杭州城市森林區(qū)和居民區(qū)大氣顆粒物濃度特征的差異性研究

任曉旭，胡亞芬，高 月，華錦欣

(1.杭州市林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310022；2.浙江旅游職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 310022；3.杭州市林木種苗管理中心，浙江 杭州 310000；4.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)科技信息研究所，北京 100091)

【研究意義】大氣顆粒物是大氣環(huán)境中化學(xué)組成最復(fù)雜、危害最大的污染物之一[1]。細(xì)顆粒物(特別是直徑小于2.5 mm的顆粒物)對(duì)能見度、輻射強(qiáng)度和公眾健康有著重要的影響[2-5]。中國主要城市空氣污染對(duì)人群健康的影響研究結(jié)果表明，2012年104個(gè)城市因PM10污染造成的人群總死亡達(dá)到92.7萬人[6]。 Markku等研究發(fā)現(xiàn)，中國大城市空氣污染比歐洲和北美嚴(yán)重10～100倍，估計(jì)中國每年有25萬人死于空氣污染[7]。國家環(huán)保部發(fā)布的2014中國環(huán)境狀況公報(bào)顯示，2014年開展空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測的地級(jí)及以上城市161個(gè)，PM10年均濃度范圍為35～233 μg·m-3，平均為105 μg·m-3，同比下降3.7 %；達(dá)標(biāo)城市比例為21.7 %，PM2.5年均濃度范圍為19～130 μg·m-3，平均為62 μg·m-3；達(dá)標(biāo)城市比例為11.2 %[8]。為遏制大氣污染日益嚴(yán)峻的形勢，2013年9月國務(wù)院發(fā)布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃(2013-2017)》，明確指出到2017年，全國地級(jí)及以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10 %以上，優(yōu)良天數(shù)逐年提高；京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域細(xì)顆粒物濃度分別下降25 %、20 %、15 %左右，其中北京市細(xì)顆粒物年均濃度控制在60 μg·m-3。由此可見，大氣顆粒濃度已成為城市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一[9]。城市森林是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維護(hù)城市生態(tài)平衡和改善環(huán)境方面起著其他基礎(chǔ)設(shè)施無法替代的作用。城市森林不僅為城市污染環(huán)境下的居民提供了相對(duì)潔凈的休閑游憩空間，而且在凈化空氣顆粒物方面發(fā)揮著獨(dú)特的生態(tài)功能。城市森林的物理降塵主要是通過改變氣流運(yùn)動(dòng)速度、方向來降塵，并通過城市森林特殊的葉面結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的冠層結(jié)構(gòu)來吸附、阻滯粉塵?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究證實(shí)，相比較為矮小的植物，喬木去除氣體污染物和顆粒污染物以及截留氣溶膠性質(zhì)污染物的能力更高，喬木除了比其他植被類型具有更高的葉面積外，還能夠產(chǎn)生更多的湍流[10-11]。MT Cheng等(2007)對(duì)臺(tái)灣臺(tái)中和仁愛2個(gè)地區(qū)進(jìn)行了細(xì)顆粒物含量對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臺(tái)中人口眾多，森林覆蓋度小，而仁愛森林覆蓋度高，前者PM2.5是后者的1.4倍，其中PM2.5以氮氧化物為主[12]。Scott K.I.等(1998)采用模型模擬研究城市森林對(duì)PM10的清除效果，結(jié)果表明，美國Sacramento市PM10的日清除率達(dá)到2.7 t，對(duì)顆粒物的清除可占到人為排放的1 %～2 %[13]。郭二果等(2010)研究了北京西山地區(qū)3種典型游憩林對(duì)空氣中顆粒物的阻滯和吸附效應(yīng)，指出游憩林對(duì)空氣中顆粒物的阻滯和吸附有良好的效果，能有效降低空氣中顆粒物的質(zhì)量含量[14]。本文以杭州市城市森林區(qū)——杭州半山國家森林公園和城市生活社區(qū)——采荷社區(qū)為研究地點(diǎn)，【本研究切入點(diǎn)】2015年11月至2016年10月，通過定點(diǎn)監(jiān)測大氣顆粒物(TSP、PM10、PM2.5、PM1)的質(zhì)量濃度?！緮M解決的關(guān)鍵問題】對(duì)比分析了城市森林區(qū)與城市生活區(qū)的大氣顆粒物的濃度差異，以揭示城市森林對(duì)不同類型大氣顆粒物濃度的影響作用，為進(jìn)一步研究城市森林的生態(tài)作用以及合理經(jīng)營城市森林提供參考依據(jù)，并可為公眾市民開展森林游憩、森林健身活動(dòng)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

杭州市位于浙江省北部，全市總面積16 596 km2，其中市區(qū)面積3068 km2。屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，兼具中亞熱帶和北亞熱帶特點(diǎn)，四季分明。杭州半山國家森林公園位于拱墅區(qū)東北部，屬于拱墅區(qū)半山街道，距杭州市中10 km，總面積1002.88 hm2。森林覆蓋率高達(dá)90.1 %，公園內(nèi)多年平均氣溫在16.5 ℃，年平均降水量1254.6 mm，監(jiān)測點(diǎn)位于常綠闊葉林林內(nèi),喬木層以香樟[Cinnamomumcamphora(L.) Presl.]、楓香(LiquidambarformosanaHance)、紫彈樸(CeltisbiondiiPamp.)為優(yōu)勢樹種，高度7～10 m，胸徑10～22 cm，郁閉度0.7，伴生種有杉木]Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]、短柄枹(Quercusglanduliferavar.brevipetiolataNakai)、毛八角楓(AlangiumkurziiCraib)等, 灌木層高度0.5～2.5 m，蓋度55 %。采荷街道位于杭州市東部，轄15個(gè)社區(qū)居委會(huì)，社區(qū)面積20 000 km2，人口近7萬，地區(qū)綠化覆蓋率超過了35 %[15]。監(jiān)測地點(diǎn)選擇在杭州市江干區(qū)采荷街道社區(qū)內(nèi)的杭州市林木種苗管理站。

1.2 監(jiān)測儀器與監(jiān)測方法

大氣顆粒物監(jiān)測儀器為Dustmate 粉塵檢測儀(英國，Turnkey Instruments公司)，該監(jiān)測儀采用激光散射法，能快速檢測在空氣中直徑范圍在0.4～20 μm 的可吸入顆粒物和粉塵濃度，顆粒物濃度的采樣精度為0.01 μg·m-3，采樣高度為距離地表1.5 m處[16]。本研究選取該儀器測定的TSP、PM10、PM2.5以及PM14種大氣顆粒物濃度指標(biāo)。自2015年11月至2016年10月，每月上中下旬各選取1 d，選擇要求為天氣狀況相對(duì)穩(wěn)定，在9:00-17:00之間每小時(shí)監(jiān)測1次，儀器設(shè)置為每5 min自動(dòng)記錄一組數(shù)據(jù)，每月上中下旬顆粒物濃度進(jìn)行平均并記為當(dāng)月大氣顆粒物濃度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型顆粒物濃度對(duì)比分析

通過對(duì)半山和采荷2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的108組數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，總體而言，TSP、PM10、PM2.5以及PM1的濃度值均為半山森林公園高于采荷社區(qū)(圖1)。半山監(jiān)測點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1的濃度分別為250.39、193.98、102.71和30.32μg·m-3；而采荷監(jiān)測點(diǎn)的對(duì)應(yīng)值則分別為225.18、162.30、64.19和20.98 μg·m-3(表1)。半山監(jiān)測點(diǎn)的TSP、PM10PM2.5和PM1濃度分別高出采荷監(jiān)測點(diǎn)11.19 %、19.51 %，60.01 %和44.56 %。總體趨勢為PM2.5高出最為明顯，顆粒物粒徑在2.5 μm以上隨著粒徑越大，濃度高出的比例逐漸減小，并且PM1相比PM2.5高出的比例有所降低。但從各不同粒徑的顆粒物濃度的極大值和極小值來看，TSP、PM10、PM2.5以及PM14種類型的顆粒物濃度均表現(xiàn)為半山監(jiān)測地均低于采荷監(jiān)測點(diǎn)，其中對(duì)于極大值，半山森林公園的TSP、PM10PM2.5和PM1濃度比采荷社區(qū)分別減少了52.93 %、52.32 %、4.19 %和46 %，除PM2.5外，其他3種大氣顆粒物減少了50 %左右；對(duì)于極小值，半山森林公園的TSP、PM10PM2.5和PM1濃度比采荷社區(qū)分別減少了16.36 %、24.25 %、16.83 %和8.05 %。由此可以說明，在大氣質(zhì)量在特別優(yōu)良和特別差的情況下，半山森林公園的空氣質(zhì)量要明顯優(yōu)于采荷社區(qū)，但另一方面，從2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值來，半山監(jiān)測點(diǎn)的4種顆粒物濃度均高于采荷社區(qū)，這說明在沒有較大空氣的流動(dòng)時(shí)，大氣顆粒物在林內(nèi)比城區(qū)更容易以懸浮集中，城市森林能夠表現(xiàn)出對(duì)大氣顆粒物的吸納和阻滯作用。分別對(duì)半山和采荷2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的TSP、PM10、PM2.5、PM1進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果顯示PM2.5的P=0.00，PM1的P=0.015，TSP的P=0.428，PM10的P=0.286，因此在半山和采荷2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5和濃度有極顯著差異(P<0.01)，PM1濃度的差異分別為有高度統(tǒng)計(jì)意義和有統(tǒng)計(jì)意義，而TSP和PM10均為差異無統(tǒng)計(jì)意義。

表1 采荷和半山監(jiān)測點(diǎn)4種類型顆粒物濃度統(tǒng)計(jì)描述Table 1 The concentration of four atmospheric particulate matters statistical description in Caihe and Banshan monitoring sites (μg·m-3)

2.2 不同類型大氣顆粒物濃度日變化

通過對(duì)不同類型大氣顆粒物濃度的日變化數(shù)據(jù)來看，半山監(jiān)測點(diǎn)的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線為早上9：00到達(dá)最大值，然后隨時(shí)間增加而持續(xù)減少，在下午14:00到達(dá)最小值，分別為：182.2、124.2、68.2、20.6 μg·m-3；從下午14:00開始4種類型的顆粒物濃度值有所上升，上升幅度不大，明顯小于從早上9:00的下降幅度，在17:00分別達(dá)到最大值(9:00時(shí))的53.47 %、49.67 %、68.86 %、60.53 %。半山監(jiān)測點(diǎn)的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線整體表現(xiàn)為大致的“L”形曲線，采荷監(jiān)測點(diǎn)的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線也是從9:00開始下降，14:00達(dá)到最低值，但與半山監(jiān)測點(diǎn)不同在于，16:00后的濃度上升幅度比較大，在17:00分別達(dá)到9:00時(shí)的98.30 %、96.09 %、48.73 %、77.37 %；TSP和 PM10的濃度幾乎達(dá)到了9:00時(shí)的峰值，PM2.5的濃度上升的幅度最小，其次PM1的濃度上升的幅度居中水平。整體上看，采荷監(jiān)測點(diǎn)的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線為明顯的“Μ”形。

在城區(qū)，大氣顆粒物由早上9:00開始降低但到下午17:00時(shí)又基本上升到早上9:00的水平，而在城市森林區(qū)內(nèi)，大氣顆粒物由早上9:00開始降低但到下午17:00時(shí)又基本上升到早上9:00的一半的濃度水平。由此可見，大氣顆粒物的日變化規(guī)律在城區(qū)和城市森林區(qū)的表現(xiàn)明顯不同，可以說明城市森林區(qū)與城區(qū)相比而言，在對(duì)大氣顆粒物的吸納和阻滯作用的影響上森林區(qū)的作用明顯。

圖1 采荷和半山4種大氣顆粒物濃度日變化Fig.1 Diurnal variation of the four atmospheric particulate concentration at Caihe and Banshan monitoring sites

2.3 不同類型大氣顆粒物濃度年變化

從4種不同類型大氣顆粒物濃度在半山和采荷監(jiān)測點(diǎn)的月變化規(guī)律來看，可以分為2種類型，其中，TSP和PM10表現(xiàn)出來的變化規(guī)律大致相同，PM2.5和PM1的變化規(guī)律也基本一致。從總體上看，4種不同類型大氣顆粒物濃度在6月之前的月份均是每月變化幅度比較大，而隨后的6-10月變化相對(duì)平緩，濃度值表現(xiàn)的比較穩(wěn)定，并且4種不同類型大氣顆粒物的平均濃度值也比6月之前的月份在數(shù)值約下降50 %，這可能由于杭州為迎接G20峰會(huì)的召開，所實(shí)行了一系列的環(huán)境質(zhì)量保障工作有關(guān)，趙軍平等分析了 2016 年 G20 峰會(huì)期間(2016 年8月10日至9月20日) 杭州及周邊地區(qū)空氣質(zhì)量演變及區(qū)域特征，得出管控措施對(duì)杭州空氣質(zhì)量有一定的改善效果[17]。在北京APCE會(huì)議期間，也出現(xiàn)了類似的大氣質(zhì)量變化情況[18-20]。各顆粒物濃度在半山和采荷2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)別在于對(duì)不同粒徑的大氣顆粒物影響有明顯差別，這也可能說明城市森林對(duì)粒徑越小的大氣顆粒物的吸納和阻滯作用越有效果。

圖2 半山和采荷監(jiān)測點(diǎn)TSP和PM10濃度變化比較Fig.2 The comparisons of TSP and PM10 concentration between Banshan and Caihe monitoring sites

從TSP濃度在1年的監(jiān)測周期內(nèi)的表現(xiàn)來看，在半山監(jiān)測點(diǎn)，最高值出現(xiàn)在2015年12月值為689.45 μg·m-3，然隨時(shí)間向后推移逐漸在減少，大致分為3個(gè)梯度，2015年11-12月，2016年1-4月，2016年5月至2016年10月。而在采荷監(jiān)測點(diǎn)，TSP濃度的變化大致為單峰曲線，在2016年5月之前的月份值比之后的月要高，從2015年11月逐漸降低，到2016年2月開始升高，在5月達(dá)到最大值為464.50 μg·m-3，6-10月TSP濃度出現(xiàn)交錯(cuò)高低變化，但濃度的總體水平要明顯低于2016年5月之前的6個(gè)月的濃度水平，PM10濃度的變化規(guī)律與TSP濃度變化規(guī)律比較相似。

對(duì)于PM2.5和PM1周期為1年的濃度變化規(guī)律基本一致，在半山和采荷監(jiān)測點(diǎn)，同樣都表現(xiàn)為雙峰曲線的變化，在采荷監(jiān)測的2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在2015年12月和2016年4月，其中PM2.5濃度分別為204.22、143.55 μg·m-3，PM1濃度分別為75.86 和42.51 μg·m-3。在半山監(jiān)測點(diǎn)2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在2016年1和5月，各自推遲了1個(gè)月，其中PM2.5濃度分別為219.55、230.92 μg·m-3，PM1濃度分別為61.78和58.52 μg·m-3。并且從PM2.5和PM1的這2組各個(gè)月份的數(shù)據(jù)來看，都大致表現(xiàn)出半山監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5和PM1濃度變化規(guī)律對(duì)于采荷監(jiān)測點(diǎn)的濃度變化推遲1個(gè)月的現(xiàn)象。這說明城市森林區(qū)相對(duì)于城區(qū)PM2.5和PM1的月變化規(guī)律在時(shí)間上約1個(gè)月的延遲。

圖3 半山和采荷監(jiān)測點(diǎn)PM1和PM2.5濃度變化比較Fig.3 The comparisons of PM1 and PM2.5 concentration between Banshan and Caihe monitoring sites

3 結(jié) 論

(1)2015年11月至2016年10月，杭州半山監(jiān)測點(diǎn)TSP、PM10、PM2.5和PM1的平均濃度分別為250.39、193.98、102.71和30.32 μg·m-3；采荷監(jiān)測點(diǎn)的對(duì)應(yīng)值則分別為225.18、162.30、64.19和20.98 μg·m-3。包貞等在2006年對(duì)杭州大氣的PM2.5和PM10的監(jiān)測顯示，杭州市PM2.5和PM10年均濃度分別為77.5和111.0 μg·m-3[21]。杜榮光等在2012年12月至2013年5月期間對(duì)杭州市PM2.5監(jiān)測結(jié)果顯示：PM2.5平均濃度為(110.0±46.5)μg·m-3，日變化范圍在22.9～225.2 μg·m-3，冬季和春季PM2.5平均濃度分別為(135.2±49.8)、(88.9±30.6)μg·m-3，并且有 75 % 的采樣天數(shù)超過了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012) 規(guī)定的 PM2.5濃度 24 h 平均值限值，反映了杭州市冬季和春季PM2.5污染嚴(yán)重[22]。

(2)半山監(jiān)測點(diǎn)的TSP、PM10、PM2.5、PM14種類型的顆粒物濃度的日變化曲線為早上9：00到達(dá)最大值，然后隨時(shí)間增加而持續(xù)減少，在下午14:00到達(dá)最小值，基本呈“L”形曲線；而在采荷社區(qū)，大氣顆粒物由早上9:00開始降低但到下午17:00時(shí)又基本上升到早上9:00的水平，呈“Μ”形曲線。

4 討 論

(1)從半山和采荷2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的年際變化來比較，TSP與PM10濃度變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為單峰曲線；在城市森林區(qū)PM10與TSP濃度的峰值出現(xiàn)在2016年5月份，PM2.5和PM1濃度變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為雙峰曲線。在城區(qū)，PM2.5與PM1濃度的峰值出現(xiàn)在2015年11月份，在城區(qū)2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在2015年12月和2016年4月，而城市森林區(qū)，PM2.5和PM1濃度的峰值均延遲了1個(gè)月的時(shí)間，出現(xiàn)在2016年1和5月。這說明隨著大氣顆粒物的粒徑的減小，城市森林對(duì)大氣顆粒物的影響作用越明顯。

(2)洪盛茂等依據(jù)杭州市區(qū)2002年至2006年的空氣質(zhì)量資料,研究顯示，杭州市區(qū)首要污染物為PM10，并且PM10和 PM2.5有明顯的季節(jié)變化和“雙峰型”日變化[26]。常雷剛等對(duì)杭州地區(qū)4所醫(yī)院內(nèi)的PM2.5的日變化規(guī)律研究也基本一致，其研究表明PM2.5的日變化規(guī)律為上午 9:00-10:00處于峰值，12:00-13:00 達(dá)到最低值，下午15:00 左右又逐漸上升，基本呈“雙峰單谷”的分布[27]，付志民等對(duì)杭州市城區(qū)和城郊工業(yè)園區(qū)超細(xì)微粒的數(shù)濃度及粒徑分布進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤測量，研究也出現(xiàn)類似的規(guī)律，超細(xì)微粒數(shù)濃度在上午和下午的上、下班期間出現(xiàn)不同程度上升，夜間濃度普遍降低，但偶有波動(dòng)[28]。趙冰清等對(duì)重慶縉云山的4種典型林分的大氣顆粒物濃度的研究也得出PM2. 5質(zhì)量濃度日變化趨勢為上午>中午>晚上的結(jié)論[29]。