春季毛竹林空气颗粒物日变化规律研究

王 茜 王 成 任彬彬 许 超 郭珺琪 张中霞

（1北京市园林科学研究院，北京 100102；2中国林业科学研究院林业研究所，国家林业局森林培育重点实验室，北京 100091；3国家林业局城市森林研究中心，北京 100091；4河北省邢台市内丘县林业局，河北邢台 054200）

随着我国城市的快速发展和城市规模的扩大，城市环境污染不断加剧，空气颗粒物已成为许多城市的首要污染物［1-2］。森林植物是净化环境的主体，有研究表明，森林植物对于滞尘具有很好的作用：一方面，叶片表面特性和本身的湿润性对颗粒物有吸附或附着作用，而且经过雨水的冲刷会重新滞尘；另一方面，茂密的林冠层能有效降低风速，颗粒物随风的携带作用下沉到植物叶表或飘落地面，从而起到滞尘效应［3-4］。毛竹以其组织空间性、观赏性、生态性和环保性在景观园林中得到广泛的应用。目前对于毛竹的研究主要集中在栽培技术、景观功能等［5-7］，对于其林内和林缘春季空气颗粒物日变化规律研究未见报道。本文以竹林内外为研究对象，分析了其生长季节空气颗粒物日变化的规律，旨在为毛竹游憩林的合理利用提供理论依据。

1 概况

福州旗山森林公园，面积859.3hm2。公园内无霜期约326d，年均气温16～20℃，年均日照数为1700～1980h，年降水量900～2100mm，年相对湿度约77%，海拔700m左右。森林公园内植物种类繁多，植物覆盖率95%以上，其中毛竹林地面积4.3hm2，密度为5356株/hm2。

2 研究方法

2.1 样地选择样地选在位于旗山森林公园海拔715m高处的毛竹纯林，主要以2～3度竹为主，竹高8～13m，胸径11～25cm，郁闭度0.95。地被覆盖以白楠木、野山茶等为主，植物群落调查方法参照《生态学试验与实习》［8］。在毛竹林内设置6个重复，每个重复相隔5m，呈“品”字形排列；距离毛竹1m、3m、5m远处的水泥步道作为林缘对照点。

2.2 指标测定和数据处理2017年4月选择晴朗无风的天气10d，采用英国仪器制造公司生产的Dustmate烟尘检测仪测定人体1.5m处呼吸高度空气颗粒物浓度，林内与林缘每个时刻每个监测点重复观测3次，同时用小气候监测仪监测小气候因子等常规气象数据。每天7∶00至次日5∶00每隔2h观测1次。春季毛竹林内和林缘日变化取10d观测的平均值。

所有数据应用SPSS19.0和EXCEL2003分析软件进行统计分析和图表的制作。

3 结果与分析

3.1 4种粒径颗粒物浓度总体日变化由表1可知：TSP与PM10浓度林内外差异较大，而PM2.5和PM1.0浓度差异较小。用单因素方差分析（LSD多重比较法）结果表明，林内外TSP浓度在7∶00、9∶00、19∶00时差异显著（P＜0.05）；PM10浓度在9∶00、11∶00、17∶00时差异显著（P＜0.05）。4种粒径颗粒物浓度日变化趋势相似，2个高峰期分别出现在：11∶00～13∶00、17∶00～19∶00；2个低谷期分别出现在：7∶00～9∶00、15∶00～17∶00。上午时段随着太阳辐射的加强，气温升高，空气相对湿度逐渐降低，此段时间风速也加大，空气对流和乱流作用明显加强，使得空气颗粒物浓度较低。下午13：00左右，气温达到最高，空气相对湿度较小，且基本处于静风状态，这种气象条件使得颗粒物处于凝结状态不易于扩散，使得颗粒物浓度达到高峰。傍晚17∶00左右由于山上冷暖空气交换，水汽凝结成小水滴，很多小水滴悬浮在近地面形成雾，使林内外湿度增大，这种气粒转化过程是空气颗粒物的重要来源。

表1 4种粒径颗粒物浓度日变化

3.2 4种粒径颗粒物日变化差异对于毛竹林内和林缘，4种不同粒径空气颗粒物日变化趋势均是“W”型，且颗粒物浓度上午低于下午，夜间低于白天。用单因素方差分析结果表明，13∶00与9∶00、15∶00等时段总体TSP浓度对林内差异均显著（P＜0.05）；13∶00与7∶00、19∶00等时段PM10浓度对林缘差异均显著（P＜0.05）。林内外4种粒径颗粒物浓度具体日变化趋势：7∶00～9∶00经历第1个低谷之后颗粒物浓度开始直线上升，至13∶00达到第1个高峰（林缘PM2.5提前至11∶00），之后缓慢下降，15∶00左右出现全天的第2个低谷（林缘TSP推迟至17∶00），随后至17∶00（林内PM2.5和林内PM1.0）或19∶00颗粒物浓度又开始累积，出现第2个高峰。全天各时刻林内与林缘不同粒径颗粒物浓度相比，TSP浓度在9：00时差异最大，其值林缘比林内高45%，15∶00时差异最小，其值林缘比林内高1.3%；PM10浓度在9∶00时差异最大，其值林缘比林内高31%，15∶00时差异最小，此时林内比林缘高5.8%；而PM2.5和PM1.0浓度同样在15∶00时差异最大，PM2.5浓度林缘比林内高6%，PM1.0浓度林缘比林内高10%；PM2.5浓度在13∶00时差异最小，林内外差值为0.3%；PM1.0浓度在7∶00时差异最小，差值为0.2%。

3.3 不同粒径颗粒物与小气候之间的相关性通过对竹林内外颗粒物浓度和气象要素的分析，研究空气颗粒物与主要气象要素（如温度、湿度、风速、光照）之间的相关性［9-10］。

表2 4种不同粒径空气颗粒物与小气候之间的相关性分析

续表2 4种不同粒径空气颗粒物与小气候之间的相关性分析

由表2可知，空气颗粒物浓度与温度、湿度、光照均呈正相关，与风速呈负相关，且林缘的颗粒物浓度与风速呈显著负相关。各粒径颗粒物与气候因子的相关性大小排序为：平均风速最大，温度和相对湿度次之，光照最小（林缘光照＞相对湿度）。说明春季竹林内外颗粒物浓度随着温度和相对湿度以及光照的增强而增加，却随着风速的增大而减小。这是因为排放到大气中的污染物在风的作用下会被传输到其他地区，风速越大，单位时间内污染物被传送的距离越远，污染物浓度随之越低［11］（毛竹林周围主要是湿地松、福建柏、柳杉等植物林带，没有工厂等明显污染源的存在），另一方面在维持弱气压场、风力较小的不理想扩散的气象条件时，仅有湿度而很少降水，相对湿度增大使得颗粒物容易堆积，导致颗粒物污染［12-13］。试验结果表明：可吸入颗粒物浓度与温度呈正相关。这可能与春季福州出现逆温［14］，大气对流运动较弱，颗粒物难以得到转移扩散等因素有关。

从各个气候因子与不同粒径颗粒物的相关性（林内与林缘均值）来看：随着粒径的减小（除了PM1.0），温度与其相关性变小；而相对湿度、平均风速和光照，则随着粒径的减小相关性变大。且温度和光照与PM1.0的相关性最大。说明小粒径颗粒物浓度比较敏感，受环境影响较大。

由表3可知，用最小2乘法求直线回归方程，得到4种粒径颗粒物浓度与林缘风速之间的关系式。由判定系数值R2和相关系数R值可以看出，两者之间关系密切，有很强的线性相关性。

表3 林缘4种不同粒径空气颗粒物与风速回归关系分析

4 结论与讨论

（1）毛竹林内和林缘空气颗粒物日变化曲线均呈“2峰2谷”型，只是林缘出现波峰和波谷时间有所提前或滞后。2个高峰期分别出现在中午和傍晚时间段；2个低谷期分别出现在早晨和下午时间段。空气颗粒物浓度的这种日变化规律与大气稳定状态和气象条件的变化有直接关系。

（2）不同粒径颗粒物日变化趋势基本相似，对于林内和林缘，细颗粒物对周围环境比较敏感，早晨7∶00前后林内与林缘提前达到最低值，下午17∶00（林内PM2.5和林内PM1.0）又提前达到第2个高峰，之后颗粒物浓度开始缓慢降低。

（3）颗粒物浓度的变化主要受人类活动和气象条件的双重影响。本究发现高温、高湿、相对静风状态空气颗粒物浓度增加。有学者对北京、西安、包头［15-17］的研究却发现，温度越低颗粒物浓度反而越高。这可能与南北方的气候差异有关，南方的逆温现象和北方冷空气的冷凝作用造成这一差异的产生，今后应在前人研究的基础之上就气象条件对空气颗粒物浓度的影响机理作更加细致深入的研究。