王敏華,傅偉聰,黃淑萍,朱志鵬,陳梓茹,董建文

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院&園林學(xué)院,福州 350002；2.國家林業(yè)局森林公園工程技術(shù)研究中心,福州 350002)

隨著城市化、工業(yè)化和人為活動的迅速增加,大氣環(huán)境質(zhì)量面臨嚴峻的挑戰(zhàn),特別是在20世紀后半葉,世界許多大城市正面臨嚴重的空氣質(zhì)量問題[1],大氣顆粒物濃度對大氣能見度,降水和空氣質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[2]。10μm以下的大氣顆粒物能夠吸附有毒物質(zhì),且會經(jīng)由呼吸系統(tǒng)進到人體內(nèi)進而沉積于肺中,導(dǎo)致各種呼吸和心血管疾病[3-6]。近年來,大氣顆粒物 (PMs)有PM2.5(細顆粒物：顆粒物直徑≤ 2.5μm),PM10(顆粒物直徑≤ 10μm)等組成,由于它們對人體健康、大氣環(huán)境、大氣能見度存在較大影響而得到廣泛研究[7-10]。

經(jīng)濟的發(fā)展使得居民生活質(zhì)量得到提升,對于自然的向往、親近的愿望越發(fā)迫切[11]。以生態(tài)保健為目的的健康出行已成為國民出行的主要目的。城郊游憩林地以優(yōu)美的自然景觀、清新的空氣和舒適的環(huán)境為主體,正成為人們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氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、評價、分析顯得尤為重要。而對景區(qū)的研究,前人主要集中于美景度評價、游覽目的分析、景觀資源定義等,較少學(xué)者對景區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量進行系統(tǒng)的評價分析。清源山為泉州的十八景之一,位于泉州市區(qū)北側(cè),是居民、游客健康出行的主要場所。選擇清源山作為東南沿海丘陵區(qū)典型研究地,不僅能為清源山的管理、游覽提供數(shù)據(jù)參考,對于東南地區(qū)城郊游憩型山體的構(gòu)建與管理也具有借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

清源山地處泉州市北面,坐標(biāo)范圍為24°54′～25°0′N,118°30′～118°37′E,與泉州市區(qū)3面相接,又名“泉山”、“齊云山”,整個景區(qū)由清源山、九日山、靈山圣墓3大區(qū)域組成,總面積62km2,主峰海拔498m,與泉州市區(qū)形成“山城相依”態(tài)勢,吸引了眾多的海外游客,也是市民游覽鍛煉的主要目的地[14-16]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)及大氣污染物(PM10,PM2.5,SO2,NO2,CO,O3)濃度數(shù)據(jù)來自環(huán)境保護部網(wǎng)站；氣象數(shù)據(jù)(溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、露點溫度等)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。觀測站點設(shè)置于清源山內(nèi),氣象數(shù)據(jù)及大氣污染物濃度數(shù)據(jù)監(jiān)測間隔為1h/次,且觀測站點和氣象監(jiān)測站間的距離均在80km之內(nèi),符合氣象觀測的空間代表性原則[17]。

2.2 統(tǒng)計分析

采用了5種統(tǒng)計分析方法：1) 統(tǒng)計分析大氣顆粒物,其它大氣污染物濃度和氣象因子年變化規(guī)律；2) 分析不同氣象條件、不同年份、不同季度及每個月的日變化規(guī)律；3)計算不同季節(jié)PM2.5,PM10比率；4)運用SPSS 19.0軟件計算大氣顆粒物濃度和大氣污染物及氣象因子相關(guān)性。使用SPSS 19.00與Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理分析；Excel 2010與Origin 9.0進行圖像處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)年變化概述

大氣污染物和氣象因子年平均濃度及其標(biāo)準差、最小值、中位數(shù)、最大值如表1所示。清源山年平均AQI指數(shù)為40.56符合空氣環(huán)境質(zhì)量Ι級標(biāo)準,PM10,PM2.5均略微超出國家一級標(biāo)準,但處于二級標(biāo)準以內(nèi)。依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準[18]其它污染物年均值：SO2,NO2,CO,O3濃度均處于環(huán)境質(zhì)量Ι級標(biāo)準之內(nèi),表明清源山空氣質(zhì)量處于較高水平。從氣象因子看,監(jiān)測期間年均溫度為22.46℃,相對濕度為78.00%,屬于典型的中南亞熱帶氣候,加上典型的地理位置及地勢條件,其年均風(fēng)速較高達3.38m/s,對大氣污染物有一定擴散作用。

3.2 PMs年變化規(guī)律分析

大氣污染物濃度年變化規(guī)律如圖1所示。PM10與PM2.5年均濃度分別為40.14,21.66μg/m3,依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準[18]略微超出環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(PM10,40μg/m3；PM2.5,15μg/m3),表明清源山空氣環(huán)境質(zhì)量處于較高水平。冬季大氣顆粒物濃度值最高,夏季濃度值最低,年變化規(guī)律呈春冬高,夏秋低的變化規(guī)律。進一步觀察可知,大氣顆粒物濃度在7月份呈現(xiàn)最低值,而于4月份出現(xiàn)最高值,這應(yīng)與4月處于南風(fēng)天,空氣較為溫暖濕潤,且植物正處于萌動階段對大氣污染物吸收能力較低有關(guān)；而所有大氣污染物濃度在7月出現(xiàn)月最低值,可能與當(dāng)月多雨、氣溫較高有關(guān),且臺風(fēng)天氣在此期間頻繁出現(xiàn)也是導(dǎo)致大氣污染物濃度降低的主要原因。

注：數(shù)據(jù)監(jiān)測時間為2015年1月1日至2016年12月31日。

圖1 清源山大氣顆粒物濃度月均濃度變化

3.3 PMs日變化特征分析

清源山不同季節(jié)、不同月份、不同污染程度及不同天氣條件下的日變化特征如圖2—圖5所示。從小時均值的變化特征來看,最高值是在午夜及凌晨,最低值是在傍晚；從不同月份看,各月份呈現(xiàn)的變化規(guī)律差異較大,寒冷月及溫暖月呈現(xiàn)出不同的變化趨勢,PM10在10月至次年2月呈現(xiàn)出2個波峰,分別在早晨8：00—9：00時及晚上18：00—20：00出現(xiàn),與早晚出行高峰基本吻合,PM2.5的變化趨勢與PM10的較為接近而變化幅度較小,趨勢較為平穩(wěn)；從不同污染級別變化特征分析,清源山出現(xiàn)的污染級別較低,僅有中度及輕度污染,在污染天時PMs濃度日變化特點特征較無規(guī)律性,依然呈現(xiàn)出2個波峰,而當(dāng)處于污染物濃度較低時,PMs濃度變化趨勢較為平緩；隨著氣候條件的不同,PMs濃度變化特征較為復(fù)雜,整體而言降雨條件下大氣顆粒物濃度較低,大雨、暴雨條件下PM10及PM2.5濃度均呈現(xiàn)為最低值,晴及多云氣候條件下大氣顆粒物濃度較高,進一步分析,不同氣候條件給PM10及PM2.5帶來的影響也不一樣,變現(xiàn)出的特點應(yīng)與氣候變化特征有關(guān)。

圖2 不同月份大氣顆粒物濃度的日變化特征

圖3 不同季節(jié)大氣顆粒物濃度的日變化特征

圖4 不同月份大氣顆粒物濃度的日變化特征

圖5 不同污染情況下大氣顆粒物濃度的日變化特征

3.4 PMs與其它污染物及氣象因子相關(guān)性分析

大氣顆粒物濃度高低不僅和顆粒物本身的性質(zhì)、距離城區(qū)距離及地形有關(guān),同時會被氣象因子等因素所影響,檢驗過程中對大氣顆粒物濃度及氣象因子進行(包括AQI,SO2,NO2,CO,O3,風(fēng)速、溫度、相對濕度)相關(guān)性分析。如表2所示,在測量的各環(huán)境因子里,影響大氣顆粒物的為風(fēng)速、濕度和溫度。其中,濕度對不同粒徑顆粒物(PM10,PM2.5)表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)；風(fēng)速和溫度對大氣顆粒物濃度表現(xiàn)為極顯著負相關(guān)。

其它大氣污染物濃度及AQI指數(shù)與大氣顆粒物濃度均成極顯著正相關(guān),表明大氣顆粒物濃度與其它污染物具有很強的相關(guān)性,對于減小大氣顆粒物濃度應(yīng)從減少各類大氣污染物著手。研究結(jié)果基本和前人研究相同,而O3濃度和大氣顆粒物濃度表現(xiàn)為顯著正相關(guān),這和相關(guān)研究結(jié)果有差異。O3為次生污染物,由NOx,SOx等在強烈的光化學(xué)反應(yīng)后形成,而前人研究表明[7],O3濃度在夏季較高,春冬季較低。本研究以每小時平均數(shù)據(jù)作為分析對象,相較于前人以8小時平均濃度進行計算可能有一定差異,且福建等南方地區(qū),四季陽光照射性均較強,因此研究結(jié)果可能與在北方進行的研究有所差異。

表2 氣象因子其它污染物濃度與大氣顆粒物濃度的相關(guān)性Tab.2 Correlation coefficients of PMs and meteorological factors and other pollutants

4 結(jié)論與討論

1) 對清源山的研究結(jié)果顯示,整體大氣顆粒物濃度除春冬季低于II級排放標(biāo)準,其余季節(jié)各時間段皆低于國家I級排放標(biāo)準,表明清源山空氣質(zhì)量較高。從2000年以來對清源山的研究數(shù)據(jù)表明此次試驗和前人研究結(jié)果較為吻合,且研究顯示,清源山PMs濃度變化存在顯著的季節(jié)變化規(guī)律,春冬季較高,夏秋較低,且不同氣候條件下、不同月份等其日變化特征不盡相同。傅偉聰[19]對2013年冬季福州市3個典型游憩地大氣顆粒物濃度的結(jié)果顯示,11個監(jiān)測點PM10及PM2.5日均濃度處于我國I級與II級排放標(biāo)準之間,與此研究結(jié)果相近。

2) 氣象因子及其它污染物濃度對PMs具有較強相關(guān)性。當(dāng)風(fēng)速越小、濕度越大時,PM10濃度越高；溫度越低、濕度越大,則PM2.5濃度越高。相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示,PMs濃度和溫度、風(fēng)速表現(xiàn)為負相關(guān),而和相對濕度表現(xiàn)為正相關(guān),這和此次試驗結(jié)果較為吻合,但溫度對PM2.5呈負相關(guān)和前人研究存在差異,應(yīng)該與清源山景區(qū)PMs處于較低水平有關(guān)[19-22]。Wang等研究結(jié)果證明PMs濃度與其它污染物呈正顯著相關(guān)[23]。Ji等研究了北方城市PMs同其它污染物的關(guān)系,也得出相同結(jié)果,但Ji等[24]發(fā)現(xiàn),O3的變化規(guī)律同其它污染物濃度存在明顯差異,且O3與PMs相關(guān)性較低。結(jié)合此次研究結(jié)果,不同影響因子對PMs濃度影響也不一樣；同一影響因子和不同粒徑PMs濃度相關(guān)性也有一定差異。

3) 植被對大氣顆粒物濃度變化影響較大。研究顯示,植被可以有效減小大氣顆粒物濃度,尤其是降低大粒徑(PM10)顆粒物濃度方面,效果更加顯著。清源山林木花草較多,造就了多層次交錯空間綠化格局,植被配置模式的不同對大氣顆粒物的降低效果也不相同。研究結(jié)果表明,綠化結(jié)構(gòu)對PMs濃度具有較大影響,綠化帶的降塵作用主要與其密度、結(jié)構(gòu)和寬度有關(guān),建議在植物配置上,組成合理的復(fù)層結(jié)構(gòu)綠地,對于降塵、滯塵、減少二次揚塵等方面效果顯著。在進行綠化建設(shè)上,應(yīng)注意：a.植物配置層次合理性,喬、灌、藤本、草本等植物的合理配置；b.植被密度分配的合理性,在污染源應(yīng)適當(dāng)種植葉片濃密的植物,在密閉及較易進行污染物存留的地點應(yīng)適當(dāng)減低種植密度；c.考慮游憩、觀賞及康健之間的關(guān)系,在植物與環(huán)境構(gòu)建中尋找切合點。因此,對城郊山體等游憩地進行合理設(shè)計,優(yōu)化綠地復(fù)層立體綠化模式對于改善空氣質(zhì)量,將得到良好的效果。

[1] Du K,Mu C,Deng J,et al.Study on atmospheric visibility variations and the impacts of meteorological parameters using high temporal resolution data: an application of environmental internet of things in China[J].International Journal of Sustainable Development and World Ecology,2013,20(3):238-247.

[2] Ying I T.Atmospheric visibility trends in an urban area in Taiwan 1961—2003[J].Atmospheric Environment,2005,39(30):5555-5567.

[3] Nishanth T,Praseed K M,Rathnakaran K,et al.Atmospheric pollution in a semi-urban,coastal region in India following festival seasons[J].Atmospheric Environment,2012,47(1):295-306.

[4] Malm W C,Sisler J F,Huffman D,et al.Spatial and seasonal trends in particle concentration and optical extinction in the United States[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres,2007,112(D4):D14301.

[5] Xue D,Li C,Liu Q.Visibility characteristics and the impacts of air pollutants and meteorological conditions over Shanghai,China[J].Environmental Monitoring and Assessment,2015,187(6):363.

[6] Chai F H,Gao J,Chen Z X,et al.Spatial and temporal variation of particulate matter and gaseous pollutants in 26 cities in China[J].Journal of Environmental Sciences,2014,26(1):75-82.

[7] Liu XG,Li J,Qu Y,et al.Formation and evolution mechanism of regional haze: a case study in the megacity Beijing,China[J].Atmospheric chemistry and physics,2013,13(9):4501-4514.

[8] Song Y,Wan X M,Bai S X,et al.The Characteristics of Air Pollutants during Two Distinct Episodes of Fireworks Burning in a Valley City of North China[J].PLoS One,2017:12(1):168-297.

[9] Xu L L,Chen X Q,Chen J S,et al.Seasonal variations and chemical compositions of PM2.5aerosol in the urban area of Fuzhou,China[J].Atmos.Res.,2012,104(1):264-272.

[10] Molnar A,Meszaros E,Imre K,et al.Trends in visibility over Hungary between 1996and 2002[J].Atmospheric Environment,2008,42(11):2621-2629.

[11] 蘭思仁,戴永務(wù),沈必勝.中國森林公園和森林旅游的三十年[J].林業(yè)經(jīng)濟問題,2014,34(2):97-106.

[12] 蘭思仁.國家森林公園理論與實踐[M].北京:中國林業(yè)出版社,2004.

[13] 尹偉倫.全球森林與環(huán)境關(guān)系研究進展[J].森林與環(huán)境學(xué)報,2015,35(1):1-7.

[14] 崔紅芬.泉州清源山三世佛造像記考論[J].民族研究,2011(3):63-68.

[15] 楊琳珩.基于GIS的清源山景區(qū)旅游資源管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].泉州:華僑大學(xué),2011.

[16] 吳德龍.清源山風(fēng)景區(qū)避難場所研究[D].泉州:華僑大學(xué),2014.

[17] Chang D,Song Y,Liu B.Visibility trends in six megacities in China 1973—2007[J].Atmospheric Research,2009,94(2):161-167.

[18] GB3095-2012,環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準[S].

[19] 傅偉聰,董嘉瑩,王茜,等.福州市冬季若干典型游憩地大氣顆粒物濃度日變化規(guī)律研究[J].熱帶作物學(xué)報,2014,35(2):348-354.

[20] 黃鸝鳴,王格慧,王薈,等.南京市空氣中顆粒物PM10PM2.5污染水平[J].中國環(huán)境科學(xué),2002,22(4):334-337.

[21] 傅偉聰,陳梓茹,朱志鵬,等.福州城郊不同游憩空間大氣顆粒物濃度的變化規(guī)律——以福建農(nóng)林大學(xué)校園為例[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,45(4):458-464.

[22] 傅偉聰,齊津達,朱志鵬,等.百里杜鵑森林公園杜鵑盛開期大氣顆粒物濃度變化特征[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2016,31(2):288-294.

[23] Wang Y G,Ying Q,Hu J L,et al.Spatial and temporal variations of six criteria air pollutants in 31 provincial capital cities in China during 2013—2014[J].Environment International,2014,73(12):413-422.

[24] Ji D S,Wang Y S,Wang L L,et al.Analysis of heavy pollution episodes in selected cities of northern China[J].Atmospheric Environment,2012,50(4):338-348.