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Variation characteristics of fine particulate matter PM2.5 concentration in three urban recreational forests in Hui Mountain of Wuxi City, Jiangsu Province of East China.

无锡惠山三种城市游憩林内细颗粒物(PM2.5)浓度变化特征


在2011年秋、冬季和2012年春、夏季的游憩时段内(5:00—19:00),对无锡惠山香樟林、湿地松林和栓皮栎林3种游憩林内PM2.5质量浓度进行实时监测,并同步观测气象因子,分析了游憩林内PM2.5浓度的时间变化规律及其影响因素.结果表明: 惠山3种游憩林内PM2.5浓度年均值低于道路,湿地松林和香樟林内PM2.5浓度年均值低于栓皮栎林;3种游憩林和道路的PM2.5年均浓度低于无锡市背景值.游憩林内PM2.5浓度的季节变化规律为夏季最低,秋季次之,春季最高;PM2.5浓度在春、夏、冬季最低的是湿地松林,秋季最低的是香樟林,栓皮栎林在各季节的PM2.5浓度都较高.PM2.5浓度在四季的日变化近似于“单峰单谷”型,7:00—9:00和15:00—19:00各出现最大值和最小值.4个季节的湿度和温度与PM2.5浓度均极显著相关,光照仅在冬季显著影响PM2.5浓度,较小风速对PM2.5浓度的影响不大.

It is of significance to understand the controlling effects of urban forest on atmospheric fine particulate matter PM2.5 pollution. This paper monitored the variations of atmospheric PM2.5 concentrations in three typical urban recreational forests (Cinnamomum camphora, Pinus elliotii, and Quercus variabilis ) in the Hui Mountain of Wuxi City during the day time (5:00 am-19:00 pm) in autumn and winter, 2011 and in spring and summer, 2012. The meteorological factors were observed simultaneously. The average annual PM2.5 concentration in the three recreational forests was lower than that above the nearby roads, and this concentration in C. camphora and P. elliotii forests was lower than that in Q. variabilis forest. The average annual PM2.5 concentration in the forests and above the nearby roads was lower than the background value in the downtown area of the City. The PM2.5 concentration in the three recreational forests was the lowest in summer, followed by in autumn, and the highest in spring. In addition, the PM2.5 concentration was the lowest in P. elliotii forest in spring, summer, and winter, and in C. camphora forest in autumn, but relatively higher in Q. variabilis forest in all seasons. The diurnal variation of the PM2.5 concentration in the three forests in four seasons all showed nearly “one peak and one vale”, with the peak and vale appeared at 7:00-9:00 and 15:00-19:00, respectively. The PM2.5 concentration was significantly correlated with the air moisture and temperature in four seasons, and significantly correlated with the light intensity in winter. Mild winds throughout the seasons had little effects on the PM2.5 concentration.


全 文 :无锡惠山三种城市游憩林内细颗粒物
(PM2. 5)浓度变化特征
*
古摇 琳摇 王摇 成**摇 王晓磊摇 王艳英摇 王摇 茜
(中国林业科学研究院林业研究所 /国家林业局城市林业研究中心 /国家林业局森林培育重点实验室, 北京 100091)
摘摇 要摇 在 2011 年秋、冬季和 2012 年春、夏季的游憩时段内(5:00—19:00),对无锡惠山香
樟林、湿地松林和栓皮栎林 3 种游憩林内 PM2. 5质量浓度进行实时监测,并同步观测气象因
子,分析了游憩林内 PM2. 5浓度的时间变化规律及其影响因素.结果表明: 惠山 3 种游憩林内
PM2. 5浓度年均值低于道路,湿地松林和香樟林内 PM2. 5浓度年均值低于栓皮栎林;3 种游憩林
和道路的 PM2. 5年均浓度低于无锡市背景值. 游憩林内 PM2. 5浓度的季节变化规律为夏季最
低,秋季次之,春季最高;PM2. 5浓度在春、夏、冬季最低的是湿地松林,秋季最低的是香樟林,栓
皮栎林在各季节的 PM2. 5浓度都较高. PM2. 5浓度在四季的日变化近似于“单峰单谷冶型,
7:00—9:00 和 15:00—19:00 各出现最大值和最小值. 4 个季节的湿度和温度与 PM2. 5浓度均
极显著相关,光照仅在冬季显著影响 PM2. 5浓度,较小风速对 PM2. 5浓度的影响不大.
关键词摇 PM2. 5浓度摇 城市游憩林摇 季节变化摇 气象因素
*“十二五冶国家科技支撑计划重大项目(2011BAD38B03)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wch8361@ 163. com
2012鄄12鄄28 收稿,2013鄄07鄄03 接受.
文章编号摇 1001-9332(2013)09-2485-09摇 中图分类号摇 S718. 5摇 文献标识码摇 A
Variation characteristics of fine particulate matter PM2. 5 concentration in three urban rec鄄
reational forests in Hui Mountain of Wuxi City, Jiangsu Province of East China. GU Lin,
WANG Cheng, WANG Xiao鄄lei, WANG Yan鄄ying, WANG Qian (Research Institute of Forestry,
Chinese Academy of Forestry / Research Center of Urban Forestry, State Forestry Administration / Key
Laboratory of Forest Silviculture of State Forestry Administration, Beijing 100091, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. ,2013,24(9): 2485-2493.
Abstract: It is of significance to understand the controlling effects of urban forest on atmospheric
fine particulate matter PM2. 5 pollution. This paper monitored the variations of atmospheric PM2. 5
concentrations in three typical urban recreational forests (Cinnamomum camphora, Pinus elliotii,
and Quercus variabilis ) in the Hui Mountain of Wuxi City during the day time (5:00 am-19:00
pm) in autumn and winter, 2011 and in spring and summer, 2012. The meteorological factors were
observed simultaneously. The average annual PM2. 5 concentration in the three recreational forests
was lower than that above the nearby roads, and this concentration in C. camphora and P. elliotii
forests was lower than that in Q. variabilis forest. The average annual PM2. 5 concentration in the for鄄
ests and above the nearby roads was lower than the background value in the downtown area of the
City. The PM2. 5 concentration in the three recreational forests was the lowest in summer, followed
by in autumn, and the highest in spring. In addition, the PM2. 5 concentration was the lowest in P.
elliotii forest in spring, summer, and winter, and in C. camphora forest in autumn, but relatively
higher in Q. variabilis forest in all seasons. The diurnal variation of the PM2. 5 concentration in the
three forests in four seasons all showed nearly “one peak and one vale冶, with the peak and vale ap鄄
peared at 7:00-9:00 and 15:00-19:00, respectively. The PM2. 5 concentration was significantly
correlated with the air moisture and temperature in four seasons, and significantly correlated with
the light intensity in winter. Mild winds throughout the seasons had little effects on the PM2. 5 con鄄
centration.
Key words: PM2. 5 concentration; urban recreational forest; seasonal variation; meteorological factor.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 9 月摇 第 24 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2013,24(9): 2485-2493
摇 摇 随着城市化和工业化的快速发展,大气颗粒物
成为城市空气首要污染物,其中,细颗粒物(PM2. 5)
因其对人体毒性大,并能降低空气能见度,近年来引
起社会的广泛关注[1-2] . 世界卫生组织、美国、澳大
利亚、加拿大等都出台了 PM2. 5的相关标准[3] . 我国
环保部于 2012 年将 PM2. 5的监测项目纳入重新修订
的《环境空气质量标准》 [4]中.从 20 世纪末开始,我
国一些城市陆续开展关于 PM2. 5的研究,主要集中于
其成分组成、源解析、时间动态变化等方面[5-8],研
究地点以北方城市居多,南方城市较少,并且观测点
以市区为主,郊区或森林环境较少.我国目前仅在北
京开展过城市森林内 PM2. 5的持续动态研究[9-10] .随
着人们生态保健意识的提高和森林生态旅游的兴
起,在森林旅游区开展 PM2. 5的相关研究显得日益紧
迫.无锡惠山城市森林作为无锡重要的城市 “绿
肺冶,是市民们游憩、健身的首选地区. 本文研究了
一年四季游憩时段内 3 种典型游憩林内 PM2. 5浓度
变化规律,以期为惠山游憩林的林相改造及江南地
区游憩型城市森林的树种选择和配置提供理论依
据,为无锡市民选择合适的时间和路线进行森林游
憩活动提供参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
无锡市惠山地处市区西侧,最高峰(三茅峰)海
拔 329 m,素有“江南第一山冶之誉.试验地惠山国家
森林公园位于惠山西北部(31毅35忆 N,120毅15忆 E),
东西长 3. 9 km、南北宽 3. 6 km,面积 718 km2 .该区
属北亚热带季风气候,温暖湿润,四季分明,常年主
导东南风,年均气温 15. 4 益,年均降水量 1067 mm,
年均日照时数 2035. 3 h,每年 6 月中旬前后出现梅
雨季节.山地土壤以黄棕壤为主.惠山森林公园的森
林覆盖率超过 95% ,有木本植物 55 科 84 属 104 种.
其地带性森林植被为北亚热带落叶常绿阔叶混交
林,现有森林群落以 20 世纪 70、80 年代营造的湿地
松(Pinus elliotii)等针叶林,香樟(Cinnamomum cam鄄
phora)、栎属(Quercus)等阔叶林和针阔混交林为
主[11] .
1郾 2摇 样地选择
选择惠山森林公园三茅峰附近的香樟林、湿地
松林和栓皮栎林 3 种典型游憩林作为试验样地,以
减小地形、地理位置等因素对试验的影响.林地边缘
为非机动车道路,周围无明显大气污染排放源.各样
地尽量选择在林地中央且距林带边缘 50 m以上,每
个样地内选 3 个观测点,观测点之间距离 10 m 以
上.为了对比森林群落结构及下垫面类型对 PM2. 5浓
度的影响,将位于 3 种游憩林之间的道路作为对照
样地. 3 种游憩林样地的群落结构特征如下:
香樟林:面积 11170 m2;乔木层为香樟,郁闭度
0. 9,平均树高 15 m,平均胸径 28. 4 cm;无灌木层;
草本层以海金沙(Lygodium japonicum)等为主;藤本
以络石(Trachelospermum jasminoides)等为主.
湿地松林:面积 21000 m2;乔木层为湿地松,郁
闭度 0. 7,平均树高 10 m,平均胸径 18. 9 cm;灌木层
为白叶野桐(Mallotus apelta)、瓜木( Alangium pla鄄
tanifolium)、白栎 (Quercus fabrei)、白檀 ( Symplocos
paniculata)、乌饭树(Vaccinium bracteatum)、盐肤木
(Rhus chinensis)、连蕊茶(Camellia fraterna)、满山红
(Rhododendron mariesii)、野鸦椿 (Euscaphis japoni鄄
ca)等;草本层以桑路(Phytolacca acinosa)、芒萁(Di鄄
cranopteris dichotoma)、针毛蕨(Macrothelypteris oligo鄄
phlebia)等为主;藤本以金樱子(Rosa laevigata)、菝
葜( Smilax china)、华东菝葜 ( Smilax sieboldii)、络
石、黄独(Dioscorea buibifera)等为主.
栓皮栎林:面积 6010 m2;乔木层为栓皮栎
(Quercus variabilis),郁闭度 0. 8,平均树高 11 m,平
均胸径 14. 8 cm;灌木层为瓜木、白叶野桐、白栎、白
檀、满山红、野鸦椿、连蕊茶、六月雪(Serissa japoni鄄
ca)等;草本以桑路、海金沙、刺芒野股草(Arundinel鄄
la setosa)、针毛蕨等为主;藤本以金樱子、菝葜、华东
菝葜、络石等为主.
1郾 3摇 指标观测
试验时间为 2011 年秋季(10 月底至 11 月初)、
冬季(12 月)和 2012 年春季(4 月)、夏季(7 月),避
开雨、雪、大雾、大风、霾等特殊天气,在各个季节分
别选择 5 d 作为观测日. 观测时间为 5:00—19:00
市民进入惠山游憩的时段内,每隔 2 h 进行 4 个样
地同步观测,以每个样地的 3 个观测点作为重复.实
验仪器使用英国 Turnkey Instruments 公司生产的
Dustmate粉尘检测仪,测定人体平均呼吸高度
1. 2 ~ 1. 5 m处空气中的 PM2. 5质量浓度,每次采样时
间为 2 min.不同样地的粉尘仪都经过校正,排除仪
器间的偏差. 采用 NK5920 便携式风速气象测定仪
和 TES1330A 照度仪同步监测每个观测点空气相对
湿度、温度、风速和光照强度. 为了科学比较和评价
城市森林对 PM2. 5的净化效果,在分析过程中,根据
我国《环境空气质量标准》 (GB 3095—2012) [4]中
PM2. 5质量浓度的相关标准作为衡量依据,并与无锡
6842 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
城市 PM2. 5浓度背景值相比较.
1郾 4摇 数据处理
用 SPSS 15. 0 软件进行数据单因素方差分析,
平均值多重比较采用新复极差法(Duncan). 利用
Excel 2007 绘图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 游憩林内 PM2. 5浓度的年均值
由图 1 可以看出,研究区 3 种游憩林内 PM2. 5年
均浓度都低于道路,体现了城市森林的滞尘功能.香
樟林和湿地松林内 PM2. 5年均浓度较道路分别显著
下降 16. 8% 、20. 0% ,较栓皮栎林分别显著下降
13郾 5% 、16. 9% .
香樟林、湿地松林、栓皮栎林和道路的 PM2. 5年
均浓度均高于我国一类区浓度限值(15 滋g·m-3),
超标 率 分 别 为 129郾 5% 、 120郾 6% 、 165郾 4% 和
175郾 8% . 与 我 国 二 类 区 浓 度 限 值 相 比 ( 35
滋g·m-3),香樟林和湿地松林达标,而栓皮栎林和
道路分别超标 13. 7% 、18. 2% . 4 个样地的 PM2. 5年
均浓度远低于无锡市环保局公布的 2011 年 8 月 1
日至 2012 年 5 月 31 日 PM2. 5监测数据均值 (53
滋g·m-3) [12] .
2郾 2摇 游憩林内 PM2. 5浓度的季节变化
3 种游憩林内 PM2. 5浓度的季节变化均表现出
春季>冬季>秋季>夏季的规律(表 1). 除湿地松林
在秋、冬季无显著差异外,其他两种林型的季节差异
均达到显著水平.道路 PM2. 5浓度的季节变化为春季
>秋季>冬季>夏季,与 3 种游憩林有所差异. 春季,
栓皮栎林内 PM2. 5浓度较道路显著提高 14. 2% ,香
樟林、湿地松林内 PM2. 5浓度均显著低于道路;夏季,
香樟林内 PM2. 5浓度与道路无显著差异,湿地松林、
栓皮栎林较道路显著下降 6. 3% 、4. 4% ;秋季,3 种
游憩林内PM2. 5浓度均显著低于道路;冬季,各游憩
图 1摇 不同样地 PM2. 5浓度的年均值
Fig. 1摇 Annual average concentration of PM2. 5 in different plots
(mean依SD, n=3).
XZ:香樟林 Cinnamomum camphora forest; SDS:湿地松林 Pinus elliotii
forest; SPL:栓皮栎林 Quercus variabilis forest; CK:道路 Road; WX:无
锡市 Wuxi city. GB1:国家环境空气质量一类区浓度限值 The PM2. 5
concentration limits of first鄄class district of ambient air quality in China;
GB2:国家环境空气质量二类区浓度限值 The PM2. 5 concentration lim鄄
its of second鄄class district of ambient air quality in China. 不同小写字母
表示差异显著( P < 0. 05) Different small letters indicated significant
difference at 0. 05 level.下同 The same below.
林 PM2. 5浓度与道路无显著差异.
由于我国目前未出台 PM2. 5季平均浓度限值,本
文将我国环境空气 PM2. 5一、二类地区日均浓度限值
(35 和 75 滋g·m-3 )作为标准,将无锡市环保局
2012 年环境空气质量日报中 4、7、10 和 12 月的
PM2. 5浓度日均值分别作为春、夏、秋、冬季的背景值
(表 1).按照国家一类区标准,夏季 3 种游憩林和道
路的 PM2. 5日均浓度都达标,秋季香樟林和湿地松林
达标.对比国家二类区标准,惠山游憩林和道路在 4
个季节均达标. 春季,栓皮栎林和道路超过无锡市
PM2. 5浓度背景值,夏、秋、冬季 3 种游憩林和道路均
远低于背景值. 说明惠山游憩林夏季 PM2. 5污染最
轻,春季污染最严重.
2郾 3摇 不同季节游憩林内 PM2. 5浓度的日变化
2郾 3郾 1 各季节PM2. 5浓度的日变化 摇 春季观测时段
表 1摇 不同样地及无锡市 PM2. 5浓度的季节变化
Table 1摇 Seasonal variations of PM2. 5 concentrations in different plots and Wuxi City (滋g·m-3, mean依SD, n=3)
样地
Sample plot
春季
Spring
夏季
Summer
秋季
Autumn
冬季
Winter
香樟林 C. camphora forest 52. 75依1. 02cA 12. 67依0. 13abD 31. 30依2. 63bC 40. 98依0. 93aB
湿地松林 P. elliotii forest 51. 61依0. 55cA 12. 21依0. 07cC 32. 37依5. 10bB 36. 16依1. 05aB
栓皮栎林 Q. variabilis forest 66. 77依1. 06aA 12. 46依0. 35bcD 38. 31依1. 93bC 41. 70依0. 94aB
道路 Road 58. 46依3. 98bA 13. 03依0. 10aC 51. 10依9. 91aAB 42. 87依4. 83aB
无锡市 Wuxi City 52. 87 45. 29 68. 35 79. 26
不同小写字母表示相同季节不同样地类型间差异显著,不同大写字母表示相同样地不同季节间差异显著 (P<0. 05) The different small letters
indicated the significant difference among the plots in the same season, while the different capital letters indicated the significant difference in the different
seasons within the same plot at 0. 05 level.
78429 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 古摇 琳等: 无锡惠山三种城市游憩林内细颗粒物(PM2. 5)浓度变化特征摇 摇 摇 摇 摇
内,各游憩林 PM2. 5浓度小时均值变化大致呈“N冶
型,上午浓度高于中午和下午(图 2a). PM2郾 5日变化
总体趋势为:5:00 开始,PM2. 5浓度急剧上升,7:00
达到最高,之后陡然下降;11:00 以后波动较小,
13:00—17:00 出现最低值. 4 种样地的日变化趋势
较一致,其中,香樟林和湿地松林更相似. 不同游憩
林 PM2. 5浓度差异随着时间的变化也不同.香樟林和
湿地松林的 PM2. 5浓度在 5:00—7:00 均极显著低于
栓皮栎林和道路,9:00 以后则极显著高于后者,
15:00和 17:00 差异不显著.
夏季,各样地 PM2. 5浓度日变化类似于春季(图
2 b),但变化幅度相对平缓,且不同样地日变化趋势
图 2摇 各样地 PM2. 5浓度在春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季的
日变化
Fig. 2摇 Diurnal change of PM2. 5 concentration of different plots
in spring ( a), summer ( b), autumn ( c) and winter ( d)
(mean依SD).
相似. 5:00—7:00,香樟林和湿地松林 PM2. 5浓度曲
线处于栓皮栎林和道路下方,且差异达到显著水平;
9:00 以后,栓皮栎林 PM2. 5浓度极显著低于其他样
地,15:00 达到最低谷后又急速上升,17:00 时极显
著高于香樟林和湿地松林;19:00,栓皮栎林 PM2. 5浓
度再次极显著低于其他林型.
秋季,各样地 PM2. 5浓度日变化有所差异(图
2c).香樟林和湿地松林的日变化曲线呈“N冶形,栓
皮栎林近似“V冶形,高峰和低谷出现时间均比香樟
林和湿地松林提前;道路日变化趋势波动较大.秋季
各游憩林 PM2. 5浓度随时间变化的差异不同于春、夏
季. 5:00 开始,湿地松林和栓皮栎林的 PM2. 5浓度极
显著高于香樟林和道路,之后香樟林和湿地松林急
剧上升,栓皮栎林则逐渐下降;7:00,香樟林显著高
于其他林型,而栓皮栎林最低;9:00 以后,道路一直
高于 3 种游憩林;9:00—11:00,栓皮栎林大于香樟
林和湿地松林,直到 13:00 达到低谷时,显著小于其
他样地;15:00—19:00,栓皮栎林最高,香樟林最低.
冬季,香樟林 PM2. 5浓度日变化近似“V冶形,其
余样地均为“N冶形(图 2d). 香樟林 PM2. 5浓度最高
值出现在 5:00,15:00 达到低谷;湿地松林的高峰时
间滞后于香樟林 2 h;栓皮栎林和道路的高峰、低谷
时间分别推后到 9:00、17:00. 冬季各样地 PM2. 5浓
度在不同时间的差异表现出与春季相反的趋势.
5:00时,香樟林 PM2. 5浓度极显著高于其他林型和道
路,湿地松林次之;7:00 以后,香樟林和湿地松林低
于栓皮栎林和道路;13:00 和 19:00,各样地之间的
浓度差异不显著.
2郾 3郾 2 PM2. 5浓度日变化的污染情况摇 春季游憩时段
内,香樟林和湿地松林 PM2. 5浓度在 11:00 以后、栓
皮栎林和道路在 9:00 以后均低于无锡市春季日均
值;与国家一类区标准相比,香樟林 PM2. 5浓度的达
标时段为 15: 00—17: 00,湿地松林为 13: 00—
17:00,栓皮栎林和道路 11:00 以后均达标. 夏季各
游憩林不同时间的 PM2. 5浓度为无锡市日均值的
17. 3% ~ 48. 7% , 为国家一类区浓度限值的
22. 4% ~62郾 2% ,PM2. 5污染最轻. 秋季,栓皮栎林各
时段 PM2. 5浓度均低于无锡市日均值,香樟林和湿地
松林除 7:00 外的时段低于背景值,道路在 7:00—
9:00 以外的时段低于背景值;与国家一类区标准相
比,香樟林在5:00和11:00—19:00 达标,湿地松林
在11:00以后达标,栓皮栎林在 11:00—17:00达标,
道路仅在 13:00 和 17:00 达标.冬季,除了栓皮栎林
和道路 PM2. 5浓度在9:00高于无锡市日均值,各样地
在观测时段内均低于背景值;香樟林和湿地松林在
8842 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
11:00—15:00 达到国家一类区标准,栓皮栎林在
5:00、13:00—19:00 达标,道路在 5:00、17:00—
19:00达标.
2郾 3郾 3 不同游憩林 PM2. 5浓度的日变化差异 摇 不同
季节各游憩林内 PM2. 5浓度的日变化特点具有相似
性,但也存在一些差异.从 PM2. 5浓度日变化趋势看,
除了栓皮栎林在秋季、香樟林在冬季表现为“V冶形
外,其他季节均为“N冶型. 不同季节 PM2. 5浓度出现
高峰的特点也有差异:春季各样地的高峰明显高于
其他季节,其次为秋季,两季的波峰都比较尖锐;夏
季高峰值最低,但变幅较小,持续时间较长. 3 种游
憩林 PM2. 5浓度出现高峰的时间在四季都一致
(7:00 左右),但出现低谷的时间有所不同:香樟林
和湿地松林在春、秋季出现低谷的时间一致
(17:00),夏季和冬季相对提前;栓皮栎林在春、秋
季出现低谷的时间相对于香樟林和湿地松林提前,
在冬季则滞后.
从各样地 PM2. 5浓度日变化趋势的相似度来看,
香樟林和湿地松林较一致,栓皮栎林与道路更接近.
香樟林和湿地松林在春季的 PM2. 5浓度日变化曲线,
除 17:00—19:00 低于冬季外,其余时间均处于其他
3 个季节的上方. 栓皮栎林的春季日变化曲线在
7:00—9:00 最高,之后均低于冬季,高于夏、秋季.
道路四季的日变化特征与 3 种游憩林截然不同,除
7:00—9:00 春季最高外,其余时间都是秋季居高不
下,其次为冬季.
2郾 4摇 气象因素对游憩林内 PM2. 5浓度变化的影响
2郾 4郾 1 气象因素对 PM2. 5浓度季节变化的影响 摇 在
2012 年春季观测时段内,样地的林内空气相对湿度
较大,日均值接近 70% ,在早晨有雾时甚至超过
90% (表 2).当湿度大于 70% ,PM2. 5浓度升高幅度
较大;接近 90%时,PM2. 5浓度成倍增长. 因此,春季
PM2. 5浓度日变化曲线在 7:00 左右出现尖锐的高
峰,体现了雾日湿度大,使 PM2. 5聚集达到较高浓度.
9:00 以前温度低于 18 益时,PM2. 5浓度随着温度升
高而增加,之后两者一直呈负相关. 由表 3 可知,春
季 PM2. 5浓度与空气相对湿度呈极显著正相关,与温
度呈极显著负相关,而受风速和光照的影响不大.
2012 年 7 月中旬以后,无锡出现持续高温天
气,7 月 21—31 日,无锡市气象台每天都发布高温
黄色预警信号,而夏季观测日正好处于该时期内,体
现了在无锡夏季高温闷热天气条件下[13],惠山游憩
林内 PM2. 5浓度的变化特点. 夏季游憩林内 PM2. 5浓
度与湿度、温度都达到极显著相关,与风速和光照的
相关性不显著(表 3).夏季观测期间,样地林内湿度
日均值为 66. 0% ,上午(9:00 以前)和傍晚(19:00)
表 2摇 观测日气象状况
Table 2摇 Meteorological conditions in observation days
季节
Season
日期
Date
天气
Weather
温度
Temperature
(益)
风向
Wind direction
风速
Wind velocity
(m·s-1)
相对湿度
Relative humidity
(% )
秋季 2011鄄10鄄25 晴 9. 6 ~ 15. 5 N鄄NE 0 ~ 1. 5 57. 2 ~ 85. 3
Autumn 2011鄄10鄄26 多云 13. 2 ~ 16. 3 NE 0 ~ 1. 5 55. 2 ~ 74. 7
2011鄄10鄄30 多云 14. 4 ~ 20. 2 NE 0 ~ 1. 6 55. 3 ~ 87. 6
2011鄄10鄄31 多云 13. 4 ~ 18. 0 E 0. 6 ~ 1. 8 56. 9 ~ 79. 1
2011鄄11鄄01 多云 14. 7 ~ 22. 0 E鄄SE 0 ~ 1. 8 67. 1 ~ 97. 6
冬季 2011鄄12鄄15 阴 2. 9 ~ 10. 4 N 0. 3 ~ 1. 3 50. 4 ~ 82. 4
Winter 2011鄄12鄄16 晴 -1. 7 ~ 7. 6 N 0 ~ 1. 5 26. 6 ~ 62. 7
2011鄄12鄄17 晴 -2. 8 ~ 4. 9 N 0 ~ 1. 8 31. 6 ~ 57. 8
2011鄄12鄄18 多云 0. 6 ~ 11. 1 NE 0 ~ 1. 2 39. 4 ~ 69. 6
2011鄄12鄄22 多云 -2. 3 ~ 7. 2 N 0 ~ 2. 3 50. 0 ~ 76. 9
春季 2012鄄04鄄07 阴 14. 5 ~ 26. 9 NE 0 ~ 1. 8 26. 5 ~ 54. 0
Spring 2012鄄04鄄08 阴 14. 5 ~ 25. 2 SE 0 ~ 2. 4 45. 4 ~ 77. 2
2012鄄04鄄15 多云 13. 0 ~ 20. 9 E 0 ~ 1. 5 62. 2 ~ 83. 3
2012鄄04鄄17 多云 12. 5 ~ 23. 6 NE鄄E 0. 3 ~ 2. 8 49. 3 ~ 79. 3
2012鄄04鄄22 多云 15. 1 ~ 28. 0 W鄄SW 0 ~ 2. 6 46. 3 ~ 92. 5
夏季 2012鄄07鄄26 多云 25. 6 ~ 36. 1 SE 0 ~ 1. 9 51. 0 ~ 84. 1
Summer 2012鄄07鄄27 晴 25. 9 ~ 35. 8 SE 0. 3 ~ 2. 2 56. 0 ~ 91. 4
2012鄄07鄄28 晴 26. 0 ~ 35. 6 SE 0 ~ 2. 0 56. 7 ~ 90. 7
2012鄄07鄄29 晴 26. 8 ~ 35. 4 SE 0 ~ 2. 2 50. 3 ~ 83. 7
2012鄄07鄄30 晴 26. 8 ~ 36. 0 SE 0 ~ 1. 5 48. 9 ~ 95. 7
N:北 North; NE:东北 Northeast; E:东 East; SE:东南 Southeast; W:西 West; SW:西南 Southwest.
98429 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 古摇 琳等: 无锡惠山三种城市游憩林内细颗粒物(PM2. 5)浓度变化特征摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 PM2. 5浓度与气象因素的相关系数
Table 3摇 Correlation coefficients of PM2. 5 and meteorologi鄄
cal factors
季节
Season
相对湿度
Relative
humidity
平均温度
Average
temperature
平均风速
Average
wind velocity
光照强度
Light
intensity
春季 Spring 0. 665** - 0. 515** 0. 133 0. 012
夏季 Summer 0. 542** - 0. 503** 0. 033 -0. 044
秋季 Autumn 0. 579** 0. 215** -0. 42 0. 043
冬季 Winter 0. 369** 0. 278** 0. 080 0. 166*
*P<0. 05; ** P<0. 01. .
均超过 70% ,5:00—7:00 在 80%以上,夏季 PM2. 5
浓度日变化曲线在上午出现高峰,且幅度较大.在观
测日的游憩时段内,惠山游憩林内日均温超过 30
益,最低温在 25 益以上,且温差小,属于典型的高温
闷热天气,大气混合层高度较高且通风系数大,有利
于颗粒物的扩散[14],所以夏季 PM2. 5浓度远低于其
他 3 个季节,且日变化曲线波动较平缓.
秋季游憩林内空气湿度日均值与春季接近,多
数时间湿度在 60%以上,与 PM2. 5浓度的正相关性
达到极显著水平.在秋季观测日内,早晨有时会出现
轻雾,湿度在 90%以上,因此秋季的 PM2. 5浓度日变
化曲线类似于春季,在早上出现极高峰.秋季温度与
PM2. 5浓度呈极显著正相关,与秋季大多数时候温度
在 18 益以下有关. 秋季观测日的平均风速为 0郾 6
m·s-1,低于春、夏季,多数时候都在 1 m·s-1以下,
有利于 PM2. 5聚集. 而风速和光照对 PM2. 5浓度的影
响均不显著.
冬季与 PM2. 5浓度相关性达到显著水平的气象
因子包括湿度、温度和光照强度(表 3).冬季平均湿
度为 54. 3% ,空气较干燥,尽管湿度与 PM2. 5浓度表
现出极显著正相关,但相关系数远低于其他 3 个季
节.冬季日均温为 4. 11 益,在早上和傍晚有时温度
降到 0 益以下,在观测日的早晨出现过霜,与秋季相
似,温度与 PM2. 5浓度呈极显著正相关. 由于冬季低
温静风天气容易形成逆温辐射,使细粒子富集,因此
冬季 PM2. 5浓度较高,仅次于春季.
2郾 4郾 2 气象因素对 PM2. 5浓度日变化的影响 摇 气象
因素对 PM2. 5浓度日变化有重要的影响. 日出前,由
于气温低、空气相对湿度高、风速小,有利于空气中
的细粒子富集,因此日出时(7:00 左右) PM2. 5浓度
积聚达到最高值;日出后,随着温度逐渐升高,湿度
降低,风速增加,大气湍流交换增强,有利于细颗粒
物的扩散,PM2. 5浓度在 15:00—17:00 降至最小值;
在日落前(17:00—19:00),气温下降明显,湿度回
升,风速较小,因而 PM2. 5浓度呈上升趋势.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 惠山游憩林内 PM2. 5污染情况
在 2011 年秋季至 2012 年夏季的观测期间,无
锡惠山游憩林内 PM2. 5质量浓度年均值未完全达到
我国二类区标准,低于无锡市背景值,说明惠山城市
森林降低了局部环境空气中 PM2. 5污染,但受城市整
体空气污染背景的影响,其 PM2. 5污染水平没有完全
达到空气清洁地区的标准.在不同季节,惠山游憩林
内 PM2. 5浓度日均值都达到我国二类区标准,并且低
于无锡太湖观测站和南京、上海、杭州、嘉兴等周边
城市[15-19],说明无锡惠山 PM2. 5污染水平低于农村
和城区.尽管惠山属于城中山,但多年来得到很好的
保护,山上森林植被基本处于自然状态,植物种类丰
富,生态环境良好.公园修建了一条宽 6 m左右的防
火通道(非机动车道)和一些游憩步道,山上几乎无
机动车通行,避免了汽车尾气及其他人为污染源的
排放.与我国环境空气一类区标准相比,惠山游憩林
PM2. 5浓度有时超标.应采取林相改造、适时疏伐、调
整森林群落结构等措施,进一步提高惠山游憩林的
滞尘功能.若仅从 PM2. 5污染情况选择惠山适宜游憩
时间,依据我国环境空气一类区标准,春季和秋季为
11:00—19:00、夏季为全天、冬季为 13:00—19:00
适合游憩,但应尽量避开雾天.
3郾 2摇 惠山游憩林内 PM2. 5浓度变化规律与北方城市
的差异
本文中 PM2. 5浓度春、冬高,夏、秋低的季节变化
规律与多数城市的研究结果相似[20-22],与北方城市
则有所差异[23-25],可能与我国南北气候和居民生活
方式差异有关.北方城市的 PM2. 5浓度一般在冬季最
高,而南方城市 PM2. 5浓度在冬、春季差距不大,有时
甚至春季大于冬季,这与南方城市不在冬季大量燃
煤供暖有关.此外,春季受到北方沙尘天气影响,大
量细颗粒物被长途输送至我国江南地区,出现浮尘、
扬沙天气,这是南方城市春季 PM2. 5浓度异常偏高的
重要原因之一[26] .
无锡惠山游憩林的 PM2. 5浓度日变化规律与北
京西山游憩林[7-10]较相似,但年均值和季节变化差
异较大.惠山 3 种游憩林 PM2. 5浓度的年均值比西山
3 种游憩林低 42. 4% ,可能由于江南地区相对远离
沙尘来源地区,且一年四季降水量均高于北方城市,
而降水能有效去除空气细粒子[27] .北京西山游憩林
PM2. 5浓度在夏季偏高,仅次于冬季,这是因为北京
夏季观测期间“桑拿天冶较多,高温、高湿、低风速天
0942 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
气导致细颗粒物聚集和生成.惠山游憩林夏季 PM2. 5
浓度最低,这与夏季观测期处于连续暴雨日后的持
续高温晴朗天气,有利于颗粒物扩散有关.春季北京
游憩林 PM2. 5浓度最低,而无锡游憩林最高,可能与
春季北方沙尘天气导致粗颗粒物就近沉降,而细颗
粒物被长途输送至南方地区有关.
3郾 3摇 游憩林内 PM2. 5来源及其动态变化的影响因素
PM2. 5来源主要包括直接排放的一次粒子、气态
前体物形成的冷凝粒子及其发生化学反应生成的二
次粒子[28] .相关研究认为,汽车尾气和地面扬尘是
城市细颗粒物的主要来源[9,19,21] . 惠山位于工业经
济发达的无锡市区,山下有钱荣路、内环高速路等交
通流量大的道路,故山下产生的汽车尾气排放物、城
市扬尘等污染物可随着大气湍流被输送到山上. 由
于每天有许多市民到惠山游憩和锻炼身体,人为活
动产生的地面扬尘是惠山 PM2. 5的来源之一. 此外,
在森林环境中,植物释放有机挥发物所形成的二次
粒子、花粉、孢子等也成为 PM2. 5的来源[29-30] .因此,
惠山游憩林内 PM2. 5的来源较多,若要深入了解
PM2. 5的具体来源、贡献率以及对人体健康的危害性
大小,应对其进行化学成分分析和源解析.
影响环境空气中 PM2. 5浓度的因素众多.研究认
为,气象条件和人类活动是决定城市环境空气颗粒
物浓度时空变化的主要原因[31] .由于城市森林既有
别于城市环境,又与城市密切相关,影响其 PM2. 5浓
度的因素应该主要包括大气 PM2. 5浓度、树木生物学
特征、森林群落特点等[32] .各游憩林的森林类型、树
种组成、群落结构和郁闭度等不同,使其滞阻空气
PM2. 5的能力出现差异.本文中湿地松林和香樟林内
PM2. 5浓度年均值均极显著低于栓皮栎林,其中湿地
松林内 PM2. 5浓度年均值最低,并且在全年的日均值
也最低(秋季除外),体现了不同林型阻滞 PM2. 5的
能力有差异,即常绿林较落叶林高,针叶林较阔叶林
高,这与其他相关研究结果较一致[9,33] .由于植物滞
尘的主要部位是叶片[33-34],因此,相对于栓皮栎林,
四季常绿的香樟林和湿地松林在非生长季也保持着
较高的滞尘能力.松科树种能分泌油脂等物质,从而
沾粘空气小颗粒物的效果更稳定[35],加上针叶树的
叶面积相对较大,故湿地松林阻滞 PM2. 5的能力较其
他两种林型高.研究表明,具有乔、灌、草复层结构的
森林群落滞尘能力高于结构简单的森林群落[36] .栓
皮栎林作为乔、灌、草复合结构的落叶阔叶林群落,
其全年 PM2. 5浓度略低于道路,但差异不显著,可能
与其所处的地理位置有关. 栓皮栎林位于惠山山脊
偏东北面,相对于地处西南面的香樟林和湿地松林
而言,在秋、冬季更容易受到偏北风带来的干冷气流
影响,加上乔灌层在非生长季节郁闭度大大降低,外
界的 PM2. 5更容易扩散进入林内环境. 各游憩林内
PM2. 5浓度的季节变化差异体现了不同类型森林群
落的季相变化特点.夏季植物生长旺盛,栓皮栎林的
乔、灌、草层均达到了最大郁闭度,故林内 PM2. 5浓度
低于林分结构单一的香樟林.秋季枝叶凋零,由于湿
地松林和栓皮栎林内的落叶树种及地被植物大量枯
落,郁闭度降低,与仍然枝繁叶茂的香樟林相比,其
阻挡颗粒物的能力减小.研究表明,夏季持续高温天
气有利于空气中进行光化学反应生成细粒子[14] .然
而,本文中夏季光照强度日均值在 4 个季节中最低,
且光照强度与 PM2. 5浓度的相关性不显著,这与夏季
森林群落达到最大郁闭度有关. 冬季,光照强度与
PM2. 5浓度呈显著正相关,可能由于冬季温度和湿度
较低,加上森林群落的郁闭度较小,进入林内的光照
促成二次细颗粒物生成作用更显著.
交通车辆和人为活动影响 PM2. 5浓度的日变化.
根据观测结果,惠山游憩林 PM2. 5浓度在 7:00 左右
出现峰值,正值上班高峰期,车和人流量大. 另外,
5:00—7:00 是人们上山进行晨练的时候,因此显著
增加了惠山的 PM2. 5浓度. 17:00 以后,上山游憩的
人逐渐增多,这也是 PM2. 5浓度在 19:00 开始回升的
原因.
花粉是颗粒物的来源之一.因此,植物开花所释
放的花粉可能是影响春季游憩林内 PM2. 5浓度较大
且高于无锡市区的因素之一. 由于栓皮栎林内春季
开花植物较多,如栓皮栎、白栎、白檀、野鸭椿、菝葜、
络石等,林内空气中飘散的花粉相对较多.这应该是
春季栓皮栎林 PM2. 5浓度高于道路的原因.
致谢摇 野外观测过程中,得到张晶、任露洁、孙睿霖、郭恒、董
建华、刘俊祥、朱明静、张明志、花娜等同学、江苏省林业科学
院黄利斌等老师、无锡市农林局朱惜晨站长及惠山森林公园
的领导、工作人员的大力帮助,深表感谢!
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作者简介摇 古摇 琳,女,1982 年生,博士研究生.主要从事城
市森林研究. E鄄mail: gulin1123@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
39429 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 古摇 琳等: 无锡惠山三种城市游憩林内细颗粒物(PM2. 5)浓度变化特征摇 摇 摇 摇 摇