植物群落不同垂直高度对PM2.5浓度的影响

www.w66.com-休闲娱乐网站 /2019-07-12来源:《林业知识服务》微信公众号
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  摘要:为探究冬、春两季不同植物群落的不同垂直高度处PM2.5浓度的变化,运用垂直梯度法对北京奥林匹克森林公园碳通量塔、鹫峰国家森林公园气象观测塔及对照点(北京林业大学校内)共3处样地进行研究。结果表明:春季样地的PM2.5浓度值呈现为冠层以上(塔上部,12 m处)>冠层(塔中部,9 m处)>冠层以下、地面以上(塔下部);PM2.5浓度日变化基本呈现06∶00—10∶00早上高峰,10∶00—14∶00降低,18∶00—22∶00又呈现出升高的“倒N”型的变化规律;鹫峰国家森林公园气象观测塔3层PM2.5浓度值表现为塔上层>塔中层>塔下层;3处地点同一高度处的PM2.5浓度值表现为北京林业大学>奥林匹克森林公园>鹫峰国家森林公园;3处地点的PM2.5值为冬季>春季。
  关键词:PM2.5,质量浓度,垂直梯度法,植物群落

 

  PM2.5是指空气动力学直径≤2.5 μm的颗粒物。PM2.5粒径极小,拥有很大的比表面积,很利于吸附大量有害的物质,从而成为各种污染物的反应和积累场所,比如多环芳烃,重金属等。PM2.5进入肺中沾附在细胞表面,通过交换损害人类健康。PM2.5分为一次和二次来源,一次来源主要是化石燃料燃烧、生物质燃料燃烧、道路扬尘、风沙等,二次来源主要是空气中的气体物质,比如硫氧化物、氮氧化物经过一系列反应形成的颗粒物。
  空气质量是人们在生活中感受最直接的环境要素,改善空气质量可以提高人们的幸福感和获得感。近年来,有关植物群落对空气质量的调节作用越来越受到科研工作者的关注。植物在生态调节中发挥着重要作用,其在空气污染防治上首先被科研工作者视为可能降低PM2.5浓度的有效途径。2010年,日本学者Matsuda K等研究发现日本夏季森林植物群落对PM2.5有明显的沉降作用,同样的结果在日本、中国、泰国、挪威等国家均有发现。不只是木本植物对PM2.5有显著阻滞吸附作用,草地对颗粒物也有阻滞作用。Myles L T等在美国进行实验证明,草本植物对于SO2的干沉积有明显作用。关于植物群落在垂直梯度上对PM2.5浓度的影响鲜有报道,本文通过对PM2.5浓度在垂直梯度上的变化,可以说明不同高度的植物群落对PM2.5浓度的影响。
  1 研究地点与研究方法
  1.1 研究地概况
  本次研究地点为北京奥林匹克森林公园碳通量塔(40°01′39.9″N,116°23′51.4″E)、鹫峰国家森林公园气象观测塔(40°03′44.9″N,116°05′44.8″E)和北京林业大学校园内主楼(40°0′2.26″N,116°20′21.15″E)。北京奥林匹克森林公园被北京市五环路拦腰分为南园和北园两部分。奥林匹克森林公园碳通量塔位于北园,距五环路垂直距离大约1 000 m,代表城市林地。鹫峰国家森林公园气象观测塔在北京市首都圈生态研究定位站的侧柏林中,代表郊区林地。对照点选取于北京林业大学主楼的3楼、4楼、5楼3个位置,对照无植被影响下的近地点PM2.5浓度的垂直分布情况。
  1.2 实验仪器
  本研究采用中流量颗粒物采样器(武汉天虹,TH-150C)和石英纤维滤纸(Munktell Filter,AB)采集各监测点PM2.5的质量。十万分之一天平(德国赛多利斯,BT125D)分别称量采样前后滤纸的质量。陶瓷纤维马弗炉(上海禾工,HG-10-4A)用于去除滤纸上的污染物。手持气象站(美国NK,kestrel4600)用于监测各点的风速、相对湿度和温度等信息。镊子、手套等用于称量、更换滤纸等实验环节。
  1.3 研究方法
  将石英纤维滤纸放在陶瓷纤维马弗炉中,设置600 ℃灼烧1 h,燃烧去掉滤纸上面粘附的有机物等污染物;冷却后将石英纤维滤纸放在恒温恒湿箱中处理24 h,称重后放在滤膜夹中备用,采样时将滤纸放入中流量颗粒物采样器中;采集完成后将滤纸再次放入恒温恒湿箱中处理24 h,然后称重。本文采用2011年国家环保部公布的行业标准《环境空气PM10和PM2.5的测定-重量法》(Determination of atmospheric articles PM10 and PM2.5 in ambient air by gravimetric method HJ 618-2011)采集大气颗粒物并分析质量浓度。分别于2016年2月(冬季)和5月(春季)采集空气中的PM2.5颗粒物。每季采集一周(7 d),每天分为06∶00—10∶00,10∶00—14∶00,14∶00—18∶00,18∶00—22∶00,22∶00—06∶00(翌日)共5个时间段,每个时间段连续采集4 h,每个时间段内去掉更换滤纸的时间,实际采集时间为3.5 h,采样器流量为100 L/min。观测日选择晴朗的静风或微风天气,排除风对颗粒物浓度的影响。
  2 结果与分析
  2.1 同一地点不同高度处PM2.5的浓度对比
  根据样地监测结果,春季鹫峰国家森林公园气象观测塔和奥林匹克森林公园碳通量塔的PM2.5浓度值呈现为冠层以上(塔上部,12 m处)>冠层(塔中部,9 m处)>冠层以下、地面以上(塔下部);PM2.5浓度日变化基本呈现出06∶00—10∶00的早上高峰,10∶00—14∶00降低,18∶00—22∶00又呈现出升高的“倒N型”的变化规律,上中下3层基本趋势一致。上班的早高峰出现在06∶00—10∶00,从而使这个时间段内的PM2.5浓度升高,但由于塔中和塔下的植物对PM2.5有阻滞作用,所以PM2.5浓度呈现出冠层以上高于冠层和冠层以下。大气颗粒物浓度的这种日变化规律与一天中气象条件和大气状态的变化有很大关系,白天14∶00—18∶00,太阳光照强、空气温度高、相对湿度比较小,空气之间的交换加强,有利于大气颗粒物的输送和扩散,从而使其浓度达到最低;与之相反,早上06∶00—10∶00,晚上18∶00—22∶00时间段内空气温度低、相对湿度大以及静风的气象条件,不利于大气颗粒物的扩散和输送,使其聚集增多,这两个时间段内大气层是一天中最稳定的。14∶00—18∶00大气混合层厚度最高,大气最不稳定,湍流和对流充分发展,扩散稀释能力强。刘旭辉等在对北京市公园植被对PM2.5的影响研究中,发现不同植被日变化呈现出一日双峰的趋势。
  鹫峰国家森林公园距离市区较远,远离PM2.5汽车排放源头,冠层以上的PM2.5监测点没有植物的影响而直接暴露在大气中,所显示的是相应高度的大气中PM25的浓度,冠层中部PM2.5浓度由于受到植物群落的影响,颗粒物撞击到植物叶片表面后,部分颗粒物可能会被粘附到叶片上,从而降低了大气中PM2.5的浓度。冠层下部的颗粒物是在冠层下方,同样受到了植物叶片的影响,所以呈现出冠中、下层低于上层的现象。
  冬季的奥林匹克森林公园的上中下3层的PM2.5浓度变化不是很明显,主要是因为这个季节的奥林匹克森林公园观测塔附近都是落叶树构成的植物群落,植物叶片很少,对PM2.5的浓度影响不大。对照冬季鹫峰国家森林公园3层的浓度变化,明显可以看出上层高于下层,从而验证了植物群落对PM2.5的影响是正相关。李仁娜在对北京市森林不同层次对PM2.5中水溶性离子的影响研究中发现,塔上>塔中>塔下,这与本文结果比较一致。
  2.2 不同地点同一高度处PM2.5的浓度对比
  在同样层次的不同地点,PM2.5的浓度均呈现出市区绿地高于郊区绿地的结果。主要是市区内污染物浓度高于郊区,而且郊区的绿地面积远大于市区,通过植物的阻滞作用有效降低了PM2.5的浓度。在3个地点同一高度的PM2.5监测处,PM2.5的浓度值表现为北京林业大学>奥林匹克森林公园>鹫峰国家森林公园。北京林业大学PM2.5的浓度最高是因为该地点紧邻清华东路交通主干道,PM2.5的主要来源是汽车尾气相对较多。北京林业大学监测点前方与清华东路之间有一个草坪,但是由于没有其他高大植物遮挡,PM2.5的浓度降低不是很明显。奥林匹克森林公园同一高度处PM2.5的浓度要低于北京林业大学对照点,该地点植物覆盖度较高,有稳定的植物群落结构,这说明植物群落对PM2.5的浓度有较明显的降低作用。陈俊刚等在北京市不同植被对PM2.5的影响中发现,不同层次的植被对于阻滞吸附颗粒物有明显差异,层次越复杂,滞尘效果越好。除地理位置因素外,由于鹫峰国家森林公园以针叶林为主,这也使得其PM2.5的浓度低于同是森林公园但以阔叶林为主的奥林匹克森林公园。
  2.3 不同季节PM2.5的浓度对比
  PM2.5主要来源于化石燃料燃烧等,因此PM2.5的浓度变化呈现出明显的季节性特征。实验表明,3处地点PM2.5的浓度值为冬季>春季。这是由于冬季供暖所用的化石燃料燃烧所致,除了交通源外,多了一个重要来源—采暖燃料燃烧,从而使PM2.5的浓度增大,PM2.5值升高。春季由于采暖季的结束,PM2.5的来源很大一部分减少,导致PM2.5的浓度降低,而且春季大量相对茂密的植物叶片对PM2.5起到阻滞吸附的作用,在一定程度上也降低了PM2.5的浓度。
  3 结论
  春季样地PM2.5的浓度值呈现为冠层以上(塔上部,12 m处)>冠层(塔中部,9 m处)>冠层以下、地面以上(塔下部);PM2.5的浓度日变化基本呈现出06∶00—10∶00的早上高峰,10∶00—14∶00降低,18∶00—22∶00又呈现出升高的“倒N”型的变化规律。在3个地点同一高度的监测处,PM2.5的浓度值表现为北京林业大学>奥林匹克森林公园>鹫峰国家森林公园。主要是市区内污染物浓度高于郊区,而且郊区的绿地面积远大于市区,通过植物的阻滞作用有效降低了PM2.5的浓度。
  3处地点的PM2.5浓度为冬季>春季。这是由于冬季供暖所用的化石燃料的燃烧所致。针叶林为主的鹫峰国家森林公园对PM2.5颗粒物的阻滞作用大于落叶阔叶林为主的奥林匹克森林公园,从植物群落对PM2.5的阻滞效果来看,针叶林的阻滞作用高于落叶阔叶林。
  本文主要是针对同一种植物构成的群落不同高度处对PM2.5的浓度影响,对于复层结构植物群落的不同高度处对PM2.5浓度的影响需要在后续研究中予以关注。对植物群落不同垂直高度对PM2.5颗粒物浓度的影响研究,可以为今后植物群落设计和构建提供有益指导。(于璐 邵峰)

 
  第一作者:于璐(1992- ),女,硕士生,研究方向为园林植物应用与园林生态。
  通信作者:邵锋(1979- ),男,博士生,副教授,硕士生导师,研究方向为园林植物应用与园林生态。