不同氣象條件下道路景觀林對(duì)大氣顆粒物濃度的影響?

陳亞靜 遲增臻 李清殿 劉浩棟 李傳榮 肖 茂 郭慧玲 申衛(wèi)星 譚亞軍

1 山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站/黃河下游森林培育國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東泰安 271018

2 青島市西海岸新區(qū)婦幼保健院 山東青島 266510

3 鄒城市自然資源和規(guī)劃局 山東濟(jì)寧 273500

4 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 北京 100091

5 泰山風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì) 山東泰安 271000

大氣中的懸浮顆粒物作為霧霾的主要成分之一， 尤其是細(xì)顆粒物(PM2.5，d<2.5 μm) 和超細(xì)顆粒物(PM1，d<1 μm) 嚴(yán)重影響人類健康[1－2]。如何削減(或控制) 顆粒物污染引起了越來(lái)越多的關(guān)注， 以往的研究表明綠色植物的葉片可吸附、凝并、 沉降大氣中的顆粒物， 起到局部改善空氣質(zhì)量的作用， 有效改善空氣環(huán)境質(zhì)量[3]， 從而提供了一種改善環(huán)境與緩解大氣污染壓力的選擇。

城市道路林是指城市(鎮(zhèn)) 內(nèi)外的各種公路、 鐵路、 街道等兩側(cè)的行道樹、 分隔帶、 交叉路口、 橋頭等所形成的或?qū)⒁纬傻牧謳Щ蛳嚓P(guān)森林類型[4－6]。 研究表明， 城市道路林對(duì)顆粒物有良好的削減效果[7]， 但不同類型道路林對(duì)顆粒物的削減作用差異很大[8]， 主要體現(xiàn)在葉片結(jié)構(gòu)差異[9]、 群落結(jié)構(gòu)差異[10]和林齡[11]等。 一般來(lái)說(shuō)， 針葉樹種的削減作用顯著高于闊葉樹種， 混交林削減作用顯著高于純林[12]， 但是不同類型混交林對(duì)顆粒物的削減效應(yīng)的研究相對(duì)較少。

目前針對(duì)城市道路景觀林的生態(tài)防護(hù)功能的研究主要體現(xiàn)在對(duì)顆粒物的時(shí)空變化[13]、 季節(jié)差異[14]、 滯塵效果[15]等方面， 而對(duì)氣象作用的研究相對(duì)滯后。 研究表明， 不同氣象條件顯著影響道路景觀林內(nèi)大氣顆粒物的質(zhì)量濃度， 尤其是在降雨和大風(fēng)氣象條件下削減效果最為顯著[16]。 因此， 本研究以山東省泰安市城市道路林為研究對(duì)象， 通過(guò)調(diào)查分析不同氣象條件下針闊混交林和闊葉混交林內(nèi)顆粒物濃度的變化以及削減率， 探討氣象條件和混交林類型對(duì)顆粒物削減效應(yīng)的影響， 為了解城市大氣顆粒物在不同氣象條件下的變化特征和防治措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

泰安市位于山東省中部， 地處116°20′—117°59′ E， 35°38′—36°28′ N， 總面積約7 761 km2。 整體地勢(shì)自東北向西南傾斜， 擁有山地、 丘陵、 平原、 洼地、 湖泊等多種地貌類型。 屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)， 四季分明， 雨熱同季。 全市年平均日照數(shù)為2 627.1 h， 年平均氣溫12.9 ℃， 年平均降水量697 mm， 受季風(fēng)氣候影響， 年內(nèi)降水多集中于夏季， 占全年降水量的65.2%。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析不同氣象和不同混交林類型大氣顆粒物濃度的水平梯度變化， 本研究選擇泰山大街、岱宗大街和龍?zhí)堵纷鳛檠芯康攸c(diǎn)， 針闊混交林(Conifer-Broadleaf Forest， CBF) 和 闊 葉 混 交 林(Broadleaf Mixed Forest， BMF) 為研究對(duì)象， 結(jié)構(gòu)配置為前灌木和草本后喬木， 株行距總體為2 m×2 m。 每個(gè)類型設(shè)置3 個(gè)重復(fù)(表1)。 選擇冬季出現(xiàn)頻率較高， 且對(duì)大氣顆粒物具有明顯集聚、擴(kuò)散等效應(yīng)的氣象類型作為典型氣象條件開展林內(nèi)和林外同步監(jiān)測(cè)， 跟蹤記錄氣象實(shí)況。 根據(jù)前人的研究[15]， 選擇如下氣象類型進(jìn)行觀測(cè): “晴朗微風(fēng)” 3 天(2016 年12 月12—14 日， 風(fēng)力小于3 級(jí))； “雨后晴天” 3 天(2016 年11 月26—28 日)； “陰天” 3 天(2016 年12 月3 日、 12 月21 日、 12 月22 日)； “霧霾” 3 天(2017 年1 月2 日， 1 月4 日， 1 月8 日)。

以道路設(shè)置對(duì)照點(diǎn)， 垂直道路邊設(shè)置4 組監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 即分別為道路(對(duì)照) －林緣－林內(nèi)－林外，間隔 為5 m。 監(jiān) 測(cè) 時(shí) 段 為8 ∶ 00、 10 ∶ 00、12 ∶00、 14 ∶00、 16 ∶00、 18 ∶00。 在每處離地面1.5 m (人平均呼吸高度) 采用顆粒物濃度檢測(cè)儀 (Dustmate， 英國(guó)Turnkey 公司， 分辨率:10 μg·m－3； 測(cè)量范圍: 0～6 000 μg·m－3) 同步監(jiān)測(cè)所有樣地空氣中總懸浮顆粒物(Total Suspended Particulate， TSP)、 可 吸 入 顆 粒 物(Inhalable Particles， PM10)、 PM2.5和超細(xì)顆粒物(Ultrafine Particle， PM1) 質(zhì)量濃度， 大氣顆粒物濃度設(shè)定為每1 min 計(jì)量1 次。

表1 樣地基本情況調(diào)查表

1.3 數(shù)據(jù)處理

不同類型道路林對(duì)顆粒物削減效應(yīng)采用削減百分率計(jì)算公式[17]:

式(1) 中:P為道路林削減率；C為道路顆粒物濃度；Ci為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣顆粒物濃度。

數(shù)據(jù)在Excel 2016 進(jìn)行整理， 其中顆粒物濃度和削減率差異采用LSD 和Duncan 法在SPSS 22.0 進(jìn)行多重比較。 作圖采用Origin 2018。

表2 不同氣象下顆粒物變化

2 結(jié)果分析

2.1 不同氣象條件下空氣顆粒物的變化

在“晴朗微風(fēng)” 氣象下， 針闊混交林和闊葉混交林中顆粒物濃度隨著與道路距離的增加而降低(表2)， 這說(shuō)明兩種道路林對(duì)顆粒物有一定的阻滯作用。 闊葉混交林中顆粒物的濃度均高于針闊混交林， 從林緣到林內(nèi)， 不同粒徑的顆粒物濃度降低幅度均較大。 “雨后晴天” 氣象下， 顆粒物濃度與“晴朗微風(fēng)” 時(shí)一致， 均為下降趨勢(shì)。對(duì)比林帶不同位置的顆粒物濃度可以看出， 林帶內(nèi)顆粒物含量較林緣下降幅度較大， 其中PM1下降幅度最大， 分別為13.99%和14.71%。 “陰天”和“霧霾” 氣象下， 不同顆粒物濃度在針闊混交林和闊葉混交林中的變化趨勢(shì)與“晴朗微風(fēng)” 和“雨后晴天” 相反， 為上升趨勢(shì)， 表明道路林對(duì)顆粒物起到聚集作用。

2.2 不同氣象條件下道路林對(duì)顆粒物的削減作用

不同氣象條件下， 針闊混交林和闊葉混交林對(duì)顆粒物的削減效果如圖1。 “晴朗微風(fēng)” 氣象下， 針闊混交林和闊葉混交林對(duì)細(xì)顆粒物有較好的削減效果， 但差異不顯著(p>0.05)， 對(duì)TSP 的削減率分別為12.24%和10.82%。 “雨后晴天” 氣象下， 針闊混交林和闊葉混交林對(duì)粗、細(xì)顆粒物的削減效果存在顯著差異(p<0.05)，對(duì)TSP 削減率分別為11.11%和12.99%； 對(duì)PM10的削減率為15.40%和19.12%， 說(shuō)明闊葉混交林對(duì)粗顆粒物的削減效果較好。 “陰天” 氣象下， 闊葉混交林對(duì)PM10有一定的削減效果，削減率為0.55%， 但對(duì)其他顆粒物均有一定的聚集效應(yīng)， 尤其是對(duì)TSP 削減率為－3.11%； 而針闊混交林對(duì)顆粒物均有一定的聚集效果， 但是對(duì)細(xì)顆粒物的聚集效果明顯(PM1， －5.81%和PM2.5， －3.15%)。 “霧霾” 氣象條件下， 兩種混交林對(duì)顆粒物的聚集程度都較高， 尤其是PM10和PM2.5， 針闊混交林顯著高于闊葉混交林(p<0.05)。

圖1 不同綠化配置模式下顆粒物的日平均削減率

2.3 影響顆粒物削減率因素分析

本研究以道路林類型、 氣象條件和顆粒物類型為主效應(yīng)因子， 探討三者及其交互作用對(duì)顆粒物削減的影響。 結(jié)果表明(表3)， 不同因子對(duì)顆粒物的削減效果存在顯著差異， 其中氣象因素極顯著影響顆粒物的削減率(p<0.01)， 其次是顆粒物類型(p＝0.018)， 而道路林類型和各因子之間的交互作用對(duì)顆粒物削減效果影響不顯著(p>0.05)。

表3 影響削減率因素的方差分析

3 結(jié)論

1) 氣象條件顯著影響道路景觀林對(duì)顆粒物的削減作用， 且對(duì)不同顆粒物類型的削減效果不一致。

2) 在“晴朗微風(fēng)” 和“雨后晴天” 氣象條件下， 兩種道路林類型對(duì)顆粒物均存在一定程度的削減作用。 “晴朗微風(fēng)”， 針闊混交林對(duì)PM1的削減率 (20.42%) 顯著高于闊葉混交林(17.64%)； “雨后晴天”， 闊葉混交林對(duì)TSP(12.99%) 和PM10(19.12%) 的削減率顯著高于針闊混交林(11.11%和15.40%)。 但是在陰天和霧霾氣象下， 道路林對(duì)顆粒物有聚集作用(PM10除外)。

3) 針闊混交林整體上對(duì)顆粒物的削減作用要強(qiáng)于闊葉混交林， 而氣象條件和顆粒物類型顯著影響道路林對(duì)顆粒物的削減率。

4 討論

空氣顆粒物濃度的變化是多維因子協(xié)同作用的結(jié)果， 研究表明， 氣象可能是影響道路林內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度的主要因子[15]。 本研究結(jié)果表明，不同氣象條件下顆粒物濃度差異顯著。 “雨后晴天” 氣象下的TSP 濃度最低， 而霧霾氣象下最為嚴(yán)重， 這與趙冰清[18]和師遠(yuǎn)哲[19]的研究結(jié)果一致， 主要是由于降雨對(duì)顆粒物有很好的沉降作用[13]。 在“晴朗微風(fēng)” 和“雨后晴天” 氣象下，顆粒物濃度由林緣向林內(nèi)呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)， 而在陰天和霧霾氣象下， 道路林反而會(huì)聚集顆粒物， 導(dǎo)致林內(nèi)顆粒物的濃度急劇升高， 這與以往的研究結(jié)果是一致的[13]， 說(shuō)明道路林對(duì)顆粒物的作用存在雙向性。 削減率分析結(jié)果表明， “雨后晴天”氣象下的削減率最高， 主要原因是植物對(duì)顆粒物的削減主要是葉片滯留， 滯留在葉片上的顆粒物會(huì)通過(guò)再懸浮回到大氣中[20]， 而降雨能夠很好地去除葉片的顆粒物[21]， 使葉片重新具有滯留能力。 在“晴朗微風(fēng)” 氣象下， 道路林附近的顆粒物主要來(lái)源于交通排放， 道路林對(duì)其具有較強(qiáng)的隔離作用[22]， 但因其葉片顆粒物累積量飽和及濕度低等因素影響， 導(dǎo)致林內(nèi)顆粒物比“雨后晴天” 較高。 “陰天” 和“霧霾” 時(shí)， 細(xì)顆粒物比例較大[19]， 更容易在林帶內(nèi)積累、 富集[23]， 導(dǎo)致林內(nèi)顆粒物濃度較高。

植物對(duì)顆粒物具有較好的削減作用[24]。 本研究結(jié)果表明， 針闊混交林和闊葉混交林對(duì)顆粒物的削減率存在差異。 對(duì)于針闊混交林而言， 本研究樣地中優(yōu)勢(shì)樹種為油松、 雪松、 懸鈴木和龍柏，其葉片形狀細(xì)小復(fù)雜、 邊緣不規(guī)則， 易形成湍流，利于顆粒物沉降； 而松樹(油松) 的捕獲能力更強(qiáng)， 當(dāng)顆粒物與葉片接觸時(shí)， 會(huì)滯留、 附著和粘附在葉片上[25－27]， 而后隨著降雨或風(fēng)進(jìn)入到土壤或者分散到空氣中。 由于樣地中雪松比例較高，其揮發(fā)物含有大量的萜烯類化合物， 其在空氣中易形成氣溶膠， 引起顆粒物的沉降， 滯塵效果更好[28－30]。 對(duì)于闊葉混交林而言， 優(yōu)勢(shì)樹種為國(guó)槐、 銀杏、 大葉黃楊和欒樹， 其具有反復(fù)滯留顆粒物的優(yōu)勢(shì)， 尤其是大葉黃楊能夠反復(fù)吸附顆粒物， 但是滯留在葉片的顆粒物不易被沖刷[31]， 造成顆粒物在葉片的堆積， 導(dǎo)致顆粒物累積量下降?？梢姡?天氣和顆粒物類型顯著影響道路林對(duì)顆粒物的削減率。

隨著森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)展， 在城市森林生態(tài)系統(tǒng)中， 不僅要考慮道路林的景觀性和生態(tài)防護(hù)性， 更應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)其服務(wù)功能的轉(zhuǎn)化和環(huán)境友好性， 根據(jù)不同功能需求進(jìn)行合理的配置，發(fā)揮最佳的生態(tài)服務(wù)功能， 營(yíng)造更加舒適的城市環(huán)境。