深圳夏季3种生境城市森林内臭氧浓度变化规律

段文军,王 成*,张 昶,宋 阳,郝泽周,徐心慧,金一博,王子研(1.中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木遗传育种重点实验室,北京 100091；2.国家林业局城市森林研究中心,北京100091)

深圳夏季3种生境城市森林内臭氧浓度变化规律

段文军1,2,王 成1,2*,张 昶1,2,宋 阳1,2,郝泽周1,2,徐心慧1,2,金一博1,2,王子研1,2(1.中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木遗传育种重点实验室,北京 100091；2.国家林业局城市森林研究中心,北京100091)

于2015年夏季对深圳园山山麓(Foothill)、河谷(River Valley)和山脊(Ridge)等3种典型生境城市森林内的臭氧浓度和气象因子进行昼夜24h同步监测,研究林内臭氧浓度的变化规律及影响因素.结果表明：深圳园山3种生境城市森林内臭氧浓度的小时均值和日最大8h均值都达到了国家一级标准(分别为160,100µg/m3);3个林地的臭氧浓度日均值都高于对照,且Ridge显著高于River Valley和Foothill;林内臭氧浓度的日变化都呈单峰曲线,表现为白天高,夜间低,在15：00～17：00达到最高,在5：00～7：00降到最低;3种林地的臭氧浓度都与温度极显著正相关,与湿度极显著负相关,此外Ridge的臭氧浓度还与风速极显著正相关.总之,深圳园山3种林分内的臭氧浓度符合人们进行森林游憩活动的空气质量要求,基于臭氧浓度,人们在5：00～7：00进行森林游憩最为适宜.

深圳；城市森林；生境；臭氧；气象因子

近年来,近地层臭氧已成为我国珠江三角洲、长江三角洲等经济发达地区的重要空气污染物,广州、深圳和上海等城市多次出现高浓度臭氧[1-5].长期暴露于地面高浓度的臭氧中对人体健康、树木和农作物等生长具有严重的危害,如引起呼吸道疾病、神经系统中毒、免疫力下降、胎儿畸形,提高发病率和死亡率,破坏植物叶绿素,伤害叶片膜系统,减少叶片数等[6-7].城市森林是城市中有生命的基础设施,其与城市居民的联系最为密切,因其具有净化空气等多种生态保健功能,已成为人们休闲游憩的重要场所,人们对林内空气环境质量的关注程度不断增加[8-9].

许多研究表明,树木冠层可以通过气孔和非气孔途径来吸收和去除臭氧,从而减少臭氧胁迫[10-14],但是也有部分研究指出城市树木释放的有机挥发物(BVOCs)可以增加城市的臭氧浓度,并建议在城市绿化中选择BVOCs释放率相对较低的树种[15-17].然而,目前的研究对象多以森林地区、城市树木单体为主,关于城市森林群落的研究较少;对冠层外大尺度的臭氧浓度监测较多,缺乏对冠层内人体呼吸高度(距地面1.5m处)的监测;关于臭氧对城市树木伤害效应的研究较多,未见从森林游憩空气环境质量角度出发的研究.

因此,本文选择夏季典型天气条件对深圳园山3种典型生境(山脊、河谷、山麓)城市森林内的臭氧浓度和气象因子进行昼夜24h同步监测,研究不同生境城市森林内臭氧浓度的变化特征及其与林内气象因子的关系,以期为城市森林营造、林内空气环境质量预报等提供理论依据,为深圳居民夏季森林游憩活动提供科学参考.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究地点位于深圳市龙岗区横岗东南部,占地面积达 10.9km2,主峰海拔 599m.该区属南亚热带季风气候,年均气温 23.0℃,年均日照时数 1837.6h,年均降水量 1935.8mm.长夏短冬,夏季长达6个多月(平均夏季长196d)且高温多雨.园山地貌类型以山地丘陵型为主,代表了深圳典型的自然地理特征.植物本底以天然常绿阔叶林为主,共有166科,581属,1013种,其中被子植物134科53属941种.由于其环境和地理优势,已成为深圳市民进行森林游憩和健身活动的重要场所.

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择及观测点设置 为提高研究代表性,本文对试验样地进行了严格筛选,各样地面积必须具有一定规模(不小于600m2),森林结构、树种组成和土壤状况尽可能接近,且坡度较缓,适合开展休闲游憩活动.通过查阅风景区图件资料并结合实地踏查筛选后,在园山主峰选择山麓、河谷和山脊等 3种典型生境类型的森林群落作为试验样地.为了使监测结果更能代表试验样地的平均状况,在每个试验样地按照林木平均高选择3棵标准木,并在其树冠下设置观测点,作为3个重复.为了对比不同生境类型森林群落对臭氧的作用,将横岗镇大康社区广场作为对照.各试验样地位置见图1.

图1 试验样地位置Fig.1 Locations of the three urban forests and control observation plots

1.2.2 样地概况 各样地森林群落特征调查参照《生态学实验》[18],采用样方法对各样地植被进行调查后,得到 3种生境类型城市森林群落的基本特征,结果见表1.

1.2.3 测试仪器 臭氧浓度使用 AeroQual Series 500臭氧监测仪(新西兰产,测定范围为0～0.5×10-6m,0～0.100×10-6m 范围内精度＜0.008× 10-6m,0.100～0.500×10-6m 范围内精度＜±0.01)进行测定;温度、相对湿度、风速、气压等指标测定采用 Kestrel 3500风速气象仪(美国产,风速监测精度范围为0.6～40m/s,温度(-29) ～(+70),相对湿度 5%～95%)进行测定;光照强度的测定采用TES-1332A 光照仪(台湾产,测定范围 0～2× 105Lx).

表1 3种生境城市森林的群落特征Table 1 Community characteristics of the three urban forests

1.2.4 观测方法 查阅深圳近3年来6～9月的气象资料,统计出现频率较多的天气类型.经统计共有雨202d,多云155d,晴8d,阴1d.根据以上天气情况统计并综合考虑观测可操作性和居民森林游憩情况,我们于2015年8、9月每月选取多云微风的3d,从每日9：00-次日9：00对3个林地及广场共12个观测点的臭氧浓度和气象因子进行昼夜24h同步监测,每2h监测一次.每个观测点设置观测人员2人(读数、记录各1人),共计24人.每个观测点每个时段连续读取6次数值(每2min读取一次),每次待仪器显示稳定后读取,每个观测点共获取臭氧浓度数值1296个.

为避免人为因素影响,监测仪器应与人体保持一定距离,并保证每次观测都为定点定人.为了更加真实地反映林内臭氧浓度对人体健康的影响,采样高度设置为距离地面1.5m处(人体呼吸高度).

根据环保部修订的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)[19],本文中臭氧浓度用质量浓度表示,并以每日小时浓度和最大 8h(11：00～18：59)浓度均值评价林内空气环境质量.观测期间深圳市区臭氧浓度背景值数据来源于当日深圳市空气质量日报(由深圳市气象台和深圳市环境监测中心站联合发布).

1.2.5 数据分析 采用Microsoft Excel 2013、 SPSS 21.0对试验数据进行整理,利用Origin 9.0软件进行图表制作.采用ANOVA单因素方差结合 Duncan新复极差法对组间差异进行比较,结果用“Mean ± SD”表示.

2 结果与讨论

2.1 不同生境城市森林内臭氧浓度的总体特征如图2所示,与广场和深圳市相比较,山麓、河谷和山脊的臭氧浓度均表现为增加,但其增幅存在差异.其中以山脊的为最大,比广场和深圳市分别增加了94.69%和107.68%;其次为河谷,分别增加了 38.91%和 48.18%;山麓的最小,增加了30.76%和39.49%.而从不同生境森林的具体差异来看,方差分析和多重比较结果表明：各组间臭氧浓度日均值的差异都达到极显著水平(P＜0.001).3个林地的臭氧日均浓度都显著大于广场和深圳市,山脊的臭氧浓度极显著大于河谷和山麓,而河谷与山麓间的差异并不显著.由此可见,夏季 3种生境城市森林的臭氧日均浓度都明显高于对照和深圳市,分析形成这种现象的原因,可能主要有两个：一是外界输入森林中的臭氧在森林中不易消散,臭氧在森林中出现了累积;二是森林环境本身也产生了臭氧,造成与外界输入臭氧的叠加,浓度偏高.具体原因还需要深入研究,但无论哪种原因,不同生境城市森林中臭氧的累积都高于城区.3种林分中Ridge的臭氧浓度最高,一方面可能是其海拔较高,林分郁闭度较小,林内光照强度相对较大,臭氧的光化学生成较强;另一方面可能是由于林内外的温差较大,湍流活动较强,外源臭氧的垂直和水平输送以及前体物往林内的搬运也更多.而河谷和山麓的海拔相对较低,林内光强较弱,臭氧的光化学生成相对较少;另外其湿度相对较大,OH较Ridge更多,其与NO2的反应使臭氧的光化学生成减少[20],大量的水汽也可以对林内的光照发生散射来减少臭氧光化学生成[21].

图2 各样地内臭氧浓度的日均值Fig.2 Daily mean value of ozone concentration in each observation plot

对夏季东亚、欧美等地区臭氧浓度的研究发现,乡村、郊区等空气相对清洁地区,其臭氧浓度反而高于城区,导致这些乡村地区形成高浓度臭氧的主要原因可能是该地区植物种类和数量较多,释放了大量的 BVOCs(主要是异戊二烯和单萜类)等臭氧前体物[22-25].杨棠武等[26]对南京城区森林和乡村森林臭氧浓度的研究也指出,乡村森林在全年大部分时间高于城区,形成这种现象的原因可能是城区臭氧前体物向乡村扩散并逐渐反应积累,也可能是乡村采样点的光照辐射高于城市,臭氧光化学生成较多.本文森林样点所测光照强度明显低于城区,这与杨棠武的观测结果不同,可能是由于本文所选观测点都位于郁闭度较高的林内而后者的观测点位于空地.但总体上来说,本研究中 3种城市森林内的臭氧浓度也都高于城区,这与上述研究结果大体相符,这可能是因为林内臭氧浓度是由其前体物浓度、不同类型前体物间的比例、光照强度及扩散程度等多种因素共同作用的结果.

2.2 不同生境城市森林内臭氧浓度的日变化特征

不同生境城市森林内臭氧浓度的日变化曲线都呈单峰型,但各曲线的变化幅度不同(图 3).其中山脊的变幅较为剧烈,达70.93 µg/m3,而河谷和山麓的变幅较为平缓,分别是 27.54和29.54µg/m3.臭氧浓度在 15：00～17：00达到高峰,在 5：00～7：00降到最低.形成这种日变化规律的原因可能是白天随着光照强度增加,林内温度不断升高,异戊二烯等植物有机挥发物的释放量增多[27],臭氧的光化学生成不断增加,但与此同时,叶片气孔对臭氧的吸收能力也不断增强[28],当中午 13：00左右光照和温度达到最高时,臭氧生成最多,同时部分植物气孔关闭,对臭氧的吸收减少,臭氧不断积累并在 15：00左右达到最大,之后光照强度逐渐减弱,温度降低,夜间随着气孔吸收、土壤微生物活动释放的 NO 滴定作用[29-30]以及地面沉降增加,臭氧浓度逐渐降低,在日出前5：00～7：00降到最低.这与白建辉等[31]、孟祥谦等[32]的研究结果基本一致,与深圳市区的研究也大体相符[3].余应新等[33]对广州森林空气中VOCs昼夜变化特征和臭氧关系的研究也验证了上述结果,即白天林中以活性较高的烯烃(异戊二烯)和萜类为主,而晚上主要是活性较低的烷烃和芳香烃,这也引起了臭氧浓度的日变化.苏彬彬[34]对华东武夷山区森林的研究结果与本文不同,白天出现最低值,而夜间 20：00～22：00达到最高,并指出光化学反应并不是该地区臭氧浓度增加的主要因素,其日变化主要是由昼夜交替引起气象因子的变化所致.此外臭氧浓度还表现出明显的季节变化特征,这可能与森林群落树种组成、森林所处背景环境、气团输送和环流等影响有关.因此,造成不同林分臭氧浓度变化规律的具体机理尚不明确,有待于进一步研究.

3种林地全天大部分时间段的臭氧浓度都要高于广场,同时山脊各时间段的臭氧浓度都极显著高于山麓、河谷(除7：00外),在中午13：00,其与山麓、河谷和广场的臭氧浓度差值达到最大,分别为49.78,44.22,50µg/m3;各样地间臭氧浓度差值在早晨 7：00最小.另外,各样地臭氧浓度的昼夜差值也存在差异,最大的为广场的16.14µg/m3;其次为山脊(10.35µg/m3)、河谷(7.21µg/m3);山麓的最小(1.91µg/m3).臭氧浓度昼夜差值可以在一定程度上反应森林对其消减作用,3种城市森林臭氧浓度的昼夜差值都小于广场,说明其对臭氧都有一定的消减作用,可能是植物的气孔吸收作用所致[13-14,35],也可能与森林复杂的植物组成有关,很多植物具有吸收臭氧的功能,使森林整体的臭氧浓度处在一个相对平缓变化的状态.

图3 各样地臭氧浓度的小时均值Fig.3 Hourly mean value of ozone concentration in each observation plot

臭氧日最大 8h(11：00～18：59)均值由高到低为山脊[(88.83±13.40)µg/m3]＞河谷[(55.94±4.80) µg/m3]＞山麓[(53.66±6.34)µg/m3]＞广场[(50.95± 8.02)µg/m3].方差分析结果表明各组间差异达到极显著水平(P＜0.001).参照《环境空气质量标准》(GB3095-2012),3个林地的小时浓度均值和日最大 8h均值都达到国家一级标准(分别为160µg/m3和 100µg/m3),这说明尽管林内臭氧浓度高于城区,但仍达到了我国风景区等空气清洁地区的水平,符合人们进行森林游憩活动的空气环境质量要求.然而今后在休闲保健林营造时仍应考虑森林对臭氧的作用,适当选择臭氧吸收能力较强和异戊二烯释放率较低的树种.

2.3 不同生境城市森林内各气象因子的差异

3种生境城市森林内气温、相对湿度和光照强度都表现为相同的日变化趋势,其中气温和光照强度都表现为单峰变化,而相对湿度则均呈单谷变化(图 4).相较于广场,3个林地的气温日均值降低了3.41,3.3和3.19℃,光照强度分别降低了27734,27719和27441Lx,而相对湿度则分别增加了16.66%,17.99%和12.57%.3种林地间全天的气温都相近;山脊全天的相对湿度都低于山麓和河谷;而光照强度则高于山麓和河谷.3个林地的平均和最大风速没有明显的日变化规律,且山脊的小时均值全天大部分时段都要高于山麓和河谷.

方差分析和多重比较结果显示：3种森林的温度和光照强度的日均值均极显著低于广场;相对湿度都极显著高于广场;山脊和广场的平均风速和最大风速均极显著大于山麓和河谷.由上述分析可见,3种森林都具有明显的降温增湿功能,在夏季为人们提供了相对舒适的气候环境.

图4 各样地内气象因子的小时均值Fig.4 Hourly mean value of meteorological factors in each plot山麓 河谷 山脊 广场

2.4 不同生境城市森林内臭氧浓度与气象因子的关系

将 3种林地内臭氧浓度的各小时均值与气象因子作相关分析,结果见表2. 3个林地的臭氧浓度与气温都呈极显著正相关,相关系数分别为0.758,0.758和0.783;与相对湿度则都表现为极显著负相关,相关系数分别为-0.827,-0.783和-0.763;而与林内光照强度、气压的相关性都不显著.与山麓和河谷不同,山脊的臭氧浓度与平均风速和最大风速也呈极显著正相关.

表2 各样地臭氧浓度与气象因素的相关系数Table 2 Correlation coefficients of ozone concentration and meteorological factors in each plot

在一定范围内,随着温度的升高,鹅掌柴、香樟等阔叶树种 BVOCs的释放速率加快,臭氧光化学形成增多,而湿度越大OH越多,对臭氧的化学消耗也越大,同时湿度的增大还可以减弱林内的太阳有效辐射,减少臭氧的光化学生成,此外温度和湿度还可以影响森林对臭氧的土壤沉降[36-38].3种生境城市森林内全天的臭氧浓度都随着温度和相对湿度的变化而变化,这与部分城市污染区和上甸子本底站等清洁区的研究结果相似[39-41],但与华东高山背景森林区的研究不一致[34].造成这种差异的原因一方面可能是森林与城市的距离不同,受到城市大环境的影响程度不同,另一方面可能是城市森林夏季受温度、水分等逆境胁迫相对于森林背景区更为严重,植物可以释放BVOCs来抵御这些胁迫同时增加臭氧生成,因此臭氧浓度与温度、湿度等气象因素密切相关.

一定范围内风速的增大有利于前体物的搬运[37],臭氧的生成增多.结合图 2可以发现,山麓和河谷的平均风速和最大风速全天大部分时间段都小于0.5m/s,对BVOCs、NOx等前体物的搬运作用较弱,臭氧浓度全天的变化较为平缓,因此其臭氧浓度与风速的相关性不显著,而山脊的风速全天大部分时间段都处于0.5m/s～2m/s,可能是该范围内风速越大,前体物的搬运越多,臭氧生成较多.因此,今后在城市森林营造时,应根据生境类型设置树种组成、林分密度等,以调节林内气象因子,降低林内臭氧浓度.

3 结论

3.1 深圳园山所测的3种生境城市森林的臭氧浓度小时均值和日最大8h均值都达到了一类环境功能区质量要求(160µg/m3,100µg/m3),达标率分别超过33%和15%,符合人们森林游憩活动的空气环境质量要求.

3.2 夏季3种生境城市森林内的臭氧日均浓度都高于城区对照,升高了 30%以上;3种林分中,山脊的臭氧日均浓度最高,其次为河谷,山麓的最低.

3.3 3种林分臭氧浓度的日变化总体表现为单峰型,且白天高于夜间,在 15：00-17：00达到高峰,5：00-7：00处于全天最低.从臭氧浓度考虑, 深圳居民选择在上午 7点前赴园山进行森林游憩最为适宜.

3.4 在一定范围内,林内臭氧浓度随温度升高而增大,随相对湿度增加而减小,林内温度、湿度等气象因子的昼夜交替可以引起臭氧浓度的日变化;不同林分间各气象因子的差异也可导致其臭氧浓度的不同.

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Variation of ozone concentrations in three urban forests under different habitats of Shenzhen in summer.

DUANWen-jun1,2, WANG Cheng1,2*, ZHANG Chang1,2, SONG Yang1,2, HAO Ze-zhou1,2, XU Xin-hui1,2, JIN Yi-bo1,2, WANG Zi-yan1,2(1.Research Institute of Forestry of Chinese Academy of Forestry, State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding; State Forestry Administration, Beijing 100091, China；2.Research Center of Urban Forest, State Forestry Administration Beijing 100091, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2064～2071

The ozone concentration of 3 typical urban forests growing at foothill, river valley and ridge of Yuanshan Park in Shenzhen were observed for 24 hours in the summer of 2015. At the same time, the meteorological factors were also observed as influencing factors. Our results showed that: The mean value of hourly and 8h maximum ozone concentration in 3 forests were all achieved the primary standard of national air quality standards (160 and 100 µg/m3, respectively). The daily average ozone concentration in 3 forests were all higher than the control with the highest value observed at the ridge. The daily variation of ozone concentration in 3forests all exhibited a single peak curve, with the highest concentration occurring in 15:00～17:00pm, whereas the lowest occurring in 5:00～7:00am. The ozone concentration in each forest was positively related with the temperature and negatively with the relative humidity. Moreover, a positive correlation was noted between the ozone concentration and the wind velocity at the ridge. In conclusion, the air quality in 3urban forests of Yuanshan Park in Shenzhen is consistent with the air quality requirements of forest recreation activities, and the proper time according to the status of ozone is from 5:00 to 7:00 am in summer.

Shenzhen；urban forest；habitat；ozone；meteorological factors

X515

A

1000-6923(2017)06-2064-08

段文军(1987-),男,汉族,内蒙古乌兰察布人,博士研究生,主要从事城市森林与居民健康研究.发表论文10余篇.

2016-10-17

国家科技支撑计划(2015BAD07B06);林业公益性行业科研专项经费项目(201404301)

* 责任作者, 研究员, wch8361@163.com