北京地区典型城市绿地对PM2.5等颗粒物浓度及化学组成影响研究

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为了探讨城市绿地对颗粒物的调控作用,本研究以北京地区景观生态林、公园绿地和居住区绿地为研究对象,于2013年7月至2014年11月,水平同步观测绿地内外颗粒物浓度并分析公园绿地典型群落PM2.5化学组成特征。研究了天气条件对绿地调控颗粒物浓度的影响及颗粒物浓度时间变化规律;建立了绿地内PM2.5小时平均浓度预测模型;分析了绿地对PM2.5化学组成的影响;量化了植物配置指标与绿地对颗粒物削减率的关系。研究结果如下:(1)天气条件显著影响绿地对颗粒物浓度的削减作用,夏、秋和春季林内和林外颗粒物浓度对比规律相同。晴朗微风天气和扬尘天气景观生态林内TSP和PM10浓度显著低于林外;多云、轻微至轻度雾霾天气林内颗粒物浓度均显著低于林外;雾霭天气林内TSP和PM10浓度不显著高于林外,PM2.5浓度显著高于林外。不同天气条件林内颗粒物浓度相比,晴朗<雾霭转晴<多云<扬尘<轻度雾霾<雾霭;其中雾霾天气PM2.5浓度的增加程度更为明显,而扬尘天气TSP浓度的增加程度更为显著。(2)天气条件和人为活动共同影响绿地颗粒物日变化特征。持续晴朗天气,颗粒物浓度日变化曲线呈“W”型,峰值出现在人为活动集中的早晚高峰时段,全天林内TSP和PM10浓度低于林外,PM2.5浓度于8:00~22:00低于林外、22:00~6:00高于林外:晴朗转雾霭天气,颗粒物浓度日变化曲线呈“S”型,夜间高、白天低,林内颗粒物浓度骤升的时刻较林外提前,骤降的时刻延后;扬尘转中度雾霾天气,全天TSP和PM10浓度有较大波动,PM2.5浓度波动小、夜间持续上升。总体来说,一天中11:00~16:00空气扩散条件良好,颗粒物浓度处于较低水平,适宜人们户外活动。(3)绿地对颗粒物的削减量与颗粒物浓度和植被生长节律密切相关。景观生态林对颗粒物浓度的降低效果在夏季和春季较高,其中春季最高,可使林内TSP、PM10和PM2.5平均浓度分别降低65.44±8.58μg·m-3、26.19±9.72μg·m-3和12.16±4.5μg·m-3;公园绿地对TSP的平均削减量也表现为春季最高,可达129.12±30.81μg·m-3。总的来说,大气颗粒物浓度高、植物生理活动旺盛时期,绿地对颗粒物的削减量高。(4)不同气象因子与颗粒物浓度的相关性不同,空气相对湿度、风速和风向是影响其浓度的主要因子。相对于TSP和PM10,PM25更易受到近地面气象因素的影响而堆积或扩散,PM2.5日均浓度与相对湿度呈线性正相关(降水天气除外)与风速呈指数负相关,北京地区偏南风对颗粒物主要起输送和积累作用,偏北风对颗粒物起到稀释和扩散作用。根据PM2.5浓度与污染源强及气象参数间的关系,应用BP神经网络和多元线性回归建立了绿地内PM2.5小时平均浓度预测模型,所建立的BP网络模型的预测效果优于多元线性回归模型,预测模型在一般污染浓度情况下对林内PM2.5浓度的预测效果较高污染时期更为准确。(5)植物配置方式不同程度上影响绿地对颗粒物的削减率。林地对颗粒物的净化能力显著高于稀树草坪;针阔混交林对颗粒物的削减率大于阔叶林和针叶林;乔灌草与乔草型绿地对颗粒物的削减率没有显著差异。绿地对颗粒物的削减率与植被平均株高和冠幅呈现不显著正相关,与密度呈现不显著负相关。林分密度和郁闭度过大,会导致林内颗粒物浓度升高,此种负效应在夏、秋季高温、高湿的天气尤为明显。当冠幅较大的乔木密度为30~45株/亩,冠幅较窄的乔木密度为50~60株/亩时,绿地对颗粒物具有明显的削减作用;当冠幅较窄的树种密度为93株/亩时,表现为绿地内PM2.5浓度高于绿地外。植物配置方式对绿地削减PM2.5能力的影响较TSP更为显著。(6)绿地对PM2.5化学成分有重要影响,有机质、SO42-、NO3-、NH4+和地壳物质为绿地PM2.5的主要组分。公园林带可使PM2.5中有机碳(OC)、二次有机碳(SOC)、 NO3-、SO42-、NH4+和K+的浓度显著升高,使多环芳烃(PAHs)浓度及苯并[a]芘等效毒性降低。不同季节PM2.5酸度不同,冬、夏季呈酸性,春、秋季呈碱性,林内PM2.5较林外酸性更强;PM2.5中地壳元素浓度春季最高,污染元素浓度冬季最高。奥林匹克森林公园内PM2.5中有毒元素仅砷(As)和铬(Cr)年均浓度超标,As为世界卫生组织规定限值的1.4倍,Cr为限值的30倍;BaP等效毒性(BEQ)处于极低水平。(7)居住区绿地按照位置和功能划分为道路绿地、广场绿地、楼旁绿地等形式,针对每种形式的绿地具体探讨了植物配置方式对其削减颗粒物浓度的影响,从调控大气颗粒物的角度出发,结合考虑景观效果和遮阴、减噪等其他生态效益,依据建筑特点及功能分区,对居住区绿地植物配置提出了相应的建设意见。
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