魯紹偉,李少寧,陳 波,劉海龍,趙東波,陳鵬飛

1 北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所,北京燕山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站,北京 100093 2 林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100093 3 北京市西山試驗(yàn)林場,北京 100093

北京西山不同海拔油松林PM2.5濃度及葉片吸附量變化規(guī)律

魯紹偉1,2,李少寧1,2,陳 波1,*,劉海龍3,趙東波3,陳鵬飛3

1 北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所,北京燕山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站,北京 100093 2 林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100093 3 北京市西山試驗(yàn)林場,北京 100093

以北京西山不同海拔梯度油松人工林為研究對象,對油松林PM2.5濃度變化和葉片PM2.5吸附量進(jìn)行分析,并應(yīng)用電子顯微鏡對不同海拔油松葉表面微形態(tài)特征進(jìn)行觀察,闡釋葉片吸附PM2.5差異。結(jié)果表明：隨著海拔升高PM2.5質(zhì)量濃度逐漸降低,不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度日變化均呈典型的雙峰曲線,7:00和19:00是一天的兩個峰值,最小值出現(xiàn)在13:00—15:00左右；從不同月份看,不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在冬季的2月,最低值在8月；不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度全年均值為84 m((102.28±18.44) μg/m3)>110 m((94.18±18.34) μg/m3)>160 m((81.53±19.23) μg/m3)>230 m((75.39±15.71) μg/m3)；隨著海拔升高單位葉面積PM2.5吸附量逐漸減小,每升高50 m,單位葉面積PM2.5吸附量降低23.25%,每公頃PM2.5吸附量下降26.43%,不同海拔油松林每公頃PM2.5吸附量全年均值為84 m((8.61±1.08) kg/hm2)>110 m((7.30±0.94) kg/hm2)>160 m((6.35±0.99) kg/hm2)>230 m((4.34±1.14) kg/hm2)；處于低海拔的油松葉表面較粗糙,氣孔內(nèi)部和周圍聚集大量顆粒物,在葉面形態(tài)上更有利于吸附PM2.5,高海拔則相反。高海拔空氣質(zhì)量優(yōu)于低海拔,低海拔的植物吸附顆粒物多于高海拔。研究結(jié)果可為城市造林和森林凈化大氣提供數(shù)據(jù)支持。

不同海拔；油松林；PM2.5濃度；PM2.5吸附量；葉表面形態(tài)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快以及能源消耗的不斷攀升,顆粒物已成為我國城市大氣的首要污染物,其中細(xì)顆粒物PM2.5不僅會導(dǎo)致大氣能見度下降,還會增加死亡率和呼吸道系統(tǒng)疾病發(fā)病率,引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。北京作為我國的首都,隨著城市化進(jìn)程加快,2014年2月北京PM2.5濃度一度高達(dá)900 μg/m3,2014年平均PM2.5質(zhì)量濃度為83.2 μg/m3,超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)137.71%,北京的空氣質(zhì)量距離建設(shè)國際化大都市的環(huán)境要求還有較大差距。近年來,不同學(xué)者已經(jīng)從不同角度對北京大氣顆粒物進(jìn)行了大量研究。城市大氣顆粒物濃度變化和分布特征的研究,對揭示城市大氣顆粒物的基本特征及變化規(guī)律具有重要的意義。大量研究證明,植物能凈化空氣中的顆粒物,特別是在消納吸收大氣污染物,提高空氣環(huán)境質(zhì)量上具有顯著的效果[2]。樹木可直接從大氣中顆粒物中去除顆粒,或通過植物葉表面捕獲懸浮顆粒。一些捕獲的粒子可以吸收到樹體,雖然大部分的顆粒截留在植物表面[3- 4],城市植被對顆粒污染物的滯留已成為研究的熱點(diǎn)[5]。在國內(nèi),部分學(xué)者關(guān)注不同植物單位葉面積/葉重的滯塵量以及年滯塵量,廣州市18種行道樹的滯塵量在0.066—1.831 g/m2[6]。惠州建成區(qū)大葉榕、小葉榕、高山榕(Ficusaltissima)和紅花羊蹄甲單位葉面積的滯塵量分別為0.98、0.75、0.64 g/m2和0.41 g/m2,年滯塵量為4431 t[7]。京西門頭溝自然植被的年滯塵量可達(dá)39.47×104 t[8]。在西米德蘭茲郡隨著森林覆蓋率從3.7%增加到16.5%,PM10濃度將平均減少10%,從2.3 mg/m3降低到2.1 mg/m3(每年減少110 t)；在哥斯拉格樹木覆蓋率從3.6%提高到8%,PM10濃度將平均較少2%(每年移除4 t)[9]。在倫敦城市樹木估計(jì)每年移除852 t到2121 t的PM10,這相當(dāng)于提高0.7%—1.4%的PM10空氣質(zhì)量[10]。在倫敦一個10 km ×10 km的25%的樹木覆蓋率的綠地每年減少90.4 t的PM10,這相當(dāng)于每年可以減少2個人的死亡和2家醫(yī)院的全年廢品排放量[11]?？梢?森林消減顆粒物的強(qiáng)大功能。

隨著北京社會經(jīng)濟(jì)和城市的發(fā)展,生態(tài)旅游逐漸成為城市居民的重要需求。北京西山是北京市民和外地游客進(jìn)行徒步旅行、登高、健身、攝影等各種游憩活動的重要區(qū)域,游憩林空氣質(zhì)量的好壞是判斷森林生態(tài)旅游適宜性的決定性因素[12]。目前有關(guān)空氣顆粒物的詳細(xì)研究主要集中在時空變化[13]、來源分析[14]、成分解析[15]和危害評價[16]上,對城市游憩林空氣顆粒物的變化多是些零散的、斷斷續(xù)續(xù)的研究,而對不同海拔游憩林內(nèi)空氣顆粒物濃度的時空變化和顆粒物吸附量連續(xù)完整的研究未見報(bào)道。為此,本文在北京西山國家森林公園選取4個海拔梯度的油松人工林,對不同海拔的油松林PM2.5濃度及葉片PM2.5吸附量進(jìn)行研究,以揭示PM2.5在垂直高度上的變化趨勢,探尋森林植被對PM2.5的影響,闡釋森林凈化環(huán)境空氣功能,為森林生態(tài)建設(shè)及環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究地概況

北京西山國家森林公園位于北京西郊小西山,以北京西山試驗(yàn)林場為基礎(chǔ),總面積5970 hm2,有林地5196.8 hm2,林木覆蓋率87%,年降雨量634.2 mm,相對濕度43%—79%,是距北京市區(qū)最近的一座國家級森林公園；公園空氣質(zhì)量相對于城區(qū)較好,但整體空氣質(zhì)量不高,全年48.394%的天數(shù)為污染天氣。地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林,園內(nèi)動植物資源豐富,有植物共計(jì)250多種,分屬73科。主要喬木樹種包括油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、白皮松(Pinusbungeana)、楊樹(Populus)等,主要的灌木有連翹(Forsythiasuspensa)、迎春(Jasminumnudiflorum)等。

1.2 樹種選擇

油松是北方的主要園林綠化樹種,油松因其葉表面分布大量的油脂、粗糙度較大可以大量吸附顆粒物,同時油松也是西山國家森林公園的主要樹種,在公園內(nèi)大面積栽植。本文選擇北京西山國家森林公園林齡相近,根據(jù)實(shí)地境況和海拔高度變化,選取不同海拔高度(84、110、160、230 m)的油松,4個海拔的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為峰度為-0.35,偏度為0.83,基本符合正態(tài)分布,基本信息如表1所示。

表1 不同海拔油松基本信息

1.3 葉片采集方法

在采集樹葉之前先用噴霧器清洗整個單株樹木,以月為單位,在清洗完7 d之后每個樹種分別選擇3棵樣樹(林齡相近)采樣,采樣時避開雨天,遇到降雨時順延至雨后7 d,在樹冠的上、中、下部位及東、南、西、北4個方向各采集針闊樹種功能葉片,將采集的葉片封存于紙質(zhì)采集袋(無靜電)中帶回實(shí)驗(yàn)室處理。

1.4PM2.5濃度觀測

用Dustmate 手持粉塵檢測儀測定距地1.5 m高處空氣的PM2.5質(zhì)量濃度(d≤2.5 μm,可吸入顆粒物),每天均從5:00—19:00進(jìn)行觀測,每隔2 h觀測1次,每次4個海拔梯度油松林均同步觀測,每次觀測進(jìn)行3個重復(fù)。

1.5PM2.5吸附量計(jì)算

葉片的PM2.5吸滯量應(yīng)用氣溶膠再發(fā)生器(QRJZFSQ-Ⅱ)獲得,氣溶膠再發(fā)生器是本課題組研究人員研發(fā)用來測定植物葉片PM2.5含量的儀器,通過風(fēng)蝕原理,將待測樹種葉片放入氣溶膠再發(fā)生器的料盒,通過攪動、吹風(fēng)、去靜電等處理,氣溶膠再發(fā)生器將葉片上的顆粒物吹起,制成氣溶膠,再結(jié)合Dustmate 手持粉塵監(jiān)測儀獲取制成氣溶膠中PM2.5的質(zhì)量濃度,進(jìn)而推算出葉片上PM2.5的吸附量(m),每個樹種進(jìn)行3次重復(fù)；再利用葉面積掃描儀和葉面積軟件計(jì)算放入料盒中所有葉片的葉面積(S),由公式(1)計(jì)算單位葉面積PM2.5吸附量(M),由公式(2)計(jì)算單位公頃林地吸附PM2.5含量(kg hm-2a-1)。目前,氣溶膠再發(fā)生器應(yīng)用情況較好,已得到學(xué)界認(rèn)可[17- 18]。

M=m/S

(1)

Q=M×LAI×0.1×k

(2)

式中,M為單位葉面積PM2.5吸附量(μg/cm2)；m為放入氣溶膠再發(fā)生器中葉片的PM2.5吸附量(μg)；S為放入氣溶膠再發(fā)生器料盒中所有葉片的葉面積(cm2)；Q為每公頃林地吸附PM2.5含量(kg hm-2a-1)；LAI為葉面積指數(shù)；0.1為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；k為PM2.5年洗脫次數(shù)。

1.6 葉表面微形態(tài)結(jié)構(gòu)

摘取適量葉片,立即封存于塑料紙內(nèi)以防擠壓或葉毛被破壞；在葉脈兩側(cè)的中部將新鮮葉片切成邊長約5 mm的小立方塊,立即用2.5%(體積分?jǐn)?shù))戊二醛溶液進(jìn)行固定；用磷酸緩沖溶液沖洗3次；用梯度乙醇脫水,分為70%、80%、90%、95% 和100%的 5個梯度；樣品經(jīng)過噴金處理后,采用 FEI Quanta-200 環(huán)境掃描電子顯微鏡(荷蘭,FEI 公司)觀察葉片的表面,選擇適合的比例進(jìn)行拍攝。

2 結(jié)果與分析

2.1PM2.5質(zhì)量濃度日變化

圖1 不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度日變化Fig.1 Diurnal variation of PM2.5 concentration at different altitudes for Pinus tabulaeformis

不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度日變化(5:00—19:00)特征如圖1所示,整體來看不同月份PM2.5質(zhì)量濃度表現(xiàn)為相似的變化趨勢,低海拔PM2.5質(zhì)量濃度大于中高海拔PM2.5質(zhì)量濃度。不同月份中,二者均變現(xiàn)出大致相同的日變化趨勢,呈典型的雙峰型變化趨勢,不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度日變化均從5:00左右開始逐漸增大,至7:00左右達(dá)到第1次峰值,7:00之后其PM2.5濃度逐漸降低,至13:00—15:00左右達(dá)到一天當(dāng)中的最小值,15:00之后PM2.5濃度又逐漸開始增大,在19:00左右PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到本文觀測時段內(nèi)的第2次峰值。從不同月份來看,6月和7月不同海拔油松林的PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢比較平緩,其他月份變化比較劇烈；1—5月和10—12月的PM2.5濃度最高值均大于100 μg/m3,6—9月的PM2.5濃度最高值均低于80 μg/m3。

從不同月份PM2.5濃度日均值來看,84 m海拔為2月(105.88 μg/m3)最大,其次是1月(98.50 μg/m3),8月(44.20 μg/m3)最小；110 m和160 m海拔均為2月、3月、11月排前三,8月最??；230 m海拔12月(80.66 μg/m3)最大,其次是11月(79.16 μg/m3),2月(79 μg/m3)第三,8月最小。

可見,不同海拔油松林PM2.5濃度日均值均在8月最小,低中海拔的最高值在2月,高海拔的最高值在12月；1—3月和11—12月是PM2.5濃度日均值較高的月份,6—9月是PM2.5濃度日均值較低的月份。

2.2PM2.5質(zhì)量濃度年變化

不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度年變化趨勢基本一致(圖2)但差異顯著(方差組間F=9.43,P=0.0003),在PM2.5質(zhì)量濃度年均值最高的2月,表現(xiàn)為84 m(125.87 μg/m3)>110 m(115 μg/m3)>160 m(110.83 μg/m3)>230 m(99 μg/m3)；在PM2.5質(zhì)量濃度年均值最低的8月,也表現(xiàn)為84 m(64.2 μg/m3)>110 m(58.37 μg/m3)>160 m(51.57 μg/m3)>230 m(46.83 μg/m3)；在其他月份也表現(xiàn)出與此一致的變化趨勢,可見PM2.5質(zhì)量濃度年均值均呈現(xiàn)出隨海拔升高逐漸減小的趨勢。從不同月份來看,不同海拔油松林PM2.5濃度年均值表現(xiàn)為84 m海拔2月、1月和4月最大,8月最小；110 m海拔2月、4月和3月最大,8月最??；160 m海拔2月、4月和1月最大,8月最?。?30 m海拔也為2月、4月和1月最大,8月最小；1—4月和11—12月是不同海拔油松林PM2.5濃度年均值較高的月份,6—8月是不同海拔油松林PM2.5濃度年均值較低的月份,不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度均在2月出現(xiàn)最高值,8月出現(xiàn)最低值。不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度全年均值為84 m((102.28±18.44)μg/m3)>110m((94.18±18.34)μg/m3)>160 m((81.53±19.23)μg/m3)>230 m((75.39±15.71) μg/m3),在海拔較低的區(qū)域顆粒物污染濃度較高,隨著海拔每升高50 m,PM2.5質(zhì)量濃度降低10.75%。

圖2 不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度年變化Fig.2 Annual variation of PM2.5 concentration at different altitudes for Pinus tabulaeformis

2.3葉片PM2.5吸附量

由圖3可知不同海拔油松單位葉面積PM2.5吸附量差異明顯(方差組間F=2.63,P<0.05),在單位葉面積PM2.5吸附量最高的2月,表現(xiàn)為84 m((3.11±0.95) μg/m3)>110 m((2.68±0.45) μg/m3)>160 m((2.41±0.21) μg/m3)>230 m((2.05±0.3499) μg/m3)；在單位葉面積PM2.5吸附量最低的8月,也表現(xiàn)為84 m((1.77±0.13) μg/m3)>110 m((1.39±0.25) μg/m3)>160 m((1.23±0.10) μg/m3)>230 m((0.61±0.19) μg/m3)；在其他月份也表現(xiàn)出與此一致的變化趨勢,可見不同海拔油松單位葉面積PM2.5吸附量均呈現(xiàn)出隨海拔升高逐漸減小的趨勢。從不同月份來看,不同海拔油松單位葉面積PM2.5吸附量年均值表現(xiàn)為84 m海拔2月、3月和1月最大,8月最??；110 m海拔2月、1月和3月最大,8月最??；160 m海拔2月、1月和12月最大,8月最小；230 m海拔也為2月、3月和1月最大,8月最??；1—4月和11—12月是不同海拔油松單位葉面積PM2.5吸附量年均值較高的月份,6—8月是不同海拔油松單位葉面積PM2.5吸附量年均值較低的月份,不同海拔油松單位葉面積PM2.5吸附量均在2月出現(xiàn)最高值,8月出現(xiàn)最低值。不同海拔油松單位葉面積PM2.5吸附量全年均值為84 m((2.52±0.78)μg/m3)>110 m((2.14±0.74) μg/m3)>160 m((1.93±0.69) μg/m3)>230 m((1.37±0.84) μg/m3),在海拔較低的區(qū)域單位葉面積PM2.5吸附量較高,隨著海拔升高單位葉面積PM2.5吸附量逐漸減小,每升高50 m,單位葉面積PM2.5吸附量降低23.25%；不同海拔油松林每公頃PM2.5吸附量全年均值為84 m((8.61±1.08)kg/hm2)>110 m((7.30±0.94)kg/hm2)>160 m((6.35±0.99)kg/hm2)>230 m((4.34±1.14)kg/hm2),84 m的油松林每公頃PM2.5吸附量是230 m的1.98倍,隨著海拔升高每公頃PM2.5吸附量逐漸減小,減小的比例在14.82%—46.53%之間,海拔每升高50 m,每公頃PM2.5吸附量下降26.43%(圖4)。可見,低海拔因其較高的PM2.5濃度,植物能吸附更多的PM2.5。

圖3 不同海拔油松單位葉面積PM2.5吸附量Fig.3 PM2.5 adsorption amount of per unit leaf area for different altitude Pinus tabulaeformis

圖4 不同海拔油松林每公頃PM2.5吸附量 Fig.4 PM2.5 adsorption amount of per hectare for different altitude Pinus tabulaeformis

2.4 葉表面微形態(tài)特征

不同海拔油松在葉表面形態(tài)上表現(xiàn)出較大的差異(圖5),海拔為84m的油松葉片表面布滿顆粒物,葉片粗糙度較大,氣孔密度較大,但是氣孔開度較小,大量顆粒去進(jìn)入氣孔,葉表面的紋理不清晰,有大量的油脂和粘液存在,容易使PM2.5等顆粒物吸附；海拔為110 m的油松葉表面具有大量的顆粒物,葉片較粗糙度較大,葉表面有大量的褶皺和凹槽,氣孔密度較大,但是氣孔開度較小,氣孔內(nèi)部和周圍有大量的顆粒物；海拔為160 m的油松葉表面具有顆粒物數(shù)量較少,葉片粗糙度較小,葉表面有大量的紋理清晰可見,氣孔密度和氣孔開度較大,氣孔內(nèi)部和周圍的顆粒物數(shù)量較少,葉表面的油脂較少；海拔為230 m的油松葉表面顆粒物數(shù)量少,葉片粗糙度小于低海拔的油松,葉表面有大量的褶皺和凹槽,氣孔密度和氣孔開度大,氣孔內(nèi)部和周圍的顆粒物數(shù)量很少,氣孔清晰可見,葉表面的紋理和褶皺排列緊密,而且非常清晰。綜上可知,處于低海拔的油松葉表面粗糙度較大,褶皺和紋理均不清晰,氣孔被大量的顆粒物包裹,氣孔開度較小,而且葉片上存在油脂,處于高海拔的油松葉片表現(xiàn)出相反的變化特征,葉片上的顆粒物數(shù)量也較少。

圖5 不同海拔油松葉表面形態(tài)Fig.5 The leaf surface morphology of different altitude Pinus tabulaeformis

3 討論

3.1不同海拔PM2.5質(zhì)量濃度時空變化特征

不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度白天日變化呈“雙峰單谷”性,在7:00和19:00處于兩個峰值,白天11:00—15:00均處在低值期間。這是因?yàn)樵缤淼臏囟容^低,濕度較大,不利于大氣的輸送和擴(kuò)散,PM2.5容易積聚[12]；早晨近地面向外輻射而迅速冷卻降溫,出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,造成近地層大氣對流較弱,不利于顆粒物的擴(kuò)散；而且早晚是上下班的高峰期,人流量和車流量都相對較大[19],增加了PM2.5濃度；傍晚由于云層籠罩,大氣保溫效應(yīng)持續(xù)存在,污染物聚集,短時間內(nèi)不易擴(kuò)散,均造成PM2.5質(zhì)量濃度維持在較高水平；白天溫度高,光照強(qiáng),濕度相對較小,大氣層不穩(wěn)定,大氣對流和湍流強(qiáng)烈,有利于大氣的擴(kuò)散運(yùn)動,再加上白天植物生理活動旺盛,進(jìn)行光合作用,致使白天的PM2.5的濃度較早晚低；15:00左右,溫度一般達(dá)到當(dāng)天較高值,空氣壓較高,空氣流通性較高,致使PM2.5濃度被稀釋,隨空氣流動,不易滯留在空氣當(dāng)中,導(dǎo)致下午時段內(nèi)PM2.5濃度達(dá)到一天當(dāng)中最低值。王月容[20]等研究北京市道路綠地對PM2.5濃度的削減作用發(fā)現(xiàn),PM2.5質(zhì)量濃度日變化曲線呈現(xiàn)出“雙峰單谷”型,早晚高、白天低,14:00—16:00左右出現(xiàn)一天當(dāng)中的最小值,最大值出現(xiàn)在6:00—8:00或22:00左右；表明午后由于地面增溫造成近地面層的湍流垂直輸送增強(qiáng),混合層高度增高,從而使近地面顆粒物質(zhì)量濃度減小,該時段的多數(shù)污染物質(zhì)量濃度呈低值[21]；本研究中不同海拔油松林PM2.5日變化最大值分別出現(xiàn)在7:00左右,最小值大多出現(xiàn)在13:00—15:00左右,這與以上研究結(jié)果完全一致,進(jìn)一步證實(shí)了PM2.5質(zhì)量濃度日變化特征。

從不同月份來看,不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度均在1—4月和11—12月呈現(xiàn)出較高值,在6—9月為較低值,8月為全年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度最低的月份。這是因?yàn)?—4月和11—12月是冬季和春季,冬季是北京的燃煤季節(jié),燃燒煤使大量的粉塵顆粒和硫化物排放到大氣中,加劇空氣污染,同時冬季氣溫低,對流較弱,也加劇了顆粒物的積聚,使PM2.5質(zhì)量濃度升高；春季是北京多沙季節(jié),隨著西北風(fēng)和東南風(fēng)的盛行,將周圍地區(qū)的污染物和風(fēng)沙吹拂到北京,增加了北京地區(qū)空氣中PM2.5質(zhì)量濃度。6—9月是夏季,夏季是北京的多雨季節(jié),降雨可以有效的消減大氣中的PM2.5,使PM2.5質(zhì)量濃度降低；另一方面,夏季溫度高,大氣對流旺盛,顆粒物容易擴(kuò)散；另外,夏季萬物復(fù)蘇,植物生長繁茂,而植物的枝葉可以有效的吸附大氣中的PM2.5等顆粒物,這也使6—9月PM2.5質(zhì)量濃度較低。汪永英[22]等對哈爾濱PM2.5污染狀況進(jìn)行研究表明,2014年全年達(dá)到污染級別天氣為121天,出現(xiàn)重度污染現(xiàn)象的天氣主要集中在冬季的11月、12月、1月、2月和3月；王占山[23]等對北京市PM2.5時空分布研究結(jié)果表明,冬季(1月、2月和12月)PM2.5質(zhì)量濃度明顯高于其他3個季節(jié),最高值出現(xiàn)在1月份,最低值出現(xiàn)在8月份；王成[19]等對北京西山典型城市森林內(nèi)PM2.5動態(tài)變化規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),北京西山游憩型城市森林內(nèi)PM2.5濃度在冬季最高。這均與本研究結(jié)果完全一致,說明空氣PM2.5質(zhì)量濃度的變化主要受天氣、污染源和植被狀況的影響。

從不同海拔高度來看,隨著海拔升高PM2.5質(zhì)量濃度逐漸降低,本文得出海拔每升高50 m,PM2.5質(zhì)量濃度降低10.75%。這是因?yàn)镻M2.5作為一種顆粒物,本身具有質(zhì)量,具有質(zhì)量的PM2.5更容易在低海拔地區(qū)漂浮,高海拔地區(qū)的PM2.5也會隨時間的推移逐漸的下沉,在低海拔區(qū)域聚集,故低海拔地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度高于高海拔地區(qū)；另一方面,隨著海拔升高氣溫逐漸降低,每升高100 m,溫度下降0.6℃,低海拔氣度溫度高于高海拔地區(qū),溫度高使大氣壓升高,空氣對流增強(qiáng),增加了PM2.5等顆粒物的流動性,而高海拔地區(qū)溫度低于低海拔地區(qū),高海拔地區(qū)的空氣對流較弱,PM2.5等顆粒物的流動性較差,故低海拔地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度較高,而高海拔地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度較低。

3.2不同海拔PM2.5吸滯特征

不同海拔油松葉片PM2.5吸附量均在1—4月和11—12月呈現(xiàn)出較高值,在6—9月為較低值,8月為全年P(guān)M2.5吸附量最低的月份。這是因?yàn)?—4月和11—12是冬季和春季,外界PM2.5質(zhì)量濃度較高,6—9月是夏季,外界PM2.5質(zhì)量濃度較低,在外界PM2.5質(zhì)量濃度較高的月份外界的污染源較多,不同海拔的油松可以有大量的顆粒被吸附在葉片表面。

葉表面特性的差異是植物吸滯空氣顆粒物能力不同的重要影響因素,葉表面氣孔密度和開度、絨毛狀況、粗糙程度和油脂層等都直接影響葉片吸附PM2.5等顆粒物的能力[6]。葉表面具有溝狀組織或密集纖毛的樹種滯塵能力較強(qiáng),其微形態(tài)結(jié)構(gòu)越密集、深淺差別越大,越有利于吸附空氣顆粒物,葉表面平滑的樹種滯塵能力較弱[24]。本研究顯示隨著海拔升高葉片PM2.5吸附量逐漸降低,得出海拔每升高50 m,油松單位葉面積PM2.5吸附量降低23.25%,每公頃油松林PM2.5吸附量減小26.43%,處于低海拔的油松葉表面的粗糙度較大,氣孔開度較小,褶皺和紋理均布清洗,在氣孔內(nèi)部和周圍聚集著大量的顆粒物,而處于高海拔的油松則相反。Sabin等[25]認(rèn)為表面粗糙的葉片,且具有絨毛、溝狀凸起、粘液油脂的葉柄,其吸附PM2.5等顆粒物的能力則較強(qiáng),本研究中海拔在84 m和110 m的低海拔油松葉表面存在油脂,且葉表面存在凹陷和凸起,粗糙度較大,從而使其PM2.5吸滯能力顯著高于160 m和230 m處的油松。賈彥等[26]認(rèn)為,粗糙程度大、微形態(tài)結(jié)構(gòu)密集和深淺差別大的葉面,會增加其與顆粒物的接觸面積,使得葉片對顆粒物的吸附量較高,本研究中84 m和110 m的低海拔油松的葉片粗糙度均大于160 m和230 m處的油松,故吸附PM2.5能力較強(qiáng),而160 m和230 m處的油松葉片粗糙度較小,葉片較光滑,從而導(dǎo)致不適合吸附PM2.5等細(xì)顆粒物,故160 m和230 m處的油松吸附PM2.5能力較弱?？梢?葉表面存在大量凸起和溝壑組織的葉片,粗糙度大,從而其PM2.5吸附能力強(qiáng)；反之,PM2.5吸滯能力則逐漸下降,處于低海拔的油松在葉面形態(tài)上更有利于吸附PM2.5。

4 結(jié)論

隨著海拔升高PM2.5質(zhì)量濃度逐漸降低,不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度日變化均呈典型的雙峰曲線,7:00和19:00是一天中的兩個峰值,最小值出現(xiàn)在13:00—15:00左右；從不同月份看,不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在冬季的2月,最低值在8月,不同海拔油松林PM2.5質(zhì)量濃度全年均值表現(xiàn)為隨海拔升高逐漸減低；隨著海拔升高單位葉面積PM2.5吸附量逐漸減小,每升高50 m,單位葉面積PM2.5吸附量降低23.25%,每公頃PM2.5吸附量下降26.43%；處于低海拔的油松林在葉面形態(tài)上更有利于吸附PM2.5,高海拔則相反。高海拔空氣質(zhì)量優(yōu)于低海拔,低海拔的植物吸附顆粒物能力強(qiáng)。

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VariationsinPM2.5concentrationandleafadsorptioncapacityofPinustabulaeformisforestsatdifferentaltitudesonBeijingXishanMountains

LU Shaowei1,2,LI Shaoning1,2,CHEN Bo1,*, LIU Hailong3, ZHAO Dongbo3, CHEN Pengfei3

1ForestryandPomologyInstitute,BeijingAcademyofAgricultureandForestryScience,YanshanForestEcosystemResearchObservationStationofBeijing,Beijing100093,China2HorticultureEcologicalEnvironmentFunctionPromoteCollaborativeInnovationCenter,Beijing100093,China3XishanExperimentalForestFarmofBeijing,Beijing100093,China

PM2.5concentration and leaf PM2.5adsorption capacity ofPinustabulaeformisartificial forests at different altitudes on Beijing Xishan Mountains were analyzed, surface micro-morphological characteristics ofPinustabulaeformisat different altitudes were observed using electron microscopy, and differences in leaf PM2.5adsorption were then interpreted. The results revealed the following: PM2.5concentration decreased as the altitude increased; diurnal variations in PM2.5concentration displayed a typical bimodal curve for thePinustabulaeformisforests at different altitudes; the highest peaks were observed at 7:00 and 19:00, while minimum concentrations were detected at 13:00—15:00; PM2.5concentration was the highest in the winter month of February and the lowest in August; annual mean PM2.5concentration at varying forest altitudes was 84 m ((102.28 ± 18.44) μg/m3) > 110 m ((94.18 ± 18.34) μg/m3) > 160 m ((81.53 ± 19.23) μg/m3) > 230 m ((75.39 ± 15.71) μg/m3); PM2.5adsorption amount per unit leaf area decreased as the altitude increased (PM2.5adsorption amount per unit leaf area reduced by 23.25% as the altitude increased by 50 m); PM2.5adsorption amount per hectare decreased by 26.43%, with thePinustabulaeformisforests at different altitudes exhibiting annual mean values of 84 m ((8.61 ± 1.08) kg/hm2) > 110 m ((7.30 ± 0.94) kg/hm2) > 160 m ((6.35 ± 0.99) kg/hm2) > 230 m ((4.34 ± 1.14) kg/hm2); leaf surface texture was rough at the lower altitudes, with a high number of particles inside and around the stomata (a function more conducive to PM2.5adsorptionwith respect to leaf morphology); and leaf surface texture at the high altitudes exhibited opposite features. Air quality at the high altitudes was superior to that at the low altitudes, and plant adsorption particles were higher at the low altitudes than at the high altitudes. The results can provide data support for urban afforestation and purification of the atmosphere using forests.

varying altitude;Pinustabulaeformisforest; PM2.5concentration; PM2.5adsorption capacity; leaf surface morphology

北京市農(nóng)林科學(xué)院數(shù)據(jù)平臺建設(shè)(KJCX20160301)；科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)-協(xié)同創(chuàng)新中心-林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心(2011協(xié)同創(chuàng)新中心)(市級)(PXM2017_014207_000043)；北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(JWKST201609)

2015- 11- 11; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhyechb2010@163.com

10.5846/stxb201511112283

魯紹偉,李少寧,陳波,劉海龍,趙東波,陳鵬飛.北京西山不同海拔油松林PM2.5濃度及葉片吸附量變化規(guī)律.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(19):6588- 6596.

Lu S W,Li S N,Chen B, Liu H L, Zhao D B, Chen P F.Variations in PM2.5concentration and leaf adsorption capacity ofPinustabulaeformisforests at different altitudes on Beijing Xishan Mountains.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6588- 6596.