹木吸收的污染物在其被砍伐后污染物不再進入食物鏈，所以利用樹木吸收污染物治理大氣中PM2.5和O3在國內外研究中被譽為“最新技術”[4-5].另外，近年來城市森林公園的大規模建設也說明城市森林是解決城市大氣污染問題的有效途徑[6]. 已有許多學者針對PM2.5與O3生成機制[7-10]，以及氣象因素進行了深入的研究[11-14]. 植物能否有效地凈化大氣環境，取決于多種因素的綜合作用，包括氣象因素、空氣動力學因素、大氣顆粒物濃度等諸多因素影響[15].

據《2021 年北京市生態環境狀況公報》顯示，北京市SO2、NO2、PM10、CO 濃度均達到GB 3095-2012《環境空氣質量標準》二級標準，SO2濃度已連續4 年保持在個位數水平，僅PM2.5和O3出現超標現象. 其中，PM2.5濃度超過二級標準限值(35 μg/m3)的8.6%；O3濃度超過二級標準限值(160 μg/m3)的9.0%.由于PM2.5和O3具有非常復雜的耦合關系，使得二者協同減排具有復雜性和艱巨性. 此外，高濃度PM2.5和O3會對大氣環境、人體健康和氣候等造成不同程度的危害[16-18]. 城市森林對PM2.5和O3的治理起著尤為重要的作用[19]，一是城市中的森林綠化面積較大且集中連片，樹木明顯的降溫作用影響O3的光化學反應、降低O3的釋放速度；二是樹木直接吸收、固定、滯留大氣中的污染物. 現階段的研究多集中于整個城市在單一季節或典型大氣污染事件上，而基于城市森林不同類型站點角度，并結合長期動態變化，對城市森林PM2.5與O3相關性的深入研究涉及較少. 本文以不同類型城市森林為切入點，對北京市3 種類型城市森林PM2.5與O3的相關性進行分析，探討不同季節對城市森林PM2.5與O3濃度之間相關性的影響，并進一步闡明二者的關系，以期為北京市大氣污染的防治提供研究方向及協同防控思路.

1 研究方法

1.1 研究區概況

本文從北京市中心到郊區共選擇3 個城市森林公園作為研究區，包括朝陽公園、南海子郊野公園和西山國家森林公園，分別代表中心城區、近郊濕地區和近郊淺山林區. 如圖1 所示，在研究區內設置城市森林生態環境監測站及氣象監測站.

圖1 北京城市森林生態環境監測站點示意Fig.1 Beijing city forest ecological environment monitoring site

朝陽公園位于北京東四環內，處在繁華地段，距離城市中心8.2 km，地理坐標為43°51'04″N、125°18'23″E，平均海拔37 m，是北京市四環以內最大的城市公園.總面積288.7 hm2，綠地覆蓋率達到87%，因位于城區，熱島效應較為明顯. 公園內植被豐富，喬木主要有油松(Pinus tabuliformis)、白皮松(Pinus bungeana)、銀杏(Ginkgo biloba)、側柏等樹種；灌木主要有連翹(Forsythia suspensa)、迎春花(Jasminum nudiflorum).

南海子郊野公園位于大興區黃亦路16 號，為北京四大郊野公園之一，同時也是北京市最大的濕地公園. 總面積1 165 hm2，綠地覆蓋為80%. 距離城市中心16.2 km，地理坐標為116°27′41″E、39°46′10″N，平均海拔50 m. 公園以北京鄉土樹種作為骨干和基調樹種，常見樹種有檜柏(Sabina chinensis)、銀杏、五角楓(Acer elegantulum)等.

西山國家森林公園坐落于北京市海淀區，地跨海淀、石景山、門頭溝三區，是離北京市區最近的森林公園之一，距離城市中心18.3 km，地理坐標為39°58′18″N、116°11′51″E，海拔120 m. 總面積5 970 hm2，綠化覆蓋率高達98.5%，地帶性植被為溫帶夏綠闊葉林. 春秋短促，冬夏較長，年均氣溫在10～13 ℃之間.常見樹種有油松、側柏(Platycladus orientalis)、垂柳(Salix babylonica)、女貞(Ligustrum lucidum)等.

1.2 數據采集

數據采集時間為2022 年1 月1 日-12 月31 日.PM2.5濃度數據通過TEOM-1405-D 雙通道顆粒物在線監測儀(美國賽默飛世爾科技公司)獲得，采樣頻率為1 h，24 h 不間斷自動采樣；O3濃度數據使用紫外光度法，采用49i 型雙光室O3分析儀(美國賽默飛世爾科技公司)測定，采樣頻率為1 h，24 h 不間斷自動采樣.

1.3 數據處理

本研究季節的劃分采用中國氣象局氣象行業標準《氣候季節劃分》(QX/T 152-2012)，即3-5 月為春季，6-8 月為夏季，9-11 月為秋季，12 月-翌年2 月為冬季. 在分析PM2.5與O3濃度相關性時，依據GB 3095-2012《環境空氣質量標準》，將PM2.5和O3濃度均劃分為3 個等級，分別為PM2.5濃度≤50 μg/m3、50 μg/m3＜PM2.5濃度＜200 μg/m3、PM2.5濃度≥200 μg/m3以及O3濃度≤50 μg/m3、50 μg/m3＜O3濃度＜300 μg/m3、O3濃 度≥300 μg/m3. 采 用Excel 2016 和Origin 2018軟件分別進行數據統計和圖表繪制，通過SPSS 26.0軟件對數據進行Person 相關性分析.

2 結果與分析

2.1 林內PM2.5 與O3 的分布情況

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633-2012)，將24 小時PM2.5平均值分為6 個等級：PM2.5濃度≤35 μg/m3時為優；35 μg/m3＜PM2.5濃度≤75 μg/m3時為良；75 μg/m3＜PM2.5濃度≤115 μg/m3時為輕度污染；115 μg/m3＜PM2.5濃度≤150 μg/m3時為中度污染；150 μg/m3＜PM2.5濃度≤250 μg/m3時為重度污染；250 μg/m3以上時為嚴重污染. O3日最大8 h 滑動平均濃度(O3-8h濃度) 的一級標準限值為100 μg/m3，二級標準限值為160 μg/m3.

圖2 為2022 年北京市不同類型城市森林PM2.5和O3濃度各等級分布情況. 由圖2 可知，中心城區、近郊濕地區和近郊淺山林區的PM2.5濃度日均值大多分布在75 μg/m3以下，空氣質量優良占比表現為近郊淺山林區(94%)＞中心城區(89%)＞近郊濕地區(86%). 近郊濕地區的中度、重度及嚴重污染天氣最多，占5%；中心城區與近郊淺山林區相同，均占3%.

圖2 3 種城市森林類型PM2.5 和O3 濃度日均值分布情況Fig.2 Daily mean distribution of PM2.5 and O3 concentrations in three urban forest types

北京市不同類型城市森林各區域的O3-8h濃度均有未達到GB 3095-2012 二級標準的情況，近郊淺山林區超標占比最多，達到3%，近郊濕地區和中心城區超標占比相近，分別為1.25%和1.22%. 中心城區O3-1h濃度90%符合日均濃度一級標準；近郊淺山林區次之，占89%；近郊濕地區占比最小，為88%.

2.2 季節尺度下的相關性

2022 年北京城市森林林內(中心城區、近郊濕地區、近郊淺山林區)PM2.5與O3濃度季節性變化規律如圖3 所示. 由圖3 可知，整體上看，近郊濕地區出現PM2.5濃度最高值，近郊淺山區出現O3濃度最高值. 以夏季為轉折點，從春季到夏季PM2.5濃度呈下降趨勢，O3濃度呈上升趨勢；夏季PM2.5濃度與O3濃度分別達到谷值和峰值；隨后從夏季到秋季PM2.5濃度持續上升，O3濃度與之相反；冬季無明顯規律.

圖3 3 種城市森林類型PM2.5 和O3 濃度的季節性變化Fig.3 Seasonal variations of PM2.5 and O3 concentrations in three types of urban forests

表1 為北京市城市森林PM2.5-O3不同季節的相關系數. 春季中心城區、近郊濕地區和近郊淺山林區PM2.5與O3濃度均呈負相關，相關性由強到弱表現為中心城區(r=-0.178，p＜0.01)＞近郊濕地區(r=-0.173，p＜0.01)＞近郊淺山林區(r=-0.053，p＜0.01). 夏季各區域PM2.5與O3濃度均表現為正相關關系，且近郊濕地區正相關程度相對較強(r=0.095，p=0.01). 秋季各區域PM2.5與O3濃度均呈負相關，且近郊淺山林區相關性相對較強(r=-0.428，p＜0.01)，其次為中心城區(r=-0.120，p＜0.01)，近郊濕地區相關性相對較弱(r=-0.081，p＜0.01). 冬季僅近郊濕地區PM2.5與O3濃度呈正相關(r=0.061，p＜0.05)，其余區域均呈負相關且中心城區負相關性相對較強(r=-0.264，p＜0.01). 整體上看，中心城區、近郊濕地區和近郊淺山林區春、夏、秋三季的PM2.5-O3相關系數季節變化趨勢相同，冬季近郊濕地區變化趨勢與其余區域相反.

表1 3 種城市森林類型PM2.5-O3 季節性相關系數(n=65)Table 1 Seasonal correlation coefficient of PM2.5-O3 in three types of urban forests (n=65)

由此可見，2022 年北京城市森林PM2.5與O3濃度在季節變化上呈完全相反的變化規律，夏季PM2.5濃度最低，此時O3濃度卻最高. 除冬季的近郊濕地區PM2.5與O3濃度呈正相關外，各區域春、秋、冬三季均表現為負相關，夏季僅有近郊淺山區呈顯著正相關.

2.3 工作日與周末在晝夜尺度下的相關性

城市大氣污染物的濃度與人們日常活動密切相關，已有研究表明北京等城市的O3濃度呈“周末效應”[20-21]，即O3平均濃度表現為周末高于工作日，PM2.5濃度為“反周末效應”. 由表2 可知，工作日和周末期間PM2.5濃度均表現為近郊濕地區(分別為39.76、44.20 μg/m3)＞中心城區(分別為37.21、40.41 μg/m3)＞近郊淺山林區(分別為29.61、28.51 μg/m3). 工作日和周末期間O3濃度均表現為近郊濕地區(分別為52.80、53.08 μg/m3)＞近郊淺山林區分別為(60.67、60.44 μg/m3)＞中心城區(分別為48.21、48.49 μg/m3).可見，在監測時間周期內，無論是工作日還是周末，近郊濕地區PM2.5及O3濃度均最高.

表2 3 種城市森林類型PM2.5 和O3 濃度的周變化規律Table 2 Weekly variations of PM2.5 and O3 concentrations in three types of urban forests

將工作日與周末的PM2.5濃度對比可知，中心城區和近郊濕地區周末PM2.5濃度均高于工作日，近郊濕地區的濃度差最大，為4.44 μg/m3；僅近郊淺山林區周末PM2.5濃度低于工作日，表現出不同的變化規律，濃度差為-1.10 μg/m3. 同樣，工作日及周末O3濃度的最高值也均出現在近郊濕地區. 將工作日與周末的O3濃度對比可知，中心城區和近郊淺山林區周末O3濃度均高于工作日，濃度差為0.28 μg/m3；僅近郊濕地區周末O3濃度低于工作日，濃度差為-0.23 μg/m3.

基于北京城市森林PM2.5和O3的周變化規律，進一步對比了二者工作日與周末的平均濃度時刻分布特征，以8 h 采集頻率為基礎進行劃分，即01:00-09:00 為凌晨加早上，10:00-18:00 為白天，19:00-24:00為夜間(見圖4).

圖4 3 種城市森林類型工作日與周末PM2.5 和O3 平均濃度日變化對比Fig.4 Comparison of daily average concentrations of PM2.5 and O3 in three urban forest types on weekdays and weekends

本研究對3 個森林城市生態站采集數據進行整合，發現北京城市森林PM2.5濃度整體上表現為周末高于工作日，呈現明顯的“周末效應”現象(見圖4).周末與工作日在09:00-14:00 時段PM2.5濃度差值比較大，平均每小時濃度差值為4.26 μg/m3. O3濃度日均變化呈單峰分布，工作日O3濃度略低于周末，同樣表現為“周末效應”，峰值出現在下午(見圖4). 工作日與周末O3濃度的日變化規律一致，分為5 個階段：00:00-06:00 保持在30～40 μg/m3之間；06:00-08:00 呈小幅緩慢上升趨勢；08:00-13:00 由于太陽輻 射 不 斷 增 強，O3濃 度 從55 μg/m3升 至105 μg/m3；13:00-16:00 處于全天O3高濃度時段，并持續增加，保持在115～127 μg/m3之間；16:00-23:00 光照強度隨時間推移逐漸減弱，O3濃度也隨之降低.

表3 為2022 年北京城市森林林內工作日與周末的PM2.5-O3相關系數分布特征. 由表3 可知，工作日期間，中心城區凌晨加早上、白天及夜間PM2.5與O3濃度均呈顯著負相關，負相關性表現為凌晨加早上(r=-0.147，p＜0.01)＞白天(r=-0.133，p＜0.01)＞夜間(r=-0.064，p＜0.05)；近郊淺山林區凌晨加早上、白天及夜間PM2.5與O3濃度均呈顯著負相關，負相關性表現 為 夜間(r=-0.147 ，p＜0.01)＞白 天(r=-0.103，p＜0.01)＞凌晨加早上(r=-0.096，p＜0.01)；近郊濕地區僅白天PM2.5與O3濃度呈顯著負相關. 周末期間，中心城區和近郊淺山林區PM2.5與O3濃度的相關性不顯著；近郊濕地區白天(r=-0.086，p＜0.05)PM2.5與O3濃度的負相關性比凌晨加早上(r=-0.079，p＜0.05)更為顯著；夜間各區域相關性均不顯著.

表3 3 種城市森林類型工作日、周末PM2.5-O3 相關系數日變化(n=113)Table 3 The relationship between PM2.5 and O3 phase changes in several days on weekdays and weekends in three urban forest types (n=113)

綜上可知，北京城市森林PM2.5和O3濃度均表現為周末高于工作日，工作日PM2.5與O3濃度的相關性整體強于周末. 工作日的凌晨加早上、白天期間，中心城區PM2.5與O3濃度負相關性最顯著；夜間近郊淺山林區負相關性相對較強. 周末的凌晨加早上、白天期間，近郊濕地區PM2.5與O3濃度負相關性相對較強，夜間各區域均無顯著相關性.

2.4 不同濃度水平下的相關性

由圖5 可知，3 個類型城市森林PM2.5與O3濃度均呈負相關. 為更深入地研究PM2.5與O3在不同濃度水平下的相關性，對各類型城市森林區域PM2.5及O3濃度進行分級處理. 由表4 和表5 可知，PM2.5與O3濃度的相關性存在分段效應. 總體來看，相關系數隨著PM2.5濃度升高而降低. 中心城區PM2.5濃度≤50 μg/m3時，PM2.5與O3濃 度 的 正 相 關 性 相 對 較強(r=0.058，p＜0.01)；PM2.5濃度為50～200 μg/m3時，負相關性相對較強(r=-0.134，p＜0.01). 中心城區O3濃度≤50 μg/m3時，PM2.5與O3濃 度 的 負 相 關 性 相 對 較強(r=-0.155，p＜0.01)；O3濃度為50～300 μg/m3時，正相關性相對較強(r=0.136，p＜0.01). 近郊濕地區PM2.5濃度≤50 μg/m3時，PM2.5與O3濃度的正相關性相對較強(r=0.060，p＜0.01)；PM2.5濃 度 為50～200 μg/m3時，負相關性相對較強(r=-0.114，p＜0.01). 近郊淺山林區PM2.5濃度≤50 μg/m3時，PM2.5與O3濃度的負相關性相對較強(r=-0.181，p＜0.01)；O3濃度為50～300 μg/m3時負相關性相對較強(r=-0.076，p＜0.01)，O3濃度≥300 μg/m3時正相關性相對較強(r=0.271，p＜0.01).

表4 3 種城市森林類型不同濃度水平PM2.5 與O3 的相關性Table 4 Correlation between different concentration levels of PM2.5 and O3 in three types of urban forests

表5 3 種城市森林類型不同濃度水平O3 與PM2.5 的相關性Table 5 Correlation between different concentration levels O3 and PM2.5 in three types of urban forests

圖5 3 種類型城市森林PM2.5 與O3 濃度的關系Fig.5 Relationship between PM2.5 and O3 concentrations in three types of urban forests

當PM2.5濃度≤50 μg/m3時，中心城區和近郊濕地區PM2.5與O3濃度均呈正相關，近郊淺山林區PM2.5與O3濃度呈顯著負相關. 相較于中心城區而言，近郊濕地區PM2.5與O3濃度的正相關性(r=0.060，p＜0.01)更強. 當PM2.5濃度為50～200 μg/m3時，中心城區、近郊濕地區和近郊淺山林區PM2.5與O3濃度均呈顯著負相關，相關性表現為近郊淺山林區(r=-0.163，p＜0.01)＞中心城區(r=-0.134，p＜0.01)＞近郊濕地區(r=-0.114，p＜0.01). 當PM2.5濃度≥200 μg/m3時，各區域無顯著相關性.

不同O3濃度水平下，各城市森林區域PM2.5與O3濃度的相關性有所不同. 當O3濃度≤50 μg/m3時，中心城區和近郊淺山林區PM2.5與O3濃度均呈顯著負相關，中心城區PM2.5與O3濃度的負相關效應相對較強(r=-0.155，p＜0.01)；當O3濃度為50～300 μg/m3時，中心城區PM2.5與O3濃度的正相關性(r=0.136，p＜0.01)高于近郊淺山林區(r=-0.076，p＜0.01)；當O3濃度≥300 μg/m3時，僅近郊淺山林區PM2.5與O3濃度呈正相關(r=0.271，p＜0.01).

3 討論

3.1 PM2.5 和O3 濃度在時間尺度上相關性的原因探討

本研究發現，林內PM2.5濃度呈現夏季低、冬季較高的變化規律，O3濃度與之相反，這與各季節不同的氣象條件對擴散趨勢和大氣氧化性的復雜機制有關. 其中春季、秋季和冬季PM2.5與O3濃度的相關性為負值，夏季為正值. PM2.5與O3濃度在夏季會呈同增共減現象，這是由于O3的生成是光化學反應的過程，需要強烈的光照，因此O3污染多發生在氣溫高且日照充足的夏季，而O3會促進PM2.5的二次生成，大氣復合污染中一次排放及二次轉化的氣態及顆粒態污染物同時存在且濃度較高時，會促進細顆粒表面非均相反應，使大氣氧化性及顆粒物的化學組分、物化及光學性質發生改變，從而促進大氣復合污染和灰霾的形成[22-23]. 康平等[24]研究發現，PM2.5與O3濃度的相關系數在夏季趨于正值，冬季趨于負值，這與本研究結果一致. 杜韜[25]研究也發現，夏季PM2.5與O3濃度呈顯著正相關，冬季負相關性相對較強，秋季次之，春季呈弱正相關.

工作日的凌晨加早上、白天期間，中心城區PM2.5與O3濃度的負相關性相對較強，且表現為凌晨加早上＞白天，這可能是因為工作日人類活動頻繁，汽車尾氣排放增多，導致PM2.5濃度呈升高趨勢，且城區地表溫度升高，近地層PM2.5的化學轉化速率加快，垂直和水平方向上的對流增強，城區污染物的水平凈流入增強. 城區內PM2.5濃度升高，使到達地表的太陽輻射減少，導致O3生成的光化學反應速率減緩，因此O3濃度也隨之下降. 林內周末PM2.5和O3濃度明顯高于工作日，存在明顯的“周末效應”，相關性整體也表現為工作日＞周末，主要是由于周末的機動車使用量增加，且污染物濃度的上升有一定的滯后性[26].王占山等[27]研究結果認為，周末O3與其他污染物的相關性高于工作日. 城市森林作為城市生態系統的重要組成部分，在凈化大氣污染物、改善區域生態環境、維持城市生態系統良性循環等方面起到不可替代的積極作用. 城市森林中樹木葉片上的氣孔、枝條上的皮孔等可吸收O3等氣態污染物，葉片及表面絨毛可通過滯留空氣中微塵減輕包括PM2.5在內的大氣顆粒物. 本研究通過分析北京城市森林PM2.5和O3濃度特征及其二者的關聯性，探討不同因素對城市森林PM2.5與O3濃度之間相關性的影響，對北京城市森林PM2.5和O3的協同控制有一定的指導意義.

3.2 不同濃度水平下PM2.5 和O3 相關性差異的原因分析

該研究分別對不同PM2.5和O3濃度水平下二者的相關性進行分析，結果發現PM2.5濃度大于50 μg/m3，PM2.5與O3濃度呈負相關關系，且高濃度PM2.5情況下，PM2.5-O3相關系數降低，這與裘彥挺等[28]的結果一致. O3濃度在300 μg/m3以下時，PM2.5與O3之間存在明顯的相關性. 有研究表明，PM2.5對O3的影響存在一個閾值，當PM2.5濃度超過臨界值時，會導致到達地面的太陽輻射減少，光解速率下降，可有效抑制O3的生成[29-30]. Jia 等[31]研究認為，高O3濃度和強大氣氧化性會促進二次粒子的形成，從而促進空氣中PM2.5濃度的升高. 張瑩等[32]對PM2.5濃度進行多因素影響效應診斷分析，發現隨著O3濃度的增加，PM2.5濃度呈波動上升趨勢，濃度高于80 μg/m3后，上升速度明顯加快，側面驗證了PM2.5與O3之間存在相關性.

4 結論

a) 3 種類型城市森林PM2.5與O3濃度的相關性在季節、晝夜尺度上有所差異. 在季節尺度上，2022年林內各區域春秋兩季PM2.5與O3濃度均呈負相關；夏季PM2.5與O3濃度均呈正相關，冬季僅近郊濕地區PM2.5與O3濃度呈正相關，其余區域均呈負相關.晝夜尺度上，各區域PM2.5與O3之間的相關性表現為工作日＞周末. 工作日的凌晨加早上、白天期間，中心城區PM2.5與O3濃度的負相關性相對較強，且表現為凌晨加早上＞白天；夜間近郊淺山林區PM2.5與O3濃度的負相關性相對較顯著. 周末的凌晨加早上、白天期間，近郊濕地區PM2.5與O3濃度的負相關性相對較強，且表現為白天＞凌晨加早上；夜間各區域相關性均不顯著.

b) 3 種類型城市森林PM2.5和O3濃度總體呈負相關，且相關性表現為近郊淺山林區(r=-0.077，p＜0.01)＞中 心 城 區(r=-0.041，p＜0.01)=近 郊 濕 地區(r=-0.041，p＜0.01). 當PM2.5濃 度 處 于50～200 μg/m3或O3濃度≤50 μg/m3時，林內PM2.5與O3濃度的負相關性相對較強.