清源山风景区大气颗粒物浓度变化特征分析

王敏华,傅伟聪,黄淑萍,朱志鹏,陈梓茹,董建文

(1.福建农林大学 艺术学院&园林学院,福州 350002；2.国家林业局森林公园工程技术研究中心,福州 350002)

随着城市化、工业化和人为活动的迅速增加,大气环境质量面临严峻的挑战,特别是在20世纪后半叶,世界许多大城市正面临严重的空气质量问题[1],大气颗粒物浓度对大气能见度,降水和空气质量起着至关重要的作用[2]。10μm以下的大气颗粒物能够吸附有毒物质,且会经由呼吸系统进到人体内进而沉积于肺中,导致各种呼吸和心血管疾病[3-6]。近年来,大气颗粒物 (PMs)有PM2.5(细颗粒物：颗粒物直径≤ 2.5μm),PM10(颗粒物直径≤ 10μm)等组成,由于它们对人体健康、大气环境、大气能见度存在较大影响而得到广泛研究[7-10]。

经济的发展使得居民生活质量得到提升,对于自然的向往、亲近的愿望越发迫切[11]。以生态保健为目的的健康出行已成为国民出行的主要目的。城郊游憩林地以优美的自然景观、清新的空气和舒适的环境为主体,正成为人们健康出行的主要目的地[11-13]。在此背景下城郊游憩林地的空气环境质量监测、评价、分析显得尤为重要。而对景区的研究,前人主要集中于美景度评价、游览目的分析、景观资源定义等,较少学者对景区的大气环境质量进行系统的评价分析。清源山为泉州的十八景之一,位于泉州市区北侧,是居民、游客健康出行的主要场所。选择清源山作为东南沿海丘陵区典型研究地,不仅能为清源山的管理、游览提供数据参考,对于东南地区城郊游憩型山体的构建与管理也具有借鉴意义。

1 研究区概况

清源山地处泉州市北面,坐标范围为24°54′～25°0′N,118°30′～118°37′E,与泉州市区3面相接,又名“泉山”、“齐云山”,整个景区由清源山、九日山、灵山圣墓3大区域组成,总面积62km2,主峰海拔498m,与泉州市区形成“山城相依”态势,吸引了众多的海外游客,也是市民游览锻炼的主要目的地[14-16]。

2 研究方法

2.1 数据来源

空气质量指数(AQI)及大气污染物(PM10,PM2.5,SO2,NO2,CO,O3)浓度数据来自环境保护部网站；气象数据(温度、湿度、气压、风速、露点温度等)来自中国气象数据网。观测站点设置于清源山内,气象数据及大气污染物浓度数据监测间隔为1h/次,且观测站点和气象监测站间的距离均在80km之内,符合气象观测的空间代表性原则[17]。

2.2 统计分析

采用了5种统计分析方法：1) 统计分析大气颗粒物,其它大气污染物浓度和气象因子年变化规律；2) 分析不同气象条件、不同年份、不同季度及每个月的日变化规律；3)计算不同季节PM2.5,PM10比率；4)运用SPSS 19.0软件计算大气颗粒物浓度和大气污染物及气象因子相关性。使用SPSS 19.00与Excel 2010进行数据处理分析；Excel 2010与Origin 9.0进行图像处理。

3 结果与分析

3.1 监测数据年变化概述

大气污染物和气象因子年平均浓度及其标准差、最小值、中位数、最大值如表1所示。清源山年平均AQI指数为40.56符合空气环境质量Ι级标准,PM10,PM2.5均略微超出国家一级标准,但处于二级标准以内。依据环境空气质量标准[18]其它污染物年均值：SO2,NO2,CO,O3浓度均处于环境质量Ι级标准之内,表明清源山空气质量处于较高水平。从气象因子看,监测期间年均温度为22.46℃,相对湿度为78.00%,属于典型的中南亚热带气候,加上典型的地理位置及地势条件,其年均风速较高达3.38m/s,对大气污染物有一定扩散作用。

3.2 PMs年变化规律分析

大气污染物浓度年变化规律如图1所示。PM10与PM2.5年均浓度分别为40.14,21.66μg/m3,依据环境空气质量标准[18]略微超出环境质量一级标准(PM10,40μg/m3；PM2.5,15μg/m3),表明清源山空气环境质量处于较高水平。冬季大气颗粒物浓度值最高,夏季浓度值最低,年变化规律呈春冬高,夏秋低的变化规律。进一步观察可知,大气颗粒物浓度在7月份呈现最低值,而于4月份出现最高值,这应与4月处于南风天,空气较为温暖湿润,且植物正处于萌动阶段对大气污染物吸收能力较低有关；而所有大气污染物浓度在7月出现月最低值,可能与当月多雨、气温较高有关,且台风天气在此期间频繁出现也是导致大气污染物浓度降低的主要原因。

注：数据监测时间为2015年1月1日至2016年12月31日。

图1 清源山大气颗粒物浓度月均浓度变化

3.3 PMs日变化特征分析

清源山不同季节、不同月份、不同污染程度及不同天气条件下的日变化特征如图2—图5所示。从小时均值的变化特征来看,最高值是在午夜及凌晨,最低值是在傍晚；从不同月份看,各月份呈现的变化规律差异较大,寒冷月及温暖月呈现出不同的变化趋势,PM10在10月至次年2月呈现出2个波峰,分别在早晨8：00—9：00时及晚上18：00—20：00出现,与早晚出行高峰基本吻合,PM2.5的变化趋势与PM10的较为接近而变化幅度较小,趋势较为平稳；从不同污染级别变化特征分析,清源山出现的污染级别较低,仅有中度及轻度污染,在污染天时PMs浓度日变化特点特征较无规律性,依然呈现出2个波峰,而当处于污染物浓度较低时,PMs浓度变化趋势较为平缓；随着气候条件的不同,PMs浓度变化特征较为复杂,整体而言降雨条件下大气颗粒物浓度较低,大雨、暴雨条件下PM10及PM2.5浓度均呈现为最低值,晴及多云气候条件下大气颗粒物浓度较高,进一步分析,不同气候条件给PM10及PM2.5带来的影响也不一样,变现出的特点应与气候变化特征有关。

图2 不同月份大气颗粒物浓度的日变化特征

图3 不同季节大气颗粒物浓度的日变化特征

图4 不同月份大气颗粒物浓度的日变化特征

图5 不同污染情况下大气颗粒物浓度的日变化特征

3.4 PMs与其它污染物及气象因子相关性分析

大气颗粒物浓度高低不仅和颗粒物本身的性质、距离城区距离及地形有关,同时会被气象因子等因素所影响,检验过程中对大气颗粒物浓度及气象因子进行(包括AQI,SO2,NO2,CO,O3,风速、温度、相对湿度)相关性分析。如表2所示,在测量的各环境因子里,影响大气颗粒物的为风速、湿度和温度。其中,湿度对不同粒径颗粒物(PM10,PM2.5)表现为显著或极显著正相关；风速和温度对大气颗粒物浓度表现为极显著负相关。

其它大气污染物浓度及AQI指数与大气颗粒物浓度均成极显著正相关,表明大气颗粒物浓度与其它污染物具有很强的相关性,对于减小大气颗粒物浓度应从减少各类大气污染物着手。研究结果基本和前人研究相同,而O3浓度和大气颗粒物浓度表现为显著正相关,这和相关研究结果有差异。O3为次生污染物,由NOx,SOx等在强烈的光化学反应后形成,而前人研究表明[7],O3浓度在夏季较高,春冬季较低。本研究以每小时平均数据作为分析对象,相较于前人以8小时平均浓度进行计算可能有一定差异,且福建等南方地区,四季阳光照射性均较强,因此研究结果可能与在北方进行的研究有所差异。

表2 气象因子其它污染物浓度与大气颗粒物浓度的相关性Tab.2 Correlation coefficients of PMs and meteorological factors and other pollutants

4 结论与讨论

1) 对清源山的研究结果显示,整体大气颗粒物浓度除春冬季低于II级排放标准,其余季节各时间段皆低于国家I级排放标准,表明清源山空气质量较高。从2000年以来对清源山的研究数据表明此次试验和前人研究结果较为吻合,且研究显示,清源山PMs浓度变化存在显著的季节变化规律,春冬季较高,夏秋较低,且不同气候条件下、不同月份等其日变化特征不尽相同。傅伟聪[19]对2013年冬季福州市3个典型游憩地大气颗粒物浓度的结果显示,11个监测点PM10及PM2.5日均浓度处于我国I级与II级排放标准之间,与此研究结果相近。

2) 气象因子及其它污染物浓度对PMs具有较强相关性。当风速越小、湿度越大时,PM10浓度越高；温度越低、湿度越大,则PM2.5浓度越高。相关调查结果显示,PMs浓度和温度、风速表现为负相关,而和相对湿度表现为正相关,这和此次试验结果较为吻合,但温度对PM2.5呈负相关和前人研究存在差异,应该与清源山景区PMs处于较低水平有关[19-22]。Wang等研究结果证明PMs浓度与其它污染物呈正显著相关[23]。Ji等研究了北方城市PMs同其它污染物的关系,也得出相同结果,但Ji等[24]发现,O3的变化规律同其它污染物浓度存在明显差异,且O3与PMs相关性较低。结合此次研究结果,不同影响因子对PMs浓度影响也不一样；同一影响因子和不同粒径PMs浓度相关性也有一定差异。

3) 植被对大气颗粒物浓度变化影响较大。研究显示,植被可以有效减小大气颗粒物浓度,尤其是降低大粒径(PM10)颗粒物浓度方面,效果更加显著。清源山林木花草较多,造就了多层次交错空间绿化格局,植被配置模式的不同对大气颗粒物的降低效果也不相同。研究结果表明,绿化结构对PMs浓度具有较大影响,绿化带的降尘作用主要与其密度、结构和宽度有关,建议在植物配置上,组成合理的复层结构绿地,对于降尘、滞尘、减少二次扬尘等方面效果显著。在进行绿化建设上,应注意：a.植物配置层次合理性,乔、灌、藤本、草本等植物的合理配置；b.植被密度分配的合理性,在污染源应适当种植叶片浓密的植物,在密闭及较易进行污染物存留的地点应适当减低种植密度；c.考虑游憩、观赏及康健之间的关系,在植物与环境构建中寻找切合点。因此,对城郊山体等游憩地进行合理设计,优化绿地复层立体绿化模式对于改善空气质量,将得到良好的效果。

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