城市森林對(duì)PM2.5的控制作用研究進(jìn)展

侯貽菊 劉延惠* 閆國(guó)華 趙文君

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽(yáng) 550005；2.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 貴陽(yáng) 550003)

城市森林對(duì)PM2.5的控制作用研究進(jìn)展

侯貽菊1劉延惠1*閆國(guó)華2趙文君1

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽(yáng) 550005；2.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 貴陽(yáng) 550003)

本文從植物個(gè)體和城市森林群落控制PM2.5的能力差異及其時(shí)空變化規(guī)律方面分析總結(jié)了城市森林控制PM2.5的研究現(xiàn)狀，并對(duì)該研究做了相關(guān)展望，以期達(dá)到更好的控制PM2.5的目的。

城市森林；PM2.5；調(diào)控功能

隨著城市建設(shè)的加快、工業(yè)化的快速發(fā)展和汽車保有量的增加，建筑物揚(yáng)塵、工業(yè)廢棄物以及汽車尾氣排放量急劇上升，城市空氣污染問題日益突出[1]，特別是以PM2.5為首的可吸入顆粒物已經(jīng)成為影響城市人居環(huán)境和居民身體健康的城市首要污染物[2]。PM2.5因其粒徑(≤2.5微米)小而具有沉降速度慢、滯留時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此其影響范圍廣、危害程度大[3]。PM2.5能夠進(jìn)入人體呼吸道(又稱為可入肺顆粒物)，通過(guò)血液循環(huán)進(jìn)入各組織器官，會(huì)直接干擾肺部氣體交換，引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管疾病等多種疾病[4～5]，對(duì)老人、兒童、呼吸道疾病和心肺病患者等危害更大[6～8]。

城市森林是森林的一種特殊類型，指在城市區(qū)域內(nèi)以各種樹木為主體的植被及其所在環(huán)境所構(gòu)成的森林生態(tài)系統(tǒng)[9]，對(duì)PM2.5的擴(kuò)散有顯著的阻礙作用。城市森林作為城市生態(tài)環(huán)境中具有自凈功能的最大生態(tài)系統(tǒng)[10]，可通過(guò)覆蓋地表減少揚(yáng)塵，降低 PM2.5來(lái)源，并通過(guò)降低風(fēng)速促進(jìn)PM2.5沉降，改變風(fēng)向阻攔PM2.5進(jìn)入局部區(qū)域，還可通過(guò)葉面、枝條和莖干表面吸附PM2.5，氣孔、皮孔吸收PM2.5等方式，有效地阻滯空氣顆粒物，發(fā)揮凈化大氣的功能[11～15]。不同類型城市森林對(duì)PM2.5的控制功能大小不同，本文從植物個(gè)體和城市森林群落控制PM2.5能力差異及其時(shí)空變化規(guī)律方面總結(jié)城市森林控制PM2.5的研究現(xiàn)狀，旨在為進(jìn)一步的理論研究及城市生態(tài)建設(shè)提供參考。

1 植物個(gè)體PM2.5的吸滯特征

受植物形體大小和枝葉自身特性的影響，植物個(gè)體間控制PM2.5能力差異顯著，這種差異在單位滯塵量和全株最大滯塵量方面均有體現(xiàn)，不同樹種單位面積和單葉滯塵量最大的差異可達(dá)到近十倍和數(shù)十倍[16]，全株最大滯塵量相差幾十倍以上[17～18]，甚至有學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同樹種單位滯塵量相差上萬(wàn)倍[19]。葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的不同是引起個(gè)體植株控制PM2.5能力差異的主要原因。

1.1 植物葉片對(duì)PM2.5的滯留作用

植物滯塵量大小與葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)、葉面粗糙程度、葉片著生角度、葉片濕潤(rùn)性以及樹冠大小、疏密度等因素有關(guān)[20]。當(dāng)PM2.5通過(guò)城市森林時(shí)，樹木葉片凹凸不平的結(jié)構(gòu)、葉片茸毛以及從樹葉氣孔中分泌出的粘性葉漿和油脂等均能攔截住大量的微塵，有明顯的阻擋、過(guò)濾和吸附作用[2]。植物葉片吸滯大氣顆粒物的能力受葉表面微結(jié)構(gòu)影響較大，謝濱澤[21]等通過(guò)對(duì)北京20種常見闊葉綠化植物單位葉面積滯留PM2.5的質(zhì)量研究發(fā)現(xiàn)不同植物單位葉面積滯留PM2.5的質(zhì)量存在顯著差異，變化范圍為0.04～0.39g/m2，葉表面溝槽寬度為5μm左右時(shí)對(duì)PM2.5的滯留量較大，溝槽越深，滯留量越大，氣孔密度較大的葉片表面顆粒物滯留量較大。柴一新[22]等對(duì)城市綠化樹種滯塵效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)：葉表皮具溝狀組織、密集纖毛的樹種如銀中楊、金銀忍冬的滯塵能力是葉表皮具瘤狀或疣狀突起樹種如稠李的3～4倍。鄭少文[23]等通過(guò)對(duì)北方常見綠化樹種的滯塵效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)二球懸鈴木、毛白楊、梓樹等單位葉面積滯塵能力較強(qiáng)的闊葉樹種均屬于葉面皺縮、多毛和具有分泌液的樹種，圓柏、雪松、油松、白皮松等針葉樹種單位葉重滯塵量的差異主要是由于葉片集生數(shù)量不同和葉片的著生角度不同引起的。王蕾等[24]測(cè)定了北京市11種園林植物葉面顆粒物附著密度，發(fā)現(xiàn)植物葉片上表面滯留的大氣顆粒物數(shù)量約為下表面的5倍，上表面滯留大氣顆粒物能力由高到低的微形態(tài)就夠依次是溝槽>葉脈+小窒>小室>條狀突起，并且結(jié)構(gòu)越密集、深淺差別越大，越有利于滯留大氣顆粒物。

1.2 植物滯留PM2.5的時(shí)空變化規(guī)律

1.2.1 時(shí)間變化規(guī)律

植物葉片的滯塵量不是隨著時(shí)間的積累而線性增加，而是增幅減小，滯塵達(dá)到飽和，滯塵量便不再增加或增加幅度較小，直到下次大雨過(guò)后植物葉片再重新滯塵。一般認(rèn)為大于 15mm 的雨量就可以沖掉植物葉片的降塵[25]。Schabel 等[26]的研究也發(fā)現(xiàn)，園林植被枝葉對(duì)粉塵的吸附作用均是暫時(shí)的，隨著下一次降雨的到來(lái)，粉塵會(huì)被雨水沖洗掉，具有一定的“可塑性”。 高金暉等[27]的研究表明植物葉片滯塵量在達(dá)到極限值以前受空氣中粉塵含量的影響較大，同種植物葉片的滯塵量會(huì)隨著空氣中粉塵含量的增多而增大。一天內(nèi)植物葉片累計(jì)滯塵過(guò)程與時(shí)間不成線性相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明植物葉片的滯塵過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，植物葉面的滯塵與粉塵脫落同時(shí)存在[28]。 一般情況下，一天內(nèi)植物葉片滯塵量分別在早上 8:00～10:00和傍晚16:00～18:00 相對(duì)較大[29]。 Nowak[30]、Woodruff[31]、Arden[32]和 Pope[33～34]等的研究也表明綠地植被枝葉對(duì)粉塵的截留和吸附受到時(shí)間的影響，但影響效應(yīng)及其呈現(xiàn)時(shí)間變化規(guī)律則依樹種、環(huán)境等條件而不同。

植物滯塵作用在不同季節(jié)存在較大區(qū)別。張景等[29]研究發(fā)現(xiàn)葉片滯塵量的變異系數(shù)受不同季節(jié)外界自然因素的干擾變化較大。同一地點(diǎn)大部分綠化樹種滯塵能力的季節(jié)動(dòng)態(tài)規(guī)律是冬季滯塵量最高、春秋季次之，夏季較低[35]。 李玉琛的研究也表明滯塵量變化規(guī)律為：冬季、秋季含量較高，春季和夏季較低[36]。 造成這種現(xiàn)象的原因一方面與著葉季節(jié)長(zhǎng)短等因素有很大關(guān)系，另一方面與空氣中PM2.5濃度的季節(jié)變化特點(diǎn)有關(guān)，一般冬季的葉片滯塵量是最大的，這可能是由于冬季霧天和逆溫層出現(xiàn)的天數(shù)多以及采暖煤炭燃燒量增加所導(dǎo)致的。另外，植物生長(zhǎng)的階段對(duì)植物的滯塵能力也產(chǎn)生較大影響。董希文[37]研究發(fā)現(xiàn)，銀中楊大樹和幼樹的單位葉面積滯塵量存在差異，由于苗期葉片相對(duì)較大，葉表粗糙，特別是背面多毛，因此滯塵量較大; 而大樹的葉片小葉居多，且較光滑，單位滯塵量相對(duì)較少。

1.2.2 空間變化規(guī)律

城市空氣污染程度對(duì)植物的滯塵總量產(chǎn)生很大影響[38]。高金暉[27]等在封閉式和開敞式兩種不同環(huán)境條件下，對(duì)單位葉面積的滯塵量進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明：同種類植物種在封閉式環(huán)境條件下葉片滯塵量明顯低于開敞式環(huán)境條件下的滯塵量。由于葉片受外界環(huán)境干擾，植物葉片單位面積滯塵量的變異系數(shù)較大，植物葉面的滯塵與粉塵脫落同時(shí)存在，并且在開放式環(huán)境條件下車輛行人繁多，造成路面較大程度的二次揚(yáng)塵，因此同株植物葉片“低”位的滯塵量明顯高于“高”位和“中”位，說(shuō)明即使在同一環(huán)境中，植物的不同部位葉片的單位滯塵量也存在較大差異。程政紅等[39]的研究表明，同種樹木均以重度污染區(qū)的滯塵量最大，輕度污染區(qū)的滯塵量最小。邱媛等[40]研究了廣東省惠州市不同功能區(qū)的4種主要綠化喬木(大葉榕、小葉榕、高山榕、紫荊)，其滯塵總量排序?yàn)椋汗I(yè)區(qū)>商業(yè)交通區(qū)>居住區(qū)>清潔區(qū)。陳瑋等[41]的研究表明，在不同位置的檜柏滯塵能力排序?yàn)椋簷C(jī)動(dòng)車道與自行車道分車帶>自行車與人行道分隔帶>公園內(nèi)同株樹面對(duì)街道面>公園內(nèi)同株樹背離街道面，說(shuō)明不同路段機(jī)動(dòng)車尾氣排放量不同，滯塵效應(yīng)也就有了較大差異。茍亞清等[42]也得到相似的結(jié)論。

1.3 不同樹種調(diào)控PM2.5能力差異

無(wú)論是喬木(闊葉樹或針葉樹)、灌木、草本植物，不同的植物個(gè)體之間的滯塵能力都存在較大的差異，高大的喬木能夠阻滯、過(guò)濾外界的降塵和飄塵，低矮的灌木、草本、地被等則能有效減少地面揚(yáng)塵[43]。就針葉樹和闊葉樹而言，一般認(rèn)為針葉樹的滯塵能力大于闊葉樹種。Beckett[44]、Tallis[45]等認(rèn)為針葉植物由于其復(fù)雜的枝葉空間分布結(jié)構(gòu)對(duì)小顆粒物的沉降能力顯著高于闊葉樹種，且闊葉樹種由于非生長(zhǎng)季樹葉凋落，其降塵作用被極大削弱。賈宗鍇等[46]研究表明，就滯塵能力而言，地被植物<落葉灌木<落葉喬木<常綠灌木<常綠喬木。張新獻(xiàn)等[47]的研究表明，丁香的滯塵能力是紫葉小檗的6倍多；落葉喬木毛白楊為垂柳的3倍多。不同樹種單位葉面積吸塵效果不同，如圓柏的單位葉面積平均每月吸塵量就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于榆樹單位葉面積平均每月吸塵量。郭建超等[48]通過(guò)對(duì)兩種不同林地(楊樹林和油松林)的觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)城市林地不同對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響不同，油松對(duì)PM2.5的吸附阻止作用較楊樹強(qiáng)，且作用更明顯。古琳等[49]通過(guò)對(duì)無(wú)錫惠山三種城市游憩林(香樟林、濕地松林、栓皮櫟林)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)惠山3 種游憩林內(nèi)PM2.5濃度年均值低于道路，濕地松林和香樟林內(nèi)PM2.5濃度年均值低于栓皮櫟林。

2 城市森林群落控制PM2.5的能力差異

城市森林對(duì)PM2.5具有很好的阻擋、過(guò)濾、攔截和吸附作用，牛生杰等[50]利用搭載在飛機(jī)上的APS一3310型激光空氣動(dòng)力學(xué)氣溶膠粒子譜儀，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，植被覆蓋度好的地面上空PM2.5濃度小于沙漠地點(diǎn)上空的PM2.5。任啟文等[51]通過(guò)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的研究，發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)部PM2.5濃度值明顯低于道路上的PM2.5，表明森林具有良好的滯塵作用。上述研究結(jié)果表明在較小和較大的空間尺度上，森林具有明顯的滯塵效應(yīng)。

2.1 城市森林群落對(duì)PM2.5的控制作用

城市森林群落對(duì)PM2.5的控制作用主要體現(xiàn)在物理和化學(xué)作用兩個(gè)方面。物理調(diào)控[10]主要是通過(guò)改變氣流運(yùn)動(dòng)速度和方向來(lái)降塵，并通過(guò)城市森林特殊的葉面結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的冠層結(jié)構(gòu)來(lái)吸附、阻滯粉塵；布局合理的城市森林可通過(guò)其茂密的樹冠及復(fù)層結(jié)構(gòu)有效降低風(fēng)速，對(duì)因風(fēng)力而重返空氣的粉層起到再次截留的作用，其地表的枯枝落葉、草叢或地被等還能有效避免或減少二次揚(yáng)塵的發(fā)生[51]。城市森林化學(xué)調(diào)控作用主要包括林內(nèi)空氣負(fù)離子對(duì)PM2.5的中和作用、對(duì)溫濕度的影響以及植物有機(jī)物質(zhì)的揮發(fā)[10]。由于PM2.5等顆粒物一般都是正離子，所以空氣中的負(fù)氧離子具有主動(dòng)吸收PM2.5的能力。負(fù)氧離子濃度與空氣中可吸入顆粒物PM2.5的濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，負(fù)氧離子濃度越高，則PM2.5的濃度越低[52]，當(dāng)室內(nèi)空氣中負(fù)氧離子的濃度超過(guò)每立方厘米2. 5萬(wàn)個(gè)時(shí)，空氣中的含塵量會(huì)減少一倍以上。健康的成熟的森林就是負(fù)氧離子的主要制造者，森林的木材、葉枝尖端放電及植物光合作用形成的光電效應(yīng)能產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子，森林覆蓋率越高，負(fù)氧離子含量越高[53]，對(duì)PM2.5的消除能力越強(qiáng)。

2.2 不同綠地類型調(diào)控PM2.5的能力差異

城市森林群落結(jié)構(gòu)對(duì)森林滯塵效應(yīng)的發(fā)揮產(chǎn)生巨大的影響。劉學(xué)全等[54]在宜昌市城區(qū)的研究表明，具有喬-灌-草立體結(jié)構(gòu)的綠地類型滯塵效果最佳，結(jié)構(gòu)單一，且立體綠量較少的草坪滯塵率較低。Baker等[55]的研究表明，喬-灌-草型的綠地具有相對(duì)較好的滯塵作用，是目前較為理想的綠地類型。鄭少文等[23]在山西省晉中盆地的山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校園的3種綠地類型中，喬-灌-草型綠地滯塵能力最大，灌-草型綠地次之，單一草坪型綠地最小。周志翔等[56]在武鋼廠區(qū)綠地景觀類型空間結(jié)構(gòu)及滯塵效應(yīng)的研究表明，具有喬灌草結(jié)合的多行復(fù)層綠帶和防護(hù)林地的滯塵效果較好，植物結(jié)構(gòu)單一的專類園和觀賞草坪滯塵效果較差。粟志峰等[57]的研究表明，街道綠地規(guī)劃應(yīng)以稠密喬木型和喬木加灌木加花草型為首選，可有效阻滯機(jī)動(dòng)車輛行駛產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵，從而減少顆粒物對(duì)空氣質(zhì)量的影響。因此，選擇滯塵能力強(qiáng)的植物，并以喬、灌、草不同生活型植物進(jìn)行合理配置，是提高城市森林滯塵效應(yīng)的有效途徑。

2.3 城市森林PM2.5濃度變化特征

城市森林調(diào)控空氣顆粒物是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，受滯塵累積時(shí)間長(zhǎng)短、晝夜和季節(jié)變化、植物所處環(huán)境污染狀況等諸多因素影響，呈現(xiàn)出一定變化規(guī)律[10]。城市森林對(duì)PM2.5的調(diào)控作用因季節(jié)不同而變化。北京西山三種典型游憩林內(nèi)PM2.5濃度總體上呈現(xiàn)冬季>夏季>秋季>春季的規(guī)律[58]。無(wú)錫惠山三種游憩林內(nèi)PM2.5濃度在春季>冬季>秋季>夏季，這可能主要與南北方氣候差異及春季北方沙塵中的細(xì)顆粒物長(zhǎng)距離輸送有關(guān)[49]。清華大學(xué)校園內(nèi)6種城市綠地空氣PM2.5濃度在季節(jié)分布上差異顯著，秋季最低、夏季最高，夏季不同類型綠地空氣PM2.5濃度極顯著高于春季、秋季和冬季；冬季空氣PM2.5濃度極顯著高于秋季、顯著高于春季，春季、秋季之間沒有顯著差異[59]。王成等[58]通過(guò)對(duì)北京西山三種典型游憩林(側(cè)柏純林，黃櫨純林，黃櫨、構(gòu)樹、油松、側(cè)柏混交林)一年四季24h晝夜觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)游憩林內(nèi)PM2.5濃度多數(shù)時(shí)候遠(yuǎn)低于城區(qū)對(duì)照值，PM2.5在不同類型游憩林內(nèi)的變化趨勢(shì)和濃度值存在一定差異。郁閉度較大的側(cè)柏林夜間PM2.5濃度總體上高于其它兩種林型，其高峰和低谷出現(xiàn)時(shí)間延遲，高峰值大，高峰期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且這種規(guī)律在秋季表現(xiàn)得更明顯。

3 研究展望

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在城市森林對(duì)PM2.5的調(diào)控作用、特別是植物葉片滯塵作用方面取得了較多的研究成果，明確了森林植被能夠有效降低空氣中PM2.5等顆粒物，但此類研究尚處于起步階段，幾乎沒有什么定量化的研究。關(guān)于城市森林如何影響空氣顆粒物擴(kuò)散、沉降和循環(huán)等過(guò)程和機(jī)制等方面的研究較少，因此，有待于加強(qiáng)試驗(yàn)?zāi)M與實(shí)地結(jié)合的定量研究，以分析城市森林調(diào)控空氣顆粒物的作用，揭示林內(nèi)空氣顆粒物的擴(kuò)散規(guī)律、循環(huán)過(guò)程，獲取最佳、最科學(xué)的植物配置和群落結(jié)構(gòu)構(gòu)建方式，為治理城市空氣顆粒物污染和合理經(jīng)營(yíng)與營(yíng)造城市森林提供科學(xué)依據(jù)。

在城市森林研究中，研究城市森林調(diào)控空氣顆粒物的功能并不是研究的最終目的，其關(guān)鍵在于如何用研究成果來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐并應(yīng)用到實(shí)際建設(shè)當(dāng)中，促進(jìn)城市森林的健康發(fā)展和城市環(huán)境的最終改善。基于目前城市森林調(diào)控空氣顆粒物的研究成果還沒有得到廣泛的應(yīng)用，丞需進(jìn)一步加強(qiáng)研究成果與具體實(shí)踐的結(jié)合，通過(guò)建立示范區(qū)帶動(dòng)科研成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

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Research Progress on Control Function of Urban Forest in PM2.5

HOU Yi-ju, LIU Yan-hui, YAN Guo-hua, ZHAO Wen-jun

(1.Guizhou Academy of Forestry ,GuiYang,Guizhou 550005,2.Forest Survey and Planning Institute of Guizhou Province,Guiyang, Guizhou 550003 )

In this paper, the research status of urban forest control PM2.5is analyzed and summarized from the aspects of the differences of PM2.5capacity between plant individuals and urban forest communities and their spatial and temporal changes, and made a related outlook on this research in order to control PM2.5 better.

Urban Forest , PM2.5, control function

2016-01-13

侯貽菊(1988～)，女，助理工程師，主要從事森林生態(tài)研究；E-mail:houyijuzi@163.com

劉延惠(1973～)，女，博士，副研究員，主要從事森林生態(tài)和森林水文研究

貴州省科技廳社發(fā)項(xiàng)目(黔科合SY字[2015]3021)，貴州省林業(yè)重大項(xiàng)目(黔林科合[2014] 重大01號(hào))

S718.51+2.1

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