PM2.5特征及森林植被對(duì)其調(diào)控研究進(jìn)展

吳海龍，余新曉?，師忱，張艷，張振明

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，100083，北京)

PM2.5特征及森林植被對(duì)其調(diào)控研究進(jìn)展

吳海龍1，余新曉1?，師忱1，張艷1，張振明2

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，100083，北京)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響越來(lái)越大，大氣中PM2.5對(duì)人類健康的威脅逐步加劇，如何減輕PM2.5對(duì)人類的危害已經(jīng)成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PM2.5的研究成果，總結(jié)PM2.5的時(shí)空分布特征、組成特性、來(lái)源分類，以及世界主要國(guó)家、地區(qū)對(duì)PM2.5的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并基于森林植被對(duì)PM2.5的調(diào)控作用，指出通過(guò)合理建設(shè)森林植被達(dá)到有效調(diào)控PM2.5、降低PM2.5對(duì)人類的危害的目的。

PM2.5;森林植被;監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn);調(diào)控

隨著工業(yè)的發(fā)展和城市建設(shè)的擴(kuò)大，工業(yè)廢棄物、建筑揚(yáng)塵以及汽車尾氣排放量急劇上升，大氣污染日益嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)洛杉磯光化學(xué)煙霧事件和倫敦?zé)熿F事件之后，歐美國(guó)家就開(kāi)始了對(duì)大氣顆粒物的研究。國(guó)內(nèi)由于工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)緩慢，對(duì)大氣污染問(wèn)題認(rèn)識(shí)較晚，對(duì)大氣污染的研究起步也較晚。PM(particulate matter)即為顆粒物，PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，其直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20，也稱為可入肺顆粒物?？茖W(xué)家用PM2.5表示每m3空氣中這種顆粒物的質(zhì)量含量，這個(gè)值越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見(jiàn)度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)，輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大?，F(xiàn)階段對(duì)于PM2.5的研究可分為幾個(gè)方面，即對(duì)PM2.5本身的研究，包括分布特征研究、組成研究、來(lái)源研究等，對(duì)PM2.5的監(jiān)測(cè)方法與儀器的研究，對(duì)PM2.5危害的研究(主要集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域)，以及森林植被對(duì)PM2.5的作用研究。前3類研究較為深入，最后一類則處于起步階段。

1 PM2.5特征研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)PM2.5的特征研究主要集中在時(shí)間變化規(guī)律(日、月和季節(jié)變化)、空間變化規(guī)律(水平和垂直方向)、PM2.5組成成分和來(lái)源分析等方面。對(duì)國(guó)內(nèi)該方面的主要文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，PM2.5的時(shí)間變化規(guī)律主要是由于季節(jié)性氣候條件和居民生活習(xí)慣導(dǎo)致。氣候條件如風(fēng)、降水以及沙塵天氣等，不同時(shí)間段風(fēng)向風(fēng)速不同，對(duì)該地區(qū)大氣中顆粒物會(huì)產(chǎn)生不同的影響。居民生活習(xí)慣主要體現(xiàn)為冬春季節(jié)居民燃煤和汽車尾氣的排放，尤其是北方地區(qū)，冬春季節(jié)采暖期PM2.5會(huì)急劇上升，到非采暖期就會(huì)降低，上下班高峰期PM2.5也會(huì)出現(xiàn)峰值。

表1 國(guó)內(nèi)主要學(xué)者對(duì)PM2.5的研究成果Tab．1 Status of PM2.5 investigated by major researchers

表1 (續(xù))

從表1還可以看出，PM2.5在空間上的分布具有明顯的水平區(qū)域特性和垂直層次變化。與市區(qū)相比，郊區(qū)PM2.5低得多，在市區(qū)內(nèi)部不同地方，由于城市綠地的存在也存在很大的區(qū)別。垂直距離上，隨著離地面高度的增加，PM2.5逐漸降低。

表1顯示，PM2.5組成成分可以分為2大類，即有機(jī)粒子和非有機(jī)粒子。其中有機(jī)粒子即有機(jī)碳，是分布最廣的組成成分，非有機(jī)粒子包括元素碳和無(wú)機(jī)離子(如 Al、SO2－4)，其分布存在區(qū)域特性，與其來(lái)源有關(guān)。

細(xì)顆粒物主要來(lái)源于燃料燃燒等人為活動(dòng)，按其形成方式可分為3種:直接以固態(tài)形式排出的一次粒子;在高溫狀態(tài)下以氣態(tài)形式排出、在煙羽的稀釋和冷卻過(guò)程中凝結(jié)成固態(tài)的一次可凝結(jié)粒子;由氣態(tài)前體污染物通過(guò)大氣化學(xué)反應(yīng)而生成的二次粒子［19］。雖然在不同的研究中，PM2.5的具體來(lái)源有所不同，但究其根本原因仍可歸納為3大類，即化石燃料的燃燒、生物質(zhì)的燃燒和大氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次PM2.5，只是在不同的地區(qū)、不同的環(huán)境背景下表現(xiàn)形式有所不同。

隨著PM2.5污染的日益加劇，其對(duì)人類出行、身體健康等都會(huì)產(chǎn)生極大的影響。1943年，在美國(guó)洛杉磯發(fā)生了人類歷史上第1次光化學(xué)煙霧事件，隨后在北美、日本、澳大利亞和歐洲也相繼出現(xiàn)了這類事件，只到1958年，經(jīng)過(guò)反復(fù)的研究才確定這是由汽車尾氣造成的。煙霧事件不僅給人類出行造成了巨大的不便，也對(duì)農(nóng)作物造成了經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)直接給人類帶來(lái)疾病。1952年的倫敦?zé)熿F事件持續(xù)4天，由于煙霧事件而新增的直接死亡人數(shù)達(dá)1 800人左右，由其后遺癥死亡人數(shù)達(dá)8 000人左右。在國(guó)內(nèi)雖沒(méi)有發(fā)生類似重大事件，但在北京、上海、廣州等這類特大城市，煙霧彌漫的天氣在2000年左右經(jīng)常出現(xiàn)，近年來(lái)稍有好轉(zhuǎn)，但現(xiàn)狀仍不容樂(lè)觀。

2 PM2.5監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

自20世紀(jì)四五十年代起，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)空氣中顆粒物進(jìn)行研究，隨著研究的深入，對(duì)空氣中顆粒物的認(rèn)識(shí)也逐漸深入。研究者將大氣顆粒物分為PM10和 PM2.5，近期有學(xué)者在研究中也提出了PM1.0的概念。我國(guó)對(duì) PM10研究較早，而對(duì)PM2.5的研究較晚。1997年首先由美國(guó)提出PM2.5的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，隨后澳大利亞、日本、歐盟等也相繼出臺(tái)了大氣中 PM2.5的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)［20］(表2)。從表中可以看出，在已經(jīng)出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)和即將出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的所有國(guó)家中，除了澳大利亞的標(biāo)準(zhǔn)符合WHO標(biāo)準(zhǔn)，且不是強(qiáng)制性執(zhí)行的以外，其余國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)均未達(dá)到WHO的標(biāo)準(zhǔn)，表明現(xiàn)階段在各國(guó)PM2.5污染狀況不容樂(lè)觀，急需治理。

表2 世界衛(wèi)生組織和各國(guó)的PM2.5標(biāo)準(zhǔn)情況Tab．2 Standards of WHO and other countries

3 植被對(duì)PM2.5的調(diào)控研究

城市樹(shù)木能夠顯著去除空氣污染物，并提高環(huán)境質(zhì)量，有益人體健康。樹(shù)木可以通過(guò)直接和間接去除污染物的方式對(duì)空氣進(jìn)行凈化。直接方式是指樹(shù)木通過(guò)葉面氣孔的主要途徑吸收去除氣體污染物，而對(duì)于空氣攜帶性顆粒物質(zhì)則主要通過(guò)截留的方式清除。間接去除方式是指樹(shù)木能夠通過(guò)蔭蔽和蒸發(fā)散降低大氣溫度，從而通過(guò)節(jié)省降溫能源的方式減少相關(guān)污染物的排放，同時(shí)，降低空氣溫度能夠降低化學(xué)反應(yīng)活動(dòng)，減少由此產(chǎn)生的次級(jí)污染物［21］。

利用小時(shí)氣象數(shù)據(jù)和污染物濃度數(shù)據(jù)對(duì)美國(guó)連續(xù)大片區(qū)域進(jìn)行模擬研究的結(jié)果，城市樹(shù)木可以大量去除空氣污染物，并提升城市空氣質(zhì)量，年總污染物清除量可達(dá)71.1萬(wàn)t，折合經(jīng)濟(jì)效益達(dá)38億美元［21］。在芝加哥進(jìn)行的研究結(jié)果顯示，城市森林對(duì)凈化空氣產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到920萬(wàn)美元［22］。采用模型模擬研究城市森林對(duì)PM的清除效果，結(jié)果表明，美國(guó)Sacramento市PM10的日清除率達(dá)到2.7 t，對(duì)顆粒物的清除可占到人為排放的1% ～2%［23］。

研究證實(shí)，相比較為矮小的植物，喬木去除氣體污染物和顆粒污染物以及截留氣溶膠性質(zhì)污染物的能力更高。喬木除了比其他植被類型具有更高的葉面積外，還能夠產(chǎn)生更多的湍流。切爾諾貝利核事故后的觀測(cè)結(jié)果表明，森林比草地更能有效地吸收細(xì)微顆粒物。吳志萍等［24］研究了6種城市綠地環(huán)境下空氣PM2.5濃度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)春、秋、冬季有喬木的綠地內(nèi)空氣PM2.5濃度較低，夏季草坪內(nèi)空氣PM2.5濃度較低。牛生杰等［25］將 APS－3310型激光空氣動(dòng)力學(xué)氣溶膠粒子譜儀安裝在飛機(jī)上，于1999年春末對(duì)中國(guó)西北沙漠地區(qū)上空的氣溶膠進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果表明，植被覆蓋度好的地點(diǎn)上空PM2.5小于沙漠地點(diǎn)上空的PM2.5。任啟文等［26］對(duì)北京元大都遺址公園內(nèi)不同林地類型及其旁邊道路空氣顆粒物及微生物濃度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)部PM2.5值明顯低于道路上的PM2.5，表明森林具有良好的滯塵作用。Cheng Manting等［7］對(duì)臺(tái)灣臺(tái)中和仁愛(ài)2個(gè)地區(qū)進(jìn)行了細(xì)顆粒物含量對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臺(tái)中人口眾多，森林覆蓋度小，而仁愛(ài)森林覆蓋度高，人口稀少，所以，前者PM2.5是后者的1.4倍，其中PM2.5以氮氧化物為主。郭二果［27］研究了北京西山地區(qū)3種典型游憩林對(duì)空氣中顆粒物的阻滯和吸附效應(yīng)，指出游憩林對(duì)空氣中顆粒物的阻滯和吸附有良好的效果，能有效降低空氣中顆粒物的質(zhì)量含量?，F(xiàn)階段對(duì)樹(shù)木調(diào)控PM2.5等顆粒物種間差異的研究較少，但已有研究發(fā)現(xiàn)這種種間差異確實(shí)存在。由于歐洲黑松(Pinus nigra)和金柏Cupressocyparis leylandii)葉子結(jié)構(gòu)更細(xì)微復(fù)雜，因此它們截獲顆粒物的效率更高［28］。這說(shuō)明合理的樹(shù)種選擇能夠提高森林凈化空氣的效能。

由于人們對(duì)顆粒物濃度帶來(lái)的危險(xiǎn)意識(shí)的日益增強(qiáng)，出現(xiàn)了越來(lái)越多的定量和定性檢測(cè)PM長(zhǎng)期和短期排放的手段。在發(fā)展中國(guó)家，由于環(huán)保管理薄弱，城市化帶來(lái)的工業(yè)排放和交通尾氣污染對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的問(wèn)題，因此，方便快捷且成本低廉的檢測(cè)替代方法尤為重要。PM氣溶膠中的磁性礦物可能會(huì)通過(guò)工業(yè)燃燒過(guò)程、居民制暖或機(jī)動(dòng)車排放，以及路面和制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦產(chǎn)物而產(chǎn)生［29－32］，因此，磁性指標(biāo)，尤其是磁化率就能用于監(jiān)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)大氣PM污染的區(qū)域分布。通過(guò)研究從道路上直接收集的灰塵樣本［33－34］、濾膜收集樣本［35－38］或葉片沉積灰塵樣本［39－41］，污染物的磁性已被用來(lái)鑒別大氣工業(yè)和交通污染，并且該方法還被用于對(duì)土壤污染物進(jìn)行特性分析［29－30，32－33，42－43］。

4 總結(jié)與展望

PM2.5直接危害著人類的身體健康，如何治理和防治PM2.5是研究的最終目的。一方面是從源頭控制，盡可能地減少能夠產(chǎn)生PM2.5的污染物排放，一方面是尋求高效合理的方法消除空氣中已經(jīng)產(chǎn)生的PM2.5。由于PM2.5是伴隨著各種人類活動(dòng)而產(chǎn)生的，而這些人類活動(dòng)又是必須進(jìn)行的，要徹底從源頭消除PM2.5是無(wú)法做到的，尤其是對(duì)于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的中國(guó)來(lái)說(shuō)更是不符合國(guó)情的;因此，除了從源頭控制以外，更重要的是如何消除已經(jīng)產(chǎn)生的PM2.5。森林植被作為地球上重要的組成部分，對(duì)調(diào)節(jié)生物圈生態(tài)環(huán)境具有不可替代的作用。不同的植被類型對(duì)PM2.5的消除作用不同，同時(shí)消除效果與天氣條件也密切相關(guān)。到目前為止，關(guān)于植被對(duì)PM2.5的阻滯和吸收作用仍沒(méi)有定量化的研究，只有少量的關(guān)于不同植被對(duì)PM2.5等顆粒物的阻滯和吸附的定性研究。這些研究明確了一點(diǎn)，即森林植被能夠有效降低空氣中PM2.5等顆粒物，但具體什么樹(shù)種能最有效地降低PM2.5等顆粒物，森林如何配置，在城市中如何合理布局等還急需進(jìn)一步探討。

為了充分利用森林植被對(duì)PM2.5的消除作用，還需要對(duì)森林調(diào)控PM2.5的作用進(jìn)行深入研究，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

在充分掌握當(dāng)?shù)丨h(huán)境背景數(shù)據(jù)的前提下，選擇合適的樹(shù)種(植物種)。不同的植物種除了葉片表面能夠吸附PM2.5以外，還能在一定程度上吸收消化PM2.5中的化學(xué)成分，這就需要確定目標(biāo)樹(shù)種(植物種)對(duì) PM2.5的阻滯吸收作用，例如柳杉(Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex)、銀杏(Ginkgo bilobaL.)、刺槐(Robinia pseudoacacia)能吸收二氧化硫。

不同地點(diǎn)人們對(duì)PM2.5的要求不同，在人為活動(dòng)頻率大的地方(如公園、校園、居民小區(qū)等公共場(chǎng)所)要求PM2.5越低越好，而在人為活動(dòng)頻率低的地方(如封閉的樹(shù)林)對(duì)PM2.5的要求不嚴(yán);因此，可以將PM2.5從人為活動(dòng)頻率高的地方轉(zhuǎn)移到人為活動(dòng)頻率低的地方，這就需要對(duì)不同地點(diǎn)的植被結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的配置，如草坪、灌木叢、高大喬木以及三者之間的互相搭配，不僅要考慮到植被類型的配置，還要考慮到不同類型之間比例的搭配。

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Advances in the study of PM2.5 characteristic and the regulation of forests to PM2.5

Wu Hailong1，Yu Xinxiao1，Shi Chen1，Zhang Yan1，Zhang Zhenming2
(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forest University，100083，Beijing;2.College of Nature Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing:China)

The harm of PM2.5 on human is increasing with the quick development of industry and human activities.How to reduce the harm of PM2.5 is an urgent problem.By summarizing domestic and foreign researches on PM2.5，the paper analyzed its characteristics of temporal and spatial distribution，composition and sources.Also it introduced the monitoring standards of main countries or areas in the world.Finally，the relationship of PM2.5 and vegetation was emphasized.Suitable structure vegetation could help human to prevent PM2.5 effectively，so as to reduce its harm.

PM2.5;vegetation;monitoring standards;regulation

2012－07－07

2012－10－19

林業(yè)公益性行業(yè)科研項(xiàng)目“森林對(duì)PM2.5等顆粒物的調(diào)控功能與技術(shù)研究”

吳海龍(1986—)，男，博士研究生。主要研究方向:森林水文。E－mail:petera@bjfu.edu.cn

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:余新曉(1961—)，男，博士，教授。主要研究方向:森林水文，水土保持。E－mail:yuxinxiao@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)