贵阳黔灵山公园夏季不同植被类型城市森林空气颗粒物变化特征

侯贻菊 崔迎春 赵文君 刘延惠 丁访军

(贵州省林业科学研究院 贵阳 550005)

城市森林为人们提供了丰富的生态旅游资源，是人们在炎热的夏季消夏避暑、游憩放松的主要场所，与城市人口联系最为紧密，因其具有滞尘杀菌、净化空气等生态保健功能，人们对城市森林内空气质量的关注度日益增加。因此，对城市森林内空气颗粒物质量浓度进行持续动态研究，了解其变化特征，对人们合理进行森林游憩具有重要的现实指导意义。目前，国内外对城市空气颗粒物的研究主要集中于分析其来源和组成成分[1～3]、污染特征、影响因素[4～6]、机理方面[7～9]及其对人体健康的影响[10～11]等。城市森林由于其光照、温度等生态因子的空间变化，形成了不同的森林群落类型[12]，林内空气颗粒物的变化特征也可能存在差异，然而现在关于城市山地不同森林群落类型内空气颗粒物动态变化特征的系统研究鲜有报道。因此，本文以贵阳3种典型森林群落类型为研究对象，于夏季晴天对林内空气颗粒物TSP、PM10、PM2.5、PM1进行连续同步监测，研究林内空气颗粒物的变化特征。以期为休闲保健型城市森林的营造和城市森林空气质量预报系统的建立提供理论依据，为贵阳居民夏季森林游憩活动提供科学参考。

1 研究地概况

贵阳市黔灵山公园是国家AAAA级旅游区，位于贵阳市中心区西北角，公园南接枣山路，东近八鸽岩路，东北有市北路，北至关刀岩、小关水库，西连长坡岭林场、七冲岭、三桥村及圣泉。距市中心1.5公里，面积426公顷，是国内为数不多的大型综合性城市公园之一。

因其大气候背景处于高原地带，所以黔灵山的气候条件是相当一致的，具有与典型中亚热带地区不同的高原亚热带气候特征。冬无严寒、夏无酷暑、热量充沛、生长期长，年均温15.3℃，一月均温4.9℃，最高气温33～34℃，最低气温4～5℃，无霜期270天。海拔在1100米～1396米之间，地形各有起伏，相对高差不大，约200米左右。植物已知共计128科350属476种，其种数约占全省植物的8.17%，(其中蕨类植物占10.12%，裸子植物占26.56%，被子植物占8.06%)，在面积不大的区域里含有如此多的植物，可见其植物种类的丰富。其中珍稀植物有：半枫荷、岩生红豆树。公园由三岭湾猕猴观赏园、弘福寺、麒麟洞、动物园、黔灵湖、风雨桥等景区及盘山步道组成。由于交通便利、环境优美及生态旅游资源的不断开发，公园现已成为贵阳市民节假日进行森林游憩和健身活动的重要场所，其主要服务对象为云岩区居民，除下雨天外多数时间都会有附近居民上山游憩健身。

2 研究方法

2.1 样地选择

由于各城市森林样点间空气颗粒物质量浓度的差异必然是城市大环境、森林本身结构和森林植被类型共同作用的结果。为提高研究代表性，本文对试验样地进行了严格地筛选。要求各样地面积必须具有一定规模(不小于600 m2)，森林结构相似且坡度较缓，适合开展休闲游憩活动。 采用典型抽样法，通过查阅风景区图件资料并结合实地踏查筛选后，在黔灵湖东岸(落叶阔叶林)、东南岸(常绿阔叶林)、南岸(马尾松林)3种类型城市森林群落作为试验样地，样地概况见表1。为了对比森林群落对空气颗粒物的影响，将黔灵湖西岸解放贵州革命烈士纪念碑前广场作为对照观测点(CK)。为了说明城市森林群落对大气颗粒物的净化作用，将同时期贵阳市的PM10和 PM2.5质量浓度作为背景参照值。

表1 3种类型城市森林样地概况

2.2 仪器指标和观测方法

空气颗粒物质量浓度：包括TSP、PM10、PM2.5、PM1等指标采用英国Turnkey Instruments公司生产的Dustmate粉尘监测仪进行测定，该监测仪采用激光散射法，能快速监测空气中直径范围在0.4～20μm的可吸入颗粒物和粉尘质量浓度，测定范围为0～600 mg/ m3，采样精度为0.01 mg/ m3。综合考虑观测可操作性和雨天人们森林游憩活动极少的情况，于2018年6、7、8月每月选取连续3天(晴天)对4个测试地点距离地面1.3～1.5m处(人体呼吸高度)的4种粒径空气颗粒物浓度进行了连续10h同步监测。监测时间为每日09:00到18:00，每1h监测一次，每次监测10min。为科学比较和评价3种类型城市森林内的环境空气质量，以我国环保部制定的 《环境空气质量标准》 ( GB3095-2012) 中 TSP、PM10和 PM2.5质量浓度日均值标准作为衡量颗粒物污染程度的依据。

2.3 数据分析

采用 Microsoft Excel 2013、SPSS 19.0软件对试验数据进行有效性检查、统计分析和图表处理；采用 ANOVA 单因素方差结合 Duncan 新复极差法对组间差异进行比较，结果用“平均值 ± 标准差”表示；每个观测地点空气颗粒物质量浓度日均值取9天共90个数据平均，小时质量浓度均值由9天同一时间点9个数据平均。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型空气颗粒物质量浓度总体特征

由表2可见，不同植被类型4种粒径颗粒物的日均质量浓度存在差异，与空地相比，落叶阔叶林、马尾松林、常绿阔叶林的TSP、PM10、PM2.5、PM1质量浓度均表现为降低，差异极显著(p<0.01)，表明公园森林环境对空气颗粒物均有明显的消减作用。4种粒径颗粒物的日均质量浓度均表现为落阔>马尾松>常绿，其中TSP质量浓度在各植被间差异不显著，PM10质量浓度表现为常绿阔叶林极显著低于落叶阔叶林、显著低于马尾松林，分别降低了31.55%、24.53%；PM2.5质量浓度在3种植被中均存在显著差异，PM1质量浓度在3种植被间的差异与PM10相同，分别降低了67.92%、57.74%。从不同粒径颗粒物所占比例的日均值来看，各样地均以PM10/TSP(58.08% ～ 69.33%)为最高，约为总悬浮颗粒物的2/3左右，PM2.5(23.37% ～ 47.24%)、PM1(32.21% ～ 34.39%)占比较小，说明公园森林环境中的空气颗粒物以可吸入颗粒物PM10为主。3种小粒径颗粒物所占比例均表现为常绿<马尾松<落阔，其中PM10/TSP、PM2.5/PM10在3种植被中差异极显著，常绿阔叶林的PM1/PM2.5显著低于马尾松林，马尾松林和落叶阔叶林的PM1/PM2.5差异不显著。

表2不同植被类型空气颗粒物日均质量浓度及小粒径颗粒物所占比例μg/m3、%

样地类型TSPPM10PM2.5PM1比例PM10/TSPPM2.5/PM10PM1/PM2.5落阔61.91±12.30aA42.92±9.58aA20.28±4.48aA6.89±1.63aA69.33aA47.24aA33.96abA马尾松61.21±13.91aA38.93±9.52aA15.21±4.84bA5.23±1.72aA63.59bB39.07bB34.39bA常绿50.58±6.25aA29.38±4.71bAB6.86±2.32cB2.21±0.81bB58.08cC23.37cC32.21aA空地111.61±24.51bB66.43±9.75cBC30.32±7.01dC12.15±1.3.85cC59.52bcBC45.64aA40.07cB

同列不同大、小写字母分别表示不同植被类型日均颗粒物质量浓度在p<0.01和0.05水平存在显著性差异。

参照我国环境空气质量标准(GB3095-2012)，鉴于我国尚未将PM1纳入环境空气质量标准，本文仅对黔灵山公园内不同植被类型TSP、PM10、PM2.53种粒径颗粒物在夏季的污染状况进行分析评价。公园内落叶阔叶林、马尾松林、常绿阔叶林、空地的TSP、PM10、PM2.5的日均质量浓度均低于国家一类环境功能区质量要求。从时刻浓度值来看，空地TSP、PM2.5在9:00～11:00达到国家二类环境功能区质量要求(300μg/m3、75μg/m3)，其余时刻均和其他3个植被内TSP均达到国家一类环境功能区浓度值；空地PM10在9:00～17:00，落叶阔叶林和马尾松林PM10在9:00～10:00超出国家一类功能区质量要求，常绿阔叶林PM10全部时刻均达到国家二级质量要求。与贵阳市全年平均浓度值相比，PM10除空地均值略高于贵阳外，其他三个植被和总评均值均低于贵阳浓度值，PM2.5浓度在三个植被内的值均显著低于全市平均值，其中，马尾松林的PM2.5浓度值比市区少52%，常绿阔叶林比市区少79%(见表3)。

表3黔灵山公园内不同植被类型空气颗粒物污染状况μg/m3

要素黔灵山公园落阔马尾松常绿空地均值贵阳市区一级标准二级标准TSP61.9161.2250.58111.6171.33—120300PM1042.9238.9329.3866.4344.425350150PM2.520.2815.216.8630.3218.17323575

3.2 不同植被类型空气颗粒物质量浓度的日变化特征

图1 不同植被类型4种粒径空气颗粒物质量浓度的日变化

由图1可以看出，夏季黔灵山公园不同植被类型4种粒径空气颗粒物浓度日变化曲线呈“双峰双谷”型(常绿阔叶林内TSP、PM10呈近“V”型变化)，总体呈下降趋势。落叶阔叶林内TSP、PM10、PM2.5、PM1浓度从早上9点最高峰值之后颗粒物浓度开始下降，到下午14点TSP、PM10(15点PM2.5、PM1)达到第一个谷值，之后分别在下一个时刻值达到第二个峰值，与第一个峰值相比，第二个峰值已大大降低，然后开始保持下降趋势到18点达到第二个谷值。马尾松林内4种粒径颗粒物浓度的变化趋势与落叶阔叶林大体相似，不同的是马尾松林的第二个峰值分别出现在15点(TSP、PM10)和13点(PM2.5、PM1)，粗颗粒物的第二个峰值较落叶阔叶林晚1个小时出现，细颗粒物则提前2小时出现，第二个峰值较第一个峰值也大大降低。常绿阔叶林较落叶阔叶林和马尾松林的日变化波动不大，变化较为平缓，且4粒径空气颗粒物在早上10:00有一个短暂的升高，达到全观测期内的最大峰值，粗颗粒物(TSP、PM10)在14∶00到达最低值，细颗粒物(PM2.5、PM1)在15:00出现谷值。由此可知,在 14∶00 前后，3种森林内的空气环境都为一天中最优，而早间相对较差，建议居民到公园游憩的时段应以11∶00～15∶00为最佳，尽量避免过早上山锻炼。

表4不同植被类型空气颗粒物日变化统计μg/m3、%

要素落阔马尾松常绿空地变化范围变异系数变化范围变异系数变化范围变异系数变化范围变异系数TSP51.24～86.9716.8641.78～88.0320.5341.45～60.2022.0882.20～154.9423.62PM1034.75～62.1322.7225.63～56.6824.4523.07～38.4131.8547.78～82.4232.89PM2.514.25～28.1512.358.62～23.1516.034.60～11.8733.8317.16～44.0336.81PM14.87～9.6722.802.90～7.7814.671.45～3.9823.116.22～20.4431.71

就同一粒径颗粒物在不同植被类型的日变化而言(图1和表4)，TSP表现为马尾松林>落叶阔叶林>常绿阔叶林，PM10、PM2.5、PM1表现为落叶阔叶林>马尾松林>常绿阔叶林，各时刻浓度值变化范围相近。与空地相比，三种植被类型4粒径空气颗粒物浓度均明显偏低。三种植被各颗粒物浓度最高值分别为88.03、62.13、28.15、9.67μg/m3，空地最高值分别为154.94、82.42、44.03、20.44μg/m3，空地各颗粒物浓度日变化变异系数均高于其他三种植被类型。方差分析显示(表2)，TSP在三种植被类型之间差异不显著，PM10在落叶阔叶林和马尾松林之间差异不显著(p>0.05)，在常绿阔叶林内与落叶阔叶林、马尾松林之间差异显著(p=0.001，0.016)，PM2.5在三种植被之间差异显著(p=0.028，0.000，0.001)，PM1除在落叶阔叶林与马尾松林之间差异不显著(p>0.05)外其余情况差异显著(p=0.000，0.006)，空地4粒径颗粒物均与实验植被内颗粒物差异极显著(p值均为0.000)。

3.3 不同植被类型小粒径空气颗粒物所占比例变化规律

由图2可见，在不同植被内，小粒径颗粒物所占比例(PM10/TSP、PM2.5/ PM10和PM1/ PM2.5)与空气颗粒物浓度日变化并不完全一致。3种植被中3类小粒径颗粒物所占比例大小均表现为落叶阔叶林>马尾松林>常绿阔叶林(PM1/PM2.5表现为马尾松林>落叶阔叶林>常绿阔叶林)，与空气颗粒物浓度的规律一致(TSP除外)，值得注意的是，空地3种小粒径颗粒物所占比例除了PM1/PM2.5高于其他3种植被外，PM2.5/PM10高于马尾松林和常绿阔叶林，PM10/TSP只高于常绿阔叶林。

落叶阔叶林内，3种小粒径颗粒物所占比例中，PM10/TSP观测时段内比值最高，在61.01%～71.71%，17:00最高，整个监测时段起伏波动不大,PM2.5/PM10的变化趋势与PM10/TSP大体一致,PM1/PM2.5最低，在30%～35%之间波动，17:00PM1所占比例达到全时段最低值，与PM10/TSP、PM2.5/PM10出现时间正好相反,PM10/TSP、PM2.5/PM10、PM1/ PM2.5的变化趋势均与PM10、PM2.5、PM1的日变化趋势不完全一致。

马尾松林中，3类小粒径颗粒物所占比例日变化与颗粒物浓度日变化不尽相同，PM10/TSP观测时段内比值最高,PM1/PM2.5最低,PM10/TSP和PM2.5/PM10总体呈下降趋势，下降幅度与PM10、PM2.5相比较小，最低值分别提前3h、1h。PM1/PM2.5日变化趋势接近“N”型，最低值出现时刻与PM10/TSP相同，均在15∶00出现。

图2 不同植被类型小粒径颗粒物所占比例日变化

常绿阔叶林中，PM10/TSP在三种小粒径颗粒物所占比例最高，PM2.5/PM10最低。PM10/TSP在17∶00之前与PM10浓度日变化趋势一致，但之后相反，所占比例有所下降，18∶00达到谷值。PM2.5/PM10的变化趋势完全一致，10∶00达到全天最高值，达30.89%，18∶00达到全天最低值，达17.05% 。PM1/PM2.5的日变化趋势与PM1基本一致，只是变化幅度较为明显，最大值在13∶00出现，比空气颗粒物浓度晚3h。

4 结论与讨论

研究表明，夏季贵阳黔灵山公园3种植被类型森林内不同粒径空气颗粒物的日均质量浓度存在差异。与空地相比，落叶阔叶林、马尾松林、常绿阔叶林的TSP、PM10、PM2.5、PM1质量浓度均表现为降低，差异极显著(p<0.01)，表明公园森林环境对空气颗粒物均有明显的消减作用。这与段文军等[13]的研究结果相符。4种粒径颗粒物的日均质量浓度均表现为落阔>马尾松>常绿，且除TSP外其余3种粒径颗粒物在不同植被间均差异显著。这可能是因为常绿阔叶林植被郁闭度大，灌木层盖度相对较高，对颗粒物的吸滞作用更强；落叶阔叶林的乔木层主要由高大的枫香组成，植被郁闭度小，对颗粒物的阻滞作用相对较差；马尾松林虽然灌木层盖度较低，但是乔木层郁闭度大，且叶面积指数高于落叶阔叶林，其滞尘能力相对较高。3种森林内的PM10/TSP均大于58%，PM2.5、PM1占比较小，说明公园森林环境中粗颗粒物含量高，细颗粒物含量相对较低，这可能与林内颗粒物的来源有关，林内颗粒物主要源自植物的花粉、孢子等一次性气溶胶和有机挥发物反应形成的二次气溶胶，以及城区工业、交通、建筑等产生的固态粒子等的远距离输入[14～16]，对粗颗粒物贡献较大，再加上公园内有许多市民进行游憩锻炼，产生大量的地表扬尘，进一步增加了粗颗粒物含量。除此之外，公园内主要以非机动车道和登山步道为主，很大限度地避免了机动车的直接排放，一定程度上降低了细颗粒物含量。

3种类型森林的TSP、PM10、PM2.5质量浓度日均值到达到一类环境功能区质量要求(120μg/m3、50μg/m3、35μg/m3)，同时PM10、PM2.5质量浓度日均值都远低于贵阳市环境状况公报的年均质量浓度值(53μg/m3、32μg/m3)，时刻浓度值均达到二类环境功能区质量要求，公园内3种森林内可吸入颗粒物质量浓度都达到了自然风景区的空气质量要求，处于清洁水平，这样的空气质量可以为人们提供一个相对较健康的游憩环境。

3种植被类型城市森林内不同粒径颗粒物质量浓度日变化曲线均呈“双峰双谷”型变化，总体表现为上午高下午低的日变化特征，分析上午颗粒物质量浓度逐渐降低可能是因为夏季植物生长稳定，日出后，植物光合、蒸腾作用逐渐增强，叶片气孔的吸滞作用逐渐增大，植物吸收、吸附、滞留颗粒物的能力增强[17，18]。下午颗粒物质量浓度低于上午，这与杜万光等[19]在北京香山公园的监测结果(早晚高、午后低)有所不同，这可能跟当地居民游憩锻炼习惯不同有关，黔灵山公园内有许多供游客锻炼、游憩、游玩的名胜古迹，监测点位于锻炼人数占多数的黔灵湖附近，经观察发现，上午是居民锻炼的高峰期，到14∶00左右市民结束锻炼离开，减少了地表扬尘对空气颗粒物的贡献。结合居民的日常习惯，建议居民到公园游憩的时段应以11∶00～15∶00为最佳，尽量避免过早上山锻炼。