干旱區(qū)城市森林大氣顆粒物濃度變化特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系

李惠玲 何秉宇 玉米提·哈力克 娜斯曼·那斯?fàn)柖? 張凱迪

摘要：干旱區(qū)城市顆粒物如可吸入顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物（PM2.5）以及超細(xì)顆粒物（PM1.0）受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市燕兒窩生態(tài)林大氣顆粒物（PM1.0、PM2.5、PM10）濃度、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等環(huán)境因子數(shù)據(jù)，對(duì)干旱區(qū)城市森林內(nèi)大氣顆粒物濃度時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）3種顆粒物（PM10、PM2.5、PM1.0）的日變化較為相似，均呈現(xiàn)“早晚高，中午低”的淺“V”形變化趨勢(shì)。（2）3種顆粒物季節(jié)變化均表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季，其中冬春2季林地內(nèi)濃度小于林地外，而夏秋2季林地內(nèi)濃度大于林地外。（3）環(huán)境因子與3種不同粒徑大氣顆粒物濃度存在顯著相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度、風(fēng)速與顆粒物濃度呈顯著正相關(guān)，溫度與顆粒物濃度呈顯著負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物：環(huán)境因子：干旱區(qū)城市森林;PM10;PM2.5;PM1.0

中圖分類號(hào)：X513?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0294-06

收稿日期：2019-10-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：3177030663）。

作者簡(jiǎn)介：李惠玲（1995—），女，四川達(dá)州人，碩士研究生，主要從事環(huán)境科學(xué)研究。E-mail：1601761834@qq.com。

通信作者：何秉宇，碩士，副教授，主要從事環(huán)境科學(xué)與資源利用研究。E-mail：byhe718@163.com。

大氣污染是當(dāng)今不可忽視的重要環(huán)境問題，而大氣顆粒物含量增多是造成大氣污染的原因之一。大氣顆粒物來源復(fù)雜，尤其是細(xì)顆粒物（PM2.5）可進(jìn)入人體血液系統(tǒng)，誘發(fā)血管疾病和呼吸道疾病[1]，對(duì)人類健康造成極大危害;此外，大氣顆粒物也是導(dǎo)致空氣能見度降低、影響全球氣候變化的主要因素之一[2-3]。城市森林對(duì)大氣顆粒物具有較大的調(diào)控和吸收凈化作用，研究該環(huán)境中超細(xì)顆粒物（PM1.0）、PM2.5、可吸入顆粒物（PM10）的濃度變化，對(duì)治理城市大氣污染意義重大[4]。

目前，關(guān)于大氣顆粒物的研究多在交通污染區(qū)、居民區(qū)等，對(duì)大氣顆粒物的成分解析、來源分析、危害評(píng)價(jià)等研究[5-7]較多，而對(duì)城市森林內(nèi)外大氣顆粒物濃度差異研究較少。由于區(qū)域污染來源存在差異，大氣顆粒物污染特征有所不同[8-9]，各地的氣候條件及植物類型存在差異，導(dǎo)致各地區(qū)大氣顆粒物濃度動(dòng)態(tài)變化的情況也不同[10-11];因此，對(duì)干旱區(qū)城市森林的大氣顆粒物濃度研究顯得尤為重要。本研究以新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊燕兒窩生態(tài)林為研究區(qū)，分析燕兒窩生態(tài)林空氣質(zhì)量濃度的差異及影響因素，探討大氣顆粒物質(zhì)量濃度與氣象因子的關(guān)系，旨在為大氣顆粒物污染和治理研究提供理論依據(jù)。

1?研究區(qū)概況

燕兒窩生態(tài)林位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市天山區(qū)，位于43°69′～43°74′N，87°58′～87°59′E，海拔939 m，占地面積約350 hm2。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，林地內(nèi)主要樹種為白榆，其次是楊樹、柳樹、野薔薇等。作為烏魯木齊市唯一的一塊天然林地，燕兒窩生態(tài)林是烏魯木齊的防風(fēng)護(hù)沙的天然屏障，對(duì)烏魯木齊城市生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。

2?研究方法

2.1?監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)研究區(qū)的形狀和面積，本研究共設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2處，分別位于燕爾窩生態(tài)林的林地內(nèi)部和林地外部。為使所得數(shù)據(jù)更具有科學(xué)研究性和代表性，燕爾窩生態(tài)林內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于人為活動(dòng)較少且自然生長樹木集中的區(qū)域，林外監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于距燕爾窩生態(tài)林20 m的河灘快速路旁。

2.2?數(shù)據(jù)獲取

2.2.1?大氣顆粒物濃度數(shù)據(jù)

在距離地面1.5 m高度同步監(jiān)測(cè)顆粒物濃度與氣象因子。大氣顆粒物檢測(cè)設(shè)備為BR-HOL-1216空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，該儀器可同時(shí)檢測(cè)PM10、PM2.5、PM1.0 3種粒徑的大氣顆粒物，測(cè)量范圍為0～1 000 μg/m3，分辨率為 1 μg/m3。

烏魯木齊市氣候四季分明，從當(dāng)年3月開始至次年2月，每3個(gè)月為1個(gè)季度。日變化數(shù)據(jù)選?。罕O(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年10月至2019年9月，分別在每個(gè)季節(jié)選擇3～5 d晴朗微風(fēng)日，每天08：00—18：00每隔30 min測(cè)試1次，收集不同顆粒物（PM10、PM2.5和PM1.0）的濃度數(shù)據(jù)。

2.2.2?氣象數(shù)據(jù)

采用手持自動(dòng)氣象儀測(cè)定溫度（℃）、相對(duì)濕度（%）、風(fēng)速（m/s）。

2.3?數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016和SPSS 17.0分析數(shù)據(jù)并作圖。

3?結(jié)果與分析

3.1?大氣顆粒物濃度的時(shí)間變化規(guī)律

3.1.1?大氣顆粒物日變化規(guī)律

通過對(duì)林地內(nèi)、林地外監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)近地面1.5 m高度3種大氣顆粒物的日濃度變化。由圖1可知，林地內(nèi)外3種顆粒物每小時(shí)質(zhì)量濃度平均值的變化趨勢(shì)大致相同，日變化曲線近似“V”形。在早晨和傍晚，3種顆粒物濃度出現(xiàn)相對(duì)高值，其中08：00的濃度略高于18：00的濃度;而在中午，3種顆粒物均達(dá)到相對(duì)低值，其中PM1.0在14：00達(dá)到一天中的最低值，而PM10、PM2.5分別在14：00、15：00達(dá)到1 d中的最低值。

3種顆粒物均呈現(xiàn)出明顯的日變化特征，這與人類生產(chǎn)活動(dòng)、污染源排放、太陽輻射、氣溫等多種因素有關(guān)[12]。08：00左右溫度較低，濕度相對(duì)較大，有逆溫現(xiàn)象發(fā)生，使大氣層結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，近地層的對(duì)流相對(duì)較弱，降低了大氣顆粒物的擴(kuò)散程度，導(dǎo)致3種顆粒物容易在原處聚集。此外，燕爾窩生態(tài)林緊鄰河灘公路，是進(jìn)出烏魯木齊市的主要道路之一，08：00車流量較大，處于1 d的高峰期，汽車尾氣排放也會(huì)導(dǎo)致顆粒物濃度的上升[13]，因此，早上顆粒物濃度為一天中的最高值。隨著時(shí)間的增加，光照度不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致空氣中濕度降低，地面溫度升高，中午溫度上升至一天中最高，此時(shí)大氣狀態(tài)不穩(wěn)定，大氣垂直擴(kuò)散和湍流交換能力增強(qiáng)，有利于顆粒物的擴(kuò)散[14]。此外，光照增強(qiáng)導(dǎo)致林地內(nèi)植物的生理活動(dòng)也隨之增強(qiáng)，提高了植物對(duì)顆粒物的吸收能力。加之早高峰之后，車流量減少，因此中午顆粒物濃度較低且保持相對(duì)穩(wěn)定，而在14：00和15：00后，隨著溫度的降低、光照度的減弱以及下班車流高峰期的影響，3種顆粒物濃度再次升高。

在日變化觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，PM1.0濃度在3種不同顆粒物濃度中始終處于相對(duì)低值，PM10濃度處于相對(duì)高值，而PM2.5濃度介于兩者之間。林地內(nèi)監(jiān)測(cè)的3種顆粒物濃度，從早晨的相對(duì)高值到中午的相對(duì)低值，PM10平均每小時(shí)遞減1.577 4 μg/m3，PM2.5每小時(shí)遞減0.940 5 μg/m3，PM1.0每小時(shí)遞減 0.717 9 μg/m3，而從中午相對(duì)低值到傍晚的相對(duì)高值，PM10平均每小時(shí)遞增3.00 μg/m3，PM2.5每小時(shí)遞增1.90 μg/m3，PM1.0每小時(shí)遞增0.74 μg/m3。由此可知，PM10在1 d內(nèi)的濃度變化幅度最大，PM1.0濃度變化最平緩，而PM2.5介于兩者之間。林地外的3種顆粒物濃度均高于同時(shí)段林地內(nèi)的顆粒物濃度，且變化幅度也大于林地內(nèi)的顆粒物濃度。此外，林地外3種顆粒物濃度在個(gè)別時(shí)段呈波動(dòng)變化，這可能與車流量有關(guān)，林地外監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于河灘路邊，除去上下班早晚高峰期，白天的車流量不固定，會(huì)引起短時(shí)間內(nèi)顆粒物濃度的上升或下降。

3.1.2?大氣顆粒物季節(jié)變化規(guī)律

研究區(qū)四季氣象條件差異顯著，且各季節(jié)污染源排放量的貢獻(xiàn)率不同，導(dǎo)致PM10、PM2.5、PM1.0濃度在4個(gè)季節(jié)呈現(xiàn)出的特征[15-16]。如圖2所示，3種顆粒物濃度的季節(jié)變化較相似，均表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季。這主要是由于冬季采暖燃料等大量燃燒導(dǎo)致大氣顆粒物濃度明顯增加，且大氣層結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，發(fā)生輻射逆溫的頻率較高，阻礙了3種顆粒物的擴(kuò)散，因此冬季顆粒物濃度最高。而秋季氣溫較低，空氣濕度較小，植物葉片開始變黃掉落，對(duì)大氣顆粒物的阻滯與吸附較弱[17]，因此秋季大氣顆粒物濃度較高。

春季氣溫變化幅度大，大氣不穩(wěn)定，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)對(duì)流較強(qiáng)的天氣，大風(fēng)天氣較多，大氣顆粒物濃度背景值也較低，且春季是植物生長的初級(jí)階段，植物生理活動(dòng)開始活躍，具有吸收和吸附大氣顆粒物污染的作用，因此春季的大氣顆粒物濃度較低。而夏季降雨較多，有利于對(duì)大氣顆粒物的清除[18]，且植物生理活動(dòng)處于最旺盛的階段，對(duì)顆粒物的吸收能力高于其他季節(jié)，因此夏季顆粒物的濃度最低。

如圖3所示，林地內(nèi)和林地外3種顆粒物的平均濃度、75分位數(shù)、25分位數(shù)均表現(xiàn)為冬季最髙，秋季次之，春、夏2季最低。而秋、冬2季四分位數(shù)間距明顯高于夏、春2季，表明秋、冬2季3種顆粒物濃度的日均值離散程度較高。對(duì)比林地內(nèi)和林地外的3種顆粒物濃度發(fā)現(xiàn)，夏、秋2季林地內(nèi)和林地外差異明顯，這是由于生態(tài)林對(duì)顆粒物具有較強(qiáng)的吸附作用，導(dǎo)致林地內(nèi)顆粒物濃度大于林地外，表明生態(tài)林對(duì)顆粒物具有明顯的凈化作用。

3.2?環(huán)境因子與顆粒物濃度的關(guān)系

3.2.1?溫度與顆粒物濃度的關(guān)系

大氣穩(wěn)定度的改變能影響湍流活動(dòng)，從而對(duì)大氣顆粒物的濃度造成影響[19]。圖4表明，隨著溫度升高，不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，且3種顆粒物濃度與溫度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，PM10、PM2.5、PM1.0的r2分別為0.832 1、0.813 7、 0.758 3（P<0.05）， 這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，大氣對(duì)流層內(nèi)垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，逆溫發(fā)生頻率較低，且逆溫層厚度低、強(qiáng)度弱、邊界層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在擴(kuò)散、沉降的作用下大氣顆粒物的濃度降低。反之，氣溫降低，對(duì)流活動(dòng)減弱，大氣結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，不僅不利于空氣顆粒物擴(kuò)散，反而有利于污染物累積和二次氣溶膠形成細(xì)顆粒污染物，造成顆粒物濃度逐漸升高[20]。

3.2.2?相對(duì)濕度與顆粒物濃度的關(guān)系

如圖5所示，隨著相對(duì)濕度的升高，3種顆粒物濃度均呈上升趨勢(shì)，且與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，其中PM10、PM1.0、PM2.5的r2分別為0.778 9、0.753 0、0.743 7（P<0.05），這是因?yàn)楫?dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，大氣顆粒物由于吸濕作用自身與水蒸氣發(fā)生凝結(jié)，導(dǎo)致其體積變大、質(zhì)量增加，并在植被群落中聚集，不利于顆粒物的擴(kuò)散，且濕度接近飽和時(shí)的天氣條件，導(dǎo)致林中大氣顆粒物濃度增加。

3.2.3?風(fēng)速與顆粒物濃度的關(guān)系

由圖6可知，08：00—09：00，3種大氣顆粒物濃度與風(fēng)速變化呈相同的趨勢(shì)，即隨著風(fēng)速降低3種大氣顆粒物濃度均降低，但在10：00—12：00，隨著風(fēng)速的增加大氣顆粒物濃度卻呈下降趨勢(shì)，在12：00以后，風(fēng)速與3種大氣顆粒物的變化趨勢(shì)基本相同。3種顆粒物濃度與風(fēng)速均呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性比溫度與相對(duì)濕度低，原因可能是風(fēng)速的增加使得空氣污染物質(zhì)擴(kuò)散的更快[21]，林地外更多的大氣污染物進(jìn)入林地內(nèi)，而燕爾窩生態(tài)林郁閉度較高，林地內(nèi)較低的風(fēng)速會(huì)抑制污染物質(zhì)的擴(kuò)散，導(dǎo)致林地內(nèi)大氣顆粒物濃度呈上升趨勢(shì)，表明風(fēng)速對(duì)大氣污染物輸送量和水平擴(kuò)散具有較大影響。

3.2.4?環(huán)境因子與顆粒物濃度相關(guān)性分析

對(duì)顆粒物濃度與環(huán)境因子（溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速）進(jìn)行復(fù)相關(guān)分析表明，PM2.5與環(huán)境因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.890，PM10與環(huán)境因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.887，PM1.0與環(huán)境因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.832，說明3種顆粒物濃度與環(huán)境因子的線性相關(guān)程度較高（表1）。

4?結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，干旱區(qū)城市森林大氣顆粒物濃度變化與其他氣候類型城市有所不同。北京、西安、武漢等地發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物日變化為雙峰單谷的“U”形趨勢(shì)[22-24]，而本研究發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊市大氣顆粒物日變化趨勢(shì)呈現(xiàn)淺“V”形，且季節(jié)變化為冬秋高，春夏低，南陽等城市則為明顯的冬春高、夏秋低[25]。此外，劉浩棟在山東泰安研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)濕度、風(fēng)速分別和顆粒物濃度呈顯著正相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度與大氣顆粒物相關(guān)性不顯著[26]，而本研究中相對(duì)濕度、風(fēng)速與顆粒物濃度呈正相關(guān)關(guān)系，溫度與顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

本研究得出以下結(jié)論：

（1）3種顆粒物的日變化趨勢(shì)較相似，基本呈現(xiàn)早晚高，中午低的淺“V”形變化趨勢(shì)。

（2）3種顆粒物的季節(jié)變化較為一致，均表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季，其中冬春兩季林內(nèi)濃度小于林外，而夏秋2季林內(nèi)濃度大于林外。

（3）環(huán)境因子和3種不同粒徑顆粒物濃度均呈顯著相關(guān)關(guān)系。相對(duì)濕度、風(fēng)速和顆粒物濃度成正相關(guān)關(guān)系，溫度與顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

本研究受試驗(yàn)條件限制，只監(jiān)測(cè)了08：00—18：00 時(shí)間段顆粒物濃度的變化情況，未對(duì)夜間顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法反映24 h內(nèi)顆粒物濃度的完整變化，在后續(xù)的研究中應(yīng)開展夜間監(jiān)測(cè)以提供完整的日變化數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yu Y，Schleicher N，Norra S，et al.Dynamics and origin of PM2.5 during a three-year sampling period inBeijing，China[J].Journal of Enviornmental Monitoring，2011，13（5）：334-346.

[2]Dao X，Wang Z，Lv Y B，et al，Chemical characteristics of water-soluble ions in particulate matter in three metropolitan areas in the North China Plain[J]. PLoS One，2014，9（12）：e113831.

[3]Hinz K P，Trimborn A，Weingartner E，et al.Aerosol single particle composition at the Jungfraujoch[J]. Journal of Aerosol Science，2005，36（1）：123-145.

[4]冷平生. 園林生態(tài)學(xué)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003：137-143.

[5]Yao X H，Chan C K，F(xiàn)ang M，et al.The water-soluble ionic composition of PM2.5 in Shanghai and Beijing，China[J]. Atmospheric Environment，2002，36（26）：4223-4234.

[6]Fang G C，Chang C N，Wang N P，et al.The study of TSP，PM2.5-10 and PM2.5 during Taiwan Chi-Chi Earthquake in the traffic site of central Taiwan，Taichung[J]. Chemosphere，2000，41（11）：1727-1731.

[7]Tao J，Ho K F，Chen L G，et al. Effect of chemical composition of PM2.5 on visibility in Guangzhou，China，2007，spring[J]. Particuology，2009，7（1）：68-75.

[8]陳?波，魯紹偉，李少寧. 北京城市森林不同天氣狀況下PM2.5濃度變化[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36（5）：1391-1399.

[9]阮定倫，彭?超，石光明. 重慶沙坪壩區(qū)顆粒物污染特征及氣象因素影響分析[J]. 環(huán)境影響評(píng)價(jià)，2018，40（1）：67-72.

[10]邱?玲，劉?芳，張?祥，等. 城市公園不同植被結(jié)構(gòu)綠地削減空氣顆粒物濃度研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2018，31（10）：1685-1694.

[11]孫曉丹，李海梅，劉?霞，等. 不同綠地結(jié)構(gòu)消減大氣顆粒物的能力[J]. 環(huán)境化學(xué)，2017，36（2）：289-295.

[12]茍亞清，張清東. 道路景觀植物滯塵量研究[J]. 中國城市林業(yè)，2008，6（1）：59-61.

[13]徐?歡，趙晶晶，李?紅. 道路綠地植物配置對(duì)PM2.5濃度分布與消減作用的影響[J]. 北方園藝，2016（24）：65-69.

[14]希?文，崔?強(qiáng)，王麗敏. 園林綠化樹種枝葉滯塵效果分類研究[J]. 防護(hù)林科技，2005（1）：28-29.

[15]劉永林，孫啟民，鐘明洋，等. 重慶市主城區(qū)PM2.5時(shí)空分布特征[J]. 環(huán)境科學(xué)，2016，37（4）：1219-1229.

[16]王耀庭，李?威，張小玲，等. 北京城區(qū)夏季靜穩(wěn)天氣下大氣邊界層與大氣污染的關(guān)系[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2012，25（10）：1092-1098.

[17]陳上杰，牛健植，韓旖旎，等. 道路綠化帶內(nèi)大氣PM2.5質(zhì)量濃度變化特征[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2015，29（2）：100-105.

[18]李倩楠，張寧丹，馬運(yùn)通. 鄭州市大氣顆粒物季節(jié)日變化特征及氣象要素相關(guān)性研究[J]. 科技風(fēng)，2018，6：133.

[19]蔣維楣. 空氣污染氣象學(xué)教程[M]. 北京：氣象出版社，2004.

[20]張克磊. 烏魯木齊市PM2.5的時(shí)空格局及其變化特征[D]. 烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[21]李?軍，孫春寶，劉咸德，等. 氣象因素對(duì)北京市大氣顆粒物濃度影響的非參數(shù)分析[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2009，22（6）：663-669.

[22]陳?波，李少寧，魯紹偉，等. 北京大興南海子公園PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化特征[J]. 生態(tài)科學(xué)，2016，35（2）：104-110.

[23]劉立忠，么?遠(yuǎn)，韓?婧，等. 西安市大氣顆粒物數(shù)濃度分布及典型天氣條件特征變化[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2015，35（12）：3588-3594.

[24]劉?雯，張曉春，李?俊，等. 武漢市觀象臺(tái)2013—2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度變化及其與氣象因子的相關(guān)分析[J]. 氣象與環(huán)境科學(xué)，2018，41（2）：23-29.

[25]尹延震，王?苗，王靜遠(yuǎn)，等. 南陽市PM10、PM2.5污染特征及其與氣象因子的關(guān)系[J]. 干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2018（1）：12-18.

[26]劉浩棟. 城市道路林內(nèi)大氣顆粒物的時(shí)空變化特征——以泰安市為例[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.