不同氣象條件下道路景觀林對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 申衛星 譚亞軍

1 山東泰山森林生態系統國家定位觀測研究站/黃河下游森林培育國家林業和草原局重點實驗室 山東泰安 271018

2 青島市西海岸新區婦幼保健院 山東青島 266510

3 鄒城市自然資源和規劃局 山東濟寧 273500

4 中國林業科學研究院資源信息研究所 北京 100091

5 泰山風景名勝區管理委員會 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， 尤其是細顆粒物(PM2.5，d<2.5 μm) 和超細顆粒物(PM1，d<1 μm) 嚴重影響人類健康[1－2]。如何削減(或控制) 顆粒物污染引起了越來越多的關注， 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量的作用， 有效改善空氣環境質量[3]， 從而提供了一種改善環境與緩解大氣污染壓力的選擇。

城市道路林是指城市(鎮) 內外的各種公路、 鐵路、 街道等兩側的行道樹、 分隔帶、 交叉路口、 橋頭等所形成的或將要形成的林帶或相關森林類型[4－6]。 研究表明， 城市道路林對顆粒物有良好的削減效果[7]， 但不同類型道路林對顆粒物的削減作用差異很大[8]， 主要體現在葉片結構差異[9]、 群落結構差異[10]和林齡[11]等。 一般來說， 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顆粒物的削減效應的研究相對較少。

目前針對城市道路景觀林的生態防護功能的研究主要體現在對顆粒物的時空變化[13]、 季節差異[14]、 滯塵效果[15]等方面， 而對氣象作用的研究相對滯后。 研究表明， 不同氣象條件顯著影響道路景觀林內大氣顆粒物的質量濃度， 尤其是在降雨和大風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象， 通過調查分析不同氣象條件下針闊混交林和闊葉混交林內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顆粒物削減效應的影響， 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。 屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候區， 四季分明， 雨熱同季。 全市年平均日照數為2 627.1 h， 年平均氣溫12.9 ℃， 年平均降水量697 mm， 受季風氣候影響， 年內降水多集中于夏季， 占全年降水量的65.2%。

1.2 試驗材料與試驗設計

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、岱宗大街和龍潭路作為研究地點， 針闊混交林(Conifer-Broadleaf Forest， CBF) 和 闊 葉 混 交 林(Broadleaf Mixed Forest， BMF) 為研究對象， 結構配置為前灌木和草本后喬木， 株行距總體為2 m×2 m。 每個類型設置3 個重復(表1)。 選擇冬季出現頻率較高， 且對大氣顆粒物具有明顯集聚、擴散等效應的氣象類型作為典型氣象條件開展林內和林外同步監測， 跟蹤記錄氣象實況。 根據前人的研究[15]， 選擇如下氣象類型進行觀測: “晴朗微風” 3 天(2016 年12 月12—14 日， 風力小于3 級)； “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)。

以道路設置對照點， 垂直道路邊設置4 組監測點， 即分別為道路(對照) －林緣－林內－林外，間隔 為5 m。 監 測 時 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儀 (Dustmate， 英國Turnkey 公司， 分辨率:10 μg·m－3； 測量范圍: 0～6 000 μg·m－3) 同步監測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和超細顆粒物(Ultrafine Particle， PM1) 質量濃度， 大氣顆粒物濃度設定為每1 min 計量1 次。

表1 樣地基本情況調查表

1.3 數據處理

不同類型道路林對顆粒物削減效應采用削減百分率計算公式[17]:

式(1) 中:P為道路林削減率；C為道路顆粒物濃度；Ci為各監測點大氣顆粒物濃度。

數據在Excel 2016 進行整理， 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” 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)， 這說明兩種道路林對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， 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” 時一致， 均為下降趨勢。對比林帶不同位置的顆粒物濃度可以看出， 林帶內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與“晴朗微風” 和“雨后晴天” 相反， 為上升趨勢， 表明道路林對顆粒物起到聚集作用。

2.2 不同氣象條件下道路林對顆粒物的削減作用

不同氣象條件下， 針闊混交林和闊葉混交林對顆粒物的削減效果如圖1。 “晴朗微風” 氣象下， 針闊混交林和闊葉混交林對細顆粒物有較好的削減效果， 但差異不顯著(p>0.05)， 對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粗、細顆粒物的削減效果存在顯著差異(p<0.05)，對TSP 削減率分別為11.11%和12.99%； 對PM10的削減率為15.40%和19.12%， 說明闊葉混交林對粗顆粒物的削減效果較好。 “陰天” 氣象下， 闊葉混交林對PM10有一定的削減效果，削減率為0.55%， 但對其他顆粒物均有一定的聚集效應， 尤其是對TSP 削減率為－3.11%； 而針闊混交林對顆粒物均有一定的聚集效果， 但是對細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因子， 探討三者及其交互作用對顆粒物削減的影響。 結果表明(表3)， 不同因子對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 結論

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

2) 在“晴朗微風” 和“雨后晴天” 氣象條件下， 兩種道路林類型對顆粒物均存在一定程度的削減作用。 “晴朗微風”， 針闊混交林對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， 道路林對顆粒物有聚集作用(PM10除外)。

3) 針闊混交林整體上對顆粒物的削減作用要強于闊葉混交林， 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同作用的結果， 研究表明， 氣象可能是影響道路林內顆粒物質量濃度的主要因子[15]。 本研究結果表明，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重， 這與趙冰清[18]和師遠哲[19]的研究結果一致， 主要是由于降雨對顆粒物有很好的沉降作用[13]。 在“晴朗微風” 和“雨后晴天” 氣象下，顆粒物濃度由林緣向林內呈現衰減趨勢， 而在陰天和霧霾氣象下， 道路林反而會聚集顆粒物， 導致林內顆粒物的濃度急劇升高， 這與以往的研究結果是一致的[13]， 說明道路林對顆粒物的作用存在雙向性。 削減率分析結果表明， “雨后晴天”氣象下的削減率最高， 主要原因是植物對顆粒物的削減主要是葉片滯留， 滯留在葉片上的顆粒物會通過再懸浮回到大氣中[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” 氣象下， 道路林附近的顆粒物主要來源于交通排放， 道路林對其具有較強的隔離作用[22]， 但因其葉片顆粒物累積量飽和及濕度低等因素影響， 導致林內顆粒物比“雨后晴天” 較高。 “陰天” 和“霧霾” 時， 細顆粒物比例較大[19]， 更容易在林帶內積累、 富集[23]， 導致林內顆粒物濃度較高。

植物對顆粒物具有較好的削減作用[24]。 本研究結果表明， 針闊混交林和闊葉混交林對顆粒物的削減率存在差異。 對于針闊混交林而言， 本研究樣地中優勢樹種為油松、 雪松、 懸鈴木和龍柏，其葉片形狀細小復雜、 邊緣不規則， 易形成湍流，利于顆粒物沉降； 而松樹(油松) 的捕獲能力更強， 當顆粒物與葉片接觸時， 會滯留、 附著和粘附在葉片上[25－27]， 而后隨著降雨或風進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]。 對于闊葉混交林而言， 優勢樹種為國槐、 銀杏、 大葉黃楊和欒樹， 其具有反復滯留顆粒物的優勢， 尤其是大葉黃楊能夠反復吸附顆粒物， 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， 導致顆粒物累積量下降。可見， 天氣和顆粒物類型顯著影響道路林對顆粒物的削減率。

隨著森林生態系統服務功能的發展， 在城市森林生態系統中， 不僅要考慮道路林的景觀性和生態防護性， 更應著重強調其服務功能的轉化和環境友好性， 根據不同功能需求進行合理的配置，發揮最佳的生態服務功能， 營造更加舒適的城市環境。