泰山景区不同林型空气颗粒物浓度研究

张刘东，郭建曜，万家隆，付德刚，高 晴，申卫星，张义坤，李传荣

（1山东省林业保护和发展服务中心，济南 250000；2山东农业大学林学院/山东泰山森林生态系统国家定位观测研究站/黄河下游森林培育国家林业和草原局重点实验室，山东泰安 271018；3泰安市泰山风景名胜区管理委员会，山东泰安 271018）

0 引言

随着经济的快速发展，大量有害颗粒物不断排放到空气中，空气污染日益严重[1]。空气颗粒物是均匀地分散在空气中的固态或液态颗粒状物质的总称，是导致空气污染的主要污染物。研究表明，空气颗粒物是导致空气雾霾污染的罪魁祸首，可诱发多种疾病[2-5]，同时可以作为部分流行病毒的潜在传播载体[6]。空气颗粒物的浓度高低，已成为衡量空气环境质量的重要指标。

城市绿地面积不断缩减[7-8]、生物多样性降低等问题使生态系统服务功能不能满足人们的日常需求[9-10]，越来越多的人处于亚健康的状态[11]，空气质量较高的森林旅游区逐步成为人们开展游憩活动、缓解身心压力的重要场所。

泰山风景名胜区（以下简称泰山景区）作为国家重点风景名胜区，具有丰富的森林资源条件，每年吸引众多游客。目前以泰山景区不同类型游憩林为对象的相关研究主要集中在景观质量评价等方面[12-13]，不同林型对空气颗粒的影响尚不清楚。本研究以泰山桃花源景区常见的不同游憩林作为试验对象，以林外景区公路作为对照，探究评价游憩林内空气颗粒物浓度水平，旨在为景区森林旅游资源开发工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点设在泰山景区内(36°05'—36°30'N，116°50'—117°24'E)。泰山主峰海拔1532.7 m，与其山前平原相对高差超过1300 m，泰山景区属于暖温带季风气候，山下和山顶的1月平均气温分别为-3℃和-9℃，7月平均气温分别为26℃和18℃；年均降水量山顶为1132 mm，山下722.6 mm，平均无霜期186～196天。泰山母岩以花岗岩、片麻岩及过渡性岩石为主，土壤以粗骨棕壤、普通棕壤为主。目前植被覆盖率达91.5%，森林覆盖率达81.5%，林下主要分布有胡枝子(Lespedeza davurica)、荆条 (Vitex negundo)、马唐 (Digitaria sanguinalis)、白莲蒿 (Artemisia sacrorum)、伏地卷柏(Selaginella nipponica)等植被。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 在泰山景区桃花源地区，选取常见的油松(Pinus tabulaeformis)纯林、刺槐(Robinia pseudoacacia)纯林和以桃(Amygdalus persica)、板栗(Castanea mollissima)为主的经济林（取其均值）作为研究对象，在每个样地中，设置30 m×30 m的标准地，调查样地内所有树高、胸径、郁闭度等，每个标准地中均匀布设9个10 m×10 m的小样方，在小样方内选取中心位置作为观测点，在景区公路处选择一观测点(CK)进行对照观测。样地概况如表1所示。

表1 样地概况

1.2.2 监测内容与指标 试验于2020年8月16—18日8:00—18:00时间段内，在刺槐纯林、油松纯林、以桃和板栗为主的经济林和林外景区公路内进行。采用美国生产的Kestrel4000便携式手持气象站测定空气温度、相对湿度和风速；采用英国TurnKey公司生产的便携式Dustmate粉尘仪测定TSP、PM10、PM2.5、PM1颗粒物浓度。

试验中将监测仪器置于每个小样方的中间位置，监测点高度取人的呼吸平均高度1.5 m。每个样地每个时间段连续测量3次求平均值，每小时测定一次，不同林分内同时进行。颗粒物测量结果依2016年实施的中华人民共和国《空气质量标准(GB 3095—2012)》对空气中的PM10、PM2.5进行评价，并计算各林型的颗粒物削减率[14]，如式(1)。

式中，Y为颗粒物削减率，N为对照点空气颗粒物浓度，Ni为林内空气颗粒物浓度。

1.3 数据处理

采用SPSS 24.0进行数据标准化处理、统计、显著性检验、相关性分析，采用Excel 2019软件进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 空气颗粒物浓度日变化

如图1所示，4种粒径的颗粒物浓度随时间日变化趋势相似，但低谷出现的时间段有所不同。TSP浓度日变化曲线为先降低后升高的V型趋势，即自8:00开始缓慢下降，到9:00之后下降趋势更加明显，在13:00（道路和经济林）或是14:00（油松林和刺槐林）时达到低谷，之后缓慢回升，17:00—18:00上升趋势较为明显。PM10浓度日变化曲线与TSP相似，上午起始浓度高，之后逐渐下降，于13:00（道路、经济林和刺槐林）或14:00（油松林）处到达低谷，之后开始缓慢回升。PM2.5浓度日变化曲线亦为V型，均在15:00达到一天中的低谷。PM1浓度日变化曲线在14:00（道路和经济林）或是15:00（刺槐林和油松林）到达一天中的低谷。导致这种波峰波谷主要原因可能是8:00—9:00是游览车出行高峰期，同时空气湿度较大，导致颗粒物不容易扩散。随着温度的升高以及植物生理活动强度的增强，颗粒物浓度通过空气对流与植物吸滞逐渐降低，14:00左右到达白天低谷，之后由于温度的降低、游客们陆续离开，颗粒物浓度回升。

图1 不同粒径空气颗粒物日变化

样地之间的颗粒物浓度日变化特点不同，道路的日变化曲线明显高于游憩林的日变化曲线；经济林的日变化曲线在不同粒径中均高于刺槐纯林与油松纯林，且在PM2.5与PM1粒径上高于其他样地；刺槐林日变化曲线在不同粒径上均低于经济林高于油松林，在TSP以及PM10浓度上刺槐林与油松林变化曲线虽有差异但相差不大，在PM2.5与PM1粒径上刺槐林的颗粒物浓度高于油松林。样地的颗粒物浓度日变化不同，可能是由样地之间的总体滞尘能力不同导致的。

2.2 空气颗粒物比例日变化

如图2中所示，通过对比各样地不同粒径颗粒物浓度比发现，颗粒物所占比例大小与该林分的颗粒物浓度之间没有明显的相关性，不同林分之间的颗粒物所占比例无显著性差异。其中，PM10所占的比例最高，为50.17%～47.38%；PM2.5所占比例最低，为34.97%～30.23%；PM1与PM2.5差异不大，为35.86%～33.45%。总体而言，几种游憩林空气环境中的颗粒物粒径以2.5～10 μm之间的可吸入颗粒物为主。

图2 小粒径颗粒物所占比例日变化

各样地不同粒径颗粒物比例日变化趋势，在整体上表现为上午高、下午低的V型曲线，与颗粒物浓度的变化趋势大体相近。PM10所占比例日变化在12:00—14:00处于低谷，与其浓度日变化低谷出现的时段一致；PM2.5所占比例日变化无明显谷值，与其浓度的日变化相关性不大；PM1所占比例日变化在14:00—16:00最低，与其浓度日变化低谷出现的时间基本一致。结合各样地不同粒径颗粒物比例日变化趋势发现，游憩林小粒径颗粒物含量较低时段为14:00—16:00。

2.3 空气颗粒物总体特征

各样地空气颗粒物日均值及其差异如表2所示，不同样地在TSP、PM10、PM2.5、PM14种不同粒径水平上均存在显著性差异。TSP日均浓度各样地均显著低于对照道路(P＜0.05)，油松林TSP日均浓度最低，较道路降低20.99%；刺槐林TSP日均浓度略低于油松林，与景区道路相比显著降低18.27%(P＜0.05)；经济林TSP浓度显著高于油松林与刺槐林，与道路林相比显著降低12.08%(P＜0.05)。PM10日均浓度各样地显著低于道路(P＜0.05)，其中油松林日均浓度最低，降低值为道路的21.51%；刺槐林浓度降低为道路的14.13%(P＜0.05)。PM2.5浓度经济林与道路差异不显著，刺槐林与油松林显著低于道路；油松林显著低于刺槐林(P＜0.05)。PM1日均浓度差异与PM2.5相似，其中油松PM1日均浓度显著低于其他林分，降低为道路的32.17%。整体上，各林分对于不同粒径颗粒物削减率（图3）表现为油松林＞刺槐林＞经济林，随着粒径变小，油松净化能力比其他林分强。

表2 各样地颗粒物浓度日均值及小粒径颗粒物所占比例 μg/cm3

图3 不同林型对各颗粒物削减率

2.4 空气颗粒物与气候因子相关性分析

由表3可知，小气候各因子之间，温度与相对湿度呈负相关、风速与温度呈正相关、风速与湿度呈负相关。各粒径颗粒物之间呈显著正相关。颗粒物与小气候因子之间，各粒径颗粒物均与温度显著负相关，原因可能是空气温度的升高加剧了分子活动，导致对流活动的产生，将积蓄的颗粒物扩散、输出，进而降低颗粒物浓度。空气颗粒物浓度与空气相对湿度呈正相关，原因可能为空气湿度越高空气中的水分越多，颗粒物会作为凝结核与水汽相互吸附[15]，阻隔其扩散。颗粒物浓度与风速显著负相关，风是影响污染物扩散的重要动力因子，其颗粒物浓度直观反映了空气对流运动的强度，一定范围内，风速越大颗粒物越容易扩散[16]。

表3 不同粒径颗粒物浓度与气象因素Pearson相关性分析

3 结论

本研究结果表明，林分对空气颗粒物存在显著的阻遏效应，不同林型之间因植被类型的不同，阻遏效应存在差异性。林分内的颗粒物浓度受气候、植被、人类活动等因子共同作用，游憩时应注意避开车辆活动的高峰时期，在对泰山景区森林的建设管理工作中，应适当增加油松等常绿针叶树种所占的比例，以充分利用其较好的颗粒物阻隔能力。

4 讨论

泰山景区具有较高的植被覆盖率和森林覆盖率。丰富的森林植被吸滞空气颗粒物，使得景区内空气颗粒物水平常年处于较低浓度水平，空气颗粒物的主要输入源为游客的游憩活动以及车辆交通所带来的扬尘与尾气。通过观察各样地空气颗粒物日动态变化曲线，发现均为上午高、中午低谷、下午回升的V字曲线（图1），这与郭二果等[17]的研究结果一致。本研究中空气颗粒物浓度，在8:00开始降低，13:00—15:00出现低谷，之后缓慢回升（图1），这与游客日常前来游憩以及离开的时间段基本吻合，游客下午离园的时间大多分批次离开，较为分散，这可能是导致上午浓度高于下午的原因。同时，气候的变化也促进了这个趋势的产生，清晨温度低、湿度高，空气对流活动强度较弱，颗粒物与空气中的水汽结合，不易扩散，之后随着太阳辐射增强，空气温度升高、湿度降低，颗粒物在空气对流的作用下开始扩散，并在扩散过程中与森林植被频繁的接触，森林植被阻滞、吸附空气颗粒物的效率提高，空气颗粒物的浓度开始明显降低，并在14:00左右达到了白天中的低谷，之后随着气温的降低，对流运动强度减弱，空气颗粒物的浓度开始回升。

结合国家标准评测空气颗粒物浓度发现，景区各样地空气质量良好，全天监测时段内均处于国家二级标准以上，11:00—16:00各游憩林不同粒径颗粒物浓度均达到了国家一级标准以上，考虑到夏季炎热的气候，推荐游客在11:00—16:00时段内活动，避开8:00—11:00具有较高的空气颗粒物浓度以及中午炎热的时间段。

比对不同林分内空气颗粒物浓度分析各林分对空气颗粒物的净化效果，不同粒径颗粒物削减率表现为油松林＞刺槐林＞经济林，且林分环境对细颗粒物的净化效率要高于粗颗粒物。这与Tallis[18]、Lin[19]等的研究结果一致。林分环境中的空气颗粒物，大多是来自于外界输入，一定范围内，郁闭度越大的林分，在外界颗粒物输入时，阻滞作用越发明显，因而导致不同林分环境内的颗粒物浓度出现差异。不同树种之间滞尘能力也有所不同，油松林与刺槐林郁闭度差异不大，但是相比于刺槐，油松作为针叶植物拥有更加复杂的枝叶空间分布结构[17]，且其叶片表面纹理成波浪形，纹理之间常分泌油脂[20]，独特的结构优势保证了油松能够更加有效地捕获空气中的颗粒物并牢牢地吸滞在叶片上，有效地降低林内的空气颗粒物浓度。林分的吸滞作用在颗粒物不同粒径尺度上也存在差异[21]，相比于细颗粒物，质量较大的粗颗粒物更加难以被树木的枝干以及叶片所捕捉，捕捉之后也更加容易在气象扰动之下脱离，这一点在作为针叶树种的油松上体现的格外明显，其在PM2.5及PM1粒径上的颗粒物净化率显著的优于其在TSP、PM10粒径上的净化率。

通过对不同粒径颗粒物浓度与小气候相关性分析发现，颗粒物浓度与温度呈显著负相关，与湿度呈正相关，与风速呈显著负相关，这与古琳[22]和杜万光[23]等的研究结果一致。温度、相对湿度等气候因素的变化影响了颗粒物的扩散，导致颗粒物的浓度上升或是下降，但是这种影响不是绝对的，要限定在一定的范围内。气候因素与颗粒物浓度的相关关系存在着一定的阈值[24]，气候因素在不同的范围内与空气颗粒物的相关关系仍需进一步研究。